Typische Schwächen im LAN-WAN-Verkehr vermeiden und aufdecken

Messtechnische Ansätze in Gigabit und 10G-Ethernet-Systemen, Teil 2

12.11.2007 | Autor / Redakteur: Thomas Friedrich / Ulrike Ostler

Ab und zu sollten LAN-Administratoren einmal über den Tellerrand schauen und sich mit der physikalischen Infrastruktur ihres Fachgebietes auseinandersetzen. Thomas Friederich gewährt einen Einstieg in die Messtechnik von Ethernet-Netzen. Teil 2 beschäftigt sich mit den Grundlagen der Ethernet-Messtechnik und Koaxialkabeln. Teil 1 enthält die wesentlichen Grundlagen von Ethernet-Systemen und Teil 3 befasst sich mit Ethernet auf Glasfaser und 10G-Besonderheiten sowie entsprechende Messverfahren.

Ethernet wird als Plug & Play Standard verkauft, aber erst das Zusammenspiel aller Komponenten in einem Ethernet-Netzwerk legt die Qualität und Leistungsfähigkeit der gesamten installierten Systemlösung fest. Wie in Teil 1 gezeigt, bestimmen die Installationsausführung und die eingesetzten Übertragungskomponenten, abgesehen von der Performance der Endgeräte, die Übertragungsparameter wesentlich.

In praktischen Messungen wird regelmäßig nachgewiesen, dass unzulässiger Stress beim Einziehen von Kabeln/Fasern genauso wie die Unterschreitung von Mindestbiegeradien und nicht nach Herstellervorschrift ausgeführte Anschlusstechnik die Performance der Übertragung maßgeblich verschlechtern. Daher ist beim Auflegen der Doppeladern in einer RJ-45 oder GG-45 Dose genauso wie bei der Pigtail-Ablage in einer Spleißkassette große Sorgfalt angebracht.

Abbildung 1: Ethernet-Datentransport über verschiedene physikalische Netze
Abbildung 1: Ethernet-Datentransport über verschiedene physikalische Netze

In Abbildung 1 ist ersichtlich, auf welche Weise Ethernet-Pakete im Weitverkehr von A nach B transportiert werden können. Je nach Netzstruktur ergeben sich für Anwender, Netzbetreiber- und Hersteller ganz unterschiedliche Anforderungen an die Ethernet-Messtechnik:

  • Labormesstechnik
  • Qualitätskontrolle von Netzelementen
  • Feldmesstechnik für die Physik
  • Ethernet-Messtechnik für Anforderungen im LAN oder WAN
  • Feldmesstechnik für Durchsatz und QoS Layer 2, 3 und höher
  • Lokal / Remote Betriebsanforderungen
  • End-to-End oder single ended, Loop

Ethernet Messtechnik

Mit Sicherheit wird der WAN Netzbetreiber Ethernet Qualität unter anderem Blickwinkel betrachten als der LAN Administrator. Ein aktuelles Beispiel sind TCP-Laufzeiten. Während für den LAN-Administrator kein Problem besteht, bereiten diese dem Netzbetreiber bei Kopplung von Ethernet über WAN Topologien (SDH/MPLS) oder über Gateways und Router mit Protokollwandlungen (Encapsulation, Tunneling und Verschlüsselung) erhebliche Sorgen.

Hier werden Kontroll- oder Abnahmemessungen über den Layer-2/-3 hinaus heute immer häufiger nötig. Eine Durchsatzaussage auf Layer -2/-3 hat wenig Aussagekraft, wenn die Endanwenderapplikationen mit begrenzter maximaler Window-Size ins Stocken geraten, etwa weil im Weg liegende Router aufgrund von Pufferengpässen fragmentierte IP-Frames nicht schnell genug weiterleiten. Im Endgerät treten Timeouts auf, die Applikation glaubt an Verbindungsabbruch.

Abbildung 2: Zuordnung von Messwerkzeugen zu den verschiedenen Netzschichten
Abbildung 2: Zuordnung von Messwerkzeugen zu den verschiedenen Netzschichten

Hier liefert die Layer-2/-3 Durchsatzmessungen allein keine verlässlichen Resultate. In der Tabelle (siehe: Abbildung 2) sind verschiedene messtechnische Ansätze zur Qualifizierung von Ethernet-Systemen und -Komponenten dargestellt.

