B 下一代以太网络技术需求白皮书

下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 分布式存储技术与产业分析报告 1 [编号ODCC-2022-0500B] 下一代以太网络技术需求白皮书 开放数据中心标准推进委员会 2022-09发布 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 I 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 编制说明 本报告由华为技术有限公司牵头撰写，在撰写过程中得到了多家单位的大力支持，在此特别感谢以下参编单位和参编人员： 参编单位（排名不分先后）： 中国信息通信研究院（云大所数据中心团队），中国移动研究院，超聚变数字技术有限公司，华为技术有限公司 参编人员（排名不分先后）： 吴美希、温小振、王瑞雪、吴涛、刘劲楠、庄艳、龚翔宇、王飞舟、吕云 屏。 项目经理： 吕云屏lvyunping@huawei.com II 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 前言 数字经济时代的到来，让数据成为了新的战略基础资源。作为将数据价值转换为经济价值的算力，也已经成为了社会生产力的重要组成部分，广泛的、深度的融合到了社会生活的方方面面，为各行各业的数字化转型提供源动力。当前算力从满足人们的日常工作生活，例如：搜索引擎、身份认证、工业仿真、生物医疗、自动驾驶等领域，逐步迈向支撑解决世界科技前沿、经济主战场、国家重大需求、人民生命健康领域的重大挑战性问题。 数据中心是算力的主要提供者，是国家发展数字经济的关键基础设施。以中国、美国、欧洲为代表的国家和区域纷纷出台数据强国的战略规划，加强新型数据中心的发展和建设。以太网络是当前使用最为广泛的网络协议，应用于人们生产生活的各个领域，数据中心正走向以太归一的超融合数据中心网络。在更高算力，更大规模算力集群的发展趋势下，以太网络将连接起更多的算力，承载更大的数据量传输。因此，下一代以太网络在延续带宽演进的基础上，将关注时延、可靠性、网络通量、组网规模等维度的性能提升，从“尽力而为”的走向“质量有保证”，成为高性能的以太网络，从而充分发挥整个算力集群的性能，助力新型数据中心的建设。 本研究报告介绍了在新型数据中心发展的大趋势下，以太网络迎来的新机遇，通过分析当前以太网络的现状以及面临的挑战，提出了下一代以太网络技术的发展方向。 III 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 目录 版权声明I 编制说明II 前言III 一、新型数据中心给以太网络发展带来新机遇1 （一）数据成为新战略性基础资源1 （二）数据中心发展趋4 （三）以太网络需支持数据向新型化迈进中心6 二、以太网络发展现状6 （一）以太技术发展迅速应用广泛7 （二）以太标准构建开放生态8 三、以太网络迎接全新挑战8 （一）AI大模型演进需要超大带宽8 （二）大规模计算以及存储介质升级需要极低时延10 （三）一体化大数据中心需要高通量11 （四）业务体验保障需要无丢包高可靠12 四、下一代以太网络应运而生13 （一）下一代以太网络技术愿景13 1.超大带宽14 2.极低时延14 3.绝对可靠15 4.高网络通量15 5.超大规模15 IV 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B （二）下一代以太网络技术体系15 1.物理层接口16 2.链路层/网络层流控17 3.网络层/传输层负载均衡17 4.直连拓扑架构18 五、总结和展望18 V 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 一、新型数据中心给以太网络发展带来新机遇 （一）数据成为新战略性基础资源 随着数字化转型的持续推进，以及互联网应用的广泛深入，个人、企业和社会都发生着深刻的变化。在这个过程中，每天大量的数据被产生。图灵奖获得者JimGray就曾在他的演讲中提到“未来每18个月产生的数据量等于有史以来的数据量之和”。根据IDC2021年发布的统计和预测，2010年产生的数据量为2ZB，而到2025年数据量将达到180ZB，如图1所示。数据进入了爆炸式增长的时代。然而，数据并不是停留在表面的数字，从数据中提取出来的信息和知识形成宝贵的价值。在有充分算力的前提下，通过人工智能、大数据等新技术，数据的价值被不断挖掘，并转换为经济价值，成为数字经济时代关键生产要素。《“十四五”大数据产业发展规划》就指出，数据是新时代重要的生产要素，是国家基础性战略资源。 图1IDC统计和预测全球数据增长量 为了充分发挥数据价值，以中国、美国、欧洲为代表的国家和区域纷纷出台数据强国的战略规划。 美国是最早布局数字经济发展的国家，继1998年美国商务部就发布了《浮 现中的数字经济》系列报告后，2021年1月19日又由美国科技创新智库“信息技术和创新基金会”（ITIF）发布题为《美国全球数字经济大战略》（AU.S.GrandStrategyfortheGlobalDigitalEconomy）的报告，报告阐述了信息 1 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 技术和数字技术的重要性，将发展数字经济作为实现国家繁荣和保持竞争力的关键。 欧盟在2016年通过了《通用数据保护条例》（GDPR，GeneralDataProtectionRegulation），并于2018年强制执行，该条例对对所有欧盟个人关于数据保护和隐私进行了规范。2021年欧盟委员会发布《2030数字罗盘：欧盟数字十年战略》，提出高速、可靠和强大的数字基础设施成为数字化关键基石，到2030年将实现可持续的下一代固定、移动和卫星等千兆连接，并通过部署高性能计算能力和综合的数据基础设施，加速促进安全、高性能且可持续的数字基础设施建设与全民利用。 