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Moderne Ethernet-Standards: Von Gigabit bis Terabit
Gigabit Ethernet (1000BASE), einst High-End, ist heute Standard in Netzwerken. Neue Technologien wie 10GBASE-T und 25GbE bis hin zu Terabit-Ethernet treiben die Entwicklung voran.
Der Standard Gigabit Ethernet, auch 1000BASE genannt, bildet seit seiner Einführung das Rückgrat vieler Netzwerkinfrastrukturen. Ursprünglich als High-End-Lösung konzipiert, hat sich Gigabit Ethernet zum Basisstandard für moderne Workstations, WLAN-Access-Points und Access Switches entwickelt. Die wichtigsten Varianten 1000BASE-T (Kupfer, IEEE 802.3ab) und 1000BASE-SX/LX (Glasfaser, IEEE 802.3z) werden heute durch neue Übertragungstechnologien und verbesserte Verkabelungsstandards ergänzt.
Gigabit über Kupfer: Neue Entwicklungen
Im Bereich der Ethernet-Kupferverkabelung hat sich 1000BASE-T als robuster Standard bewährt. Die Übertragung erfolgt über vier Adernpaare, die jeweils bidirektional mit 250 MBit/s arbeiten. Moderne Installationen setzen mindestens auf Cat 6-Vekabelung, die durch verbesserte Schirmung und optimierte Verdrillung der Adernpaare auch in elektromagnetisch belasteten Umgebungen zuverlässig funktioniert. Die automatische Konfiguration durch Auto-Negotiation wurde verfeinert, so dass auch Energy Efficient Ethernet (EEE) nach IEEE 802.3az unterstützt wird, was den Energieverbrauch in Leerlaufphasen deutlich reduziert.
Glasfaser als zukunftssichere Lösung
Bei Glasfaserverbindungen 1000BASE-X (zusammenfassende Bezeichnung für 1000BASE-SX und 1000BASE-LX) haben sich vor allem bei Multimode-Glasfasern deutliche Verbesserungen ergeben. Der klassische 1000BASE-SX-Standard, der mit Wellenlängen zwischen 770 und 860 Nanometern arbeitet, erreicht über moderne OM4-Fasern Distanzen von bis zu 1000 Metern – obwohl die typische Reichweite für OM3 und OM4 normalerweise bis zu 550 Meter beträgt. Die aktuelle Generation der OM5-Fasern ist bereits für das Wellenlängenmultiplexing optimiert und ermöglicht die parallele Übertragung mehrerer Wellenlängen, was insbesondere für zukünftige Aufrüstungen relevant ist.
Der Long-Range-Standard 1000BASE-LX profitiert von verbesserten Monomode-Fasern (OS2) und modernen Transceivern. Die spezifizierte Reichweite von fünf Kilometern wird in der Praxis oft deutlich übertroffen, einige Hersteller bieten spezielle Transceiver für Entfernungen bis zu 80 Kilometern an. Diese Extended-Range-Lösungen nutzen optimierte Laser und verbesserte Empfängertechnologien, erfordern aber eine sorgfältige Planung der optischen Leistungsbudgets.
Der Sprung zu 10 Gigabit
10 Gigabit Ethernet hat sich von einer Spezialanwendung zum Standard in modernen Rechenzentren entwickelt. Bei der Kupferverkabelung (10GBASE-T) zeigen sich die technischen Herausforderungen der hohen Frequenzen von bis zu 500 MHz. Cat 6A-Verkabelung unterstützt die volle Distanz von 100 Metern nur bei optimaler Installation und Verwendung hochwertiger Komponenten. In der Praxis hat sich Cat 7 mit seinen verbesserten Schirmeigenschaften als zuverlässigere Alternative erwiesen.
Die verschiedenen 10-Gigabit-Standards über Glasfaser adressieren unterschiedliche Anwendungsszenarien. 10GBASE-SR hat sich mit seiner kostengünstigen 850-Nanometer-Technologie als Standard für Rechenzentren etabliert. Mit OM4-Multimode-Fasern werden bis zu 400 Meter (OM3: 300 Meter) erreicht, was für die meisten Campus-Anwendungen ausreichend ist. Die Entwicklung von bidirektionalen Übertragungsverfahren ermöglicht die Nutzung bestehender Monomode-Glasfasern für 10-Gigabit-Verbindungen.
Kurzer Überblick zu den Kabelkategorien
Cat 3: Älteste Kategorie, heute kaum noch verwendet.
Cat 5e: Weit verbreitet für 100 Mbit/s Ethernet.
Cat 6: Für Gigabit-Ethernet und höhere Übertragungsraten.
Cat 6a: Für 10 Gigabit Ethernet über Kupfer.
OM1, OM2, OM3, OM4: Multimode-Glasfaserkabel mit unterschiedlichen Bandbreiten und Reichweiten.
OS1, OS2: Singlemode-Glasfaserkabel mit hoher Bandbreite und großer Reichweite.
