400G-Technologie

Was ist 400G?

400G ist der neueste Standard für Client-Schnittstellen im Highspeed-Ethernet. Er wurde ursprünglich als IEEE 802.3bs bezeichnet und im Dezember 2017 offiziell anerkannt. 400G ist Teil eines breiteren Themenbereichs, zu dem unter anderem 200G, Next-Generation-100G und 50G-Ethernet gehören. 

400G hat die schnelle Entwicklung und Einführung neuer optischer Steckmodule und Switche gefördert.   Die ersten 400G-Netzelemente sind bereits erfolgreich getestet worden. Die ersten Installationen werden für 2019 erwartet. 

Übertragungsgeschwindigkeit von 400G

Auch wenn heute vielleicht zu oft von einer „exponentiellen Verbesserung“ gesprochen wird, ist diese Beschreibung für 400G völlig gerechtfertigt. Bereits 1999 wurde Gigabit Ethernet eingeführt. Diese Technologie kann Rahmen (Frames) mit einer Geschwindigkeit von 1 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) übertragen. 

Terabit Ethernet steht heute für eine Datenrate von mindestens 100 Gbit/s. Echtes Terabit wären allerdings 1000 Gbit/s und ist für die Zukunft geplant. Mit einer Rate von 400 Gbit/s bietet 400G immerhin eine um das 400-Fache höhere Übertragungsgeschwindigkeit, als das Ethernet beim Übergang zum 21. Jahrhundert leisten konnte. Oder bildlicher ausgedrückt: Diese Veränderung entspricht in etwa dem Geschwindigkeitsunterschied einer Galapagos-Schildkröte im gemächlichen Trott und eines Geparden bei der Jagd.

400G-Ethernet ist so schnell, dass es die Leistungsfähigkeit eines konventionellen, binären Modulationsverfahrens, bei dem der Laser einfach immer wieder ein- und ausgeschaltet wird (On-Off Keying, OOK), übersteigt. Daher wurde die PAM-4-Pulsamplitudenmodulation entwickelt. Statt nur zwei Amplitudenwerte nutzt dieses Verfahren vier Pegel, um die Modulationsrate zu verdoppeln. Da der Abstand zwischen den Signalpegeln damit jedoch deutlich schrumpft, reagiert PAM-4 empfindlicher auf Rauschen. 

400G bedeutet jedoch mehr als nur neue Ethernet-Anschlüsse und Modulationsverfahren. Diese Technologie erfordert im gesamten Ökosystem des Netzwerks erhebliche Veränderungen und Anpassungen und stellt eine völlig neue und beispiellose Flexibilität und Skalierbarkeit der Bandbreite zur Verfügung.  

Neue Testanforderungen von 400G

Vor 100G-Ethernet war es viel einfacher, die Optik der Zubringerschnittstelle zu testen. Für jeden Kanal ließ sich die Bitfehlerrate (BER) ermitteln und ein Idealwert von null Fehlern über einen festgelegten Zeitraum wurde häufig als Bewertungskriterium genutzt. Mit dem Übergang von der NRZ-Modulation zu PAM-4 und FEC ist das Testen und Überprüfen von 400G weitaus komplexer geworden. Allein die deutliche Vergrößerung der Bandbreite stellt völlig neue Anforderungen an die Testausführung. 

Herausforderungen beim Testen von 400G

Höhere Datenraten und die PAM-4-Modulation verbessern den Durchsatz auf beeindruckende Weise. Allerdings sind sie auch für einige der neuen Herausforderungen beim Testen von 400G verantwortlich. Die PAM-4-Modulation erhöht die Komplexität auf der physikalischen Schicht. Da auf den Übertragungsstrecken (Link) immer Fehler auftreten, reicht es nicht länger aus, diese einfach nach dem Nullfehlerprinzip zu zählen oder die Tests danach auszurichten. 

Die höhere Datenrate und die Nutzung der FEC bedeutet, dass einige Module mit höheren Rohfehlerraten nach der Fehlerkorrektur („Post-FEC“) einwandfrei funktionieren, während bei anderen Ausfälle auftreten. Der Techniker sollte sich daher besser mit der Fehlerverteilung und -statistik auskennen, um akzeptable von nicht akzeptablen Fehlermustern unterscheiden und die tatsächliche Ursache der Störung erkennen zu können. Auch ist die FEC-Logik komplex und umfassend. Daher müssen sowohl die logische Schaltung als auch die dynamische Leistung überprüft werden.

Zudem erhöht 400G den Integrationsgrad, wie bei den optischen Steckmodulen QSFP-DD und CFP8 unschwer zu erkennen ist. Das CFP8 beispielsweise ist ein Wunder an Komplexität. Es besteht aus Lasern und Treibern, leistungsstarken Fotodioden und Microcontrollern, die in einem sehr kleinen Formfaktor kombiniert sind. Gleichzeitig erfordern diese zusätzlichen Elemente Strategien, die in der Lage sind, diese Komponenten bei 400G einzeln sowie im Kontext der gesamten Netzinfrastruktur zu testen und zu überprüfen.

