40/100G Ethernet-Standard endgültig ratifiziert

Autor: Hein, Mathias Datum: 28.07.10

Mit der Ratifizierung des 40G/100G Ethernet-Standard stehen im Bereich des Ethernets gleichzeitig zwei neue Ethernet-Geschwindigkeiten zur Verfügung.

 
Momentan werden die Unternehmens-Backbones und Rechenzentren auf 10-Gigabit-Ethernet-Verbindungen hochgerüstet. Der neue IEEE-Standard 802.3ba ebnet jetzt den Weg für höhere Ethernet-Geschwindigkeiten im Bereich der Server-Anbindungen und im Core-Switching.
 
Einige Hersteller, wie Cisco und Juniper Networks sind bereits seit Ende letzten Jahres in der Erprobung ihrer neuen 100G Ethernet-Produkte. Die Pre-Standard-Produkte der Anbieter mussten durch die im März 2010 vorgenommenen minimalen Spezifikations-Änderungen noch einmal an den gültigen Standard angepasst werden. Inzwischen sind die 100G Produkte voll kompatibel mit dem ratifizierten Standard, aber die Preise für die Komponenten befinden sich noch auf einem sehr hohen Niveau.
 
Der Standard 802.3ba adressiert den wachsenden Bandbreitenbedarf der Rechenzentren, der Service Provider-Netzwerke und andere verkehrsintensiven Rechnerumgebungen. Moderne Server, High Performance Cluster, Blade Server, Storage-Area Networks und Network Attached Storage nutzen derzeit das 1 bzw. das 10 Gigabit/s schnelle Ethernet. Die prognostizierten I/O-Bandbreiten-Anforderungen für Server- und Virtualisierungs-Anwendungen zeigen deutlich auf, dass ein erhebliches Marktpotenzial wird für die 40G-Ethernet-Schnittstelle besteht.
 
Im Core-Bereich weisen die bestehenden Applikationen darauf hin, dass ebenfalls ein erheblicher Bedarf an Bandbreitenzuwachs besteht. Anwendungen mit hohen Bandbreiten-Anforderungen, wie beispielsweise Video-on-Demand und High Performance Computing, erfordern in den Kernnetzen einer superschnelle Verarbeitung der Daten. Diese liefern die 100-Gigabit-Ethernet-Schnittstellen.
 
Durch die Verfügbarkeit des 40- bzw. 100 Gigabit-Ethernets, die Virtualisierung der Server und die Integration immer intelligenterer Applikationen in die Netze, ist eine Änderung des Netzwerk-Design absehbar: Die bisher installierten dreischichtigen Switching-Architekturen werden sich auf ein zweischichtiges Netzdesign reduzieren.
 
Dir klassische dreischichtige Netzarchitektur besteht aus den Zugangs-, Aggregation- und Core-Switches. Dieses Netzdesign wurde in den letzten zehn Jahren in fast allen Unternehmensnetzen realisiert. Dabei wurden die Desktop-PCs, Drucker, WLAN Access Points und andere LAN-Geräte an den Zugangs (Etagen) Switch angeschlossen. Die Verbindungen zu den Etagen-Switches wurden in Aggregation-Switches gesammelt. Diese wiederum konzentrierten sich im Core Switch.
 
Besonders bei der Realisierung von Cloud Computing-Umgebungen, moderne Datenzentren, die Server-Virtualisierung und Storage-Lösungen ist die durch eine dreistufige Switching-Architektur hervorgerufene Verzögerung nicht mehr ausreichend. Außerdem ist die zur Verfügung stehende Bandbreite in den Unternehmen durch unzureichende Switch-Konzepte oftmals überbucht. Überbuchungen von 3:1 bis 10:1 gehören nicht selten zum Alltag. Die verschiedenen Anwendungen kämpfen dadurch permanent um eine begrenzte Bandbreite. Dies wirkt sich in einer Erhöhung der Reaktionszeit bzw. einer Verschlechterung der Services aus.
 
Neue Anwendungen, wie beispielsweise Voice over IP (VoIP) , Unified Communication (UC), Video Conferencing erfordern eine berechenbare Leistung, Verzögerung und einen definierten Quality of Service (Qos) für den Broadcast-, Multicast- und Unicast-Verkehr.
 
