Entwicklungen der RZ-Verkabelungstechnik
40GBase-T in Rechenzentren
Die Netzwerkinfrastruktur im Rechenzentrum unterliegt einem enormen Wandel, den wachsende Anforderungen an die Bandbreite und die Netzwerkleistung vorantreiben. 10 Gigabit Ethernet ist inzwischen zum De-facto-Standard im RZ geworden. Doch auch 40GbE findet bereits zunehmend Verbreitung. Während Standards für 40GbE über Singlemode-Glasfaserkabel und MPO-basierende Multimode-Glasfaserkabel bereits existieren, arbeiten die Normungsgremien nun an den Spezifikationen für 40GBase-T Ethernet über Twisted-Pair-Kupfer-Verkabelungssysteme. Derart hohe Übertragungsgeschwindigkeiten stellen ebenso hohe Anforderungen an die Verkabelungskomponenten und die Verkabelungssysteme. Die Absicherung einer adäquaten Leistung der installierten Verkabelung ist eine besondere Herausforderung, und ein besonderes Augenmerk gilt der der Abnahmemessung im Feld. Alternativen Singlemode-Glasfaser (SMF): Aufgrund ihrer großen Reichweite und überlegenen Übertragungsleistung ist die SMF für den 40 GBit/s-Datentransport bis zu einer Entfernung von zehn Kilometern (40GBase-LR4) spezifiziert. Die Übertragung erfolgt mit elektronischen und optischen Komponenten über vier Kanäle mit jeweils 10 GBit/s auf verschiedenen Wellenlängen. SMF ist die bevorzugte Wahl, wenn das Budget keine Einschränkung darstellt und größere Übertragungsreichweiten gefordert sind. Multimode-Glasfaser (MMF): Die Multimode-Glasfaser mit der paralleloptischen MPO-Schnittstelle ist heute das populärste Medium für 40G-Ethernet (40GBase-SR4). Die Netzwerkkomponenten sind im Vergleich zur SMF preiswerter, und alle typischen Link-Längen in einem Rechenzentrumsnetzwerk (bis zu 100 m bei OM3-Fasern und 150 m bei OM4-Fasern) sind abgedeckt. Twinax-Kupfer: Für kurze Strecken bis sieben Meter definiert der 40GBase-CR4 Standard die Verwendung von twinaxialen Kupferkabeln. Typischerweise sind damit benachbarte Netzwerkgeräte direkt miteinander verbunden. Twisted Pair und Kupfer Die jüngsten Entwicklungen deuten darauf hin, dass sich strukturierte Kupferverkabelungssysteme weiter auf dem Markt behaupten und auch bei 40Bit/s Ethernet eine wichtige Alternative zu Glasfaserverbindungen bilden werden. Aller Voraussicht nach behält das Twisted-Pair-Kupferkabel seinen Kostenvorteil gegenüber der Glasfaser - zumindest für die nächsten Jahre. Praktiker gehen zudem davon aus, dass sich Kupferkabel leichter verlegen und warten lassen. Wesentliche Vorteile sind daneben die Abwärtskompatibilität und die Fähigkeit zur Autonegotiation der Base-T-Netzwerkstandards über Twisted-Pair-Kabel. Damit ist es Unternehmen möglich, ihre Netze schrittweise auf höhere Übertragungsgeschwindigkeiten aufzurüsten und damit ihre Capex-Ausgaben (Capital Expenditures, Investitionsausgaben) besser unter Kontrolle zu behalten. Im Jahr 2012 hat die IEEE ein offizielles Projekt zur Ausarbeitung des 40GBase-T-Standards über Twisted-Pair-Kabel ins Leben gerufen. Die anderen Normungsgremien wollen dabei nicht ins Hintertreffen geraten, und so arbeitet die TIA zurzeit an den Spezifikationen für "Category 8"-Verkabelungssysteme, die sich für die 40GBase-T Datenübertragung eignen. ISO/IEC hat ein ähnliches Projekt auf den Weg gebracht, das zwei Varianten von Verkabelungssystemen spezifiziert, die 40GBase-T unterstützen. Diese neuen Verkabelungssysteme werden als Class I bezeichnet (mit Kategorie-6A-artigen Komponenten höherer Leistungsfähigkeit) und Class II (mit Kategorie-7A-artigen Komponenten höherer Leistungsfähigkeit). Übertragungsbandbreite für bei 40GBase-T Darüber hinaus definiert die ISO/IEC Empfehlungen für eine 40GBase-T-Applikation mit den vorhandenen Verkabelungssystemen wie der Klasse FA. Eine der Schlüsselaufgaben bei der Definition des Ethernet-Standards besteht darin, die geeignete HF-Bandbreite für die Kommunikation zu bestimmen. So arbeitet 10GBase-T mit einer Bandbreite von 400 MHz. Dies bedeutet, dass jedes Hertz des HF-Spektrums etwa 25 Bits binärer Daten überträgt. Das heißt, die Kanalnutzung beträgt 25 Bit/Hz. Mit komplexeren und Modulationsverfahren höherer Ordnung lässt sich die Kanalkapazität besser ausnutzen. Allerdings gibt es eine obere Grenze der Datenrate, die auch als Shannon-Kapazität bekannt ist. Diese Grenze ist durch elektromagnetische Störungen im Übertragungskanal bestimmt. Solche Störeinflüsse kommen von außerhalb und innerhalb des Kabels. Beispiele für Störquellen innerhalb der Adernpaare sind Nebensprechen (Crosstalk) und Rückflussdämpfung (Return Loss). Auf der physischen Ebene - der Geräteebene - sind ausgeklügelte Signalverarbeitungsverfahren nötig, um die negative Wirkung der internen Störquellen zu erfassen und auszuschalten und damit die erreichbare