Im Juli 2016 haben die Verantwortlichen des zuständigen IEEE-Gremiums in San Diego die Verabschiedung des neuen Ethernet-Standards 802.3bq für die Anwendungen 25GBase-T und 40GBase-T bekannt gegeben. Hintergrund für die Norminitiative waren unter anderem die Defizite der bisherigen Lösungen gemäß IEEE 802.3ba. Die neue Kupfertechnik wird vornehmlich in Rechenzentren zum Einsatz kommen und soll durch besondere Wirtschaftlichkeit punkten.
Die Verabschiedung des Standards gilt unter Experten als beachtlicher Leistungssprung für die vierpaarige symmetrische Kupferverkabelung. Galt seit 2006 noch eine Übertragungsrate von 10 GBit/s als Stand der Technik, so spezifiziert der etwa 220 Seiten umfassende IEEE-Standard nunmehr 25 GBit/s und 40 GBit/s über vierpaarige symmetrische Kupferverkabelungen. Diese neue Kupfertechnik bedient den Bandbreitenbedarf in Rechenzentren und Speichernetzwerken und beseitigt die vorhandenen Längenrestriktionen sowie wirtschaftliche Nachteile der bisherigen Lösungen.

Bild 1. Die Entwicklung der Datenraten im Core- (LWL) und Server-Bereich (Kupfer).

Bild 1. Die Entwicklung der Datenraten im Core- (LWL) und Server-Bereich (Kupfer).

Im Kontext der Standardisierung nahm das Verkabelungskomitee ISO/IEC JTC1 SC25 WG3 eine besondere Rolle ein. Mit der Erarbeitung des technischen Reports ISO/IEC 11801-9901 „Guidance for balanced cabling in support of at least 40 Gb/s data transmission“ entstand im Vorfeld ein international abgestimmter Leitfaden bezüglich der Bewertung und Machbarkeit von Highspeed-Verkabelungen.

Ethernet-Entwicklung

Nach der Publizierung und Einführung von 10 GBit Ethernet (IEEE 802.3an) im Jahr 2006 schien zunächst Ruhe an der Highspeed-Front eingekehrt zu sein. Doch bereits kurz danach entstand mit IEEE 802.3ba ein LWL-Standard für 40/100 GBit/s im Backbone und für den Core-Bereich von Rechenzentren. Mit der Verabschiedung von 25GBase-T und 40GBase-T für leistungsintensive Switch/Server-Verbindungen im Rechenzentrum kam nun ein weiterer Meilenstein hinzu. Für das Pendant im Core-Bereich – 400 GBit/s – existieren unter IEEE 802.3bs erste Normentwürfe für verschiedene LWL-Techniken. Eine Verabschiedung ist für das Jahr 2017 geplant. Wenn man den von Dell’Oro durchgeführten Recherchen Glauben schenken darf, dann sinken seit 2015 die Lieferungen von 10-GBit/s-Produkten zugunsten von erheblichen Steigerungen im Bereich von 25 GBit/s bis 100 GBit/s.

 

Bild 2. Entwicklung Server-Bedarf (Cloud) nach der Ethernet-Datenrate.  Quelle: IEEE 802.3

Bild 2. Entwicklung Server-Bedarf (Cloud) nach der Ethernet-Datenrate. Quelle: IEEE 802.3

Hintergrund für die Norminitiative waren unter anderem die Defizite der bisherigen Lösungen gemäß IEEE 802.3ba. Dazu zählten die Reichweitenbegrenzung auf sieben Meter bei den achtpaarigen Twinaxkabeln (CR4, Top-of-Rack/ToR) sowie die mangelnde Wirtschaftlichkeit und Migrationsfähigkeit bei achtfasrigen OM3/OM4-LWL-Kabeln (End-of-Row/EoR).

Bild 3. Entwicklung Server-Bedarf (On-Premise) nach Ethernet-Datenrate.  Quelle: IEEE 802.3

Bild 3. Entwicklung Server-Bedarf (On-Premise) nach Ethernet-Datenrate. Quelle: IEEE 802.3

Einsatzbereiche der neuen Lösungen sind vornehmlich Verbindungen im Rechenzentrum: sogenannte „Port to Port“-Links mittels Patch-Kabel von fünf bis zehn Meter (ToR) sowie Server-Switch-Links von bis zu mindestens 30 Meter mit zwei Steckverbindungen (EoR). Weitere allgemeine Rahmenparameter sind:

  • ausschließlich Full-Duplex-Betrieb,
  • Unterstützung von 802.3 und Ethernet-Frame-Format (Typ und Längenfeld),
  • minimale und maximale Frame-Größe wie im 802.3-Standard spezifiziert,
  • Fehlerrate (BER, Bit Error Rate) 10-12 oder besser,
  • Auto-Negotiation nach 802.3 Clause 28,
  • optionales Energy-Efficient Ethernet und
  • Erfüllen von FCC- ebenso wie von CISPR-EMC-Anforderungen.

Die erforderliche Bandbreite ist für 25GBase-T auf 1.250 MHz und für 40GBase-T auf 2.000 MHz festgelegt.

Anforderungen an die Verkabelung und Anschlusstechnik

Die Anforderungen an Verkabelungen für 40GBase-T sind im technischen Report ISO/IEC 11801-9901 „Guidance for balanced cabling in support of at least 40 Gb/s data transmission“ sowie in der demnächst erscheinenden dritten Fassung der ISO/IEC-11801-Serie beschrieben. Es gibt zwei von der Norm vorgesehene Lösungswege: eine geschirmte Übertragungsstrecke gemäß Klasse I mit Komponenten der Kategorie 8.1 (6A extrapoliert bis 2,0 GHz) für Längen bis 30 Meter sowie eine geschirmte Übertragungsstrecke gemäß Klasse II mit Komponenten der Kategorie 8.2 (7A extrapoliert bis 2,0 GHz), ebenfalls für Längen bis 30 Meter.

