25 Gigabit Ethernet: Neuer Standard für höhere Server-Performance

25 Gigabit Ethernet oder 25 GbE ist ein vergleichsweise neuer Ethernet-Standard. Er wurde als Reaktion auf die immer leistungsfähigeren Server entwickelt.

Der Durchsatz bei Ethernet hat sich immer weiter verbessert. Im Jahre 1983 war die anfängliche Spezifikation 10...

Mbps. Seitdem haben sich der Durchsatz auf 40 Gbps und 100 Gbps vervielfacht. 40 Gbps und 100 Gbps gibt es seit dem Jahre 2010. Somit stellt sich die Frage, warum die Arbeiten für einen Standard 25 Gigabit Ethernet (25 GbE) erst 2014 begonnen wurden?

Höhere Server Performance und die Kosten von Server-zu-Switch-Verbindungen sind der Grund für 25 GbE. Derzeit unterstützen viele Cloud- und Data-Center-Server Netzwerkschnittstellen mit 10 GbE. Sie sind über Kupfer- oder Glasfaserkabel mit den Top-of-Rack Switches verbunden. Neue Generationen an Prozessor-Chips und dank Virtualisierung höhere Niveaus an CPU-Auslastung machen 10 GbE zu einem möglichen Flaschenhals.

Die Eliminierung solcher Flaschenhälse war nur eines der Ziele des 25 Gigabit Ethernet Consortiums. Es hat mit den Arbeiten an dem neuen Ethernet-Standard im Juli 2014 begonnen. Zu der Gruppe gehörten Arista Networks, Broadcom, Google, Mellanox und Microsoft. Sie wollte kosteneffizientes Skalieren von Netzwerkbandbreite ermöglichen, die sich an Server- und Storage-Endpunkte der Next-Generation Cloud-Infrastruktur ausliefern lässt, bei denen die Workloads wahrscheinlich die Kapazitäten von 10 oder 40 Gbps Ethernet übertreffen.

Die Gruppe hat eine Spezifikation für jeweils 25 GbE und 50 GbE ausgearbeitet und Anbieter aufgefordert, diese zu unterstützen. Im Juli 2014 hat das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, um eine Standardisierung für 25 GbE zu erörtern. Im Dezember gab es einen Übergang zur 802.3by Task Force, die für die Entwicklung des Standards verantwortlich ist.

Verbindungen von Server zu Switch sind wahrscheinlich der primäre Anwendungsfall für die 25-GbE-Technologie. Es wird erwartet, dass auch Access Switches, die derzeit 10 GbE Uplinks unterstützen, bald mit 25 GbE zu haben sind. Der Grund sind die steigenden Datenraten, die von Verbrauchergeräten ausgehen. Höchstwahrscheinlich wird die Technologie 25 Gigabit Ethernet noch später im Jahr 2016 verabschiedet. Sie unterstützt auch Storage Traffic.

Single-lane 25 Gigabit Ethernet macht den neuen Ethernet-Standard attraktiv

Die steigende Server Performance hätte vom Umstieg von 10 GbE auf existierendes 40 GbE profitieren können und somit wäre die Entwicklung einer Spezifikation für 25 GbE nicht notwendig gewesen. 40 GbE liefert rechnerisch mehr als genug Durchsatz. Allerdings sind die Kosten der Knackpunkt. Server- und Switch-Schnittstellen wären teurer geworden und ein Austausch der Netzwerkverkabelung notwendig.

Eine Ethernet-Schnittstelle benutzt eine Komponente, die sich SerDes (Serializer/ Deserializer) nennt, um 64-Bit-Einheiten an seriellen Daten zu generieren. Diese 64-Bit-Einheiten enkodiert das System dann mit zwei zusätzlichen Bits, um Clock Synchronization zu unterstützen. Die 66 Bit werden über die physische Kodierungsunterschicht durch ein Kabel an den empfangenden PCS oder einen SerDes übertragen. Von dort gelangen die Daten zu einer höheren Schicht der entsprechenden Schnittstellen. Eine Ethernet-Spur beinhaltet einen einzelnen SerDes an jedem Ende und einen einzelnen Übertragungspfad.

