Überblick über 40G Ethernet Verbindungslösungen

Die neuesten Trends in der Netzwerkwelt treiben die Hersteller dazu, höhere Geschwindigkeiten und ein zuverlässigeres Internet zu erreichen. Auch wenn 10-Gigabit-Ethernet noch auf dem Weg ist, die Welt der Rechenzentren und Service Provider vollständig zu übernehmen, fordern immer mehr IT-Manager höhere Geschwindigkeiten und müssen überlegen, wie sie mit der nächsten Generation von Ethernet-Technologien umgehen werden.  Sie müssen sich überlegen, wie sie die Bedürfnisse ihrer Kunden in Bezug auf hohe Bandbreitenanforderungen, Servervirtualisierung, Cloud Computing und Backup und ihre Bedürfnisse nach schnellerem Internet und Computing insgesamt ihrer Endkunden erfüllen können.
Als IEEE diese 10GB- und 40GB-Lösungen offiziell standardisierte, ebnete es den Weg nicht nur für 40GB Ethernet, sondern auch für 100GB Ethernet. Die Idee des leistungsfähigeren 40GB und 100GB Ethernet, das den riesigen Kern- und Aggregationsverkehr bewältigt und das 10GB Ethernet der Zugriffsschicht überlässt, hat sich langsam aber sicher durchgesetzt.
Viele Hersteller werden zustimmen, dass sich die Datenübertragungsraten in den Zugangsschichten alle 24-30 Monate verdoppeln, während sich die Datenübertragungsraten in den Kern- und Aggregationsschichten alle 18-20 Monate verdoppeln, wie Untersuchungen zeigen. Dieses Problem ist zusammen mit den neuen Anwendungen und Technologien, die hohe Bandbreitengeschwindigkeiten erfordern, der wichtigste Treiber für 40 GB Ethernet.
In den letzten Jahren hatten viele führende IT-Manager und Hersteller Zweifel, ob sie auf die neue Technologie und Lösungen von 40GB Ethernet umsteigen sollten oder ob sie sich mehr auf die 100GB konzentrieren und darauf warten sollten, dass sie kommerziell verfügbar werden. Da 40 GB Designflexibilität und Kostenvorteile gegenüber dem 100 GB Ethernet bieten, könnte ihr Zögern jedoch ein Ende finden. Heute kann 40 GB Ethernet sicher im Kern und in den Aggregationsschichten von Service Providern eingesetzt werden, so dass das 10 GB Ethernet für den Datenverkehr in den Zugriffsschichten zur Verfügung steht.

Ein detaillierter Blick auf das 40GB Ethernet

Wenn wir das 40GB und 100GB Ethernet untersuchen und miteinander vergleichen, können wir zu dem Schluss kommen, dass sie ähnliche Eigenschaften aufweisen. Beide sind Ethernet-Standards, die von der IEEE 802.ba Task Force entwickelt wurden, so dass sie in der Lage sind, Frames mit 40GB/s und 100GB/s zu senden. Sie teilen auch die gleichen physikalischen Schichteigenschaften, wenn es um die Verkabelung geht, da sie beide Kupferverkabelungen, Single-Mode-Fasern und Multi-Mode-Fasern unterstützen. Beide Normen begannen im Juni 2008 mit der Entwicklung und wurden im Juni 2010 offiziell standardisiert.

Es gibt einige Ziele, die die Entwicklung von 40GB Ethernet vorangetrieben haben:

• Unterstützung nur des Vollduplexbetriebs
• Beibehaltung des 802.3 Ethernet-Frames zusammen mit der 802.3 Media Access Controller (MAC)
• Unterstützung der physikalischen Schicht über große Entfernungen hinweg:
• • über 100 Meter auf OM3 Multi-Mode-Fasern und 150 Meter auf OM4 Multi-Mode-Fasern
  • über 10 Kilometer auf Single-Mode-Fasern
  • mindestens 7 Meter über ein Kupferkabel
  • mindestens 1 Meter über einer Rückwandplatine

Da die Glasfaserkonnektivität bei höheren Geschwindigkeiten verdichtet wird, ist das Herzstück der 40 GB Ethernet-Funktionalität ein komplexes System von angeschlossenen Geräten. Meistens ein Paar von Transceivern, die über aktive optische Kabel mit Multi- oder Single-Modus OM3 oder OM4 verbunden sind. Diese Transceiver werden vereinfacht als Plug-and-Play aktive Geräteschnittstellen, die mit Hilfe von Schnittstellenkarten und Schaltern in verschiedene Geräte eingesteckt werden.

