4 Gigabit-Ethernet. Gigabit-Ethernet. Gigabit-Ethernet- Bereiche

Transkript

1 115 Nach der Einführung einer Datenrate von 100 MBit/s schien für viele endgültig das Ende der Fahnenstange erreicht: Die Auguren prophezeiten, dass nach Fast Ethernet eigentlich nur noch ATM für das LAN kommen könne, der Datenraten von 155 und 622 MBit/s, in neueren Versionen sogar von 1,2 GBit/s und mehr bietet. Was eigentlich gar nicht möglich erschien, erblickte aber rund 25 Jahre nach der ersten Realisierung des Ethernet das Licht der Welt: Gigabit-Ethernet steigerte die Brutto-Datenrate gegenüber Fast Ethernet noch einmal um den Faktor 10 auf 1000 MBit/s. Für die technische Realisierung waren jedoch einige Klimmzüge erforderlich, bevor die Gremien den Gigabit-Ethernet-Standard verabschieden konnten. Besonders deutlich wird dies daran, dass die Standardisierung von Gigabit-Ethernet in mehrere Teilbereiche aufgeteilt ist, die sukzessive und nicht in einem Rutsch verabschiedet wurden. Die Gremien mussten diverse Probleme lösen, bevor Gigabit-Ethernet auf Basis der bestehenden Ethernet- Technik und Übertragungsmedien realisierbar war. So beinhaltet der Gigabit-Ethernet-Standard vier Bereiche: 1000BASE-SX 1000BASE-LX 1000BASE-CX 1000BASE-T Die Teilbereiche 1000BASE-SX, 1000BASE-LX und 1000BASE-CX wurden von der Gigabit-Ethernet-Allianz, die aus 120 Mitgliedern besteht, erarbeitet Die IEEE verabschiedete sie im Juni 1998 als IEEE 802.3z. Im Juni 1999 folgte dann 1000BASE-T als IEEE 802.3ab. Auf den ersten Blick können die verschiedenen Teilbereiche von Gigabit-Ethernet einige Verwirrung auslösen. Nichts wird jedoch so heiß gegessen, wie es gekocht wird: Die verschiedenen Varianten bieten nahezu optimale und relativ kostengünstige Lösungen, um ein Netzwerk mit Gigabit- Ethernet zu betreiben, das entweder auf eine bestehende Verkabelung aufsetzt oder für das man eine ganz neue Kabel-Infrastruktur aufbaut. Die verschiedenen Varianten von Gigabit-Ethernet und deren technische Eckdaten sollte man aber schon recht genau kennen, um die optimale Lösung für die jeweilige Anforderung zu finden. In der folgenden Tabelle führen wir die verschiedenen Gigabit-Ethernet-Teilbereiche und die unterstützten Übertragungsmedien in einer groben Übersicht auf. Gigabit-Ethernet Gigabit-Ethernet- Bereiche

2 116 Tab. 4 1 Verschiedene Varianten von Gigabit-Ethernet Teilbereich Unterstütztes Übertragungsmedium Maximale Länge 1000BASE-SX Multimode-Glasfaser 50/125 μm oder 550 m 62,5/125 μm 1000BASE-LX Multimode-Glasfaser 50/125 μm oder 5000 m 62,5/125 μm 1000BASE-CX 150-Ohm-Twinax-Kabel 25 m 1000BASE-T Kategorie-5-UTP-Kabel 100 m Wir beschreiben die verschiedenen Teilbereiche und ihre Neuerungen im Folgenden detailliert BASE-X-Erweiterungen im Ethernet-Standard 1000BASE-X- Erweiterungen Maximale Ausdehnung Ziel der Entwicklung von Gigabit-Ethernet war, die Kompatibilität zu den bestehenden Ethernet-Komponenten, die mit Datenraten von 10 und 100 MBit/s arbeiten, zu wahren. Die Gremien wollten sicherstellen, dass eine Migration bestehender Ethernet-Netzwerke relativ einfach und problemlos zu realisieren ist. Daher war eine Voraussetzung bei der Entwicklung von Ethernet, dass das eigentliche Zugriffsverfahren und die Frameformate möglichst unverändert bleiben sollten. Das Vorhaben, CSMA/CD als