10-Gigabit-Ethernet-Computernetzwerkstandards

Fibermart
Montag 05 Mai, 2014
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Der Computernetzwerkstandard 10 Gigabit Ethernet (10GE, 10GbE oder 10 GigE) wurde erstmals 2002 veröffentlicht. Er definiert eine Ethernet-Version mit einer nominalen Datenrate von 10 Gbit/s (Milliarden Bits pro Sekunde), zehnmal schneller als Gigabit Ethernet. Im Gegensatz zu früheren Ethernet-Standards definiert 10GbE ausschließlich Vollduplex-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die in der Regel über Netzwerk-Switches verbunden sind. Halbduplex-Betrieb, Hubs und CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionserkennung) sind bei 10GbE nicht vorhanden.

Der 10GbE-Standard umfasst eine Reihe verschiedener Physical-Layer-Standards (PHY). Ein Netzwerkgerät kann verschiedene PHY-Typen über steckbare PHY-Module unterstützen, beispielsweise auf SFP+-Basis. Mit der Zeit werden die Marktkräfte bestimmen, welche 10GbE-PHY-Typen am beliebtesten sind.

Als der 10-GbE-Standard entwickelt wurde, führte das Interesse an 10 GbE als WAN-Transportmethode zur Einführung eines WAN-PHY für 10 GbE. Dieser arbeitet mit einer etwas geringeren Datenrate als der LAN-PHY und bietet zusätzliche Kapselung. Beide nutzen dieselben physischen, medienabhängigen Sublayer und können daher dieselbe Optik verwenden.

10GbE-Glasfaserstandards

Im Laufe der Jahre hat die Arbeitsgruppe 802.3 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) mehrere Standards im Zusammenhang mit 10GbE veröffentlicht. Dazu gehören: 802.3ae-2002 (Glasfaser-PMDs -SR, -LR, -ER und -LX4), 802.3ak-2004 (CX4 Kupfer-Twin-Ax InfiniBand-Kabel), 802.3an-2006 (10GBASE-T Kupfer-Twisted Pair), 802.3ap-2007 (Kupfer-Backplane-PMDs -KR und -KX4) und 802.3aq-2006 (Glasfaser-PMDs -LRM mit verbesserter Entzerrung). Die Änderungen 802.3ae-2002 und 802.3ak-2004 wurden im Standard IEEE 802.3-2005 zusammengefasst. IEEE 802.3-2005 und die anderen Änderungen wurden in IEEE Std 802.3-2008 konsolidiert.

10GBASE-SR

10GBASE-SR (Short Range) ist ein Porttyp für Multimode-Fasern (MMF) und verwendet 850-nm-Laser. Seine physikalische Codierungsunterschicht (PCS) 64b/66b ist in IEEE 802.3 Abschnitt 49 und seine physikalisch medienabhängige Schicht (PMD) in Abschnitt 52 definiert. Er liefert serialisierte Daten mit einer Leitungsgeschwindigkeit von 10,3125 Gbit/s.

Im Vergleich zu veralteten FDDI-fähigen 62,5-Mikron-MMF-Kabeln beträgt die maximale Reichweite 26 Meter, über 62,5-Mikron-OM1 33 Meter, über 50-Mikron-OM2 82 Meter, über OM3 300 Meter und über OM4 400 Meter. OM3 und OM4 werden bevorzugt für strukturierte optische Verkabelung in Gebäuden verwendet. MMF bietet gegenüber SMF (Singlemode-Faser) den Vorteil, dass die Steckverbinder aufgrund des breiteren Kerns kostengünstiger sind.

Der 10GBASE-SR-Sender ist mit einem oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL) ausgestattet, der kostengünstig und stromsparend ist. OM3- und OM4-Glasfaserkabel werden manchmal als laseroptimiert bezeichnet, da sie für die Verwendung mit VCSELs entwickelt wurden. 10GBASE-SR bietet die kostengünstigsten, stromsparendsten und kleinsten optischen Module.

Für 2011 wird erwartet, dass 10GBASE-SR ein Viertel aller ausgelieferten 10GbE-Adapterports ausmacht. Es gibt eine nicht standardmäßige, kostengünstigere Variante mit geringerem Stromverbrauch, die manchmal als 10GBASE-SRL (10GBASE-SR lite) bezeichnet wird. Diese ist mit 10GBASE-SR kompatibel, hat aber nur eine Reichweite von 100 Metern.

10GBASE-LR

10GBASE-LR (Long Reach) ist ein Porttyp für SMF und verwendet 1310 nm Laser. Sein PCS 64b/66b ist in IEEE 802.3 Klausel 49 und sein PMD in Klausel 52 definiert. Er liefert serialisierte Daten mit einer Leitungsgeschwindigkeit von 10,3125 Gbit/s.

10GBASE-LR hat eine angegebene Reichweite von 10 Kilometern (6,2 Meilen), aber optische 10GBASE-LR-Module können oft Entfernungen von bis zu 25 Kilometern (16 Meilen) ohne Datenverlust bewältigen.