25 Gigabit als strategische Option
25 Gigabit Ethernet (25 GbE) hat sich als kostengünstige Alternative zu 40 GbE etabliert. Der Standard basiert auf der gleichen Basistechnologie wie 100 GbE, verwendet aber nur eine Lane. Dies reduziert die Komplexität und die Kosten der Transceiver erheblich. Die Übertragung erfolgt mit der PAM4-Modulation, die vier Spannungspegel verwendet und damit zwei Bits pro Symbol überträgt. Diese effizientere Codierung ermöglicht höhere Datenraten bei gleicher Symbolrate, stellt aber höhere Anforderungen an die Signalqualität.
Für kurze Distanzen bis 5 Meter werden DAC-Kabel (Direct Attach Copper) eingesetzt. Diese vorkonfektionierten Twinax-Kabel mit integrierten Transceivern bieten eine kostengünstige und energieeffiziente Lösung für die schrankinterne Verkabelung. Für größere Entfernungen kommen Active Optical Cables (AOC) zum Einsatz, die optische Transceiver direkt in das Kabel integrieren und so die Installation vereinfachen.
Der Weg zu 100 Gigabit und mehr
100 Gigabit Ethernet stellt in mehrfacher Hinsicht einen Technologiesprung dar. Die Übertragung erfolgt über mehrere Lanes, wobei es verschiedene Implementierungen gibt. Die ursprüngliche Variante mit zehn Lanes à 10 GBit/s wurde durch effizientere Varianten mit vier Lanes à 25 GBit/s oder zwei Lanes à 50 GBit/s ersetzt. Dabei spielt die PAM4-Modulation eine zentrale Rolle, da sie die erforderliche Symbolrate und damit die Anforderungen an die Verkabelung reduziert.
Die neuesten Entwicklungen sind die 200- und 400-Gigabit-Standards, die diese Technologien weiter ausbauen. 400GBASE-SR8 nutzt acht parallele Multimodefasern mit je 50 GBit/s PAM4, während 400GBASE-DR4 vier Singlemodefasern mit je 100 GBit/s verwendet. Die Entwicklung neuer Steckverbinder wie QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable Double Density) war notwendig, um die höhere Faserzahl und den erhöhten Kühlungsbedarf zu bewältigen.
Ausblick: 800-Gigabit- und Terabit-Ethernet
Die Entwicklung von 800-Gigabit-Ethernet ist in vollem Gange. Der Standard IEEE 802.3df definiert verschiedene Varianten, die entweder acht Lanes mit 100 GBit/s oder sechzehn Lanes mit 50 GBit/s nutzen. Die technischen Herausforderungen liegen dabei weniger in der Übertragungstechnik als in der Beherrschung der Wärmeentwicklung und des Energieverbrauchs der Transceiver.
Parallel dazu laufen bereits Vorarbeiten für Terabit-Ethernet. Die technischen Ansätze reichen von der weiteren Parallelisierung über neue Modulationsverfahren bis hin zur kohärenten Übertragung, wie sie aus der Weitverkehrstechnik bekannt ist. Eine Schlüsselrolle wird dabei die Silizium-Photonik spielen, bei der optische Komponenten direkt in Siliziumchips integriert werden. Die Integration optischer Technologien in Siliziumchips durch Silizium-Photonik verspricht weitere Fortschritte bei Geschwindigkeit und Energieeffizienz.
Experten erwarten, dass die Entwicklung hin zu Terabit-Ethernet und darüber hinaus die Grundlage für die nächste Generation von Rechenzentren und Netzwerkinfrastrukturen bilden wird.
Konsequenzen für die Netzplanung in der Praxis
Die schnelle Entwicklung neuer Standards stellt Netzwerkplaner vor besondere Herausforderungen. Bei der Planung neuer Infrastrukturen muss die Verkabelung mindestens zwei Generationen höherer Bandbreiten unterstützen. Bei der Kupferverkabelung bedeutet dies heute mindestens Cat 8, bei der Glasfaser OM5 für Multimode- oder OS2 für Singlemode-Anwendungen. Steigende Anforderungen an Klimatisierung und Stromversorgung sind ebenfalls zu berücksichtigen.
Die Auswahl der aktiven Komponenten wird zunehmend von Überlegungen zur Energieeffizienz bestimmt. Moderne Switches unterstützen feingranulares Energy Efficient Ethernet und adaptive Lüftersteuerung. Bei der Auswahl der Transceiver ist abzuwägen zwischen kostengünstigen Direct-Attach-Kabeln für kurze Distanzen, aktiven optischen Kabeln für mittlere Distanzen und klassischen optischen Transceivern für lange Distanzen.
Fazit
Die Ethernet-Technologie entwickelt sich rasant weiter, getrieben durch Anwendungen wie die hohen Netzwerkanforderungen bei der Nutzung von künstlicher Intelligenz, Edge Computing und 5G/6G-Mobilfunk. Energieeffizienz und Gesamtbetriebskosten rücken zunehmend in den Mittelpunkt
