10-Gigabit-Ethernet / 10GBase-T / IEEE 802.3ae / IEEE 802.3an
10-Gigabit-Ethernet gehört zu einer Familie von Netzwerktechniken, die vorwiegend in lokalen Netzwerken zum Einsatz kommt. Ethernet eignet sich auch zur Verbindung großer Netzwerke. 10-Gigabit-Ethernet wurde erst für Glasfaserkabel, später auch für Twisted-Pair-Kabel entwickelt und spezifiziert. Die verschiedenen Varianten erlauben die Übertragung von Daten mit 10 GBit/s. Das ist eine Steigerung um den Faktor 10 gegenüber Gigabit-Ethernet mit 1 GBit/s.
10-Gigabit-Ethernet ist weniger ein Übertragungssystem im lokalen Netz (LAN - Local Area Network). Zwar hat 10-Gigabit-Ethernet auch in lokalen Netzwerken seine Berechtigung. Zum Beispiel für HPC-Clustering, SAN, Server-Anbindungen und Backbone-Verbindungen. Entwickelt wurde es jedoch unter anderem deshalb, um ATM in Weitverkehrsnetzen (WAN - Wide Area Network) abzulösen. 10-Gigabit-Ethernet konkurriert also auch mit SONET (Synchronous Optical Network) und SDH (Synchronous Digital Hierarchy).
Um den Standard flexibel zu halten und einen breiten Einsatz zu ermöglichen, unterstützt er gleich 7 verschiedene Glasfasertypen. 10-Gigabit-Ethernet ist praktisch unabhängig vom eingesetzten Glasfaserkabel.
Jumbo-Frame
Jumbo-Frames wurden bereits bei 1GBase-T eingeführt, sind jedoch in 10GBase-T standardisiert. Man kann sie aktivieren, ohne das es zu Problemen bekommt. In Jumbo-Frames passen bis zu 9014 Byte Nutzdaten in ein Ethernet-Frame. Vorher waren es nur 1500 Byte. Der Anteil des Overheads an der Übertragung hat sich durch Jumbo-Frames reduziert.
IEEE 802.3ae / 10-Gigabit-Ethernet über Glasfaserkabel
- 10GBase-LX4: Multimode- oder Singlemode-Glasfaser (300 m und 2 km) mit einer Wellenlänge von 1310 nm
- 10GBase-SR: Multimode-Glasfaser (bis 300 m) mit einer Wellenlänge von 850 nm
- 10GBase-LR: Singlemode-Glasfaser (bis 10 km) mit einer Wellenlänge von 1310 nm
- 10GBase-ER: Singlemode-Glasfaser (bis 40 km) mit einer Wellenlänge von 1550 nm
IEEE 802.3ak / 10-Gigabit-Ethernet über Twinax-Kabel
- 10GBase-CX4: 10 Gigabit über 8 Twinax-Paare auf 15 Meter (Verbindung für Switche)
IEEE 802.3an / 10-Gigabit-Ethernet über Twisted-Pair-Kupferkabel
- 10GBase-T: 10 Gigabit über CAT7- und CAT6a-Kabel
Übertragungstechnik von 10GBase-T (Twisted-Pair)
10GBase-T nutzt alle vier Adernpaare des Twisted-Pair-Kabels. Die 10 GBit/s sind auf 4 Adernpaare aufgeteilt. Das sind 2,5 GBit/s pro Adernpaar. Eine solche Übertragungsrate ist mit einem binären Übertragungsverfahren nicht möglich. Deshalb werden pro Taktschritt mehrere Bit übertragen. Die Grenzfrequenz von 10GBase-T ist auf 500 MHz festgelegt. Die Maximalfrequenz ist also vom Kabel vorgegeben. Geeignet sind CAT6A-, CAT6A- oder CAT7-Kabel. Mit Abstrichen in der Reichweite auch CAT6 und CAT5(e).
| Modulation | PAM14, 4 Bit pro Schritt |
|---|---|
| Symbolrate | 800 MSymbole/s, vollduplex |
| Kodierung | 128-DSQ, LDPC |
| Framegröße | 3250 Bit Nutzdaten |
| Anschluss | RJ45, vier Adernpaare |
| Reichweite | ~ 22 Meter mit CAT5(e) (nicht spezifiziert) ~ 55 Meter mit CAT6 (nicht spezifiziert) 100 Meter mit CAT6A 100 Meter mit CAT7 |
Um 10 GBit/s möglich zu machen, werden mit verbesserten Kodierverfahren mehr Zustände (Symbole) pro Übertragungsschritt übertragen. Mit ähnlichen Verfahren arbeiten bereits analoge Modems. Statt einfache binäre Verfahren, wird über viele Amplitudenwerten mehrere Bit pro Übertragungsschritt transportiert. 10GBase-T setzt auf PAM16, eine Puls Amplituden Modulation mit 16 Stufen. Sie bilden 4 Bit in einem Übertragungsschritt ab. Doch dieses und vergleichbare Verfahren haben ihre Grenzen. Mit zunehmender Anzahl der Bit pro Übertragungsschritt steigt die Anfälligkeit gegenüber Störungen.
