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Guía de planificación para el Ethernet de alta velocidad

[17/11/2011] Los switches y routers de Ethernet basados en los estándares de 40 y 100 gigabits están empezando a aparecer en las redes empresariales, tras la ratificación de la especificación IEEE 802.3ba a mediados del 2010.
Es fácil entender la motivación: los enlaces downlinks requieren enlaces uplinks aún más rápidos. La solución actual, agregar enlaces de varios tubos de 10 gigabits, funciona bien, pero solo se amplía hasta un punto determinado.
Al mismo tiempo, los servidores para algunas aplicaciones de alto rendimiento utilizan actualmente tarjetas de interfase de red de 10 gigabits, que requieren una subida más rápida en el interruptor. No pasará mucho tiempo antes de que las interfases de 10 gigabits sean una parte estándar de las placas madre del servidor, así como Ethernet gigabit es el estándar actual.
Para los administradores de red, la migración a "Ethernet de alta velocidad" (o HSE por sus siglas en inglés), como ha sido apodada por la Ethernet Alliance, definitivamente requiere de algunos cambios. La mayoría de estos están en la capa física (nuevo cableado, para empezar). Además, algunos equipos de monitoreo y de gestión no son capaces de mantenerse al día con las tasas de HSE.
En el lado positivo, HSE ayudará a reducir los precios de los dispositivos Ethernet de 10G. "La influencia real de HSE está empujando hacia abajo el nivel de precios del Ethernet de 10 gigabits, en lugar de los efectos de primer orden de la implementación de 100 gigabits", señala un arquitecto senior de uno de los mayores proveedores de Internet de los EE.UU., que pidió el anonimato. "Si las tuberías más grandes son buenas, entonces las tuberías más grandes que sean asequibles y creen una mayor mercantilización del Ethernet de 10 gigabits, son mejores".
Además, HSE es mucho más evolutivo que revolucionario. Los profesionales de redes que han trabajado con Ethernet se sentirán como en casa con las versiones de 40G y 100 Gbps. Sin embargo, es necesario comprender lo nuevo.
No hay cambios en el diseño
La migración a Ethernet de 40 y 100 gigabits no requiere ninguna modificación al diseño de red de capa superior, protocolos de red, o aplicaciones. "Todo se ve igual a las capas superiores", señala Brandon Ross, director de ingeniería de redes en Torrey Point Group, una consultoría de diseño de redes. "No hay cambios necesarios".
Eso significa, por ejemplo, que una red que está utilizando el protocolo Rapid Spanning Tree (RSTP) entre los switches y Open Shortest Path First (OSPF) entre los routers, puede seguir ejecutando estos protocolos a través de interfaces de HSE, sin cambios de configuración.
De manera similar, las aplicaciones, bases de datos y granjas de servidores, no se verán afectados por la adición de interfases de HSE en las redes empresariales. La menor latencia y tiempo de respuesta serán los únicos efectos que se noten, aunque Ross advierte que la adopción de tecnologías de red más rápidas, inevitablemente, expone los cuellos de botella que antes no eran visibles. Si, por ejemplo, la latencia de red previamente enmascaraba un cuello de botella de disco I/O, y HSE es ahora más rápido que el cuello de botella, el rendimiento de la aplicación no va a mejorar tanto como se esperaba.
Esto plantea una cuestión fundamental cuando se trata de la adopción de HSE: Incluso si los protocolos están listos, ¿la infraestructura de red está preparada para velocidades altas?
Manténgase al día
Al igual que con los reductores de velocidad anterior, la captura y monitoreo de tráfico a tasas más altas imponen mayores requerimientos de potencia en la gestión de redes y sistemas de seguridad. El viejo adagio "no se puede gestionar lo que no se puede ver" sigue siendo válido. En otras palabras, la obligación de ver todo el tráfico no desaparece solo porque la red ahora sea más rápida.
Una migración a HSE puede requerir mejoras a los sistemas de gestión de red y dispositivos de seguridad tales como firewalls y detección/prevención de intrusos. A los administradores de red se les aconseja consultar con los proveedores en cuanto a la máxima velocidad de fotogramas que pueden soportar sus dispositivos sin pérdida de tramas.