Durch verbesserte Datendurchsätze der 40/100G-Ethernet-Switches entfällt die Notwendigkeit für die Installation eines Gebäude Switches (bzw. Aggregation-Switches). Stattdessen werden die Etagen-Switches über Glasfaser direkt mit den Core-Switches im Rechenzentrum verbunden. An diese werden über 40-Gigabit-Ethernet die Server direkt an das Kernnetz angebunden. Dies bietet den Vorteil, dass eine quasi verlustfreie Systemarchitektur entsteht, die eine sehr geringe Verzögerung aufweist.
 
Cloud Computing und virtualisierte Rechenzentren mit einer optimierten Switching-Architektur garantieren eine Ende-zu-Ende-Verzögerung von weniger als 10 Mikrosekunden. Um diese relativ kurzen Übermittlungszeiten erreichen zu können, müssen so viele Schaltstufen im Netzwerk wie möglich eliminiert werden. Bei der Server-Virtualisierung mittels Blade- oder Rack-Server, übernehmen die Server selbst die Rolle des Access Switches im Netz. Der Hypervisor oder Virtual Machine Monitor (VMM) verwaltet die Ressourcenverteilung für einzelne virtuelle Maschinen. Dieser sorgt auch für das Switching der Server-Daten. Wird die Server-Virtualisierung durch eine I/O-Virtualisierung ergänzt, lassen sich die im Netzwerk zur Verfügung stehenden Bandbreiten den jeweiligen VMs individuelle zuweisen.
 
In einem zweistufigen Switch-System kann auch auf den Spanning-Tree-Algorithmus verzichtet werden. Bisher bestimmt dieser Mechanismus die aktiven Pfade zwischen dem Daten-Center und den Endgeräten. Die Anforderungen an ein modernes Netzdesign, die eine schnelle und verlustfrei Anbindung der virtualisierten Rechenzentren bei geringsten Verzögerungen garantieren soll, ist mit der Nutzung des Spanning-Trees nicht mehr vereinbar. Stattdessen werden parallele Verbindungen zwischen den Switches im Netzwerk aktiviert und die Daten über mehrere parallele Wege übermittelt. Diese Switches überwachen kontinuierlich die Übermittlungswege und beseitigen automatisch potenzielle Engpässe im Netz.
 
Durch die iSCSI-Unterstützung in VMware etabliert sich jetzt auch das 40/100-Gigabit-Ethernet im Storage-Markt und bedrängt hier zusehends die klassischen Fibre Channel-Technologien. Die Analysten prognostizieren den für 40/100G-Ethernet den Durchbruch im Markt der Enterprise-Storage-Arrays und Servern innerhalb des kommenden Jahrs. Hierfür sind hauptsächlich die geringen Kosten der iSCSI-Storage-Lösungen die Ursache. In der Praxis kostet eine Ethernet-Infrastruktur nur einen Bruchteil eines High-End-Fibre-Channel-Lösung. Außerdem erfordert die Ethernet-Technologie im Gegensatz zum Fibre-Channel kein spezielles Fachwissen.
 
Die 802.3ba Spezifikation entspricht der Full-Duplex-Betriebsart der IEEE 802.3 Media Access Control (MAC). Durch die Unterstützung der bereits verfügbaren 802.3 MAC-Protokolle garantiert der 802.3ba-Standard auch eine vollständige Kompatibilität mit der bereits installierten Basis an Ethernet-Komponenten. Die endgültige Spezifikation des Standards wird auch die bewährten und vertrauten Übertragungsmedien unterstützen. Dadurch bleiben die bestehenden Netzarchitekturen erhalten und Installations- und Wartungskosten reduzieren sich auf Minimum. Darüber hinaus sorgt die Ethernet Alliance für die notwendigen Interoperabilitätstests und die Kunden haben die Gewissheit, dass die entsprechenden Standardkomponenten problemlos zusammen spielen.
 
Die Marktforscher prognostizieren auch einen erheblichen Bedarf im Bereich der 40 bzw. 100-Gigabit-Ethernet-Verbindungen. In vielen Unternehmen werden bereits mit Hilfe der Link Aggregation-Funktion mehrere parallele 10 GBit/s-Verbindungen zu einem gemeinsamen Verbindungskanal mit höheren Geschwindigkeiten gebündelt. Auch wenn die 40/100G Ethernet-Produkte noch nicht von vielen Herstellern angeboten werden, sehen die Experten die Obergrenzen des Durchsatzes noch lange nicht erreicht. Für das Jahr 2015 sagen sie deshalb bereits die Verfügbarkeit eines Terabit-Ethernet-Standards voraus.