Büronetz trifft auf Telekommunikation

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

08.11.2007 | 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 1 enthält die wesentlichen Grundlagen von Ethernet-Systemen. Teil 2 beschäftigt sich mit den Grundlagen der Ethernet-Messtechnik und Teil 3 mit Ethernet auf Glasfaser und 10G-Besonderheiten sowie entsprechende Messverfahren.

Ethernet Systemen haftet das Prädikat “Plug & Play“ an. Spätestens beim Einsatz von echtzeitkritischen Anwendungen wie VoIP oder Video over IP, aber auch bei antwortzeitkritischen Applikationen mit verteilten Serverstrukturen, zum Beispiel beim Einsatz von Citrix, werden die Grenzen von Ethernet offensichtlich: Im kommerziellen Einsatz müssen 1Gigabit- und 10-Gigabit-Ethernet-Systeme (1 G und 10 G) an den Übergabepunkten qualifiziert und dokumentiert werden. Netzbetreiber möchten die Ethernet Datenströme der Kunden Bandbreite-effizient über ihre heutigen SDH/SONET/NGN/WDM Systeme übertragen und die Ethernet Ende-Ende Qualität dokumentieren.

1972 suchte Dr. Robert Metcalfe von Xerox nach einer Verbindungsart zwischen seiner Xerox Alto Workstation und einem grafischen Bildschirm. Die Bitrate von 2,94 Megabit pro Sekunde wurde vom Systemtakt übernommen. 1973 war die zunächst ALOHA genannte Netzwerktechnologie zum Verbinden von PCs, Druckern und anderen Endgeräten geboren und wurde 1976 als „Ethernet“ patentiert.

Digital und Intel schlossen sich dem an (Ethernet, DIX-Variante). Nach vielen proprietären Lösungen wurde erst 1986 der IEEE-802-Ethernet-Standard aus der Taufe gehoben. Mit dem “Slotted-ALOHA“-Verfahren konnte dann der ursprünglich völlig willkürliche Zugriffs aufs Medium (Busstruktur, Koaxialkabel) systematisiert werden. Das CSMA/CD-Verfahren bot hinreichende Effizienz, aber auch Grenzen im Zugriff aufs Netzwerk.

Heute werden stern- und ringförmige Strukturen realisiert und das Switching-Prinzip ermöglicht eine gute Bandbreiteverteilung. Mit 1-Gund 10-G-Ethernet und erfolgte sukzessive die Abkehr von Halbduplex und CSMA/CD hin zu “MAC-Control“ und Vollduplex.

Viele Wege führten zum Ziel: all IP, all Ethernet

In Wissenschaft, Industrie und Privathaushalten beherrscht IP die Protokollwelt sowie Ethernet die Physik und die Übertragungsschicht, den MAC-Layer. Dem können sich auch die Telekommunikations-Netzbetreiber nicht dauerhaft entziehen.

Sie rüsten auf und passen mit New-Generation GFP/LCAS die überall installierten SDH Weitverkehrsnetze zur optimalen Übertragung von Ethernet/IP Daten an oder errichten xWDM Systeme mit native Ethernet-Zugangsports für Clients oder Carrier-/Carrier Kopplung. Denn der Informations- und Datenaustausch wird heute an den Endpunkten vorwiegend auf Basis von Ethernet-Technologien durchgeführt.

Abbildung 1: 1G/10G Ethernet über WDM Systeme in Metro Netzen
Abbildung 1: 1G/10G Ethernet über WDM Systeme in Metro Netzen

Im IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.) sind Ethernet-Standards für die drei wichtigen Übertragungsmedien geschaffen worden: Ethernet drahtlos (WLAN), kupferbasiert, beispielsweise 100Base-T, und glasfaserbasiert, zum Beispiel 100Base-FX. Mittels 10-G-Ethernet lassen sich heute aufgrund der Abkehr von CSMA/CD auch ausgedehnte, homogene IP-Netzwerktopologien aufbauen (siehe: Abbildung 1).

Beim Verlassen der räumlichen Grenzen eines LAN entfällt dann die Protokollumsetzung auf der Übertragungsschicht mit all den damit verbundenen Problemen und Kompromissen. Das erleichtert nicht nur die Kopplung räumlich verteilter LANs. Auch bei der Verbindung von abgesetzten Einwahlpunkten (POPs) überregionaler Internet Service Provider ergeben sich deutliche Kostenvorteile gegenüber SDH/SONET.

Zum Erfolg von Ethernet gegenüber Token Ring und ATM haben sicher auch folgende Faktoren beigetragen:

  • Ethernet ist billig (1000Base-T Adapter 2001: 252 Euro / 2006: 13 Euro)
  • Ethernet ist stufenweise migrierbar (10/100/1.000/10.000/….)
  • Ethernet liefert DTE Power über Datenleitung: IEEE 802.3af
  • Ethernet PHY und MAC sind einfach

Technologieübersicht

Da die Ethernet Technologie mit der Verfügbarkeit von 1Gbit/s und 10Gbit/s seit 2004 auch im Carrier-Umfeld und im Weitverkehrs Backbone Bedeutung erlangt hat, ist ein Blick auf die grundsätzlichen Unterschiede zwischen Ethernet und SDH/SONET empfehlenswert. Die konventionellen Übertragungstechnologien SDH/SONET arbeiten streng synchron und verfügen deshalb über ausgereifte, hierarchisch strukturierte Taktkonzepte.

