Bei Glasfaser-Netzwerken ist alles anders

Messtechnische Ansätze in Gigabit und 10G-Ethernet-Systemen, Teil 3

14.11.2007 | Autor / Redakteur: Thomas Friederich / 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 3 befasst sich mit Ethernet auf Glasfaser und 10G-Besonderheiten sowie entsprechende Messverfahren. Teil 2 enthält Grundlagen der Ethernet-Messtechnik und Teil 1 die wesentlichen Grundlagen von Ethernet-Systemen.

Ethernet wird seinen Siegeszug als LAN-Office-Technologie auch in Industrie (Industrial Ethernet) und WAN (Carrier Ethernet native über WDM/LWL) sowie in der Last Mile (EFM) fortsetzen. Damit müssen die aus dem LAN Umfeld bekannten Messmethoden um Durchsatz- und QoS-Tests erweitert werden.

Ab 10G Ethernet haben PMD- und CD- Messungen einen bedeutenden Stellenwert. Zur lückenlosen QoS Dokumentation werden die von bitorientierten WAN Technologien bekannten Bit-Fehlermessungen auch bei paketorientierter Ethernet-Technologie adaptiert und ergänzen die Durchsatz- und Laufzeitmessungen.

Multistream-Datenströme am Messgeräteausgang werden dann notwendig, wenn Datenpriorisierung wirklichkeitsnah geprüft werden soll. Da erfahrungsgemäß die meisten Fehler auf Layer 1 und 2 liegen, sollten in der Servicetasche ein LAN-Kabeltester und ein Hand-LWL-Pegelmesser nicht fehlen. Nicht zu vergessen das Reinigungs-Set für Glasfaserstecker und -Buchsen sowie optional auch ein Fasermikroskop. Verschmutzte Glasfaserstecker auf der Sendeseite führen zu den fatalen Mantelmoden mit stark schwankenden Einspeisepegel beim Berühren von Fasern.

Beim Umstellen von 100 Megabit Ethernet auf Gigabit- oder 10G- Ethernet wird mangelnde Installations- und Patchfeld-Qualität sofort zu Problemen führen. Dies kann mit PMD- Messtechnik nachgewiesen werden.

Ethernet auf Glasfasersystemen – 10G Besonderheiten

Doch eines darf nicht außer Acht gelassen werden: In Anbetracht von heute bei 1G und 10G Ethernet verwendeten 1,25 Millimeter Ferrulen mit 50 oder 9 Mikrometer Faserkernfelddurchmesser bei LC-Steckern (SFPs, XFPs) ist ein Blick mit dem Mikroskop auf die Faserendfläche Gold wert, bevor Systemkomponenten getauscht werden und hochwertige Messtechnik ausgepackt wird. Allzu oft ist es die Beschädigung oder Verschmutzung am Patchfeld oder Anschlußkabel, die einen 10G Link außer Betrieb setzt. Bei Glasfaser und Singlemode muss penibel auf Sauberkeit geachtet und jeder unnötige Steckvorgang vermieden werden.

Zur Qualifizierung von Glasfaserinstallationen müssen in erster Linie die Dämpfungsbudgets der Systeme eingehalten werden. Dies erfolgt im Vorfeld planerisch: die LWL-Empfänger (GBIC, SFP, XFP) müssen genügend Eingangspegel zugeführt bekommen, dürfen aber auch nicht übersteuert werden. Übersteuerungen sind sowohl beim direkten Verbinden von Sender und Empfänger am Messgerät möglich, aber auch durch falsch eingepegelte WDM Multiplexer im System.

Die Link-Budgets werden so berechnet, dass genügend Reserven für Stecker- und Spleißtoleranzen berücksichtigt vorhanden sind. Bei größeren Streckenfeldlängen werden EDFA- oder Raman-Verstärker mit Ausgangspegeln zwischen + 8 bis + 25 dBm eingesetzt.

Je nach Belegung der Faser mit WDM Kanälen bewirken die Verstärker im Übertragungsband ein mehr oder weniger großes ASR-Rauschen (Anti-Stokes Radiation). Das OSNR Verhältnis (Optical Signal-to-Noise Ratio) der einzelnen Träger kann je nach Kanal am Ende der Strecke unterschiedlich sein und somit ist ein optischer Spektrumanalysator unerlässlich, um die Verhältnisse am Empfängereingang des WDM Multiplexers zu visualisieren und in Zahlen auszudrücken.

