Singlemode- oder Multimode-Fasern?

High-Speed, High Data - Verkabelungen für das Rechenzentrum der Zukunft

| Autor / Redakteur: Stephen J. Morris* / Ulrike Ostler

Bisher fiel den meisten Datacenter-Betreibern die Wahl zwischen Singlemode- und Multimode-Fasern (MMF) leicht - der Preis war ausschlaggebend. Doch Software Defined Networks und neue Standards ändern die Regeln.
Bisher fiel den meisten Datacenter-Betreibern die Wahl zwischen Singlemode- und Multimode-Fasern (MMF) leicht - der Preis war ausschlaggebend. Doch Software Defined Networks und neue Standards ändern die Regeln. (Bild: Panduit)

Trotz zuverlässiger Vorhersagen zum Datenwachstum besteht oft Unsicherheit bezüglich der optimalen Spezifikation für Glasfasernetze, um diesem gerecht zu werden. Mehrere Faktoren kommen bei der Entscheidung ins Spiel, ob Singlemode- oder Multimode-Fasern die sicherste Lösung darstellen.

Wir sehen einem gigantischen Wachstum des in Rechenzentren abgewickelten Datenverkehrs entgegen. Die so genannte „Maschine-zu-Maschine“-Kommunikation (M2M) wird Prognosen zufolge zwischen 2015 und 2020 um 44 Prozent (CAGR) steigen (Quelle: Cisco). 100 Gigabit Ethernet ist Teil dieser Entwicklung und soll bis 2019 über 50 Prozent der Übertragungen über optische Transceiver ausmachen (Quelle: Infonetics).

Zusätzlich wird die Einführung von 400 Gigabit Ethernet zwischen 2018 und 2020 erwartet. Die Branche bereitet sich auf die Migration zur Ethernet-Geschwindigkeit der nächsten Generation vor. Sind Sie auch schon bereit?

In der Vergangenheit war die Entscheidung zwischen Singlemode-Faser (SMF) und Multimode-Faser (MMF) einfach – erstere bot die höchste Bandbreite zu einem gewissen Preis, letztere eine kostengünstige Alternative für Anwendungsfälle, die Abstriche bei Geschwindigkeit und Reichweite erlaubten. Heute müssen bei der Entscheidungsfindung weitere Faktoren berücksichtigt werden: ob die Erfüllung von Bandbreitenanforderungen ökonomisch vertretbar ist, Anforderungen bezüglich Reichweite/Entfernung einschließlich der spezifischen Ziele für die Netzwerkarchitektur sowie die Frage, ob zukünftige Ethernet- und/oder Fiber Channel Geschwindigkeiten während des ROI-Zeitraums unterstützt werden können beziehungsweise eine einfache Migration möglich ist. Für eine optimale Auswahl müssen diese vier voneinander abhängigen Kriterien sorgfältig gegeneinander abgewogen werden.

Singlemode-Faser oder Multimode-Faser?

Angesichts ständig wachsender Bandbreiten (Informationsübertragungskapazität) wird die Singlemode-Faser (SMF) von Netzwerkplanern für Rechenzentren oft als beste Zukunftssicherung gegen Bandbreiten-Engpässe angesehen. Traditionell werden mit SMF-Optiksystemen hohe Kosten assoziiert, die für die optischen Transceiver-Module anfallen, während die Gesamtkosten vom Preis der Faserinfrastruktur nur wenig beeinflusst werden.

Gleichzeitig ist bekannt, dass die SMF in Bezug auf Reichweite und Bandbreitenkapazität trotz der höheren Kosten deutliche Vorteile gegenüber der Multimode-Faser (MMF) aufweist. Mit dem Übergang vieler Unternehmen zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung stellt sich allerdings die Frage, ob alternative Verkabelungssysteme Möglichkeiten bieten, die vorher nur mit SMF umsetzbar waren.

An diesem Punkt muss erwähnt werden, dass in letzter Zeit eine Verschiebung der Entscheidungstendenz zu beobachten ist, was den Fasertyp mit dem besten ROI für spezifische Umgebungen betrifft. Der technische Fortschritt positioniert jetzt die MMF an die Spitze, wenn es um sachkundige Entscheidungen für gegenwärtige und zukünftige Netzwerkanforderungen geht.

Kann eine Multimode-Faser (MMF) den zukünftigen Datenverkehr voll unterstützen?

Multimode-Fasern unterstützen einen Großteil der heutigen Anwendungen und Reichweiten im Rechenzentrum zu einem deutlich geringeren Preis. Außerdem hat sie die Kapazität, zukünftige Datenanforderungen im Rechenzentrum bis zu 800 Gigabit Ethernet zu bewältigen.

