Die Zukunft von Glasfaser im Rechenzentrum

Der Standard für 800 GE steht vor der Tür - 1,6 TE kündigt sich an

| Autor / Redakteur: Rick Pimpinella* / Ulrike Ostler

Die nächste Steigerung für Multimode-Glasfaserkabel im Rechenzentrum wird schon von der Ethernet Alliance und einer Ad-hoc-Gruppe des IEEE diskutiert; sie planen einen Weg zu 800 GE- und 1,6 TE-Netzwerken.
Die nächste Steigerung für Multimode-Glasfaserkabel im Rechenzentrum wird schon von der Ethernet Alliance und einer Ad-hoc-Gruppe des IEEE diskutiert; sie planen einen Weg zu 800 GE- und 1,6 TE-Netzwerken. (Bild: gemeinfrei - LoveToTakePhotos/Pixabay / CC0)

Architekten physikalischer Infrastrukturen nehmen zurzeit die Produkte und Plattformen der aktuellen und der nächsten Generation unter die Lupe, um dafür zu sorgen, dass Rechenzentren exponentielle Skalierungsmöglichkeiten bieten, die immer höhere Datenverkehrsanforderungen erfüllen können.

Die Digitalisierung der meisten Branchen führt weiterhin zu steigenden Anforderungen an leistungsstärkere Infrastrukturen im boomenden Rechenzentrumsmarkt. Unternehmen in den Bereichen Finanzdienstleistungen, Medien, Gesundheitswesen und Online-Einzelhandel, stehen an der Spitze des enormen Wachstums beim Datenverkehr.

In Zukunft wird ein großer Teil dieses Datenverkehrs in der Rechenzentrumsumgebung zwischen Maschine-zu-Maschine-Anwendungen stattfinden. Mit Technologien wie KI (künstlicher Intelligenz) und ML (maschinellem Lernen) werden dann täglich Petabytes an Daten übermittelt.

Höhere Geschwindigkeiten und Bandbreiten

Herausforderungen für das Netzwerk sind die ständig steigende Nachfrage nach höheren Geschwindigkeiten – von 40 GE (Gigabit-Ethernet) zu 100 GE heute, sowie 200 GE und 400 GE innerhalb von drei Jahren – und die physikalischen Distanzen, die überwunden werden müssen. Die Verbindungen innerhalb von Server-Racks verändern sich auch.

25-GB-Server werden in Rechenzentren von Web-Plattformen heute schon bereitgestellt. Aus diesem Grund sollten Kabel und aktive Komponenten die notwendigen Kapazitäten für die Einführung der 50-GB-Servertechnologie unterstützen, die immer mehr Verbreitung findet.

KI- und ML-Lösungen benötigen für ihre Analyse- und Lernverfahren von Haus aus sehr große Datenmengen, meist mehrere Terabytes und in naher Zukunft Petabytes. Solche Datenmengen erfordern bereits heute oft 50GE und nach Prognosen wird die Nachfrage schnell auf 100GE steigen.

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Lineare Skalierung

Es wird erwartet, dass Ethernet-basierte Netzwerke auch weiterhin eine fast lineare Skalierbarkeit bieten werden. Der Umfang des erzeugten Datenverkehrs kann jedoch sehr hoch sein. Er muss intelligent verarbeitet werden, um sicherzustellen, dass das Netzwerk nicht überfordert wird, da dies sonst zu hohen Latenzzeiten und sogar zu Ausfällen führen würde. In Hyperscale-Rechenzentren werden schon heute 50 GE- und 100 GE-ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) bereitgestellt.

Dies bedeutet eine weitere neue Anforderung an Netzwerkarchitekten: Sie müssen diese wachsende Vielfalt an Kommunikationsmustern im Netzwerk dynamisch unterstützen. Dabei stellen unterschiedliche Klassen von Datenverkehr unterschiedliche Anforderungen. Beispielsweise gibt es Datenflüsse mit Durchsatz- und Zeitvorgaben sowie interaktive Datenflüsse.

Deutlich zeigt sich dieser Übergang zu höheren Leistungen in der Zunahme an verkauften Ports mit höheren Geschwindigkeiten: Schon im Jahr 2021 werden 25 GE- und 100 GE-Portgeschwindigkeiten mit einem gemeinsamen Anteil von 46 Prozent genauso häufig sein wie 10 GE-Ports. Geschwindigkeiten und Kapazitäten steigen immer weiter und die Netzwerktechnologie dahinter, der die Unternehmen eine lineare Skalierung zutrauen, ist das Ethernet - sei es mit Singlemode- oder Multimode-Glasfaserkabeln.