Abbildung 1: Eingangssignal eines DWDM Multiplexers mit 6 Kanälen im C-Band (1530-1560 nm).
Abbildung 1: Eingangssignal eines DWDM Multiplexers mit 6 Kanälen im C-Band (1530-1560 nm).

Das ist mit einem Breitband- Pegelmesser nicht möglich. Wenn das WDM-System keinen Monitorport besitzt, muss zur Messung in der Regel ein optischer Koppler vorgeschaltet werden. Abbildung 1 zeigt ein solches WDM-Spektrum mit Kanalbelegung im C-Band, gemessen vor einem Multiplexer.

Das Leistungsplateau bei -50 dBm ist ein Indiz für den auf der Strecke vorgeschalteten optischen EDFA-Faserverstärker. Der Summeneingangspegel beträgt -6,9 dBm, Rausch- und Nutzsignal kumuliert.

Analyse der Spektren

Der optische Spektrumanalysator ermöglicht auch die Erkennung verschiedenartiger Modulation und Bandbreite der übertragenen WDM-Kanäle sowie die gegenseitige Beeinflussung durch 4-Wave Mixing. Neben der bei 10G auf der Faser üblichen NRZ/RZ-Modulation werden bei 40 Gigabit auch On/Off Keying Modulationen verwendet wie CRZ-OOK, CSRZ-DPSK und CSRZ-DQPSK.

Propietäre Lösungen führen zur scheinbaren Anzeige von drei dicht neben einander liegenden Trägern. Andere Spektrumanalysatoren, etwa von JDSU, erkennen sie als Modulationssignal eines Trägers. Mit Hilfe von Dämpfungstestern und OTDRs werden vor der Inbetriebnahme der Systemtechnik zuerst die Abnahmemessung an der reinen LWL Faseranlage durchgeführt. OTDRs zeichnen neben dem Dämpfungsverlauf auch ein grafisches Streckenprofil der Glasfaserstrecke samt Störeinflüssen auf.

Abbildung 2: PMD- und CD Messung an einer Singlemode-Faser für n* 10G Übertragung.
Abbildung 2: PMD- und CD Messung an einer Singlemode-Faser für n* 10G Übertragung.

Bei Datenraten größer als 10 Gigabit pro Sekunde (10G Ethernet 802.3ae) treten die dämpfungsbestimmenden Faktoren in den Hintergrund. Wellenlängen- und bandbreiteabhängige Faktoren, Kreuzmischung und geometrieabhängige Einflüsse führen zu chromatischer Dispersion und Polarisationsmodendispersion. Diese Effekte bedingen eine Impulsaufweitung und erschweren oder verhindern sogar eine exakte Erkennung der logischen Zustände 0/1 im Empfänger. In Abbildung 2 sind die Messergebnisse einer PMD- und einer CD-Messung dargestellt.

Das PMD- Messergebnis liegt mit <1 ps weit unterhalb des für 10G geforderten Wertes von 10 ps. Das CD-Messergebnis liegt mit 4.174 ps/nm bei 1.550 nm weit unter dem für 10G Ethernet geforderten Maximalwert.

Augenmuster

Mittels Augenmuster – Messtechnik, beispielsweise „Stressed Eye Analyzer JDSU Testpoint TS -10/-30/-170“ – kann das Ethernet-Signal am Ende einer langen Glasfaserstrecke oder auch direkt am Ausgang eines XFPs qualitativ gemessen werden. Je stärker die zuvor beschriebenen Effekte auftreten, umso enger schließt sich das Impuls-Auge auf dem Display des Messgerätes.

Die stark installationsabhängigen PMD-Einflüsse können nur sehr aufwendig korrigiert werden, CD-Beeinträchtigungen dagegen lassen sich physikalisch berechnen und auch im Feld mit Fasern gegenläufiger CD kompensieren.

Bei 10G Ethernet Installationen im WAN Bereich nimmt die PMD- und CD-Messtechnik eine wichtige Rolle ein. Jegliche Bandbreiteaussagen, allein basierend auf Streckenprofilen und Dämpfungsmessungen, sind zu unsicher für die Qualifizierung von Fasern für hohe Bitraten. Auch bei 10G Ethernet als low-cost Technologie auf FDDI Grade Fasern (10GBASELRM 802.3aq) wird man um PMD-Messungen nicht herumkommen, wenn die Anlage Längen im Kilometerbereich aufweist.