Der 10GBASE-LR-Sender wird mit einem Fabry-Pérot- oder Distributed-Feedback-Laser (DFB) implementiert. DFB-Laser sind teurer als VCSELs, aber ihre hohe Leistung und längere Wellenlänge ermöglichen eine effiziente Kopplung in den kleinen Kern einer Singlemode-Faser über größere Entfernungen.

10GBASE-LRM

10GBASE-LRM (Long Reach Multimode), ursprünglich spezifiziert in IEEE 802.3aq, ist ein Porttyp für MMF und verwendet 1310 nm Laser. Sein PCS 64b/66b ist in IEEE 802.3 Abschnitt 49 und sein PMD in Abschnitt 68 definiert. Er liefert serialisierte Daten mit einer Leitungsgeschwindigkeit von 10,3125 Gbit/s.

Der 10GBASE-LRM-Standard unterstützt Entfernungen von bis zu 220 Metern (720 Fuß) auf FDDI-MMF und dieselbe maximale Reichweite von 220 m auf Glasfasertypen OM1, OM2 und OM3. Die Reichweite von 10GBASE-LRM ist nicht ganz so groß wie die des älteren 10GBASE-LX4-Standards. Um sicherzustellen, dass die Spezifikationen über FDDI-, OM1- und OM2-Glasfasern eingehalten werden, sollte der Sender über ein moduskonditionierendes Patchkabel gekoppelt werden. Für Anwendungen über OM3 oder OM4 ist kein moduskonditionierendes Patchkabel erforderlich. Einige 10GBASE-LRM-Transceiver unterstützen auch Entfernungen von bis zu 300 Metern (980 Fuß) auf Standard-SMF (G.652), dies ist jedoch nicht Teil der IEEE- oder MSA-Spezifikation. 10GBASE-LRM verwendet elektronische Dispersionskompensation (EDC) zur Empfangsentzerrung.

10GBASE-ER

10GBASE-ER (Extended Reach) ist ein Porttyp für SMF und verwendet 1550-nm-Laser. Sein PCS 64b/66b ist in IEEE 802.3, Abschnitt 49, und sein PMD in Abschnitt 52 definiert. Er liefert serialisierte Daten mit einer Übertragungsrate von 10,3125 Gbit/s. Der 10GBASE-ER-Sender ist mit einem extern modulierten Laser (EML) implementiert. 10GBASE-ER hat eine Reichweite von 40 Kilometern (25 Meilen) über technische Verbindungen und 30 Kilometer über Standardverbindungen.

10GBASE-ZR

Mehrere Hersteller haben steckbare ER-Schnittstellen mit einer Reichweite von 80 km (50 Meilen) unter dem Namen 10GBASE-ZR eingeführt. Dieses 80-km-PHY ist im IEEE 802.3ae-Standard nicht spezifiziert, und die Hersteller haben ihre eigenen Spezifikationen basierend auf dem 80-km-PHY erstellt, das in den OC-192/STM-64 SDH/SONET-Spezifikationen beschrieben ist. Der 802.3-Standard wird nicht geändert, um das ZR-PHY abzudecken.

10GBASE-LX4

10GBASE-LX4 ist ein Porttyp für MMF und SMF. Er verwendet vier separate Laserquellen mit 3,125 Gbit/s und grobem WDM mit vier unterschiedlichen Wellenlängen um 1310 nm. Sein PCS 8B/10B ist in IEEE 802.3, Abschnitt 48, und sein PMD in Abschnitt 53 definiert.

Der 10GBASE-LX4-Standard unterstützt eine Reichweite von 300 Metern (980 Fuß) über FDDI-fähige, OM1-, OM2- und OM3-Multimode-Kabel (für alle diese Glasfasertypen ist eine minimale modale Bandbreite von 500 MHz*km bei 1300 nm spezifiziert). Der 10GBASE-LX4-Standard unterstützt außerdem eine Reichweite von 10 Kilometern (6,2 Meilen) über SMF.

Bei MMF-Verbindungen muss der WDM-Ausgang über ein SMF-Patchkabel mit Offset-Launch-Modus-Konditionierung gekoppelt werden. Dies wird in den Unterabschnitten 53.6 und 38.11.4 der IEEE 802.3-Spezifikation erläutert.

Bis 2005 waren optische 10GBASE-LX4-Module günstiger als optische 10GBASE-LR-Module. 10GBASE-LX4 wurde von Anwendern verwendet, die sowohl MMF als auch SMF mit einem einzigen optischen Modul unterstützen wollten. 10GBASE-LX4 ist heute eine veraltete Technologie und hat keine nennenswerte Marktpräsenz.

10GbE Kupferstandards

10GbE kann auch über Twinax-Kabel, Twisted Pair-Kabel und Backplanes ausgeführt werden.

