10 Gigabit Ethernet

Com o lançamento do padrão 1000BASE-T, em 1999, os membros do grupo de trabalho 802.3 ficaram livres para iniciar os trabalhos no padrão seguinte. Mantendo a tradição, decidiram desenvolver um padrão capaz de atingir taxas de transferência 10 vezes maiores que o anterior, dando origem ao 10 Gigabit Ethernet (10G), que transmite a espantosos 10 gigabits por segundo.

Aumentar por 10 a taxa de transferência a cada novo padrão de rede pode parecer um exagero, mas como a migração para novos padrões de redes é bem mais lenta do que para novos processadores ou novas tecnologias de memória, por exemplo, passos maiores acabam sendo necessários, caso contrário poucos se dariam o trabalho de atualizar os equipamentos.

Como previsto na célebre lei de Moore, o poder de processamento dos processadores e controladores em geral dobra em média a cada 18 meses, sendo que o custo continua mais ou menos constante. Com isso, em um período de 54 meses temos controladores 8 vezes mais rápidos, e assim por diante, o que torna a tarefa de desenvolver novos padrões de rede relativamente simples.

O maior problema é que o cabeamento não evolui na mesma velocidade dos controladores, o que obriga o comitê a levar os cabos popularmente usados até o limite antes de jogar a toalha e migrar para um padrão de cabos mais caros e de melhor qualidade.

Um exemplo disso são os cabos de par trançado categoria 5, que foram desenvolvidos para o uso em redes de 100 megabits, mas que acabaram tendo sua vida útil estendida com o padrão 1000BASE-T graças à adoção de um sistema mais sofisticado de modulação e ao uso dos quatro pares do cabo.

Assim como no Gigabit Ethernet, o desenvolvimento do 10 Gigabit Ethernet começou nos cabos de fibra óptica, que oferecem um desafio técnico menor, com o padrão para cabos com fios de cobre sendo finalizado por último. Muitos julgavam que seria impossível criar um padrão 10G para cabos de par trançado (afinal, estamos falando de uma taxa de transmissão 1000 vezes maior que a do padrão 10BASE-T original), mas no final acabaram conseguindo, embora com algumas baixas.

Os padrões 10G para cabos de fibra óptica se dividem em duas categorias: os padrões de longa distância, que utilizam cabos de fibra monomodo e os padrões de curta distância, que utilizam cabos de fibra multimodo e transmissores mais baratos.

O objetivo dos padrões de longa distância é complementar os padrões de 100 e 1000 megabits, oferecendo uma solução capaz de interligar redes distantes com uma velocidade comparável ou superior a dos backbones DWDM e SONET, tecnologias muito mais caras, utilizadas atualmente nos backbones da Internet.

Suponha, por exemplo, que você precise interligar 5.000 PCs, divididos entre a universidade, o parque industrial e a prefeitura de uma grande cidade. Você poderia utilizar um backbone 10 Gigabit Ethernet para os backbones principais, unindo os servidores dentro dos três blocos e ligando-os à Internet, usar uma malha de switches Gigabit Ethernet para levar a rede até as salas de aula e departamentos e, finalmente, usar switches baratos de 100 megabits para levar a rede aos alunos e funcionários, complementando com pontos de acesso 802.11b/g para oferecer também uma opção de rede sem fio.

Isso estabelece uma pirâmide, onde os usuários individuais possuem conexões relativamente lentas, de 11, 54 ou 100 megabits, interligadas entre si e entre os servidores pelas conexões mais rápidas e caras, formando um sistema capaz de absorver várias chamadas de videoconferência simultâneas, por exemplo.

Outra aplicação em destaque é o próprio uso em backbones de acesso à Internet. Usando o 10G, um único cabo de fibra óptica transmite o equivalente a mais de 600 linhas T1 (de 1.5 megabits cada), cada uma suficiente para atender uma empresa de médio porte, um prédio residencial ou mesmo um pequeno provedor de acesso via rádio, ou seja, com um único link 10G temos banda suficiente para atender com folga a uma cidade de médio porte.

Entre os padrões de longa distância temos o 10GBASE-LR (Long Range) que utiliza laseres de 1310 nm e oferece um alcance de até 10 km (com a possibilidade de atingir distâncias maiores utilizando cabos de alta qualidade), o 10GBASE-ER (Extended Range), que utiliza laseres de 1550 nm e é capaz de cobrir distâncias de até 40 km e o novo 10GBASE-ZR, desenvolvido de forma independente pela Cisco e outros fabricantes, que estende o alcance máximo para incríveis 80 km.

