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La technologie 10 Gigabit: démarrage imminent !
by Christoph Neumann & Stephan Rupp
La technologie 10 Gigabit: démarrage imminent !
L’ Ethernet haut débit promet de simplifier sensiblement la structure des systèmes informatiques. Le 10 Gigabit Ethernet (10GbE) est disponible dans les CPU et les contrôleurs MAC Ethernet avancés pour sous-systèmes de traitement et de stockage. Avec des transferts à 10 Gbit/s (10G), un même tuyau peut gérer les communications des grappes en même temps que les communications extérieurs. Les interfaces réseau 10G font partie de ressources partageables par virtualisation. Composants et interfaces 10G sont entièrement définis par des standards industriels internationaux. A présent, pour les développeurs, se pose la question suivante : quelle technologie choisir et quels sont les systèmes embarqués les mieux adaptés ?
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10 Gigabit Technology Ready to Go. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Contents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Le 10 Gigabit, pourquoi faire ? . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 3
La virtualisation profite du 10G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Stockage en réseau et communications interprocessus . . . . . . . . . . . . . . . .4
Communications locales et distantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 5
Les technologies 10G embarquées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
CompactPCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
MicroTCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
VME et VPX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Les serveurs embarqués montés en racks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Kontron en bref. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
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Le 10 Gigabit, pourquoi faire ?
Avec l’arrivée des CPU multicœurs dans les serveurs, les communications interprocessus passent à 10 Gigabit/s. Plusieurs standards ont été publiés pour ces taux de transfert. Dès maintenant, il existe de nombreuses raisons d’utiliser 10 Gigabit Ethernet :
» Les interfaces : Les interfaces sont de moins en moins chères. Des transmetteurs SFP+, de même facteur de forme que SFP, offrent des liaisons de cuivre passives pour applications sensibles aux prix, sur de courtes portées (interconnexion de châssis sur plusieurs mètres) ; ils peuvent aussi gérer des connexions optiques sur de plus longues distances.
» Un tuyau unique: Avec 10GbE, différentes classes de trafic peuvent être allouées à un seul « tuyau » ou « pipe», et des fonctions QoS peuvent différencier les niveaux de services. Des protocoles comme iSCSI permettent d’utiliser la même technologie d’interface pour le stockage que pour les communications interprocessus ou les services externes comme le trafic web ou la Voix sur IP. Pour l’agrégation de trafic, le 10G évite d’avoir à mettre en œuvre plusieurs liens à 1 Gbit/s au moyen de mécanismes complexes d’agrégation de liens.
» La virtualisation: avec les CPU multicœurs, le nombre de machines virtuelles par processeur augmente. Les contrôleurs MAC Ethernet 10G supportent la virtualisation, et les interfaces réseau sont partageables entre machines virtuelles indépendamment du matériel.
» LAN et WAN unifiés : la même technologie s’applique aux communications locales et distantes, ce qui réduit la complexité, diminue le câblage et augmente la fiabilité. Des services Carrier Ethernet apportent une connectivité Ethernet native pour les opérations à distance.
La virtualisation profite du 10G Au niveau du poste de travail, la virtualisation a souvent servi à démarrer un système d’exploitation à partir d’un autre. Une seule machine virtuelle (VM) possède alors toutes les ressources matérielles, sans avoir à les partager. Dans les infrastructures de serveurs et dans les systèmes embarqués, la virtualisation implique au contraire d’exécuter de multiples machines virtuelles sur le même matériel.
Avec les actuelles cartes d’interfaces réseau (NIC), les ports Ethernet ne sont pas facilement partageables entre VM parallèles. La solution typique est d’allouer les ports Ethernet individuellement aux différentes machines virtuelles, comme le montre le haut de la figure 1. Ce type de solution fonctionne avec un nombre limité de VM et un nombre suffisant de NIC, mais présente des inconvénients lorsque les VM se multiplient :
» Le nombre de NIC doit suivre celui des VM, ce qui augmente les coûts, l’espace nécessaire et le câblage, sans parler des corvées de configuration et de maintenance.
