Die (R)Evolution der Rechenzentren; Teil 15

IEEE 802.3ba 40/100 GbEthernet – PCS Lane Distribution

22.03.2011 | Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Andreas Donner

Durch die Flexibilität von PCS Lane Distribution spielen auch Übertragungssysteme mit unterschiedlichen Lane-Konfigurationen problemlos zusammen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Durch die Flexibilität von PCS Lane Distribution spielen auch Übertragungssysteme mit unterschiedlichen Lane-Konfigurationen problemlos zusammen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels

Die PMA-Teilschicht

Die PMA-Teilschicht verbindet die PCS-Teilschicht mit der PMD-Teilschicht und enthält traditionell die Funktionen für Sendung, Empfang, ggf. Kollisionserkennung, Clock-Recovery und Asymmetrie-Ausgleich. Hier beschränken wir uns auf Aspekte von Sendung, Empfang und Takt-Regenerierung. Der weite Bereich von unterstützen Übertragungsschnittstellen und Implementierungsvarianten macht es nötig, die PMA in weitere Teilschichten zu untergliedern, um die Funktion erklären zu können. Die Abbildung 3 stellt die generelle Architektur von 100 GbE zwei speziellen Implementierungsvarianten gegenüber: 100 GBASE-LR4 mit 4 Wellenlängen à 25 Gb zur Übertragung auf SMF mit Wellenlängenmultiplex und 100 GBASE-SR10 mit 10 Wellenlängen à 10 Gb zur Übertragung auf MMF mit 10 parallelen Faserwegen

Wir müssen hier nicht weiter darüber diskutieren, dass 100 GBASE-SR10 mit 10 parallelen Faserwegen weder wirklich sinnvoll noch erstrebenswert ist, viel mehr geht es darum, die Flexibilität der PMA hinsichtlich verschiedener Implementierungen zu erläutern.

Wie beschrieben, werden für 100 GbE 20 PCS-Lanes erzeugt. In der Beispielimplementierung aus Abbildung 3 wird die PMA in zwei Teile zerlegt, die durch eine elektrische Schnittstelle miteinander verbunden sind, die als 100 G Attachment Unit Interface CAUI (römisch „C“ für „100“), bezeichnet wird. Die CAUI hat 10 parallele Wege (physikalische Lanes) mit je 10 Gb-Übertragung. Die PMA-Teilschicht über der CAUI multiplext also je 2 PCS-Lanes in eine physikalische Lane. Die PMA-Teilschicht unterhalb der CAUI hat drei Aufgaben: Retiming der ankommenden elektrischen Signale, Demultiplexing der retimten Signale in die PCS-Lanes und Multiplexing der 20 PCS-Lanes in die 4 Übertragungskanäle von 100 GBASE-LR4.

Die Implementierung von 100 GBASE-SR10 ist ganz anders. Hier wird ein Host Chip direkt mit einem optischen Transceiver verbunden, der von sich aus 10 parallele Übertragungswege à 10 Gb mit parallelen Fasern besitzt. Die PMA-Teilschicht ist im gleichen Gerät wie die PCS-Teilschicht und multiplext die 20 PCS Lanes daher unmittelbar in die 10 physikalischen Lanes des PPI (Parallel Physical Interface).

Zusammenfassend kann man sagen, dass die PMA-Funktionalität weiterhin existiert, in ihrer Implementierung aber sehr von dem verwendeten PMD abhängt.

Insgesamt ist es von großem Vorteil, dass IEEE 802.3ba eine derartige Flexibilität vorgesehen hat, denn schon während der weiteren Standardisierung konnte man sehen, dass die ursprünglichen Annahmen für die optischen Übertragungsschnittstellen von der Realität überholt wurden. So hat man z.B. die Variante 40 GBASE-SR4 mit vier Kanälen für MMF definiert. Zu diesem Zeitpunkt gab es nur VCSELs, die mit maximal 12-15 GHz moduliert werden konnten. Mittlerweile gibt es aber VCSELs, die auch mit bis zu 50 GHz moduliert werden können, was den Weg frei macht für 40 GBASE-SR mit nur einem Kanal. Genauso ist man von 100 GBASE-SR10 zu 100 GBASE-SR4 gekommen und es besteht ja durchaus die Möglichkeit, hier auch keine vier parallelen Faserwege, sondern ein CWDM-System mit integriertem Phasar zu benutzen, wie man das auch schon für 100 GBASE-LR4 macht, nur eben vereinfacht für kürzere Distanzen.

Weiterhin kann es vorkommen, dass Übertragungssysteme mit unterschiedlichen Lane-Konfigurationen zusammenarbeiten müssen. In der Abbildung 4 sehen wir links ein Übertragungssystem mit 4 Lanes, wie es zunächst vornehmlich in der Fernkommunikation vorkommt und rechts ein System mit 10 Lanes, wie es für Kurzstreckenanwendungen angedacht ist. Durch die Flexibilität der Konstruktion ist es ohne weiteres möglich, diese Systeme zusammenzufügen und zu verbinden.

Bezogen auf die Fragestellung „100 GbE als Systembus?“ kann man festhalten, dass 100 GbE eine Leistung hat, die deutlich über der aktueller Komponenten liegt. Allerdings sind voll konfigurierte Blade-Systeme schon sehr nah dran. Für die nächsten ein bis zwei Jahre sollte der Vorsprung dennoch reichen. Eine virtuelle Maschine wird keinen Unterschied zwischen dem Holen einer Datei von einer lokalen Platte oder über das Netz ausmachen können. Auch die I/O-Leistungen der meisten Speichersysteme liegen noch weit unter 100 G für eine individuelle Verbindung.

Ungelöst bleibt hingegen das Problem der Konvergenz von Ethernet und FC-Verkehr. Klar ist schon mal, dass hier FCoE nicht zur Anwendung kommen wird, weil alle Kontroll- und Reaktionsprozeduren 10fach schneller ablaufen müssten. Und die Hersteller stoßen ja schon bei FCoE für 10 GbE an die Grenzen der Kontrollprozessoren. Selbst wenn sich diese fulminant weiterentwickeln, werden sie mit hoher Wahrscheinlichkeit im zu betrachtenden Zeitraum nicht schnell genug sein.

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.

 

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