Glasfasernetze im Rechenzentrum

Warum sich ein Port-Breakout lohnt

| Autor / Redakteur: Jennifer Cline und David Hessong [Redaktion: Ulrike Ostler] / Andreas Donner

Mit Port Break-Out legen Rechenzentrumsbetreiber eine solide Grundlage für steigende Bandbreitenanforderungen und können gleichzeitig den Platzbedarf deutlich reduzieren.
Mit Port Break-Out legen Rechenzentrumsbetreiber eine solide Grundlage für steigende Bandbreitenanforderungen und können gleichzeitig den Platzbedarf deutlich reduzieren. (Bild: Corning)

Steigende Anforderungen an die Rechenzentren führen zu höheren Glasfaserkabeldichten. Das führt zu Platzproblemen, höheren Kosten für Line-Cards und Transceiver sowie einem höheren Stromverbrauch. Port-Breakouts, die aus einem 40G-Port vier 10G-Ports machen, können hier helfen.

Eine Lösung für diese Probleme sind Quad-Small-Form-Factor-Pluggable-Transceiver (QSFP) in einer High-Density-QSFP-Line-Card, die vier separate 10-Gigabit-Glasfaserlinks bereitstellen. Im Vergleich zu SFP+-Switch-Line-Cards mit 10-Gigabit-SFP+-Transceivern wird nur ein Drittel des Platzes benötigt und die Kosten sind deutlich niedriger.

Doch zunächst zu den Voraussetzungen: Der „Cisco Visual Networking Index“ prognostiziert, dass der IP-Traffic zwischen 2015 und 2020 aufgrund der explosionsartigen Zunahme kabelloser und mobiler Geräte mit einer jährlichen Wachstumsrate von 22 Prozent ansteigen wird. Die dadurch entstehende Datenflut führt zum Wachstum von Enterprise- und Cloud-Rechenzentren und auch dazu, dass in Rechenzentren die schnellsten Netzwerkgeschwindigkeiten benötigt werden.

Abb. 1: SFP+-Transceiver und 48x10G-SFP+-Line-Card
Abb. 1: SFP+-Transceiver und 48x10G-SFP+-Line-Card (Bild: Corning)

Heute sind in Rechenzentren vorwiegend High-Density-1-Gigabit- und 10-Gigabit-Transceiver als Enhanced-Small-Form-Factor-Pluggable (SFP+) im Einsatz (siehe: Abbildung 1). Steigt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Netzwerkebenen, zum Beispiel bei einer Spine-and-Leaf-Architektur für Software-Defined Networking (SDN), steigen auch der Platzbedarf für die Line-Cards, die Investitionskosten und der Stromverbrauch. In einem solchen Szenario ist es sinnvoll, sich über alternative Upgrade-Pfade Gedanken zu machen.

Ein möglicher Pfad hin zur Aufrüstung der Netzwerkbandbreite im Rechenzentrum führt über 40-Gigabit-QSFP-Line-Cards. Dadurch dass 40-Gigabit Switches zum Einsatz kommen, werden weniger Line-Cards benötigt, die die gleiche Port-Dichte wie zuvor zu erzielen können. Möglich macht das ein Port-Breakout von 40 Gigabit auf vier 10-Gigabit-Ports.

Port-Break-Out muss nicht teurer sein

Für einen Port-Breakout an einem 40-Gigabit-Switch ist der Quad-Small-Form-Factor-Pluggable (QSFP) das richtige Medium (siehe Abbildung 2). Dieser 40-Gigabit-Transceiver kann entweder vier separate 10-Gigabit-Links oder einen 40-Gigabit-Link bereitstellen. Im ersten Fall senden vier separate 10G-Glasfaser-Links das Licht über acht Fasern aus der Vorderseite des Transceivers heraus.

Abb. 2: Ein QSFP-Transceiver
Abb. 2: Ein QSFP-Transceiver (Bild: Corning)

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Der Vorteile von QSFP-Transceivern liegt in der höheren Port-Dichte, die sich bei gleichem Platzbedarf erzielen lässt. An einer Beispielkonfiguration lässt sich das leicht illustrieren.

Herkömmliche High-Density-SFP+-Switch-Line-Cards verfügen in der Regel über maximal 48 Ports. High-Density-QSFP-Line-Cards sind mit 36 Ports erhältlich. Im Port-Breakout-Modus lassen vier Mal so viele 10-Gigabit-Links bereitstellen (36 x 4), also insgesamt 144 Links. Um die gleiche Anzahl an 10-Gigabit-Links mit SFP+-Transceivern zur Verfügung zu haben, wären drei SFP+-Line-Cards mit 48 Ports erforderlich (siehe: Abbildung 3).

