Planung für die 40/100-Gigabit-Migration im LAN
Blick in die Zukunft
Kaum wurde der 10GBase-T-Standard beschlossen, führt die IEEE-802.3ba-Arbeitsgruppe einen neuen Satz von Anwendungsstandards ein, die 40GbE- und 100GbE-Leistung im LAN liefern sollen. Verschiedene Interessenten - unter anderem Betreiber und Besitzer von städtischen Kernnetzen, Rechenzentren, Supercomputern und Firmen-Backbones - haben bereits Bedarf an höheren Ethernet-Geschwindigkeiten angemeldet.Die Fachleute erwarten, dass von 2012/2013 an bereits gewerbliche 40 GBE- und 100 GBE-Produkte auf dem Markt erscheinen werden. Unternehmen werden 40 GBE am Geräteanschluss (Server) in Rechenzentren allerdings bereits im nächsten Jahr verlangen. Die Prognose zeigt weiter, dass die Anschlussanforderungen dann bis 2017 auf 100 GBE anwachsen. Dennoch wird 40 GBE auf der Server-Ebene im Jahr 2013 vermutlich nur einen geringen Marktanteil haben, und 100 GBE wird die Server-Ebene erst in frühestens sechs bis sieben Jahren erreichen - und selbst dann nur in einigen Hochleistungsrechner- und Netzwerknischen-anwendungen.
Derweil könnten Backbone?, Campus- und Metro-Links wahrscheinlich sofort und direkt auf 100 GbE übergehen. Es ist auch möglich, dass einige Organisationen aus Kostengründen 40 GBE installieren, wenngleich anfänglich in geringem Umfang. Der Einsatz von 40 GBE-Switches könnte so bereits in diesem Jahr beginnen. In diesem Fall ist Glasfasertechnik nötig, um den Übergang zu ermöglichen. In der Planung sind sowohl Multimode- als auch Singlemode-Lösungen. Glasfasern werden zudem die einzige Wahl für den Backbone oder jegliche andere größere Link-Längen sein.
Die Herausforderung für Netzwerk-Manager besteht dann hauptsächlich darin, die physische Infrastruktur (PHY) zur Unterstützung dieser Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Technik zukunftssicher zu gestalten. Das zur Unterstützung von Ausrüstungen mit höheren Geschwindigkeiten benötigte Faservolumen (und der damit verbundene Kapitalaufwand) könnte erheblich ansteigen - zur Unterstützung von 40 GBE um das Vierfache und zur Unterstützung von 100 GBE um das Zehnfache.
Eine Option ist es, zu Beginn eine Singlemode-Faser zu installieren und mit allen Erweiterungen zu warten, bis (teurere) Ausstattungen mit höheren Geschwindigkeiten eingesetzt werden. Die Alternative dazu ist, von Anfang an sicherzustellen, dass in den Kabeltrassen und Bahnen ausreichend Platz zur Verfügung steht, um Kabel hinzuzufügen, sobald Upgrades anstehen. In Backbone-Anwendungen sind Einblasfasern eine praktikable Option.
Das Problemfeld PHY
Die neuen IEEE-802.3ba-Standards umfassen die PHY basierend auf aktueller VCSEL-Technik (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder Standardlasern. Da es noch nicht möglich ist, einen einzelnen Laser mit einer Geschwindigkeit zu modulieren, die 100 MBit/s erzeugt (außer in Labors), ist Multiplexing notwendig. So kommt entweder das Wellenlängen-Multiplexing (WDM) mit Standardlasern zum Einsatz oder Mehrfaser-Parallel-Array-Links mit VCSELs. Dies bedeutet, dass die benötigten Kabel entweder Duplex-Singlemode-Fasern oder Mehrfachfaser-Multimode-Links sein müssen.
Im Gespräch ist eine PHY-Struktur für Multimode-Fasern, die entweder eine Vier-Kanal-Topologie (acht Fasern, 40 GbE) oder eine Zehn-Kanal-Topologie (20 Fasern, 100 GbE) verwendet. Bezüglich der Transponderkosten folgt daraus: Der Vier-Kanal-Ansatz setzt eine Verdoppelung des derzeitigen Investitionsaufwands für Ethernet -Anwendungen voraus, während sich der Aufwand für den Zehn-Kanal-Ansatz vervierfacht. Diese Rechnung stimmt in etwa mit dem Ziel von IEEE überein, die Geschwindigkeiten bei verdreifachten Kosten zu verzehnfachen. Die PHY-Systeme für Singlemode-Fasern und vier Standardlasern mit WDM werden teurer als die Multimode-Lösungen sein.
Unter den 40- und 100 GBE-Lösungen gibt es vier verschiedene Kabeloptionen, die allesamt darauf ausgerichtet sind, eine optimale Link-Länge zu erzielen. Es existieren allerdings auch Grauzonen: Bei kürzeren Backbones kann zum Beispiel zwischen Duplex-Singlemode-Fasern mit 4 × 10 GbE-Lasern oder 4 × 25 GbE-Lasern oder Multimode-Fasern (für die MPO-Stecker nötig sind) mit 4 × 10 GbE VCSELs oder 10 × 10 GbE VCSELs gewählt werden.
