40GBase-T im Rechenzentrum
Kategorie 8 und die Kosten
Die Entwicklung zu immer höherer Bandbreite in der Netzwerktechnik geht ungebremst weiter. Rechenzentren gelten als Ort höchster datentechnischer Anforderungen. Dort verdichten sich Informationsflüsse, Server-Farmen verarbeiten sie, Speichernetzwerke übernehmen die Lagerung, Router und Switches senden sie in andere Bereiche des Netzwerks - lokal wie global. Datenraten von 10 GBit/s werden bereits in wenigen Jahren nicht mehr ausreichen, um den explosionsartig wachsenden Bandbreitenbedarf in Rechenzentren zu decken.Die internationale Standardisierung hat den Anforderungen im RZ Rechnung getragen und im Juli 2012 seitens IEEE 802.3 mit großer Mehrheit die Gründung einer 40GBase-T Study Group beschlossen. Zunächst ist es sinnvoll, dazu die Entwicklung von 10GBase-T zu betrachten. In heutigen Rechenzentren ist 10 Gigabit Ethernet der De-facto-Standard. Nach langer Anlaufzeit erfolgte der Durchbruch von 10GBase-T im Jahr 2013. Bild 1 zeigt die Prognose der Linley Group, die die Volumenentwicklung bei allen 10G-Verfahren dokumentiert. Bereits im Jahr 2014 soll 10GBase-T demnach eine beherrschende Marktposition einnehmen. Für die dargestellten einzelnen Varianten von 10G gilt: 10GBase-S/L ist genormt seit 2002, 10GBase-CR ist genormt seit 2002 und 10GBase-T ist genormt seit 2006. Für großtechnische Verwendung kommt nur die LOM-Ausführung (LAN on Motherboard) in Frage. Fibre Channel als konkurrierendes Verfahren hatte eine zeitigere Einführung im Server-Bereich verhindert. Den stark wachsenden Trend von 10GBase-T hat auch eine Studie von BSRIA für die geplanten Verkabelungslösungen im Rechenzentrum bis 2014 untersucht (Bild 2). Maßgebend für den wirtschaftlichen Erfolg von 10GBase-T ist möglicherweise der geringere Leistungsverbrauch von komplexen Chipstrukturen kommender 28-Nanometertechnik. Dabei ist die Leistungsaufnahme auf das Niveau von 10GBase-CX4 oder 10GBase-SR reduziert, was wiederum die Systemkosten signifikant senkt. Server-Hersteller können durch 10GBase-T-LOM einen niedrigeren PUE-Wert erzielen. Der Energieverbrauch beim Einsatz von 28-Nanometer-Chiptechnik liegt unter 2,5 W pro Port. Im Vergleich dazu hatten die ersten 130-Nanometer-PHY-Anwendungen einen Verbrauch von etwa 10 W pro Port. In Bild 3 ist diese Entwicklung dargestellt. Normen in der Entstehung Der Wissenschaftler C.E. Shannon hat 1940 die mathematischen Grundlagen für die digitale Signalübertragung entwickelt. Diese nutzt die Gesetzmäßigkeit der Physik, die die maximalen Datenraten bestimmt. Die Shannon-Kapazität lässt sich durch technische Hilfsmittel nicht überschreiten. Je höher die Bandbreite des eingesetzten Signals, je größer die Übertragungsleistung und je kleiner die Störleistung, desto höher wird die mögliche Datenübertragungsrate. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann dabei nicht durch eine Erhöhung der Sendeleistung verbessert werden, wenn die Störleistung, wie bei der Verkabelung üblich, nach einem fixen Verhältnis aus der Sendeleistung entsteht, wie zum Beispiel bei RL (Return Loss). Ein Vergleich der unterschiedlichen Verkabelungskonfigurationen (UTP, SF/UTP und S/FTP) zeigt die unterschiedlichen Shannon-Kapazitäten auf. Dient als Berechnungsbasis die ungeschirmte Variante (100 Prozent), dann nimmt die Shannon-Kapazität bei den S/FTP geschirmten Varianten um 20 Prozent zu. Der normative Ansatz, die Klasse FA mit höheren NEXT- und FEXT-Werten zu bemessen, bringt in der Betrachtung der Shannon-Kapazität keine signifikanten Verbesserungen. Der Ansatz, den Wert von RL zu erhöhen, bringt dagegen die nötige Erhöhung der Shannon-Kapazität. Innerhalb des Normenentwurfs nach ISO/IEC TR 11801-99-1 befinden sich derzeit die neuen Standards mit den Klassen I und II in der Entwicklung. Für die Bandbreite und den Frequenzbereich sind zurzeit 1.600 und 2.000 MHz im Gespräch. Übertragungsstrecke und Link der Klasse I/Kategorie 8.1 basieren auf Kategorie 6A, was etwa Cat.8 nach TIA-568-C.2.1 mit erweitertem Frequenzbereich bis 2.000 MHz entspricht. Kategorie 8.1 ist rückwärtskompatibel nur bis zu Kategorie 6A. Zu den wesentlichen Anpassungen zählen vor allem ein zusätzlicher Schirm, eine besondere Trennung zwischen den Paaren und dem Gesamtschirm, eine angepasste Verseilung sowie eine erhebliche Erweiterung des Frequenzbereichs von 500 MHz auf bis zu 2.000 MHz. Kategorie 7A erweitert Übertragungsstrecke und Link der Klasse II/Kategorie 8.2 basieren auf Kategorie 7A mit erweitertem Frequenzbereich. Bei der Verwendung eines typischen S/FTP-Kabelaufbau