Hochleistungskommunikation über problematische Medien 10-Gbit/s-Ethernet: Die zweite Generation

10-Gbit/s-Ethernet: Die zweite Generation

Die 10GBase-T-Spezifikation stellt die Kabel- und Stecker-Hersteller vor ganz neue Herausforderungen. Für die Übertragung werden vier Adernpaare benötigt, pro Adernpaar müssen 2,5 Gbit/s übertragen werden. Diese Datenübertragungsrate findet sich etwa auch im PCI-Express-Standard, allerdings ist hier die Länge des Kabels auf 5 m begrenzt.

10GBase-T verwendet eine 128-DSQ-Modulation, und zwar in der Form einer „Double Square“-Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM); hier werden zwei gegeneinander versetzte 64- QAM-Signale übertragen. Die obere Grenzfrequenz wird bei dem neuen Übertragungsverfahren mit 500 MHz spezifiziert, die gleichen Werte müssen auch von den Komponenten der Übertragungsstrecke einschließlich der RJ45-Steckverbinder eingehalten werden. Um die Datenübertragung an die Übertragungsstrecke anpassen zu können, werden zu Beginn der Übertragung in Test- und Trainingssequenzen die für die Einstellung des senderseitig implementierten „Tomlimson Harashima Precoders“ (THP) erforderlichen Parameter ermittelt. Dabei handelt es sich um eine Art „Vorverzerrer“, der aus den Eigenschaften der Strecke die Parameter für die Optimierung der Signalform gewinnt.

Problemkreis Übersprechen

Besondere Aufmerksamkeit muss bei der Auslegung der Kabel und insbesondere der Steckverbinder dem Übersprechen durch benachbarte Adernpaare (Near End Cross Talk – NEXT) und dem Fremdsignal-Übersprechen (Alien Near End Cross Talk – Alien NEXT) geschenkt werden (Bild 4). Der Schweizer Hersteller R&M [7] etwa bietet UTP-Kabel (Unshielded Twisted Pair – ungeschirmte verseilte Adernpaare) in einer „WARP“- Ausführung an. Das wohl aus der Fernsehserie „Star Trek“ entliehene Acronym steht hier für „WAve Reduction Pattern“, also um ein Muster, mit dem die Abstrahlung reduziert wird. Dabei werden um das Kabel abschnittweise leitende Folien gewickelt, die voneinander isoliert sind. Mit dieser Struktur gelingt eine deutliche Verbesserung des Störabstandes, ohne dass am Steckverbinder eine zusätzlich Abschirmung mit angeschlossen werden müsste.

Das Unternehmen Belden [8] hat mit dem System „10GX IDC“ einen Baukasten für die Verbindung von Servern „über Kupfer“ nach dem 10GBase- T-Übertragungsverfahren neu entwickelt. Es handelt sich um ein modulares Verbindungssystem, mit dem sich große Kreuzschienen-Verteiler aufbauen lassen. Der Hauptbaustein des „10GX IDC“ ist ein Verbindungsblock, in dem die Belden-Entwicklungen MatriX und X-Bar zusammen mit einer X-Pair genannten Steckergestaltung zum Einsatz kommen, die speziell für das 10GX-IDC-System entwickelt wurde. MatriX heißt, dass benachbarte Steckverbinder um 90 Grad zueinander versetzt werden, auf diese Weise ist das Fremdübersprechen deutlich reduziert. Innerhalb des Steckverbinders werden die Leitungen zudem gekreuzt, so dass die Eigenschaften des paarweise verdrillten Kupferkabels (TP – Twisted Pair) durch den Steckverbinder hindurch erhalten bleiben. Mit dem 10GX-IDC-System ist ein Aufbau großer Kreuzschienen-Verteiler mit bis zu 2300 × 2300 Ports möglich: Grundbaustein ist ein Modul mit 72 Ports, das alle Komponenten für den Anschluss von 72 Kabeln enthält.

Module für die optische Übertragung

Nicht nur bei der Übertragung über „Kupfer“, sondern auch bei der optischen Übertragung haben die Vorgaben der IEEE-Komitees die Entwicklungsingenieure in den Unternehmen vor schwierige Aufgaben gestellt. Mit den neuen Produkten für die optischen 10GbE-Übertragungsverfahren scheinen die hohen Hürden jedenfalls gemeistert. So bietet die UR Group [9] mit dem TSP-10G3A1EE ein Modul für Übertragungen nach der Spezifikation der optischen Bitübertragungsschicht 10GBase-SR. Ausgestattet mit einer 850-nm-VCSEL-Diode (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), erreicht die Kombination aus Sender und Empfänger über einen 50/125-μm- Lichtwellenleiter ein Bandbreiten- Längen-Produkt von 500 MHz × km, was einer Reichweite von 82 m entspricht. Der Baustein bietet über eine I2C-Schnittstelle zur Überwachung fünf Parameter: Temperatur, Betriebsspannung (Ucc), Laser-Ausgangsleistung, Laser-Dioden-Ruhestrom und optische Leistung am Empfänger. Die Leistungsaufnahme liegt im Betrieb bei 1,5 W, das Gehäuse entspricht den XFP-Spezifikationen. Bei dem Modul TSP-10G3B1QE handelt es sich um eine Entwicklung für die LR-Bitübertragungsschicht des 10-Gbit/s-Ethernet. Eingebaut sind ein 1310-nm-Laser, der im Betrieb nach dem „Distributed Feedback“-Verfahren stabilisiert wird, sowie eine hochempfindliche PIN-Diode für den Empfänger. Dank einer aufwendigen Signal-Konditionierung bei der Umsetzung in das elektrische Signal wird bei der Verwendung eines Standard-9/125-μm-Einmoden- Lichtwellenleiters eine Übertragungslänge von 10 km erreicht. Auch dieses Modul bietet die fünf Überwachungsparameter des 850-nm- Moduls.

Die zweite Generation von 10-Gbit/s- Ethernet-Controller-Chips (10GbE) von Intel [4] ist der 82598 (Bild 2), der ebenfalls zwei 10GbE-MACs (Media Access Control) mit einer PCI-Express- Schnittstelle koppelt. Der neue 10GbE-Netzwerk-Controller zeichnet sich durch eine niedrige Leistungsaufnahme aus: 4,8 W bei Betrieb beider Ethernet-Ports. Jeder der beiden Ports ist mit zwei konfigurierbaren FIFOPufferspeichern ausgestattet, für den Sender 512 Kbit und für den Empfänger 320 Kbit lang; auf externe FIFOSpeicher kann daher verzichtet werden. Auf der PCI-Express-Seite sind ×8-, ×4-, ×2- und ×1-Verbindungen (Lanes) vorhanden.