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Estado de la red: Disponibilidad de equipos 10GBASE-T y el futuro de los medios de cobre

State of the Network - Cover Art

Aunque la paciencia sea la madre de la ciencia, una larga espera puede llevar a la incertidumbre. Pongamos los productos de 10GBASE-T como ejemplo. El Estándar 10GBASET 1 fue publicado hace casi seis años, pero la larga espera para el equipamiento adecuado ha dado pie a todo tipo de rumores digitales. Es más, ha llevado a una percepción completamente errónea de que 10GBASE-T es el fin de la línea de equipos y medios de cobre balanceado de par trenzado. La verdad es que este exceso de tiempo de llegada al mercado puede explicarse por la reciente recesión económica y el deseo de integrar mejoras significativas en la eficiencia energética en esta nueva tecnología. Se han superado estos desafíos y todos los indicadores marcan la salida de las soluciones de 10GBASE-T en 2012.

Este artículo presenta las verdades tras los mitos que rodean 10GBASE-T, y el futuro de las aplicaciones de cobre de par trenzado Ethernet.

El equipamiento de red 10GBASE-T está disponible y los ratios de implantación están creciendo.. Aunque al principio obstaculizados por las implementaciones ávidas de energía, la tecnología de los chips de hoy que lleva el 10GBASET bit Stream (también llamado “PHY”) se aprovecha de un proceso de fabricación de litografía avanzada de 40nm, que disminuye el consumo de energía, el tamaño de la placa y el coste. Como resultado, se espera el comienzo de una significativa adopción de la tecnología 10GBASE-T en 2012.Durante este año, se espera que estén disponibles en el mercado por lo menos 20 nuevas plataformas que usan dispositivos 10GBASE-T PHY (por ejemplo: conexiones, servidores y NICs o tarjetas de red. Además, un nuevo estudio de mercado realizado por The Linley Group 2 prevé la comercialización de 2,7 millones de puertos 10GBASE-T PHYs en 2012 – un incremento brutal frente los 182,0000 puertos contabilizados en 2011. Las líneas de tendencia mostradas en la figura 1 muestran la previsión de The Linley Group para diferentes tipos de aplicaciones 10 Gb/s Ethernet en los próximos años. Tenga en cuenta que se espera que 10GBASE-T alcance una posición dominante en el mercado en 2014. Las cuotas de adopción previstas en la figura 1 están en la línea del historial de la adopción de Ethernet, en el cual los interfaces de red ópticos preceden al principio a los sistemas de cobre, pero poco después, los puertos de cobre superaron numéricamente a los puertos ópticos.

Figure 1: Forecasted adoption rate of 10 Gb/s Ethernet Applications

El cableado de cobre 10GBASE-T balanceado de par trenzado ofrece beneficios únicos comparados con otras soluciones Ethernet de 10 Gb/s.. Con el coste y la disipación de la potencia significativamente reducida con los nuevos sistemas 40nm PHY, y más reducciones permitidas por dispositivos 28nm previstos para 2013, los responsables de centros de datos pueden ahora capitalizar las ventajas fundamentales ofrecidas por la tecnología 10GBASE-T, que incluyen:

  • La habilidad de interoperar con tecnologías heredadas de menor velocidad Ethernet con la función de auto negociación
  • La facilidad de instalar un sistema de cableado de par trenzado balanceado y el uso de cableado y conectores de interface familiar
  • La flexibilidad de topologías de cableado estructuradas de 100 metros, 4 conectores para soportar ampliaciones, movimientos y cambios en entornos LAN y de centros de datos, y
  • La habilidad de entregar Power over Ethernet (PoE y PoE Plus)
PLX Technology

This IC device from PLX Technology represents the latest generation of 10GBASE-T transceivers. Implemented in 40nm lithography, it can be purchased in single channel, dual channel, and quad channel versions.