Bild 4. Das Prinzipschaltbild von 40GBase-T.  Quelle: IEEE 802.3

Bild 4. Das Prinzipschaltbild von 40GBase-T. Quelle: IEEE 802.3

Die deutsche Anwendungsregel VDE-AR-E2800-902 kennt lediglich die Normvariante mit Übertragungsstrecken der Klasse II. Die Experten begründen dies damit, dass der Kompensationsaufwand für 40-GBit/s-Transceiver bei Übertragungsstrecken der Klasse II für die Parameter Nahnebensprechdämpfung (NEXT) und Fernnebensprechdämpfung (FEXT) um etwa 20 dB geringer ist.

Bild 5. Die deutsche Anwendungsregel VDE-AR-E2800-902.

Bild 5. Die deutsche Anwendungsregel VDE-AR-E2800-902.

Des Weiteren sind die bei Übertragungsstrecken der Klasse II verwendeten Komponenten der Kategorie 8.2 rückwärtskompatibel zu den in ISO/IEC 11801-1 und EN 50173-1 festgelegten Komponentenkategorien 7A, 7 etc. und weisen Reserven für künftige Anwendungen auf. Für Kabel gelten die IEC 61156-9 (Streckenkabel) und die IEC 61156-10 (Anschlusskabel), also Kategorie 8.1 für Klasse I und Kategorie 8.2 für Klasse II. Bei den Steckverbindern gelten entsprechend die IEC 60603-7-81 Kategorie 8.1, Klasse I und die IEC 60603-7-82/IEC 61076-3-110/104 für Kategorie 8.2, Klasse II. Die Details der Rückwärtskompatibilität von Komponenten der Kategorie 8.1 und Kategorie 8.2 sind in den Bildern 6 und 7 dargestellt. Die Kategorie 8.1 ist lediglich rückwärtskompatibel bis Kategorie 6A, Kategorie 8.2 ist voll rückwärtskompatibel bis Kategorie 7A.

Bild 6. Die Rückwärtskompatibilität von Klasse I (Kategorie 8.1) gemäß ISO/IEC und IEC.

Bild 6. Die Rückwärtskompatibilität von Klasse I (Kategorie 8.1) gemäß ISO/IEC und IEC.

Die für 40GBase-T festgelegten Anforderungen an Verkabelungen greifen auch für 25GBase-T. Der technische Report ISO/IEC 11801-9905 „Guidance for the use of installed cabling to support 25 GBase-T application” behandelt zusätzliche Optionen und deren Qualifizierung, beispielsweise gehen die Experten davon aus, dass hochwertige Klasse-FA-/Kategorie-7A-Verkabelungen 25GBase-T ebenfalls bis 30 Meter unterstützen. Gemäß einer BSRIA-Studie soll weltweit eine installierte Basis von zehn bis 20 Millionen Links gemäß Klasse FA/Kategorie 7A existieren, die damit potenziell für die Übertragung von 25GBase-T geeignet ist.

Bild 7. Rückwärtskompatibilität von Klasse II (Kategorie 8.2) gemäß ISO/IEC und IEC.

Bild 7. Rückwärtskompatibilität von Klasse II (Kategorie 8.2) gemäß ISO/IEC und IEC.

Die Verabschiedung von IEEE 802.3bq hat mit 25GBase-T und 40GBase-T einen wichtigen normativen Baustein für die Marktimplementierung von leistungsfähigen und wirtschaftlichen Kupferlösungen in Rechenzentren erbracht. Dabei stellen Übertragungsstrecken gemäß Klasse II mit Kategorie-8.2-Komponenten aufgrund ihrer Systemreserven mit hoher Wahrscheinlichkeit die zukunftssicheren Varianten dar.

Fazit und Ausblick

Bei einer Limitierung der Switch-Server-Verbindungen auf 25GBase-T- Anwendungen bis 30 Meter sind qualifizierte Klasse-FA/Kategorie-7A-Systeme ebenfalls eine sinnvolle Option, zumal dort bereits eine installierte Basis nicht unerheblichen Ausmaßes vorliegt.

Bild 8. Weltweit installierte Kupferverkabelungen nach Kategorien.   Bild: BSRIA

Bild 8. Weltweit installierte Kupferverkabelungen nach Kategorien. Bild: BSRIA

Denn die nächsten Technologiesprünge sind ebenfalls schon vorprogrammiert. 50 GBit/s und 100 GBit/s über vierpaarige symmetrische und geschirmte Kupferverkabelung sind die logische Fortsetzung der Erfolgsgeschichte Ethernet. Aus diesem Grunde hat sich der Hersteller Leoni an einem geförderten Forschungsvorhaben beteiligt, das die Machbarkeit für Kabel, Steckverbinder und Messtechnik zur Aufgabe hatte. Bei diesem Forschungsprojekt haben sich die jüngst verabschiedeten Highspeed-Anwendungen auf der Basis der Übertragungskanäle Klasse II mit Komponenten der Kategorie 8.2 als ein vielversprechendes Startsignal erwiesen.

Dipl.-Ing. Yvan Engels ist im Strategic Market Development/Standardization BU Datacom bei Leoni Kerpen tätig ().