Wie die schnellen Leitungen funktionierenBandbreiten-Giganten: 100G-Netzwerke in der Praxis

100G als Standard der Zukunft

Die nächste Netzwerkrevolution zeichnet sich im Finanz- und Forschungssektor ab, die beide auf Grund der gewaltigen zu verarbeitenden Datenmengen traditionell eine Vorreiterrolle einnehmen. So wird der weltweit größte Börsenbetreiber NYSE Euronext im Laufe des Jahres 2010 das erste kommerzielle 100G-Hochgeschwindigkeitsnetzwerk einsetzen, um Kommunikationswege zu verkürzen und Transaktionen zu beschleunigen. Dieses Netzwerk bietet im Vergleich zu heutigen 10G- Netzwerken eine zehnmal höhere Kapazität und ist in der Lage, mehr als eine Milliarde Transaktionen täglich zu verarbeiten. Das entspricht mehreren Petabytes an Daten, Zahlen und Informationen.

Der Grundstein für Netzwerke mit einer Übertragungsrate von 100 Gigabit pro Sekunde (Gb/s) wurde schon Ende der 90er Jahre gelegt. Auschlaggebend war vor allem der steigende Bedarf an Bandbreite. Dabei wurde die Evolution von 10G zu 40G und schließlich 100G-Netzwerken primär von der Industrie und der International Telecommunications Union (ITU) Study Group 15 (SG 15) vorangetrieben, die auch die Voraussetzungen für Transportraten der nächsten Generation sind definiert. In der Regel müssen beim 100G-Networking vier Elemente adressiert und umgesetzt werden:

–    100G Modulation Schemes
–    Payload Mapping
–    PMD Mitigation-Technologien
–    Multiplexing / Processing Methoden

Schutz bestehender Investitionen und Strukturen

Beim Ausbau des Netzwerks zu 100G und den entsprechenden Kapazitäten müssen schon getätigte Investitionen geschützt und gleichzeitig die Betriebskosten gesenkt werden. Auch müssen Netzbetreiber nahtlos und graduell 100 Gb/s Kapazitäten entlang der 10 Gb/s- und 40 Gb/s-Wellenlängen hinzufügen können, ohne das komplette Netzwerk umzubauen. 

Um im vorhandenen Netzwerk mehr Kapazität zu schaffen, muss die spektrale Effizienz, also das Verhältnis zwischen der Übertragungsrate und der Bandbreite des Signals, erhöht werden. Auch muss 100 Gb/s als einzelne Wellenlänge statt über invertierte parallele Multiplex-Leitungen mit 10 oder 25 Gb/s übertragen werden. Dabei steigt die spektrale Effizienz mit der Bit-Rate.

Summierte technische Innovationen

Eine Vielzahl von Technologien verbessert die allgemeine Übertragungsrate, senkt die Netzwerkkosten pro-Bit und erhöhet somit die Bandbreite. Dabei sind folgende Entwicklungen entscheidend:

– Erbium-dotierte Faser-Verstärker (EDFA) – verstärkt das Signal breitbandig und ermöglicht lange Übertragungsstrecken mit hoher Bandbreite

– Forward Error Correction (FEC) – ermöglicht DWDM-Verbindungen mit 2.5 Gb/s und reduziert somit Netzwerkkosten
– Dispersions-kompensierende Glasfaser – Einsatz verbessert Gain Equalization FEC und Raman-Verstärkung mit 10 Gb/s für eine Performance, die 2.5 Gb/s DWDM Systemen entspricht
– Der Einsatz abstimmbarer Dispersions-Kompensation, Kompensation von Polarization Mode Dispersion (PMD) sowie neuer Modulations-Formate, mit welchen 40 Gb/s DWDM Systeme die gleiche Leistung wie 10 Gb/s Systeme erzielen können

Bei dem 100G-Netzwerk von NYSE Euronext werden Polarization Multiplexing und weiterentwickelte Modulations-Formate eingesetzt, die im Design 10 Gb/s Systemen ähneln und entsprechend stabil sind.

Fortschritt der Modulations-Formate als Treiber für 100G

Fortschrittliche Modulations-Formate spielen in 40- und 100Gb/s-Netzwerken eine Schlüsselrolle. Bei 40 Gb/s- Lösungen der ersten Generation wurden bereits die Modulations-Formate Phase-Shaped Binary Transmission sowie Differential Phase Shift Keying (DPSK) zur Leistungssteigerung eingesetzt, die auch heute als Basis für 100 Gb/s dienen.

DPSK nutzt die sogenannte Phasenumtastung, die die Reichweite etwa verdoppelt. Die Daten werden auf eine Carrier-Welle gelegt und phasenverschoben, was in DPSK-Output resultiert. DPSK ist die Basis für Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK).

Für 100 Gb/s Signale splittet DQPSK den Stream nun in zwei Datenkanäle, die beide 50 Gb/s entsprechen. Diese Rate ist 25 Prozent größer als 40 Gb/s. Die Leistung dieser Modulation erlaubt Übertragungen auf Glasfaser mit 100 Gb/s.

Durch Polarization Multiplexing für DQPSK (PM-RQPSK) kann die Leistung eines 40-Gb/s- oder 100-Gb/SSignals für beeinträchtigte Glasfaser-Verbindungen gesteigert werden. Die DQPSK-modulierte Welle wird in die entsprechenden Polarisationen gesplittet, wodurch eine effektive Symbolrate von 25 Gb/s bei 100 Gb/s-Signalen erzielt wird. Die meisten Glasfasern, die seit Mitte der Neunziger auf Langstrecken verlegt wurden, können diese Symbolrate für 40G tragen, bei geringerer Reichweite sogar auch für 100G.

Die Leistung bei 100 Gb/s kann durch den Einsatz eines Coherent Receivers zum PM-DQPSK weiter verbessert werden (PM-QPSK mit Coherent Receiver). Das PM-QPSK Modulations-Format entspricht dem PM-DQPSK auf Seiten des Transmitters. Der Hauptunterschied bei PM-QPSK liegt im Receiver. Statt eines Differential Detection Circuit wird ein Coherent Receiver eingesetzt, wo das eintreffende Signal mit einem lokalen Oszillator verbunden ist und erkannt wird. Coherent Receiver haben eine höhere Empfindlichkeit und machen bestimmte Kompensationen überflüssig, benötigen jedoch die Entwicklung von ASICs um das digitale Signal zu verarbeiten. PM-QPSK mit Coherent Receiver wird zurzeit als bestes Modulations-Format für 100 Gb/s Signale gesehen.

Fazit und Autor

100 Gb/s stellt die Zukunft für Telekommunikationsnetzwerke dar. Das Projekt bei NYSE Euronext ist richtungsweisend für einen Sektor, in dem Branchen wie das Finanzwesen oder die Forschung aufgrund ihres hohen Bandbreitenbedarfs zur zeitnahen Übertragung von immensen Datenmengen immer Wegbereiter für Netzwerktechnologien der neuesten Generation waren und auch zukünftig sein werden.

Autor Daniel Prokop ist Account Manager beim Netzwerkausrüster Ciena, der 100 Gb/s-Lösungen entwickelt. Im Highend-Netzwerkbereich müssen auch die Account Manager Ahnung von Technik haben und diese nicht nur verkaufen, sondern auch verstehen. Prokops Arbeitgeber ist Gründungsmitglied des Implementation Agreement Projekts des Optical Internetworking Forums und arbeitet an Transport-Lösungen für 100 Gb/s-Netzwerke und ist im IEEE 802.3-Komitee für 100GbE sowie dem ITU SH 15 für 100 Gb/s Transport Standards aktiv.