[特集]

<座談会>大詰めを迎えた「40Gbps/100Gbpsイーサネットを語る」:第3回 40G/100Gの技術的特徴

並列伝送方式を採用/10GE技術を活用
2009/11/24
(火)

2010年6月の規格制定をめざして、2008年1月から「40Gbpsおよび100Gbpsイーサネット」の標準化の審議が活発に行われてきたが、基本的な標準がほぼ完成し、これに対応した40Gbpsおよび100Gbps対応のイーサネット製品が相次いで発表されるなど、標準化完了を睨んだ動きが活発化してきている。この標準化作業は、IEEE802.3(イーサネット)ワーキング・グループ内の「IEEE802.3ba」というタスクフォース(作業部会)で、主にサーバ接続などのデータセンター向け用途の40Gbps規格と、通信事業者(ISPなど)向け用途の100Gbps規格の標準化が同時に行われている。そこで、この分野の最前線でご活躍中の日本電信電話(株)未来ねっと研究所 グループリーダの石田 修氏(司会:IEEE 802.1 WG投票メンバー)と日立電線(株)情報システム事業部ネットワーク開発部部長の瀬戸 康一郎氏(IEEE 802.1 WG投票メンバー)、ジュニパーネットワークス(株)マーケティングマネージャの佐宗 大介氏にお集まりいただき、「40Gbps/100Gbpsイーサネット」の登場の背景から標準化や製品の動向をはじめ、市場動向も含めて大いに語っていただいた(WBB Forum編集部。文中敬称略)。

<座談会>大詰めを迎えた「40Gbps/100Gbpsイーサネットを語る」:第3回 40G/100Gの技術的特徴 - 並列伝送方式を採用/10GE技術を活用 -
瀬戸康一郎氏
(日立電線 情報システム事業部 ネットワーク開発部部長)
<司会>石田 修氏
(日本電信電話 未来ねっと研究所 グループリーダ)
佐宗 大介氏
(ジュニパー ネットワークス(株) マーケティングマネージャ)

司会(石田) ここからは、少し技術の話にフォーカスしていきたいと思います。データセンター用とバックボーン用に、40Gと100G、2つを同時に標準化することになり、すごくフレキシビリティのある標準になりました。もともとイーサネットの持っているよさを生かしつつ、柔軟にレーン(通信路)数を変えたりできる規格になっています。40Gと100Gで基本的なコンセプトは同じにしてつくりは共有し「非常にうまくいった」と思います。

≪1≫ 40Gと100G、各4種類のインタフェース規格を802.3に追加

司会(石田) 今回は、40Gと100Gをサポートする物理層(PHY)が規格化されます。802.3規格には、スピードによらずに共通のMAC(媒体アクセス制御)フレームを規定する部分(レイヤ2の下半分)と、そのMACフレームをどうやって伝送媒体で送るかを規定するレイヤ1(物理層:PHY)の部分があり、今回は、後者にあらたに追加する、ということです(図1)


図1 IEEE802.3 Ethernet規格の位置づけ(クリックで拡大)

図1 IEEE802.3 Ethernet規格の位置づけ


瀬戸 40Gは次の4種類、すなわち、

①バックプレーン(1m)
②カッパー・ケーブル(銅線、7m)
③マルチモードファイバ(MMF、100m)
④シングルモードファイバ(SMF、10km)

を仕様化します。100Gも、同じく4種類ですが、バックプレーンがなくて40kmが追加されます。図2に色分けして示すとおり、40Gはすべて4並列、100Gはカッパーとマルチモードファイバ向けが10Gの10並列ですが、シングルモードファイバ向けの2方式は25Gの4並列です。


図2 802.3baにより追加されるPHY(物理層)タイプ(クリックで拡大)

図2 802.3baにより追加されるPHY(物理層)タイプ


司会(石田) 特徴的なのは「10GEの技術を利活用しましょう。なるべく使い尽くしましょう。」という方針で決まったことです。瀬戸さんが最初(第1回)におっしゃっていた「10GEが立ち上がるのはすごく大変だった」という懸念をうまく避けるように、みんな考えているのかな、という印象を持っています。

瀬戸 そうですね。


≪2≫ 40G SMFで「40Gシリアル」か「10G×4波」で激論

司会(石田) 象徴的だったのは、40Gのシングルモードファイバ(SMF)規格です。(ストレージ側の)シスコさんの要望で最終局面に追加されることになった規格ですが、仕様を決めるときに、10G×4波か、それともシリアルの40Gにするのか、激論になりました。結果は、CWDM4波になりました(CWDM:Coarse Wavelength Division Multiplexing、粗波長分割多重)。

