40- und 100GbE im Rechenzentrum
Flexible Verkabelungsinfrastruktur
Dass die weltweite Datenmenge immer weiter steigt, ist heute keine überraschende Erkenntnis mehr. Doch dass sich das Datenvolumen bis 2025 verzehnfacht haben wird - so die Prognose von IDC und Seagate - erstaunt dann doch. Das exponentielle Wachstum veranlasst viele Betreiber von Rechenzentren dazu, auf höhere Bandbreiten zu migrieren.
Den Trend zur Migration zeigen unter anderem Beobachtungen führender Marktexperten. Demnach steigt der Verkauf von Ethernet-Switches deutlich an, und besonders bei 25- und 50-Gigabit-Ethernet-Ports wird auch zukünftig ein deutliches Umsatzwachstum erwartet. Die Prognosen zeigen, in welche Richtung sich die Verkabelungsinfrastruktur im Datacenter-Umfeld entwickelt.
Neben einer Zunahme der Datenmenge sind neue Applikationen, wie virtuelle Server und Cloud-Computing Haupttreiber für den Push auf 25, 40, 50 oder sogar 100 Gigabit Ethernet (GbE). Virtuelle Umgebungen setzen nicht nur laufzeitoptimierte Verbindungen mit Datenübertragungsraten zwischen 10 und 40 GBit/s voraus, sondern erfordern eine grundlegende Anpassung der Routing-Strategie.
Das traditionelle North-to-South-Routing (bestehend aus den Ebenen der Core-, Aggregation- und Access-Switches) wird der Verknüpfung virtueller Server nicht mehr vollumfänglich gerecht. RZ-Betreiber setzen daher vermehrt auf das East-to-West-Routing. Dabei ist ein Kreuzverbindungsschema (Mesh) realisiert: Jeder Switch des sogenannten Spine-Layers ist direkt mit jedem Switch der Leaf-Ebene verknüpft. Diese Verflechtung sorgt dafür, dass alle Switches nur maximal einen Hop voneinander entfernt sind, was die Latenzzeiten deutlich verkürzt. Da derzeit auf Leaf-Seite Datenraten bis 25 GBit/s und auf Spine-Seite bis zu 100 GBit/s gängig sind, schließt sich an den Architekturwechsel im Rechenzentrum häufig auch eine Migration auf höhere Übertragungsraten an.
Bedingung für solche Umstellungsprozesse ist eine skalierbare RZ-Infrastruktur, die sich unproblematisch an die wechselnden Anforderungen anpassen lässt. Zentral ist dabei besonders eine migrationsfähige Verkabelung im Backbone-Bereich. In der Regel setzen RZ-Betreiber daher auf ein paralleloptisches Base-12-Verkabelungssystem, denn nur diese Technik bot bislang einen einfachen Migrationsweg. Doch die 12-Faser-Anschlusstechnik ist längst nicht mehr die einzige Option. Dank des Standards IEEE 802.3bm können RZ-Betreiber, die bisher auf 10- oder 25GbE im Rechenzentrum setzen, zukünftig auch unproblematisch mittels einer Base-8-Struktur auf höhere Bandbreiten migrieren.
Die Norm IEEE 802.3bm sieht unter anderem ein neues Übertragungsprotokoll für 100GbE (100GBase-SR4) vor: Für den Einsatz innerhalb vom Rechenzentrum standardisiert sie die Übertragung von 100 GBit/s über vier Kanäle auf Multimode-Fasern. Die maximale Reichweite liegt bei 70 Metern (OM3-Faser) und bei 100 Metern (OM4-Faser). Bisher hatte die Vorgängernorm IEEE 802.3ba-2010 für 100GbE eine Übertragung über 20 Fasern (zehn Fasern pro Richtung) festgesetzt.
Inhalt eben dieser Vorgängernorm ist außerdem die Spezifikation 40GBase-SR4. Sie sieht die Übertragung von 40 GBit/s über ebenfalls vier Kanäle auf Multimode-Fasern vor. Die Reichweite liegt bei 100 Metern (OM3), bei OM4 sogar bei 125 Metern. Folglich ist es nun dank IEEE 802.3bm erstmals möglich, sowohl 40- als auch 100GbE mit Hilfe einer identischen Multimode-Faseranzahl (vier Fasern pro Richtung) zu realisieren. Dies hat Auswirkungen auf die Backbone-Architektur in Rechenzentren: Da es nun prinzipiell möglich ist, 40- und 100GbE über eine Base-8-Verkabelung zu übertragen, sind Base-12-Infrastrukturen künftig bei High-Speed-Datenübertragungen nicht mehr zwingend notwendig. Auch auf Grundlage von Base-8 ist eine Migration von 40- auf 100GbE inzwischen ohne Änderung der Kabelinfrastruktur realisierbar.