Angesichts der höheren Komplexität von 400G-Ethernet kommt es darauf an, die Kosten für die Prüf- und Messtechnik sowie den Zeitaufwand zum Testen unter Kontrolle zu halten. Branchenführende 400G-Testlösungen können diese Anforderungen erfüllen. Sie stellen sofort einsatzbereite Testoptionen, die die Zeit bis zur Markteinführung von Neuprodukten für den Übergang zu 400G verkürzen, bereit. Damit verringern sie auch die damit in Zusammenhang stehenden Testkosten für Entwicklung und Produktion, die einer wettbewerbsfähigen Preisgestaltung hinderlich sind.  

Tester für 400G
Skalierbarkeit, Flexibilität und Aufrüstbarkeit sind unverzichtbare Eigenschaften einer effektiven 400G-Testlösung. Der ONT-600 400G auf Grundlage der neusten 400G-/200G-Norm (IEEE 802.3bs) bietet eine moderne Fehleranalyse sowie einen CFP8-Steckplatz. Da er im Feldeinsatz programmierbar ist, sind Updates zur Anpassung an die sich weiter entwickelnde Norm mühelos ausführbar. Auch unterstützt der ONT-600 400G die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) und PAM-4-Modulation. Damit erweist sich diese Testlösung als ideale Plattform für alle, die für die Entwicklung, Konstruktion und Überprüfung von technisch führenden Highspeed-Netzen verantwortlich sind. 

Hochdichtes 100G (N-Port) spielt eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, 400G durch Einspeisen mehrerer niedrigerer Bitraten zu testen. Das N-Port-Modul hat vier native und voneinander unabhängige QSFP28- und SFP28-Ports zum Testen und zur Systemprüfung. Modernste Testanwendungen und die umfassende Unterstützung optischer Transporttechnologien beschleunigen das Entwickeln und Testen neuer Komponenten und Module. Zudem sind die Serviceprovider mit dieser Lösung sehr gut für aktuelle und zukünftige Technologien gewappnet.

400G-Netze

Das DWDM-Verfahren („Dense Wavelength Division Multiplexing“, d.h. nah beieinander liegende Laser-Wellenlängen) hat die Bandbreite auf optischen Übertragungsstrecken deutlich erhöht. Diese Technologie erlaubt, über einen einzelnen Kanal einer Glasfaser Daten mit einer Geschwindigkeit von 400 Gbit/s und mehr zu übertragen. Da jede Kette jedoch nur so stark (oder schnell) ist wie ihr schwächstes Glied, schließt die Entwicklung von 400G-Ethernet nun die Bandbreitenlücke zwischen den Routern im Kernnetz und den DWDM-Geräten. Die 400G-Ethernet-Schnittstelle ermöglicht, die Kapazität der Netzelemente mit der richtigen Dichte in vollem Umfang auszuschöpfen, um einen übergangslosen und störungsfreien Durchsatz zu erzielen. Moderne anwendungsspezifische Standardprodukte (ASSP) für Switche, wie die Produktfamilie Tomahawk von Broadcom, können Verkehr von mehr als 12 Tbit/s in einer einzigen integrierten Schaltung (IC) verarbeiten. Da passen 400G-Schnittstellen gut zu dieser enormen Bandbreitenkapazität und der Bandbreitendichte auf dem Frontpanel. 

FlexE

Flex Ethernet (FlexE) ist ein Standard für eine Client-Schnittstelle, der zuletzt 2016 vom Optical Internetworking Forum (OIF) veröffentlicht wurde. Wie der Name bereits andeutet, soll mit FlexE ein flexibles Verfahren bereitgestellt werden, das eine Verbindung zwischen dem Ethernet-Netz und der physischen Schnittstelle (Server) ermöglicht. Zu diesem Zweck wird ein zusätzlicher „Shim“-Layer zwischen die MAC- und die PCS-Layer eingefügt. Damit ist es möglich, unabhängig von der Server-Schnittstelle mehrere verschiedene MAC-Raten zu unterstützen. FlexE erlaubt auch, Übertragungsstrecken zu bündeln (Bonding). So könnte 400G beispielsweise über eine einzelne Strecke, über 2 x 200G-Strecken oder über 4 x 100G-Strecken übertragen werden. 

FlexO

Die ITU-T-Norm für optische Transportnetze (OTN) definiert die empfohlenen Schnittstellen und Leitungsraten für optische Netzelemente, die über Glasfaser miteinander verbunden sind. 

OTN B100G erweitert diese Norm für Datenraten über 100 Gbit/s.  Anstatt neue oder andere Spezifikationen für ähnliche Link-Typen zu entwickeln, hat die ITU-T die fertige Spezifikation der Norm IEEE 802.3 verwendet, um festzulegen, wie die gleichen Steckmodule an OTN-Schnittstellen zu nutzen sind. Dieser Standard wird allgemein als „FlexO“ („Flexible OTN“) bezeichnet.