La interoperabilidad con los equipamientos Ethernet más antiguos a través de la auto negociación es de particular importancia ya que permite realizar las ampliaciones e inversiones del centro de datos de forma progresiva.Más que demandar una modernización exhaustiva y conexiones a 10 Gb/s, que sería necesario para los sistemas Ethernet no-negociadores sobre fibra óptica o conexiones directas como SFP+, el equipo de red 10GBASE T soporta transmisiones de 10 Gb/s a nuevos servidores y puede también auto negociar hasta velocidades de 1 Gb/s (o inferiores) para soportar los servidores heredados. De esta forma, los CPDs consiguen que sus arquitecturas de conexión sean ‘a prueba de futuro’. Una conexión 10GBASE T puede comunicar de forma efectiva sistemas heredados de 1 Gb/s y 100 Mb/s hoy y permite que se introduzcan en el sistema servidores de 10 Gb/s cuando así se requiera, con la inversión limitada entonces sólo al equipamiento. Otro catalizador principal para la adopción de 10GBASE T sería la introducción de chips LAN-on-Motherboard (LOM – LAN, en la placa base). Con su introducción prevista para mediados de 2012, estos dispositivos permitirán a los fabricantes de servidores implementar también tecnología de auto negociación en sus avances. Las implicaciones de este desarrollo son bastante profundas ya que por primera vez los servidores se pre configurarán con conexiones Ethernet capaces de negociar con velocidades 100Mb/s, 1 Gb/s o 10 Gb/s dependiendo de las capacidades de otros dispositivos en la red. El responsable del centro de datos querrá estar preparado para este desarrollo instalando conexiones 10GBASE-T que puedan extraer la plena capacidad en el servidor al que se conecta.

El consumo de energía PHY 10GBASE-T se gestiona correctamente. El dispositivo de disipación de la energía 10GBASET ha sido cuidadosamente examinado y esta tecnología ha sido rápidamente rechazada ya que fue estandarizada en 2006 por IEEE 802.3. Las primeras implementaciones PHY se crearon utilizando un proceso de fabricación de litografía de 130nm y se disipaban aproximadamente 10Wpor puerto. En comparación, los dispositivos de 40nm disponibles hoy son capaces de disipar tan sólo menos de 4W por puerto.Y los dispositivos de 28nm anticipados previstos para 2013 se espera que disipen menos de 2,5 W por puerto. La Figura 2 muestra esta tendencia.

Figure 2: 10GBASE-T Power Dissipation

Dos protocolos especiales pueden mejorar todavía más la disipación de potencia 10 GBASE-T.. Además de las reducciones alcanzadas por los avances en tecnología de semiconductores, los sistemas BASE-T, y los 10GBASE-T en particular, pueden aprovechar las ventajas de algunos algoritmos estándares y únicos que explotan la naturaleza del tráfico del ordenador para reducir la disipación de energía todavía más. En particular, hay oportunidades para mejorar la eficiencia cuando el equipo de red está en espera tanto para periodos de tiempo breves como sostenidos.

Wake-on-LAN (WoL) es un nuevo estándar de cableado creado por la Advanced Manageability Alliance en el que el equipo de red, como podría ser un servidor, entra en modo de espera hasta que lo despierta una señal especial de la red llamada “paquete mágico”. La tarjeta de interface de red del servidor (NIC) cambia a un modo de baja disipación de la energía durante el periodo de espera, pero se mantiene alerta y esperando el paquete mágico. Una vez llega el paquete, el servidor “despierta” y se inicia el funcionamiento normal.Ya que el periodo para despertarse asociado con WoL es típicamente décimas de segundo, esta estrategia de gestión de la energía es más adecuada cuando está previsto que los servidores estén en espera durante largos periodos de tiempo – como sería por la noche o durante otros periodos de tiempo relativamente largos de inactividad. Incluso los centros de datos más activos experimentan periodos de tiempo en que sólo se precisa una porción de su capacidad. Esta es una consecuencia natural al construir recursos mayores a lo necesario para acomodar demandas pico o demandas futuras, y de las fluctuaciones estacionales en aquellas demandas que no son uniformes en cuanto a las ubicaciones y horarios de los usuarios. WoL puede aprovecharse de estas fluctuaciones de demanda con resultados alarmantes; poner un solo servidor con una disipación de energía típica de 500W en modo espera proporciona muchos más beneficios que la diferencia de energía de cientos de transceivers! Igualmente importante, Ethernet 10 Gb/s instalada sobre medios ópticos o componentes directos SPF+ no está diseñada para soportar el protocolo WoL actualmente y, como resultado, estos sistemas siempre disipan su plena energía.WoL es una importante estrategia empleada únicamente por 10GBASE-T para reducir el consumo total de energía en el centro de datos.

Mientras queWoL está diseñada para periodos de espera largos, otra tecnología llamada Energy Efficient Ethernet3 (EEE) está específicamente diseñada para aprovechar la naturaleza de ráfagas del tráfico informático. Es el caso en que el típico tráfico Ethernet contiene múltiples vacíos, que pueden oscilar desde microsegundos a milisegundos de duración. Hasta ahora, estos vacíos han sido llenados con “patrones de espera” o formas de onda que no contienen información informática real, sino cuyas transiciones pueden ser utilizadas para mantener la sincronización de reloj entre transceivers. El algoritmo EEE intercambia estos patrones para un modo Low Power Idle (LPI, Espera de baja energía) dónde se disipa muy poca energía.

