CAT8: Die Zukunft im Rechenzentrum

von Stefan Ries – datacenterjournal.com

Heutige Rechenzentren bedürfen zunehmend höheren Geschwindigkeiten, einem flexiblen Design und eines kostengünstigen Migrationspfades. Bandbreiten-Anforderungen wachsen angetrieben durch die Virtualisierung, Big Data, mobilen Anwendungen und neuen Wegen der Zusammenarbeit, Service und Netzwerkkonvergenz sowie High-Bitrate Video-und Audio-Streaming.

Die Umsetzung der neuen Technologien und Plattformen wie Ultra-High-Definition-Video-4K wird diesen Trend weiter beschleunigen. Zum jetzigen Zeitpunkt sind die Einführung von 10GBase-T Ausrüstung und der bevorstehende 40G Standard die wichtigsten Treiber. Diese Entwicklungen haben weitreichende Konsequenzen für das Design von Rechenzentren und die Verkabelung.

Eine wiederkehrende Frage ist, ob Kupfer die Bandbreiten-Anforderungen der heutigen aktiven Geräte im Rechenzentrum verarbeiten und auch die kommenden Generationen unterstützen kann. Durch Kupfer sind Entfernungsbeschränkungen vorgegeben, die eventuell zu kurz sein können. Vor nicht allzu langer Zeit argumentierten viele Fachleute, dass nur optische Faser für höhere Datenraten funktionieren würde und dass die Twisted-Pair-Kupferverkabelung ihre Grenzen mit 10 GB/s erreichen würde. Aber es gibt eine Lösung, die höhere Anforderungen an die Bandbreite in den Datenzentren erfüllen kann.

Die Entfernungsbeschränkung

Kategorie 8, die Klassifizierung für die Next-Generation-Twisted-Pair-Verkabelung, hat das Potenzial für eine bis zu 2 GHz-Spezifikation — das Vierfache der heutigen 500 MHz Bandbreite. Das bedeutet, dass Kupfer für 10GBase-T mit der gleichen Power per Port (oder sogar weniger) geeignet ist. CAT8 scheint die Mainstream-Technologie für Rack-basierte Verbindungen im Datenzentrum zu werden.

Im Gegensatz zur Kupferverkabelung für frühere 1G und 10G Technologien wird CAT8 nicht die 100 Meter Segmentlänge haben. Für die meisten Datenzentren, ist die 100m Beschränkung jedoch kein Problem. TIA hat Umfragen durchgeführt, um die Reichweiten-Bedürfnisse in typischen Rechenzentren zu bewerten und diese Umfragen zeigen, dass die Mehrheit der Anwendungen mit einer Gesamtreichweite von 30 Meter gewartet wird. Die IEEE-Arbeitsgruppe hat die Auswertung überprüft und bestätigt die Ergebnisse dieser Studien.

Aus einer Studie, die vor einiger Zeit durchgeführt wurde, schloss die IEEE, dass es kommerziell interessant sein könnte, Twisted Pair für höhere Datenraten über Distanzen zwischen 20 und 30 Metern einzusetzen. Diese Erkenntnis eröffnet attraktive Perspektiven für Rechenzentren, da Twisted Pair die weitere Verwendung von flexiblen, universellen und preiswerten Verkabelungslösungen ermöglicht. Nach Aussagen der IEEE, ist es technisch möglich, die bisherigen Grenzwerte der Datenraten über Entfernungen von weniger als 100 Meter zu erhöhen. Arbeitsgruppen innerhalb der ISO/IEC und EIA/TIA arbeiten bereits an diesem Thema. Sie wollen die Twisted-Pair-Verkabelung für 40 GB/s standardisieren. Die JTC1 SC25/WG3 Gruppe der ISO/IEC veröffentlichte einen technischen Bericht, der der IEEE die Möglichkeiten dieser Technologie zeigen soll.

