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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

Autor / Redakteur: Hermann Strass / Rainer Graefen

Die strukturierte Verkabelung ist das Credo jedes Netzwerkers. So wird es wohl auch noch viele Jahre bleiben. Zwist kommt allerdings bei der Frage nach „Fibre to the desk“ auf. Und nicht zuletzt kratzen auch die körperlosen Übertragungskanäle am Bewußtsein der draht- und lichtleitergebundenen Branche.

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CFP-Adaptermodul. Quelle: Finisar
CFP-Adaptermodul. Quelle: Finisar
( Archiv: Vogel Business Media )

Die strukturierte Verkabelung beschreibt eine Topologie und Klassifizierung von Übertragungsstrecken mit definierten Eigenschaften sowie eine einheitliche Schnittstelle zum Anschluss der Endgeräte.

Diese Art der Verkabelung ist Voraussetzung für eine zukunftssichere Topologie, die für unterschiedliche Protokolle auch in Zukunft effektiv nutzbar ist. Gebäudeverkabelung nach ISO/IEC 11801 (EN 60173) und ISO/IEC 24702 für Industriegebäude sollte in jedem Fall verlangt werden.

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Lichtwellenleiter dürfen nicht mit beliebig kleinem Biegeradius (>30 cm) verlegt werden, weil sonst die Übertragungsrate erheblich gedrosselt wird. Bei den heute üblichen hohen Frequenzen in den Kommunikationsleitungen ist auch die Art der Stromversorgung und Erdung wichtig.

Dies hat Einfluss auf Potenzialausgleich und Oberwellenübertragung. Ein EMV-gerechtes Erdungssystem sowie Potenzialausgleichssystem ist unabhängig vom eingesetzten Medium (LWL, STP oder UTP) der IT-Verkabelung.

Reicht die Weite?

Bei den Glasfasern reicht der Singlemode-Betrieb auch bei Bandbreiten von zehn Gigabit pro Sekunde zur Überbrückung von Distanzen über 10 und auch über 40 Kilometer. Anders sieht es beim Multimode-Betrieb aus. Deshalb wurde mit OM4 ein neuer Standard definiert, da OM3 nur bis ungefähr 85 Meter Distanz nutzbar ist.

Für 10GBase-T (Ethernet über Kupfer) kann Kupferkabel der Kategorie Cat 6 (Europa) oder Cat 6A (USA) für Reichweiten bis 65 Meter eingesetzt werden. Für die klassische Reichweite bis 100 Meter wird Cat 7 benötigt.

Bessere Kabelqualität erhöht nicht nur die Reichweite. Bei den Kupferverbindungen kann zudem mit niedrigerer Sendeleistungen bei gleicher Übertragungsreichweite gearbeitet werden. Das schont die Transceiver.

Die „Wissenschaft“ der Reichweiten-Standardisierung

Mit Cat 6A (ISO/IEC) wird die Trennklasse d nach EN 50174-2 erreicht (Kopplungsdämpfung >80 dB). Solche Kommunikationskabel können praktisch ohne Abstand zu Leistungskabeln verlegt werden.

Die Verkabelung nach Cat 6A (ISO/IEC) ist der Cat 6A (USA) vorzuziehen, weil damit bis zu 3 dB günstigere Werte erreicht werden. Die amerikanische Cat 6A hat ähnliche Kennwerte wie die internationale Link-Klasse Ea, garantiert aber nicht die Parameter für die ganze Übertragungsstrecke.

Ea definiert eine einheitliche, durchgängige Leistungsfähigkeit der gesamten Verkabelungsstrecke für die Signalübertragung bis 500 MHz, beispielsweise für 10-Gigabit-Ethernet.

Link-Klassen: Frequenz (MHz)

  • E: 200
  • Ea: 500
  • F: 600
  • FA: 1000
  • G: 860

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Adaptermodule

Die Adaptermodultechnik begann in den 90er-Jahre mit dem Gigabit-Interface-Converter (GBIC) für den Einsatz im Fibre Channel bei 1.0625 Gbit/s (1 GFC). Etwa drei Jahre nach 1 GFC wurden die Transceiver-Chips und später auch die Adaptermodule für das neue entstehende 1 GbE übernommen.

Die Ahnenreihe der Adaptermodule für die serielle Übertragung ist lang: GBIC, SFP, XENPAK, XPAK, X2, XFP und SFP+. Diese Module bieten nach außen zum Kabel eine serielle Schnittstelle mit wenigen Kontakten.

Im Idealfall können Kupfer- oder Glasfaserkabel am gleichen Modul wahlweise angeschlossen werden. Bei 10GbE wird vorwiegend auf die SFP+-Schnittstelle gesetzt. Eine weitere wichtige Komponente in den Transceivern ist EDC (Electronic Dispersion Compensation) in den Chips für die Schnittstellen.

Neuere Module werden typischerweise von einigen Herstellern gemeinsam unter einem MSA (Multi Source Agreement) entwickelt. Für 40 GbE sind meist QSFP-Module im Einsatz. Für 100GbE in Kupfer werden vorzugsweise CXP- und für Singlemode-Glasfaser CFP-Module genutzt. Die Vielzahl der Adaptertypen macht die Auswahl nicht leicht.

Physikalische Grenzbereiche:

Die Dispersion in den Adaptermodulen

Licht breitet sich je nach Frequenz (Farbe) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Jede Wellenlänge besteht durch elektronisch erzeugte Laserimpulse und steile Signalflanken aus einem Gemisch von vielen Frequenzen.

Wegen der Dispersion „verschmieren“ die Pulse (sie werden breiter). So kann es zu Signalüberlappungen kommen. Mit aufwändigen, teuren Verfahren wird versucht die beiden Dispersionsarten (Chromatic Dispersion und Polarization Mode Dispersion) zu reduzieren. Mit zunehmender Frequenzen treten diese Probleme verstärkt auf. Einfluss auf die Dispersion hat jedoch auch die Kabeltemperatur.

Die Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum beträgt etwa 300 000 km/s. In Glasfaser rechnet man mit etwa 200 000 km/s. Die elektrische Übertragungsgeschwindigkeit in Kupfer beträgt etwa die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit.

In den Knoten, Übertragern/Verstärkern und Umsetzer gibt es weitere Verzögerungen. Dazu kommen noch Verzögerungen durch Signalverarbeitung für Routing und Signalauffrischung. Einige Werte für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum sind: 3,3 ns/m, 3,3 µs/km oder 33 ms/10 000 km.

Die Übertragungsrate

Je nach Spezifikation sind Übertragungsraten keine glatten Zahlen. So ist der Adapter SFP+ des SFF Committee für FC und Ethernet für Schritte von 9,95328 GBd (IEEE 802.3 CL50) bis 11,10 GBd (ITU G.709) oder weniger spezifiziert.

Generell wird Wert darauf gelegt, dass die Spezifikation auch mit den vorhandenen Optische Transport Netze (OTNs) nutzbar sind.

weiter mit: Datenpuffer

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.

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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