Messungen im laufenden Betrieb

Heute sind in erster Linie die Überwachungs- und Netzmanagement-Tools der Systemhersteller im Fokus, wenn es um Inbetrieb-Messungen geht. Aber bei temporären Störungen oder kniffligen Fehlersymptomen kommt man nicht umhin, dedizierte Messtechnik einzuschleifen.

Da die Datenflut auf dem 10G Ethernet Trunk sich in der Regel aus dem Traffic vieler Kunden zusammensetzt, wird für Protokollanalysezwecke an der Edge-Seite gemessen. Das sind in der Regel Gigabit-Ports. Hier sind etwa Gigabit-Protokoll-Analyzer mit Full Duplex Insertion Modus gefragt, die im Backbone nicht nur die vom NMS-System gewohnten Langzeitstatistiken aufzeichnen, sondern auch den Layer 1 reportieren oder mittels Expertensystem Routing-Probleme aufzeigen oder bis hin zum Application Layer Kommunikationsprobleme detektieren, zum Beispiel mit „JDSU DA-3400“.

Abbildung 3: Qualitätsanalyse von VoIP-Datenströmen in einem Backbone. Als Messgerät dient das Gerät „DA-3400/3600“, das im Backbone vollduplex eingeschleift wird (SX/LX/RJ-45) oder an Mirror Ports angeschlossen ist. So lassen sich 8.000/64.000 VoIP Calls simultan erfassen.
Abbildung 3: Qualitätsanalyse von VoIP-Datenströmen in einem Backbone. Als Messgerät dient das Gerät „DA-3400/3600“, das im Backbone vollduplex eingeschleift wird (SX/LX/RJ-45) oder an Mirror Ports angeschlossen ist. So lassen sich 8.000/64.000 VoIP Calls simultan erfassen.

Ein Beispiel für Application Layer Testing ist die Überwachung der Qualität von VoIP Datenströmen, siehe Abbildung 3. Alle relevanten Parameter wie Packet Loss, Delay, Jitter etc. werden für jeden RTP Datenstrom parallel erfasst. Denkbar ist für Stresstest im Betrieb auch der Einsatz von Soft- und Hardware-Lastgeneratoren, etwa mit JDSU Voiceload oder von verteilt im Netz positionierten Gigabit Probes, die Statistiken aufnehmen oder auch Triple-Play-Endgeräte emulieren können (QT-600). Ein Beispiel ist die Simulation von Kanalwechsel zur Umschaltzeitmessung oder das Etablieren und Simulieren von VoIP Calls.

Abbildung 4: Übersicht und Histogrammdarstellung von Fehlern und Abbrüchen auf Gigabit Ethernet Layer ½ mit „JDSU Field Tester MTS-8000“, bestückt mit dem Transport-Modul „ETH 10/100/1.000/10.000“.
Abbildung 4: Übersicht und Histogrammdarstellung von Fehlern und Abbrüchen auf Gigabit Ethernet Layer ½ mit „JDSU Field Tester MTS-8000“, bestückt mit dem Transport-Modul „ETH 10/100/1.000/10.000“.

Sind die Anlagen in Betrieb, und treten sporadische oder permanente Störungen auf, kann mit Servicetestern, wie etwa „JDSU MTS-8000, FST-2802“ der PHY-Layer, der MAC-Layer und der TCP/IP-Layer untersucht werden. Das Histogramm in Abbildung 4 zeigt beispielsweise, dass – abgesehen von einigen Beeinträchtigungen (Error) – auf Link1 ab 18:15:10 ein 1G ETH-Totalausfall (Alarm) war.

Abbildung 5: Layer 2 Statistik- und Bitfehlermessung bei 10G Ethernet
Abbildung 5: Layer 2 Statistik- und Bitfehlermessung bei 10G Ethernet

Auch auf 10G Ethernet ist im Live-Betrieb zur Fehlersuche eine Übersicht über den PHY-Layer hilfreich. Ein Netzbetreiber wird sich eingehend mit der in Abbildung 5 dargestellten Überlastsituation auf dem 10G Ethernet Link auseinandersetzen müssen. Das Messgerät dokumentiert burst-artiges Auftreten von Bit-Fehlern und wiederholte Buffer-Probleme in Form von „Pause Detect“-Signalen.

Ethernet-Abnahmemessungen nach RF-2544

Im Unterschied zu den klassischen Bit-Fehlertests bei Abnahme von Datenstrecken wird im Ethernet die einfache Hardware-Schleife nicht immer möglich sein, da ein Ethernet-Switch den MAC-Layer bedient und eine Patch-Kabelschleife am Switch-Panel als Fehler interpretiert. Zudem muss paketorientiert gemessen werden, fraglich also ist: wie und wo wird das Prüfmuster eingefügt?