Die Verkabelungsleistung in der “echten” Welt

Dieses Ziel kann durch verschiedene Mittel erreicht werden. Man könnte die Betriebsfrequenz ankurbeln, den Kompensationsgrad für Störsignale erhöhen oder beides kombinieren. Darüber hinaus gibt es bereits Systeme auf dem Markt, die die Spezifikationen der Normen übertreffen und eine Leistung besser als 10 GB/s bieten. Die Arbeit der verschiedenen Normungsgremien unterstützt eindeutig diese Situation. Die ISO/IEC-Arbeitsbezeichnung CAT8.1 und CAT8.2 sollen die Eigenschaften der bisherigen Klassen über kurze Strecken übertreffen. In der Tat diskutieren die ISO/IEC-Organisationen Bandbreiten von 1.600 bis 2.000MHz. Die EIA/TIA möchte einen direkteren Weg nehmen und einen CAT8 Standard definieren, der auf einem geschirmten RJ45-Stecker basiert und für Frequenzen von bis zu 2.000MHz gedacht ist.

Parallel zu diesen Bemühungen hat die IEEE begonnen, die nächste Ethernet-Generation zu definieren. Sie plant einen Standard für 40GB/s Ethernet, bezeichnet als IEEE 802.3bq, der die Verkabelung von Reihenkonfigurationen im Rechenzentrum erlaubt.

Natürlich sind die Entwicklungen noch in vollem Gange und es bleibt noch viel zu ermitteln. Diskussionen in den Normungsorganisationen beginnen gerade erst und viele Aspekte sind noch im Fluss wie zum Beispiel die Frage, welche Merkmale die 4 GB/s-Kategorien haben sollten. Kürzlich wurden, der IEEE-Diskussion folgend, die Abstände von 50 auf 30 Meter reduziert. Derzeit ist es unklar, welche Bandbreite tatsächlich benötigt wird. Eine andere Frage ist, wie die CAT8 Definition der EIA/TIA mit den Anforderungen für CAT6A (10GB/s) harmoniert.

Geschirmt oder ungeschirmt?

Ein weiteres heißes Thema ist die Schirmung — bei Glasfaser ist das kein Thema, aber Kupfer stellt einige Schirmungsanforderungen. Die für 40 GB/s erforderliche Kanalkapazität kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Die Übertragungsbandbreite, die Kompensation der Störsignale oder beides kann erhöht werden. Eine höhere Kompensation der Störsignale ist nur sinnvoll, wenn die Teile, die ausgeglichen werden können größer sind, als die Teile, bei denen ein Ausgleich nicht möglich ist. Bei Twisted-Pair-Systemen gilt dies nur für Alien Crosstalk (ANEXT/AFEXT) in geschirmten Systemen. Darum sind Experten heute schon sicher, dass geschirmte Systeme die einzige Möglichkeit für 40GBase-T sein werden.

In unseren eigenen Labors haben wir Tests durchgeführt, um zu sehen, wie diese Überlegungen sich auf die heutigen Systeme auf dem Markt auswirken. R&M nahmen an, dass ein System der Klasse FA (Cat7A) eine Übertragungsfrequenz von 1.000 MHz nach den Standards ermöglicht und setzt dieses im Modell um. Dieses System würde es einen Kanal ermöglichen, etwa 78% der benötigten Kapazität zu liefern. Um einen höheren Wert zu erreichen, müsste ANEXT weiter gesenkt werden. Das wäre in der Praxis einfach, weil hochwertige Kabel eine weit bessere Leistung als die Standards liefern. Ein derartiges Kabel (hier als CAT7b bezeichnet) könnte 107% der benötigten Kanalkapazität bei einer Frequenz von 1.000 MHz erreichen.

High-End CAT6A-Systeme setzen jedoch wesentlich bessere Leistungen als diese Standards voraus. Im Labor zeigte R&M, dass das R&M CAT6A ISO-System auch 105% der erforderlichen Kanalkapazität mit einem Kabel von diesem Typ erreichen würde.

Kurz gesagt ist CAT8 Kupfer eine hervorragende, zukunftssichere Lösung für aktuelle und kommende Generationen von aktiven Geräten mit 10G und 40G am Horizont. Die inhärenten Entfernungsbeschränkungen sind selten ein Problem bei Datencenter-Anwendungen. Aktuelle Spezifikationen gehen auch ausreichend mit Nebensprechen um, Hersteller und Normungsgremien haben intelligente Lösungen für eventuelle Verbindungsprobleme. Betreiber und Planer von Rechenzentren können eine kostengünstige Wahl treffen und Investitionen reduzieren, ohne die Betriebskosten, Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.