400G

400G zuverlässig mit VIAVI testen

Die vielseitigen automatischen 400G-Testlösungen von VIAVI unterstützen ein breites Branchenspektrum, angefangen bei Chip- und Transponder-Entwicklern über Netzausrüster (NEM) und Internet-Serviceprovider bis zu den Betreibern von Hyperscale-Rechenzentren. Mit ihrem durchdachten Design ermöglichen sie den nahtlosen Übergang von der Planung und Verifizierung der Netze zur Überwachung und Assurance nach deren Bereitstellung.

VIAVI verfügt über eine beispiellose Erfahrung und Kompetenz beim Testen von optischen Transportnetzen. Daher befindet sich das Unternehmen in einer branchenweit einzigartigen Position, um mit den führenden Planern und Standardisierungsgremien effizient zusammenzuarbeiten und Strategien für den gesamten Lebenszyklus von 400G zu entwickeln. Mit seinem kompromisslosen Engagement für Innovation und Interoperabilität ist es VIAVI gelungen, ein Paket modernster Testlösungen für optische Transportnetze zu entwickeln, die es ermöglichen, die Leistung von 400G vom Labor bis ins Feld zu optimieren.   

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Was ist 400G?

400G ist ein wichtiger Standard für kapazitätsintensive Ethernet-Client-Schnittstellen. Er wurde ursprünglich als IEEE 802.3bs bezeichnet und im Dezember 2017 offiziell anerkannt. 400G ist Teil eines breiteren Technologiespektrums, zu dem unter anderem 200G, Next-Generation-100G und 50G-Ethernet gehören. 
400G hat die schnelle Entwicklung und Einführung neuer optischer Steckmodule und Switche gefördert. Der Standard wird auch als 400GE oder 400G-Ethernet bezeichnet und nutzt die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), um die Zuverlässigkeit der Datenübertragung zu verbessern. 400G-Netzelemente werden in immer kürzerem Abstand eingeführt, da die Netzbetreiber und Serviceprovider die Vorteile der größeren Bandbreite und Effizienz für sich nutzen möchten.

Wie schnell ist 400G?

Auch wenn heute vielleicht zu oft von einer „exponentiellen Verbesserung“ gesprochen wird, ist diese Beschreibung für 400G völlig gerechtfertigt.

• Bereits 1999 wurde Gigabit-Ethernet eingeführt. Diese Technologie kann Netzverkehr mit einer Geschwindigkeit von 1 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) übertragen.
• Terabit-Ethernet bezeichnet eine Vermittlungsstruktur („Switch-Fabric“), die mehrere Ports bei Datenraten von 100 Gbit/s und darüber bewältigt. „Echtes Terabit“ sind 1 Billion Bit pro Sekunde (Tbit/s).
• Mit einer Rate von 400 Gbit/s bietet 400G immerhin eine um das 400-Fache höhere Übertragungsgeschwindigkeit, als das 1G-Ethernet beim Übergang zum 21. Jahrhundert standardmäßig geleistet hat. Oder bildlicher ausgedrückt: Diese Veränderung entspricht in etwa dem Geschwindigkeitsunterschied einer langsamen Galapagos-Schildkröte im Vergleich zu einem Geparden bei der Jagd.
• 400G-Ethernet ist so schnell, dass es sogar die Leistungsfähigkeit eines konventionellen, binären Modulationsverfahrens, bei dem der Laser einfach immer wieder ein- und ausgeschaltet wird (On-Off Keying, OOK), übersteigt.
• Daher wurde die PAM-4-Modulation entwickelt. Statt nur zwei Amplitudenwerte nutzt dieses Verfahren vier Pegel, um die Gesamtbitrate zu verdoppeln. Da der Abstand zwischen den Signalpegeln damit jedoch deutlich schrumpft, reagiert PAM-4 empfindlicher auf Rauschen. 
• 400G bedeutet jedoch mehr als nur neue Ethernet-Anschlüsse und bessere Modulationsverfahren. Diese Technologie erfordert im gesamten Ökosystem des Netzwerks erhebliche Anpassungen, um eine völlig neue und beispiellose Flexibilität und Skalierbarkeit der Bandbreite zur Verfügung zu stellen.  

