40/100 Gigabit Ethernet

40 Gigabit und 100 Gigabit Ethernet Standards eingeführt

Am 17. Juni 2010 wurden von der Arbeitsgruppe 802.3 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) die 40 Gigabit und 100 Gigabit Ethernet Standards eingeführt. Diese neuen revolutionären Ethernet-Geschwindigkeiten öffnen die Tür zu wesentlich leistungsfähigeren Netzwerken und ermöglichen eine Vergrößerung, die beim 10 Gigabit Ethernet zuvor unmöglich war. Dieses White Paper gibt einen Überblick über die 40 Gigabit und 100 Gigabit Ethernet-Technologien und Anwendungen in Netzwerken von Serviceprovidern, Datenzentren und Unternehmen.


40 Gigabit Ethernet Anwendungen

Innovative Datencenter-Technologien, einschließlich Virtualisierung, konvergierte Datencenter-Netze und Cloud Computing, verändern den Aufbau herkömmlicher Netzwerke in Datenzentren. Moderne Netzwerke benötigen mittlerweile eine viel höhere Bandbreite, um alle Anforderungen an die Leistung und Flexibilität erfüllen zu können, die die neuen Anwendungen stellen. Zunächst sind die 40 Gigabit Ethernet Anwendungen gezielt ausgerichtet auf Core und Aggregation Layers in Datenzentren mit geringer Reichweite oder Top-of-Rack (ToR) Server Aggregation mit Kupferkabeln oder Multimode-Fasern (MMF) von bis zu 125 m. Darüber hinaus werden in dem Standard ebenfalls Schnittstellen mit größerer Reichweite für interne Datencenter sowie Metro und Campus Core Networks mit Entfernungen von bis zu 10 km über Single-Mode Fasern (SMF) festgelegt. Folglich gilt das 40 Gigabit Ethernet als die nächste Geschwindigkeit für Blade-Server-Zugriffe und Server-Netzwerkkarten (NICs). Da die Prozessorleistung weiterhin dem Mooreschen Gesetz folgt und sich etwa alle 24 Monate verdoppelt, kann davon ausgegangen werden, dass die Server in den kommenden Jahren 40 Gigabit Ethernet-Schnittstellen benötigen werden.


100 Gigabit Ethernet Anwendungen

Im Gegensatz dazu sind 100 Gigabit Ethernet Anwendungen auf SP Core und Aggregation Networks, Metro Core sowie große Campus Core Networks ausgerichtet. Angetrieben von der allgegenwärtigen Nachfrage nach drahtgebundenem und mobilem Zugang zu personalisierten Inhalten durch Unternehmen und Verbraucher verfügen diese Anwendungen über höchste Bandbreiten- und Redundanzvorgaben für äußerst leistungsstarke Ethernet-Netzwerke, und ermöglichen Entfernungen von bis zu 40 km anhand von SMF. Für Core und Aggregation-Anwendungen in Datenzentren mit geringer Reichweite kommen 100 Gigabit Ethernet-Technologien mit Kupferkabeln und bis zu 125 m MMF zum Einsatz.


Hintergrund

2006 gründete die Arbeitsgruppe 802.3 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) die Higher Speed Study Group (HSSG) zur Erforschung des Bedarfs nach einer Ethernet-Technologie, die schneller als 10 Gigabit Ethernet ist. Die HSSG schlussfolgerte, dass die Leistungsanforderungen - bedingt durch die Allgegenwärtigkeit der Internetinhalte und Inhalte mit hoher Bandbreite - zunehmend die Kapazitäten der Netzwerke übersteigen würden, die anhand des 10 Gigabit Ethernet errichtet wurden. Vorgeschlagen wurden daher zwei neue Ethernet-Raten: 40 Gigabit Ethernet für Serverzugriff und Datencenter-Anwendungen und 100 Gigabit Ethernet für Network Aggregation und Backbone-Anwendungen. Im Januar 2008 wurde die IEEE P802.3ba Task Force zur Entwicklung der 40 Gigabit und 100 Gigabit Ethernet Standards gegründet, und am 17. Juni 2010 verabschiedete die IEEE den 802.3ba Standard als Änderung der Ausführung IEEE 802.3-2008.


Technologieüberblick

Der 802.3ba Standard beschreibt erweiterbare Architekturen, die 40 Gigabit Ethernet, 100 Gigabit Ethernet sowie zahlreichen Bitübertragungsschichten Platz bieten. Diese flexiblen Architekturen unterstützen spezifische Bitübertragungsschichten, die dank heutiger - und zukünftiger - Technologien realisierbar und kostengünstig sind, ohne den Standard umschreiben zu müssen. Darüber hinaus ermöglichen sie es Anbietern, ihre bestehenden Technologien und ihr geistiges Eigentum wiederzuverwenden.

