Zum DataCenter Day und überhaupt: Wer digitalisiert, braucht weniger Latenz, QoS und mehr Fasern Verkabelungstechnologien für Datacenter-Interconnect-Anwendungen

Warum wachsen derzeit die Datacenter-Interconnect-Anwendungen mit extremer Rechenleistung? Und welche neuen Verkabelungstechnologien gibt es, um die Installation anwenderfreundlicher zu gestalten?

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Die Datacenter-Interconnect-Technologie (kurz: DCI) schafft Querverbindungen zwischen zwei oder mehreren Rechenzentren und ermöglicht, dass Rechenzentren zusammenarbeiten, ihre Rechenleistung miteinander teilen und reibungslos kritische Ressourcen über kurze, mittlere und lange Distanzen übertragen können. Und das ist notwendig, weil:

Die Anzahl an Rechenzentren weltweit rasant steigt. Die Expansionspläne im Hyperscale- oder Co-Location-Bereich belaufen sich auf ein globales Gesamtvolumen von mehreren Milliarden Dollar. Auch das Bewusstsein, dass Rechenzentren nicht nur isoliert bestehen können, wächst.

Rechenzentren unterschiedlicher Standorte müssen – um die Zielvorgaben der Informationstechnik zu erreichen – miteinander kommunizieren, Daten und Inhalte austauschen, Arbeitslasten ausgleichen sowie Sicherung und Redundanz bieten. Immer häufiger entstehen fußballfeldgroße Rechenzentrums-Campus, die sich aus mehreren Rechenzentren in separaten Gebäuden zusammensetzen und häufig über 100 Terabit pro Sekunde (Tpbs) an Daten übertragen (siehe: Abbildung 1).

Zwei Trends bedingen Datacenter Interconnect

Zwei Trends erklären, warum Rechenzentren mit extremer Rechenleistung derzeit so wachsen: Zum einen verändert sich der Datenfluss im Rechenzentrum durch die zunehmende Virtualisierung und die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Dies lässt die Server-Kommunikation in Ost-West-Richtung, sprich die Übertragung von Datenpaketen von einem Server zu einem anderen innerhalb eines Rechenzentrums, exponentiell anwachsen.

Zum anderen werden flachere Netzwerkarchitekturen, wie beispielsweise Leaf-Spine- oder Clos-Netze, eingeführt – mit dem Ziel, dass eine einzige große Netzwerkstruktur am Campus entsteht. Dies führt dazu, dass eine Datenübertragungsleistung von 100 Tbps oder mehr zwischen den Gebäuden fließen muss.

Verkabelungstechnologien für DCI-Anwendungen

Wie man sich vorstellen kann, bringt ein Gebäude dieser Größenordnung mehrere einzigartige Herausforderungen im gesamten Netzwerk mit sich: von der Stromversorgung und Kühlung bis hin zur Vernetzung der gesamten Netzwerkgeräte untereinander. Besonders beim zuletzt genannten Punkt wurden bereits mehrere Ansätze evaluiert, um Übertragungsraten von 100 Tbps (und möglicherweise mehr) zu ermöglichen.

Welcher Kabel-Modus empfiehlt sich?

SMF (Single-Mode Fiber) versus MMF (Multi-Mode Fiber)

Bisher überträgt das vorherrschende Modell mit niedrigeren Raten über viele Singlemode-Fasern. Allerdings nur in einer Distanz von zwei, drei Kilometern – oder kürzer. Berechnungen zeigen, dass die Übertragung niedrigerer Datenraten über mehre Fasern zumindest in den nächsten Jahren der kostengünstigste Ansatz bleiben wird, und erklärt, warum die Industrie so viel Geld in die Entwicklung von hochfaserigen Datenkabeln und der dazugehörigen Hardware investiert.

Doch welche Alternativen für Hochleistungskabel gibt es auf dem Markt für Data-Center-Interconnect-Anwendungen?

Flachbandkabel ideal durch verkürzte Spleißzeiten

Die IT-Branche ist sich einig, dass Flachbandkabel für diesen Anwendungsbereich die einzig mögliche Lösung sind. Herkömmliche Bündeladerkabel und Einzelfaser-Spleißen würden viel zu lange für die Installation benötigen und dazu führen, dass die Gehäuse für die Spleißablage zu groß und unpraktisch sind. So würde man beispielsweise für ein Bündeladerkabel mit 3.456 Fasern bei einer Dauer von vier Minuten pro Spleiß mehr als 200 Stunden für den Abschluss benötigen. Bei Verwendung eines Flachbandkabels verkürzt sich die Spleißzeit auf weniger als 40 Stunden.

Zusätzlich zu dieser Zeitersparnis haben Spleißgehäuse für Flachbandkabel typischerweise die vier- bis fünffache Spleißkapazität im Vergleich zu Einzelfaserspleißen bei gleichem Hardware-Footprint. Allerdings ist schnell klar, dass traditionelle Flachbandkabelkonstruktionen nicht in der Lage sind, die erforderliche Faserdichte in existierenden Leitungen zu erreichen.

Flachbandkabel mit erhöhter Faserdichte

Die Industrie hat sich daher zum Ziel gesetzt, die Faserdichte bei herkömmlichen Flachbandkabeln im Wesentlichen zu verdoppeln. Hier haben sich zwei mögliche Ansätze entwickelt.

Der eine Ansatz verwendet ein Standardmatrixband mit dichteren, komprimierten Grundelementen, der andere basiert auf Standardkabelkonstruktionen mit zentralem oder geschlitztem Kern mit lose gebundenen Netzdesignbändern, die sich übereinander falten können (siehe: Abbildung 2). Doch welche Herausforderungen ergeben sich beim Abschluss dieser Kabel?

Herausforderungen beim Kabelabschluss

Da die Kabel eine Entflammbarkeitsklasse tragen, die sie nur für den Außeneinsatz geeignet machen, müssen sie gemäß Musterbauordnung/Landesbauordnungen ( bestätigt durch die Bauproduktenverordnung) innerhalb der ersten zwei Meter nach dem Eingang in das Gebäude auf ein für den Innenbereich zugelassenes Kabel umgesetzt werden.

Dies geschieht typischerweise durch das Spleißen von vorkonfektionierten MTP/MPO- oder LC-Flachband-Pigtails, also Kabel mit einseitig vorinstallierten Steckverbindern, oder in Gehäusen mit vorkonfektionierten Pigtails in einem extrem dichten Spleißverteiler. In dieser Konfektion bewerten Endbenutzer nicht mehr nur das Kabeldesign alleine, sondern eine umfassende Komplettlösung für diese kostspieligen und arbeitsintensiven Verbindungsbereitstellungen (siehe: Abbildung 3).

Zeitaufwendige Faseridentifikation und -aufteilung

Bei der Entscheidung für die beste Gesamtlösung müssen mehrere Aspekte bewertet werden. Studien haben gezeigt, dass der zeitaufwendigste Prozess die Identifizierung und Aufteilung der Faserbändchen bei der Kabelvorbereitung und Einführung in die Spleißkassetten ist. Der Begriff „Aufteilung“ bezieht sich dabei auf den Vorgang des Entfernens des Kabelmantels, um die Faserbändchen mit Schläuchen oder Netzgewebe zu schützen, wenn sie in der Hardware in eine Spleißkassette geführt werden. Dieser Schritt wird mit zunehmender Faseranzahl des Kabels zeitaufwendiger.

Häufig werden Hunderte von Metern an Netzgewebe oder Schläuchen benötigt, um eine einzelne Verbindung mit 3.456 Fasern zu installieren und zu spleißen. Dieser zeitaufwendige Prozess muss auch für Innenkabel abgeschlossen werden, unabhängig davon, ob es sich um Mehrfaser-Pigtails oder um Gehäuse mit vorkonfektionierten Pigtails handelt.

