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Die (R)Evolution der Rechenzentren; Teil 14 IEEE 802.3ba 40/100 GbEthernet – das skalierbare Ethernet im Überblick

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

Die Motivationslage ist klar: wer am Server 10 GbE sagt, muss im Core auch mindestens 40 GbE sagen. Außerdem gibt es eine Reihe von Anwendungen, die jetzt schon 40 GbE benötigen. Hierzu zählen besonders leistungsfähige SAN-Verbindungen. Das Thema ist umfangreich. Nach einem Überblick erklären wir das fundamentale Prinzip des skalierbaren Ethernets.

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Optische Verkabelung ist die Basis für 10, 40 und 100 Gigabit Ethernet – aber auch über Kupfer geht noch was.
Optische Verkabelung ist die Basis für 10, 40 und 100 Gigabit Ethernet – aber auch über Kupfer geht noch was.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Ziele des neuen Standards für 40 und 100 Gigabit Ethernet sind:

  • Nur Fullduplex
  • Bewahrung des 802.3Ethernet Frame Formats zur weiteren Nutzung der 802.3 MAC unter Beibehaltung minimaler und maximaler Paketgrößen
  • BER besser als 10 exp -12 an der MAC/PLS Schnittstelle
  • geeignete Unterstützung Optischer Transportnetze (OTN)
  • MAC-Datenrate 40 Gbps mit PHY-Spezifikationen für wenigstens 100m über OM3 MMF, wenigstens 10m über Kupferkabel und wenigstens 1m Backplane
  • MAC-Datenrate 100 Gbps mit PHY-Spezifikationen für wenigstens 10m über Kupferkabel, wenigstens 100m über OM3 MMF, wenigstens 10 km über SMF und wenigstens 40 km über („provider class“) SMF

Nach Genehmigung des PARs der High Speed Study Group wurde aus ihr das Gremium IEEE 802.3ba. Zieldatum für die Fertigstellung des Standards war der Mai 2010.

Die Unterteilung der Funktionsebenen ist identisch zu den Standards zu 10 GbE. Das weiter oben erwähnte Konzept des skalierbaren Ethernets wurde konsequent umgesetzt.

Eine ganz wesentliche gedankliche Grundlage bei der Entwicklung von IEEE 802.3ba ist das sog. skalierbare Ethernet. Bevor wir also zu Einzelheiten des Standards kommen, sehen wir uns diese interessanten Grundgedanken einmal an.

Skalierbares Ethernet

Letztlich geht es vor allem um ein auch über 10 GbE hinaus skalierbares Ethernet statt der unseligen Aggregierung, die nur Kabel und Ressourcen verschwendet, aber für viele Anwender lange Zeit die einzige Lösung war.

Skalierbares Ethernet bedeutet

  • Konzeptionelle Lebensdauer mehr als 10 Jahre
  • Konzept erweiterbar bis Terabit Ethernet
  • geschwindigkeitsunabhängige MAC
  • Multi-Lane, Multi-Rate n-GXS und n-AUI
  • Multi-Lane, Multi-Rate RS und n-MII
  • Autonegotiation der Lane-Konfiguration

Zunächst einmal denkt man bei 10 GbE an Server-Anbindung. Dies wird sicherlich ein wesentlicher Punkt sein, aber noch nicht immer sofort. Viel eher wird der Bedarf im Rahmen eines RZ-Netzes entstehen, und zwar auf den Inter-Switch-Verbindungen.

Aus dem Übergang von 10MbE-Switchports zu 100MbE-Switchports zu 1GbE-Switchports wissen wir Folgendes: wenn bei Switches die Technologie reift und die Kosten für eine schnellere Technologie sinken, ändert sich sofort das Verhältnis von schnellen zu langsameren Switchports erheblich zugunsten der schnelleren Switchports.

Der Übergang um den Faktor 10 hat zwischen 10 und 100 vier Jahre und zwischen 100 und 1G acht Jahre gedauert. Erreichen die Auslieferungen der neuen Geschwindigkeitsstufe die der älteren, verschwindet die ältere Geschwindigkeitsstufe sehr schnell völlig. Der Übergang wird also vornehmlich von den Kosten einer Technologie getragen. Der Übergang an den Servern ist nicht annähernd so schnell wie an den Switchports. Daher besteht auch in den nächsten Jahren eine wesentliche Aufgabe in der Optimierung der 1GbE-Aggregation.

40 & 100 GbE MAC & PHY Überblick

Frame Format, Dienste und Management Attribute sind konsistent mit früheren Standards. Bei der MAC gibt es keine Änderungen an der Arbeitsweise im Vergleich zu 10 GbE. Die technische Machbarkeit für Komponenten wie CRC-Checker, generelle MAC-Funktionalität und System-Schnittstellen wurde hinlänglich von den betreffenden Herstellern gezeigt. Man möchte sich keinesfalls die Blöße geben, etwas zu standardisieren, was nachher nicht funktioniert.

Es gibt spezifische Physical Coding Sublayers PCS für

  • 40G Backplane PHY
  • 40G & 100G Kupfer PHY
  • 40G und 100G MMF PHYs
  • 100G SMF PHY

Die Technologie wurde größtenteils ausgehend von 10G schon getestet. Im Grunde genommen macht man im Standard bei 40 GbE genau das Gleiche, was im Wireless-Bereich 802.11n bereits vorgeführt hat: man nimmt etwas, was es bereits gibt und was bewährt ist, mehrfach nebeneinander und fügt es dann zu einem geeigneten schnelleren System zusammen. 802.11n ist nichts weiter als eine geschickte Zusammenschaltung von bis zu vier 802.11a-Transceivern, deren Signale so versetzt werden, dass sie sich bei der Abstrahlung über mehrere Antennen nicht stören.

Das kann man natürlich hier auch machen: die gesamte Elektronik für 10 GbE ist bekannt und bewährt. Wenn man sie in geeigneter Form viermal nebeneinander setzt und dann nur am optischen Sender und Empfänger ggf. zu einem höherbitratigen Signal zusammensetzt, hat man aus der Perspektive des VLSI-Entwurfsprozesses schon gewonnen. In Stückzahl ist es nämlich von den Kosten her völlig gleichgültig, ob man auf einen Chip nun einen 10 Gb CRC-Checker bringt, oder vier nebeneinander, die mit der gleichen Taktung arbeiten.