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Migration vers les 200 et 400 Gigabit Ethernet dans les data centers

Par Thierry Besrest, Sales Data Center France de Rosenberger OSI

Publication: 14 mars

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Les besoins en constante augmentation en bande passante et en débit nécessitent le développement constant de nouveaux protocoles...
 

Ces nouveaux protocoles sont, le plus souvent, conçus pour fonctionner via le support de transmission le plus performant aujourd’hui, la fibre optique.

Il existe deux grandes familles de fibres optiques : les multimodes et les monomodes. Ces nouveaux protocoles doivent prendre en compte les avantages et les inconvénients de ces fibres optiques. C’est pourquoi, dans ces nouveaux protocoles, certains ont été étudiés pour fonctionner via des fibres optiques multimodes (distances courtes) et d’autres via des fibres monomodes (distances plus longues). Nous allons détailler ce large éventail de possibilités apporté par tous ces nouveaux protocoles : 40GBE, 100GBE, 200GBE, 400GBE, ceci combiné avec des abréviations telles que SR4, PSM4, DR2, DR4, CLR4, LR4, ER4, FR4, FR8, LR8, SR10, SR16.

Comment choisir le bon design de son infrastructure de câblage pour supporter les protocoles actuels et futurs ?

La situation actuelle et les nouvelles technologies

Dans les data centers, les protocoles Ethernet actuellement les plus utilisés sont les 10GBASE-SR, 40GBE-SR4, 100GBE-SR10, 100GBE-SR4 ou le protocole Fibre Channel 4x16GFC, tous en fibre multimode.

Cependant, conformément au standard IEEE 802.3, les liaisons ne peuvent dépasser une longueur maximum totale de 100m en OM3, de 150m en OM4 ou de 300m en OM5. Pour des distances plus longues, seul le protocole PSM4 sur fibre monomode est exploitable actuellement. Le protocole Ethernet 100GBE-PSM4 permet de gérer de façon économique des distances de transmission allant jusqu’à 500 mètres avec une atténuation max. par canal de 3,26 dB (IEEE 802.3bm).

Pour des distances encore plus longues, les protocoles de transmission sur fibre monomode 100GBE-CLR4 (compatible IEEE), 100GBE-LR4 et 100 GBE-ER4 avec des distances de 2 kilomètres, 10 kilomètres et 40 kilomètres respectivement sont utilisés. Cependant, ceux-ci ne sont pas basés sur la transmission des données en parallèle sur différentes fibres, mais sur des technologies de multiplexage de longueurs d’onde WDM.

Des débits de plus en plus élevés dans les data centers

La demande dans les data centers pour des débits de plus en plus élevés a entraîné l’introduction de nouveaux protocoles Ethernet allant jusqu’à 400 Gbit/s (Norme IEEE 802.3bs-du 6 décembre 2017).

Sept nouveaux protocoles ont déjà été normalisés par IEEE pour les 200 et 400G :

- 200GBASE-DR4 : 200 Gb/s transmissions sur 4 fibres dans un sens et 4 fibres dans l’autre sens (soit 8 fibres au total) sur fibres monomode avec une distance de fonctionnement d’au moins 500 m

- 200GBASE-FR4 : 200 Gb/s transmissions via le multiplexage de 4 longueurs d’ondes (WDM) dans une fibre (soit 2 fibres au total) monomode avec une distance de fonctionnement d’au moins 2 km

- 200GBASE-LR4 : 200 Gb/s transmissions via le multiplexage de 4 longueurs d’ondes (WDM) dans une fibre (soit 2 fibres au total) monomode avec une distance de fonctionnement d’au moins 10 km

- 400GBASE-SR16 : 400 Gb/s transmissions sur 16 canaux (soit 32 fibres au total) sur fibres multimode avec une distance de fonctionnement d’au moins 100 m

- 400GBASE-DR4 : 400 Gb/s transmissions sur 4 canaux (soit 8 fibres au total) sur fibres monomode avec une distance de fonctionnement d’au moins 500 m

- 400GBASE-FR8 : 400 Gb/s transmissions via le multiplexage de 8 longueurs d’ondes (WDM) par fibre (soit 2 fibres au total) monomode avec une distance de fonctionnement d’au moins 2 km

- 400GBASE-LR8 : 400 Gb/s transmissions via le multiplexage de 8 longueurs d’ondes (WDM) par fibre (soit 2 fibres au total) monomode avec une distance de fonctionnement d’au moins 10 km

Pour supporter les protocoles 200GBE-SR4 et 400GBE-SR16 sur fibre optique multimode, de nouveaux produits ont dû être développés. Le protocole 400GBASE-SR16 utilise un connecteur MTP® 32 fibres (réparties sur deux rangées de 16 fibres) et non plus un MTP® 12 ou 24 fibres comme ceux utilisés aujourd’hui et, comme le protocole 100GBE-SR4, supporte des débits de 25 Gigabits par fibre (soit 8 x 25Gbit/s = 400G dans les deux directions), ce qui autorise une distance de transmission maximum de 100 mètres.

