Verkabelung im Rechenzentrum

Wege aus dem Distanz- und Durchsatzdilemma im Datacenter

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Es tut sich etwas bei den Standards für die Datacenter-Kabel - der Trend geht zu Singelmode und entsprechend günstiger werdenden Transceivern.
Es tut sich etwas bei den Standards für die Datacenter-Kabel - der Trend geht zu Singelmode und entsprechend günstiger werdenden Transceivern. (Bild: © vladimircaribb / Fotolia.com)

Die Rechenzentrumsverkabelung steht vor großen Veränderungen. Denn einerseits machen immer größere Datenmengen immer leistungsfähigere Verbindungen notwendig, andererseits bedeuten noch größere Bandbreiten pro Faser bei Multimode-Faser extrem verkürzte Distanzen.

In den Rechenzentren dominiert heute auf der Ebene der Server-Racks klar 1 und 10 Gigabit pro Sekunde (GBit/s) Ethernet Twisted Pair und Twinax Kupferverkabelung. „Das wird auch weiterhin so sein, denn Kupfer kostet weniger und reicht für diese kurzen Distanzen völlig aus“, erläutert Harald Jungbäck, Product Manager für Rechenzentrums-Verkabelungsysteme bei Rosenberger OSI.

Und er ergänzt: „Sobald sich eine nächstschnellere Geschwindigkeit in Glasfasertechnik etabliert hat, zieht Kupfer nach. Aktuelles Beispiel sei 40 GBASE-T Ethernet, das nun auch mit Twisted Pair Komponenten der neuen Kategorien 8.1 und 8.2 realisiert werden könne, wobei 8.1 eine Weiterentwicklung der Kategorie 6a ist und über RJ-45-Stecker arbeitet.

Version 8.2 hingegen ist der weiterentwickelte 7a-Standard, wobei das Kabel nur noch 30 Meter überbrücken kann. Allein das zeigt schon, dass die Anwendungsfelder auf das enge Umfeld von Server-Racks, der Verbindungen zwischen Servern und Switches begrenzt ist.

Die Verbindungen zwischen Switches bis hin zum Backbone werden meist in 10/40/100-GBit/s-Ethernet auf 850-Nanometer-Multimode-Fasern nach der Spezifikation „OM4“ übertragen. Je nach Geschwindigkeit lassen sich derzeit nur bis zu 150 Meter über OM4 überbrücken. Höhere Geschwindigkeiten führen dazu, dass die Distanzfrage sich wegen der abnehmenden optischen Leistung der VCSEL-Sender in den 850 Nanometer Multimode-Transceivern, der Modendispersion und der Dämpfung in der Faser noch verschärft.

Mehrere Fasern statt einer

Das Durchsatz- und Distanzproblem lässt sich durch die parallele Nutzung mehrerer Multimode-Glasfasern entschärfen: Um höhere Bandbreiten, etwa 40 GBit/s oder 100 GBit/s zu erreichen, überträgt die klassische Multimode Parallel Optics (MPO) die Daten über entsprechend viel parallele OM4-Fasern, zum Beispiel 4 x 10G, 10 x 10G oder neuerdings 4 x 25G, die gemeinsam die gewünschte Bandbreite realisieren, ohne dass die Reichweite weiter verkürzt wird. Die dabei verwendeten Transceiver, meist QSFP (Quad Small Form Factor Pluggable), nutzen den als MPO standardisierten MTP-Mehrfaserstecker als Interface. Es ist davon auszugehen , dass sich diese Technologie in Zukunft stark verbreiten wird.

Roadmap der Ethernet Alliance mit den vorgesehenen Steckverbindern
Roadmap der Ethernet Alliance mit den vorgesehenen Steckverbindern (Bild: Ethernet Alliance/ Rosenberger OSI)

Die Zeichen stehen auf 400 GBit/s-Ethernet

Im Jahr 2010 waren die ersten klassischen Multimode Parallel Optics 40GBASE-SR4 (Short Range) und 100GBASE-SR10-Transceiver verfügbar. Mit ihnen können vier beziehungsweise zehn 10GBASE-SR-Ports an Servern über SFP+ Transceiver mit LC-Duplex Interface auf einen Switchport mit MTP/MPO aggregiert werden.