Die heute auf dem Markt erhältlichen Kabel unterscheiden sich stark in der Verarbeitungszeit. Einige Außen- und Innenkabel beinhalten einfach zu führende und abzulegende Grundelemente mit Bändchen (siehe Abbildung 4), die kein weiteres Aufteilen der Fasern zur Ablage in der Spleißkassette benötigen, während andere mehrere Aufteiladapter-Kits zum Schutz und zur Führung von Faserbändchen bedürfen (siehe: Abbildung 5). Kabel mit einfach zu führenden Flachband-Grundelementen werden typischerweise in speziellen Spleißverteilern installiert, die mit Spleißkassetten optimiert wurden, um der genauen Faserzahl der Grundelemente zu entsprechen.

Eine weitere zeitaufwendige Aufgabe ist die Identifizierung der Fasern und die richtige Farbfolge, um korrektes Spleißen sicherzustellen. Die Bändchen müssen eindeutig gekennzeichnet sein, damit sie nach dem Entfernen des Kabelmantels sortiert werden können, da ein Kabel mit 3.456 Fasern insgesamt 288 Bänder mit je zwölf Fasern enthält.

Auf Standardmatrixbänder können mittels Tintenstrahldrucker leicht lesbare Kennzeichnungen aufgedruckt werden, während viele Netzdesigns auf Markierungen unterschiedlicher Länge und Anzahl angewiesen sind, um die Identifizierung von Bändchen zu erleichtern. Dieser Schritt ist aufgrund der Vielzahl von Fasern, die identifiziert und geführt werden müssen von entscheidender Bedeutung. Die Kennzeichnung von Flachbändern wird auch bei der Reparatur von Netzwerken kritisch, wenn Kabel nach der Erstinstallation beschädigt oder durchtrennt werden.

Zukünftige Trends

Kabel mit 3.456 Fasern sind erst ein Anfang. Schon heute wird die Verwendung von Kabeln mit mehr als 5.000 Fasern diskutiert. Da Röhrchen- oder Leitungsquerschnitte nicht größer werden, ist ein weiterer aufkommender Trend die Verwendung von Fasern, bei denen die Beschichtungsdicke von branchenüblichen 250 Mikron auf 200 Mikron reduziert wird.

Die Größen von Faserkern und -mantel bleiben unverändert, so dass die optische Leistung nicht beeinträchtigt wird. Diese Reduzierung der Faserbeschichtungsdicke kann Hunderte oder Tausende von zusätzlichen Fasern in Leitungen mit gleichem Querschnitt ermöglichen.

Ein anderer Trend wird die steigende Kundennachfrage nach Komplettlösungen sein. Der Zusammenschluss von tausenden von Fasern in einem einzigen Kabel löst zwar das Problem der existierenden Leitungsquerschnitte, stellte aber viele Herausforderungen in Bezug auf Risiko und Installationszeit dar. Techniken, die helfen diese Risiken zu eliminieren und die Bereitstellungsgeschwindigkeit zu verkürzen, werden bereits heute weiterentwickelt.

Die Anforderungen an die extrem dichte Verkabelungslösungen scheinen sich zu beschleunigen. Maschine Learning, 5G und größere Rechenzentren liegen im Trend und somit steigt die Nachfrage nach DCI-Verbindungen. Die Implementierungen werden die Branche herausfordern, weiterhin Ende-zu-Ende Lösungen zu entwickeln, die effektiv skalierbar sind, um eine maximale Auslastung der Leitungen zu ermöglichen, ohne dass die Implementierung umständlicher wird.

* David Hessong ist Manager of Global Data Center Market Development bei der Corning Inc. und Cindy Ryborz ist Marketing Manager DC EMEA bei Corning Optical Communications.

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