Die (R)Evolution der Rechenzentren; Teil 11

Converged Enhanced Ethernet – 10, 40 und 100 GbE im Überblick

15.03.2011 | Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Andreas Donner

Die aktuellen Umwälzungen im Rechenzentrum machen schnelle Netze mit Datenraten von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde nötig; Bild: XYZproject – Fotolia.com
Die aktuellen Umwälzungen im Rechenzentrum machen schnelle Netze mit Datenraten von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde nötig; Bild: XYZproject – Fotolia.com

Der 10 Gigabit Ethernet Standard 2003

Die High Speed Study Group von IEEE 802.3 hat eine Reihe von Zielen für den neuen 10 Gigabit Ethernet Standard definiert. 10 GbE sollte kein neuer Standard werden, sondern die bereits bestehende Reihe der Ethernet Standards nach oben hin ergänzen. Wichtige Elemente der Arbeit sind die Definition von MAC-Parametern und die Erweiterung der Betriebsmöglichkeiten für die Übertragung von LLC- und Ethernet-Rahmenformaten bei 10 GbE im Vollduplexmodus wie er im 802.3-Standard definiert wird. Zusätzlich müssen Parameter und Mechanismen hinzugefügt werden, die die Entwicklung von Ethernet über das WAN mit einer Datenrate kompatibel zu OC-193c und SDH mit einer Nutzdatenrate VC-4-64c ermöglichen.

Der Standard definiert nur den Vollduplex-Übertragungsmodus. Die Halbduplex-Betriebsart (CSMA/CD) wird bei 10 Gbps nicht mehr unterstützt. Für den Betrieb mit 10 Gbps müssen neue physikalische Schichten definiert werden. Der Standard soll aber nach oben die bisherige IEEE 802.3-MAC-Client-Schnittstelle (LLC) unterstützen, genau wie die IEEE 802.1-Architektur, das Internetworking und das Management.

Außerdem werden Objekte in Übereinstimmung mit den OSI und SNMP-Management Standards kreiert. Der Standard versteht sich als Upgrademöglichkeit für bestehende Netze, alles bis auf die Physik soll so gestaltet werden, dass Betreiber die neue Übertragungsgeschwindigkeit mit möglichst minimalem Aufwand in ihre bestehenden Szenarien eingliedern können. Der wirkliche Unterschied ist aber, dass es zwei PHY-Familien geben wird, eine für den lokalen Bereich (LAN-PHY) und einen für das Fernnetz (WAN-PHY).

Konkret lassen sich die Ziele wie folgt zusammenfassen:

  • 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
  • Definition von zwei PHY-Familien: LAN-PHY mit 10.000 Gbps und WAN- PHY mit der Nutzdatenrate nach OC-192c/SDH VC-4-64c
  • Definition eines Mechanismus zur Adaption der MAC/PHY-Schnittstellen-Datenrate an die WAN-PHY-Datenrate
  • Spezifikationen für die Physical Layer, die auf folgenden Medien wenigstens folgende Distanzen unterstützen: 100m über bereits installierte Multimode-Fiber MMF; 300m über (neu zu installierende) MMF und 2, 10 bzw. 40 km über SMF, technologieabhängig
  • Unterstützung von Fiber Kabeln aus der zweiten Ausgabe des ISO/IEC 11801-Standards

Dies legt einen genauen Rahmen fest, der gleichermaßen dem Wunsch nach technologischem Fortschritt und Investitionsschutz optimal Rechnung trägt.

Die LAN-PHY

Die LAN-PHY umfasst die Menge von Definitionen, die für die Weiterentwicklung des Ethernets im LAN-Bereich auf die Datenrate von 10.000 Gbps gedacht sind. Es gibt eine Reihe von interessanten Möglichkeiten für die Technologie im Rahmen der LAN-PHY. Es hat sich schnell herausgestellt, dass die Übertragungstechnologie wirklich spannend ist und viele neue Alternativen anbietet.

Allerdings ist es auch so, dass die neuen Techniken – mit Ausnahme der schon als Sonderfall zu bezeichnenden Situation der Verwendung bisheriger Glasfaserkabel – auf verbesserten Kabeln auch gleich Reichweiten von 20 oder 40 km erreichen könnten. Es zeichnet sich ebenfalls ab, dass der wirkliche Unterschied zwischen der LAN-PHY und der WAN-PHY vor allem in der anderen Datenrate und der Kompatibilität zu SONET-Systemen besteht und die Probleme z.B. in der Ratenanpassung liegen. Man wird nicht dazu neigen, wirklich völlig unterschiedliche Übertragungstechniken zu verwenden.