Le protocole 200GBE-SR4 utilise lui aussi un connecteur MTP® mais avec 2x4 fibres (4 fibres en Tx et 4 fibres en Rx) en tout, chaque fibre supportant un débit de 50 Gigabits. Sa normalisation est prévue en 2018/2019.

L’étape suivante verra l’introduction du protocole 400GBE-SR4, utilisant un MTP® 8 fibres de 100 Gigabits en parallèle (4x100Gbit/s dans un sens et 4x100Gbit/s dans l’autre sens) dont la normalisation n’est pas attendue avant 2020.

Pour les infrastructures de câblage basées sur de la fibre monomode, des développements sont en cours avec des fibres supportant des débits de 50 Gigabits dans chaque sens avec de nouveaux protocoles tels que les 200GBE-DR4 (500m), 200GBE-FR4 (2 km) et 200GBE-LR4 (10 km). Les protocoles 400GBE-FR8 et 400GBE-LR8, qui sont déjà en phase de normalisation, permettront des distances de fonctionnement encore plus grandes.

Les protocoles aux suffixes "FR", "LR" et "ER" ne concernent pas les data centers et sont uniquement destinés aux réseaux distants de type MAN (Metropolitan Area Network) et WAN (Wide Area Network).

Quelles infrastructures pour les applications basées sur les protocoles SR4 et PSM4 ?

Les protocoles qui utilisent le Parallèle Optique de type SR4, standardisés dans la norme ANSI/TIA 568-C, ont conduit Rosenberger OSI, par exemple, à développer la solution PreCONNECT® OCTO, qui se base sur des connecteurs MTP® où uniquement 8 fibres sont connectées (4 Tx et 4 Rx, les 4 fibres du milieu étant inutilisées). Pour le monomode, cela correspond au protocole PSM4. Dans la conception d’une infrastructure de câblage en Parallèle Optique pour ces deux protocoles, il est important de bien considérer le genre des connecteurs MTP® (mâle – avec guide d’alignement ou pins – ou femelle) et la polarité des composants (méthode A – droite, 1 vers 1, 2 vers 2, etc. ; méthode B – croisée, 1 vers 12, 2 vers 11, etc.) car la bonne définition des composants de la chaîne de liaison est vitale pour le bon fonctionnement de celle-ci. Par exemple, en monomode, les connecteurs MTP® sont polis avec un angle de 8° (APC : Angled Physical Contact) afin d’obtenir de très bonnes valeurs de réflectance mais cela implique d’avoir des coupleurs spécifiques de type A.

Installation et fonctionnement dans les data centers

Les phases de design de l’installation (définition de la chaîne de liaison, genre et polarité des connecteurs,…) et d’installation en elle-même sont donc primordiales pour obtenir une infrastructure de câblage fonctionnelle, fiable et pérenne.

L’influence de l’infrastructure de câblage sur les performances des data centers est encore largement sous-estimée alors même que celle-ci serait responsable de 47% des problèmes des réseaux informatiques (source Gartner).

Les matériels actifs et les protocoles qu’ils utilisent doivent donc être pris en considération le plus en amont possible du projet. Car comme il a été décrit plus haut, les applications et protocoles utilisés ont des limites (budget optique et limite de distance) qui ont une influence directe sur le design de l’infrastructure de câblage.

Des protocoles offrant toujours plus de débit impactent les choix en matière d’infrastructure des data centers

Pour garantir que l’infrastructure de câblage reste pertinente et efficace sur le long terme, l’analyse précise des protocoles déjà utilisés et des développements en cours est d’une importance cruciale. De plus, l’augmentation des débits requis aujourd’hui par les nouvelles technologies des matériels actifs dans les data centers accroît également les exigences qui pèsent sur la couche physique des réseaux. L’infrastructure de câblage doit donc être définie le plus tôt possible dans le cadre du projet, de préférence conjointement avec les alimentations électriques, la climatisation et tous les lots techniques.

En effet, une infrastructure de câblage bien étudiée devra permettre de supporter plusieurs générations de matériels actifs et donc anticiper sur les distances de transmission et les budgets optiques à respecter pour garantir une infrastructure pérenne et aussi simple que possible à faire évoluer. Le choix d’un schéma de câblage idéalement adapté aux exigences de chaque data center doit se faire dans le cadre des normes EN 50173-5, EN 50174-1-2 et EN 50600-2-4.

De nombreux aspects devront être précisés avant la phase d’installation, aujourd’hui plus que jamais. La complexité des technologies et leurs exigences de disponibilité sont les principaux aspects qui doivent être pris en considération.

http://www.rosenberger-osi.com

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