In der Praxis hat sich die Auto-Neg-Funktion von Ethernet NICs als tückische Eigenschaft erwiesen. Wenn nur einer von zwei Partnern Auto-Negotiation aktiviert hat, stellt sich dieser automatisch auf die niedrigste mögliche Betriebsart ein: 10 Mbit/s Halbduplex. Aus Anwendersicht heißt es dann: „kein Durchsatz auf der 100M- oder 1 G-Ethernet-Verbindung und lange Laufzeiten“.

Abbildung 3: Protokoll-Stacks bei Ethernet über WAN
Abbildung 3: Protokoll-Stacks bei Ethernet über WAN

Für Ethernet-Entwickler steht heute das Internetworking zwischen Ethernet und etablierter SDH-/DWDM-Technologie im Brennpunkt. Hier sind die verschiedenen Kapselungsmöglichkeiten von Ethernet in NGN-Systemen zu prüfen. Hierzu muss das Messgerät die Protokoll-Stacks wie in Abbildung 3 gezeigt unterstützen.

Messtechnik im Labor

Im Labor werden die korrekten Mapping-/Demappping Eigenschaften von New-Generation-Add-/Drop-Multiplexern geprüft. Hierzu werden Messgeräte benötigt, die auf mehreren Ports „legacy“-Ethernet-Signale 10/100- und 1G/10G-ETH-Signale erzeugen und empfangen können sowie gleichzeitig auch über New-Generation SDH Ports verfügen. Im Falle von Überlast auf dem SDH Trunk kann das korrekte Ausbremsen von Ethernet-Zubringern mittels Flow Control Frame überprüft werden.

Abbildung 4: Ein New-Generation-Messgerät, zum Beispiel „ONT-50 oder MTS-8000“, kann SDH-seitig GFP/LCAS emulieren, auf Ethernet-Seite Last erzeugen und die Bandbreitebelegung der VC Gruppen sowie die richtige Durchschaltung anzeigen und LCAS und Overhead darstellen.
Abbildung 4: Ein New-Generation-Messgerät, zum Beispiel „ONT-50 oder MTS-8000“, kann SDH-seitig GFP/LCAS emulieren, auf Ethernet-Seite Last erzeugen und die Bandbreitebelegung der VC Gruppen sowie die richtige Durchschaltung anzeigen und LCAS und Overhead darstellen.

Reagiert der Switch auf Flow Control, treten Laufzeiten auf. Reagiert er nicht, sind Rahmenverluste von MAC Ethernet Frames nicht zu vermeiden. Sind Mehr-Port-Messlösungen gefragt, muss das Messgerät PPP, MPLS, LAPS, GFP/LCAS und High-/ Low Order Concatenation sowie Ethernet-seitig auch Q-in-Q VLANS nach IEEE 802.1Q/p unterstützen. Ein Messgerät kann die mittels LCAS dynamisch zugewiesenen VCs und die resultierende Bandbreite kontrollieren (siehe: Abbildung 4).

Messtechnik im Service: Ethernet auf Kupferleitungen – 10G Besonderheiten

Die Preise für Ethernet-Adapter haben sich drastisch reduziert, jedes Notebook hat heue ein Gigabit Ethernet Interface. 2001 kostete ein 1000Base-T Adapter noch 250 Mark, heute sind es gerade mal 13 Euro. 10G Ethernet auf Kupfer wird kommen, neuerdings ist auch 10G Ethernet Kupfer als Backplane Technologie für Switches definiert: 802.3ap.

Mitte 2006 ist der Ethernet 10G Kupferstandard in IEEE 802.3an (10GBASE-T), 802.3ak (10GBASE-10CX4) verabschiedet worden – erstmalig eine Ethernet-Variante ohne den durch CSMA/CD definierten Halbduplex Modus!

Zur Übertragung von 10G auf Distanzen bis 100 Meter sind Kategorie 7, S/FTP-Kabel erforderlich. Bei der Übertragung von 10 Gigabit pro Sekunde über Kupferleitungen werden wie schon zuvor bei 1000Base-T alle vier Paare für die gleichzeitige Übertragung in beiden Richtungen verwendet.