Abb. 3: Eine 36x40G-QSFP-Line-Card im Vergleich zu 48x10G-SFP+-Line-Cards für die Unterstützung von 144 10-Gigabit-Links
Abb. 3: Eine 36x40G-QSFP-Line-Card im Vergleich zu 48x10G-SFP+-Line-Cards für die Unterstützung von 144 10-Gigabit-Links (Bild: Corning)

Mit dem Port-Breakout lassen sich folglich Platzeinsparungen erzielen, die für Rechenzentren von entscheidender Bedeutung sind. Diese Investition kann sich rechnen, weil die Investitionsausgaben und die Betriebskosten niedriger sein können als bei einer Erweiterung mit standardmäßigen SFP+-High-Density-Line-Cards.

Der Kostenvergleich

Beim Kostenvergleich in folgendem Szenarios werden die Vorteile deutlich: Im Szenario 1 ist ein Gehäuse mit acht Steckplätzen vollständig mit 36-Port-QSFP-Line-Cards bestückt und jeder Port mit 40G-Transceivern im Breakout-Modus ausgestattet. In dieser Konstellation ergibt sich eine Gesamtzahl von 1.152 10G-Ports pro Gehäuse. Soll mit 10G-SFP+-Line-Cards eine äquivalente 10G-Portkapazität erzielt werden, sind insgesamt drei Gehäuse mit acht Steckplätzen erforderlich, die voll mit 48-Port-Line-Cards und 10G-Transceivern bestückt sind (Szenario 2).

Die Kostenvergleiche in Tabelle 1 und 2 berücksichtigen die Kosten des Switch-Gehäuses, der Line-Cards und der zugehörigen Transceiver, wobei für alle Komponenten die Listenpreise angenommen werden. Die Gehäusekosten beinhalten die erforderlichen Netzteile, Lüfter-Einschübe, Supervisor, Systemcontroller und Fabric-Module.


Anzahl Kosten pro Stück
in Dollar
Gesamtkosten
in Dollar
Gehäuse 1 100.000 100.000
Line-Card 8 30.000 240.000
Transceiver 288 1.690 486.720
Kosten für
1.152 10G-Ports 826.720
Kosten
pro 10G-Port 718

Tabelle 1: Szenario 1 mit 40G- QSFP-Line-Cards

Anzahl Anzahl Kosten pro Stück
in Dollar
Gesamtkosten
in Dollar
Gehäuse 3 100.000 300.000
Line-Card 24 20.000 480.000
Transceiver 1.152 650 748.800
Kosten für
1.152 10G-Ports 1.528.800
Kosten
pro 10G-Port 1.327

Tabelle 2: Szenario 2 mit 10G-SFP+-Line-Cards

Da die Zahl der erforderlichen Gehäuse bei Verwendung von SFP+-Transceivern höher ist, steigt auch die Zahl der zusätzlich erforderlichen Komponenten. Diese Betrachtung zeigt, dass die Bereitstellung von 10G-Ports mit SFP+-Transceivern 85 Prozent mehr kostet als die Bereitstellung der gleichen Anzahl 10G-Ports im 40G-Breakout-Modus.

Stromeinsparung mit Port-Breakout

Neben den niedrigeren Investitionskosten sind auch Einsparungen bei den Betriebskosten möglich, weil der Strom- und Kühlbedarf im Vergleich von Szenario 1 und 2 sinkt. Der Strombedarf ist bei den 40G- und 10G-Switch-Gehäusen und Line-Cards der meisten Anbieter ähnlich. Deshalb die Beschränkung auf die Leistungsaufnahme der Transceiver (siehe: Tabelle 3).


10G-Duplex 4x10G-Portbreakout
Leistungsaufnahme pro Transceiver 1,000 Watt 1,500 Watt
Anzahl Transceiver 1.152 288
Gesamtleistungsaufnahme 1.152 Watt 432,000 Watt
Leistungsaufnahme pro 10G-Port 1,000 Watt 0,375 Watt

Tabelle 3: Leistungsaufnahme beim Vergleich von Szenario 1 und 2

Die Leistungsaufnahme der Transceiver ist in Szenario 1 um 60 Prozent niedriger als in Szenario 2. Dazu kommt eine Einsparung von 67 Prozent des Strombedarfs in Szenario 1, weil im Vergleich zu Szenario 2 nur ein Drittel der Gehäuse und Line-Cards benötigt wird.

