什么是400G以太网?

Posted 2022-08-18 鲜枣课堂

随着5G、物联网（IoT）的快速发展、社交媒体流量爆炸式增长、从传统办公到远程办公的转变……所有这些变化都伴随着快速增长的数据和带宽密集型应用程序的压力，数据中心面临容量升级。

此外，有数据显示，2021 年大约 94% 的工作负载和计算都由云数据中心处理，而传统数据中心仅处理 6%。云数据中心的带宽需求每 12 到 15 个月就要翻一番，甚至超过广域互联网的增长速度。所有这些驱动因素都在推动数据中心流量的不断增长以及对高容量数据中心网络解决方案的需求。

目前，100G 是被广泛采用的最快的以太网连接，并且还在稳步增长，但是，随着流量的持续增长，以及视频等大容量数据传输的需求，400G以太网将成为数据中心的必然趋势。

什么是400G以太网？

过去几十年见证了以太网速度从 1G、10/25G 到 40/100G 的转变，以太网行业不断创新以实现更高的网络速度，如400G和800G。

400G 以太网或 400 Gigabit Ethernet (400GbE) 由 IEEE P802.3bs Task Force 于 2017 年开发，它使用与 100 Gigabit Ethernet 大致相似的技术。400GbE 技术需要每秒处理更多符号的能力和高级调制格式，以最佳的每比特成本提供每波长 400Gb/s 的传输容量，同时具有更小的外形尺寸、更少的故障点和接口以及更低的功率和发热——所有这些都是 100Gb/s 容量的 4 倍。

400G 技术发展的挑战及趋势

400G 技术发展的挑战包括以下四个方面：

挑战 1：DCI 连接。数据显示，从 2019 年到 2023 年，全球互连带宽预计将以 45% 的 复合年增长率增长。诸如CDN的日益普及、云服务的迅速发展和云之间传输数据的需求以及需要跨数据中心复制的数据量增加等因素促进了DCI流量的高速增长。

挑战 2：未压缩的 4K/8K/16K 视频。新冠疫情加速了视频作为通信方式的发展，目前超过 80% 的互联网流量是视频。这意味着网络必须提供更高的带宽来传输未压缩的视频。

挑战 3：HPC 集群。高性能计算 (HPC) 集群在数据中心环境中大幅增长，并带来了巨大的扩展挑战。HPC集群无疑会加强对400G数据中心交换能力的需求。

挑战 4：存储和内存。在存储和内存功能方面，400G 数据网络对于简化非易失性内存快速 (NVMe) 功能在数据中心的采用至关重要，而内存优化延迟可能会阻碍 400G 部署。

以下这些技术发展解决了上述挑战：

趋势1：QSFP-DD。QSFP-DD技术正在解决快速增长的行业对改进高密度网络解决方案的需求。QSFP-DD 代表了有史以来第一次，从铜缆到长距离光学器件，所有范围都可以以相同的通用外形尺寸提供。QSFP-DD Multi-Source Agreement (MSA)小组还发布了针对QSFP-DD外形尺寸的通用管理接口规范(CMIS) 4.0修订版。

CMIS 4.0版本的开发是为了能够跨产品和模块使用通用代码库，并且还解决了以前版本的可插拔光学管理系统的缺点。CMIS 还有助于确保 QSFP-DD 模块向后兼容所有基于 QSFP 的收发器，包括广泛部署的 40G/100G/200G 产品。

随着 400G 采用的增长，QSFP-DD 为数据中心市场提供了最紧凑的 400G 模块，以及最高的端口带宽密度。通过全行业的严格测试，QSFP-DD 功能已被验证为最适合 400G 数据中心网络环境的高密度、高速可插拔模块。

趋势2：基于收敛以太网(RoCE)的远程直接内存访问(RDMA)。400G数据网络是加速数据中心采用RoCE技术的关键。RDMA支持零复制网络，通过使网络适配器能够直接将数据传输到应用程序内存或从应用程序内存传输数据，无需在应用程序内存和操作系统的数据缓冲区之间复制数据。RoCEv2 协议还支持跨 L3 边界的 RDMA。

由于RoCE结构，数据中心网络交换机通过直接启用显式拥塞通知(ECN)提供线速性，从而获得性能提升。此外，RCoE有助于确保低延迟、智能拥塞管理和QoS灵活性。

趋势3：智能网卡(SmartNIC)。智能网卡的出现在使 400G 能够满足数据中心新的大量带宽需求方面发挥着关键作用。目前最新的智能网卡提供两个 25G/50G/100G 端口或一个 200G/400G 端口以及具有 50G PAM4 SerDes 功能和 PCEi 4.0 主机连接的以太网连接。智能网卡的可用性是提高网络可编程性和加速应用程序卸载不可或缺的一部分，这对于提高数据中心效率至关重要。

趋势 4：采用 400G ZR/ZR+ 的 DCI 连接。400G ZR 是一种标准，旨在使用 DWDM（密集波分复用）和高阶调制在 DCI 链路上传输多个 400G 有效载荷。400G ZR+ 可实现超过 80 公里的部署，非常适合城域区域应用，例如 5G 回程流量、5G 固定无线接入 (FWA)。