ist Kategorie 8.2 rückwärtskompatibel zur Kategorie 7A. Notwendig ist dazu nur eine leicht angepasste Verseilung für den geringfügig erweiterten Frequenzbereich von 1.500 MHz bis 2.000 MHz. Bemerkenswert: Obwohl der Kategorie-7A-Standard mit 1.000 MHz spezifiziert ist, existieren im deutschen Markt bereits Kabeldesigns bis 1.500 MHz. Dem gegenüber steht der Normentwurf nach TIA-568-C.2. Übertragungsstrecke und Link basieren dort auf Cat.6A mit erweitertem Frequenzbereich bis 2.000 MHz. Eine Rückwärtskompatibel ist nur bis zu Cat.6A gegeben. Innerhalb der TIA-Normungsorganisation gibt es keine Spezifikation für Kategorie 7 und 7A. Eine sinnvolle Kostenanalyse kann von den zu erwartenden Kabeldesigns der Klassen I und II ausgehen. Diese sind abgeleitet aus bestehenden Kabel-Designs der Klassen EA und FA und dienen zur Ermittlung eines Basiskostenwerts. Die genauen Zahlen sind in Tabelle 1 auf Seite 46 dargestellt. Die Kostenanalyse zeigt große Unterschiede bei den notwendigen Kabeldesignanpassungen und den daraus entstehenden Zusatzkosten auf. Kostenanalyse künftiger Kabeldesigns Diese betragen bei Kategorie 8.1 F/UTP 100 Prozent und bei Kategorie 8.2 S/FTP gerade einmal 25 Prozent, sobald eine industrielle Serienfertigung möglich ist. Die Gesamtkosten liegen somit bei Kategorie 8.1 F/UTP um etwa 65 Prozent höher als bei Kategorie 8.2 S/FTP. Hohe Anforderungen an Steckersysteme Da die heutigen Steckerkonzepte der Kategorie 7A an die Leistungsgrenzen beim RL (Return Loss) gelangen, ist es für die Hersteller in diesem Umfeld - in diesem Fall BKS - äußerst wichtig, genau diese RL-Werte sowie die NEXT-Werte zu verbessern. Die besseren Werte der Komponenten sind jedoch auf das Zusammenspiel mit optimierten Kabeln angewiesen, die die Anforderungen ebenfalls erfüllen. Innerhalb einer Machbarkeitsstudie gemäß den Normentwürfen nach ISO/IEC 11801-99-1 testete das Labor der GHMT den Steckverbinder BKS MMCpro (mit geschlossenem Kammersystem pro Adernpaar) in Verbindung mit einem Draka-Kategorie-8.2-Kabelprototyp. Die Messungen zeigten, dass sich die von manchen Experten als "beinahe unerreichbar" angesehenen Werte durch das richtige Stecker-Buchsen-Design sehr wohl erreichen und sogar weit übertreffen lassen. Der gemessene Link eines 40-Meter-Channels nach ISO/IEC 11801-99-1 N2076 weist gegenüber den geplanten normativen Vorgaben sehr große Reserven vor allem beim RL-Wert auf. Ob 40GBase-T für einen Einsatz im Feld über 100 Meter mit den heute definierten Werten tauglich sein wird, ist fraglich. Im Moment liegt die Hauptanwendung von 40GBase-T bei der Erschließung von Servern im Access-Bereich und noch nicht in der klassischen horizontalen Gebäudeverkabelung. Die Messungen der GHMT zeigen jedoch deutlich, dass die im Normentwurf vorgegebene Channel-Länge von 30 Metern bereits heute mit den getesteten Steckverbindern sogar mit Reserve erreichbar ist. Durch die Ergebnisse der GHMT-Messung erweist sich zudem auch die Betrachtung eines Links mit mehr als 30 Metern Länge als äußerst interessant. Fazit Die ISO/IEC TR 11801-99-1 schafft die Voraussetzungen zur wirtschaftlichen Bewertung von zukünftigen Kabeldesignoptionen der Klassen I und II. Der Einsatz von Kabeln der Kategorie 8.2 ist eine von der Kostenseite optimale Entscheidung. Das entsprechende S/FTP-Designs erweist sich dabei als die durchweg empfehlenswerteste Standardlösung, die einzig rückwärtskompatibel zu Kategorie 7A ist. Der Installationsstandard EN 50174-2 liefert allgemeine Installationshinweise bei der gemeinsamen Verlegung der Kabel für die Stromversorgung und die Informationstechnik und schafft zudem die Voraussetzungen zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung von Verkabelungsoptionen in der Horizontalverkabelung von Datennetzen. In allen Fällen ist der Einsatz von Kabeln, die eine Trennklasse D ermöglichen, die wirtschaftlich sinnvollste Lösung. Die Merkmale eines kammergeschirmten Steckverbindersystems (Non-RJ45) ermöglichen schon heute die Realisierung von Verkabelungen, die die normativen Vorgaben bei erfüllen. Der Ansatz der Normierung in Bezug auf RJ45-Komponenten die auf 1.600MHz "getunt" werden, bedarf einer weiteren Betrachtung. Die Werte, die in der Norm für die Klasse I (40GBase-T) beschrieben sind, sind teilweise so abgeschwächt, dass eine Übertragung von 40GBase-T bei einem Signal-Rausch-Abstand von 40 dB allein wegen der geringen schlechten Kopplungsdämpfung von etwa 50 dB und der bekannten Problematik des RL-Werts bei RJ45-Komponenten nicht leicht zu verwirklichen ist.
Lesen Sie mehr zum Thema