Bereit für 40G

Beim Szenario mit Port-Breakout sind die Rechenzentrumsbetreiber bereits für die Zukunft gerüstet, wenn sie von einer High-Density-10G-Architektur auf ein natives 40G-Netzwerk umstellen wollen. Denn dann können sie die vorhandene Glasfaserinstallation und ihre 40G-Line-Cards, die vorher im Breakout-Modus betrieben wurden, schnell auf native 40G-Links umstellen. Mit Port-Breakout lassen sich also zwei Geschwindigkeitsgenerationen bei den Switches, Line-Cards und zugehörigen Paralleloptik-Transceivern abdecken.

Strukturierte Verkabelung beim Port-Breakout

Paralleloptik-Transceiver werden über acht Fasern betrieben. Deshalb muss die strukturierte Verkabelung so gestaltet werden, dass sie den Breakout-Modus unterstützt. Empfohlene Designs sind unter anderem Lösungen mit MTP Base-8 Anschlusstechnik für die optische Infrastruktur, um die Faserauslastung und das Port-Mapping zu optimieren.

Wie die Abbildungen 4, 5 und 6 in der Bildergalerie unten veranschaulichen, ermöglicht die Port-Bereitstellung mit 8-fasrigen MTP-Steckern eine einfache, optimierte Lösung für das Breakout auf vier LC-Duplex-Ports zum Patching auf 10G-Geräte-Ports.

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen Designs für die strukturierte Verkabelung, in denen ein Verkabelungs-Backbone zwischen den Geräten mit 40G und den 10G-Ports installiert ist. Die Konfiguration in Abbildung 4 ist hilfreich, wenn alle vier 10G-Ports gemeinsam in einer einzigen Geräte-Einheit verortet sind, wogegen das Layout in Abbildung 5 passend ist, wenn die Patch-Kabel der strukturierten Verkabelung verschiedene Geräte-Ports in einem Schrank erreichen müssen.

Das Layout in Abbildung 6 bietet im Hinblick auf die strukturierte Verkabelung in Rechenzentren das höchste Maß an Flexibilität, indem ein Breakout der 40G(MTP)-Ports in LC-Duplex-Ports an einer Cross-Connect-Verbindung vorgenommen wird. Mit der Implementierung eines Cross-Connects in einer zentralen Patchebene kann jeder der 10G-Breakout-Ports des 40G-Switches jedem Gerät zugeordnet werden, das einen 10G-Link erfordert.

Kleiner Hinweis zum Schluss: Auch wenn der Fokus in diesem Artikel auf Ethernet-Netzwerken im Rechenzentrum liegt, lässt sich der gleiche Ansatz auch auf Storage-Area-Networks (SANs) mit Fiberchannel übertragen. SAN-Director Line-Cards sind mit parallel-optischen QSFP-Transceivern verfügbar, die in 4x16GFC betrieben werden. Dies ermöglicht High-Density-16GFC-SAN-Fabrics.

Über die Autoren

Jennifer Cline ist Produktmanagerin der „Plug & Play Systems“-Produktreihe bei Corning. Sie ist für das Management der MTP-Rechenzentrumslösungen zuständig. Zuvor hatte sie Positionen in den Bereichen Engineering Services, Marketing, Field Sales und Market Development inne. Cline ist BICSI-Mitglied und verfügt über CDD- und CDCDP-Zertifizierungen. Ihren Bachelor im Fach Mechanical Engineering hat sie an der North Carolina State University erlangt.

David Hessong ist derzeit als Manager of Global Data Center Market Development bei Corning tätig. Im Laufe seines Werdegangs hatte er Positionen in den Bereichen Engineering Services, Product Line Management und Market Development inne. Hessong hat bereits zahlreiche Fachartikel veröffentlicht und Vorträge auf diversen Technikkonferenzen gehalten. Darüber hinaus hat er in den USA und in Kanada Kurse und Seminare zu den Themenbereichen Rechenzentren und Systemdesign geleitet. Hessong hat seinen Bachelor of Science im Fach Chemical Engineering an der North Carolina State University erlangt und verfügt über einen Master of Business Administration von der Kelly School of Business der Indiana University.

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