本质上，400G ZR 的开发是为了确保同时实现高带宽和高密度 DCI。通过光互连论坛 (OIF) 的批准，400G ZR 对于推进互操作性和降低 400G以前的DCI 的成本和复杂性至关重要。预计QSFP-DD 外形尺寸的 400G ZR 将支持在城域应用中更多采用路由光网络，包括 DCI 和分布式接入架构 (DAA)。

哪些垂直行业正在推动 400G 的发展？

以下关键垂直行业在推动 400G 需求方面发挥着重要作用：

1、通信服务提供商（CSP）。通信服务提供商在推动 400G 的采用方面处于领先地位。从战略上讲，通信服务提供商致力于为消费者和企业客户部署 5G，从而提高整个网络的带宽需求。此外还必须RAN/小型蜂窝部署的密度，以满足其5G业务目标。通信服务提供商正在加速 100G/400G 架构的采用，5G 构建需要将云资源移动到更靠近用户以及应用程序和设备的位置。因此，边缘计算资源必须在整个网络中支持更多的设备，每平方公里多达100,000台活跃设备。相比之下，4G/LTE在一平方公里内最多只能支持2000台活跃设备。通过 400G 带宽，5G 能够扩展其主流采用所需的设备和应用程序。

2、超大规模云提供商。来自云提供商数据中心带宽需求的大幅增加是采用 400G 的关键推动因素。Hyperscalers正在向 50/100G 网卡过渡，扩展网络可编程性，实现对提高整体数据中心效率至关重要的应用程序卸载，包括降低功耗。由于数据中心占全球电力消耗的 1% 到 3%，超大规模企业正在大力投资改善电力使用效率（Power UsageEffectiveness）。

3、大型企业。大型企业正在加速采用 400G 技术，这是其未来三年或更长时间内网络战略的一部分。这一战略的主要驱动力是 AI/ML 计算集群的广泛采用，这些集群需要 50/100G I/O 和 400G 扩展。这些功能对于企业至关重要。

4、专业媒体网络。未压缩的4K/8K/16K视频需要更多带宽和更少的延迟来满足视频专业标准。自2020年以来，视频流量激增，视频流服务比最高增长超过70%。视频应用容量需求和带宽的爆炸式增长超过了当前的传输能力，400G在满足视频网络领域的扩展和QoE需求方面变得至关重要。

400G厂商

思科

思科Nexus 9000系列产品支持提供全面的400G 解决方案。思科已宣布其Nexus 系列相关的400G 产品将满足所有网络架构的需求，将经济高效地为具有大型网络规模的客户提供高密度的100G/400G 支持，整个系统将具有更高的灵活性。

Nexus 9300和9500 是Nexus 9000 系列支持400G 的新一代非模块化产品。该系列基于思科Cloud Scale 技术，引入完全向后兼容的400G 光纤接口-四通道小型封装热插拔-双密度(QSFP-DD)端口，可以通过透明方式将现有数据中心交换矩阵从40Gbps 和100Gbps 速度迁移到400Gbps。凭借高度灵活的第二层和第三层可扩展性，以及可以满足虚拟数据中心和自动化云环境不断变化需求的高性能。

英伟达

2022年4月，英伟达发布了新一代以太网平台 英伟达Spectrum-4。该平台由英伟达Spectrum-4 交换机系列、ConnectX-7 智能网卡、英伟达BlueField-3 DPU 和 DOCA 数据中心基础设施软件组成，能够大幅加速大规模云原生应用。

Spectrum-4号称是全球首个 400Gbps 端到端网络平台，其单芯片交换吞吐量达到了51.2Tbps，比上一代产品高出 4 倍，能够为规模大数据中心基础设施提供超高的网络性能和强大的安全性。由 Spectrum-4 加持的 SN5000 交换机，最高可以支持 128 个 400GbE 端口或 64 个 800GbE 端口。Spectrum-4 还优化了 RoCE 网络架构，并提供自适应路由（Adaptive Routing）和增强拥塞控制。加密带宽达到了12.8Tbps，可以支持硬件级 MACsec 和 VXLANsec。

新华三

2022年4月，新华三发布了400G园区核心交换机H3C S10500X-G，S10500X-G依托数据中心级网络技术及全新设计理念，打破园区交换机性能极限。S10500X-G采用新华三自主研发的云原生网络操作系统Comware，具备先天的云化、容器化、微服务化的内核能力，可支撑业务百秒通流与故障业务快速恢复，并通过RDMA、RoCE及AI ECN技术的应用，实现了数据的高吞吐、低时延。在安全方面，S10500X-G交换机支持全端口硬件级加密技术MACSec（Media Access Control Security，MAC安全），密钥长度可达256 bits，从根源上保护二层协议免受攻击，降低数据泄漏和遭受恶意网络攻击的风险。

400G时代正在来临，你准备好了么？

毋庸置疑，400G以太网的发展已成为必然。

对于厂商而言，机遇与挑战并存。如今，各大供应商陆续推出400G产品，想从激烈的400G市场竞争中获胜并不容易。不过对于用户而言，随着400G产品的标准化、规模化及量产的实现，400G搭建成本将逐步降低，用户的选择也会更多。另外，伴随25G和100G部署成本的大幅下降，无论是对400G有迫切需求的用户，还是对处于观望中的用户，无疑都是有利的。

400G时代正在来临，你准备好了么？

*本文部分内容整理自思科白皮书

本文转载自：SDNLAB