Eine Tücke stellt auch der Übergang von Ethernet auf SDH dar: die SDH-Netzelemente entfernen den MAC Overhead und bilden die Prüfsumme am Ausgangsport neu. Nach Entfernen des MAC-Overhead (-20 Bytes) wird aber ein GFP Header (+8 Byte) hinzugefügt. Ein Ethernet BERT auf Layer 2 im Ethernet Mac Header allein ist nicht in der Lage, jeden Bit-Fehler einer ETH-SDH-ETH Strecke zu erkennen.

Hier empfiehlt es sich, mit dem Messgerät auch den Payload-Bereich und sogar den IP-Datenteil mit einer Prüffolge zu versehen. Eine Nummerierung der Pakete ist erforderlich, um Paketpuffereigenschaften von Switches bei kontinuierlichem Datenstrom wie auch bei Burst-Paketen zu messen.

Mit dem RFC-2544 hat sich eine Methode zur Abnahme von Ethernet-Strecken etabliert, die eine Abfolge von einzelnen Messungen beschreibt, um die Qualität der Ende-Ende Übertragung in Zahlen zu fassen. Bei der Messung wird also keine Bitfehlerrate, sondern die Qualität aus Kundensicht anhand der Parameter Durchsatz, Laufzeit, Pufferkapazität und Fehlerrate gemessen.

Dabei kann der Parametersatz frei variiert werden. Diese Einstellung und die Grenzwertdefinition sind dem Anwender überlassen. Der Anwender legt ebenso die Grenzwerte für eine Gut-/Schlecht-Aussage fest. Von dem Test kann keine automatische Qualitätsaussage erwartet werden! Es versteht sich zum Beispiel von selbst, dass die Laufzeit natürlich von der Infrastruktur zwischen den beiden Endpunkten abhängt.

Eine LAN Layer 2 Switching Verbindung benötigt nur Laufzeiten im μs- Bereich, bei Router-Kopplung oder Einsatz von ETH-SDH Wandlern (GFP/LCAS/VC Mapping) wird auf jeden Fall Laufzeiten im 2 stelligen ms- Bereich aufweisen. Die Messungen erfolgen auf Layer 1, 2 oder 3.

Messungen auf Layer 4

Immer dringlicher aber wird der Bedarf an Messungen auf Layer 4, um den für Anwender wichtigen TCP-Durchsatz zu bestimmen und um Priorisierung von Daten zu kontrollieren. Moderne Messlösungen (FST-2802) erzeugen hierzu Multistream Testsignale mit frei definierbarer Priorisierung für die verschiedenen parallel erzeugten Testsignale (siehe: Abbildung 6).

Abbildung 6: QoS-Dokumentation, simultane Emulation verschiedener VLANs mit individueller Priorität, Quelle: JDSU
Abbildung 6: QoS-Dokumentation, simultane Emulation verschiedener VLANs mit individueller Priorität, Quelle: JDSU

Die Ethernet-Last wird realitätsnah mit Random-Paketlänge generiert. Zu beachten ist, dass der RFC-2544-Test als reiner Single-Stream-Test definiert ist.

Doch in der Praxis gewinnt Datenpriorisierung zunehmend an Bedeutung, um das Forwarding der echtzeitkritischen RTP Rahmen für VoIP und Video gegenüber http- und ftp-Rahmen zu bevorzugen.

Literatur:

  • IEEE 802.3 Spezifikationen 1G / 10G Ethernet 802.3ab, z, ae (10G), an (10G Cu), aq (10G Backplane), ah (EFM)
  • Networld Interop Congress Atlanta 2001, Hadriel Kaplan & Robert Noseworthy, Ethernet Evolution from 10M to 10G
  • DWDM, SDH & Co., Roland Kiefer/Peter Winterling, Hüthig Verlag
  • Vorlesung Kommunikationstechnik, Netzwerktechnologien, BA Stuttgart A-Stelle Horb, Th. Friedrich
  • Level-X zertifizierte LAN Kabeltester, Ideal Industries Deutschland, Ismaning
  • 10G Ethernet Turn-up testing, White Paper, JDSU-Acterna
  • Advanced amplitude & phase coded formats for 40Gb/s fiber transmission, LEOS annual meeting 2004, paper WR 1, A. H. Gnauck

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? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 2009026 / Ethernet)