Die 3.250 Bit großen Frames lassen sich mit einer Symbolrate von 800 MSymbols/s vollduplex übertragen. Dabei wird der Datenstrom auf 4 * 2,5 Gigabit pro Sekunde aufgeteilt und über die vier Aderpaare des Kategorie 7 oder CAT-6a-S/FTP-Kabels übertragen.

Bei CAT 6e sind nur 55 Meter Distanz vorgesehen. Bei Übertragung auf Twisted Pair wird die Modulation PAM14 verwendet. Ohne DSP (digital signal processing) wäre es nicht möglich, die auf den Längen bis 100 Meter unweigerlich durch Übersprechen und Fremdsignale auftretenden Störeffekte zu eliminieren und die geforderten Störabstände zu erreichen.

Bei PAM14 werden vier Bits zu einem Symbol und mit 128-DSQ, LDPC kodiert zusammengeführt, was dazu führt, dass die vom Kupferkabel benötigte Übertragungsfrequenz weit kleiner ist als die in erster Näherung assoziierten 10 Gigahertz, sondern in Bereichen bis 625 Megahertz liegt.

RJ-45-Stecker

Der RJ-45 Stecker, auch bekannt als Western-Stecker, ist kein echter HF-Stecker, sondern in der EN 60603.7 nur für Ethernet bis Gigabit zertifiziert. Für 10 Gigabit wurde der dazu formkompatible GG-45 Stecker für 10G Ethernet definiert (siehe: Abbildung 5).

Abbildung 5: GG-45 Stecker für 10G Ethernet Kupfer mit Umschaltkontakt. Spezifikation für Kabel 10G CAT 7
Abbildung 5: GG-45 Stecker für 10G Ethernet Kupfer mit Umschaltkontakt. Spezifikation für Kabel 10G CAT 7

Er verfügt über acht plus vier Steckkontakte an Ober- und Unterseite der Steckfassung. Die vier Kontakte der Unterseite liegen an der Außenseite und sind somit weit voneinander entfernt. Nur acht von den 12 Kontakten werden simultan benutzt. Jeder Kontakt liegt in einer eigenen „Kammer“. Bei Verkabelungen nach Klasse F für 10 G Ethernet, zum Beispiel CAT-7, werden per Federkontakt die äußeren Kontakte an Ober- und Unterseite aktiviert, bei Klasse E, etwa CAT-5, werden wie früher schon die oberen acht Kontakte geschaltet.

Anforderungen an die Dokumentation

Ein Blick zurück veranschaulicht, welchen Anforderungen heute ein Messgerät für Installateure genügen muss, damit sie das Verlegen der Kabel hieb- und stichfest dokumentieren können. Zu Zeiten von 10 Megabit Ethernet war es ausreichend, die Kabelanlage mit Frequenzen unterhalb von 10 Megahertz zu testen. Die Installationen wurden auf Basis von Koaxialkabeln mit RG-58 Steckern oder symmetrischen Typ-1/-3 und Cat-3 Verkabelungen realisiert.

Mit Einführung der strukturierten Verkabelungsnorm (EN 50173-2, ISO 11801, TIA/EIA 568) wurde das Zeitalter der unstrukturierten Koaxialverkabelung überwunden, symmetrische Verkabelung vorgeschrieben und die Datenrate von 100 Megabit pro Sekunde auf Segmentlängen bis 100 Meter Länge zugelassen. Neue Kabeltypen wie das Cat-5- und das Cat-6-Kabel kamen auf den Markt.

Busartige Ethernet-Verkabelungen ersetzten sternförmige Topologien. Die Ethernet Anlage wird nun in drei Zonen unterteilt (Primär-, Sekundär- und Tertiärbereich). Nur der Tertiärbereich wird mit Kupferleitungen realisiert. Aus Redundanzgründen sind Ringstrukturen gefragt, die heute vor allem im industriellen Ethernet installiert werden. Eine unzulässige Schleifenbildung wird protokolltechnisch vermieden, zum Beispiel: Spanning Tree.

Vor Inbetriebnahme erfolgen Abnahmemessungen. Die verwendeten Kabelmessgeräte verfügen über Frequenzbereiche bis 100/250/300/600 Megahertz für diese Abnahmen. Mit zunehmender Frequenz stoßen die Techniker bei Kabelmessungen mit Feldgeräten allerdings an die Grenzen der Physik. Die Gründe: Eigenrauschen, Dynamik und Übersprechen.