Durchgängiger Migrationspfad auf 100GbE mittels 8-Faser-Technik
Die Überarbeitung des Übertragungsprotokolls bietet RZ-Betreibern daher künftig eine alternative Verkabelungsmöglichkeit. Denn auch, wenn Base-12-Verkabelungen etabliert sind, haben sie einen entscheidenden Nachteil: Ihre Verwendung ist wirtschaftlich nicht ideal. Da für eine 100GBase-SR4-konforme Base-12-Verkabelung nur 12-Faser-Trunks zur Verfügung stehen, bleiben bei der Übertragung von 100GbE vier Fasern ungenutzt. Das Gleiche gilt für eine 40GBase-SR4-konforme Verkabelung auf Grundlage von Base-12, denn in beiden Fällen werden nur acht Fasern tatsächlich für die Datenübertragung benötigt: vier Sende- und vier Empfangsfasern. Die mittleren vier Fasern des Trunks bleiben ungenutzt und dunkel. Bei Base-8 ist dagegen eine vollständige Fasernutzung gegeben.
Auch alternative Standards wie etwa das Ethernet-Übertragungsprotokoll 100GBase-PSM4 harmonieren mit Base-8. Das PSM4-Protokoll ermöglicht eine Übertragung von 100 GBit/s über insgesamt acht Singlemode-Fasern. Die PSM4-Technik kann dabei eine Strecke von 500 Metern bei einer Kanaldämpfung von 3,3 dB bedienen. Damit ist eine hohe Bandbreite auch bei weiter Distanz möglich. Darüber hinaus ist Base-8 nicht nur für GbE in jeder Hinsicht eine logische Lösung, grundsätzlich lassen sich alle derzeitigen und zukünftigen Applikationen im RZ-Bereich via Base-8-Verkabelung abbilden.
Eine Umstellung auf Base-8 zieht zweifellos Veränderungen bei den Infrastrukturkomponenten nach sich. Unweigerlich stellt sich unter anderem die Frage, welche LWL-Stecker eingesetzt werden sollten. An den Patch-Punkten des RZ-Backbones sind die Kabelstrecken gewöhnlich mit Hilfe von Mehrfachsteckern verbunden.
Da der MPO-12-Stecker in der DIN EN 50173-5 und der IEC 11801 als standardisierter RZ-Mehrfachstecker aufgenommen und bei Mehrfaserstecker-Ports von Aktivgeräten unersetzlich ist, entscheiden sich viele RZ-Betreiber in diesem Umfeld für die MPO-Technik (Multipath Push-on). Ursprünglich für Base-12 konzipiert, lässt sich der MPO-12 grundsätzlich auch für Base-8-Kabelstrecken nutzen. Aufgrund seiner zwölf Steckerkanäle ist er für diesen Zweck allerdings grundsätzlich überdimensioniert: Zwangsläufig bleiben pro Stecker vier Fasern ungenutzt.
Strukturierte LWL-Verkabelung mit dämpfungsarmen URM-Steckern
Neben dieser Überdimensionierung schränkt die relativ hohe Einfügungsdämpfung außerdem die Einsatzmöglichkeiten ein. Der nach IEC61300-3-4 normierte MPO-Stecker liegt derzeit etwa bei 0,3 bis 0,5 dB. Da Multimode-GbE-Strecken einen engen Spielraum bei den Dämpfungsbudgets bieten (etwa 1,5 bis 1,9 dB), lassen sich nur Kabelstrecken mit wenigen Patch-Punkten realisieren. Im Einzelfall können sogar bereits drei Patchungen eine störungsfreie Datenübertragung gefährden.
Die hohe MPO-Einfügungsdämpfung ist besonders dann nachteilig, wenn ein Rechenzentrum nach der europäischen Norm EN 50600 zu zertifizieren ist. Die Norm macht umfassende Vorgaben zu Planung, Neubau und Betrieb von Rechenzentren und fordert unter anderem eine strukturierte Verkabelung. Hauptmerkmal dieses Installationskonzepts ist die Gliederung des Kabelsystems. Als ordnende Infrastrukturelemente kommen Haupt-, Zwischen-, Bereichs- und Lokalverteiler zum Einsatz, die jeweils als Patch- oder Spleißboxen realisiert sind.
Nutzt der Betreiber bei der Verkabelung dann MPO-Stecker, kann er das Dämpfungsbudget von GbE-Strecken aufgrund der vielen Patch-Punkte nur schwer einhalten. Base-8 ermöglicht RZ-Betreibern allerdings auch die Verwendung alternativer Steckverbinder. Der nach IEC 61754-34 genormte URM-Stecker (You Are Modular) der Euromicron-Töchter LWL Sachsenkabel und Euromicron Werkzeuge bietet beispielsweise eine Einfügungsdämpfung von weniger als 0,2 dB und eignet sich so deutlich besser für eine strukturierte Verkabelung über mehrere Patchungen hinweg.