我国也在《“十四五”国家信息化规划》中提出要加快数字化发展、进入建设数字中国的新阶段，这包括“推进“新网络”部署，建设泛在智能的网络连接设施”，“加快“新感知”推广，建设物联数通的新型感知基础设施”，“强化“新算力”支撑，构建云网融合的新型算力设施”，以及“加强“新技术”引领，探索建设前沿信息基础设施”。 除了产业政策的支持，围绕计算、存储和网络的技术变革也在持续的积累和突破。 从计算领域看，算力不断提升，大模型将成为AI开发新范式。TOP500榜单是针对全球已知的超级计算机算力的一个排名，每半年发布一次。该榜单今年给出了自1990年起超算算力的进步趋势，并进行了线性回归。如图2所示，其中绿色点为上榜超算的总算力，黄色三角为榜单冠军的算力，蓝色方块为榜单第500名超算的算力。对应颜色的直线为线性回归的结果。可以看到，超算算力几乎按照摩尔定律在提升，从G级到现在的E级，未来还将向10E级演进。AI大模型自2018年OpenAI推出1.1亿参数的GPT以后，谷歌、微软、Facebook等前后相继推出自己的预训练模型，特别是2020年OpenAI推出了1750亿参数的GPT-3，大模型的参数规模逐渐增加。 2 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 图2TOP500超算性能发展，图片来源：https://top500.org 从存储领域看，存储介质的革新带动存储系统整体的架构变化和性能提升。硬盘（HDD，HardDiskDriver）广泛应用于各种计算机和服务器中，自二十世纪五十年代既已存在。作为传统的存储单元，HDD成本低廉，容量大，但运行速度慢，存储性能低。相对于HDD，之后出现的固态硬盘（SSD，SolidStateDrive）则采用完全不同的技术，没有磁头，马达，磁盘等一系列的零件，存储性能提升了近100倍。根据IDC全球数据统计，2018年开始SSD发货量超越HDD，且发货量差距逐年攀升。而近几年随着数据量的爆发以及企业、消费者对传输性能、时延等要求增加，出现了储存级存储器(SCM，Storage-ClassMemory)，又称为持久型存储器(PM，PersistentMemory)，它能够提供比SSD更快速的读写速度，而在成本上比动DRAM更为便宜，这种新型存储介质将在存储系统中扮演越来越重要的角色。 3 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 图3存储介质类型 从网络领域看，不管是无线网络还是有线网络都在快速迭代。无线蜂窝网络由3GPP于2020年7月3日完成了Release16，这是5G的第一个演进标准，而在今年3月份Release17也完成了功能性冻结，相对于4G-LTE技术提升了能效和用户体验。无线Wi-Fi技术在IEEE802和WFA等组织的共同推进下，发布了Wi-Fi6标准，将峰值速率提升到9.6Gbps。有线以太网络延续着大带宽的发展趋势，从400G带宽向800G演进，并逐步进入T级别的带宽时代。 全球范围内以新一代信息技术为代表的科技革命正加速进行着，围绕着数据构建的下一代数字基础设施也正在加快发展。数据中心作为数据集中计算和存储的地方，是下一代数字基础设施的重要组成，是算力生态系统的核心。 （二）数据中心发展趋 数据中心的发展是伴随着信息化水平不断提升的过程。信息化初期，一个企业只需要一个机房做少量数据的存储和通信交换就足够了。随着信息化发展，要存储和交换的数据越来越多，对数据处理的速度、安全性、可靠性日益增强，传统机房方式难以应对，于是诞生了数据中心的概念。 2010年之前，数据中心扮演着资源中心的角色。一个数据中心是一个计算机资源庞大的集合体，有大量的服务器、网络设备和存储设备，实现数据的集中。通过虚拟化技术，数据中心实现了计算、存储资源的池化，不再以单个物 4 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B 理设备的形态对外呈现，还是以统一资源调度的形式进行规划和使用，从而做到资源利用最大化，达到最大的投入产出比。这一时期，数据中心主要支撑如ERP/OA/Mail/Web这样的电子化业务。 在随后的10年间，“云”逐渐兴起。数据中心走向云化，成为了业务中心。随着云原生理念的推进，要求数据中心以应用为中心，以更高效方式为应用输 送基础设施能力，使得应用能够以可扩展、可复制的方式最大化地利用云的能力，而避免陷入具体基础设施能力细节，如资源管理、调度等。该时期的数据中心能更好的为企业提供数字化生产业务，如金融系统的网上银行，政府部门的政务云化等。 到了2021年，在人工智能、大数据等新兴技术的发展推动下，以及在疫情的刺激影响下，全球数字化进程加速，算力需求急剧爆发。数据中心进一步成为了算力中心。一方面，AI、HPC呈现相互融合、规模增大的趋势，Tractica预测看到，HPC+AI的收益逐年增长，在2025年将占整个HPC市场的40%左右，如图4所示；另一方面，云服务市场需求也越来越复杂，从私有云到公有云,到混合云，再到当前的分布式多云，据Gartner预测,到2025年,超过50%的组织将在其选择的地点使用分布式云,从而实现转型业务模式。因此，数据中心将走向以异构计算为中心，分布式多云的新架构，为智能化的创新业务提供泛在算力，如金融行业的智能风控、数字货币，交通行业的无人驾驶，制造行业的5G智慧工厂等。 图4HPC和AI融合加速，图片来源：Tractica 5 下一代以太网络技术需求白皮书ODCC-2022-0500B （三）以太网络需支持数据向新型化迈进中心 数据中心发展进入到了全新的阶段，新型数据中心将具有高技术、高算力、高能效、高安全等特征。而数据中心网络正向全以太化演进。 2021数据中心高质量发展大会上发布的《