Vývoj superrychlého Ethernetu naráží na fyzikální limity jednoho optického kanálu, které aktuálně činí 100 Gb/s. Proto dnešní nejvýkonnější moduly používají vícekanálovou architekturu (400G = 4 kanály, 800G = 8 kanálů). Jakmile se laboratorní prototypy 200Gb/s kanálů podaří převést do komerčních produktů, umožní to vznik 1,6T Ethernetu – první skutečně terabitové generace určené pro masové nasazení v datových centrech, na páteřních sítích i pro AI infrastrukturu. Tento zlom se očekává zhruba do dvou let.
Honba za vyšší rychlostí nikdy nekončí
Pokud existuje nějaká jistota v oblasti počítačových sítí, pak je to fakt, že přenosové rychlosti neustále rostou. Tento trend se týká nejen reálně vybudovaných kapacit, ale i technologických stavebních prvků, které je umožňují. Základem naprosté většiny dnešních počítačových sítí, od lokálních sítí v budovách až po transkontinentální a podmořské trasy, jsou ethernetová rozhraní.
Zatímco ještě před dvaceti lety byl gigabitový ethernet pokládán za vysoce výkonné řešení především pro datová centra, dnes je standardem i v běžných firemních sítích. Datová centra velkých poskytovatelů cloudových služeb, hyperscalery a operátorské páteřní sítě přešly na desetigigabitová rozhraní, stále více nasazují 100 Gb/s a připravují se na další kvantový skok.
Důvodem jsou stále rostoucí nároky na přenos dat. Streamování ve vysokém rozlišení, videokonference, cloudové aplikace, umělá inteligence a machine learning, to vše vyžaduje nejen větší kapacity, ale především stabilní a předvídatelné přenosové charakteristiky.
Současným komerčně nejrychlejším ethernetovým rozhraním je 800GBASE, tedy osmisetgigabitový ethernet. To však není ta nejpodstatnější informace. Mnohem důležitější je porozumět tomu, proč právě tato rychlost představuje současnou technologickou hranici a jaká omezení za tím stojí.
Obrázek: Vývoj ethernetových rychlostí od osmdesátých let do současnosti. Každá dekáda přináší řádový nárůst kapacity.
Vývoj vysokorychlostního Ethernetu
Zlatá éra jednokanálového ethernetu
Historie ethernetu sahá až do sedmdesátých let minulého století. Původní megabitový 1BASE, známý také jako StarLAN1, je dnes už jen zajímavostí z muzea síťových technologií.
Následovalo období rychlého vývoje:
-
desetimegabitový,
-
stopadesátmegabitový
-
a nakonec gigabitový ethernet se stal všudypřítomným standardem.
Zásadním mezníkem byl desetigigabitový ethernet (10GBASE), poslední rozhraní, které bylo od počátku navrženo jako jednokanálové. Jeden datový kanál znamená jeden laser, jeden snímač a při komunikaci přes optické vlákno jednu samostatnou vlnovou délku koherentního světla. To bylo elegantní, jednoduché a technologicky zvládnutelné.
Přechod na vícekanálovou architekturu
Cesta ke 100G rozbila staré pravidlo, že rychlost musí být mocninou desítky. První 100G moduly byly neohrabané (10 kanálů), ale skutečný průlom přinesly až 25Gb/s čipy. Ty umožnily složit 100G ze čtyř kanálů a zároveň daly vzniknout 25GE jako „vedlejšímu produktu".
25GE se rychle stalo „novou desítkou". Nabízí 2,5× vyšší výkon ve stejném formátu SFP28 za podobnou cenu. Podobně později vzniklo 50GE jako potomek vývoje 400G rozhraní.
Od té doby platí neúprosné pravidlo: čím vyšší rychlost, tím více kanálů. Kapacita jednoho laseru má totiž své fyzikální limity. Zatímco zvýšit rychlost na 25 Gb/s bylo snadné, dnešních 100 Gb/s na jeden kanál (s modulací PAM4) je současná technologická hranice. Pokud chceme víc, musíme kanály násobit.
Obrázek: Současný vysokorychlostní ethernet využívá vícekanálový přenos – 400G používá 4 kanály, 800G využívá 8 kanálů po 100 Gb/s.
Co brzdí další zrychlení? Fyzika a inženýrství
Limity optického kanálu
Hlavním omezením rychlejšího rozvoje ethernetu je právě onen limit 100 gigabitů na jeden datový kanál. Tento údaj není náhodný. Je výsledkem kompromisu mezi fyzikálními vlastnostmi světlovodných vláken, možnostmi modulace signálu, výkonem laserů a citlivostí detektorů.
Zvýšení kapacity jednoho kanálu na 200 Gbps je hlavní vývojovou frontovou linií současného výzkumu. Laboratoře už pracují s čipy, lasery a snímači, které dokáží zpracovat 106,25 GBd (gigabaudů) při použití modulace PAM4, což teoreticky odpovídá oněm 200 Gb/s. Ovšem mezi laboratorním prototypem a komerčně nasaditelným, masově vyráběným a především spolehlivě fungujícím produktem je obrovský rozdíl.