El modo LPI utilizado durante los periodos de espera requiere un nuevo esquema de señalización compuesto de alertas en la línea y alertas desde y hasta la estación de gestión. Al estar en modo LPI, se utiliza una señal de refresh para mantener los parámetros del receptor, como el bloqueo de tiempo, los coeficientes ecualizadores y los de cancelación. Todas ellas también son típicas para permitir transiciones rápidas del modo LPI a Activo. Los tiempos de transición típicos del modo Activo a LPI y viceversa son de tres microsegundos, por lo que al implementar un EEE se introduce una latencia mínima en la red. El resultado es que el ahorro de energía del transceiver oscila entre el 50 y el 90 por ciento dependiendo de los patrones de los datos. Por ejemplo, un transceiver 10GBASE-T de 28nm con un modo de disipación de energía activo típico de 1,5W por cada 30 metros disipará solamente 750mW si utilizamos un algoritmo EEE con patrones típicos de datos informatizados.Mejor aún; las optimizaciones de nivel de sistema EEE implementadas en switches y controladores de silicio Ethernet, se espera que ahorren más energía que las optimizaciones en el transceiver ya que se aprovecha también la disminución del consumo de energía del switch o servidor (que es más del doble por puerto o incluso que la generación previa de transceivers).

El modo “Short Reach” 10GBASE-T es otra estrategia de mejora para la disipación de energía 10GBASE-T.. Otra característica de 10GBASE-T PHY, que puede contribuir a la reducción de la disipación de energía es la habilidad para automáticamente detectar la longitud de canales entre transceivers.Cuando la longitud del canal en menor de 100 metros, los transceivers 10GBASE-T pueden reducir su disipación de energía mientras siguen manteniendo plenamente la Bit Error Rate (BER). Este modo “Short Reach” se aprovecha del ratio superior señal/ ruido debido a una atenuación inferior de la señal en canales cortos, y las reducciones en la disipación de energía pueden ser significativas. Por ejemplo, como la fuerza de la señal en el receptor es significativamente mayor si se atenúa sólo en 10 metros de cable en vez de en 100 metros, la transmisión de energía puede reducirse significativamente sin afectar de forma adversa la BER. Es un error de percepción común que el modo “Short Reach” es una condición de funcionamiento/no funcionamiento, on-off, directamente relacionado con una longitud específica de la conexión (por ejemplo, 30 metros). De hecho, el perfil de disipación de energía del modo “Short Reach” es escalable en función de la longitud.

En el modo “Short Reach”, no tan sólo puede transmitirse la disipación de energía, sino que el número de filtros utilizados para la cancelación del eco y para la ecualización de la línea puede ser reducida y desconectada internamente en el dispositivo. Como ejemplo, un transceiver con una disipación de energía típica de 3,5W en un canal de 100 metros puede mostrar una disipación de tan sólo 2,5W si está conectado a un canal de 30 metros, o incluso menos de 2W si está conectado a un canal de 10 metros. Como actualmente muchas configuraciones de centros de datos se instalan sobre longitudes de cable más cortas que la longitud máxima de 100 metros, explotar esta característica se está convirtiendo en un factor cada vez más importante.

10GBASE-T es la aplicación sobre 10Gb/s Ethernet más rentable.. Mientras que el alcance, el consumo de energía y la compatibilidad con sistemas anteriores son consideraciones importantes al seleccionar medios, muchos diseñadores afirmarán que el coste tiene una influencia significativa en el proceso de toma de decisiones. La verdad es que 10GBASE-T ofrece más beneficios y flexibilidad que otras aplicaciones 10Gb/s al precio más favorable. La figura 3 muestra el equipo (puerto de servidor y NIC), medios, y costes de mantenimiento anual para un canal y sus correspondientes conexiones de puertos 10 Gb/s, que son representativas de los tipos y longitudes de medios comúnmente utilizados en centros de datos. La elección más económica para transmisión 10 Gb/s es equipo de red 10GBASE-T junto con categoría 6A UTP, categoría 6A F/UTP, o categoría 7A S/FTP de cableado de cobre de par trenzado balanceado. Se alcanza la misma conclusión si este análisis se repite para canales y sus correspondientes conexiones de puertos que representan todos los tipos y longitudes de medios comúnmente utilizados en cableado horizontal LAN. Es esta ventaja en costes lo que favorecerá la adopción de 10GBASE-T en 2012.

