Zukunftsfähige Rechenzentrumsverkabelung
Messungen an Mehrfaserkabeln
Rechenzentren sind in einem stetigen Wandel begriffen. Natürlich steigen innerhalb der Rechenzentren wie auch für die Anbindung die Übertragungsraten. Die jetzigen strukturellen Änderungen sind allerdings gravierender. Waren bisher in Firmen- und kommunalen Rechenzentren 1- und 10-Gigabit-Ethernet-Verbindungen realisiert, sind dies nun 40 und 100 Gigabit Ethernet. In Datacentern weltweit agierender Internet-Service-Provider ist auch eine 400-Gigabit-Schnittstelle kein Fremdwort.
Bereits bei diesen Super-Rechenzentren zeichnet sich eine Tendenz ab, die in neuartigen regionalen Rechenzentren für die Mobilität und Verkehrsleitsystemen ihre Fortsetzung findet: Selbstverständlich wandern immer noch große Datenmengen vom Internet zum Arbeitsplatz und wieder zurück. Allerdings ist die Verarbeitungstiefe der Information im Rechenzentrum deutlich gestiegen und dabei spielen Signallaufzeiten zwischen Datenbanken und Servern eine immer wichtigere Rolle. Deshalb wechselt die Architektur von eine Nord-Süd- zu einer Ost-West-Orientierung (Spine-Leaf-Architektur). Schnelle Datenverbindungen zwischen Routern, Prozessoren und Datenbanken in jedweder Konfiguration sind notwendig, um diese Leistungsfähigkeit zu erhalten.
Der Verkabelungsaufwand in und zwischen den einzelnen Racks steigt überproportional. Bei den immer häufiger verwendeten Verbindungen mit 40 und 100 Gigabit Ethernet der Multimode-Verkabelung steht fest, dass die Anzahl der Fasern deutlich steigen wird. Eine 40/100 Gigabit-Verbindung ist mit vier Fasern jeweils in Sende- und Empfangsrichtung realisiert, die Übertragung dazu in 4 × 10 GBit/s beziehungsweise in 4 × 25 GBit/s. Um zumindest die Anzahl der Steckverbindungen in den Patch-Feldern nicht zu erhöhen, kommen Mehrfaserkabel mit MTP/MPO-Steckern mit zwölf oder sogar mehr Fasern zum Einsatz.
Anders als in den Telekommunikations-Vermittlungsstellen, in denen die 100-GBit/s-Verbindungen konsequenterweise in Singlemode-Technik und vier Wellenlängen in einer Faser realisiert sind, setzt man innerhalb von Rechenzentren auch auf Grund der kürzeren Kabellängen auf die günstigere Multimode-Technik. Als Formfaktor für die optischen Transceiver kommt in beiden Welten der QSFP-28 wegen seiner Kompaktheit zum Einsatz, wobei 100GBase-SR4 die Multimode- und 100GBase-LR4 die Singlemode-Schnittstelle beschreibt.
Beim Transceiver gemäß 100GBase-SR4 sind vier Multimode-Fasern pro Richtung nötig und bei der Nutzung von OM4-Fasern Übertragungslängen bis zu 125 Metern möglich. Dies ist innerhalb des Rechenzentrums meist ausreichend. Für längere Verbindungen, beispielsweise im Campus-Bereich, ist Singlemode immer noch die erste Wahl. Dort bietet sich der PSM4-Standard für die Rechenzentrumsumgebung an, der auf vier parallel geführten Singlemode-Fasern je Richtung setzt. In beiden Fällen kommen MTP/MPO-Stecker zum Einsatz, um den Umgang mit der Technik zu vereinfachen. Bei 100 Gigabit Ethernet nutzt das System dabei von zwölf Fasern nur die Fasern 1 bis 4 und 9 bis 12.
Im MTP/MPO-Stecker laufen zwölf Fasern in einer Reihe eng beieinander. Die Präzision für die optische Kopplung der Fasern garantieren zwei Führungsstifte in der Ferrule. Damit existieren zwei Varianten des Steckers: Mit Pin (male) sowie ohne Pin (female). Bei der Verkabelung und einer Messung ist also darauf zu achten, die jeweils richtigen Kabel einzusetzen. Bei den Steckverbindungen mit Steckern gleicher Gender kommt keine optische Verbindung zustande, und es besteht die Gefahr der Beschädigung. Gebräuchlich in der Telekommunikationswelt ist auch eine zweireihige Version mit 24 Fasern.