その心は、ファースト・プライオリティはコストセンシティブなデータセンターにある、ということかと。だれもが「いつかはシリアルが安くなる」には合意するのですが、「いつ安くなるのか」で意見が割れて、最終的にはCWDMになりました。ちなみに、40Gシリアルを最後まで推したのはキャリア(通信事業者)です。キャリアは長い期間使うことになりますし、将来コストがミニマムなところを狙いたい。今でも40Gシリアルを何とかしようと、第2弾として「新たにキャリア向けに40GEの追加規格を検討しよう」という呼び掛け(Call for Interest)の動きがあります〔2009年11月のPlenary(全体)会合で実施〕。

ともかく、第1弾では40Gはすべて10G×4波になって、製造し易くなりました。それに対して、100Gは、シングルモードファイバ(SMF)用では25G×4波という新しい技術にチャレンジしており、瀬戸さんが最初(第1回)に言っていた「値段が本当に安くなるのか?」という点で非常に楽しみでもあるし、40Gと100G、どっちへ流れができるのかにも大きく影響しそうです。

佐宗 個人的な疑問ですけど、何で25Gになったんですか。40Gと10Gの間で、真ん中ぐらいを「えい!」みたいな感じでしょうか?

司会(石田) 100Gを4波で送るか5波で送るかという議論が最初はあって、つくりやすいのは5波、レーザーは20Gまでだったら確実に動くよね、という趣旨でした。「25Gは結構大変だよね」という話はあったのですが、最終的には、いずれ技術は進歩するので、割り切りやすい4のほうがいいという、そんな流れでした。

佐宗 なるほど、そういうことでしたか。

瀬戸 ここの根拠には、正直、あまり合理的な説明はなされずに、実際は大手装置ベンダと大手サプライヤーの間で合意して決めたのではないかと思っています(笑)。

というのは冗談にしても、10Gでも10GBASE-LX4という4波多重方式の光インタフェースが規定され、使われてきたという実績もあるし、そういったところが背景にあって、4波というのがまずあったのかなと思っています。それで、4波で100Gをやるために、一波当たりの信号速度が25Gに決まったような印象を持っています。

司会(石田) たしかに、論理的な根拠はなかなかない世界なので「えいや!」でいくしかないところかもしれません。

瀬戸 そうですね。将来の技術ですからね。

司会(石田) ある意味、40Gシリアルを捨てて「高速化は25G×4でまず実用化する」というのは、堅い線なのかもしれません、高速化をドライブしていくという観点では。ただ、それでも、10Gのときと同じように、安くなるのに少し時間がかかるという懸念はあると思います。標準化の第2弾として40Gシリアルの標準化がもしも始まれば、どちらが本当にシリアル技術の高速化をドライブできるか、競争になると思いますし、それが40Gなのか100Gなのか、あるいは両方なのか、の行方に効いてくるような気がしています。


≪3≫ 強力な並列伝送技術 MLD(マルチレーン分配)

瀬戸 そう言う意味では、今回の40GE/100GEで採用されたMLD(Multi-Lane Distribution)と言う並列伝送技術は、本当に強力ですね。40Gシリアルが登場しても簡単に実現できますし。もともとイーサネットの世界で使われてきたリンクアグリゲーション(複数のリンクを統合し1本のリンクのように扱えるようにする技術)という技術も、同様に並列伝送を実現するためのもので、その手軽さや冗長縮退などの機能性の面でメリットの大きいものです。

ただし、データリンク層(レイヤ2)においてフレーム単位でトラフィック分散をしているため、分散の割合が常に完璧という訳にはいきません。そう言う意味では、多少使いづらいところがあると思います。一方、今回40GE/100GEで採用された新しいMLDは、物理層(レイヤ1)の分散技術で、これは確実にビット単位で等分に分配されるので、そういう意味では極めて強力な技術と思います。

司会(石田) 今回の標準は、10GEの技術を生かそうということで、いわゆるPCS(Physical Coding Sublayer、符号化)と呼ばれている部分は64B/66B符号(10GEの技術)をそのまま利用することになりました。PCSで唯一新しい技術が、このMLDです。簡単に言うと、64B/66B符号で66ビットごとのブロックにして、このブロックのストリームを運ぶときには、40Gの場合には4レーンに、100Gの場合には20レーンに66ビットのブロック毎に振り分ける(図3)。これをPCSレーンと呼びます。