Die folgenden Ziele wurden von der IEEE 802.3 Arbeitsgruppe festgelegt, um zu gewährleisten, dass das 40 Gigabit und das 100 Gigabit Ethernet mit bestehenden Ethernet-Netzwerken nahtlos kompatibel sind:

Unterstützt nur Vollduplex •

Bewahrt das 802.3 Ethernet Rahmenformat•

Bewahrt die 802.3 minimalen und maximalen Rahmengrößen•

Unterstützt eine Bitfehlerrate (BER), die höher als oder gleich 10• -12 4 ist

Um zu gewährleisten, dass 40 Gigabit und 100 Gigabit Ethernet auch auf Metro- und optische Großraumnetzwerke übertragen werden können, wurde ein Ziel zur Unterstützung des Optischen Transportnetzes (OTN) festgelegt. Die IEEE kooperierte eng mit dem Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) SG15, um vollständig kompatible Ethernet- und optische Transportstandards festzulegen. Wie in der ITU-T G.709 Hierarchie (Änderung, 3. Oktober 2009) festgelegt, kann das 40 Gigabit Ethernet in OTU3 und das 100 Gigabit Ethernet in OTU4 transportiert werden.

Schlussendlich wurden zudem mehrere Ziele hinsichtlich der Bitübertragungsschicht (siehe Tabelle 1) aufgestellt, um Vorgaben für eine facettenreiche Kombination von Reichweiten und Medien zu erhalten, sodass zahlreiche neue Ethernet-Anwendungen unterstützt werden können. Eines der wichtigsten zu lösenden Probleme war die Wahl der besten Lösung für die Nutzung bereits vorhandener Technologien im Rahmen der Deckung des Marktbedarfs und der Einhaltung der Kostenziele. Die ersten elektrischen Schnittstellen sind entweder vier Spuren mit 10 Gbps für 40 Gigabit Ethernet oder zehn Spuren mit 10 Gbps für 100 Gigabit Ethernet. Der Standard ist flexibel und wird bei Weiterentwicklung der Technik zukünftig zwei x 50 Gbps Spuren oder eine x 100 Gbps Spur unterstützen.

Bitübertragungsschicht Reichweite

1 m Backplane

7 m Kupferkabel

100 m OM3, 125 m OM4 MMF

10 km SMF

40 km SMF

40 Gigabit Ethernet Target Applications: Server, Datencenter, Campus, Metro, Backbone

Name

40GBASE-KR4

40GBASE-CR4

40GBASE-SR4

40GBASE-LR4

Signalgebung

4 x 10 Gbps

4 x 10 Gbps

4 x 10 Gbps

4 x 10 Gbps

Medium

Kupfer-Backplane

Twinax-Kabel

MPO MMF

Duplex SMF

Modul/Anschluss

Kupfer-Backplane

QSFP-Modul, CX4 Interface

QSFP-Modul

QSFP-Modul, CFP Interface

Verfügbarkeit

Keine bekannte Entwicklung

2010

2010

QSFP: 2011–2012CFP: 2010

100 Gigabit Ethernet Target Applications: Datencenter, Campus, Metro, Backbone, WAN

Name

100GBASE-CR10

100GBASE-SR10

100GBASE- LR4

100GBASE- ER4

Signalgebung

10 x 10 Gbps

10 x 10 Gbps

4 x 25 Gbps

4 x 25 Gbps

Medium

Twinax-Kabel

MPO MMF

Duplex SMF

Duplex SMF

Modul/Anschluss

QSFP-Modul, CX4 Interface

CXP-Modul, CFP-Modul

CFP-Modul

CFP-Modul

Verfügbarkeit

2010

2010

2010

2011–2012



Medienschnittstellen

Wie bei jeder neuen Technologie-Generation bestand ein Entwicklungsziel darin, sich so viel bestehende Technologie wie möglich zu Nutze zu machen. Durch die Minimierung der Anzahl neuer Schnittstellen werden die Schnittstellen kostengünstiger und können von der Massenproduktion und Unkompliziertheit profitieren. Um dieses Entwicklungsziel umsetzen zu können, werden bei der ersten Generation des 40 Gigabit und 100 Gigabit Ethernet lediglich drei Medienmodule verwendet: QSFP, CXP und CFP.

40 Gigabit Ethernet QSFP-Modul

Das Quad Small Form Factor Pluggable (QSFP) Modul, das entwickelt wurde, um vier SFP-Module in Datencenter-Anwendungen mit kurzer Reichweite zu ersetzen, unterstützt optische und elektrische Schnittstellen, die nur wenig Strom verbrauchen. Dieses Modul wird für zahlreiche Ethernet-, Fibre Channel- und InfiniBand-Anwendungen genutzt (einschließlich 40GBASE-CR4, 40GBASE-SR4 und 40GBASE-LR4 (im Jahr 2011)). Das QSFP gilt als bevorzugtes optisches Modul für 40 Gigabit Ethernet, da es klein und kostengünstig ist. Das QSFP-Modul besitzt dieselbe Blendengröße wie das XFP, ist jedoch etwas kürzer (8,5 mm hoch x 18,35 mm breit x 52,4 mm lang).

100 Gigabit Ethernet CXP-Modul

Das CXP wurde als Ersatz für das SNAP-12 Modul (hauptsächlich für InfiniBand genutzt) entwickelt und wird für Datencenter-Anwendungen mit kurzer Reichweite und hoher Dichte verwendet. Das CXP ist äußerst kompakt, verbraucht jedoch nicht so viel Strom wie die Module mit langer Reichweite und ist mit einem 24-faserigen parallelen Multimode-Kabel ausgestattet. CXP-Module werden für 100GBASE-CR10, 100GBASE-SR10 und InfiniBand 12X QDR eingesetzt. Das CXP ist etwas größer als das XFP (27 mm breit x 45 mm lang).