10GBase-T

10-Gigabit-Ethernet / 10GBase-T / IEEE 802.3ae / IEEE 802.3an


Der Standard für 10 Gigabit Ethernet (10GbE; IEEE802.3ae) wurde im Jahr 2002 verabschiedet. Die Zahl der 10GbE-Installationen ist seither zwar jedes Jahr kräftig gewachsen, die Technik wurde jedoch bis heute primär zur Verbindung von Switches und Routern genutzt. Fast alle Serververbindungen in den Rechenzentren blieben bei 1 Gigabit Ethernet (GbE), was den verfügbaren Netzwerkdurchsatz für jeden Server stark limitiert. Der Hauptgrund für dieses Vorgehen ist das Preis-Leistungs-Verhältnis. Lange Zeit war es weitaus günstiger mehrere GbE-Verbindungen einzurichten, als einen einzigen 10GbE-Port. Zudem waren die Server typischerweise nicht in der Lage, die volle Bandbreite einer 10GbE-Verbindung zu nutzen. Beide Faktoren ändern sich jedoch derzeit, was sicher dazu führen wird, dass 10GbE für Serververbindungen in den kommenden Jahren auf breiter Basis Einzug halten werden.


Geringe Verzögerung
10GbE bringt entscheidende Verbesserungen in der Ende zu Ende Übertragung. Für HPC-Anwendungen oder Umgebungen im Finanzhandel sind geringe Latenzzeiten absolut kritisch. 10GbE reduziert nicht nur die Übertragungszeit von Paketen um den Faktor 10, 10GbE-Switches sind den GbE-Switches typischerweise auch bei der Latenz um mehrere Größenordnungen überlegen. Für verzögerungsempfindliche Anwendungen bringt 10GbE also signifikante Verbesserungen.


IEEE 802.3ae / 10-Gigabit-Ethernet über Glasfaserkabel

  • 10GBase-LX4: Multimode- oder Singlemode-Glasfaser (300 m und 10 km) mit einer Wellenlänge von 1310 nm.
  • 10GBase-SR: Multimode-Glasfaser (300 m, OM3 Faser) mit einer Wellenlänge von 850 nm. Mit Fiber Klasse OM4 sind bis zu 550m möglich.
  • 10GBase-LR: Singlemode-Glasfaser (bis 10 km) mit einer Wellenlänge von 1310 nm.
  • 10GBase-ER: Singlemode-Glasfaser (bis 40 km) mit einer Wellenlänge von 1550 nm.


IEEE 802.3ak / 10-Gigabit-Ethernet über Twinax-Kabel

  • 10GBase-CX4: 10 Gigabit über 8 Twinax-Paare bis maximal 10 Meter (typisch 7,5 Meter) für top-of-rack (ToR) Architektur.


IEEE 802.3an / 10-Gigabit-Ethernet über Twisted-Pair-Kupferkabel

  • 10GBase-T: 10 Gigabit über CAT7- und CAT6a-Kabel



Übertragungstechnik von 10GBase-T


10GBase-T nutzt alle vier Adernpaare des Twisted-Pair-Kabels. Die 10 GBit/s sind auf 4 Adernpaare aufgeteilt. Das sind 2,5 GBit/s pro Adernpaar. Eine solche Übertragungsrate ist mit einem binären Übertragungsverfahren nicht möglich. Deshalb werden pro Taktschritt mehrere Bits übertragen. Die Grenzfrequenz von 10GBase-T ist auf 412 MHz festgelegt. Die Maximalfrequenz von Cat6A liegt beispielsweise bei 500 MHz. Geeignet sind somit Verkabelungssysteme nach CAT6A und CAT7. Mit Abstrichen in der Reichweite konnte aber mit guten Verkabelungssystemen eine 10G-Base-T Verbindung mit CAT6 und CAT5e hergestellt werden, ist aber nicht in den Standards weder spezifiziert oder garantiert.