PCSレーン数と、物理層のファイバや同軸の媒体レーン数が違うときには、単純にビット多重をして、その媒体レーン数に合わせ込んで、並列伝送できるようにする。並列伝送では媒体毎に遅延差があってブロックの位置がずれてしまいますが、レーンマーカーという特殊ブロックをときどき(一定周期で)挿入してその位置でそろえることで、正しいブロック順を復元できる、そういう仕組みを今回採用しています。ここが技術としては一番賢いところ、いい選択をした部分です。まさに瀬戸さんがおっしゃったように、リンクアグリゲーションでの負荷分散の難しさがないように、単純に物理層で振り分けるという選択をしたのです。


図3 40GE/100GEが新たに採用した並列伝送技術 MLD(マルチレーン分配)(クリックで拡大)

図3 40GE/100GEが新たに採用した並列伝送技術 MLD(マルチレーン分配)


なおかつ、この方法のいいところは、100Gのときに顕著ですけれども、20レーンに分けておいて、例えば、媒体10本で送るときには、2レーンずつビット多重して送るとか、それから、25G×4で送るときには、5レーンずつビット多重して波長4波にして送る。特にイーサネットの「すごいな」と思うところは「レーン番号はどうでもいい」という、良い意味での「いい加減さ」ですね。レーンの順番を決めない方が相互接続上の制約を減らせるので「どんなレーン順になっていても受信側では復元できること」にしました。従来のキャリアのSDH規格とかは、必ず「こっちから1番にしなさい」と決めそうなところです。

瀬戸 そこのすごさを最近実感することがありました。日立の中央研究所とネットワーク評価装置メーカーのイクシア(Ixia)さんで、100GEの相互接続実験を先日実施しました。日立中研とIxiaさんの取り計らいで、私もそこに立ち会わせていただいたのですが、そのときに、それぞれの物理レーンである光ファイバを、1本1本手作業で接続するという作業が発生しました。1本でも間違えると100GEとしてリンクアップしないなんて言ったら、もう本当に冷や汗ものの作業なのですが、MLDの仕組みでは、どの物理レーン同士でもよいから、すべてつなげばよいと。

そうすれば、信号に埋め込まれたレーンマーカーでお互いのレーンを認識して、正しい順番にちゃんと戻してくれます。作る側としては回路的に結構大変だったらしいのですが、使う側にとっては、接続の際の制約がなくて、どのレーン同士をつないでも大丈夫というふうに仕組んであるのは、ものすごく柔軟性が高くて、イージーで、MLDのすごさを実感しました。

佐宗 プラグ&プレイ的な考え方ですね。

司会(石田) 本当は、順番を決めてしまえば実は簡単になるのかもしれませんけれども、使う側の立場で「あくまでも自由度はなるべく残して最低限のことだけ決めましょう」という、イーサネットのポリシーがうまく反映されているところかなという気がしますね。

瀬戸 そうですね。イーサネットがここまでプラグ&プレイに対して執着するというのは、ある種すごいことだと思いますね。

司会(石田) 多分、そういうところがイーサネットがここまで普及してきた、あるいは今でも時を経て拡大していけている源泉の一つなのかなという気がします。


≪4≫ 共通インタフェース XLAUI(ズラウィ)とCAUI(カウイ)

司会(石田) あと、10Gと同じように共通インタフェースを決めて、その利便性を踏襲していますね。10GではXAUI(ザウイ:10 Gigabit Attachment Unit Interface)というインタフェースを定義して、モジュールのインタフェースにしました。今回、同じように40G/100Gでも、XLAUI(ズラウイ。40G Attachment Unit Interface)とかCAUI(カウイ。100G Attachment Unit Interface)と呼ぶモジュール・インタフェースを決めています。図4の左側に10G、右側に40G/100Gのレイヤ構成を示しています。10GのXAUIの下側には8B/10Bとか64B/66Bという符号変換が要りますが、今回の下側、いわゆるモジュールの中に入る部分は、単純なマックス(MUX)/デマックス(DeMUX)とか、あるいはCDR(クロック・データ・リカバリー)と呼ばれる波形をきれいにする回路だけです。「XENPAKモジュールは複雑でコストを下げにくい」という10Gの反省を取り入れ進化させた部分です。


図4 共通インタフェースの進化(クリックで拡大)

図4 共通インタフェースの進化


瀬戸 10Gでは、当初トランシーバ側に8B/10Bの仕組みを持たせざるを得なかったところが痛かったですね。10Gの初期の頃のトランシーバ、XENPAK(ゼンパック)がサイズ的に非常に大きくなってしまって、消費電力も大きくなってしまった原因になりました。ただ、XAUIというインタフェースそのものは大成功だったと思います。あのころのLSI技術で実現できる毎秒3.125ギガビットという、ちょうどぎりぎりいっぱいの技術で、10Gのチップ間接続を実現しました。XAUIは、今日においても、ものすごく意味のあったテクノロジーだと思うんですけど、その一方で、それを使うことによって「トランシーバ側に機能をたくさん盛り込まなければいけなくなってしまった」という反省はあったと思います。

司会(石田) 結果論ですけど、もし今回の40G MLDみたいなものを8年前(10G標準化のとき)に思いついていたら、そのほうがよかったんでしょうか?