Nos três casos, a distância máxima pode ser estendida usando amplificadores de sinal e repetidores, de forma o que o link pode ser estendido a distâncias muito grandes, criando backbones e interligando redes.

Em seguida temos os padrões de curta distância, destinados ao uso em datacenters e em redes locais. Como citei, eles são baseados em fibras multimodo, que ao contrário das fibras monomodo usadas nos padrões de longa distância, já são bastante acessíveis.

Atualmente temos apenas dois padrões: o 10GBASE-SR (Short Rage) utiliza a tecnologia short-wave laser, similar à utilizada no 1000BASE-SX e é capaz de atingir até 300 metros, dependendo da qualidade do cabo usado, enquanto o 10GBASE-LRM permite o uso de fibras com núcleo de 62.5 microns, um tipo de fibra de baixa qualidade, tipicamente usadas em redes 100BASE-FX. Quando usadas no 10GBASE-SR, estas fibras suportam distâncias muito curtas (até 26 metros), mas no 10GBASE-LRM elas suportam até 220 metros, daí a sigla LRM, de “Long Reach Multimode”.

Placa 10GBASE-SR em versão PCI-X

Tradicionalmente, o mais comum é que os padrões de fibra óptica de curta distância sejam usados para criar backbones, interligando os switches e roteadores em diferentes segmentos da rede, enquanto os padrões para cabos de cobre, sejam usados nos pontos individuais.

Assim como fez no Gigabit Ethernet, o grupo de trabalho começou desenvolvendo um padrão para cabos de cobre de curta distância para uso em datacenters. Surgiu então o 10GBASE-CX4, que utiliza quatro pares de cabos twinax para transmitir dados a até 15 metros. Os cabos 10GBASE-CX4 utilizam um conector especial, similar ao utilizado no InfiniBand, uma tecnologia de rede utilizada em clusters e SANs. Não é possível crimpar os cabos CX4; eles são comprados já no comprimento desejado. Aqui temos uma placa PCI-Express x8 e o detalhe do conector:

O 10GBASE-CX4 é um padrão mais barato que os baseados em cabos de fibra, já que não é necessário usar o transceiver (um componente bastante caro, que contém os transmissores e receptores ópticos). Mas, como era de se esperar, ele entrou em desuso com a popularização do padrão 10GBASE-T (ou 802.3an), que é o padrão baseado em cabos de par trançado.

Inicialmente, falou-se no uso de cabos categoria 7 combinados com conectores TERA e no possível suporte a cabos de categoria 5a no padrão 10GBASE-T, mas ambas as idéias acabaram sendo descartadas em favor dos cabos categoria 6 e categoria 6a.

Usar cabos categoria 5e no 10G não seria impossível, mas exigiria um sistema de modulação muito complexo, que encareceria excessivamente as placas e os switches. Além disso, a distância seria muito curta (possivelmente algo próximo dos 15 metros do 10GBASE-CX4), o que acabaria com a utilidade prática do padrão.

Para entender a dificuldade em criar um padrão 10G para cabos cat 5e, nada melhor do que entender um pouco melhor como o 10GBASE-T funciona. Se você achou as explicações sobre o 100BASE-TX e sobre o 1000BASE-T complicadas, se prepare, pois esta é ainda mais indigesta. 🙂

Você deve lembrar que no 1000BASE-T é usado o sistema PAM-5 de modulação, onde 5 sinais distintos são usados para transmitir 2 bits por baud (combinados com informações de controle). Com isso, os 1000 megabits são transmitidos em apenas 500 megabauds, ou seja, 125 megabauds em cada um dos 4 pares de cabos.

O 10GBASE-T adota um sistema de modulação bem mais complexo, o PAM-16 que, como o nome sugere, é baseado no uso de 16 sinais distintos em cada par, cada um representado por um nível de tensão diferente. Para efeito de comparação, no 100BASE-TX existe uma diferença de 1V entre cada nível, no 1000BASE-T a diferença cai para apenas 0.5V e no 10GBASE-T cai para apenas 0.13V, o que torna a questão do cabeamento progressivamente mais crítica:

Originalmente, 16 estados permitiriam o envio de 4 bits por baud, por par. Mas, como de praxe, é necessário enviar também informações de controle, de forma que são transmitidos o equivalente a 3.125 bits por baud (3 bits e mais um bit adicional a cada 8 bauds), o que permite que os 10.000 megabits sejam transmitidos em apenas 3200 megabauds. Como os 4 pares de cabos são usados simultaneamente, temos então 800 megabauds por par de cabos.