Problém více laserů v jednom modulu
Další výzvou je fyzické osazení většího počtu laserů a snímačů do miniaturního optického modulu. Typicky formátu QSFP-DD nebo OSFP. Čtyři lasery a čtyři snímače (čtyřkanálové rozhraní) výrobci dokáží do modulu vtěsnat a především efektivně chladit relativně snadno. U osmi kanálů už jde o výrazně obtížnější úkol. A pokusit se o více než osm laserů a osm snímačů v jednom transceiveru? O to se z celé řady důvodů téměř nikdo ani nesnaží.
Obrázek: Moderní optický transceiver QSFP-DD. Miniaturní modul obsahuje lasery, detektory, elektroniku i optický multiplexer.
Výzvy vlnového multiplexu (WDM)
Kromě samotných laserů a detektorů musí modul obsahovat optický multiplexer (typicky typu LAN-WDM nebo jiný derivát techniky CWDM) s příslušným počtem kanálů.
Zde nastává technické omezení: tyto systémy využívají relativně široké rozestupy vlnových délek (často kolem 4,5 až 5 nm). Kvůli tomuto rozpětí už má optické vlákno na krajních kanálech odlišné parametry, zejména útlum a chromatickou disperzi. Jednoduché miniaturní snímače v transceiverech, které nemají prostor pro sofistikované aktivní chlazení nebo kompenzaci disperze, si s těmito rozdíly mezi kanály poradí jen obtížně.
Samozřejmě že technicky jde udělat cokoli. Dálkové DWDM systémy (Dense Wavelength Division Multiplexing) to dokazují každý den. Ty však používají extrémně hustý rozestup kanálů (0,5 nm i méně), kde se tyto problémy tolik neprojevují. Jenže rozměry, ceny a nároky na chlazení takových zařízení jsou na zcela jiné úrovni.
Pro masové nasazení v datových centrech jsou potřeba řešení, která jsou kompaktní, levná a energeticky nenáročná.
Obrázek: Optický multiplexer kombinuje více vlnových délek do jediného světlovodného vlákna.
PAM4 a modulační technologie aneb víc dat v jednom baudu
Princip PAM4 modulace
Klíčovou technologií, která umožnila překonat limity binární modulace, je PAM4 (Pulse Amplitude Modulation - 4 level). Zatímco tradiční binární modulace přenáší v jednom baudu pouze dva stavy (0 nebo 1), PAM4 dokáže přenést čtyři různé stavy (00, 01, 10, 11). To znamená dvojnásobnou efektivitu přenosu při stejné symbolové rychlosti.
Právě díky PAM4 může dnešní čtyřkanálový 400GBASE modul pracovat s rychlostí 4 × 53,125 GBd × 2 (díky PAM4) = 425 Gb/s čisté přenosové rychlosti, což po započtení režijních dat odpovídá kapacitě 400 Gb/s.
Starší osmikanálové moduly používaly 8 × 26,5625 GBd × 2 = stejný výsledek.
Osmikanálový 800GBASE modul pak pracuje stejným principem: 8 × 53,125 GBd × 2 = 850 Gb/s, po započtení režijních dat právě oněch 800 Gb/s.
Cena vyšší efektivity
PAM4 však není zadarmo. Vyžaduje přesnější elektroniku, kvalitnější snímače a sofistikovanější zpracování signálu. Čím více stavů je potřeba rozlišit, tím citlivější je systém na šum, jitter (časové kolísání signálu) a meziimpulzní interferenci. Proto je vývoj 200G kanálu tak náročný. Jde nejen o zdvojnásobení rychlosti, ale o zvládnutí zcela nových úrovní signálového zpracování.
Rychlý přehled klíčových standardů Ethernetu
|
Název |
Rychlost |
Počet kanálů |
Symbolová rychlost |
Modulace |
|
10GBASE |
10 Gb/s |
1 |
10 GBd |
NRZ |
|
25GBASE |
25 Gb/s |
1 |
26,56 GBd |
NRZ |
|
100GBASE |
100 Gb/s |
1 |
53,125 GBd |
PAM4 |
|
400GBASE-LR4 |
400 Gb/s |
4 |
53,125 GBd |
PAM4 |
|
800GBASE |
800 Gb/s |
8 |
53,125 GBd |
PAM4 |
|
1.6TBASE (plán) |
1 600 Gb/s |
8 |
106,25 GBd |
PAM4 |
Tabulka: Srovnání současných a plánovaných vysokorychlostních ethernetových standardů.
Co přinese 200G na kanál a 1.6T Ethernet
Revoluce v laboratořích
Jakmile se vývojářům podaří zvládnout kanálovou rychlost 200 Gb/s a dostat ji z laboratoří do komerčního nasazení, otevře se zcela nová éra vysokorychlostního ethernetu. Očekává se skutečná revoluce:
-
Jednokanálové 200GBASE moduly – jednoduché, kompaktní, levné
-
Dvoukanálové 400GBASE moduly – výrazně menší spotřeba, menší rozměry než současné čtyřkanálové
-
Čtyřkanálové 800GBASE moduly – efektivnější než současné osmikanálové varianty
-
Osmikanálové 1.6TBASE moduly – konečně ethernet, který překročí terabitovou hranici
Milník terabitového ethernetu
Právě 1,6 terabitový ethernet bude skutečným milníkem. Osmikanálový 1.6TBASE (8 × 106,25 GBd × 2) bude první ethernetové rozhraní přesahující jeden terabit za sekundu, které bude technologicky i cenově dosažitelné pro širší nasazení.
Současný odhad? Přibližně dva roky. Vývojáři pracují na finalizaci čipů, výrobci laserů a snímačů ladí parametry pro masovou produkci, standardizační organizace připravují specifikace. Až to všechno klapne dohromady, začne další vlna upgradu síťové infrastruktury.
Obrázek: Moderní datová centra potřebují stále vyšší přenosové kapacity – 1,6T ethernet bude klíčový pro AI infrastrukturu a hyperscalery.
Jak na to reagují operátoři: Příklad z praxe
Quantcom a 400G páteřní síť
Není to jen teoretická diskuze. V České republice už dnes fungují páteřní sítě s 400GBASE rozhraními.
Společnost Quantcom provozuje na svých páteřních směrovačích čtyřkanálová 400GBASE-LR4 rozhraní, která poskytují stabilní a vysoce výkonné propojení mezi klíčovými uzly sítě.
Ethernet Line pro firemní zákazníky
Pro zákazníky to znamená možnost využívat služby jako Ethernet Line. Dedikované spojení typu point-to-point s garantovanou symetrickou kapacitou až 10 Gb/s, nezávislé na veřejném internetu. Tato služba je postavena na robustní L2/L3 MPLS páteřní infrastruktuře, která je plně zálohovaná a umožňuje transparentní přenos VLAN i pokročilé technologie jako QinQ.
Ethernet Line je ideální pro:
-
propojení firemních poboček,
-
připojení do datových center,
-
přístup ke cloudovým službám,
-
záložní linku pro kritické systémy.
Díky vysoké spolehlivosti a nízké latenci je vhodný i pro aplikace citlivé na zpoždění (VoIP), videokonference nebo synchronizaci databází v reálném čase.
Lambda pro nejvyšší kapacity
Pro ještě vyšší kapacity nad 10 Gb/s nabízí Quantcom službu Lambda. Přímé zapůjčení optické vlnové délky s předem definovaným průběhem a kapacitou. To je řešení pro páteřní spoje mezi datovými centry, pro velké ISP nebo pro podniky s extrémními požadavky na přenosovou kapacitu.
Obrázek: Robustní optická infrastruktura s geografickou redundancí je základem spolehlivých high-speed služeb pro firemní zákazníky.
Proč je to důležité pro budoucnost
Backbone digitální ekonomiky
Rozvoj vysokorychlostního ethernetu není jen technickou hračkou pro nadšence. Je to klíčová infrastruktura pro digitální ekonomiku 21. století.
Cloudové služby, videokomunikace ve 4K a 8K, průmyslový IoT, autonomní vozidla, smart cities... To vše vyžaduje nejen vysoké přenosové rychlosti, ale především předvídatelnou latenci a garantovanou dostupnost.
Nároky AI a machine learningu
Datová centra, která pohánějí trénování velkých jazykových modelů (LLM) nebo zpracovávají masivní datasety pro analýzu, potřebují neustále větší kapacity pro komunikaci mezi servery.
Tradiční TCP/IP over Ethernet už nestačí. Moderní datová centra využívají technologie jako RDMA (Remote Direct Memory Access) nebo RoCE (RDMA over Converged Ethernet), které kladou extrémní nároky na kvalitu síťové infrastruktury.
Exponenciální růst datového provozu
Páteřní sítě operátorů čelí exponenciálnímu růstu datového provozu. Kde ještě před pěti lety stačily 10G linky, dnes jsou potřeba stovky gigabitů. A tento trend bude pokračovat.
Fyzika nastavuje limity, ale tempo nezpomaluje
Vývoj vysokorychlostního ethernetu ukazuje, že technologický pokrok není nekonečně rychlý, naráží na fyzikální limity. Kapacita jednoho optického kanálu má své hranice dané rychlostí modulace, citlivostí detektorů, disperzí ve vláknech a dalšími parametry. Překonání těchto limitů vyžaduje roky výzkumu, vývoje a testování.
Hranici 100 Gb/s na kanál se v laboratořích sice už daří posouvat směrem ke 200 Gb/s, ale skutečnou výzvou zůstává přenesení této technologie do stabilní, masové výroby. Jakmile se tento přechod do komerčních produktů podaří finalizovat, otevře se cesta k 1,6T ethernetu a dalším generacím. Do té doby zůstává vícekanálový přístup jediným způsobem, jak dosáhnout vyšších rychlostí. Proto jsou současné 800GBASE moduly osmikanálové a proto se zatím terabitový ethernet v pravém slova smyslu nenasadil.