Zugriffsverfahren beizubehalten, brachte allerdings auch die meisten Probleme mit sich. Schließlich ist die maximale Ausdehnung einer Kollisionsdomäne, bei Beibehaltung der Frameformate, umso geringer, je höher die eingesetzte Datenrate ist (siehe dazu auch den Abschnitt über CSMA/CD). Da sich die elektrischen Signale, trotz der höheren Datenrate, mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten, die Bitzeiten jedoch um den Faktor 10 beziehungsweise 100 kleiner werden, kann man, bezogen auf die Framelänge, nur eine weitaus geringere Distanz überbrücken denn für die Kollisionserkennung muss ja gewährleistet sein, dass bei der kleinsten zulässigen Framelänge das erste Bit den gesamten Weg zu der entferntesten Station hin- und zurücklegen kann. Die Folge: Normalerweise wäre die maximale Ausdehnung einer Gigabit-Ethernet-Kollisionsdomäne auf 20 m beschränkt. Für die meisten Anwender wäre dies aber nicht viel mehr als ein schlechter Witz gewesen. Für ein heimisches Netzwerk mögen ja 20 m noch ausreichen aber welche Familie oder Wohngemeinschaft braucht heutzutage schon ein Netzwerk mit 1000 MBit/s; bis dies der Fall ist, dürften dann doch noch ein paar Jahre ins Land gehen. In manchen Unternehmensnetzen könnte man mit einer Maximaldistanz von 20 m nicht einmal verschiedene Server miteinander verbinden.

3 BASE-X-Erweiterungen im Ethernet-Standard 117 Die Standardisierungsgremien mussten also eine Lösung finden, um die Längenausdehnung einer Kollisionsdomäne auf die etwa bei Fast Ethernet üblichen Größen von 205 m zu bringen (siehe Abschnitt 6.1). In der folgenden Tabelle sind als Vergleich die maximale Ausdehnung der Kollisionsdomänen in Bezug auf die Datenraten und deren Bitzeiten aufgeführt, wobei eine hypothetische Gigabit-Ethernet-Version ohne jede Änderung aufgelistet ist. Datenrate Bitzeiten Maximale Ausdehnung 10 MBit/s 100 ns zirka 2000 m 100 MBit/s 10 ns zirka 200 m 1000 MBit/s 1 ns zirka 20 m (ohne Änderung) Die Slot Time bestimmt die maximale Ausdehnung einer Kollisionsdomäne; es muss gewährleistet sein, dass der Round Trip Delay kleiner ist als die Slot Time, damit die Kollisionserkennung zuverlässig arbeiten kann (siehe auch den Abschnitt: Die Ausbreitung einer Kollision). Die Slot Time und der Round Trip Delay liegen bei 10- und 100-MBit-Ethernet auf 512 Bitzeiten fest. Dabei stehen beide Parameter mit der minimal zulässigen Framelänge von 64 Byte (512 Bit) im Einklang. Die einfachste Lösung, die Kompatibilität zu den Ethernet-Varianten mit 10 und 100 MBit/s herzustellen, bestand darin, die minimale Länge der ausgesendeten Daten so zu erhöhen, dass die gewünschte Ausdehnung einer Kollisionsdomäne von 200 m erreicht war. Dies bedeutet, dass man dafür sorgen muss, dass die Mindest-Framelänge bei Gigabit-Ethernet 512 Byte beträgt. Parallel dazu muss natürlich in diesem Fall auch die Slot Time angepasst werden, die nun 4096 Bitzeiten beträgt. Die folgende Tabelle zeigt im Vergleich die verschiedenen Parameter in Abhängigkeit von der Datenrate. Parameter 10 MBit/s 100 MBit/s 1000 MBit/s Bit Time 100 ns 10 ns 1 ns Slot Time [Bitzeiten] Interframe Gap 9,6 μs 0,96 μs 0,096 μs MaxFrameSize [Byte] MinFrameSize [Byte] durch Symbole auf 512 verlängert Extended Size [Bit] 0 0 (Slot Time Min Frame Size) Burst Limit Nein Nein Bit Tab. 4 2 Die Ausdehnung der Kollisionsdomäne bei einer theoretischen Gigabit-Ethernet-Variante ohne Änderung zu vorherigen Standards Minimale Datenlänge Tab. 4 3 Framegrößen und Bitzeiten Die eigentliche minimale Framelänge, also der Frame mit den Nutzdaten, hat sich jedoch nicht verlängert. Gigabit-Ethernet erreicht die Mindestdatenlänge, indem es Frames mit einer Länge von 64 bis 511 Byte mit speziellen