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Die Schlussfolgerung für Datacenter-Betreiber

Die Bandbreitenkapazität von MMF ist mit dem technologischen Fortschritt bei der optischen Übertragung exponentiell angestiegen. Neuere Entwicklungen im Bereich MMF-Übertragung umfassen die Einführung eines schnelleren VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit 25 Gigabit anstatt der bisherigen 10 Gigabit sowie die Verdoppelung der Modulationsrate (PAM4) und Short-Wave-Division-Multiplexing (SWDM).

2017 kommen die ersten 100G-Transceiver-Module

Mit einer Kombination dieser Innovationen wird die Markteinführung neuer 100 Gigabit Transceiver-Module noch für das Jahr 2017 erwartet. Diese werden dem Multisource-Abkommen (MSA) der SWDM Allianz entsprechen und 100G über zwei MMF (Duplexübertragung/Faserpaar) ermöglichen. SWDM-Entwicklungen für MMF der zweiten und dritten Generation zeigen bereits eine klare Entwicklung bis 200G über zwei Fasern. In Kombination mit „paralleler Optik“ sind 800G problemlos erreichbar.

Unterstützend zu dieser Entwicklung wird die SWDM-MMF-Roadmap gegenwärtig von IEEE 802.3.-High-Speed-Arbeitsgruppen überarbeitet, mit Vorschlägen zu einer neuen SWDM-Nomenklatur, zum Beispiel: 800GBASESR4.4 für 800G (das heißt: vier MMF-Paare mit Betrieb in vier Wellenlängen, um 800G zu erreichen).

Brauchen die Rechenzentren OM5 für SWDM?

Es gibt mehrere MMF-Fasertypen, die SDWM unterstützen, einschließlich OM3, OM4, OM4+ und OM5. 40/100G Multimode SWDM-Transceiver der ersten Generation werden in unterschiedlichen Leistungsstufen mit den verschiedenen MMF-Typen arbeiten.

  • 100G SWDM MSA (von der SWDM Allianz), gibt für die MMF-Duplexübertragung mit 100G die folgende Reichweite an:
  • 75 Meter bei OM3, maximale Einfügedämpfung 1,8 dB IL / Channel (dB IL = Dezibel (Insertion loss)
  • 100 Meter OM4. maximale Einfügedämpfung 1,9 dB IL / Channel
  • 150 meter OM5. maximale Einfügedämpfung 2,0 dB IL / Channel

OM5 und OM4+ wie „Panduit Signature Core“ können eine zusätzliche Reichweite und eine bessere Leistung für SWDM-MMF-Anwendungen bieten. Die meisten Hersteller können OM4 und OM4+ zu günstigeren Preisen als OM5 offerieren. In vielen Fällen erlaubt OM4+ für SWDM-Anwendungen dieselbe Reichweite/dieselben IL-Parameter wie OM5. Sogar Reichweitenvorteile gegenüber OM5 für Anwendungen mit einzelner Wellenlänge (850 Nanometer) sind möglich.

Abbildung 1: Der traditionelle Aufbau eines Netzwerks im Rechenzentrum.
Abbildung 1: Der traditionelle Aufbau eines Netzwerks im Rechenzentrum. (Bild: Panduit)

Anwendungen geben die Entscheidung vor

Der Anstieg des Software Defined Networking (SDN) bringt die Planer von Rechenzentren dazu, von der traditionellen Drei-Schichten-Architektur (siehe: Abbildung 1) zu einer „Spine-Leaf“-Architektur (siehe: Abbildung 2) überzugehen.

Abbildung 2: Der Wegfall einer Netzwerkebene kennzeichnet die neue Architektur; sie wird als „Spine-Leaf“ bezeichnet.
Abbildung 2: Der Wegfall einer Netzwerkebene kennzeichnet die neue Architektur; sie wird als „Spine-Leaf“ bezeichnet. (Bild: Panduit)

Dieser Übergang von 3 Ebenen zu „Spine-Leaf“ führt zu einer höheren Dichte am „Spine“, da jedes „Leaf“ mit jedem Switch am „Spine“ verbunden ist. Eine beliebte Methode, die Probleme mit der erhöhten Dichte zu lösen und die Effizienz des „Spine“ zu erhöhen, ist die Verwendung von Kabel und Komponenten, die eine Breakout-Konfiguration ermöglichen (siehe: Abbildung 3).

Abbildung 3: Letztlich sorgt der Anstieg des Software-defined Networking (SDN) für eine höhere Dichte am Spine“, da jedes „Blatt“ mit jedem Switch am „Ast“ verbunden iwird.
Abbildung 3: Letztlich sorgt der Anstieg des Software-defined Networking (SDN) für eine höhere Dichte am Spine“, da jedes „Blatt“ mit jedem Switch am „Ast“ verbunden iwird. (Bild: Panduit)

Breakout ermöglicht die frühe Anwendung von High-Speed im Rechenzentrum

Bei näherer Betrachtung von 40G Multimode-Fasern (MMF) in Rechenzentren, wird angenommen, dass die Hälfte der Markteinführungen mit „Breakout“-Konfigurationen zusammenhängen, das heißt 40G zu 4x10G. Der treibende Punkt ist nicht die End-to-End-Einführung von 40G, sondern mehr Effizienz bei der Bereitstellung von 10G, einschließlich (bei den nachstehenden Werten handelt es sich um Schätzungen):

  • 20 bis 30 Prozent Kosteneinsparung pro Port
  • 30 bis 50 Prozent weniger Energiebedarf pro Port
  • 50 Prozent Einsparungen am Spine-Rack
  • Mehr Raum für umsatzgenerierende Geräte
  • Zusatznutzen bei begrenzten Raumgegebenheiten

Dasselbe Konzept kontinuierlich steigender Effizienz funktioniert in der nahen Zukunft auch bei 100G (100G zu 4x25G) und 400G (400G zu 4 x100G). Allerdings sollte angemerkt werden, dass die erste Generation von SWDM über MMF vermutlich keine Breakout-Konfigurationen unterstützt. Dies sollte berücksichtigt werden, wenn in Bezug auf die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und die Netzwerkarchitektur die Vorteile von „Duplex“ gegenüber „Parallel“ abgewogen werden.

Kabelreichweiten

Hyperscale-Rechenzentren sind meist große Anlagen mit über 50.000 Server-Ports. Die Reichweite in diesen Anlagen (Entfernung zwischen Server/Switches) übersteigt oft 150 meter. Bei derart langen Reichweiten ist ein Verhältnis von 80 Prozent SMF im Vergleich zu 20 Prpozent MMF nicht unüblich. Anders in Unternehmensrechenzentren, in denen 95 Prozent der Reichweiten unter 100 Metern betragen und MMF für gewöhnlich zu 80 Prozent verwendet werden.

Abbildung 4: Übersicht der Standardisierungsorganisation IEEE über die verschiedenen Kabelreichweiten.
Abbildung 4: Übersicht der Standardisierungsorganisation IEEE über die verschiedenen Kabelreichweiten. (Bild: IEEE/ Panduit)

Moderne Glasfasern bieten auch für MMF Reichweiten, die über den Standard hinausgehen, zusätzlich können neue Transceiver-Spezifikationen die Reichweite ebenfalls verbessern. Die Tabelle xx liefert Beispiele für Link-Reichweiten, basierend auf Standard-Transceivern (ohne erweiterte Reichweite)

Die Kosten

MM-Transceiver können im Vergleich zu SM-Transceivern mit kostengünstigeren VSCEL produziert werden. Diese VCSEL nutzen den Vorteil des größeren Durchmessers von MMF-Kern und Mantel (50/125 Micron - OM3, OM4, OM4+ & OM5) und ermöglichen so einen niedrigeren Preis.

Die strukturierte Netzwerkverkabelung (einschließlich der Glasfaserverkabelung) repräsentiert normalerweise weniger als 5 Prozent des IT-Budgets. Die Kosten für die Faser selbst (SMF oder MMF) machen wiederum einen äußerst geringen Anteil der Verkabelung aus, wenn man alle Kanäle/Links betrachtet. Nimmt man das Beispiel eines 10G MMF-Kanals und rechnet die Kosten der Transceiver zu den Kosten der passiven Kabel-Infrastruktur hinzu, repräsentieren die Transceiver-Kosten etwa 80 Prozent der Gesamtkosten.

Die IEEE-High-Speed-Arbeitsgruppe hat einige wichtige Ziele für MMF und SMF mit Datenraten von 400G und mehr festgelegt. Darunter ist die Reduzierung der Kosten für Singlemode-Transceiver-Module, die jedoch mit Kompromissen einhergeht. Ein Beispiel ist IEEE 400GBASE-DR4 mit einer geplanten Reichweite von 500 m was deutlich kürzer ist, als die Kilometerwerte, die moderne SM-Lösungen heute aufweisen.

Die Lücke zwischen MMF und SMF wird in Zukunft dank der Entwicklung und Marktreife schnellerer Opto-Elektronik und höherer Volumen mit großer Wahrscheinlichkeit kleiner werden. Als Lösung für heutige Ansprüche beträgt der Preisaufschlag für SMF im Vergleich zu MMF allerdings das 1,5- bis 4-fache mehr, je nach verwendetem Transceiver-Modul. Es gibt Ausnahmen, zum Beispiel Entwicklungen im Bereich Silizium-Photonik-Transceiver für SMF wie 100GBASE-PSM4, die eine Angleichung der Preise für SMF und MMF erwarten lassen.

* Stephen J. Morris ist Senior Product Manager bei Panduit in den Regionen Europa, Naher Osten und Afrika.

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