40GB Ethernet stellt hohe Anforderungen an die Transceiver und deren Design und Herstellung. Diese Transceiver wurden nach den Industriestandards entwickelt:

• CFP oder C-Form Factor Pluggable (Abbildung 1) verfügt über 12 Sende- und 12 Empfangskanäle mit 10GB/s, um einen 100GB Ethernet- oder bis zu drei 40GB Ethernet-Ports zu unterstützen. Es hat von Natur aus eine größere Größe, so dass es besser für Single-Mode-Fasern geeignet ist, aber es kann auch mit Multi-Mode-Fasern oder Kupferkabeln verwendet werden.
• CXP ist ein üblicher Kupferverbinder, der auch 12 Spuren in jede Richtung bietet, aber aufgrund seiner geringeren Größe als die CFP wird er nur für Multimode-Optiken und Kupfer verwendet.
• Der QSFP oder Quad-Small Form Factor Pluggable (Abbildung 2) ist ein Transceiver ähnlicher Größe wie der CXP. Es bietet vier Empfangs- und vier Sendekanäle und unterstützt 40 GB Ethernet. Derzeit werden diese Transceiver hauptsächlich für Multi-Mode-Fasern und Kupfer verwendet, können aber in Zukunft auch Single-Mode-Fasern unterstützen.
• SFP oder Small-Form Factor Pluggable Transceiver (Abbildung 3) ist ein kompakter Transceiver, der hauptsächlich für die 10GB-Lösungen verwendet wird.

Bei der Verkabelung für das 40GB Ethernet kann die Verkabelung aus Glasfaser oder Kupfer bestehen. Die optimale Lösung für die Verkabelung bleiben jedoch die aktiven optischen Kabel OM3 und OM4 (AOC), wie in Abbildung 4 dargestellt. Sowohl 40 GB als auch 100 GB Lösungen können heute mit den gleichen Verkabelungssystemen bereitgestellt werden. Der einzige Unterschied besteht in der Bereitstellung von Multimode- vs. Singlemode-Fasern, abhängig von der erforderlichen Anwendungsdistanz.
Multimodale Fasern erfordern den Einsatz paralleler Optiken mit Multi-Fiber Push-On (MPO)-Steckverbindern, was je nach System eine zusätzliche Kabelinfrastruktur erfordert. Bei den Single-Mode-Fasern hingegen wäre die Verwendung einer seriellen Übertragung und die Verwendung von LC- oder SC-Steckverbindern ein Muss.
Die parallele Optik in Verbindung mit MTP-Schnittstellen garantiert, dass Daten gleichzeitig gesendet und empfangen werden.
In der Vergangenheit hat der Ethernet-Standard eine Duplex-Glasfaserverkabelung verwendet, bei der jeder Kanal eine Glasfaser zum Senden und eine Glasfaser zum Empfangen von Daten verwendet.
Mit dem neuesten 802.ab-Standard ist es jedoch erforderlich, mehr Traffic mit mehreren Traffic-Lanes pro Kanal zu erhalten. Dazu ist der Einsatz von parallelen Optiken unerlässlich. Das 40 GB Ethernet erfordert eine 12-Glasfaser-Verkabelungslösung, wobei jeder Kanal vier Fasern zum Senden von Daten und vier Fasern zum Empfangen von Daten aufweist. Die mittleren vier Fasern bleiben ungenutzt.

Dieser Ansatz basiert auf der Forderung nach höheren Geschwindigkeiten, und diese fortschrittlichen Sende-Empfänger, die mit der neuesten verfügbaren Technologie entwickelt wurden, würden die volle Bandbreite der Laseroptik nutzen. Dies würde es den Rechenzentren und Dienstleistern ermöglichen, in schnelleres und höherwertiges Equipment und Fasermedien zu investieren. Sowohl Single- Mode (SMF) als auch Multi- Mode (MMF) Fasern wurden standardisiert.
Ein Wechsel von einem zu einem Transceiver, der heute in 10GB-Ethernet-Lösungen mit sechs seriellen 10GB/s-Verbindungen zu sechs parallelen 40GB/s-Verbindungen verwendet wird, erfordert jedoch die Hinzufügung von fünf neuen 12-Glasfaserkabeln und zwölf MTP-Gerätekabeln.
Wenn es um die Verwendung von OM3- oder OM4-Fasern geht, ermöglichen die OM4-Fasern dem 40GB großen Ethernet, im Vergleich zu OM3 zusätzliche 60% des Kerns zu Aggregationsverbindungen zu erreichen. Die OM4 Multimode-Fasern würden zusätzliche 30-50 Meter Einsatz gemäß dem IEEE 802.3ba-Standard ermöglichen.

Der erste Prozess zur Aufrüstung der bestehenden Netzwerkinfrastruktur auf eine 40GB Ethernet-Lösung hat bereits begonnen.
Das Upgrade hat hauptsächlich in den Rechenzentren und Service Providern begonnen, in den Schichten, die den Zugriff mit der Aggregationsschicht verbinden.
In Anbetracht der Produktivitäts- und Bandbreitengewinne wäre ein Upgrade auf 40 GB Ethernet sehr kostengünstig. Der mildernde Umstand bei der Aufrüstung des Netzwerks auf die 40-GB-Ethernet-Architektur ist die Möglichkeit, die vorhandenen 10-GB-Switches zu verwenden und nur ihre Interface-Linienkarten und Transceiver aufzurüsten. Auch später in der Zukunft, wenn ein Upgrade auf 100 GB Ethernet erforderlich wäre, würde dies mit dem Einsatz eines CFP-Transceivers geschehen, um zusätzliche Flexibilität während des Prozesses zu gewährleisten.
Heutzutage, da die 802.3ba-Spezifikationen den richtigen Weg weisen, können die führenden IT-Manager und Hersteller den nächsten Schritt in ihrer Jagd nach höheren Geschwindigkeiten sicher planen.