4 118 Symbolen auf eine Mindestlänge von 512 Byte künstlich verlängert. Bei diesen sogenannten Extensions handelt es sich um spezielle Symbole, die mit den eigentlichen Nutzdaten nicht verwechselt werden können. Auf diese Weise erreicht man eine Länge der Gigabit-Ethernet-Frames, die grundsätzlich mindestens 512 Byte beträgt. Dadurch kann beim Auftreten einer Kollision in einer Kollisionsdomäne mit einer Ausdehnung von 200 m das Kollisionssignal noch in der Zeit wieder bei der Sendestation eintreffen, in der sich diese Station im Sendeprozess befindet. Abb. 4 1 Das durch Extensions- Symbole verlängerte Gigabit-Ethernet-Frame Bei einem kleinen Ursprungsframe besteht der größte Anteil des ausgesendeten Frames aus Extension-Symbolen. Bei sehr vielen kleinen Frames würde dies unweigerlich zu einer gehörigen Verschwendung von Bandbreite führen. Daher sieht der Gigabit-Ethernet-Standard eine Frame-Gruppierung vor (Frame Bursting). Es sendet mehrere kleinere Frames zusammen aus, so dass quasi ein einziges Frame mit einer Länge von über 512 Byte entsteht. Das erste Frame wird mit den Extensions-Symbolen auf 512 Byte verlängert, daran angehängt folgen die weiteren kleinen Frames ohne Erweiterung durch Extension-Symbole hintereinander weg, mit jeweils einem Abstand, der über den IFG (Inter Frame Gap) spezifiziert ist. Dadurch reduziert sich die durch die Extensions-Symbole hervorgerufene Bandbreitenverschwendung bei vielen kleinen Frames drastisch. Um zu vermeiden, dass eine Station mit ihrem Frame Bursting das Netzwerk eine unendliche Zeit belegen kann, ist die Sendezeit jeder Station auf einen maximalen Zeitraum begrenzt. Er ist durch das Burst Limit bestimmt und mit Bit (8182 Byte) festgelegt. Ist der Zeitraum von Bit überschritten, darf die Station das angefangene Frame noch verschicken, danach muss sie den Sendevorgang beenden. Abb. 4 2 Das Frame Bursting

5 4.2 Der Physical Layer von 1000BASE-X 119 Der durch den IFG festgelegte Frameabstand beträgt 96 ns, was einer Länge von 12 Byte entspricht. Das Burst Limit entspricht also der Länge von sechs Ethernet-Frames maximaler Größe. Die künstliche Verlängerung des Ethernet-Frames bei Gigabit-Ethernet führt dazu, dass ohne Änderungen am Zugriffsverfahren und dem Aufbau der Frames die gewünschte Längenausdehnung von 200 m erreicht wird. Die Kompatibilität zu den 10- und 100-MBit-Ethernet-Varianten bleibt erhalten, eine Migration bestehender Ethernet-Netzwerke ist recht problemlos möglich. Die Verlängerung des Frames durch Extension-Symbole und das damit verbundene Frame Bursting ist natürlich nur im Halbduplexmodus notwendig, da nur dann das Zugriffsverfahren CSMA/CD verwendet wird, für dessen Kollisionserkennung man diese Methode bei Gigabit-Ethernet eingeführt hat. Im Vollduplexmodus kommt CSMA/CD nicht zum Einsatz; daher muss man auch die Frames nicht verlängern. Wir gehen davon aus, dass Gigabit-Ethernet in den meisten Netzwerken im Vollduplexmodus betrieben wird, daher dürfte dieses Verfahren in der Praxis in den meisten Netzwerken keine Relevanz haben. 