Zielgruppen von 400G

Die Effizienzsteigerungen, die die Einführung von 400G ermöglicht, betreffen das gesamte Highspeed-Ökosystem der Netze. Dazu gehören die Chip- und Modul-Hersteller, die Test- und Service-Industrie, Internet-Megakonzerne und die Anbieter von Telekommunikationsdiensten. Sie sehen diesen Verbesserungen mit Spannung entgegen und benötigen diese auch für ihr Geschäft. 

Web-2.0-Unternehmen, die Cloud-Dienste bereitstellen, werden 400G nutzen, um den Dichte-Anforderungen in ihren immer größeren Rechenzentren gerecht zu werden. Genauso müssen die Anbieter von Telekommunikationsdiensten in ihren enormen Rechenzentren mit ihrem äußerst anspruchsvollen Kundenstamm Schritt halten. Diese großen Player fördern den immer schnelleren Übergang zu 400G, um die von den Servern geforderten Datenraten bereitstellen zu können. Die Entwickler von optischen Modulen profitieren von der Nachfrage nach vielseitigeren und kompakteren Produkten.

Die von 400G ausgelösten Veränderungen in der Branche laufen für den Endnutzer sicher größtenteils unsichtbar ab. Trotzdem erlaubt diese Technologie den Netzbetreibern, die an eine störungsfreie Highspeed-Leistung gestellten Erwartungen zu erfüllen. Streaming Video, Virtual Gaming und das Internet der Dinge (IoT) sind nur einige wenige Anwendungen, denen der 400GE-Netzstandard zahlreiche Vorteile bieten wird.

100G und schneller

Die Kompatibilität von 100G und 400G kann nicht nur das Testen und Upgrades vereinfachen, sondern ist auch in wirtschaftlicher Hinsicht von Nutzen. Die ersten 100G-Ethernet-Lösungen kamen 2010 auf den Markt und haben sich erst 2016 langsam stärker verbreitet. 

Die Einführung des QSFP28, eines kleinen, während des Betriebs steckbaren (hot-pluggable) Transceiver-Moduls, das über jeden seiner vier Datenkanäle (Lanes) 28 Gbit/s übertragen kann, war die Voraussetzung dafür, dass sich 100G bis 2017 zur Mainstream-Technologie entwickeln konnte.  

Die Fortschritte bei den optischen Steckmodulen, die sich bei 100G langsam durchgesetzt haben, werden auch 400G-Ethernet effektiver machen. CFP8 ist ein optischer Transceiver, der an einer Host-Systemkarte (1 HE) 6,4 Tbit/s ermöglicht, wobei 400GE unterstützt und gleichzeitig die doppelte 100G-Portdichte des QSFP28 geboten werden. OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable) unterstützt die Leistungsanforderungen von 400G und besitzt einen integrierten Kühlkörper, um die Wärmeleistung sicherzustellen.

Die mit Blick auf 400G entwickelten Technologien, darunter die PAM-4-Modulation und KP4 FEC, sind auch nutzbar, um die Packungsdichte von 100GE-Modulen zu erhöhen und deren Kosten zu senken. Mit der weiteren Entwicklung dieser Technologien kann davon ausgegangen werden, dass 100G-Produkte die Verbesserungsmöglichkeiten, die mit 400G geschaffen werden, ebenfalls in vollem Umfang für sich nutzen werden.

Mehr als nur Bandbreite

Die beeindruckende Steigerung der Datenrate durch 400G ist ein großer Entwicklungssprung in der Leistungsfähigkeit von Ethernet-Netzen. Allerdings sind die höhere Übertragungsgeschwindigkeit und größere Bandbreite nur die Spitze des Eisbergs. 400G stellt nicht einfach mehr Bandbreite, sondern die richtige Bandbreite in der richtigen Dichte zur Verfügung. 

Die an die Anbieter von Cloud-Computing und Telekommunikationsdiensten gestellten Anforderungen werden die Server in den Rechenzentren weiter bis an die physischen Leistungsgrenzen belasten. Die Beseitigung des Engpasses, den das Ethernet einst darstellte, hat enorme Auswirkungen auf die gesamte Netzlandschaft. Innovationen wie PAM-4 haben diese Fortschritte ermöglicht und gleichzeitig neue Hürden für das Testen und Überprüfen von 400G eingeführt. Indem wir uns diesen Herausforderungen weiter stellen, leiten wir eine neue Leistungsära unserer Netze ein.
 

Testen auch Sie 400G mit VIAVI!

Sind Sie bereit, mit einem unserer Produkte oder Lösungen zum Testen von 400G den nächsten Schritt zu gehen? Füllen Sie eines der folgenden Formulare aus, um: