100 Gigabit Ethernet

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Zwölf Fasern im Dämpfungstest

© VIAVI Solutions Deutschland GmbH

Von Peter Winterling, VIAVI Solutions

Die Bedeutung der Datacenter hat sich über die Jahre stark verändert: Immer mehr Daten werden direkt im Rechenzentrum verarbeitet und neuartige Systemarchitekturen gewinnen an Relevanz, etwa die sogenannte Spine-Leaf-Architektur, die Prozessoren und Datenbanken untereinander vernetzt. Gleichzeitig entstehen mehr und mehr lokale Rechenzentren, die regionale Daten verarbeiten, beispielsweise für die Echtzeitverkehrsleittechnik. Die Vermittlungsstationen der Netzbetreiber nähern sich zunehmend an die Architektur der Rechenzentren an. Auch dort steigt die Menge der Verbindungen innerhalb einer Station deutlich. Und auch dort dominieren 100-Gigabit-Verbindungen.

100-Gigabit-Ethernet-Übertragung

Im Gegensatz zum Weitverkehr, wo Übertragungssignale auf einer Wellenlänge und mit höherstufigen Modulationsverfahren kodiert und dann via DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) übertragen werden, müssen in Rechenzentren und Vermittlungsstationen lediglich kurze Verbindungen von oft nicht einmal 100 m überbrückt werden. Dazu werden optische Schnittstellen für 40/100-Gigabit-Ethernet genutzt, die in der IEEE802.3ba definiert sind.

In der Regel übertragen Transceiver das 100GbE-Signal parallel auf vier Wellenlängen mit jeweils 25 GBit/s. Um die Übertragung auch in bestehende Systeme zu integrieren, bedienen sie unterschiedliche Reichweiten und Wellenlängen. Bei der Standardschnittstelle 100GBASE-SR4 wird momentan beispielsweise der Formfaktor QSFP28 verwendet.

Reichweiten und maximale Dämpfungswerte von OM3- und OM4-Fasern
Faser Reichweite (m) Max. Einfügedämpfung (dB) Max. Dämpfungsbudget für Steckverbindungen (dB)
OM3 100 1,9 1,5
OM4 150 1,5 1
Einfügedämpfungswerte bei MPO-Steckern (US-Conec)
Standard Elite
Faserklasse Typ. (dB) Max. (dB) Typ. (dB) Max. (dB)
Multimode 0,2 0,6 0,1 0,35
Single Mode 0,25 0,75 0,1 0,35

Die erste Tabelle zeigt die Maximalwerte bezüglich der Kabel- und Steckerdämpfung für OM3 und OM4-Fasern. Die zweite Tabelle listet die üblichen Steckerdämpfungen für Standard- und Referenzstecker auf. Die maximale Einfügedämpfung von 1,5 dB bei der OM4-Faser für ein 150 m langes Kabel zeigt auch, dass der Standard-MPO-Stecker hier nicht eingesetzt werden kann. Die maximale Steckerdämpfung läge in Summe bei 1,7 dB. Gefragt ist hier ein Stecker mit niedriger Maximaldämpfung und deutlich geringerer Dämpfung. Die niedrigen maximalen Dämpfungswerte machen den direkten Einfluss sauberer Stecker auf Verbindungsqualität und -funktionalität deutlich. Netzbetreiber sollten daher immer mit geeigneten Prüfungen und Videomikroskopen auf die Sauberkeit der Steckerstirnflächen achten. Wichtig ist hier der Standard IEC 61300-3-35 mit seinen Kriterien zu Beurteilung der Steckerstirnflächen.

Für die Entwicklung neuer Transceiver spielen vor allem zwei Faktoren eine wichtige Rolle: Preis und Packungsdichte. Es ist daher nicht erstaunlich, dass Integration und Einsatz von Multimode-Fasern in Rechenzentren und Vermittlungsstationen immer weiter zunehmen. Als Übertragungsstandard hat sich 100GBASE-SR4 etabliert, der vier Multimode-Fasern pro Richtung umfasst und bei OM4-Fasern Reichweiten von bis zu 125 m abdeckt. Das ist für die meisten Fälle ausreichend. Für längere Verbindungen, beispielsweise im Campus-Bereich, ist Singlemode immer noch die erste Wahl. Hier bietet sich der PSM4-Standard an, der auf vier parallel geführte Fasern je Richtung setzt. In beiden Fällen werden MTP/MPO-Stecker genutzt, um den Umgang mit der Technik zu vereinfachen. Bei 100-Gigabit-Ethernet werden dabei von zwölf Fasern nur die Fasern 1 bis 4 und 8 bis 12 genutzt. Sollen Verbindungen von 1/10 GBit/s gebündelt werden, können insgesamt sechs Duplex-Verbindungen mit einem MTP/MPO-Stecker gesteckt werden.

