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Die Physik des Backbone-Netzwerks, Teil 2

Die Qualität von Kabel, Verlegung und Erdung hat Einfluss auf die Reichweite - und die Kosten

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Der Datenpuffer

Zum Zwecke der Fehlerprüfung und –korrektur sowie der Zusammenführung von nicht-sequenziellen Ethernet-Paketen müssen die durchlaufenden Daten an beiden Enden gepuffert werden, bis das Acknowledge, die „Gut“-Meldung vom Empfänger kommt.

Bei den hohen Datenraten sind zu jedem Zeitpunkt große Datenmengen im Kanal unterwegs. Die dementsprechend groß auszulegenden Zwischenspeicher und deren Verwaltung verursachen signifikante Kosten.

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Die Bandbreite

Die theoretische (nominelle) Bandbreite ist vorgegeben. Die tatsächlich erreichte Bandbreite (Durchsatz) ist variabel und auf jeden Fall niedriger. Großen Einfluss hat die Gesamtlatenz, die Verzögerungszeit der gesamten Übertragungsstrecke.

Kann ein Knoten nicht schnell genug weiterleiten, dann wird die verfügbare Bandbreite nicht vollständig genutzt. Es gibt Lücken im Datenstrom. Wenige Mikro- oder Millisekunden bedeuten einen großen Verlust an Übertragungskapazität. Satellitenverbindungen haben besonders große Latenzzeiten.

Die Codierung

Die für Ethernet genutzte Leitungskodierung 8B/10B wurde inzwischen um die Variante 64B/66B (kenntlich am Buchstaben R in der Bezeichnung) bei höheren Übertragungsraten ergänzt.

Wegen der Rückwärtskompatibilität bedeutet das nun zwei Verfahren und eine Logik, die beide erkennen und die richtige auswählen muss. Dieser Teil der Elektronik wird damit aufwändiger und teurer.

Die Modulation

Aus physikalischen und elektro-optischen Gründen wird bei den hohen Datenraten von NRZ/RZ- auf DPSK- und DQPSK-Modulation umgestellt.

Die Fehlerkorrektur

Bei den hohen Datenraten muss der elektrische oder auch optische Signalpegel zurückgenommen werden, um Oberwellen zu dampfen. Dadurch verringert sich das Verhältnis vom Signalpegel zum Rauschen (Signal-to-Noise Ratio: SNR bzw. OSNR).

Neben der im Ethernet und bei TCP/IP üblichen Fehlerkorrektur wird deshalb zusätzlich die vorausschauende Fehlerkorrektur (Forward Error Correction: FEC) genutzt. Das ist auch nötig, weil die Bitfehlerrate (Bit Error Rate: BER) bisher nicht erhöht wurde.

Sie ist seit mehr als 10 Jahren mit 1012 festgelegt.

Bei Gigabit Ethernet mit einer Übertragungsrate von 109 bedeutet das, dass im Durchschnitt ein Bitfehler in 1000 Sekunden, also etwa alle 16 bis 17 Minuten erlaubt ist. Bei 100 GbE reduziert sich diese Zeit auf 10 Sekunden.

Da müssen FEC und die anderen Korrekturverfahren sehr zuverlässig und schnell arbeiten. Bei FEC werden die für die Fehlerkorrektur notwendigen Bits schon dem Originaldatenpaket mitgegeben.

Das erspart die sehr zeitaufwändigen Wiederholungen, bei denen möglicherweise der gleiche Fehler wieder auftritt. Die Redundanzbits für FEC reduzieren natürlich den Anteil der Nutzbits im Datenstrom. Die effektive Übertragungsrate sinkt.

Bei der elektrischen Schnittstelle zwischen dem Adapter SFP+ (für Kupfer oder Glasfaser) und der Platine im Rechner über 30 cm Entfernung wird im Standard SFF 8431 eine Bitfehlerrate von 10-15 vorgegeben.

Morgen Mittag folgt der dritte Teil im Terabit-Rennen

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