Die neuen Standards

40/100 GE werden schon heute bereitgestellt und die Standards für 200/400 GE sind in der finalen Genehmigungsphase und stehen kurz vor der Veröffentlichung durch das IEEE. Damit ist das Ethernet ganz offensichtlich die bevorzugte Netzwerkplattform. Es kann Rechenzentrumsarchitekturen und -designs bieten, mit denen sich die Anforderungen zukünftiger Anwendungen erfüllen und schon heute die Betriebskosten verringern lassen.

Multimode-Glasfaserkabel werden am Markt weiterhin die häufigsten LWL-Kabel sein, da sie für die meisten Ersteller und Betreiber von Rechenzentren wichtige Vorteile bieten. Gegenüber Singlemode- sind Multimode-Verbindungen kostengünstiger, da sie preiswertere Laser-Transceiver verwenden. Ihre Installation ermöglicht größere Ausrichtungstoleranzen und sie benötigen weniger Strom.

Singlemode-Verbindungen bieten eine weniger robuste Konnektivität. Im Vergleich dazu vertragen Multimode-LWL Schmutz und Staub besser, erfordern keine hohe Rückflussdämpfung, sind widerstandsfähig gegenüber Mehrweg-Interferenzen und verzeihen eher langfristige Verschlechterungen von Verbindern.

Kosten der Datacenter-Verkabelung

Zwar macht die Infrastruktur im Rechenzentrum nur ca. 2 Prozent der Standort-Einrichtungskosten aus; im Betrieb ist der Prozentsatz der Ausfälle, die durch die Infrastruktur verursacht werden, jedoch viel höher. Da die monetären Kosten von Ausfällen steigen und Rufschädigungen sogar noch größere finanzielle Schäden bedeuten können, liegen die Vorteile von Infrastrukturlösungen höchster Qualität auf der Hand.

Abbildung 1: Kanalleistung und Glasfaser-Bandbreite (EMB – effektive modale Bandbreite)
Abbildung 1: Kanalleistung und Glasfaser-Bandbreite (EMB – effektive modale Bandbreite) (Bild: Panduit)

Mit der Reifung des Markts für LWL-Kabeltechnologien ist deutlich geworden, dass die Qualitäten und Kapazitäten der Kabellösungen unterschiedlicher Hersteller sich stark unterscheiden. Aktuelle Tests von Kabeln auf dem Markt zeigen, wie wichtig es ist, die Spezifikationen zu verstehen und die Kapazitäten zu identifizieren, die die unterschiedlichen Glasfaserkabelhersteller bieten (siehe: Abbildung 1).

Die Zukunft von Multimode-Glasfaserkabeln

Für Anwendungen im Rechenzentrum mit kurzen Distanzen unter 100 Meter, wie Verbindungen von Switch zu Server und von Server zu Server (Maschine zu Maschine), bieten Multimode-Glasfaserkabel hohen Nutzen. Glasfaserkabel nach Branchenstandard sind laseroptimiert und bieten heute eine Skala von Kapazitäten, die Rechenzentrumsbetreibern helfen, erfolgreiche Infrastruktur-Installationen und -Upgrades zu planen, wobei betriebliche Anforderungen mindestens bis zu 400 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) berücksichtigt werden können (siehe: Tabelle).

Tabelle: Typen laseroptimierter Multimode-Glasfaserkabel

Fasertyp EMB bei 850 nm (MHz*km) EMB bei 953 nm (MHz*km)
OM3 2.000 N/V
OM4 4.700 N/V
OM5 4.700 2.470
Dispersionskompensierende OM4+ 5.500 2.000

  • OM3 und OM4 sind für 850-nm-Übertragungen gedacht.
  • MMF wird anhand der effektiven modalen Bandbreite (EMB) als OM3 und OM4 eingestuft.
    - Die EMB wird anhand der DMD-Messung berechnet.
  • OM5 umfasst eine spezifizierte EMB mit größerer Wellenlänge (953 nm).
    - Diese Klasse ist nur für SWDM-4-Anwendungen von Vorteil, deren erforderliche Reichweite die in den Standards spezifizierte maximale Kanalreichweite übersteigt (nicht standardmäßig).
  •  Signature Core OM4+ ist eine leistungsstarke, dispersionskompensierende OM4-Faser.