Las versiones más rápidas de Ethernet plantean desafíos especiales para los dispositivos de seguridad que utilizan Secure Sockets Layer (SSL). El hardware dedicado ya se necesita para cifrar y descifrar el tráfico SSL a tasas de gigabit y de 10 gigabits. Incluso con la asistencia de hardware de próxima generación, las pruebas de firewall hechas por Network World sugieren que el tráfico de los dispositivos de seguridad se mueve mucho más lentamente cuando se manejan en el tráfico SSL.
Las penalizaciones en el rendimiento para el tráfico SSL en las tasas de HSE, en todo caso, probablemente serán aún más pronunciadas. Los administradores de red pueden considerar el despliegue de sistemas de descifrado/cifrado de SSL dedicado, junto con los sistemas de dispositivos de seguridad existentes para mitigar los cuellos de botella del rendimiento SSL.
Otro punto clave de observación es el "lapso" o la capacidad de controlar el puerto en muchos switches Ethernet. Esta característica permite que el tráfico que entra o sale de un puerto de switch (o ambos) sea copiado en otro puerto, donde se puede redirigir a un analizador externo. Algunos switches soportan varias instancias de control. En un contexto de HSE, la pregunta clave es si el interruptor puede copiar tráfico supervisado a velocidades de 40 o 100 Gigabits Ethernet sin pérdida de marcos.
Aun cuando el switch pueda soportar esa capacidad, surge la pregunta de si el analizador será capaz de capturar imágenes en tiempo real. Los analizadores de protocolo basados en software son lamentablemente insuficientes para esta tarea.
Lo que se necesita aquí es un analizador basado en hardware capaz de capturar el tráfico en tasas de 40G o 100 Gbps. El analizador también tendrá una capacidad de almacenamiento mucho mayor. A tasas de 100 Gbps, un analizador que captura fotogramas de 1.518 bytes a una velocidad de línea, necesitará almacenar 750 GB de datos por minuto. A tasas de 40 Gbps, el requisito de almacenamiento es "solo" 296GB por minuto, pero tenga en cuenta que ambos números son solo para un único puerto. Las herramientas de control basadas en hardware a menudo se utilizan para la captura simultánea de múltiples canales, cada uno con requisitos de almacenamiento muy importantes.
Un elemento final de la lista de supervisión son los golpes de la red -divisores de línea capaces de ofrecer tasas de HSE. No todos los dispositivos de red tienen capacidades integradas de control, y hay situaciones en las que la vigilancia no se puede activar por razones administrativas o técnicas.
En estos casos, un golpe externo de red es necesario. Estos están disponibles en versiones de cobre y fibra con decenas de puertos. La pregunta clave con estos dispositivos, como con todos los equipos de monitoreo de tráfico de HSE, es si pueden mantenerse al día con las tasas de 40G y 100 Gbps sin pérdida de fotogramas.
Un estándar, muchos sabores
En la capa de enlace, la característica más llamativa de HSE es que es exactamente igual, de muchas maneras, que las versiones anteriores de Ethernet. El conocido formato de trama Ethernet está intacto. El intervalo entre tramas -la cantidad de espacio entre los marcos- no ha cambiado. Tampoco tiene la longitud mínima y máxima de trama de 64 bytes y 1518, respectivamente. (El IEEE extendió la envoltura a un máximo de dos mil bytes hace unos años para dar cabida a los mecanismos de construcción de túneles y VLAN, pero que no guardan relación con la HSE). En términos de contenido de la trama, nada ha cambiado respecto a las versiones anteriores.
Al igual que las versiones anteriores, existen múltiples definiciones de la capa física de HSE para dar cabida a diferentes distancias y requerimientos. Estos distintos rangos van de una versión destinada solo para placas base internas del dispositivo, a versiones basadas en cobre y fibra para ser utilizadas en el centro de datos, a una versión de larga distancia de 100G Ethernet destinados a tramos de al menos 40 kilómetros (véase el cuadro) .
