Die Physik des Backbone-Netzwerks, Teil 1

Mittels Parallelisierung soll im Wide Area Network der Datendurchsatz steigen

20.10.2010 | Autor / Redakteur: Hermann Strass / Rainer Graefen

In den Wissenschaftsnetzen flitzen die Daten schon mit 100 Gigabit pro Sekunde hin und her. Gerne würden Carrier in den kommerziellen Netzen ebenfalls das Tempolimit nach oben drücken. Noch hadert man allerdings mit den Kosten, die dem Upgrade im Wege stehen.

Die Marketing-Experten der Netzwerkausrüster werben mit der Umsetzbarkeit von 100 Gigabit Ethernet (10GbE), für vorsichtigere Kunden gibt es den Zwischenschritt auf 40 Gigabit. Dem Anwender wird versprochen: es ändert sich nichts, es wird nur schneller und relativ betrachtet sinken sogar die Kosten.

Dass sich die Physik der Leitungsnetze dem Ansinnen nicht so einfach unterordnen möchte, zeig die weitere Parallelisierung der Datenübertragung auf immer mehr Leitungspaare. Trotz der Vervielfachung herkömmlicher Technik wird sich die Elektrotechnik und die Elektronik sehr viel Mühe geben müssen.

Ganz so einfach wird es also nicht, die Kosten auf ein „erträglicheres“ Niveau zu senken. Noch sind die technischen Schwierigkeiten der Umsetzung so hoch, dass jede Multiplizierung der klassischen Architektur sich proportional auf die Kosten niederschlägt. Dieser Artikel analysiert die nicht ganz trivialen Herausforderungen, die es zu bewältigen gibt.

Bremsfaktoren und Auswege

Jahrzehntelang wurde bei den Taktraten für Mikroprozessoren immer mehr Gas gegeben. Bei etwa 3,5 GHz machte die immer teurer werdende Kühlung den Intel-Entwicklern einen Strich durch die Rechnung.

Da wurde abgeregelt, wie bei schnellen Autos. Grund waren die physikalischen Probleme in den Chips, die massiv in Erscheinung traten. Da half auch kein brillantes Marketing mehr. Jede weitere minimale Erhöhung der Taktrate hätte enorme Folgekosten verursacht.

Die Lösung: nicht ein Kernel, sondern viele. Inzwischen denkt man über Hunderte und Tausende nach. So ähnlich geht es derzeit bei den Ethernet-Übertragungsraten zu: 10 Gbit/s über ein Kabel zu übertragen ist deutlich teurer als je 1 Gbit/s über zehn Kabel, jedenfalls arbeitet man daran, Und 100 GbE folgt de genau gleichen Logik. Schließlich gilt es, nicht mehr Daten über ein einziges Kabel übertragen, sondern die Datenmenge auf vier oder zehn Verbindungsleitungen aufzuteilen.

Die lieben Gruppenlaufzeiten

Es ist allerdings nicht ganz simpel, die Kontrolle über einen Datenstrom zu behalten, der über viele parallele Einheiten oder Funktionen an seinem Zielort wieder korrekt zusammengesetzt werden muss.

Vor nicht allzu langer Zeit wurden mit viel Werbeaufwand das hohe Lied der seriellen Übertragung angestimmt - und die parallelen Busse zu Grabe getragen. Übersprechen, Signallaufzeiten und Störempfindlichkeit waren die Argumente für das Ende von ATA und SCSI.

Die Naturgesetze können aber selbst von exzellenten Marketingabteilungen nicht mit noch so hohem Aufwand ausgehebelt werden. Der kurzen Epoche der seriellen Übertragung folgt nun wieder die Parallelisierung auf gehobenem Niveau.

Die Entwicklung zu schnelleren Übertragungsraten wird nicht so abrupt enden, wie bei den Taktraten für Mikroprozessoren. Es wird nur langsamer voran gehen. Die Wachstumskurve flacht ab. Warum das so ist, zeigen die nachfolgend einige Beispiele.

Zur Erinnerung

Ethernet ist ein Protokoll und ein Standard zur Physik der Übertragung von Datensignalen über unterschiedliche Medien. TCP und IP sind Protokolle mit denen die übertragenen Bits und Bytes beim Sender so zerlegt und beim Empfänger so zusammengestellt werden, dass die Anwendungen an beiden Enden sinnvoll damit umgehen können.

TCP/IP ist jedoch nicht Gegenstand dieses Artikels. Die für ursprünglich andere Zwecke entworfene Ethernet-Architektur ist heute nicht mehr passend. Das wird durch heute verfügbare leistungsfähige Chips überdeckt, ist aber der Grund für erhebliche Unterschiede zwischen der tatsächlichen und der technisch möglichen Übertragungsleistung. Weil Ethernet immer besonders preiswert sein muss, gibt es viele Kompromisse bei der technischen Realisierung.

weiter mit: Der amerikanische Kompromiss

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