Aktive Systemelemente sowie die Trunk-Verkabelung zwischen den Gestellen sind gemäß Standard ANSI/TIA-568-C.1-7 mit MTP/MPO-Stecker mit Pin (male) auszuführen. Verbindungen zwischen aktiven Elementen und dem Trunk-Kabel sind daher mit Steckern ohne Pin (male) auszuführen. Entsprechend sind an dieser Stelle Patch-Kabel mit MTP/MPO-Steckern ohne Pin (female) einzusetzen.
Tier-1-Messungen nach ISO/IEC
Zu den Basismessungen (Tier 1) nach ANSI/TIA-526-C1 gehörig die Beurteilung der Steckerstirnflächen mit einem Videomikroskop nach IEC 61300-3-35. Einige Hersteller von Fasermikroskopen für Einzelfaser-Stecker bieten passende Adapter für MTP/MPO-Stecker an. Eine Analyse von zwölf Fasern erfordert allerdings Fingerspitzengefühl bei der Einstellung der Optik auf die jeweilige Faser und ist schlussendlich sehr zeitraubend. Ist nur eine optische Kontrolle zum Beispiel bei Messkabeln notwendig, erlaubt der einfache und schnelle Einsatz von Geräten wie dem im Viavi-Pegelmesser eingebauten Patchcord-Mikroskop (PCM, Bild 2) eine sofortige Übersicht. Für die Zertifizierung, also die Bewertung der verschiedenen Zonen der Steckerstirnflächen gemäß IEC 61300-3-35, ermöglicht das speziell für MTP/MPO-Stecker entwickelte Fasermikroskop Sidewinder vom selben Hersteller (Bild 1) ein schnelles und effektives Arbeiten. In ungefähr 15 Sekunden misst ein solches Gerät alle Fasern des Mehrfaser-Steckers automatisch, bewertet sie und stellt das Ergebnis übersichtlich dar. Die Dokumentation erfolgt mit dem Übertragen der Daten auf dem PC in nur einem Dokument im PDF-Format pro Stecker.
Die Verschmutzung der MTP/MPO-Stecker ist vor allem durch den Überstand der Fasern gegenüber der Ferrule und dem elektrostatischen Verhalten von Polymer-Kunststoff begünstigt, und eine Inspektion und Reinigung ist gerade beim Mehrfaser-Stecker unerlässlich. Geeignete Fasermikroskope wie der Sidewinder sind daher unerlässlich für ein wirtschaftliches Arbeiten sowohl bei der Installation als auch für die spätere Fehlersuche.
Dämpfungs- und Längenmessung an Mehrfaserkabeln
Die Messverfahren an Mehrfaserkabeln mit MTP/MPO-Stecker sind in den einschlägigen Normen äquivalent zu den Messungen an Duplex-Kabeln definiert. Die Bestimmung der Einfügedämpfung und der Kabellänge ist bei ANSI/TIA und ISO/IEC als Tier 1-Messung bezeichnet, die OTDR Messung als Tier 2.
Die Ermittlung der Einfügedämpfung eines Kabels entspricht den Messmethoden für Duplex-LWL-Kabel mit seinen unterschiedlichen Standardisierungen: ANSI/TIA-526-14-C-2015 beschreibt die Ermittlung der Einfügedämpfung an Multimode-Kabeln und ANSI/TIA-526-7-A an Singlemode-Kabeln. Die europäischen Standards findet man bei IEC 61280-4-1 (Multimode) und IEC 61280-4-2 (Singlemode).
Die maximalen Dämpfungswerte für Spleiße und Stecker finden Techniker ebenso in den Standards. Unter Berücksichtigung der entsprechenden Referenzmethode errechnet sich mit der Faserdämpfung von 3,5 dB/km bei einer Wellenlänge von 850 nm beziehungsweise von 1,5 dB/km bei 1.300 nm und der Anzahl der Steckverbinder die maximale Dämpfung eines Verbindungskabels. Die Differenz zum maximalen Dämpfungswert ist die Reserve (Margin). Gemäß der Standardisierung kann die Referenzierung mit einem, zwei oder drei Referenzkabeln (TRC) erfolgen. Für diese sind gemäß Standard eine höhere optische Präzision (Reference Grade) gefordert. Abhängig vom Verfahren gehen die Stecker dabei nicht, teilweise oder komplett in das Ergebnis ein.