Para centros de datos empresariales y muchas redes de campus, la versión de corto alcance con un alcance máximo de hasta 125 metros será el más interesante y rentable. Para distancias mayores, tales como enlaces de alta velocidad entre los campus o para implementaciones en el área metropolitana, las versiones de larga distancia con alcances máximos de 10 km o 40 km pueden ser más apropiadas.
Obtenga lo físico
Mientras HSE no requerirá cambios en los protocolos de capa superior, es diferente en la capa física. Ambas tecnologías de 40G y 100 Gbps requerirán no solo de nuevos tipos de transceptores en los switches y routers, sino también un nuevo cableado, y nuevos conectores e interfaces. El despliegue de HSE no es simplemente una cuestión de comprar hojas rápidas para los switches y routers; los arquitectos de la red tendrán que actualizar las plantas de cableado y también los límites de prueba de distancia.
El concepto de carriles lleva muchos de los nuevos requisitos. En los productos actuales Ethernet gigabyte y de 10 gigabits, el tráfico utiliza una ruta única en cada dirección. Funciona bien a un ritmo de 10 Gbps, pero las señales de modulación de alta velocidad óptica presentaron dificultades a altas velocidades. En su lugar, los ingenieros han adoptado un enfoque óptico paralelo en las versiones actuales de los productos de HSE que dividen el tráfico a través de múltiples canales llamados líneas, cada uno funcionando a 10 Gbps, y cada uno usando una fibra dedicada.
Por lo tanto, el Ethernet de 40G de hoy en día es una tecnología de cuatro carriles, mientras que las actuales interfases Ethernet 100G utilizan 10 carriles en cada dirección.
La evolución hacia una interfase de HSE de un solo carril probablemente ocurra con el tiempo. La especificación IEEE 802.3ba describe las interfaces eléctricas que podrían llevarse a cabo con un solo carril en cada dirección, pero los productos que implementan estos aún no han sido enviados. Por el momento, tanto Ethernet de 40G y 100 gigabits son tecnologías de varios carriles -y que, a su vez, introducen nuevos requerimientos de cableado, tanto para la fibra como para el cobre.
Aumentar el volumen con fibra
A diferencia del Ethernet de 10G, donde los cables de fibra óptica utiliza solo dos hilos de fibra, el cableado óptico de Ethernet de 40G utiliza en la actualidad 12 fibras: Dos grupos de cuatro fibras envían el tráfico en cada dirección, y cuatro fibras entre los dos grupos se quedan a oscuras.
El Ethernet 100G de varios carriles requiere un cableado óptico aún más denso. En este caso, los cables utilizan 24 fibras: dos conjuntos de 10 fibras para el tráfico en cada dirección, con dos fibras a cada lado de cada matriz dejadas a oscuras.
Ambos sabores de 40G y 100G de HSE requieren cables de fibra optimizados por láser. Para la fibra óptica multimodo, significa usar cables del tipo OM3 para distancias de hasta 100 metros. Para distancias más largas, el soporte de los tipos de cable OM4 corre hasta 125 metros.
Los cables OM3 y OM4 (que por lo general tienen chaquetas del color del agua, para distinguirlos de los cables OM1 y OM2, cables con chaquetas de color naranja) ya están recomendados para Ethernet 10 Gigabit, pero eso no significa que los cables OM3 y OM4 puedan ser utilizados ??indistintamente entre las interfases de 10G y de 40G.
HSE requerirá cableado nuevo, pero Ross de Torrey Point señala que la migración podría terminar reduciendo el número de cables e interfases. "La gente hoy en día utiliza múltiples conexiones agregadas de 10 gigabits" para la red de enlaces ascendentes, señala Ross. "Cuando se trasladan a Ethernet de 100 Gigabit, en realidad reducen la demanda de la fibra".
Hay dos diferencias importantes cuando se trata de cables ópticos HSE: número de fibras y los tipos de transmisor-receptor. Como se ha señalado, el cableado de fibra óptica para varios carriles HSE utiliza 12 o 24 fibras, en comparación de dos fibras con Ethernet 10G. Por lo tanto, los planificadores de la red tendrán que especificar qué cableado 10G, 40G, 100G o versiones de OM3 u OM4 será necesario.