Im Gegensatz dazu wird selbst bei10G Ethernet noch asynchron und mit dem von 10/100 bekannten MAC Rahmenformat gearbeitet. Das nach dem Binary-Backoff Prinzip arbeitende stochastische Halbduplex CSMA/CD Verfahren wird aber bei 1G und 10G Ethernet durch Frame Control ersetzt.

Hierbei steuert der Empfänger bei Congestion (Überlauf) mit Hilfe von MAC-Pause Frames gegen und bremst gezielt den Sender aus. Zwar hat das “C(ollision)“ seinen Schrecken verloren, da heute fast ausschließlich vollduplex übertragen wird und dies bei 10Gbit-Ethernet zwingend vorgeschrieben ist.

Abbildung 2: Die Synchronisation bildet den großen Unterschied zwischen Ethernet und SDH: asynchrone und synchrone Netze, Taktbildung lokal oder zentral, große Taktabweichungen bei Ethernet erlaubt.
Abbildung 2: Die Synchronisation bildet den großen Unterschied zwischen Ethernet und SDH: asynchrone und synchrone Netze, Taktbildung lokal oder zentral, große Taktabweichungen bei Ethernet erlaubt.

In den Augen von Übertragungsspezialisten sind aber die Ethernet–typischen Eigenschaften „asynchron“, „variable Bitlänge“ und „burst-artige Übertragung“ für eine effiziente, laufzeitoptimierte und mit dedizierter Bandbreite planbare Übertragung sehr hinderlich, ferner auch das Fehlen eines Zentraltakts, auf den sich die Netzelemente aufsynchronisieren (siehe: Abbildung 2).

Dem hat Ethernet nur eines entgegenzusetzen: Bei Bandbreitenproblemen einfach die Bitrate um eine Dekade erhöhen!

Alte Probleme gegen neue

Ethernet-Netzelemente verwerfen Datenrahmen im Überlastfall (Congestion) und bei Fehlern (bad FCS) ohne Meldung an eine Kontrollinstanz. Die Ethernet Technologie verzichtet auf den komplexen OAM-Overhead eines SDH/SONET Rahmens, den jedes Überwachungssystem hervorragend für die Diagnose und Indizierung von Übertragungsproblemen heranziehen kann.

Abbildung 3: Drei Arten von 10G-Ethernet auf Glasfaser, Wellenlängen Bitraten und Reichweite
Abbildung 3: Drei Arten von 10G-Ethernet auf Glasfaser, Wellenlängen Bitraten und Reichweite

Da man bei der Definition von Ethernet für räumlich begrenzte lokale Netze nicht mit Bitfehlern rechnete, wurde im Gegensatz zu den Übertragungsverfahren im WAN, zum Beispiel SDH, die Übertragungskontrolle auf die Endgeräte verlagert und höheren Protokollschichten, etwa TCP, überlassen. In der 10Gbit/s Ebene treffen sich erstmals die Technologien Ethernet und SDH/SONET auf gleicher Bandbreite (siehe: Abbildung 3).

Doch 10G ist nicht 10G. Das bei 10G Ethernet nach 802.3ae 64b/66b kodierte 10Gbit/s-Layer-2-Signal wird mit einer Baudrate von 10,3125 Gbit/s übertragen, während das 10G STM-64 SDH/SONET Signal aufgrund der Mapping-Hierarchien mit 9,95328 GBit/s oder als OTN Signal incl. FEC Overhead (OTU2) sogar mit 10,709225 Gbit/s übertragen wird. Beim Übergang zwischen beiden Technologien treten also zwangsläufig mindestens in eine Richtung Signalverluste oder Zusatzlaufzeiten auf – somit sind Interworking Probleme zu erwarten und mindestens auf Layer 1 und 2 ist geeignete Messtechnik zur Qualifizierung erforderlich.

Das Ethernet aus Anwendersicht

Abbildung 4: Die Tabelle bietet eine Übersicht über die QoS-Anforderungen von Applikationen.
Abbildung 4: Die Tabelle bietet eine Übersicht über die QoS-Anforderungen von Applikationen.

Als Ethernet in den 80-er Jahren standardisiert wurde, war noch nicht absehbar, dass die MAC-Datenpakete zukünftig auch Echtzeitdaten wie Sprache und Video enthalten würden (siehe: Abbildung 4). Demzufolge waren Begriffe wie Jitter, Latency, Packet Loss nicht in die Überlegungen für Ethernet Datentransport eingeflossen. Neben der Messung dieser Werte ist für den Anwender der so genannte R-Faktor oder MOS Wert von Interesse: ein Maß für die Sprachqualität, gemessen nach PESQ (aktiv) oder e-modell (passiv).

Eine Datensicherung bei Ethernet mit LLC war in IEEE 802.3 vorgesehen, aber die amerikanische Variante (Ethernet V.2, DIX-Variante) verzichtet ganz darauf und verweist mit dem Typfeld lediglich auf das Schicht 3 Protokoll (Beispiel: 0800hex = IPv4).

Wie die langjährige Erfahrung zeigt, hat sich die DIX Variante weitgehend durchgesetzt, da die QoS Anforderungen bei Ethernet heute auf höheren Protokollschichten realisiert werden und LLC daher nur eine geringe Bedeutung hat. Die echtzeitkritischen Voice Datenpakete werden mit VLAN Priority, TOS-Bit und RTP/RTCP möglichst in 20- 30 msec Raster verlustfrei von A nach B geroutet. Die HDLC-typischen Sicherungs Eigenschaften eines LLC mit DSAP und SSAP sind hierfür unnötig.

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.

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