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Die Physik des Backbone-Netzwerks, Teil 1 Mittels Parallelisierung soll im Wide Area Network der Datendurchsatz steigen

Autor / Redakteur: Hermann Strass / Rainer Graefen

In den Wissenschaftsnetzen flitzen die Daten schon mit 100 Gigabit pro Sekunde hin und her. Gerne würden Carrier in den kommerziellen Netzen ebenfalls das Tempolimit nach oben drücken. Noch hadert man allerdings mit den Kosten, die dem Upgrade im Wege stehen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Marketing-Experten der Netzwerkausrüster werben mit der Umsetzbarkeit von 100 Gigabit Ethernet (10GbE), für vorsichtigere Kunden gibt es den Zwischenschritt auf 40 Gigabit. Dem Anwender wird versprochen: es ändert sich nichts, es wird nur schneller und relativ betrachtet sinken sogar die Kosten.

Dass sich die Physik der Leitungsnetze dem Ansinnen nicht so einfach unterordnen möchte, zeig die weitere Parallelisierung der Datenübertragung auf immer mehr Leitungspaare. Trotz der Vervielfachung herkömmlicher Technik wird sich die Elektrotechnik und die Elektronik sehr viel Mühe geben müssen.

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Ganz so einfach wird es also nicht, die Kosten auf ein „erträglicheres“ Niveau zu senken. Noch sind die technischen Schwierigkeiten der Umsetzung so hoch, dass jede Multiplizierung der klassischen Architektur sich proportional auf die Kosten niederschlägt. Dieser Artikel analysiert die nicht ganz trivialen Herausforderungen, die es zu bewältigen gibt.

Bremsfaktoren und Auswege

Jahrzehntelang wurde bei den Taktraten für Mikroprozessoren immer mehr Gas gegeben. Bei etwa 3,5 GHz machte die immer teurer werdende Kühlung den Intel-Entwicklern einen Strich durch die Rechnung.

Da wurde abgeregelt, wie bei schnellen Autos. Grund waren die physikalischen Probleme in den Chips, die massiv in Erscheinung traten. Da half auch kein brillantes Marketing mehr. Jede weitere minimale Erhöhung der Taktrate hätte enorme Folgekosten verursacht.

Die Lösung: nicht ein Kernel, sondern viele. Inzwischen denkt man über Hunderte und Tausende nach. So ähnlich geht es derzeit bei den Ethernet-Übertragungsraten zu: 10 Gbit/s über ein Kabel zu übertragen ist deutlich teurer als je 1 Gbit/s über zehn Kabel, jedenfalls arbeitet man daran, Und 100 GbE folgt de genau gleichen Logik. Schließlich gilt es, nicht mehr Daten über ein einziges Kabel übertragen, sondern die Datenmenge auf vier oder zehn Verbindungsleitungen aufzuteilen.

Die lieben Gruppenlaufzeiten

Es ist allerdings nicht ganz simpel, die Kontrolle über einen Datenstrom zu behalten, der über viele parallele Einheiten oder Funktionen an seinem Zielort wieder korrekt zusammengesetzt werden muss.

Vor nicht allzu langer Zeit wurden mit viel Werbeaufwand das hohe Lied der seriellen Übertragung angestimmt - und die parallelen Busse zu Grabe getragen. Übersprechen, Signallaufzeiten und Störempfindlichkeit waren die Argumente für das Ende von ATA und SCSI.

Die Naturgesetze können aber selbst von exzellenten Marketingabteilungen nicht mit noch so hohem Aufwand ausgehebelt werden. Der kurzen Epoche der seriellen Übertragung folgt nun wieder die Parallelisierung auf gehobenem Niveau.

Die Entwicklung zu schnelleren Übertragungsraten wird nicht so abrupt enden, wie bei den Taktraten für Mikroprozessoren. Es wird nur langsamer voran gehen. Die Wachstumskurve flacht ab. Warum das so ist, zeigen die nachfolgend einige Beispiele.

Zur Erinnerung

Ethernet ist ein Protokoll und ein Standard zur Physik der Übertragung von Datensignalen über unterschiedliche Medien. TCP und IP sind Protokolle mit denen die übertragenen Bits und Bytes beim Sender so zerlegt und beim Empfänger so zusammengestellt werden, dass die Anwendungen an beiden Enden sinnvoll damit umgehen können.

