IEEE 802.3an / 10-Gigabit-Ethernet / 10GE (IEEE 802.3ae, IEEE 802.3ak)

10-Gigabit-Ethernet (10GE) gehört zu einer Familie von Netzwerktechniken, die vorwiegend in lokalen Netzwerken zum Einsatz kommt. Mit Ethernet kann man aber auch ganze Netzwerke miteinander verbinden.
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.

Entwickelt wurde 10-Gigabit-Ethernet ursprünglich um ATM in Weitverkehrsnetzen (WAN) abzulösen. Hier konkurrierte es mit SONET (Synchronous Optical Network) und SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Die Infrastruktur-Verkabelung wird heute allerdings auf Basis von Glasfaserkabel mit höheren Geschwindigkeitsstufen realisiert. Trotzdem hat 10-Gigabit-Ethernet auch heute noch in lokalen Netzwerken seine Berechtigung. Typischerweise findet man 10-Gigabit-Ethernet als Verbindung zwischen Switchen und Servern.
Weil geeignete Adapter und Switche anfangs sehr teuer waren, hat sich 10-Gigabit-Ethernet auf Twisted-Pair-Kabel (10GBase-T) in der Arbeitsplatzverkabelung nicht durchgesetzt. Vermutlich ist dort auch der Bedarf für eine so hohe Geschwindigkeit nicht vorhanden.

Nachteile von 10-Gigabit-Ethernet mit Twisted-Pair-Kabel

Hoher Energieverbrauch pro Port (3 Watt pro Port, bei 1GBE nur 0,3 Watt)
Hohe Reichweite nur auf CAT6A-Kabeln und besser
Kein Power-over-Ethernet (PoE) möglich

Anwendungen

Die Nachteile von 10-Gigabit-Ethernet schränken die Anwendungen schnell auf ein Rechenzentrum oder Server-Raum ein.

HPC-Clustering
SAN - Storage Area Network
Switch-Kaskadierung
Server-Anbindungen
Netzwerk-Infrastruktur

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 9.014 Byte Nutzdaten in ein Ethernet-Frame. Vorher waren es nur 1.500 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 1.310 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 1.310 nm
10GBase-ER: Singlemode-Glasfaser (bis 40 km) mit einer Wellenlänge von 1.550 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- oder CAT7-Kabel. Mit Abstrichen in der Reichweite auch CAT6 und CAT5(e).

Modulation	PAM16, 4 Bit pro Schritt
Symbolrate	800 MSymbole/s, vollduplex
Kodierung	128-DSQ, LDPC
Framegröße	3.250 Bit Nutzdaten
Anschluss	RJ45, vier Adernpaare
Reichweite	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 CAT6a 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 lohnt.

25-Gigabit-Ethernet

Mit 25GBASE-T SG (25 GBit/s) gibt es eine Arbeitsgruppe, die an einem Zwischenschritt zwischen 10GE und 40GE arbeitet. Es geht um Kostenersparnis im Rechenzentrum, wo durch Virtualisierung Server effizienter ausgelastet werden und 10GE zum Engpass wird, Link Aggregation zu aufwändig und 40GB zu teuer ist.

Übersicht: Ethernet-Technik

Weitere verwandte Themen:

Frag Elektronik-Kompendium.de

Netzwerktechnik-Fibel

Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.

Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.

Das will ich haben!

Netzwerktechnik-Fibel

Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.

Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.

Das will ich haben!