El transceptor comúnmente más utilizado para Ethernet 40 GB se llama el pequeño factor quad conectable (QSFP+ por sus siglas en inglés). Este conector, disponible tanto para la fibra y el cableado de cobre, se asemeja a una versión un poco más grande de los conectores SFP+ utilizados en Ethernet de 10G, con la designación "quad" referida a la designación de sus cuatro pares de carriles de transmisión y recepción. Aunque los transceptores QSFP+ solo soportan Ethernet 40G en la actualidad, es posible que soporte Ethernet 100G en el futuro cuando se incrementen las tasas de los carriles.
Por ahora, las interfaces 100G utilizan transceptores conectables de forma C (CFP por sus siglas en inglés). Estos son un poco más grandes que un teléfono inteligente y soportan un solo modo de cableado óptico de 24 fibras. Los transceptores CFP también pueden soportar la fibra multimodo y cableado de cobre, aunque QSFP+ es más común. Una variación más pequeña de la CFP, llamada CXP, apoyará todas las diferentes versiones HSE, pero aún no están ampliamente disponibles.
Los requisitos para el cableado de cobre son algo más sencillos que los de la fibra. Como la fibra, el cableado de cobre HSE utiliza múltiples canales de transmisión y recepción, cada uno con un carril funcionando a tasas de 10 gigabits.
Las interfases de cobre se definen en las dos versiones HSE de 40G y 100G, pero solo para aplicaciones de corto alcance, como las conexiones dentro de un rack o entre bastidores adyacentes dentro de un centro de datos. Utilizando las interfases definidas actualmente, las conexiones de HSE a través del cobre pueden ser mayores de siete metros.
Los transceptores QSFP+ son utilizados para el Ethernet 40G sobre cobre. Algunos centros de datos de grandes empresas ya utilizan switches de 10/40 gigabits sobre los racks. Estos suelen soportar 48 puertos SFP+ para conexiones de 10 Gigabits para servidores, y cuatro puertos QSFP+ para conexiones de links de subida de Ethernet 40 Gigabit de switch a switch.
La conversión entre tasas de 10 y 40 gigabits es una característica especialmente útil para los puertos QSFP+, tanto para el cobre como para la fibra. En muchos switches sobre el rack, un puerto QSFP+ también puede funcionar como cuatro puertos Ethernet de 10G. Esto implica el uso de cables de ruptura de cobre o fibra con un conector QSFP+ en un extremo y cuatro conectores SFP+ en el otro. Ambas partes ven la relación como cuatro interfases Ethernet de 10G.
Esta característica convertible ofrece una ruta de migración para la planificación de los centros de datos, pero aún no está listo para implementar Ethernet 40G. También es rentable para comprar y manejar un solo tipo de switch, y luego se implementan puertos Ethernet 10G o 40G según sea necesario.
Los cables de conexión directa de cobre (DAC por sus siglas en inglés) ya son un medio común de la conexión de servidores y conmutadores en distancias cortas, sobre tasas de 10 gigabits, y es probable que eso continúe con los DAC de 40 gigabits. Las unidades de 40 gigabits, que comprenden dos transceptores QSFP+ conectados por un cable twinaxial, suelen ser de tres metros, o menos, de longitud.
Si son necesarias distancias más largas (por ejemplo, para conectar bastidores a más de siete metros de distancia de un switch del núcleo), los administradores de red necesitarán una de las opciones basadas en fibra.
Además de los conectores QSFP+ de cobre o fibra, hay otro tipo de conector de fibra que se conoce como multi fibra push-on (MPO por sus siglas en inglés). Estos conectores soportan el enfoque óptico paralelo y requieren conectores MPO en el cableado de fibra y las interfaces de MPO en los switches y routers. Los tipos de conectores de fibra óptica LC y SC utilizados en versiones anteriores de Ethernet no son adecuados para HSE porque terminan solo en dos fibras.
La migración a HSE sin duda requerirá cambios. La buena noticia es que los cambios son de naturaleza evolutiva, y pueden ser implementados de forma creciente. Ethernet ha sufrido muchos cambios en los últimos años, pero el tráfico en las redes de HSE conserva las mismas características que las generaciones anteriores. Al final, es "solo Ethernet".
David Newman, Network World (EE.UU.)