Der MPO-Stecker zeichnet sich durch jeweils zwei Führungsstifte aus, welche die notwendige mechanische Stabilität liefern, um optische Verbindungen für alle zwölf Fasern herzustellen. Es gibt dabei sowohl Stecker mit Pin (male) sowie ohne Pin (female). Bei der Verkabelung ist somit darauf zu achten, die jeweils richtigen Kabel einzusetzen. Denn wenn gleiche Gender aufeinander gesteckt werden, kommt keine optische Verbindung zustande.

Aktive Systemelemente sowie die Trunk-Verkabelung zwischen den Gestellen verfügen üblicherweise über MTP/MPO-Stecker mit Pin. Entsprechend sollten hier Patchkabel eingesetzt werden, die keine Pins an den Enden haben. Sollen zwei Transceiver verbunden werden, werden Patchkabel mit gekreuzter Polarität benötigt. Diese werden jeweils an einer Seite eingesetzt.

MW-KommRZ2.2018.ID02-100GbE-Bild-2.jpg Polarität von Mehrfaserkabeln mit MTP/MPO-Stecker (Bild: VIAVI)

100GBASE-SR4-Transceiver (IEEE 802.3ba) benötigen zur richtigen Verbindung von Sender und Empfänger ein Verbindungskabel mit gekreuzter Polarität vom Typ B. Das Trunkkabel entspricht üblicherweise Typ A. Für die Parallelübertragung von sechsmal 1/10-Gigabit-Ethernet ist ein Patchkabel mit der paarweisen Vertauschung vom Typ C notwendig. Zusätzlich verfügen die Kupplungen für MPO-Stecker über eine Führungsnut (Key up und Key down). Diese verhindert die Aufhebung der Polarität durch das Drehen des symmetrischen MTP/MPO-Steckers.

Die Messungen an derartigen Kabeln werden durch die mechanische Kodierung und Genderisierung beeinflusst. Üblicherweise wird nach der Installation die Einfügedämpfung ermittelt. Bereits bei der Referenzierung der Messgeräte ist zu beachten, welche Stecker die Kabel haben. Aktive Elemente wie Transceiver werden üblicherweise mit Pin ausgestattet. Bei der Gestell-zu-Gestell-Verbindung (Trunkkabel) gibt es unterschiedliche Empfehlungen bezüglich der Genderisierung.

Die Referenzmessung zur Ermittlung der Einfügedämpfung wird durch die Art der MPO-Stecker beeinflusst. Die im Weitverkehr übliche Referenzmethode mit zwei Messkabeln (Test Reference Cord/TRC) kann nicht durchgeführt werden, wenn das Verbindungskabel an beiden Enden über gleiche Stecker verfügt.

MW-KommRZ2.2018.ID02-100GbE-Bild-3.jpg Messergebnisse für die Dämpfung bei unterschiedlichen Referenzmethoden (Bild: VIAVI)

Die Referenzmethode mit drei Patchkabeln bietet den Vorteil, dass auch Messobjekte mit unterschiedlichen Steckern geprüft werden können, wobei das mittlere Referenzkabel gleiche Stecker wie das zu messende Kabel haben muss. Allerdings bleiben im Messergebnis die Dämpfungswerte der Steckverbinder unberücksichtigt. Je nach Referenzmethode beinhaltet das Messergebnis die Dämpfungswerte der Steckverbinder oder eben nicht.

Tier-1-Messungen nach ISO/IEC

Die Ermittlung der Einfügedämpfung eines Kabels entspricht den Messmethoden für Duplex-LWL-Kabel mit seinen unterschiedlichen Standardisierungen: ANSI/TIA-526-14-C-2015 beim Multimode-Kabel und ANSI/TIA-526-7-A beim Singlemode-Kabel bzw. nach den europäischen Normen IEC 61280-4-1 (Multimode) und IEC 61280-4-2 (Singlemode). Dort sind die maximalen Dämpfungswerte für Spleiße und Stecker festgelegt. Aus der Referenzmethode errechnet sich zusammen mit der Faserdämpfung von 3,5 dB/km bei einer Wellenlänge von 850 nm bzw. von 1,5 dB/km bei 1300 nm und der Anzahl der Steckverbinder die maximale Dämpfung eines Verbindungskabels. Die Differenz zum maximalen Dämpfungswert ist die Reserve. Zur Einbeziehung der Faserdämpfung muss die Kabellänge ermittelt werden. Die Längenmessung erfolgt üblicherweise via OTDR (Optical Time-Domain-Reflectometry). Andernfalls muss die Länge aufwendig mit einem Pulslaufzeitverfahren am Tier-1-Messplatz ermittelt werden. Gemäß der Standardisierung kann die Referenzierung mit einem, zwei oder drei Referenzkabeln durchgeführt werden. Für diese sind jeweils bessere optische Parameter (Reference Grade) gefordert. Fallweise werden die Stecker dabei nicht, teilweise oder komplett in das Ergebnis einbezogen.

Moderne Dämpfungsmessplätze lassen sich für MPO-12-Kabel nutzen. Für 40/100-Gigabit-Ethernet sind je vier Fasern erforderlich, Faser 1 bis 4 für die Senderichtung, Faser 8 bis 12 für die Gegenrichtung. Die ungenutzten Fasern müssen in diesem Fall aber nicht unbedingt gemessen werden.

