Inbetriebnahme und Wartung von 400G Ethernet

Schnelles und skalierbares Ethernet

30. Juli 2021, 07:00 Uhr   |  Michael Rieß/jos

Schnelles und skalierbares Ethernet

Gerade die COVID-19-Pandemie hat gezeigt, dass schnelle Internetverbindungen und höhere Ethernet-Geschwindigkeiten immer essenzieller werden. Cloud-Dienste, Online-Konferenzen, Video-Streaming in UHD oder Online-Gaming haben den Bandbreitenbedarf enorm gesteigert. Es ist nicht zu erwarten, dass diese Entwicklung künftig rückläufig sein wird. Dienstanbieter und RZ-Betreiber stehen daher vor der stetigen Herausforderung, schnelle und skalierbare Ethernet-Verbindungen effizient bereitzustellen.

Skalierbare 400G-Ethernet-Lösungen adressieren die Forderung nach höheren Bandbreiten bei geringerem Platzbedarf im Rechenzentrum. Die Inbetriebnahme und Wartung solcher schnellen Ethernet-Dienste erfordert auch Messlösungen, die die Inbetriebnahme, Überwachung und Fehlersuche einfach und kostengünstig gestalten.

400G-Transceiver

Zur Übertragung von 400G Ethernet kommen auf der Client-Seite neben CFP8- und OSFP-Transceivern am häufigsten QSFP-DD-Transceiver (Quad Small Formfactor Pluggable Double Density) zum Einsatz. Die QSFP-DD-Transceiver sind eine Weiterentwicklung der beliebten 100G-QSFP28-Transceiver. Sie nutzen denselben Formfaktor wie QSFP28, nur ist die Anzahl der elektrischen Lanes von vier auf acht verdoppelt, die Datenrate von 28 GBit/s/Lane auf 56 GBit/s/Lane. Die Rückwärtskompatibilität zum QSFP28-Formfaktor ermöglicht optische Switches, deren Ports für unterschiedliche Datenraten wie 100G, 200G und 400G geeignet sind. Ein 400G-Port kann daher sowohl mit 100G- als auch mit 400G-Optiken bestückt werden und erlaubt so das einfache Upscaling von 100G auf 400G. Während bei 100G-Transceivern noch klassische Bitfolgen mit NRZ-Kodierung (Non Return to Zero) zur Modulation der Signale zum Einsatz kommen, verwenden die meisten 400G-Schnittstellen (beispielsweise 400GBase-FR8, 400GBase-LR8, 400GBase-SR8, 400G­Base-ER8 sowie  400­GBase-­­FR4 und 400GBase-LR4) das vierstufige Pulsamplituden-Modulationsverfahren PAM4, um im gleichen Zeitintervall die doppelte Informationsmenge zu übertragen. Dies führt allerdings im Gegenzug zu einer höheren Störempfindlichkeit.

Das Signal ist mit PAM4 nicht mehr fehlerfrei über die Glasfaser übertragbar. Aufgrund der hohen Datenrate und dem geringeren Signal/Rauschabstand treten Bitfehler durch Rauschen, Interferenzen und Reflexionen auf der Glasfaserstrecke auf, die den Einsatz von Fehlerkorrekturverfahren wie KP4 (RS-FEC: Reed-Solomon Forward Error Correction) erfordern. Bei der Bewertung eines 400G-Transceivers reicht es daher nicht mehr aus, nur die Fehlerrate zu betrachten. Es ist notwendig, neben der Fehlerrate vor und nach der Fehlerkorrektur (Pre-FEC und Post-FEC) auch die Symbolfehlerverteilung mitzubewerten, da die zur Verfügung stehende Fehlerkorrektur nur maximal 15 Fehler pro FEC-Block mit 5.440 Bits berichtigen kann.

Die PAM4-Transceiver unterstützen abhängig vom Typ Distanzen von bis zu zwei, zehn oder 40 km. Für größere Entfernungen sind 400GBase-ZR/ZR+-QSFP-DD-Transceiver eine Lösung: Diese können Distanzen bis 80 km und mehr überbrücken und stellen die Verbindung von zwei Rechenzentrums-Standorten über DWDM-Glasfaserstrecken her.

Die 400G-ZR/ZR+-Transceiver nutzen mit DP-16QAM (Dual-Polarization 16-ary Quadrature Amplitude Modulation) ein kohärentes Modulationsverfahren, das eine Übertragung von 400G pro DWDM Wellenlänge erlaubt. Die Leistungsaufnahme der 400GBase-ZR/ZR+-QSFP-DD-Transceiver ist mit mehr als 15 W hoch. Um solche Transceiver in einem Ethernet-Tester einsetzen zu können, muss der QSFP-DD-Port die notwendige elektrische Energie bereitstellen.

Die technischen Grundlagen der Übertragungstechnik für 400G Ethernet sind insbesondere auf der physischen Ebene sehr komplex. Bei der Einrichtung und Aktivierung von 400G-Diensten stehen Techniker zusätzlich vor der Anforderung, die optischen Transceiver und die eingerichteten Ethernet-Dienste möglichst schnell und effizient zu prüfen, die Ergebnisse zu protokollieren und diese anschließend zu dokumentieren.

Moderne, portable Netzwerktester zur Inbetriebnahme und Wartung von 400G-Ethernet-Diensten unterstützen Techniker durch vorgegebene Arbeitsabläufe. Diese sind einfach, intuitiv und schnell konfigurierbar und garantieren so die schnelle, sichere und kosteneffektive Einrichtung. Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass die Einfüge- und Dämpfungswerte der Glasfaserstrecke selbst bereits vermessen sind und den notwendigen Dämpfungs-Vorgaben entsprichen. Alle optischen Steckerverbindungen sind bereits inspiziert und gereinigt.

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1. Schnelles und skalierbares Ethernet
2. Optik-Selbsttest
3. RFC-2544

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