Es gibt letztlich drei Gruppen für die PHY:

  • 10GBASE-X mit einer 8B/10B PCS-Codierung
  • 10GBASE-R mit einer 64B/68B PCS-Codierung und
  • 10GBASE-W mit einer 64B/68B Codierung und dem WAN-Interface Sublayer

Zwischen PCS und PMA/PMD kommt bei den R- und W-Varianten die sechzehn Bit breite XSBI-Schnittstelle zum Einsatz. Zwischen der Reconcilliation-Teilschicht und dem Rest der Physik kann optional die XGMII-Schnittstelle oder die XAUI-Schnittstelle Anwendung finden.

Es gibt acht verschiedene PMDs, je vier für den Einsatz im LAN und im WAN-Umfeld:

  • 10GBASE-LX4 1.310 nm vierkanalige WWDM LAN PHY mit direkt modulierten VCSELs oder DFB-Laser für Entfernungen von bis zu 300 m auf Multimodefaser und 2 bis 10 km auf Singlemodefaser
  • 10GBASE-SR serielle LAN-PHY mit direkt modulierter VCSEL für die Überwindung von bis zu 300 m auf Multimodefaser
  • 10GBASE-LR 1.310 nm serielle LAN-PHY mit direkt moduliertem DFB-Laser für die Übertragung auf bis zu 10 km Singlemodefaser
  • 10 GBASE-ER 1.550nm serielle LAN PHY mit extern moduliertem DFB-Laser für die Übertragung auf bis zu 40 km Singlemodefaser
  • 10GBASE-SW serielle WAN-PHY mit 850 nm Wellenlänge und direkt modulierter VCSEL für eine Übertragung auf bis zu 300 m Multimodefaser
  • 10GBASE-LW serielle WAN-PHY mit einer Wellenlänge von 1.310 nm und direkt moduliertem DFB-Laser für eine Übertragung auf bis zu 10 km Singlemodefaser
  • 10GBASE-LW4 vierkanalige WWDM WAN-PHY mit einer Wellenlänge von 1.310 nm und direkt modulierten VCSELs für eine Übertragung auf Singlemodefaser bis zu 40 km
  • 10GBASE-EW serielle WAN-PHY für 1.550 nm Wellenlänge und eine Übertragung von bis zu 40 km auf Singlemodefaser mit extern moduliertem DFB-Laser.

Understatement pur

Schon seit längerer Zeit ist aber bekannt, dass diese Varianten teilweise eine erheblich größere Leistung zulassen, was sich entweder in einer besseren Bitfehlerrate bei standardisierter Entfernung oder schlicht in der Überwindung größerer Entfernungen niederschlägt. So lassen sich mit der Variante 10 GBASE-LX4 auch durchaus Entfernungen von 700 m auf Multimodefasern zurücklegen. Auch die preiswerte Alternative 10GBASE-SR mit einer einzigen VCSEL bei 850 nm hat es auf einer 200-MHz-Multimodefaser auf 450 m gebracht und liegt damit schon bei 150 Prozent der im Standard verlangten Leistung.

Ein weiterer Standard in diesem Zusammenhang ist 10 GBASE-CX bzw. 10 GBASE-CX4 für die Nutzung von Twinax-Kabeln auf kurzen Strecken bis ca. 25 m im Rack-Bereich. Das ist heute die billigste 10-GBASE-Variante und wird deshalb gerne von Server-Herstellern in ihren Produkten verbaut. Der deutliche Nachteil dieser Variante sind die dicken Kabel, die bei hoher Installationsdichte dazu führen können, dass man die Server nie mehr sieht geschweige denn zu Wartungszwecken erreichen kann.

Allerdings haben pfiffige Hersteller so genannte aktive optische Kabel entwickelt, deren Transceiver im CX-Stecker untergebracht sind und die den wenigen Strom, den sie für ihre Arbeit benötigen, ebenfalls aus der CX-Schnittstelle beziehen. Diese Kabel sind vorkonfektioniert und verbinden die Vorzüge der optischen Übertragung mit der Einfachheit der Installation metallischer Kabel. Ein Hersteller in dieser Richtung ist z.B. die Firma Finisar.

Über den Autor

Dr. Franz-Joachim Kauffels ist seit über 25 Jahren als unabhängiger Unternehmensberater, Autor und Referent im Bereich Netzwerke selbständig tätig. Mit über 15 Fachbüchern in ca. 60 Auflagen und Ausgaben, über 1.200 Fachartikeln sowie unzähligen Vorträgen ist er ein fester und oftmals unbequemer Bestandteil der deutschsprachigen Netzwerkszene, immer auf der Suche nach dem größten Nutzen neuer Technologien für die Anwender. Sein besonderes Augenmerk galt immer der soliden Grundlagenausbildung.

 

ComConsult Netzwerk-Redesign Forum 2011

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