KommRZ2.2018.ID02-100GbE-Bild-4-1.jpg

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KommRZ2.2018.ID02-100GbE-Bild-4-3.jpg Resultate am Dämpfungsmessplatz: Die erste Grafik zeigt, dass Dämpfung und Reserve bei 850 nm am geringsten sind (135 dB bzw. 0,45 dB). Die Länge des Kabels (Typ B) ist zusammen mit der Polarität dargestellt. Gleichzeitig werden die Polarität des Kabels grafisch und die der Einzelergebnisse tabellarisch gezeigt. Der simulierte Fehler in den Fasern 4 bis 9 zeigt die Darstellung im Fehlerfall. In dieser Messkonfiguration wurden die vier mittleren Fasern der Verbindung einer 40GBASE-SR4 gemessen. In die Gesamtbewertung wurden sie aber nicht einbezogen (gelbe Markierung). Messplätze für Multimode-MPO-Fasern müssen zudem die Konditionen für Encircled Flux nach IEC 61280-1-4 erfüllen. (Bild: VIAVI)

Tier-2-Messung bei MTP/MPO-Mehrfaserkabeln

Bei Abnahmemessungen der strukturierten Verkabelung nach TIA und IEC ist die OTDR-Messung (Tier 2) nicht verbindlich vorgeschrieben. Werden AOC (Active Optical Cable) genutzt, kann bei kurzen Kabeln innerhalb eines Gestells darauf verzichtet werden. Bei längeren Verbindungen zwischen Gestellreihen oder in Vermittlungsstationen ist die Messung allerdings sinnvoll.

Messtechnisch gesehen sind die Verbindungen bezüglich Dynamik und Reichweite keine allzu große Herausforderung für ein OTDR. Da 100GBASE-PSM4 allerdings eine maximale Reichweite von 500 m hat, sollte das eingesetzte OTDR eine hohe Auflösung und sehr kurze Totzonen aufweisen. Nur so lassen sich nah beieinanderliegende Ereignisse separat darstellen. Da die Vermessung aller Fasern eines MTP/MPO-Kabels mit einem Breakout-Kabel zeitaufwendig und fehleranfällig ist, empfiehlt sich der Einsatz optischer Schalter, die über die Messroutine des OTDR gleichgesteuert werden.

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Schwarz auf Weiß
Dieser Beitrag erschien zuerst in unserer Magazin­reihe „Rechen­zentren und Infra­struktur“. Einen Über­blick mit freien Down­load-Links zu sämt­lichen Einzel­heften bekommen Sie online im Presse­zentrum des MittelstandsWiki.

MPO12 und aufwärts

Moderne Mehrfaserstecker verfügen über so minimale Dämpfungswerte, dass sie für alle Fasern eines Mehrfasersteckers die gleichen Werte wie Einzelfaserstecker garantieren. Besonders geeignet für 40/100GbE-Systeme ist der MPO12-Stecker, mit dem sich besonders hohe Packungsdichten an den Patchfeldern im Rechenzentrum erzielen lassen. Dies ist vor allem im Hinblick auf das kommende 400-Gigabit-Ethernet von Bedeutung. Hier ist davon auszugehen, dass die ersten verfügbaren Systeme eine Übertragung über 32 Fasern erforderlich machen (je Richtung 16 × 25 GBit/s).

Um eine reibungslose Datenübertragung sicherzustellen, ist auf die Reinigung und Sauberkeit von Mehrfasersteckern besonders zu achten. Die Reinigung mit herkömmlichen Reinigungsbändern ist dabei schwierig, denn durch die mechanische Konstruktion kommt es zu Fasern, die über den Steckerkorpus hinausstehen. Zudem leidet die Staubfreiheit unter der statischen Aufladung des Korpus. Daher sollten konsequent Staubschutzkappen eingesetzt werden. Vor jedem Stecken sollte außerdem die Sauberkeit mit einem Fasermikroskop überprüft werden, um Folgeschäden zu vermeiden.

Die Messverfahren an Mehrfaserkabeln mit MTP/MPO-Stecker sind in den einschlägigen Normen äquivalent zu den Messungen an Duplexkabeln definiert. Die Bestimmung der Einfügedämpfung und der Kabellänge wird bei ANSI/TIA und ISO/IEC als Tier-1-Messung bezeichnet, die OTDR-Messung als Tier 2. IEC 61300 definiert die Beurteilung der Steckerstirnflächen von MTP/MPO-Steckern mit einem Videomikroskop.

Peter Winterling ist Senior Solution Specialist Fiber Optic bei VIAVI Solutions Deutschland, einem weltweit führenden Anbieter sowohl für die Bereitstellung von Netzwerkdiensten als auch von Produkten und Lösungen für optische Sicherheit und Performance. VIAVI bedient damit eine breites Kundenspektrum, von den weltweit größten Betreibern von Mobilfunknetzen über Behörden und Anbieter von Enterprise-Netzen und Anwendungen bis zu den Installateuren, die die Glasfasern verlegen und Funkmasten errichten.


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