Neue Testanforderungen von 400G

Vor 100G-Ethernet war es viel einfacher, die Optik der Zubringerschnittstelle (Client-Schnittstelle) zu testen. Für jeden Kanal ließ sich die Bitfehlerrate (BER) ermitteln und ein Idealwert von null Fehlern über einen festgelegten Zeitraum wurde häufig als Gut-/Schlecht-Bewertungskriterium genutzt. Mit dem Übergang von der NRZ-Modulation zu PAM-4 und FEC ist das Testen und Überprüfen von 400G weitaus komplexer geworden. Allein die deutliche Vergrößerung der Bandbreite stellt völlig neue Anforderungen an die Testausführung. 

Herausforderungen
Höhere Datenraten und die PAM-4-Modulation sowie FEC verbessern den Durchsatz auf beeindruckende Weise. Allerdings sind sie auch für einige der neuen Herausforderungen beim Testen von 400G verantwortlich.

• Die PAM-4-Modulation erhöht die Komplexität auf der physikalischen Schicht (Bitübertragungsschicht). Da auf den 400G-Strecken (Link) immer Übertragungsfehler auftreten werden, reicht es nicht länger aus, diese einfach nach dem Nullfehlerprinzip zu zählen oder die Tests danach auszurichten.
• Die FEC-Technologie und die höhere Datenrate bedeuten, dass einige Module mit höheren Rohfehlerraten nach der Fehlerkorrektur („Post-FEC“) einwandfrei funktionieren, während bei anderen Ausfälle auftreten. Der Techniker sollte sich daher besser mit der Fehlerverteilung und -statistik auskennen, um noch zulässige von nicht mehr zulässigen Fehlermustern unterscheiden und die tatsächliche Ursache der Störung erkennen zu können.
• Die FEC-Logik ist komplex und umfassend. Daher müssen sowohl die logische Schaltung als auch die dynamische Leistung überprüft werden.
• QSFP-DD (Quad Small Form Pluggable Double Density), wie die optischen Steckmodule doppelter Dichte für 400G bezeichnet werden, sind ein Wunder an Komplexität. Sie beherbergen auf kleinstem Raum integrierte Laser und Treiber, leistungsstarke Fotodioden und Mikrocontroller. Diese zusätzlichen Elemente benötigen Strategien, die in der Lage sind, diese Komponenten bei 400G einzeln sowie im Kontext der gesamten Netzinfrastruktur zu testen und zu überprüfen.
• Die Komplexität von 400G Ethernet macht es erforderlich, die Kosten für die Prüf- und Messtechnik sowie die Dauer der Testzyklen genau im Blick zu behalten. Technisch führende 400G-Tester erfüllen diese Anforderungen, da sie sofort einsatzbereite Testoptionen für den Übergang zu 400G zur Verfügung stellen und die Zeit bis zur Markteinführung von Neuprodukten verkürzen.  

Tester für 400G

Skalierbarkeit, Flexibilität und Upgrade-Fähigkeit sind wesentliche Leistungsmerkmale effektiver 400G-Testlösungen von VIAVI, z. B. des Ethernet-Moduls ONT 800G. Diese vielseitige Mehrprotokoll-Testplattform bietet mehrere Anschlüsse, basiert auf dem neuesten 400G-/200G-Standard (IEEE 802.3bs) und ermöglicht die Generierung von 400G-Ethernet-Verkehr sowie erweiterte Tests an Ethernet-Alarmen und -Fehlern. Die hochgenaue Zeitsteuerung des Testpaket-Formats von VIAVI gewährleistet eine effiziente Überprüfung der Ethernet-Leistung und beschleunigt deren Validierung.

Das Modul ONT 400G CFP8 von VIAVI verbessert die Flexibilität, da es alle optische Formfaktoren von 400G unterstützt. Dieser branchenweit erste Tester für 400G bietet eine erweiterte Fehleranalyse und besitzt einen QSFP-DD-Testschacht. Da er im Feldeinsatz programmierbar ist, lässt sich die Software über Updates mühelos an die sich weiter entwickelnden Standards anpassen. Das Modul  ONT 400G  unterstützt auch die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) und die PAM-4-Modulation. Diese Testlösung ist eine ideale Plattform für die Planung, Entwicklung und Validierung von Highspeed-Netzelementen und -Systemen der nächsten Generation.

400G-Netze

Das dichte Wellenlängen-Multiplexverfahren (DWDM) hat die Bandbreite auf optischen Übertragungsstrecken deutlich erhöht. Diese Technologie erlaubt, über einen einzelnen Kanal einer Glasfaser Daten mit einer Geschwindigkeit von 400 Gbit/s und mehr zu übertragen. Da jedes Netzwerk nur so stark (oder schnell) ist wie seine schwächste (langsamste) Übertragungsstrecke, schließt 400G-Ethernet die Bandbreitenlücke zwischen den Routern im Kernnetz und den DWDM-Multiplexern.