10GBASE-CX4

10GBASE-CX4 war der erste 10G-Kupferstandard, der von 802.3 (als 802.3ak-2004) veröffentlicht wurde. Er verwendet das XAUI 4-Lane PCS (Klausel 48) und Kupferkabel, ähnlich denen der InfiniBand-Technologie. Er ist für eine Reichweite von bis zu 15 m (49 Fuß) spezifiziert. Jede Lane überträgt eine Signalbandbreite von 3,125 G Baud. 10GBASE-CX4 bietet die Vorteile von geringem Stromverbrauch, niedrigen Kosten und geringer Latenz, hat aber einen größeren Formfaktor und sperrigere Kabel als der neuere Single-Lane-SFP+-Standard und eine deutlich kürzere Reichweite als Glasfaser oder 10GBASE-T.

SFP+ Direktanschluss

SFP+ Direct Attach, auch bekannt als 10GBASE-CU, 10GBase-CR oder 10GBase-CX1, verwendet ein passives Twinax-Kabel und wird direkt an ein SFP+-Gehäuse angeschlossen. SFP+ Direct Attach verfügt über ein Kabel mit fester Länge, typischerweise 3, 5 oder 7 m, und zeichnet sich wie 10GBASE-CX4 durch geringen Stromverbrauch, niedrige Kosten und geringe Latenz aus. Die zusätzlichen Vorteile sind die Verwendung weniger sperriger Kabel und der kleine Formfaktor von SFP+. SFP+ Direct Attach erfreut sich heute großer Beliebtheit und hat mehr installierte Ports als 10GBASE-SR.

Rückwandplatine

Backplane-Ethernet, auch unter dem Task-Force-Namen 802.3ap bekannt, wird in Backplane-Anwendungen wie Blade-Servern und Routern/Switches mit aktualisierbaren Line Cards verwendet. 802.3ap-Implementierungen müssen in einer Umgebung mit bis zu 1 Meter (39 Zoll) Kupferleiterplatte und zwei Anschlüssen funktionieren. Der Standard definiert zwei Porttypen für 10 Gbit/s (10GBASE-KX4 und 10GBASE-KR) und einen 1-Gbit/s-Porttyp (1000BASE-KX). Er definiert außerdem eine optionale Schicht für FEC, ein Backplane-Autonegotiation-Protokoll und Link-Training für 10GBASE-KR, bei dem der Empfänger einen Three-Tap-Transmit-Equalizer einstellen kann. Das Autonegotiation-Protokoll wählt zwischen dem Betrieb mit 1000BASE-KX, 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR oder 40GBASE-KR4. 40GBASE-KR4 ist in 802.3ba definiert.

Neue Backplane-Designs verwenden 10GBASE-KR statt 10GBASE-KX4.

10GBASE-KX4

Dies funktioniert über vier Backplane-Lanes und verwendet dieselbe physikalische Schichtcodierung (definiert in IEEE 802.3 Klausel 48) wie 10GBASE-CX4.

10GBASE-KR

Dies funktioniert über eine einzelne Backplane-Lane und verwendet dieselbe Bitübertragungsschichtcodierung (definiert in IEEE 802.3, Klausel 49) wie 10GBASE-LR/ER/SR.

10GBASE-T

10GBASE-T oder IEEE 802.3an-2006 ist ein 2006 veröffentlichter Standard für 10-Gbit/s-Verbindungen über ungeschirmte oder geschirmte Twisted-Pair-Kabel über Entfernungen von bis zu 100 Metern.[18] Die 10GBASE-T-Kabelinfrastruktur kann auch für 1000BASE-T verwendet werden und ermöglicht ein schrittweises Upgrade von 1000BASE-T mithilfe der automatischen Aushandlung zur Auswahl der zu verwendenden Geschwindigkeit. 10GBASE-T hat eine Latenz im Bereich von 2 bis 4 Mikrosekunden im Vergleich zu 1 bis 12 Mikrosekunden bei 1000BASE-T. Seit 2010 ist 10GBASE-T-Silizium von mehreren Herstellern mit einer angegebenen Verlustleistung von 3–4 W bei Strukturbreiten von 40 nm erhältlich. Und da 28 nm in der Entwicklung ist, wird die Leistung weiter sinken.

10GBASE-T verwendet die bereits weit verbreiteten Steckverbinder IEC 60603-7 8P8C (allgemein bekannt als RJ45) für Ethernet. Die Übertragungseigenschaften sind nun auf 500 MHz spezifiziert. Um diese Frequenz zu erreichen, werden symmetrische Twisted-Pair-Kabel der Kategorie 6A oder besser gemäß ISO/IEC 11801 Amendment 2 oder ANSI/TIA-568-C.2 benötigt, um 10GBASE-T über Entfernungen von bis zu 100 m zu übertragen. Kabel der Kategorie 6 können 10GBASE-T über kürzere Entfernungen übertragen, wenn sie gemäß den Richtlinien in ISO TR 24750 oder TIA-155-A qualifiziert sind.

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