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2015 kam 100GBase-SR4. 2016 folgte 25GBase-SR, standardisiert als IEEE 802.3by, ebenfalls mit SFP+-Transceivern und LC-Duplex-Interface. Damit laufen vier 25GBASE-SR-Server-Ports auf einen 100GBASE-SR4 QSFP-Switchport mit MPO-Stecker-Interface zusammen.

Dieselbe Funktion hat der für 2018 angekündigte 50GBASE-SR (IEEE 802.3cd) Standard, nur dass hier vier 50 GBit/s schnelle Server-Ports zu einem 200-GBit/s-Switchport zusammengeführt werden. Die Arbeitsgruppe 802.11cd ist auch für 100BASE-SR2 zuständig, gewissermaßen die Switch-Seite zu zwei 50GBASE-SR Server-Ports. Auch bei 200GBASE-SR4 und 100GBASE-SR2 werden die QSFP-Transceiver mit MPO-Gesicht verwendet.

In Arbeit ist zudem 400 GBASE-SR16. Hier wird es möglich sein, 16 25-GBit/s-Server-Ports auf einem Switchport zusammenzuführen.

100 oder 200 GBit/s pro Port

Bei alledem versuchen die Normierer, wenigstens eine 100-Meter-Distanz nicht zu unterschreiten. Außerdem versucht man derzeit, mit Mikro-QSFP einen klassischen QSFP-MPO-SR4- Transceiver im Format des kleineren SFP+ unterzubringen. Damit könnte man die bisher gewohnte hohen Packungsdichte von 48 Ports pro 1HE Switch beibehalten, allerdings mit 100 und eventuell auch einmal mit 200 GBit/s pro Port.

Der Trend geht zu Single Mode

Neben all diesen Multimode-Varianten stehen die sich ebenfalls weiterentwickelnden Singlemode-Varianten. Die Singelmode-Faser ist besonders attraktiv, da ihr Aufbau einfacher und damit ihre Produktion günstiger ist und sich über sie viel längere Übertragungstrecken realisieren lassen. Dieser Fasertyp kann eigentlich alles, was das Anwenderherz begehrt. Zudem kostet Singlemode-Faser nur rund ein Drittel von Multimode OM4.

Der helle Kern der Faser, innerhalb dessen die Daten übertragen werden, ist bei Multimode-Faser (links) ungleich größer als bei Singlemode-Faser (Mitte). Bei Singlemode-Faser können schon kleinste Schmutzteilchen, die bei der Montage auf die Schnittstelle der Faser geraten, die Übertragung blockieren.
Der helle Kern der Faser, innerhalb dessen die Daten übertragen werden, ist bei Multimode-Faser (links) ungleich größer als bei Singlemode-Faser (Mitte). Bei Singlemode-Faser können schon kleinste Schmutzteilchen, die bei der Montage auf die Schnittstelle der Faser geraten, die Übertragung blockieren. (Bild: Rosenberger OSI)

Allerdings galt bisher, dass Singlemode-Transceiver das Mehrfache von Multimode-Transceivern kosten. Das lag an ihren teureren Lasersendern und daran, dass ihre Faseranbindung viel präziser und dadurch ebenfalls kostspieliger war. Denn der Kern der Singlemode-Faser, in dem die Daten übertragen werden, ist erheblich kleiner als der der Multimode-Faser.

Das aber ändert sich nun; denn technische Fortschritte bei der Transceiver-Produktion verbilligen Single-Mode-Transceiver derzeit massiv. Heute gibt es 100GBASE-PSM4-QSFP-Singlemode-Transceiver, die genau so viel kosten wie Multimode QSFP-100GBASE-SR4Transceiver.

