Der ultimative Leitfaden zu 100G Gigabit Ethernet

Die aktuelle Entwicklung der Netzwerkwelt geht hin zu einem datengesteuerten Ansatz, um den wachsenden Anforderungen an Netzwerke gerecht zu werden. Für das Rückgrat des Ethernet der nächsten Generation ist 100 Gigabit Ethernet (100 GbE) derzeit am weitesten verfügbar, und die Entwicklung dieses Netzwerks treibt das anhaltende Kapazitätswachstum bei Netzwerkanbietern, die Einführung von Netzwerken mit hohen Bandbreitenanforderungen und die Entwicklung von TDM hin zu paketbasiertem Transport in Metro-Netzwerken voran. Dieser Artikel beschreibt, was 100 GbE ist, seinen Entwicklungspfad, welche Vorteile es bietet und in welchen Branchen es eingesetzt wird.

Was ist 100G Gigabit Ethernet?

100GbE bezieht sich auf 100 Gigabit Ethernet, ein High-Speed-Netzwerkstandard, ein Netzwerkprotokoll mit einer Datenübertragungsrate von 100 Gigabit pro Sekunde (Gbps), eine Technologie, die zu den verbreiteteren Typen der Ethernet-Familie gehört und die Grundlage der Kommunikation für die Mehrheit der lokalen Netzwerke (LANs) und Weitverkehrsnetze (WANs) weltweit bildet. Im Vergleich zu seinen Vorgängern 10GbE und 40GbE gibt es erhebliche Verbesserungen bei Geschwindigkeit und Kapazität.

Um dem Bedarf an Netzwerken mit hoher Bandbreite gerecht zu werden, gründete die IEEE 2006 die HSSG (Higher Speed Study Group), um einen Standard für 100G Ethernet zu entwickeln. Diese wurde 2007 offiziell in die IEEE802.3ba-Gruppe umgewandelt, die den 40G/100G-Ethernet-Standard festlegt, wobei 40Gbps hauptsächlich für Computing-Anwendungen vorgesehen ist, während 100Gbps für Kern- und Aggregationsdienste bestimmt ist. Zu den aktuellen Schlüsseltechnologien für 100G-Ethernet-Schnittstellen gehören die Kanalbündelung auf der physikalischen Schicht (PHY) und die Wavelength-Division Multiplexing (WDM)-Technologie. Es gibt höherwertige Codierungs- und Modulationstechniken, wie Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) und Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Im Vergleich zur 10G-Ethernet-Technologie bietet 100G Ethernet eine höhere Einheitlichkeit der Schnittstellenstandards und Bandbreitenleistung sowie eine bessere Leistung bei Dämpfung und Dispersion.

Obwohl 100GbE in Bezug auf die verwendeten Ethernet-Protokolle und -Prinzipien praktisch identisch mit seinem Vorgänger ist, erreicht es durch fortschrittlichere Technologie Datenübertragungseffizienzen von bis zu 100Gbps. Diese Effizienz hat dazu beigetragen, 100GbE zum Rückgrat von Rechenzentren, Netzwerkinfrastrukturen und Hochleistungsrechnen zu machen, einem wesentlichen Bestandteil moderner Netzwerke.

100G Ethernet ist die schnellste Ethernet-Geschwindigkeit, die über einen einzelnen Kanal aufrechterhalten wird.IEEE 802.3ck wurde im Dezember 2022 zur dritten Generation von 100G Ethernet mit einem einzelnen 100G Gb/s-Kanal sowie von 200G und 400G Ethernet mit zwei bzw. vier dieser Kanäle und spezifiziert die Verwendung von Twinaxialkabeln zur Übertragung von 100GBASE-CR und 100GBASE-CR über Twinaxialkabel über Entfernungen von bis zu 2 Metern. Zusätzlich zu 100GBASE-CR, das eine maximale Übertragungsdistanz von 2 Metern über Twinaxialkabel spezifiziert, und 100GBASE-KR, das eine elektrische Backplane verwendet, die 100GBASE-ZR Der Standard unterstützt 100G Ethernet über eine maximale Entfernung von mehr als 80 Kilometern durch den Einsatz einer Mehrkanalarchitektur sowie eines Single-Wavelength-DWDM-Systems. Wenn Kosteneffizienz Priorität hat, kann auch eine Vierkanal-Konfiguration mit 25G NRZ SerDes ein zuverlässiges Übertragungsmedium sein.

Einführung in die Entwicklung von 100G-Ethernet

Ethernet, die heute am weitesten verbreitete LAN-Technologie, entstand 1973 im Xerox Palo Alto Research Center in Kalifornien. Es wurde ursprünglich entwickelt, um Daten zwischen Computer-Workstations, Servern und Druckern zu übertragen.