» L’hyperviseur, chargé du trafic entre VM, se transforme en commutateur Ethernet multiport ; une alternative est de faire passer le trafic entre VM par des interfaces réseau externes Ce scénario n’est pas exagéré : les machines virtuelles sont de plus en plus utilisées dans l’embarqué pour encapsuler des travaux parallèles. Les CPU quadri-cœurs, couramment rencontrés, supportent aisément 4 à 8 VM par cœur. Comme le montre le bas de la figure 1, cela donne plus de 16 ports réseau. De plus, le CPU peut gérer des trafics dépassant 1 Gigabit, ce qui nécessite de multiples ports 1 GbE par VM. Les NIC 10G qui supportent la virtualisation résolvent de nombreux problèmes, et permettent notamment de partagerles ports 10GbE entre VM sans agrégation de liens. Plus
Figure 1 : Allocation d’interfaces réseau aux machines virtuelles
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important encore, le trafic entre VM est géré au sein du NIC, sans impact sur l’hyperviseur.
Stockage en réseau et communications interprocessusDans les sites clients, l’infrastructure IT dessert une variété d’applications ; qu’il s’agisse de communication d’entreprise, de gérance informatique, de technologie de processus ou de centre de calcul, la structure générale est similaire (figure 2). Les serveurs frontaux gèrent la connectivité avec d’autres sites locaux ou distants, et se chargent du filtrage de sécurité et la distribution du trafic. Au second niveau, les serveurs d’application assurent les traitements. Un troisième niveau gère le stockage et la sauvegarde sécurisée des données persistantes.
Une grande diversité de technologies est mise en œuvre aujourd’hui. L’interconnexion par réseau local avec des postes clients ou d’autres sites est principalement fournie par Ethernet, mais les liaisons distantes sont assurées par une variété d’interfaces de télécommunication (RNIS, lignes louées ou xDSL). Les communications entre serveurs (communications inter processus) exigent des connexions haut débit utilisant notamment Infiniband, des liens GbE agrégés ou des solutions propriétaires. Les réseaux de stockage NAS aussi bien que SAN se connectent via Fibre Channel. Bien que chacune de ces solutions ait ses avantages, il en résulte un environnement multiforme, avec des configurations complexes, qui exige de multiples compétences.
Figure 2 : Un seul tuyau – Moins de coûts et de complexité
10GbE élimine le goulot d’étranglement introduit dans les réseaux de serveurs et de stockage par les technologies Ethernet de précédente génération, et permet de placer une diversité d’applications sur une seule plate-forme technologique. Pour l’interconnexion des serveurs, 10GbE est à la hauteur des vitesses des CPU actuels. Pour le stockage, le standard iSCSI est à la base d’infrastructures comparables à Fibre Channel, qui ne nécessitent pas de commutateurs ni d’environnement logiciel spécifiques. De plus, le 10GbE est suffisamment rapide pour supporter les protocoles Fibre Channel natifs sur Ethernet (FCoE).
L’architecture des réseaux informatiques s’en trouve simplifiée. La réduction de la complexité se traduit en réduction des coûts, car le nombre de composants diminue et les compétences techniques se concentrent ailleurs, ce qui minimise les coûts d’exploitation. Certaines architectures de serveurs donnent la possibilité d’insérer plusieurs lames processeurs dans un seul châssis, qui peut aussi contenir des commutateurs 10GbE. De tels systèmes utilisent beaucoup moins d’espace et de câbles car la connectivité Ethernet passe par le fond de panier. Les cartes embarquées conçues pour ces architectures ont des processeurs basse consommation et réduisent le coût total de possession en diminuant les coûts d’exploitation.
Il existe des standards internationaux pour l’interconnexion de serveurs et d’unités de stockage par Ethernet : iSCSI, standard IETF publié en 2003, définit l’encapsulation de messages SCSI dans des trames Ethernet transportées par TCP/IP, s’appuyant ainsi sur des bases mondialement éprouvées sur l’Internet.