Silicon Photonics puscht den Einsatz von Singlemode-Fasern

Inzwischen wird Singlemode-Technik also eine attraktive Alternative zu Multimode. Das Stichwort heißt hier Silicon Photonics (SiPHo). SiPho-Technologien integrieren Elektronik und Optik enger miteinander als bisher – Fernziel ist ein möglichst rein optisch betriebener Computer.

Derzeit führt man die elektronisch erzeugten Daten so weit wie möglich an die Glasfaser heran, wandelt sie mit geeigneter Logik und durch sie gesteuerten Mikrolasern in Licht um und speist dieses Licht über Mikrokanäle im Kopplungselement direkt in die Glasfaser ein, was wegen der winzigen Dimensionen der Bauelemente mit höchster Exaktheit erfolgen muss.

Die Datacenter-Zukunft soll in optoelektronischen Bauelementen liegen.
Die Datacenter-Zukunft soll in optoelektronischen Bauelementen liegen. (Bild: © Mike Espenhain/ Fotolia.com)

„Für die Verbindung zwischen Faser und Bauelement hat jeder Hersteller seine eigene Technik, und die gibt er nicht preis“, sagt Jungbäck. Im Groben gehe es darum, dass das Positioniersystem zum Anbringen der Glasfaser die Stellen am Kopplungselement findet, an denen der Lichtstrahl am wenigsten gedämpft austritt und exakt dort die Faser verklebt wird.

Intel, so Jungbäck, produziere inzwischen bereits Massen solcher optoelektronischen Bauelemente zu erträglichen Preisen. Das habe sich nur noch nicht herumgesprochen. Sobald dies geschehe, und die einschlägigen Kongresse im Jahr 2017 würden schon dafür sorgen, werde der Umstieg auf Single-Mode beginnen.

Coarse Wavelength Division Multiplexing im Datacenter

Auch „grobes Wellenlängen-Multiplex“ (CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing), anfangs eine reine Highend-Technologie für Metro-Provider, werde bald bezahlbar, prognostiziert Jungbäck. Damit passen mehrere Lichtfarben auf eine einzige Faser. Die großen Web-Provider ließen sich bereits, jedoch maßgeschneiderte, „singlemodige“ CWDM4-Bausteine für vier unterschiedliche Wellenlängen für die interne Vernetzung ihrer Rechenzentren bauen, die später dem Massenmarkt zur Verfügung stünden.

Doch, wie schon erwähnt, muss bei der Anwendung von Singlemode-Technologie im Rechenzentrum berücksichtigt werden, dass Singlemode-Stecksyteme viel empfindlicher mit hoher Dämpfung auf Verschmutzung reagieren. Es muss also noch viel mehr Sorgfalt und Sauberkeit bei der Installation und dem Betrieb einer Singlemode-Verkabelung angewendet werden, als das bei Multimode notwendig ist.

Kein Sparen an der falschen Stelle!

Bei der Wahl der Transceiver sollten Anwender übrigens eher nicht sparen. In der Regel empfehlen die IT-Hardwarehersteller Anwendern ohnehin, von ihnen zertifizierte Transceiver zu verwenden.

Wer die Cages (Ports) an den Geräten selbst mit Transceivern füllen will, sollte zumindest dafür sorgen, dass das gewählte Element aus einer einwandfreien Quelle kommt und möglichst vom Hersteller des Gerätes zertifiziert ist. Denn sonst funktioniert Port und Gerät möglicherweise nicht. Dann muss der Hersteller den Port individuell freigeben. Wer nicht zertifizierte Transceiver einsetzen will, wird in der Regel auf die Garantie verzichten müssen.

* Ariane Rüdiger ist freie Journalsitin un lebt in München.

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posted am 01.02.2017 um 12:15 von Unregistriert


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