Eine 400G-Ethernet-Schnittstelle ermöglicht, die Kapazität der Netzelemente bei der richtigen Dichte in vollem Umfang auszuschöpfen, um einen verlustlosen und unbeschränkten Durchsatz zu erzielen. Moderne anwendungsspezifische Standardprodukte für Switche (ASSP), wie die Produktfamilie Tomahawk von Broadcom, können Verkehr von mehr als 12 Tbit/s in einem einzigen Chip verarbeiten. Um diese enorme Bandbreitenkapazität bereitstellen zu können, bieten die 400G-Schnittstellen eine deutlich höhere Bandbreitendichte mit mehr Ports auf dem Frontpanel.

• FlexE
  Flex-Ethernet (FlexE) ist ein Standard für eine Client-Schnittstelle, der zuerst 2016 vom Optical Internetworking Forum (OIF) veröffentlicht wurde. Wie der Name bereits andeutet, soll mit FlexE ein flexibles Verfahren bereitgestellt werden, das eine Verbindung zwischen dem Ethernet-Netz und der physischen Schnittstelle (Server) ermöglicht. Zu diesem Zweck wird eine zusätzliche „Shim“-Layer zwischen die MAC- und die PCS-Layer eingefügt. Damit ist es möglich, unabhängig von der physischen Schnittstelle mehrere verschiedene MAC-Raten zu unterstützen.
  FlexE erlaubt auch, Übertragungsstrecken zu bündeln (Bonding). So könnte 400G beispielsweise über eine einzelne Strecke, über 2 x 200G-Strecken oder über 4 x 100G-Strecken übertragen werden. Mehrere Testmodule der ONT-Plattform ermöglichen, FlexE-generierten Verkehr bei 400G und den Subraten zu testen.

• FlexO
  Die ITU-T-Normen G.709 und G.709.1 für optische Transportnetze (OTN) definieren die empfohlenen Schnittstellen und Leitungsraten für optische Netzelemente, die über Glasfaser miteinander verbunden sind. OTN B100G  erweitert diese Norm für Datenraten über 100 Gbit/s.

Die ITU-T hat mehrere Basiskonzepte von der Norm IEEE 802.3 und dem Optical Internetworking Forum (OIF) übernommen, um zu prüfen, wie die gleichen Steckmodule auch für OTN-Schnittstellen nutzbar sind. Dieser Ansatz wird als „Flexible ONT“ oder „FlexO“ bezeichnet und definiert einen Mechanismus, der eine OTN-Struktur für 400G und darüber hinaus sowie FlexEthernet-Verkehr zur Verfügung stellt.

Zielgruppen von 400G

Die Effizienzsteigerungen, die mit der Einführung von 400G möglich werden, wirken sich auf das gesamte  Highspeed-Ökosystem der Netze aus. Dazu gehören die Chip- und Modul-Hersteller, die Tester- und Service-Branche, Internet-Megakonzerne und die Anbieter von Telekommunikationsdiensten, die diese Verbesserungen benötigen, um mit der rasant ansteigenden Bandbreitennachfrage Schritt halten zu können.

• Hyperscaler, die Cloud-Dienste bereitstellen, nutzen 400G, um den Dichte-Anforderungen in ihren immer größeren Rechenzentren gerecht zu werden.
• Die Anbieter von Telekommunikationsdiensten müssen in ihren eigenen enormen Rechenzentren die wachsenden Anforderungen ihres hochgradig vernetzen Kundenstamms erfüllen.
• Die Entwickler von optischen Modulen profitieren von der Nachfrage nach vielseitigeren und kompakteren Produkten.
• Große Akteure fördern den  immer schnelleren Übergang zu 400G , um die von den Servern geforderten Datenraten bereitstellen zu können.
• Die Einführung von 400G ermöglicht den Netzwerken, mit den Erwartungen, die an eine reibungslose Highspeed-Übertragung gestellt werden, Schritt zu halten.
• Wegweisende 5G-Anwendungsfälle, wie schnelles Video-Streaming, Virtual Gaming und das Internet der Dinge (IoT), sind nur einige wenige Anwendungen, die von 400G-Ethernet profitieren.