- Übersprechen am nahen Ende (NEXT: Near End Crosstalk)
- Übersprechen am entfernten Ende (FEXT: Far End Crosstalk)
- Übersprechen von benachbarten Kabeln (AXTLK: Alien Crosstalk)
Der maximal erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit hängt vom Signal/Rausch-Abstand ab. Deshalb arbeitet man daran, die Störungen zu eliminieren. Typischerweise wird mit mathematischen Funktionen und Algorithmen versucht typische Störungsmuster zu erkennen und heraus zu filtern. Die notwendige Rechenleistung ist jedoch sehr hoch.
Weil das Übertragungsverfahren an das Kabel angepasst werden muss, wird nach dem physikalischen Zusammenschalten zweier Stationen die Übertragungsstrecke ausgemessen. Das bedeutet, vor der Datenübertragung gehen die Endstellen an den beiden Kabelenden in einen Trainingsmodus über. Danach stellen sie die Sendeleistung ein und parametrieren ihre Empfänger. Die Bedingungen für die Datenübertragung sind von der Kabellänge, der Kabelqualität, der Behandlung beim Verlegen und vielen anderen Parametern abhängig.
Kabelinstallation für 10GBase-T
| Kategorie | Grenzfrequenz | Reichweite | Anmerkung |
|---|---|---|---|
| CAT5(e) | 100 MHz | ~ 22 m | nicht spezifiziert |
| CAT6 | 250 MHz | ~ 30 m | nicht spezifiziert |
| CAT6A | 500 MHz | ~ 55 m | nicht spezifiziert |
| CAT7 | 600 MHz | 100 m |
Einfach nur CAT6A- oder CAT7-Kabel zu verwenden, reicht für 10GBase-T nicht aus. Erschwerend kommt hinzu, dass auch die Bedingungen bei der Kabelinstallation eine große Rolle spielen. Hinzu kommen Maßnahmen, die sich durch die gesamte Installation ziehen müssen.
Der Betrieb von 10GBase-T auf CAT5e und CAT6e ist möglich. Aber nur mit Abstrichen bei der Reichweite. Wie weit genau, ist aber nicht spezifiziert. Im Einzelfall muss man das immer ausprobieren und nachmessen.
Nicht nur Fast- und Gigabit-Ethernet leiden unter Kopplungseffekte und Übersprechen. Insbesondere 10GBase-T leidet darunter, wenn bei der Installation unsauber gearbeitet wurde. Bei 10GBase-T dürfen sich die Kabel nicht zu nahe kommen. Andernfalls tritt erhöhtes Nebensprechen auf. Das Zusammenbinden der Kabelstränge mit Kabelbindern muss unterbleiben, weil die Kabel zusammengepresst werden und sich zu nahe kommen. Sowohl beim Verlegen als auch bei der festen Installation muss der Biegeradius eingehalten werden. Denn in der Biegung des Kabels werden die Adern gestaucht und gezogen, wodurch sie ihre Lage verändern können. Die Vorgaben von 10GBase-T haben auch Einfluss auf die Stecker und Buchsen. Beides muss geschirmt sein und weit genug auseinanderliegen. Konkret bedeutet das, dass die üblichen RJ45-Steckverbindungen nicht mehr verwendet werden dürfen. Bisher gibt es aber noch keinen Standard-Steckverbinder für 10GBase-T.
Bei großen weitflächigen Installationen werden durchgängig metallische Kabeltrassen (ohne Löcher und Schlitze) empfohlen. Pro Kabeltrasse ist eine maximale Füllmenge und ein dazugehöriges Erdungskonzept vorgeschrieben. Zusätzlich sind Abdeckungen vorgesehen.
Bei diesem Aufwand erkennt man schnell, dass 10GBase-T nicht für die Arbeitsplatz-Vernetzung taugt. Und bei der Vernetzung übergeordneter Netzwerk-Stationen kommt man vom Preis und der Leistung her in die Regionen, wo sich Glasfaserkabel lohnen.