Zur Einbeziehung der Faserdämpfung muss der Techniker die Kabellänge ermitteln. Da die Tier-1-Messung keine OTDR-Messung vorsieht, muss der Dämpfungsmessplatz mit einem aufwändigen Puls-Laufzeit-Messverfahren ausgestattet sein, um die Länge zu ermitteln. Moderne Dämpfungsmessplätze lassen sich für MPO-12-Kabel nutzen. Für 40/100 Gigabit Ethernet sind je vier Fasern erforderlich, Faser 1 bis 4 für die Senderichtung, Faser 8 bis 12 für die Gegenrichtung. Die ungenutzten Fasern muss der Techniker in diesem Fall jedoch nicht zwingend messen, sie können für die Gesamtbewertung der Dämpfung unberücksichtigt bleiben.
Die Ergebnisgrafik zeigt, dass Dämpfung und Reserve bei 850 nm am geringsten sind (0,44 dB gegenüber 0,77 dB bei 1.300 nm). Die Länge des Kabels (Typ B) ist zusammen mit der Polarität dargestellt. Die Polarität taucht zudem in einem Untermenü grafisch und die Einzelwerte der Dämpfungen tabellarisch auf. In der genannten Messkonfiguration hat der Techniker die vier mittleren Fasern der Verbindung nach 40GBase-SR4 mit gemessen. In die Gesamtbewertung sind sie jedoch nicht eingegangen und daher gelb markiert. Messplätze für Multimode-MPO-Fasern müssen zudem die Konditionen für Encircled Flux nach IEC 61280-1-4 erfüllen.
Tabelle 1 zeigt die Maximalwerte bezüglich der Kabel- und Steckerdämpfung für OM3- und OM4-Fasern. Tabelle 2 listet die üblichen Steckerdämpfungen für Standard- und Referenzstecker auf. Die maximale Einfügedämpfung von 1,5 dB bei der OM4-Faser für ein 150 Meter langes Kabel bewirkt jedoch auch, dass der Standard-MPO-Stecker dort nicht verwendet werden kann. Die maximale Kabeldämpfung mit 3,0 dB/km für die Multimode-Faser läge in Summe bei 1,75 dB. Gefragt ist dann ein Stecker mit niedriger Maximaldämpfung und deutlich geringerer Dämpfung. Die engen Dämpfungsbudgets verdeutlichen auch, dass eine Verschmutzung der Stecker einen unmittelbaren Einfluss auf die Verbindungsqualität und -funktionalität hat. Netzbetreiber sollten daher stets mit geeigneten Prüfungen und Videomikroskopen auf die Sauberkeit der Steckerstirnflächen achten. Wichtig ist hier in diesem Kontext der Standard IEC 61300-3-35 mit seinen Kriterien zu Beurteilung in verschiedenen Zonen der Steckerstirnflächen.
Tier-2-Messung bei MTP/MPO-Mehrfaserkabeln
Für Abnahmemessungen der strukturierten Verkabelung im Rechenzentrum nach TIA und IEC ist die OTDR-Messung (Tier 2) nicht zwingend vorgeschrieben. Bei kurzen Kabeln innerhalb eines Gestells kann der Techniker darauf auch verzichten, hier kommen ohnehin oft sogenannte "Active Optical Cables" (AOC) zum Einsatz. Dies sind vorkonfektionierte Verbindungen ohne Steckverbinder und mit fest montierten Transceivern an beiden Enden (etwa 100GBase-SR4 mit QSFP28). Für die längeren Verbindungen zwischen Gestellreihen oder die stockwerkübergreifende Gebäudeverkabelung hingegen erscheint die OTDR-Messung durchaus sinnvoll. In den Vermittlungsstationen der Netzbetreiber verhält es sich äquivalent.
Messtechnisch gesehen sind diese Verbindungen, bezüglich Dynamik und Reichweite, keine allzu große Herausforderung für ein OTDR. Das Modul E41QUAD ist beispielsweise bestens geeignet für alle Abnahmemessungen und die Fehlersuche in der strukturierten Verkabelung bis hin zu Metronetz-Anwendungen. Es ist mit vier Wellenlängen ausgestattet: 850/1.300 nm für Multimode- und 1.310/1.550 nm für Singlemode-Fasern. Da mit 100GBase-PSM4 eine maximale Reichweite von 500 Metern einhergeht, sollte ein OTDR eine hohe Auflösung und extrem kurze Totzonen besitzen, um nah beieinanderliegende Ereignisse separat darstellen zu können. Das Modul E41QUAD erfüllt diese Forderung. Damit lassen sich mit einem Breakout-Kabel alle Fasern des MTP/MPO-Kabels vermessen. Dies ist jedoch zeitaufwändig und birgt Fehlerquellen. Als Lösung dienen optische Schalter in diesem Umfeld dazu, die Messroutine des OTDRs gleichzusteuern. Bild 3 zeigt die Messanordnung mit dem MTS-4000V2, links das OTDR-Modul und rechts der optische Schalter für das MTP/MPO-Kabel.