Dies war zu seiner Zeit eine bahnbrechende Errungenschaft, da zuvor große, teure Mainframe-Computer Computernetzwerke dominiert hatten.

Die anfängliche Verbindungsgeschwindigkeit von Ethernet betrug nur 2,85 Megabit pro Sekunde (Mbps). 1980 veröffentlichte ein Konsortium von Anbietern aus Digital Equipment Corporation, Intel und Xerox den DIX-Ethernet-Standard, einen 10-Mbps-Ethernet-Standard. Infolgedessen war Ethernet bis in die 1980er Jahre auf eine Höchstgeschwindigkeit von 10 Mbps beschränkt.

1995 wurden 100-Mbps-Fast-Ethernet-Systeme eingeführt, darunter eine Vielzahl von Twisted-Pair- und Glasfaser-Mediensystemen. Vier Jahre später wurde 1.000 Mbps (1 GbE) Ethernet eingeführt.

Der Übergang von 1 GbE zu 10 GbE dauerte etwa 7 Jahre, aber der Übergang von 10 GbE zu 40 GbE dauerte nur 4 Jahre.

In der Folge, als Rechenzentren 40 GbE schrittweise abschafften, begannen die Kosten für 100-GbE-Netzwerkausrüstung zu sinken, und die breite Einführung von 100-GbE-Netzwerken folgte.

100-Gigabit-IEEE-Standard

Die IEEE 802.2 Working Group ist für die Pflege und Erweiterung der Ethernet-Datenkommunikationsstandards verantwortlich; wenn wir eine bestimmte Vorschrift betrachten, sehen wir, dass Ergänzungen zu bestimmten Standards im Allgemeinen mit einem oder zwei Buchstaben benannt werden. Zum Beispiel definierte die 802.3z Task Force die ursprüngliche Version des Gigabit-Ethernet-Standards.

Hier sind 3 wesentliche 100G-Ethernet-IEEE-Standards:

Im vorherigen Abschnitt haben wir IEEE 802.3ba erwähnt, eine Task Force, die 2010 abgeschlossen wurde, um Geschwindigkeiten von mehr als 10Gbit/s zu unterstützen. Dieses Protokoll legt Übertragungsraten von 40 und 100G bit/s fest, entsprechend dem Bedarf, Endpunkte und Link-Aggregation zu unterstützen. Dieser Standard war das erste IEEE-Protokoll, das 100G-Raten spezifizierte. Im Folgenden sind einige der wichtigeren 100G-bezogenen Protokolle aufgeführt.

Der IEEE 802.3cu-Standard ist eine Ergänzung zu den Parametern der Ethernet-Physical-Layer- und Management-Parameter, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung von 100Gb/s und 400Gb/s über Singlemode-Faser ermöglicht. 802.3cu ist eine im Februar 2021 vom IEEE genehmigte Überarbeitung des 802.3-Basisstandards und erfüllt die wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdaten. Der Standard zielt darauf ab, kostengünstige und energieeffiziente Singlemode-Faser-Schnittstellen für 100G- und 400G-Ethernet zu ermöglichen, wobei 100G-Optik genutzt wird, um Kosten zu senken und die Dichte zu erhöhen.

IEEE 802.3ck, das hauptsächlich die elektrischen Schnittstellen 100G, 200G und 400G spezifiziert, wurde im September 2022 zur Annahme abgestimmt. Nach seiner Fertigstellung soll der Standard elektrische 100Gbps-Schnittstellen ermöglichen und die Entwicklung elektrischer Schnittstellen mit höherer Dichte oder niedrigeren Kosten für 100-, 200- oder 400G-Ethernet unterstützen. Diese Spezifikation ist auch eine Fehlerkorrekturspezifikation; durch die Festlegung einer Reihe technischer Spezifikationen kann sie Bitfehlerraten (BERs) und Übertragungsfehler erheblich reduzieren und sowohl die Qualität als auch die Effizienz der Datenübertragung verbessern, z. B. durch FEC-Codierungstechniken (Forward Error Correction), Taktsynchronisation und so weiter.

IEEE 802.3ct, das in erster Linie den 100G-Betrieb über DWDM-Systeme (Dense Wavelength Division Multiplexing) spezifiziert, wurde abgeschlossen und befindet sich vor der Veröffentlichung in der abschließenden Prüfung. Dieser Standard ist bedeutend, da er die erste Ethernet-Spezifikation für kohärente DWDM-Technologie ist, die 100G-Verbindungslängen von mindestens 80 Kilometern unterstützt.IEEE P802.3cw, zum 400G-Betrieb über DWDM-Systeme, befindet sich noch in Arbeit und erweitert die Ethernet-Spezifikation für kohärente DWDM-Technologie auf 400G.