OM3 und OM4 sind für eine hohe Bandbreite von 850 Nanometer gedacht, während OM5 für SWDM-4-Anwendungen mit größerer Wellenlänge (bis 953 Nanometer) spezifiziert ist. Die dispersionskompensierende OM4+ Faser ist ein wesentliches Element für Anwendungen mit einzelner Wellenlänge und für BiDi-Systeme mit zwei Wellenlängen.

Aus der Sicht der technologischen Weiterentwicklung entstand mit dem Übergang zu 40 Gbit/s die parallel-optische Übertragungs-Technologie. Der Grund hierfür ist, dass der VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), der für Glasfaserkabel verwendet wird, mit 10 Gbit/s überträgt.

Um eine Übertragung mit höherer Datenrate zu erreichen, werden aggregierte Wege verwendet. Um 40 Gbit/s zu erreichen, werden vier parallele Fasern mit 10 Gbit/s pro Faser aggregiert.

Hinzufügen paralleler Übertragungswege

Das Hinzufügen von parallelen Übertragungswegen hatte einen unerwarteten Vorteil. Es ermöglichte den Switch-Herstellern die Erhöhung der Port-Dichte. Dies war möglich, weil die einzelnen Wege im Ethernet voneinander unabhängig sind.

Statt Switches mit 96 10-GB-Ports zu erstellen, werden 32 40-GB-Ports mit hoher Dichte eingesetzt. Dies wird als „Breakout“ bezeichnet. Alle Elemente, an denen gearbeitet wurde, um die Standards für 40 Gbit/s, 100 Gbit/s, 200 Gbit/s und 400 Gbit/s Ethernet zu entwickeln, sind mit diesem Breakout-Prinzip kompatibel.

In diesem Jahr werden Standards für 50 GE-, 100 GE- und 200 GE-Multimode-Glasfaserkabel verabschiedet. In den nächsten drei Jahren werden 100-Gbit/s-Breakout mit vier 25 G-Strecken und 200-Gbit/s-Breakout mit vier 50 G-Strecken umfassend bereitgestellt.

400 Gbit/s auf acht separaten 50-Gbit/s-Lanes

Aktuell wurde eine neue IEEE 802.3-Task-Force (802.3 cm) eingerichtet, in der Panduit wesentliche Beiträge zu Definitionen und Vorschlägen für Standards leistet. Ein Ziel besteht darin, 400 Gbit/s auf acht separaten 50-Gbit/s-Lanes zu definieren, um Server und Switches zu verbinden (siehe: Abbildung 1).

Abbildung 2: Breakout-Anwendung mit Multimode-Glasfaserkabel von Switch zu Server - 32 x4 00G-Port-Switch mit hoher Dichte/ 50 G-Server sollen unterstützt werden durch Breakout von 400 GBASE-SR8 auf 50GBASE-SR
Abbildung 2: Breakout-Anwendung mit Multimode-Glasfaserkabel von Switch zu Server - 32 x4 00G-Port-Switch mit hoher Dichte/ 50 G-Server sollen unterstützt werden durch Breakout von 400 GBASE-SR8 auf 50GBASE-SR (Bild: Panduit)

Außerdem gibt es eine Spezifikation für 400 Gbit/s auf vier Spuren mit je 100 Gbit/s, wobei wiederum jede Spur mit zwei Wellenlängen überträgt. Dies wird von Panduit unterstützt, es wird jedoch nicht die vom IEEE definierten Breakout-Lösungen unterstützen (siehe: Abbildung 2).

Der Weg zu 800 GE

Auch zukünftige Entwicklungen hin zu 800 Gbit/s und mehr werden wahrscheinlich Breakout-kompatibel sein. Dies ist ein sinnvoller Weg, der 800-Gbit/s-Switches auf 32 Ports reduzieren wird. Erreichbar ist es, indem eine serielle 100-Gbit/s-Datenübertragung pro Spur spezifiziert wird.

Die Machbarkeit dieser Lösung demonstrierten Forscher von Panduit etwa auf der Optical Fiber Conference (OFC) 2018. Ein Breakout mit 800 Gbit/s wird hinsichtlich Wärme-Ableitung, Augensicherheit sowie Raum- und Leistungsdichte wesentlich effizienter sein und senkt zudem die Herstellungskosten.

* Dr. Rick Pimpinella arbeitet für die Panduit Corporation.

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