Vorlauf- und Nachlauf-Fasern sind notwendig, um den jeweils ersten und letzten Steckverbinder des zu messenden Kabels qualifizieren zu können. Für diese Messaufgabe mit dem genannten OTDR ist ein MPO-Kabel mit der Länge von mindestens zehn Metern notwendig. Auf eine beidseitige Messung für die Abnahmemessung, wie in der Telekommunikation sonst üblich, kann der Techniker bei diesen kurzen Kabeln verzichten.
Klassische OTDR-Ergebnisse enthalten eine Vielzahl von Informationen, und die Grafik ist zudem bisweilen schwierig zu interpretieren. Die Auswertung der OTDR-Kurve erfordert einige Übung und Erfahrung, um die richtigen Erkenntnisse daraus zu erhalten. Abnahmemessungen stehen meist unter einem großen Zeitdruck, und eine schnelle Aussage, ob die Dämpfungs-Maximalwerte der lösbaren und nicht lösbaren Verbindungen eingehalten werden, ist extrem hilfreich. Deshalb sind Ereignisse wahlweise in einer linearen Darstellung mit den wichtigsten Ergebnissen in einer einfachen Tabelle dargestellt. Auf einem Blick sind nun die Gesamtdämpfung und die Länge der Verbindung erkennbar, bei welcher Wellenlänge gemessen wurde und, ob einzelne Verbindungsstellen den Maximaldämpfungswert einhalten (grün/rot-Markierung). Außerdem ist die Vor- und Nachlauf-Faser angezeigt und dokumentiert.
Ausblick
Mehrfaserstecker haben in den vergangenen zwei Jahren eine deutliche qualitative Verbesserung erfahren. Die minimalen Dämpfungswerte garantieren für alle Fasern eines Mehrfasersteckers die gleichen Werte wie für Einzelfaserstecker. Mit acht benötigten Fasern ist der MPO12-Stecker ideal für 40/100-Gigabit-Systeme. Die Packungsdichte, die sich damit im Rechenzentrum an Patch-Feldern erzielen lässt, ist ein überzeugendes Argument. Für die ersten verfügbaren 400-Gigabit-Ethernet-Systeme wird eine Übertragung von 32 Fasern notwendig sein: 16 × 25 GBit/s in jede Richtung. Eine Reduzierung auf 8 × 50 GBit/s durch den Einsatz einer höherstufigen Modulation PMA4 ist bereits in den Entwicklungslaboren.
Dazu wäre ein einreihiger MPO16-Stecker einsetzbar. Bis diese Systeme in den Rechenzentren Einzug halten, wird jedoch noch einige Zeit vergehen. Derzeit erfolgt der Generationswechsel von 10 GBit/s auf 40 und 100 GBit/s.
Die Reinigung der Mehrfaserstecker scheint problematischer als bei Einzelfasersteckern zu sein. Auf Grund der mechanischen Konstruktion mit vom Steckerkorpus überstehenden Fasern ist die Reinigung mit herkömmlichen Reinigungsbändern schwierig. Die statische Aufladung des Korpus erschwert die Staubfreiheit zusätzlich. Staubschutzkappen sind daher noch konsequenter einzusetzen, und die Reinigung ist noch gewissenhafter durchzuführen. Bevor die Steckung erfolgt, muss der Techniker die Sauberkeit stets mit einem Fasermikroskop überprüfen.
Wie bei den Messungen an Duplex-Kabel sind in den Normen äquivalente Messprozeduren an Mehrfaserkabeln mit MTP/MPO-Stecker definiert. Die Ermittlung der Einfügedämpfung und der Kabellänge ist bei ANSI/TIA und ISO/IEC unter der Bezeichnung Tier 1 und die OTDR-Messung als Tier 2 beschrieben. In der IEC 61300 ist die Beurteilung der Steckerstirnflächen beim MTP/MPO mit einem Videomikroskop definiert.
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