Figure 3: 10GBASE-T Cabling Cost Comparison

El interés en las velocidades que superan 10 Gb/s sobre cableado de cobre balanceado de par trenzado está creciendo.. La confirmación más significativa de que los equipos Base-T Ethernet tienen un gran futuro es el interés creciente por “La próxima generación” del cableado. Estos medios deberán soportar las aplicaciones de cobre de par trenzado balanceado que vendrá después de 10GBASE-T. Dado que las aplicaciones Ethernet para el cableado troncal LAN y el núcleo de los centros de datos siempre han precedido a las especificaciones Ethernet para la LAN horizontal y el corazón del centro de datos, es previsible que la próxima velocidad Ethernet en par trenzado balanceado sea de 40 Gb/s para completar la normativa IEEE 802.3ba- 4 40 Gb/s Ethernet en placas bases de ordenadores y equipos de redes de fibra óptica. En este momento, la principal prueba que demuestra el compromiso del sector, interés e inversión en el futuro de Ethernet basada en cobre, es el trabajo que está siendo realizado ISO/IEC y TIA para desarrollar una próxima generación de especificaciones de cableado para soportar una aplicación de tales características.

ISO/IEC ha iniciado recientemente un proyecto para desarrollar un nuevo estandar que podria posiblemente titularse gGuia ISO/IEC 11801-99-x para el cableado balanceado de cobre de par trenzado que soporta un minimo de transmision de datos de 40Gbit/sh. Este propondra un estandar de dos partes que gestiones las capacidades tanto de los canales ISO/IEC 11801 como de los canales con caracteristicas de rendimiento ampliadas u optimizadas. La TIA esta actualmente trabajando en un proyecto llamado gEspecificaciones para la proxima generacion de cableado 100ƒ¶h, que se preve que se publique como anexo 1 de ANSI/TIA-568-C.2. Estas iniciativas masivas de proyectos reafirman la fuerza y popularidad de las aplicaciones de BASE-T y de los medios de cableado de cobre balanceado de par trenzado.

Figura 4: Opciones de cableado de par trenzado 10Gb/s



Valió la pena esperar 10GBASE-T.. Mientras el cableado balanceado de cobre de par trenzado está disponible desde hace un tiempo, la espera para la llegada de 10GBASE-T al mercado ha sido muy larga. ¡Pero ya llegó! El equipo de red de 10GBASE-T ofrece un mayor alcance y flexibilidad que cualquier otra solución de cobre de 10 Gb/s, y resulta una alternativa muy atractiva a las soluciones de fibra óptica de 10 Gb/s cuando los canales a instalar no superan los 100 metros. Los responsable de centros de datos y LAN que tengan la previsión de instalar cableado balanceado de cobre de par trenzado en sus redes podrán beneficiarse de las características de reducción de energía, y de negociación de 10GBASE-T, e iniciar este año ya actualizaciones incrementales de servidores y de las conexiones, para mejorar la congestión de la red e incrementar la capacidad. Los demás, deberán esperar un poco más para conseguirlo.

About the Authors:

Ron Cates Ron Cates is vice president of marketing, networking products, at PLX Technology, a leader in 10GBASE-T transceivers. Prior to PLX, he was senior vice president and general manager of Wide Area Networking Products at Mindspeed Technologies. He has over 30 years of experience in the semiconductor industry and holds BSEE and MSEE degrees from the University of California at Los Angeles and an MBA from San Diego State University.


Valerie Maguire Valerie Maguire, BSEE, holds the position of global sales engineer at Siemon, a world-class manufacturer of high performance copper and optical fiber cabling systems. She holds various leadership positions with the TIA TR-42 Telecommunications Cabling Systems Engineering Committee and IEEE 802.3 Ethernet Working Group. In addition, She has authored over 45 technical articles and engineering papers, holds one U.S. patent, and received the 2008 Harry J. Pfister Award for Excellence in Telecommunications.

References:

  1. IEEE 802.3at™, "IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications Amendment 1: Physical Layer and Management Parameters for 10 Gb/s Operation, Type 10GBASE-T", September 2006
  2. The Linley Group, "A Guide Ethernet Switch and PHY Chips", December 2011
  3. IEEE 802.3az™, "IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications Amendment 5: Media Access Control Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for Energy Efficient Ethernet", October 2010
  4. IEEE 802.3ba™, "IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications Amendment 4: Media Access Control Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 40 Gb/s and 100 Gb/s Operation", June 2010

Rev. A February 2012


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