4.2 Der Physical Layer von 1000BASE-X Fast Ethernet führte als erweiterte Schnittstelle das MII (Medium Independent Interface) ein. Bei Gigabit-Ethernet ist die erweiterte Schnittstelle durch das GMII (Gigabit Media Independent Interface) ausgeführt. Das GMII entspricht also dem zusätzlichen Interface und ist im Funktionsumfang ähnlich wie das MII aufgebaut, wobei es allerdings zusätzliche Symbolkombinationen für die Gigabit-Ethernet-relevanten Statusinformationen übertragen kann. Der wesentliche Unterschied aber zwischen GMII und MII ist: Das GMII stellt kein externes Interface dar, an dem sich beliebige externe Transceiver anschließen lassen. Beim GMII handelt es sich um ein Interface, das auf der Platine der aktiven Komponente das Interface zwischen dem MAC- und dem PHY-Chip darstellt. Der Standard bezeichnet deshalb das GMII auch als Chip-to-Chip-Interface. Das GMII ist nur für 1000 MBit/s ausgelegt; für die Unterstützung der Datenraten von 10 und 100 MBit/s ist das MII zuständig. Deshalb ist auf den Chipsätzen, die mit verschiedenen Datenraten arbeiten können, neben dem GMII noch ein MII implementiert. Das GMII sorgt also ausschließlich für den Austausch von Statusinformationen über die Eigenschaften und den Zustand der aktuellen Verbindung zwischen dem MAC- und dem PHY-Layer von Gigabit-Ethernet. Das GMII verwendet eine Datenbreite von acht Bit; dies entspricht der doppelten Datenbreite des MII. Die Daten werden mit einer Frequenz von Das GMII

6 MHz über das GMII ausgetauscht der fünffachen Datenrate des MII. Im Ergebnis resultiert aus der doppelten Datenbreite und der fünffache Datenrate die zehnfache Performance-Steigerung, die für die um den Faktor zehn erhöhte Datenrate bei Gigabit-Ethernet im Vergleich zu Fast Ethernet notwendig ist. Abb. 4 3 Das GMII und der Aufbau des Physical Layer von 1000BASE-X Anwendungsschicht Darstellungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Bitübertragungsschicht 1000 MBit/s Baseband Repeater Set oder 1000Base-X PHY (Point-to-Point-Link) LLC - Logical Link Control MAC Control (optional) MAC - Media Access Control Reconciliation GMII PCS PMA LX-PMD SX-PMD CX-PMD LX MDI SX MDI CX MDI MEDIUM MEDIUM MEDIUM 1000Base-LX (PCS, PMA und LX-PMD) Höhere Ebenen 1000Base-SX (PCS, PMA und SX-PMD) 1000Base-CX (PCS, PMA und CX-PMD) 1000Base-X PHY Datenaustausch Die Kommunikation über das GMII Der Datenaustausch über das GMII erfolgt über die jeweils 8 Bit breiten Datenleitungen TX Data 0 bis 7 und RX Data 0 bis 7, wobei pro Clock-Periode von 8 ns jeweils acht Bit in beide Richtungen übertragen werden können. Für die Statusübertragung des GMII stehen, wie beim MII, verschiedene zusätzliche Datensignale zur Verfügung. So wartet das GMII mit einem eigenen Kollisionssignal (COL) auf, das der PHY auf 1 setzt, wenn er eine Kollision erkannt hat. Das Carrier Sense Signal (CRS) zeigt durch den Wert 1 an, dass ein Link vorhanden ist und Daten ausgetauscht werden können. Des Weiteren stehen für die Sendeseite zwei Statussignale, Transmit Enable (TX_EN) und Transmit Error (TX_ER), zur Verfügung, über die der Reconciliation Layer verschiedene Statusinformationen anzeigen kann (siehe folgende Tabelle).