Daher wurden für LAN-Kabeltester verschiedene Genauigkeitsklassen eingeführt. Die Reserven zwischen den Grenzwerten der Verkabelung und den Anforderungen der Applikation schwinden.

Kein Platz für Grauzonen

Abbildung 6: Genauigkeitsklassen von LAN- Kabelmessgeräten, Eignung für Cat-X Messungen. Quelle: Ideal Industries /Ismaning
Abbildung 6: Genauigkeitsklassen von LAN- Kabelmessgeräten, Eignung für Cat-X Messungen. Quelle: Ideal Industries /Ismaning

Doch Ungenauigkeiten bei der Messung können fatale Auswirkungen haben. So ist ein möglichst niedriges Grundrauschen der Messgeräte von hoher Bedeutung. Ein Level III Tester reicht nicht für Cat6Ea-Messungen, hier ist ein Level IV Tester einzusetzen (siehe: Abbildung 6).

Zur Abnahmemessung werden die Stichleitungen vom Verteilerstandort aus zu den Endpunkten mit LAN-Kabeltestern zertifiziert. Die Norm sieht vor, dass verschiedene Parameter, etwa bezüglich Dämpfung, Nebensprechen, ACR und Länge, gemessen und mit zulässigen Grenzwerten verglichen werden. Im Protokoll kann das Resultat grafisch und tabellarisch abgebildet sein. Eine Grenzwertverletzung in einem der Parameter führt unweigerlich zum „Fail“.

Dem Thema der Anschlusstechnik, insbesondere der Referenzmessung ist ein besonderes Augenmerk zu widmen. Bei Fast Ethernet wurde der Nullabgleich noch mit Standard Patch-Kabeln durchgeführt. Doch die Praxis zeigt, dass ungünstige Kombinationen von verschiedenartigen Kontaktmaterialien an Stecker und Buchse unerwünschte Diodeneffekte bewirken und somit auch fehlerhafte Messwerte mit sich bringen.

Die filigrane Bauform des RJ-45 Steckers mit den engen Kontaktabständen prädestiniert ihn zur Übersprech-Falle bei Ethernet Anwendungen mit Hohen Bitraten. Daher hat jeder Steckerlieferant für Gigabit Ethernet heute eine herstellerspezifische 1G,10G Stecker/Buchse-Lösung im Programm, die eine geringere kapazitive Kopplung zwischen den Adern aufweist. Beispiele sind Tera, GG45 und EC7/MMC3000. Der GG45 Stecker (siehe: Abbildung 5) ist kompatibel zu RJ-45.

Aufteilen der Bandbreite

Für den Messtechniker bleibt das Thema: Welches System wird wie referenziert – Channel- oder Link-Referenzmessung?

Schon bei Gigabit Ethernet wurde das Thema PowerSum NEXT aufgeworfen: Wenn die Ethernet Bandbreite auf mehreren Adern aufgeteilt wird, sollte das Übersprechen nicht nur zwischen zwei Aderpaaren, sondern auch bei Anregung von mehreren Paaren gemessen werden, um bei der Abnahme der Realität nahe zu kommen.

Bei 1G- und bei 10G- Systemen werden zur Übertragung Frequenzen jenseits von 250 Megahertz benutzt. Die gegenseitige Beeinflussung bei Verwendung ungeschirmter Systeme ist nicht nur innerhalb eines Kabels, sondern aufgrund hoher Packungsdichten in den Patch-Panels auch zwischen verschieden Kabeln unweigerlich.

Derzeit wird darüber diskutiert, die im Labor praktizierten Alien-Crosstalk-AXT-Messungen auch bei Abnahmen im Feld durchzuführen. Dies wird noch in 2007 zu einer verabschiedeten Vorlage führen.

Thomas Friedrich ist seit 1987 bei Wandel & Goltermann tätig, dem heutigen JDSU Acterna. Er war schon Technischer Trainer, Programm Manager, Key Account Manager und Berater von Kunden mit Schwerpunkt Betreiben und Installieren von LANs und WANs.

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 2009015 / Ethernet)