TCP/IP ist jedoch nicht Gegenstand dieses Artikels. Die für ursprünglich andere Zwecke entworfene Ethernet-Architektur ist heute nicht mehr passend. Das wird durch heute verfügbare leistungsfähige Chips überdeckt, ist aber der Grund für erhebliche Unterschiede zwischen der tatsächlichen und der technisch möglichen Übertragungsleistung. Weil Ethernet immer besonders preiswert sein muss, gibt es viele Kompromisse bei der technischen Realisierung.

weiter mit: Der amerikanische Kompromiss

Der amerikanische Kompromiss

Die meisten Spezifikationen für die vielen Varianten von Ethernet werden vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) in den USA erstellt. Verbindungsleitungen, diese können Kupfer oder Lichtwellenleiter als Medium benutzen, ist aus Kostengründen neben der Übertragungsrate immer auch die Länge der Übertragungsstrecke abzufragen. Die Übertragungsreichweite wird in drei Bereiche unterteilt.

Übertragungsstrecke; Entfernung; Bezeichnung

  • kurz; bis ca. 10 Meter; SR = Short Range
  • mittel; bis ca. 100 Meter; LR = Long Range
  • sehr lang; über 100 bis ca. 40 000 Meter; WAN = Wide Area Network

Da sehr oft die benötigte Datenrate nicht über die vorhandenen Kabel, Steckverbinder und Leitungstreiber/-empfänger erreicht wird, werden serielle Parallel-Lösungen genutzt und logisch so betrieben als wäre dies ein einziger serieller Kanal mit entsprechend hoher Übertragungsrate.

Bei Gigabit Ethernet (GbE) und 10 Gigabit Ethernet (10 GbE) und 100 Gigabit Ethernet (100 GbE) ist es üblich auf vier Kupferleitungen (Doppeladern; twisted Pair) jeweils nur ein viertel der Daten je Drahtpaar zu übertragen.

Übertragungsverhalten optimieren

Weil 1 GbE, 10 GbE und 100 GbE vollduplex arbeiten, werden diese vier verdrillten Drahtpaare auch für die Gegenrichtung benutzt. Der Sender filtert seine eigenen, gesendeten Daten heraus und verwirft sie.

Übrig bleiben somit nur die von der Gegenseite gesendeten Daten. Bei 40 GbE sind das dann viermal soviel und bei 100 GbE zehnmal so viele. Bei optischer Übertragung sind dementsprechend vier oder 10 Glasfaser-Übertragungsstrecken parallel in Betrieb oder es werden entsprechend viele Frequenzen (Farben) in einer Glasfaser übertragen.

Es wird auch Transceiver mit viermal je 25 Gigabit (Quad SFP Optical Transceivers) bei der optischen Übertragung geben. Die Spezifikation IEEE P802.3ba für 40 Gbit/s and 100 Gbit/s ist seit Juni 2010 freigegeben.

Systembetrachtungen

Neben Ethernet/TCP/IP (ETI) gibt es auch noch andere Übertragungstechniken, wie Fibre Channel (FC) und InfiniBand (IB). FC für Speicheransteuerung und IB für Rechnerkopplung sind wesentlich effektiver, aber auf gewisse Anwendungsschwerpunkte optimiert. Sie sind nicht so weit verbreitet und daher teurer.

Sie werden dort eingesetzt, wo höhere Übertragungseffizienz und kürzere Latenzzeiten gefordert werden. In größeren Rechen-, Daten- oder Kommunikationszentren wird mit allen drei Varianten gearbeitet. So ist es nicht verwunderlich, dass ein einheitliches Übertragungsnetz angestrebt wird.

Aus heutiger Sicht würden damit aber die individuellen Nachteile der drei Techniken für alle gelten. Nur der Geschwindigkeitsnachteil könnte teilweise durch die angestrebten, noch höheren Übertragungsraten, aufgefangen werden.

Die Erfahrung bei FCoE hat gezeigt, dass ein konvergentes Protokoll dieser unterschiedlichen Architekturen sehr komplex wird. Das hat weitere Leistungseinbußen zur Folge.

Auch iSCSI oder FCoE benötigen ein vom normalen Ethernet getrenntes Netzwerk mit redundanten Kanälen, wenn sie einigermaßen ausfallsicher arbeiten sollen. Die vielen Protokollwandlungen vergrößern die Verzögerungszeiten (Latenz) sehr deutlich.

Teil 2 erscheint am Montag, den 25.10.2010 und behandelt die physikalischen Aspekte von Verbindungsleitungen und Transceivern,

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