Der Vorteil von 100GbE Ethernet

Die Einführung von 100 GbE bringt der Netzwerk- und Datacom-Welt zahlreiche Vorteile. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile:

Erhebliche Geschwindigkeitsvorteile: Bietet höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten und verbessert die Dateizugriffsgeschwindigkeiten in Unternehmensnetzwerken, insbesondere in Rechenzentren und Serverräumen.

Reagiert auf komplexe Netzwerkanforderungen: Passt sich dem Wachstum des Internetverkehrs und komplexen Anfragen von virtuellen Servern und Geräten in Rechenzentren an und gewährleistet Echtzeit-Updates und effiziente Verarbeitung.

Abwärtskompatibilität: Es unterstützt die Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur und ermöglicht die Wiederverwendung vorhandener Kabel durch den Austausch von Transceivern oder Modulen. Dies vereinfacht die Bereitstellung und reduziert den Energie- und Platzbedarf, was zu Kosteneinsparungen führt.

Breite Produktunterstützung: Eine breite Palette von 100GbE-kompatiblen Produkten, wie Netzwerkschnittstellenkarten, Servern, Switches usw., ist bereits verfügbar, wodurch die Anzahl der Knoten und Verbindungen reduziert, die Leistung verbessert und die Gesamtbetriebskosten gesenkt werden.

Entlastet die Netzwerklast: 100GbE trägt dazu bei, das Risiko von Überlastungen und einer Überlastung des Kernnetzes in Backbone-Netzen zu verringern.

Unterstützt neue Technologien: Für Organisationen, die Remote Direct Memory Access (RDMA) und andere aufkommende Technologien einführen, wodurch die Flexibilität für zukünftiges Wachstum erhöht wird.

100G Gigabit Ethernet-Anwendung

Aufgrund seiner hervorragenden Hochgeschwindigkeitsleistung wird 100GbE in verschiedenen Branchen weit verbreitet eingesetzt. Hier sind einige wichtige Anwendungen für 100G-Gigabit-Ethernet.

Rechenzentren: Rechenzentren sind das Rückgrat der Architektur der Datenwelt und hosten sowie verarbeiten große Datenmengen. 100GbE ermöglicht eine effizientere Zusammenarbeit zwischen Servern, Speicher- und Netzwerkgeräten und macht einen erheblichen Unterschied für Rechenzentrumsnetzwerke. Durch die Nutzung des Rechenzentrums wird die Datenverarbeitung schneller, die Leistung höher und Netzwerkengpässe werden seltener.

Cloud-Infrastruktur: Mit der rasanten Entwicklung der künstlichen Intelligenz in den letzten Jahren wurden AWS, Azure und Google Cloud, ein Cloud-Computing-Dienst, stark ausgebaut. Der Bedarf an Rechenleistung ist ebenfalls dringend, und die Hochgeschwindigkeitsleistung von 100GbE kann diesen Dienstanbietern helfen, Kunden schneller anzubinden, und ist für die schnelle Datenübertragung zwischen Anwendung und Datenbank von großem Nutzen.

High-Performance Computing (HPC): Für große HPC-Cluster, die Big Data gemeinsam nutzen und wissenschaftliche Forschung und Simulationen durchführen, sind ultraschnelle Netzwerke ebenfalls wichtig, um große Datensätze effizienter zu verarbeiten. 100GbE wird zudem zunehmend zur Backbone-Architektur in HPC-Umgebungen.

Unterhaltung und Medien: Die wichtigsten Netzwerkanforderungen der Medien- und Unterhaltungsbranche sind niedrige Latenz und hohe Bandbreite. 100GbE schafft Plattformen für die Bereitstellung von Streaming-Medien, die Content-Erstellung sowie hochauflösende Video- und Audiodateien, um eine Echtzeit-Datenübertragung zu ermöglichen und Verbrauchern ein besseres Online-Videoerlebnis zu bieten.

Wie Sie sehen, basieren die meisten dieser Anwendungsszenarien auf der hohen Bandbreite und niedrigen Latenzleistung von 100GbE, und diese Mainstream-Rechenzentren sind gut geeignet, um die Nachfrage zu erfüllen, insbesondere bei Rechenzentren mit traditionellen Workloads, aber mit einem höheren Virtualisierungsgrad.

Fazit

Kurz gesagt: Mit dem Aufkommen von 100GbE sind Rechenzentren enorm gewachsen, und die Netzwerklandschaft hat sich dadurch verändert. 100G-Gigabit-Ethernet-Netzwerke mit hoher Bandbreite und niedriger Latenz haben ein entscheidendes Rückgrat für Hochleistungsrechnen und Telekommunikationsinfrastrukturen geschaffen. Mit der Weiterentwicklung der Netzwerke wird 100GbE in der Datenkommunikation noch größere Dimensionen annehmen, um schnellere und effizientere Datenübertragungen zu ermöglichen, wovon letztlich Unternehmen und Verbraucher gleichermaßen profitieren.