Serveurs frontaux
WAN et LAN
Serveurs d’applicatin
Serveurs de stockage
Site client
IPC (Infiniband, GbE agrégé ...)
NAS/SAN (Fibre Channel, iSCSI, ...)
Serveurs frontaux
WAN et LAN
Serveurs d’applicatin
Site client
NAS/SAN (10GbE)
Aujourd’hui : une diversité de réseaux Demain : Une seule technologie de réseau
IPC (10GbE)
GbE 10GbE
Serveurs de stockage
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Dans les réseaux de stockage, iSCSI permet aux NIC 10GbE de fonctionner comme des contrôleurs SAN. Il devient possible, sans matériel spécifique, de partager par réseau IP des systèmes de stockage tels que des réseaux RAID ou des serveurs de sauvegarde.
Communications locales et distantes Technologie traditionnelle des réseaux locaux, Ethernet prend de l’ampleur dans les communications distantes. Les connexions entre deux sites d’une entreprise (sites clients) ou vers des clients distants passent habituellement par des réseaux publics gérés par des opérateurs télécoms, qui emploient une variété d’interfaces, que ce soit pour la connectivité mobile (GSM, UMTS ou points d’accès WiFi), ou pour les lignes fixes (RNIS, xDSL ou lignes louées). Cependant, face à la demande croissante de la clientèle d’entreprise exigeant de plus hauts débits, de nombreux opérateurs offrent à présent des services Carrier Ethernet : il s’agit d’une connectivité Ethernet native à différentes vitesses, avec garantie de disponibilité et de qualité de service en fonction des niveaux de service. Bien que les vitesses de plus de 100 Mbit/s nécessitent une liaison par fibre optique sur le site client, et restent aujourd’hui l’exception, l’offre en liens Ethernet haut débit augmente.
Du point de vue du client d’entreprise, avec Carrier Ethernet, les liaisons Ethernet natives s’étendent aux réseaux WAN, et peuvent transporter des services Ethernet locaux vers des sites distants. Carrier Ethernet procure en outre une connexion fiable vis-à-vis des temps d’indisponibilité et du trafic. La figure 3 montre l’organisation entre les sites clients et les réseaux WAN publics. Entre deux sites clients, la connectivité Ethernet est transparente, comme une connexion par réseau local.
Figure 3 Carrier Ethernet et la connectivité longue distance
Derrière la technologie Carrier Ethernet se cache une activité considérable de standardisation, menée par les principaux fournisseurs d’équipements et opérateurs télécoms. L’une des organisations les plus en vue est le MEF (Metro Ethernet Forum). Cette activité couvre un vaste éventail de standards IETF, IEEE et ITU. Le MEF veille à l’interopérabilité des équipements Carrier Ethernet certifiés è travers les réseaux publics et les réseaux locaux.
A un niveau inférieur de connectivité, les progrès technologiques sont considérables. En juste cinq ans, la taille des connecteurs et la consommation des modules émetteurs/récepteurs pour fibres optiques ou liaisons de cuivre n’ont cessé de se réduire, passant des formats XENPAK à XFP puis SFP+. La figure 4 montre cette évolution. En conséquence, les nouveaux transmetteurs haut débit SFP+ 10GbE sont facilement intégrés dans les produits embarqués. Leur petit facteur de forme rend possible une haute densité d’interfaces et une faible consommation par port (moins de 1 watt).
Les nouveaux facteurs de forme facilitent aussi considérablement le câblages 10G. Les transmetteurs SFP+ existent en versions Direct Attach, pré-configurées avec des câbles de cuivre ou optiques. Les câble de cuivre passifs couvrent des distances allant jusqu’à 7 mètres sans consommation de puissance. Ces câbles, configurés en usine avec des connecteurs SFP+ à chaque bout, sont basés sur deux paires parallèles blindées (câbles Twinax). Les câbles optiques couvrent respectivement jusqu’à 300 m à 850 nm selon la spécification LRM pour fibre multimode longue portée ; et jusqu’à 10 km à 1350 nm selon la spécification LR pour fibre longue portée.
RéseauCarrier Ethernet
Site client 1
Equipement de site client
Routeur de bordure
Routeur de coeur
Serveur d’application
Connexion Ethernet Virtuelle
LAN
Internet
WAN (réseau public de télécommunications)
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Figure 4 - Evolution of 10G InterfacesTous les formats
Tous les formats 10G sont des standards de l’industrie. La norme initiale définissant les liaisons Ethernet à 10 Gbit/s a été publiée en 2002 en tant que standard IEEE 802.3ae. Les extensions SR, LR, ER et L4 de la même année définissent des connexions à fibre optique. En 2004, l’extension 802.ak-CX4 a spécifié l’utilisation d’un câble de cuivre twinaxial (câble InfiniBand). Le câble de cuivre à paire torsadée 10GBASE-T a été spécifié en 2006 en tant que 802.3an. En 2007, sont arrivées deux extensions supplémentaires : 802.3ap-KR pour les fonds de panier série, et 802.aq-LRM pour les câbles optiques. Le facteur de forme SFP+ est défini dans la spécification SFF-8431 du comité SFF, groupe industriel se préoccupant de petits facteurs de forme et incluant les principaux fabricants TIC.
Les technologies 10G embarquées Le 10G existe depuis quelque temps dans les serveurs embarqués tels que AdvancedTCA, qui sont d’ailleurs en train d’évoluer vers 40G. Aujourd’hui, le 10G arrive dans des formats de serveurs ayant de plus faibles budgets thermique et une moindre consommation de puissance, dont CompactPCI, MicroTCA, VME et VPX, ainsi que des serveurs embarqués montés en racks.
CompactPCILe fond de panier CompactPCI supporte des liaisons GbE avec la spécification PICMG 2.16. Bien qu’une vitesse de 1 Gbit/s soit suffisante pour de nombreuses applications embarquées, elle n’est pas cohérente avec la dernière génération de lames processeurs CompactPCI, capables de gérer des trafics de 10 Gbit/s. Dans un châssis CompactPCI, le fond de panier génère un goulot d’étranglement. Ce problème peut être résolu par un câblage en face avant, comme le montre la figure 5. Il est possible de placer sur la lame processeur une carte mezzanine fournissant deux liens 10GbE sur une connectique SFP+. Ces liens 10G pourront être reliés par un câblage 10G standard. Dans les systèmes multiprocesseurs, les câbles Ethernet sortant en face avant rejoindront typiquement un commutateur 10G Ethernet. La solution la plus compacte consistera tout simplement à placer ce commutateur directement dans le système
CompactPCI. Pour les environnements durcis, des connecteurs M12 commencent à être disponibles, pour le 1G comme pour le 10G.
Figure 5 : Le 10G arrive dans les systèmes CompactPCI
MicroTCAComme CompactPCI, MicroTCA est un standard du PICMG pour systèmes embarqués. Sur le fond de panier MicroTCA, l’architecture de bus parallèle traditionnelle disparaît entièrement au profit des interfaces série. Le connecteur AMC fournit 21 ports, utilisables pour des liens haut débit à 2,5 Gbit/s chacun. Ce qui donne largement la capacité d’implanter des matrices comme 10GbE, PCI Express, Serial RapidIO, SATA ou autres. MicroTCA utilise un réseau 1GbE comme infrastructure de communication de base entre cartes sur le fond de panier. Il est possible d’implanter aussi des matrices de commutation additionnelles. 10GbE est actuellement implémenté sur le fond de panier sur 4 voies (lanes) à 2,5 Gbit/s, en utilisant l’interface XAUI, selon la norme 802.3ap -KX4. Les futures implémentations atteindront 10 Gbit/s par voie selon la norme 802.3ap -KR. Des fonds de panier 10G existent depuis quelques temps. Ce marché recevra une nouvelle impulsion avec l’arrivée de la prochaine génération de lames processeurs de format AMC. Le facteur de forme double largeur (4U) autorise un budget thermique de 80 watts par AMC. Ce qui permet d’implémenter des cartes CPU quadri-cœurs dans les applications MicroTCA, pour combiner une conception système très compacte et modulaire avec une puissance de calcul fortement parallélisée.
Figure 6 MicroTCA passe à grande vitesse
2002
2005
2006
2008
2010Direct Attach
Standards 10GbE(électriques et optiques)
SFF-8431 SFP+
IEEE 802.3aq LRM
IEEE 802.3an 10 GBASE-T
IEEE 802.3ak CX4
IEEE 802.3ae SR/LR/ER/LX4
Transmetteurs10 GbE
SystèmeMicroTCAOM7090D
MCH 10G AM4910
Carte processeur Intel Core i7 AM5030
2 x 10GbE
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VME et VPXStandard de facto d’un grand nombre d’applications militaires, l’architecture 6U VME a adopté Gigabit Ethernet sur fond de panier avec succès, grâce à la spécification VITA 31.1. L’exploitation d’une base commune avec l’infrastructure de réseau CompactPCI, via les commutateurs 6U CompactPCI, va permettre aux ordinateurs VME d’offrir la même voie de migration vers 10 Gigabit Ethernet, en utilisant les solutions communes de cartes commutateurs 10G et de mezzanines XMC 10G. Ces produits sont déjà supportés sur des cartes CPU d’architecture x86, ainsi que sur des monocartes basées sur le processeur PowerPC Altivec. Ces cartes CPU étant compatibles avec le logiciel applicatif existant, VME met une fois de plus en œuvre une stratégie réussie d’adoption d’un nouveau standard, en évitant d’abandonner sa vaste infrastructure, qui représente tant d’années de développement. Conçu dés le départ pour les interfaces série haut débit, offrant jusqu’à 6,25 Gbit/s par voie avec 3% maximum d’atténuation de diaphonie, VPX est bien préparé au Multi-GbE et autres technologies PCI Express, SATA et Serial RapidIO. Avec un total de 464 contacts signaux pour les cartes 6U et de 280 contacts signaux pour les cartes 3U, VPX offre assez de capacité pour des voies « fat pipe » encore plus rapides, qui ne sont pas nécessairement encore envisagées aujourd’hui.
Figure 7: Le 10G arrive dans les systèmes VME
Les serveurs embarqués montés en racksL’implémentation de 10GbE se fait habituellement via des cartes d’extension à bus PCI Express. Les serveurs embarqués montés en racks sont typiquement basés sur des cartes mères ou sur des formats PICMG 1.x, avec une carte hôte système et un fond de panier spécifique de l’application
doté de multiples slots d’extension PCI et PCI express. Dans ces deux architectures, il est facile d’implanter des NIC PCIe standard pour ajouter des interfaces 10G Ethernet en parallèle avec les ports 1GbE de la carte système. Des cartes d’extension bas profil sont déjà disponibles, pour implémenter 10GbE jusque dans des systèmes 2U d’espace limité.
Figure 8: Serveurs embarqués à monter en rack
Conclusion
Depuis plus de 25 ans, Ethernet a fait la preuve de sa capacité à s’adapter aux exigences croissantes des réseaux informatiques, tout en gardant un faible coût d’implémentation, une grande facilité d’installation et une haute fiabilité. Ces qualités ont rendu ce standard populaire au point d’être à l’origine et au point terminal de pratiquement tous les trafics de données, et d’être entré dans plusieurs marchés verticaux tels que les marchés militaire, du médical et de l’automatisation. 10GbE représente la prochaine évolution dans la simplification des grands systèmes informatiques. Grâce à l’encapsulation des protocoles et aux approches « x-over-Ethernet », une grande diversité d’applications peut prendre place sur une seule plate-forme technologique, ce qui aide à réduire les efforts de développement, minimiser le temps de mise sur le marché et améliorer l’interopérabilité. Et maintenant, 10GbE arrive dans les plates-formes embarquées comme CompactPCI, MicroTCA et VME/VPX, pour les communications intra et inter systèmes. En tenant compte de tout cela, il est clair que le 10G Ethernet s’apprête à devenir le prochain vrai standard des technologies de réseau.
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