10 Gigabit pro Sekunde über Kupfer

10GBASE-T: Wie sich 10 Gigabit pro Sekunde über Twisted-Pair-Kabel transportieren lassen

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Die 10GE-Variante für die etablierte Kupfertechnik gemäß 802.3an verspricht Kostenvorteile gegenüber Glasfaser. Doch erfordert 10GBASE-T einigen Aufwand, so beim Physical Layer der Netzwerkkarte und bei der Verkabelungstechnik.

Zweifellos hat sich Ethernet als drahtgebundene Vernetzungstechnik durchgesetzt: Jedes netzwerkfähige Produkt – vom einfachsten 10-Euro-Switch bis zum digitalen Videorecorder – besitzt heute einen Fast-Ethernet-Anschluss für 100 MBit/s. Bei PCs und Notebooks ist selbst der zehnmal so schnelle Gigabit-Port üblich.

Seit März 2002 ist die nochmals schnellere 10-Gigabit/s-Ethernet-Technik auf Glasfaserstrecken mit der Verabschiedung des IEEE-802.3ae-Standards Realität. Sie kommt als Backbone von Unternehmensnetzen und in Städteverbindungen (Wide-area Network, WAN) zum Einsatz. Für die PC-Anbindung am Arbeitsplatz oder bei LAN-Partys erscheint 10GE über Glasfaser jedoch überdimensioniert.

Die 10GE-Variante für die etablierte Kupfertechnik (Twisted-Pair-Kabel, kurz TP) gemäß 802.3an soll hingegen die rasante Verbindung innerhalb von Gebäuden zu geringeren Kosten ermöglichen. Die 10GBASE-T-Implementierung verlangt den Chipherstellern und Systemeinrichtern jedoch einiges ab. Der Physical Layer (PHY) auf der Netzwerkkarte wird deutlich aufwendiger, ebenso die Verkabelungstechnik.

Bevor es an die Eigenschaften des neuen PHY und seine Anforderungen ans Kabel geht, zunächst ein kurzer Rückblick auf die Glasfaser: 802.3ae spezifiziert für flexiblen Einsatz sieben verschiedene Schnittstellen-Varianten mit unterschiedlichen Fasertypen und Transceivern, die Namen wie 10GBASE-SR oder 10GBASE-LX4 tragen. Sie überbrücken Distanzen zwischen 26 Metern und 10 Kilometern. Als Exot für kurze Strecken von maximal 15 Metern innerhalb von Rechenzentren erschien 2004 der Standard 802.3ak (10GBASE-CX4). CX4 läuft zwar auch über Kupferdrähte, benötigt aber anders als die etablierte Ethernet-Technik Spezialstecker und Kabel mit acht Aderpaaren.

Bei den optischen 10-GBit-Lösungen sind die Kosten pro Port recht hoch. Beispielsweise kostet ein 10GBASE-SR-Glasfasermodul für Nortel-Switches derzeit rund 1100 Euro (ARtikel AA1403005). Das führt zum Wunsch nach 10GBASE-T. Es soll die gewohnte Technik mit vier Aderpaaren und RJ45-Steckern fortschreiben und mittelfristig nur ein Drittel der optischen Variante kosten. Das erste Treffen der IEEE-Arbeitsgruppe für den neuen Standard 802.3an fand bereits im November 2002 statt. Schnell war klar, dass 10GBASE-T als Glasfaser-Alternative nur akzeptiert wird, wenn es wie sein Gigabit-Vorgänger ebenfalls 100 Meter überbrückt. Wie zuvor soll eine typische Übertragungsstrecke aus 90 m Verlegekabel und zwei 5-m-Patchkabeln mit insgesamt vier Steckverbindungen bestehen.

Weitere Eckpunkte waren, das 802.3-Frame-Formats und der MAC-Schnittstelle beizubehalten, es galt, ein PHY-Interface für 10 GBit/s zu entwerfen, nur noch Vollduplex-Übertragung zu unterstützen und international festgelegte Störstrahlungsgrenzen einzuhalten (CISPR/FCC Class A). 802.3an stellt also eine Erweiterung auf der untersten Ebene des OSI-Referenzmodells dar, die höheren Schichten bleiben gleich. So muss ein 10GE-Kartenhersteller lediglich den PHY-Chip und den Leitungsanschluss austauschen, um eine TP-fähige Variante auf den Markt zu bringen.

Der Physical Layer definiert, wie Daten über das Übertragungsmedium fließen. Für 10GBASE-T hat man seine Komponenten PCS (Physical Coding Sublayer) und PMA (Physical Medium Attachment) neu spezifiziert. Sie verbinden die bestehende medienunabhängige Schnittstelle (XGMII, 10 Gigabit Media Independent Interface) mit dem Übertragungsmedium TP-Kabel. Der PCS wandelt die wortweise angelieferten Daten so um, dass sie als serieller Bitstrom über das Kabel gehen. Der PMA setzt auf das MDI (Medium Dependent Interface) auf und ist für die Signalwandlung zuständig.

10GBASE-T-Parameter
Modulation PAM16, 4 Bit pro Schritt
Symbolrate 800 MSymbole/s, vollduplex
Kodierung 128-DSQ, LDPC
Framegröße 3250 Bit Nutzdaten
Anschluss RJ45, vier Aderpaare
Reichweite 55 Meter mit CAT6e (500 MHz), 100 Meter mit CAT6a (625 MHz)
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