Übertragungskapazität weiter zu erhöhen. Der Preis dafür ist allerdings ein höherer Stromverbrauch, der zu vermehrter Wärmeentwicklung führt. Die Lehre aus 10GBase-T Der hohe Stromverbrauch war der entscheidende Grund dafür, dass die Marktannahme von 10GBase-T nach der Normveröffentlichung im Jahre 2006 entgegen aller Prognosen recht schleppend verlief. Mit Neuerungen im Design und den Fortschritten in der Halbleitertechnik waren diese Probleme jedoch weitestgehend zu beheben. Vor dem Hintergrund der negativen Erfahrungen mit 10GBase-T haben die Experten, die sich mit der Ausarbeitung des 40GBase-T Standards befassen, kein sonderlich großes Interesse daran, die Nutzung der Kanalkapazität signifikant zu erhöhen. 40G überträgt vier Mal so viele Daten wie 10G. Eine Möglichkeit, noch mehr Daten ohne wesentliche Änderung der Modulationsdichte (Kanalnutzung) herauszuholen, besteht darin, die Bandbreite zu erhöhen. In diesem Fall bedeutet dies eine Erhöhung von 400 MHz auf 1.600 MHz - und genau darauf scheint der 40GBase-T Standard hinzusteuern. Leider gibt es bei einer Erhöhung der Bandbreite von Twisted-Pair-Kabeln ein Problem: Bei höherer Frequenz ist das Signal schnell gedämpft. Das empfangene Signal ist bei 1.600 MHz erheblich schwächer als bei 100 MHz. Durch dieses Phänomen ergeben sich Begrenzungen hinsichtlich der Kabellänge. Bei einem 100 Meter langen Kabel würde das Empfangssignal förmlich im Rauschen untergehen. Daher ist es unerlässlich, bei der maximalen Streckenlänge einen Kompromiss einzugehen. Das Ergebnis dieser Betrachtungen sind folgende Fakten: Für 40GBase-T wird ein Bandbreitenspektrum von 1 MHz bis etwa 1.600 MHz zum Einsatz kommen, die maximale Kabellänge wird bei etwa 30 Metern liegen, und es ist möglich, dass der Verkabelungskanal für weniger als vier Steckverbinder spezifiziert wird. Die gute Nachricht dabei ist, dass die meisten Verbindungen im Rechenzentrum diese Begrenzung von 30 Metern nicht überschreiten. Studien haben gezeigt, dass mehr als 80 Prozent der Link-Längen im Rechenzentrum etwa diese Länge haben oder kürzer sind und sich daher die Vorteile von 40GBase-T nutzen lassen. Während die Verkabelungstechnik und die Halbleitertechnik die strukturellen Grundlagen für die Unterstützung von 40 Gigabit Ethernet über Twisted-Pair Kupferkabel absichern können, hängt eine breite Marktakzeptanz jedoch noch von weiteren Faktoren ab. Einer der Schlüsselfaktoren ist die Verfügbarkeit von Messgeräten für den Feldeinsatz, um die installierte Verkabelung hinsichtlich ihrer Eignung zur 40GbE-Übertragung zu charakterisieren und zu zertifizieren. So wie für 300-ml-Softdrink eine Flasche mit 400-ml-Fassungsvermögen nötig ist, damit sich das Getränk gut einfüllen lässt, werden die Verkabelungssysteme, die eine 1.600-MHz-Datenübertragung gewährleisten, auf 2.000 MHz spezifiziert sein. Die Feldtester müssen dann in der Regel sogar noch höhere Messbandbreiten unterstützen. Unter den vielen Parametern für 40GBase-T, die alle noch in der Frühphase der Ausarbeitung stecken, macht die Feldmesstechnik eine bemerkenswerte Ausnahme. Geräte wie der Wirexpert von Psiber Data sind Beispiele für Feldtester, die über eine ausreichende Messbandbreite verfügen, um 40GBase-T-Verkabelungen während der Phasen des Normentwurfs und auch nach erfolgter Normung zu qualifizieren. Dieses Messgerät diente bereits bei einer Reihe von IEEE- und ISO/IEC-Studien zur HF-Performance der Verkabelungssysteme als wichtiges Tool. Fazit Ungeachtet der zunehmenden Verbreitung von Drahtlos- und Glasfaserinfrastrukturen wird die Kupferverkabelung auch in absehbarer Zukunft das beherrschende Medium für Unternehmensnetze bleiben. Bei der Planung einer Infrastruktur, die über die nächsten 15 bis 20 Jahre zum Einsatz kommen soll, ist zu beachten, dass die 40GBase-T-Systeme mit hoher Wahrscheinlichkeit bald spezifiziert sind und damit in fünf bis zehn Jahren allgegenwärtig. Die Bewältigung solch hoher Datenraten stellt besondere Anforderungen an die Technik. Eine der größten Herausforderungen liegt in der Komplexität der Geräte auf der physischen Ebene. Um ein komplettes funktionierendes Ökosystem zur Umsetzung von Techniken wie 40GBase-T zu schaffen, benötigt die Industrie Verkabelungssysteme, Netzwerkgeräte, Normen und ebenso Feldtester, die sich für diese Technik eignen. In der Vergangenheit waren Feldtests über eine größere Bandbreite aufgrund verschiedener Faktoren nur eingeschränkt möglich. Doch gibt es gegenwärtig zumindest einen kommerziell verfügbaren Feldtester, der in der Lage ist, eine Verkabelung auf Bandbreiten über 2.000 MHz zu zertifizieren, was die Messanforderungen für 40GBase-T-Systeme absichern kann.
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