Um 10 GBit/s möglich zu machen, werden mit verbesserten Kodierverfahren mehr Zustände (Symbole) pro Übertragungsschritt übertragen. Mit ähnlichen Verfahren arbeiten bereits analoge Modems. Anstelle von einfachen binären Verfahren, werden über viele Amplitudenwerte mehrere Bits pro Übertragungsschritt transportiert. 10GBase-T setzt auf PAM16, eine Puls Amplituden Modulation mit 16 Stufen. Sie bilden 4 Bit in einem Übertragungsschritt ab. Doch dieses und vergleichbare Verfahren haben ihre Grenzen. Mit zunehmender Anzahl der Bits pro Übertragungsschritt steigt die Anfälligkeit gegenüber Störungen.

  • Übersprechen am nahen Ende (NEXT: Near End Crosstalk)
  • Übersprechen am entfernten Ende (FEXT: Far End Crosstalk)
  • Übersprechen von benachbarten Kabeln (AXTLK: Alien Crosstalk)


Die maximal erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit hängt vom Signal/Rausch-Abstand ab. Deshalb arbeitet man daran, die Störungen zu eliminieren. Typischerweise wird mit mathematischen Funktionen und Algorithmen versucht typische Störungsmuster zu erkennen und heraus zu filtern. Die notwendige Rechenleistung ist jedoch sehr hoch.

Weil das Übertragungsverfahren an das Kabel angepasst werden muss, wird nach dem physikalischen Zusammenschalten zweier Stationen der Übertragungsstrecke ausgemessen. Das bedeutet, vor der Datenübertragung gehen die Endstellen an den beiden Kabelenden in einen Trainingsmodus über. Danach stellen sie die Sendeleistung ein und parametrieren ihre Empfänger. Die Bedingungen für die Datenübertragung sind von der Kabellänge, der Kabelqualität, der Behandlung beim Verlegen und vielen anderen Parametern abhängig.


Kabelinstallation für 10GBase-T

Kategorie

Grenzfrequenz

Reichweite

Besonderheit

CAT5e

100 MHz

~ 22 m

nicht spezifiziert

CAT6

250 MHz

~ 55 m

nicht spezifiziert

CAT6A

500 MHz

100 m

CAT7, CAT6A Buchsen u. Stecker

600 MHz

100 m


Einfach nur Cat-6A- oder Cat-7-Kabel zu verwenden, reicht für 10GBase-T oftmalsnicht aus. Erschwerend kommt hinzu, dass auch die Bedingungen bei der Kabelinstallation eine große Rolle spielen. Hinzu kommen Maßnahmen, die sich durch die gesamte Installation ziehen müssen.

Wie bereits erwähnt ist der Betrieb von 10GBase-T auf CAT5e und CAT6 möglich, aber nur mit Abstrichen bei der Reichweite. Die genaue Reichweite ist aber nicht spezifiziert und hängt von der Güte des gesamten Verkabelungssystems ab. Auf jeden Fall sollte hier vorab die Installation mit guten und kalibrierten Messgeräten überprüft werden. Gegebenenfalls ist hier ein Austausch der Installation in Teilbereichen z. B. durch CAT6A Komponenten erforderlich.

Anzuraten ist zudem auch bestehende CAT6A oder CAT7 Installationen zu überprüfen. Es wurden gerade bei sogenannten „Mixed and Match“ Systemen, dass heißt, es wurden Verkabelungslösungen bestehend aus Komponenten verschiedener Hersteller verbaut, erheblicheProbleme bei 10GBase-T Verbindungen festgestellt.

Nicht nur Fast- und Gigabit-Ethernet leiden unter Kopplungseffekte, Übersprechen und Fremdsprechen. Hersteller hochwertiger Systeme auch auf UTP-Basis haben diese Parameter im Griff und garantieren bei fachgerechter Installation den Betrieb von 10GBase-T über Ihre Verkabelungslösungen.

Bei großen weitflächigen Installationen werden durchgängig metallische Kabeltrassen (ohne Löcher und Schlitze) empfohlen. Pro Kabeltrasse sind eine maximale Füllmenge und ein dazugehöriges Erdungskonzept vorgeschrieben. Zusätzlich sind gegebenenfalls Abdeckungen vorgesehen.

Bei diesen Anforderungen erkennt man schnell, dass 10GBase-T nicht für die flächendeckende Arbeitsplatz-Vernetzung vorgesehen ist. Für die Verbindung übergeordneter Netzwerk-Stationen lohnt sich auf jeden Fall aufgrund des Aufwandes, dem Preis und der Leistung über Glasfaserkabel nachzudenken.