100G und darüber hinaus

Die Kompatibilität zwischen den Modulen für  100G  und 400G vereinfacht nicht nur das Testen und Upgrades, sondern ist auch in wirtschaftlicher Hinsicht von Vorteil. Die ersten 100G-Ethernet-Lösungen kamen 2010 auf den Markt und fanden bis 2016 langsam, aber zunehmend Verbreitung. Seitdem ist über die Jahre eine verstärkte Einführung von 400G zu verzeichnen, so dass immer mehr Komponenten und Lösungen angeboten werden.

• Kostensenkungen und Design-Verbesserungen für 100G-Module haben eine Abwärtskompatibilität ermöglicht. Modernere optische Steckmodule, die ursprünglich für 100G entwickelt wurden, erhöhen die Effektivität von 400G-Ethernet weiter.
• Die Einführung des QSFP28, eines kleinen, während des Betriebs steckbaren (hot-pluggable) Transceiver-Moduls, das über jeden seiner vier Datenkanäle (Lanes) 28 Gbit/s übertragen kann, war die Voraussetzung dafür, dass sich 100G bis 2017 zur Mainstream-Technologie entwickeln konnte.
• Das QSFP-DD ist ein neues optisches Transceiver-Modul, das einem QSFP-Standardmodul ähnelt, aber eine zusätzliche Kontaktreihe besitzt, um eine elektrische Schnittstelle mit der doppelten Anzahl von Lanes zur Verfügung zu stellen. Es ermöglicht an einem 1 Rackeinheit (RU) großen Hostsystem eine Bandbreite von 6,4 Tbit/s zur Unterstützung von 400GE und bietet gleichzeitig die doppelte 100G-Portdichte des QSFP28.
• Das OSFP  (Optical Small Form Factor Pluggable) ist ein optisches Steckmodul, das den Energiebedarf von 400G unterstützt und einen integrierten Kühlkörper besitzt, um die Wärmeleistung sicherzustellen. Im Unterschied zum QSFP-DD benötigen die OSFP-Ports jedoch besondere Adapter, um die Abwärtskompatibilität zum 100G QSFP sicherzustellen.
• Hyperscale ICPs konzentrieren sich weiter auf die 800GE-Technologie der nächsten Generation. Während das QSFP-DD-Modul zu 100G abwärtskompatibel ist, bietet es aufgrund seines physischen Designs bei höhere Datenraten ein geringeres Wachstumspotenzial. Da das OSFP-Modul jedoch für 800GE vorbereitet ist, verlassen sich die Branchenriesen weiter auf diese Modulstrategie, auch wenn noch keine unterstützende Infrastruktur vorhanden ist. 
• Technisch führende Verfahren, die mit Blick auf 400G entwickelt wurden, wie die PAM-4-Modulation und KP4 FEC, sind auch nutzbar, um die Dichte zu erhöhen und die Kosten für 100G zu senken. Mit der weiteren Entwicklung dieser Technologien kann davon ausgegangen werden, dass 100G-Produkte die Verbesserungsmöglichkeiten, die mit 400G geschaffen werden, ebenfalls in vollem Umfang für sich nutzen werden.

Mehr als nur Bandbreite

Die beeindruckende Steigerung der Datenrate durch 400G ist ein großer Entwicklungssprung in der Leistungsfähigkeit von Ethernet-Netzen. Allerdings sind die höhere Übertragungsgeschwindigkeit und größere Bandbreite nur die Spitze des Eisbergs. 400G stellt nämlich nicht einfach mehr Bandbreite, sondern die richtige Bandbreite in der richtigen Dichte zur Verfügung. Die allgemein verbesserte Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Energieeffizienz sind Argumente für die Nutzung von 400G als wirtschaftlicher Technologie für das sich rasant weiterentwickelnde Netzwerk-Ökosystem.

Die an die Anbieter von Cloud-Computing und Telekommunikationsdiensten gestellten Anforderungen belasten die Server in den Rechenzentren bis an ihre physikalischen Leistungsgrenzen. Die Beseitigung des Engpasses, den das Ethernet einst darstellte, hat enorme Auswirkungen auf die gesamte Netzlandschaft. Innovationen wie PAM-4 haben diese Fortschritte ermöglicht und gleichzeitig neue Hürden für das Testen und Überprüfen von 400G geschaffen. Indem wir uns auch künftig diesen Herausforderungen stellen, leiten wir eine neue Leistungsära unserer Netze ein.