Als 10 GbE standardisiert wurde, waren SerDes-Komponenten auf 10 GbE limitiert. Diese Komponenten können nun mit 25 GbE umgehen, womit sich 25 Gbps über eine einzelne Spur übertragen lassen. Eine Schnittstelle für 25 GbE ist derzeit teurer als eine für 10 GbE, aber die Kostensteigerung ist nicht proportional. Die Komponente ist nicht zweieinhalb Mal so teuer. Weiterhin wird erwartet, dass die Kosten mit steigendem Volumen abnehmen. Ein Upgrade der Kabel von 10 auf 25 GbE ist nicht notwendig. Beide lassen sich über die gleichen Twinax- oder Twisted-Pair-Kupferkabel oder durch Single Mode oder Multimode Glasfaser übertragen.

Für 40 GbE werden vier 10-Gbps-Spuren benötigt. Jede Spur benötigt einen separaten SerDes. Der PCS verteilt dann die vier 66-Bit-Einheiten nach einer Round-Robin-Manier über die vier Spuren. Auf der empfangenden Seite werden die Einheiten wieder in die richtige Reihenfolge gebracht und zu den vier SerDes-Komponenten geschickt.

Um vier Spuren via Glasfaser übertragen zu können, gibt es zwei Möglichkeiten. Jede Spur kann über ein separates Glasfaserpaar geschickt werden oder Sie kombinieren alle vier Spuren auf einem einzelnen Paar und verwenden dafür Wave Division Multiplexing. Dabei wird jede Spur mithilfe einer unterschiedlichen Wellenlänge übertragen. Das Übertragen von vier Spuren via Kupfer ist durch 40GBASE-CR4 definiert. Jede Spur wird dabei über ein separates Twinax-Kabel übertragen. Die Kosten und der Energieverbrauch steigen aber bei vier Spuren, unabhängig ob es sich um Glasfaser oder Kupfer handelt.

Das 25 Gigabit Ethernet Consortium hat die Spezifikation für 50 Gbps gleichzeitig mit der von 25 Gbps herausgegeben. Sie verwendet zwei 25-Gbps-Spuren. Damit ist ein höherer Durchsatz als bei Standard-40-GbE möglich und die Technologie benötigt lediglich zwei Spuren und keine vier.

Unterstützung der Anbieter für einen neuen Ethernet-Standard

Man erwartet, dass das IEEE den 802.3by-Standard nicht vor Herbst 2016 verabschiedet. Die Hersteller von Netzwerkkomponenten haben aber bereits angefangen, ihre Produkte zu testen. Die Ethernet Alliance hat an der University of New Hampshire (UNH) im InterOperability Lab im Juni 2015 Tests mit der 25-GbE-Technologie durchgeführt. Daran hat sich eine lange Liste an Anbietern beteiligt. Die Switch- und Server-Hersteller Arista, Cisco, Dell und Hitachi waren mit an Bord. Anbieter von Netzwerkkomponenten wie zum Beispiel  Amphenol und Molex waren auch mit von der Partie. Das gilt auch für Hersteller von Netzwerkschnittstellen wie Intel und QLogic. Mellanox hat ebenfalls seine Produkte getestet. Das Unternehmen produziert Switches, Stecker und Netzwerkkarten. Ixia, Spirent und Xilinx haben Testgeräte zur Verfügung gestellt.

Die Erfolgsrate lag bei vielversprechenden 86 Prozent, was sehr ermutigend ist. Das ist vor allen Dingen deswegen der Fall, weil sich der neue Ethernet-Standard im Juni 2015 noch mindestens ein Jahr vor seiner Fertigstellung befand. Die Resultate der Tests wurden an das IEEE-Gremium weitergeleitet, um beim Feinschliff des Standards zu helfen.

Die erfolgreichen UNH-Tests lassen darauf schließen, dass die Hersteller und Anbieter bei den Produkt-Designs und der Implementierung von 25 Gigabit Ethernet voll im Zeitplan liegen. Bisher haben Arista, Cisco, Huawei und Mellanox Produkte angekündigt, die die neue Spezifikation unterstützen. Hewlett Packard Enterprise hat verlauten lassen, dass die Firma sowohl Server als auch Switches mit Unterstützung für 25-GbE-Schnittstellen entwickeln will.

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Artikel wurde zuletzt im März 2016 aktualisiert

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