瀬戸 そうだったかもしれないですね。IEEE802.3WGでXAUIが提案された当初、チップメーカーが中心になってXAUIを提案して、多くの賛同があったのですが、一部のトランシーバメーカーの人たちが「XAUI, the stupid」とか呼んでいたのが非常に印象に残っています。

司会(石田) なるほど。それがうまく反映されて、40G/100Gではそういうことがないようになったということかもしれませんね。


≪5≫ 40GE/100GEの特徴的な技術:まとめ

司会(石田) ということで、40GE/100GEの技術としては「並列伝送」を採用して「10GEの技術を目いっぱい活用している」というのが最大の特徴だと思っています。

瀬戸 やっぱり既存技術を活用するのがイーサネットのお家芸ですので。10GのときはSONET/SDHのOC-192向けの光技術をうまく利用したと思います。今度は自分自身というか、イーサネットの既存技術を再利用しているという意味で、非常におもしろいですね。40Gとか100Gとか出てきても、メーカーもユーザーも「そんな高度なものできるの?」ってだれも疑わないあたりは、やはりこのあたりなのかと思っています。10Gをベースにしているので、技術的な安心感があるのかと思います。

そういう意味では、25G×4チャネルを採用した100GBASE-LR4や100GBASE-ER4については、実際には光部品の入手が困難だとか、そういう話もあるみたいですし、結構ストレッチした技術なのかと思います。ただ、既存の技術を使っただけで何も新しいところがなければ、またそれはそれで新しさがないですし。

司会(石田) 確かに。技術を引っ張るという意味では、成長がとまってしまうのは問題ですので、グッドチャレンジだとは思います。

瀬戸 そうですね。

--第4回につづく--

バックナンバー

<座談会>大詰めを迎えた「40Gbps/100Gbpsイーサネットを語る」

第1回 標準化の背景

第2回 2つの標準

第3回 40G/100Gの技術的特徴

第4回 40GE/100GEを広域光転送

座談会メンバー各氏のプロフィール

石田 修氏(日本電信電話(株)未来ねっと研究所 グループリーダ)

石田 修(いしだおさむ)氏

現職:
日本電信電話(株)未来ねっと研究所 グループリーダ

【略歴】
1988年:日本電信電話(株)に入社、コヒーレント/WDM光伝送システムの研究開発に従事
2000年:同社 未来ねっと研究所にて Ethernet伝送技術の研究開発に従事
2002年:同所 企画担当・総括 担当部長
2005年より現職(同所 ネットワーキング方式研究グループ リーダ)、IEICEおよびIEEE会員、802.3 WG投票メンバー
電子情報通信学会 光通信システム研究専門委員会(OCS)幹事(2007-2009)


瀬戸 康一郎氏(日立電線(株)情報システム事業部ネットワーク開発部部長)

瀬戸 康一郎(せとこういちろう)氏

現職:
日立電線(株)情報システム事業部ネットワーク開発部部長

【略歴】
1988年:日立電線(株)に入社
1989年:(株)日立製作所システム開発研究所にて1年間研修
996年:ヒタチケーブルアメリカ サンノゼ事務所に駐在
2000年:日立電線(株)情報システム事業本部にてネットワーク関連製品開発に従事
2008年、光アクセス網向けイーサネット国際標準化への貢献により情報通信技術委員会(TTC)会長賞受賞
2007年より現職(ネットワーク開発部 部長)IEEE会員、IEEE 802.1 WG投票メンバー


佐宗 大介氏(ジュニパーネットワークス(株)マーケティングマネージャ)

佐宗 大介(さそうだいすけ)氏

現職:
ジュニパーネットワークス(株)マーケティングマネージャ

【略歴】
大学院修士課程終了後、テレコム市場に一貫して従事。国内外通信事業者で、エンジニア/マーケティング職、携帯コンテンツ事業者、外資コンサルティング会社を経て、2006年より現職。主に、日本、アジアにおけるサービスプロバイダー向けソリューションの開発・展開を担当


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