Assim como no 1000BASE-T, cada baud demora apenas meio ciclo para ser transmitido, o que reduz a freqüência de transmissão. Mesmo assim, os 800 megabauds resultam em uma freqüência de 400 MHz, muito além dos 100 MHz suportados pelos cabos cat 5.

Os próximos da lista são os cabos de categoria 6, que suportam freqüências de até 250 MHz e são construídos dentro de normas muito mais estritas com relação à atenuação do sinal e ao crosstalk. Apesar da freqüência ser mais baixa que o exigido, foi possível incluir suporte a eles dentro do padrão, mas apenas para distâncias curtas, de apenas 55 metros.

Isso acontece porque a freqüência suportada pelo cabo não é um valor exato, mas sim a freqüência para a qual ele é certificado para transmissão a 100 metros. Um cabo cat 5 poderia transportar sinais a mais de 100 MHz, mas a atenuação faria com que eles não chegassem ao final dos 100 metros com uma qualidade aceitável.

Reduzindo o comprimento do cabo, reduzimos a atenuação, o que permite que os cabos suportem a transmissão de sinais de freqüência mais alta, mas apenas a distâncias curtas. No caso dos cabos cat 6, foi comprovado que eles são capazes de transmitir os sinais de 400 MHz do 10GBASE-T, mas apenas a até 55 metros, daí a especificação.

Na prática, alguns cabos cat 5e que excedem a especificação também suportam a freqüência de 400 MHz em distâncias mais curtas. Se você tiver sorte, pode ter sucesso usando um cabo de 10 ou 20 metros, por exemplo. Entretanto, padrões precisam funcionar “sempre” e não “às vezes” e justamente por isso os cat 5e foram removidos da especificação final.

Para que fosse possível o uso de cabos de até 100 metros, como nos padrões anteriores, foi criado o padrão cat 6a, que suporta freqüências de até 500 MHz e é baseado em normas ainda mais estritas.

Embora ainda sejam mais caros, os cabos cat 6a tendem a cair de preço conforme a tecnologia for se popularizando, permitindo uma migração gradual. A partir do momento em que a diferença de preço não for um impedimento, vale à pena passar a utilizar cabos categoria 6a em todas as novas instalações, mesmo nas destinadas a redes de 100 e 1000 megabits, já que o padrão superexcede o padrão cat5e e o cat6.

Atualmente, ainda estamos assistindo à migração do Fast Ethernet para o Gigabit Ethernet, por isso a migração para o padrão 10G nas redes domésticas ainda deve demorar. As placas 10GBASE-T do início de 2008 ainda custam acima de 1000 dólares, além de consumirem muita energia (muitas consomem mais de 25 watts), o que restringe seu uso aos servidores.

Mesmo que a lei de Moore continue em vigor ao longo dos próximos anos, ainda vai demorar até que sejam desenvolvidos controladores 10G compactos e baratos o suficiente para serem integrados às placas-mãe, como no caso dos chips Gigabit Ethernet.

Além disso, existe a questão prática. Como a maioria das redes são usadas para acessar a web e transferir arquivos entre os PCs e os servidores da rede, existe pouca demanda por um padrão de rede mais rápido, pois mesmo o Gigabit Ethernet raramente tem chance de mostrar seu potencial, já que é gargalado pelo desempenho dos HDs e outros periféricos. De nada adianta uma interface de rede mais rápida, se o HD o servidor do servidor é capaz de ler os dados a apenas 60 MB/s, por exemplo.

A médio prazo, as redes locais continuarão sendo baseadas em interfaces de 100 e 1000 megabits e o 10G passará a ser utilizado para interligar os switches da rede, evitando o gargalo causado pelo uso de um único link gigabit para interligar switches com 24 ou 48 clientes cada um. Só bem adiante é que devemos assistir à popularização do 10G nos desktops.

O 10G representa também o fim dos hubs, dos repetidores e dos links half-duplex, que foram substituídos pelo uso exclusivo de links full-duplex ponto a ponto, entre as estações, switches e roteadores da rede. Com isso, deixa de ser usado também o CSMA/CD, o sistema de detecção de colisões que é utilizado desde os primeiros padrões Ethernet.

Embora você ainda possa ligar vários switches em cascata, com cabos cat 6a de 100 metros cada um para obter distâncias maiores, a idéia é que você utilize um dos padrões de cabos de fibra óptica quando precisar atingir distâncias maiores. Com os 10 km oferecidos pelo 10GBASE-LR e os 40 km oferecidos pelo 10GBASE-ER, cobrir grandes distâncias deixou de ser um problema.