Der URM-Stecker liegt bereits in der zweiten Generation vor. Er ist für die Datenübertragung über zwei oder acht Multimode- und Singlemode-Fasern konzipiert. Der Stecker fügt sich somit nahtlos in Base-8-Verkabelungen ein. Der Qualitätsvorsprung in Sachen Dämpfung basiert auf der Ferrulentechnik des Steckverbinders. Anders als beim MPO sind beim URM NG alle Fasern in einzelnen gefederten Keramikferrulen geführt, was die Realisierung einer gleichmäßig konvexen Faserendflächenpolitur jeder einzelnen Faser ermöglicht. Auf diese Weise entsteht eine maximal dämpfungsreduzierende Stirnflächengeometrie. Beim MPO sind dagegen alle Fasern in einer Kunststoffferrule zusammengeführt. Die Endpolitur muss daher bei allen Fasern gleichzeitig, also gewissermaßen als Fasergruppe, erfolgen. Eine gleichmäßige und exakte konvexe Faserendfläche lässt sich so auch bei weit überdurchschnittlichen Polierkenntnissen nur schwerer erreichen.
Kosteneffizienter Übergang von Base-8 auf 2-Faser-Technik
Darüber hinaus ist via URM-System der Übergang von Base-8 auf Base-2 kosteneffizient und mit niedrigen Dämpfungsverlusten durchführbar. Dazu lässt sich der URM über eine einfache Kupplung (URM-K8) mit vier URM-NG-P2-Steckern verbinden. Lediglich eine Patchung ist so für den Übergang von einem Achtfaser-Stecker auf vier Zweifaser-Stecker notwendig. Üblicherweise kommen an dieser Stelle bislang spezielle MPO-LC-Kassetten zum Einsatz, doch dann sind zwei Patchungen pro Link notwendig: eine am MPO- sowie eine am LC-Port. Zusätzlich erleichtert ist der Übergang zu Base-2 mittels URM-Technik durch die Kupplung selbst. Es gibt ausschließlich einen Kupplungstypen. Die Polarität des Systems ist somit immer eindeutig. Weitere Vorteile des URM-Systems: Anders als bei der MPO-LC-Kassette bleibt bei einer Umstellung von beispielsweise 10- auf 100GbE die Verteilertechnik samt URM-K8-Kupplungen erhalten.
Außerdem punktet der URM NG durch seine Push-Pull-Funktion. Durch eine haptische und akustische Rückmeldung wird so das Einrasten des Steckers in die Kupplung bestätigt. Auf diese Weise ist der korrekte Aufbau der Verbindung jederzeit sichergestellt. Auch im laufenden Betrieb bietet die URM-Technik deutliche Vorteile. Im Fall von Service- und Wartungsarbeiten muss der Betreiber beispielsweise nicht wie sonst üblich die gesamte Kabelstrecke unterbrechen. Unproblematisch lassen sich auch einzelne URM-P2-Stecker entfernen. So können alle notwendigen Kabelmessungen einzeln durchgeführt werden, alle anderen Linkstrecken sind dabei nicht beeinträchtig. Dies spart Arbeitszeit und Ressourcen. Wenn eine Inspektion der LWL-Fasern auf der Trunk-Seite stattfinden soll, lässt sich mit Hilfe von Mikroskopadaptern das Trunk-Kabel durch die Kupplung hindurch begutachten. Zum Vergleich: Bei Verwendung der MPO-Technik muss der Techniker für eine solche Inspektion zunächst den MPO-Stecker abziehen, wodurch alle Ports von der Inspektion betroffen sind.
Fazit
Der URM-Stecker fügt sich nahtlos in Base-8-Verkabelungen ein und unterstützt dabei Bandbreiten von 40- und 100GbE ebenso zuverlässig wie künftige Anwendungen mit 400 GBit/s. Wie wichtig ein so einfacher Migrationsweg ist, zeigt die aktuelle Ethernet Roadmap der Ethernet Alliance. Bis zum Jahr 2020 sollen bereits 400GbE (400GBase-SR8/SR4.2) standardisiert sein. Entsprechende Normen sind derzeit in Bearbeitung. Die Spezifikation 400GBase-SR8 soll demnach die Übertragung von 400 GBit/s über acht Kanäle und somit über 16 Multimode-Fasern (OM4) mit einer Reichweite von bis zu 100 Metern normieren.
400GBase-SR4.2 wird eine Übertragung der 400 GBit/s über vier WDM-Kanäle auf Multimode-Fasern (insgesamt kommen dann acht Fasern zum Einsatz) standardisieren. Auch dabei soll eine Reichweite von bis zu 100 Metern erreicht werden. Die Ethernet Roadmap prognostiziert bis 2030 sogar Übertragungsgeschwindigkeiten von 800 GBit/s und 1,6 TBit/s und demonstriert so eindrucksvoll die Schnelligkeit der Entwicklung. Dies setzt allerdings eine hohe Anpassungsfähigkeit aufseiten der Infrastrukturkomponenten voraus. Neue Verkabelungslösungen mit dem URM NG zeigen dies deutlich. Um in diesem Umfeld mithalten zu können, wird eine flexible Verkabelungsstrategie in Rechenzentren - wie sie etwa die EN 50600 vorsieht - für die Zukunftsfähigkeit der Infrastruktur immer wichtiger.
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