7 4.2 Der Physical Layer von 1000BASE-X 121 TX_EN TX_ER TXD<7:0> Funktion/Beschreibung bis FF Interframe Gap bis 0E Reserviert 0 1 0F Carrier Extend EXTEND bis 1E Reserviert 0 1 1F Carrier Extend Fehler bis FF Reserviert bis FF Normale Datenaussendung bis FF Fehlerhafte Datenaussendung Tab. 4 4 Sendestatus- Informationen, die über das GMII ausgetauscht werden können Auf Empfängerseite gibt es ebenfalls zwei Statussignale, mit denen der PHY über das GMII an das Endgerät Statusinformationen übermitteln kann. Dabei handelt es sich um Receive Data Vailid (RX_DV) und Receive Error (RX_ER), mit denen die in der folgenden Tabelle zusammengefassten Statusinformationen möglich sind. RX_DV RX_ER RXD<7:0> Funktion/Beschreibung bis FF Interframe Gap Interframe Gap bis 0D Reserviert 0 1 0E Fehlerhafte Trägererkennung 0 1 0F Carrier Extend EXTEND bis 1E Reserviert 0 1 1F Carrier Extend Fehler bis FF Reserviert bis FF Normaler Datenempfang bis FF Fehlerhafter Datenempfang Tab. 4 5 Empfangsstatus- Informationen, die über das GMII ausgetauscht werden können Der Physical Coding Sublayer (PCS) Im grundsätzlichen Funktionsumfang unterscheiden sich die unteren Teilschichten des Physical Layer zwischen Gigabit-Ethernet und Fast Ethernet kaum. Wie bei Fast Ethernet ist für die Umwandlung der Daten in ein für die serielle Datenübertragung geeignetes Format der Physical Coding Sublayer (PCS) zuständig. Er wandelt die acht Bits breiten Datenblöcke über ein 8B/10B-Codierungsverfahren in zehn Bits lange Datenblöcke um. Der PCS sorgt mit seinem sogenannten Encapsulation-Prozess unter anderem dafür, dass die Daten für die GMII-Schnittstelle, unabhängig von der Datenrate, immer gleich aussehen. Weiterhin übernimmt der PCS das Management für die Auto-Negotiation-Funktion. Physical Coding Sublayer

8 122 Physical Medium Attachment Physical Medium Dependent Sublayer Das Physical Medium Attachment (PMA) Das PMA (Physical Medium Attachment) wandelt die vom PCS übergebenen Codegruppen in ein serielles Datenformat um und leitet sie an den PMD- Sublayer weiter und ebenso in umgekehrter Richtung. Der PMA-Sublayer gewinnt zudem auf Empfängerseite den Takt aus dem eingehenden 8B/10Bcodierten Datenstrom zurück, mit dem der Empfänger auf den eingehenden Datenstrom synchronisiert werden kann. Dieser Bereich entspricht dem letzten vom verwendeten Medium unabhängigen Sublayer und kann somit mit allen seriellen, bit-orientierten Gigabit-Ethernet-Medien umgehen Der Physical Medium Dependent Sublayer (PMD) Der PMD-Sublayer (Physical Medium Dependent) entspricht der untersten Teilschicht des Physical Layer und ist, wie der Name schon sagt, medienabhängig. Er ist demnach vom verwendeten Übertragungsmedium abhängig und jeweils unterschiedlich ausgeführt. Im Standard 802.3z gibt es verschiedene Versionen des PMD: SX-PMD: Übertragung auf Multimode-Glasfaser mit kurzer Wellenlänge (830 nm), LX-PMD: Übertragung auf Multimode- oder Monomode-Glasfaser mit einer langen Wellenlänge (1300 nm), CX-PMD: Übertragung auf geschirmten Twinax-Kupferkabeln. Alle drei definierten Medien übertragen die Daten mit dem gleichen Codierungsverfahren und der gleichen Bandbreite. Der Unterschied liegt primär in den Parametern, mit denen die PMDs die Datensignale auf das Medium bringen. Dabei ergeben sich in Abhängigkeit vom verwendeten Medium unterschiedliche physikalische Faktoren, die auf das eingespeiste Signal und die daraus resultierenden maximal erzielbaren Übertragungslängen einwirken. Wir werden innerhalb der nächsten Abschnitte detailliert auf die verschiedenen Ausführungen des PMD eingehen. 8B/10B-Codierung Die 8B/10B-Codierung Gigabit-Ethernet codiert die Daten mit einem 8B/10B-Verfahren, das bereits im Kapitel 11 des Standards ANSI X3.230:1994 für die Spezifizierung von Fibre Channel verwendet wurde. Dieses von IBM patentierte Codierungsverfahren ähnelt dem 4B/5B-Verfahren, setzt aber die doppelte Datenbreite und ein komplexeres Codierungsverfahren ein. Grundsätzlich verbirgt sich hinter der Bezeichnung 8B/10B allerdings nichts anderes, als dass 8 Bit binäre Benutzerinformationen für die serielle Übertragung in 10 Bits lange Codegruppen umgewandelt werden. Der Codierungsalgorithmus stellt dabei sicher, dass die zehn Bits langen Symbole weitestgehend gleichspannungsfrei und dass genug Taktinformationen im Datenstrom vorhanden

9 4.2 Der Physical Layer von 1000BASE-X 123 sind. Dies erreicht man dadurch, dass eine Codegruppe mindestens vier und nicht mehr als sieben Pegelwechsel aufweist. Auf diese Weise beschränkt das Verfahren die Lauflängen der Nullen und der Einsen (Run Length Limited), wodurch die notwendige Gleichspannungsfreiheit gegeben ist. Außerdem lassen sich so ausreichende Taktinformationen aus dem Datenstrom gewinnen, mit denen sich die empfangenden Stationen auf den eingehenden Datenstrom synchronisieren können. Die 10 Bits langen Codegruppen, die aus den 8 Bits langen Benutzerinformationen gebildet werden, sind wiederum aus zwei Unterblöcken eines 5B/6B-NRZ-Codes und aus einem 3B/4B-NRZ-Code zusammengesetzt. Code Group Octet Octet Bits HGF EDCBA Current RD abcdei fghj Current RD + abcdei fghj Name Value D D D D D D D D D D D10.0 0A D11.0 0B D12.0 0C D13.0 0D D14.0 0E D15.0 0F Tab. 4 6 Ein Ausschnitt der 8B/10B-Codetabelle Die Unterdrückung des Gleichspannungsanteils Der Gleichspannungsanteil eines seriellen Bitstroms ergibt sich aus der Differenz zwischen den hohen Signalpegeln, die die logischen Einsen repräsentieren, und den niedrigen Spannungspegeln, die der Darstellung der logischen Nullen entsprechen. Die Ungleichheit zwischen den gesendeten Nullen und Einsen innerhalb einer Codegruppe, die im Fachjargon Disparity heißt, lässt sich nach folgender Formel bestimmen: Gleichspannungsanteil Anzahl der Einsen Anzahl der Nullen = Disparity Die Disparity darf ausschließlich die Werte +2, 0 oder -2 annehmen. Außerdem wird die laufende Ungleichheit, im Englischen Running Disparity (RD), also die Summe aller Disparity-Werte der vorhergehenden Codegrup-

