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Die (R)Evolution der Rechenzentren; Teil 12 10 Gigabit über Kupfer – 10GBASE-T im Detail

| Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Nachdem die Preise für Gigabit Ethernet Boards in Endgeräten extrem gefallen sind und die meisten neuen Endgeräte einen Gigabit-Adapter haben, stellt sich die Frage, wie das „nach oben hin“ weitergehen kann. So recht mag niemand wirklich Glasfasern benutzen oder gar neu verlegen, um 10 Gigabit Ethernet zu betreiben. Das liegt vor allem auch an 10 GBASE-T.

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Die Grundsätzliche Konfiguration für 10-Gigabit Ethernet via Kupfer – 10 GBASE-T; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Die Grundsätzliche Konfiguration für 10-Gigabit Ethernet via Kupfer – 10 GBASE-T; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Blickt man etwas nach vorne, wird wie seinerzeit bei Gigabit Ethernet auch, die überwiegende Mehrheit der installierten Basis von 10 Gigabit Ethernet in den Rechenzentren zu finden sein. Hier möchte man die installierte Basis an Rechnern einfach unter Nutzung der installierten Basis an strukturierter Verkabelung besser und performanter unterstützen. Dies umfasst nicht nur die Server-zu-Server oder Server-zu-Speicher-Kopplung, sondern auch den Übergang zu Switches und DWDM-Systemen für die Realisierung von Fernverbindungen; siehe Teaserbild.

Die generellen Ziele für 10 GBASE-T sind:

  • Überwindung von 100 m Distanz auf Cat 5e oder besseren Twisted Pairs
  • Wahrung getätigter Investitionen in Verkabelung in Datencentern und strukturierten Verkabelungsbereichen
  • Unterstützung von 1000 BASE-T und 10 GBASE-T mit einer einzigen PHY mit Autonegotiation
  • Unterstützung der 10 Gigabit XAUI-Schnittstelle
  • Multiple PHYs für höhere Geschwindigkeiten mit Trunking

Dazu gesellen sich ja die üblichen Ziele von 10 Gigabit Ethernet, wie

  • Erhaltung des 802.3/Ethernet-Frame-Formats an der MAC-Schnittstelle
  • Erhaltung der funktionalen Anforderungen von 802 mit Ausnahme der Hamming-Distanz
  • Erhaltung der minimalen und maximalen Frame Größen
  • Alleinige Unterstützung des Vollduplex-Betriebes
  • Unterstützung der sternförmigen Netzwerktopologie mit Punkt-zu-Punkt Verbindungen im Rahmen der strukturierten Verkabelung
  • Spezifikation eines optionalen Media Independent Interfaces (MII)
  • Unterstützung der P802.3ad Link Aggregation
  • 10.000 Gbps an der MAC/PLS Dienstschnittstelle

Die Reichweite von 10 GBASE-T

10 GBASE-T ist mit einer Reichweite von 100 m über geeignete Kupferkabel bei den heute schon zu sehenden günstigen Preisen eine sehr interessante Variante. Ich erinnere mich noch an den Zorn der Kabelhersteller, als ich in Vorträgen immer wieder darauf hingewiesen habe, dass eine Verkabelung nach Kat. 7 ziemlich nutzlos sei, weil man sie für 10 GBASE-T auch nicht brauchen würde. Die Bemühungen, 10 GBASE-T mittels geeigneter Elektronik in Kat. 6 zu bringen und die vielen Gespräche zwischen IEEE und den Kabelgremien haben letztlich gefruchtet.

Blicken wir noch mal kurz zurück. Die notwendige hohe Symbolrate erfordert eine höhere Bandbreite als bisher. Eine Klasse E-Verkabelung muss dafür bis 625 MHz spezifiziert werden (TIA). Nur Klasse F (Cat 7) wäre bereits adäquat spezifiziert. TIA und ISO spezifizierten in der Folge eine höhere Bandbreite und eine Erweiterung für die Beeinträchtigung durch Fremdstörungen für die Klassen E und F.

Höhere Symbolrate und Modulation auf höherem Niveau erfordern höhere Leistung im analogen Teil, komplexere Signalverarbeitung, Unterdrückung der Fernnebensprechdämpfung und aggressives Timing.

Die Leistung/Entfernungen können mit speziellen Technologien noch gesteigert werden, wie z.B. analoger Signalkonditionierung und Unterdrückung von Fremdstörungen sowie verbesserten Kabelspezifikationen.

Für ein aggregates Signal-Rausch-Verhältnis von 25 bis 26 dB über die Strecke müssen die einzelnen fünf SNR Hauptfaktoren um 32 dB liegen. Diese Hauptfaktoren sind:

  • Ungleichheiten auf den Kanälen
  • Intersymbol-Interferenz (ISI)
  • Echo
  • Nahnebensprechdämpfung (NEXT)
  • Fernnebensprechdämpfung (FEXT)

Fremd-Nahnebensprechdämpfung

Die Fremd-Nahnebensprechdämpfung (Alien NEXT) wird als der am meisten limitierende Faktor zur Erreichung der Distanzziele auf den verschiedenen Kabeltypen angesehen. Sie ist nicht zu verwechseln mit EMI: EMI sind die Störungen von außen auf das Kabelsystem, hier also auf die vier Paare.

Alien NEXT ist die hauptsächlich von den anderen drei Paaren herrührende Nahnebensprechdämpfung.

Weitere Effekte entstehen durch benachbarte Kabel. Schlimmster Fall: Kabelkanal voll mit 10 GBASE-T-Link-Kabeln. Das war aber schon bei Gigabit Ethernet ein (lösbares) Problem, liegt hier jedoch in einer ganz anderen Dimension vor.

Lösungen ergeben sich durch exakte Installation und, eigentlich noch wichtiger, die bereits angesprochene Signal(vor)verarbeitung.

Man einigte sich auf eine Erweiterung des Frequenzbereiches über 250 MHz hinaus mit einer Variante mit Erweiterung bis 500 MHz. Das bedeutet höhere Anforderungen an aktive Komponenten und geringere Anforderungen an Kabel. Die Klasse bekam den Namen Kat. 6 „Enhanced“ oder EN 50173-1 Klasse EA. Durch die Erweiterung von Klasse E wäre Klasse F tatsächlich nicht nötig, aber jede Klasse F Installation unterstützt natürlich 10 GBASE-T.