Ethernet/IP bis 400G

High-Speed-Ethernet ist eine Schlüsselkomponente moderner Netzwerke und ermöglicht wesentlich höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Ethernet-Standards. Diese Technologie ist von entscheidender Bedeutung für Rechenzentren, Unternehmensnetzwerke und Telekommunikationsinfrastrukturen, um den ständig wachsenden Bandbreitenbedarf zu erfüllen.

Für die Realisierung von High-Speed-Ethernet >100G ist die Betrachtung technischer Aspekte zwingen notwendig, die bisweilen in Netzen mit geringerer Bandbreite kaum eine Rolle gespielt haben.

Betrachten wir daher kurz jene Aspekte, wie Transceiver-Technologien, Modulationsverfahren (NRZ und PAM-4) sowie Fehlerkorrekturcodes (KR4 und KP4).

Transceiver-Technologien:

Die Auswahl der richtigen Transceiver-Technologie ist der erste, entscheidende Schritt bei der Implementierung von High-Speed-Ethernet-Verbindungen. Drei wichtige Optionen sind QSFP28 (Quad Small Form-Factor Pluggable), QSFP-DD (Double Density) und OSFP (Octal Small Form-Factor Pluggable).

• QSFP28: Dieses Modul ist ein weit verbreiteter Standard für 100G-Ethernet-Verbindungen. QSFP28 verwendet vier physical Lanes, wobei jede Lane eine Datenrate von 25 Gbps pro Lane aufweist. Die vielfältigen Konfigurationsmöglichkeiten, wie SR4 (Short Range 4), LR4 (Long Range 4) und ER4 (Extended Range 4), ermöglichen es, die Bedürfnisse von Kurzstrecken- und Langstreckenverbindungen zu erfüllen.
• QSFP-DD: QSFP-DD ist eine Weiterentwicklung des QSFP-Formfaktors und wurde entwickelt, um 200G und 400G Ethernet-Verbindungen zu unterstützen. Im Gegensatz zum QSFP28 hat ein QSFP-DD auf der elektrischen Seite eine doppelte Pinreihe und bietet somit acht unabhängige Lanes, wobei jede Lane eine Datenrate von 50 Gbps pro Lane aufweist. Diese doppelte Pinreihe wird im englischen Double Density, oder abgekürzt DD genannt. Daher ermöglicht ein QSFP-DD die Gesamtdatenrate von 400 Gbps in einem kompakten Formfaktor.
• OSFP: OSFP ist ein größerer Transceiver-Formfaktor, der für 400G-Ethernet-Verbindungen und höhere Geschwindigkeiten entwickelt wurde. Es bietet ebenfalls acht unabhängige Lanes, wobei jede Lane eine Datenrate von 50 Gbps pro Lane aufweist. OSFP bietet erweiterte Kühlungsoptionen, um den höheren Energieverbrauch zu bewältigen und ist ideal für Hochleistungsnetzwerke.

Bei der Umwandlung der elektrischen Signale in Optische Signale werden nun in den Transceivern Modulationsverfahren angewendet, durch die die hohe Bandbreite zur Übertragung in Glasfasern erzielt werden kann.

Modulationsverfahren - NRZ und PAM-4:

Die Wahl des Modulationsverfahrens beeinflusst die Datenübertragungseffizienz erheblich und ist von zentraler Bedeutung für die Leistung von High-Speed-Ethernet-Verbindungen.

• NRZ (Non-Return-to-Zero): NRZ ist ein einfaches Modulationsverfahren, bei dem jedes Bit durch zwei diskrete Spannungsstufen dargestellt wird.
  Spannungsstufe A: entspricht Logisch 0
  Spannungsstufe B: entspricht logisch 1

Typischerweise werden 0 V und eine positive Spannung verwendet. NRZ bietet eine einfache Signalverarbeitung und wir für häufig Verbindungen bis 100G verwendet.

• PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation 4): PAM-4 ist ein fortschrittlicheres Modulationsverfahren, bei dem vier unterschiedliche Spannungspegel verwendet werden, um zwei Bits pro Symbol zu übertragen. Jeder dieser Pegel repräsentiert ein Symbol, und die Kombination von zwei Datenbits.
  Spannungsstufe A: entspricht logisch 00
  Spannungsstufe B: entspricht logisch 01
  Spannungsstufe C: entspricht logisch 10
  Spannungsstufe D: entspricht logisch 11

Im direkten Vergleich der Grafiken des NRZ und des PAM-4 wird nachfolgend die Übertragung des identischen Wortes dargestellt und es wird sofort ersichtlich, dass mit PAM-4 eine Verdoppelung der Geschwindigkeit erzielt wird. PAM-4 ist notwendig, um Bandbreiten > 100G erzielen zu können.

Das Augendiagramm des PAM-4 Signales lässt unweigerlich erkennen, dass die Spannungsstufen deutlich enger beieinander liegen, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit für Fehlinterpretationen enorm hoch ist, was für eine fehlerhafte Übertragung sorgt. Eine fehlerfreie Übertragung ist daher mit PAM praktisch nahezu unmöglich.

Daher muss mit PAM-4 zwingend eine Fehlerkorrektur angewendet werden. Die Forward Error Correction.

Forward Error Correction (FEC) - KR4 und KP4:

Zwei Mathematiker namens Irvin Reed und Gustav Solomon haben erforscht, dass es nur eine relativ geringe Menge an Informationen benötigt, um ein Datensignal rekonstruieren zu können. Sie nannten diese Informationen Code Wörter. Wenn also parallel zum Datensignal diese Codewörter mitgesendet werden, dann können am Empfänger anhand der Informationen in den Codewörtern verlorengegangene oder korrupte Pakete wieder hergestellt werden.

Deshalb wird diese Methode gemäss Ihren Entdeckern Reed-Solomon Forward Error Correction oder kurz RS-FEC genannt.

Aufgrund der PAM-4 Modulation in Highspeed Netzen >100G angewendet werden.

Es wird zwischen zwei Varianten des RS-FEC unterschieden

• KR4-FEC: Diese FEC-Technik wird in 100G-Ethernet-Anwendungen verwendet und basiert auf RS-FEC (528/514) Kodierung. Die Zahlen bedeuten hierbei nur: von insgesamt 528 übertragenen Symbolen sind nur 514 Symbole mit Nutzdaten gefüllt. Die restlichen 14 Symbole enthalten die Redundanzdaten.
• KP4-FEC: Die KR4-FEC reichte für Highspeed >100G nicht aus, da durch die dichtere PAM-4 Modulation deutlich mehr Fehler entstehen können. Daher wurde weiterentwickelt zu einer RS-FEC (544/514) Kodierung. Analog bedeutet dies hier, dass von insgesamt 544 übertragenen Symbolen sind 514 Symbole mit Nutzdaten gefüllt. Die restlichen 30 Symbole enthalten die Redundanzdaten, die uns die heute bekannten Highspeedverbindungen >100G ermöglichen

Diese fortschrittliche Technologie findet innerhalb der kleinen optischen Transceiver statt. Wir sprechen einfach gesagt, von Modulation der elektrischen Signale auf einen optischen Träger, hinzufügen der FEC, sowie die Inbetriebhaltung des Lasers. Es leuchtet ein, dass hierfür ein gewisses Mass an Leistung notwendig wird, die ihrerseits für Wärme sorgt

Kühlung

Die Optiken können heutzutage Temperaturen von bis zu 100° Celsius erreichen, die einen Betrieb unmöglich machen würden. Das Beispiel des abgebildeten OSFP-400G Transceivers lässt erahnen, dass die Kühlung der Optiken zu den grossen Herausforderungen zählt.

Derzeit sind Betriebstemperaturen von bis zu 70° Celsius durchaus gängig.

Messtechnik

Portable Messgeräte müssen im Highspeedbereich neben der Messung der Netzwerkperformance auch jene Faktoren zuverlässig berücksichtigen. Während es bei stationären Systemen wohl eher unproblematisch ist, für ausreichend Kühlung zu sorgen, da sie meist in klimatisierten und stabilen Umgebungen operieren und permanent mit Strom versorgt sind.

Portable Geräte müssen in jeglichen Umgebungen auch bei höheren Temperaturen zuverlässig operieren können – auch während Langzeitmessungen. Dies erfordert ausgeklügelte Kühlkonzepte, die zuverlässig funktionieren – und das auch im Batteriebetrieb. Nicht jedes Gerät dürfte diesen Anforderungen in der notwendigen Zuverlässigkeit gewachsen sein.