Zum Verkabeln können entweder OM3- oder OM4-Multimode-Fasern (OM4 bietet eine etwas höhere Reichweite) mit MPO-Steckern oder Duplex-Singlemode-Fasern mit LC-Steckern zum Einsatz kommen. Für sehr kurze (weniger als sieben Meter) Links zwischen Racks gibt es ebenfalls neue Lösungen, die auf Kupfer basieren und Small-Formfaktor-Stecker (ähnlich Infiniband) verwenden, so wie dies heute bei 10 GBE der Fall ist.
Als eine weitere Alternative zur 40- und 100 GBE-Lösungen entwickelt IEEE eine Lösung, die auf den in der Telekommunikation verwendeten Standard-40-Gbit/s-Lasern beruht. Obwohl diese Technik bereits in Telekommunikationsnetzwerken arbeitet, bedarf es noch einer weiteren Entwicklung, um sie in der Ethernet-Welt zum Laufen zu bringen.
Innerhalb IEEE zeigen die Experten außerdem auch ein wachsendes Interesse an dem vorgeschlagenen 40 GBase-T-Standard. Kommt dieser Standard, dann würde er im Vergleich mit den verfügbaren Glasfaserlösungen eine erheblich kostengünstigere Option schaffen - selbst im Vergleich mit dem kostengünstigen 40 GBase-SR4-Ansatz aufbauend auf achtfasrigen OM3-Kabeln.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es nicht nur acht mögliche 40/100 GBE-Lösungen gibt, sonder noch zwei zusätzliche, nämlich dann, wenn OM4-Verkabelung eingesetzt wird (größere Reichweite als OM3), und dass sich zwei weitere Techniken in der Entwicklung befinden.
Weitere Komplikationen treten bei der Planung für 40 und 100 GbE auf, wenn es gilt, die jetzigen Server-Dichten bei einem Einsatz zusätzlicher Fasern zu erhalten. Gleiches gilt für die Frage, ob Einzelschrank-Switching (Top of Rack), Schrankreihen-Switching (End of Row) oder zentralisierte Switching-Architekturen zu spezifizieren sind.
Zentralisiertes Switching ist sehr gut für Rechenzentrumsanwendungen geeignet - besonders, wenn aufgrund der hohen Kosten pro Switching-Port die Betriebskosten zu optimieren sind. Dies bedeutet, dass eine strukturierte Verkabelungsarchitektur mit passiven Cross-Connect-Verkabelungen Vorteile bietet. Darüber hinaus wäre es unklug, gegen die schnelleren Kupferlösungen zu setzen, die zum Zeitpunkt eines wachsenden 40/100-GbE-Einsatzes erscheinen werden.
Lernerfahrungen aus der Ethernet-Historie
Der Hauptvorteil der Kupfersysteme ist, dass sie weitaus kostengünstiger als LWL sind, sodass 40 GBase-T für kurze Links und bei solchen Installationen Vorteile aufweist, bei denen die Steckerwahl keine Rolle spielt (etwa in Rechenzentren). Auf der Ebene der Server-Anschlüsse sowie volumenstarker Anwendungen wird Kupfer (10 GBase-T) in naher Zukunft auch weiterhin die bevorzugte Lösung sein.
Das Multimode-Entwicklungsteam der IEEE hat erkannt, dass die Beschränkung der OM3-LWL-Verkabelung auf 100 Meter einen Nachteil darstellt. Daher arbeitet das Team an einer Lösung für eine praktikable Länge; mit OM4 lassen sich wahrscheinlich 150 Meter erreichen.
Fazit
Wenn die Geschichte des Ethernets etwas gelehrt hat, dann, dass es aufgrund der Verfügbarkeit einer solch breiten Auswahl an soliden technischen Lösungen schlicht unmöglich ist, sich auf nur eine festzulegen. Netzwerk-Manager werden wahrscheinlich mehrere der Optionen betrachten und dann abhängig von der Anwendung entscheiden müssen. Also zum Beispiel: Singlemode für Backbones, Campus- und Metro-Links sowie Multimode-Fasern - entweder 4 × 10 GBE oder 10 × 10 GBE für kürzere Strecken.
Dies ist ein wichtiger Faktor, da die letzte Auswahl bedeutet, dass die Infrastruktur entweder Acht-Faser- oder Zwei-Faser-Kabel für den anfänglichen Single-Duplex-Link bereitstellen muss. Eine Alternative ist es, auf die Entwicklung der neuen 40 GBE-seriellen Laserlösung (40 GBase-L) zu warten, die nur zwei Singlemode-Fasern benötigt, oder auch auf die "40 GBase-T" Kupfer-Verkabelung.
Derzeit ist 10 GBase-SR die wirtschaftlichste Lösung für kurze LWL-Links in Gebäuden. Dazu sind OM3-Kabel nötig und OS1- oder OS2-Verkabelung für Strecken länger als 300 m. Zur selben Zeit sind 10 GBase-T und Klasse-EA-Verkabelungen die optimalen Kupfer-Lösungen für Rechenzentren, kurze Backbones und Büronetzwerke.
Da es noch zu früh ist, die bevorzugte Kabellösung für die Zukunftssicherung von 40/100 GBE anzugeben, zeigt Tabelle 1 die Medien, die pro Installationsszenario verwendet werden würden. Zur Zukunftssicherung von Netzwerk-Links mit größeren Längen ist es auf jeden Fall vernünftig, den Einsatz von Singlemode-Fasern vorzubereiten. In der Industrie herrscht - wie immer - Unentschlossenheit hinsichtlich der Wahl der Verkabelung für kürzere Links.
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