10 124 pen, ermittelt. Damit lässt sich bestimmen, welche Codegruppe als Nächstes gesendet werden darf. Der Wert von RD eines 8B/10B-Codes darf entweder bei -1 oder +1 liegen. Mit einem vorangestellten RD-Wert von -1 und folgenden Regeln lässt sich die maximale Schwankung von -1 bis +1 einhalten: Eine Codegruppe mit Disparity = 0 kann unabhängig vom aktuellen RD-Wert gesendet werden. Eine Codegruppe mit Disparity = +2 kann nur bei einem aktuellen RD- Wert von -1 gesendet werden. Eine Codegruppe mit Disparity = -2 kann nur bei einem aktuellen RD- Wert von +1 gesendet werden. Bei genauer Betrachtung der 8B/10B-Codetabelle stellt man fest, dass für jede mögliche Bytekombination von 00 bis FF jeweils zwei korrespondierende Codegruppen zugeordnet sind. Diese Codegruppen entsprechen jeweils einer bestimmten Bitfolge und deren negierter Bitfolge. Eine Bitgruppe ist dabei einem negativen RD-Werts, die andere dem positiven RD- Wert zugeordnet. Die nächste zur Bytekombination gehörende und zu sendende Codegruppe wird dann in Abhängigkeit vom aktuell ermittelten RD- Wert ausgewählt, der entweder einen positiven (+1) oder negativen (-1) Wert hat. Somit erreicht man, dass über einen Bereich von zwei Codegruppen, also 20 Bit, die Anzahl der Nullen und Einsen annähernd gleich ist, womit die geforderte Gleichspannungsfreiheit und die Anzahl der Pegelwechsel für die Taktrückgewinnung ausreichend sind. Abb. 4 4 Ein Ausschnitt aus der 8B/10B-Codetabelle und die Auswahl der Folgecodegruppe Code Group Name Octet Value Octet Bits Current RD- (5B/6B) (3B/4B) Current RD+ (5B/6B) (3B/4B) D D D D D D D D D D Datenstrom: Auswahl der Codegruppen bei einen Anfangswert für RD von Disparity von 0 neuer RD Disparity von +2 neuer RD Disparity von -2 neuer RD Disparity von +2 neuer RD +1

11 BASE-SX Symbole Beim 8B/10B-Codierungsverfahren beträgt die maximal auftretende Baudrate (Pegelwechsel/Sekunde) 1250 Mbaud. Wie bei Fast Ethernet ergibt sich eine Reihe von zusätzlichen Symbolen, die die Umwandlung der 8 Bits langen Informationsdaten zu den 10 Bits langen Übertragungseinheiten erzeugt. Diese stellen spezielle Symbole dar, die sich entweder alleine oder aus bis zu vier Codegruppen zusammensetzen. Sie dienen beispielsweise als Idle-Signal, Carrier Extend, Start of Packet, End of Packet und weitere Symbole. Start of Packet hat dabei die gleiche Funktion wie der Start-of-Stream Delimiter, das End of Packet diejenige des End-of-Stream Delimiter bei 100BASE-X, mit denen die Frames zusätzlich eingekapselt werden. Alle nicht definierten Bitkombinationen dürfen im normalen und fehlerfreien Betrieb nicht auftreten und werden, falls sie dann doch einmal vorkommen, als Violation (Fehler) erkannt und registriert. Treten die Violation-Symbole beim Empfänger gehäuft auf, kann er eine Aussage über die schlechte Qualität einer Verbindung treffen. Baudrate BASE-SX Die erste Version des Gigabit-Ethernet-Standards, von der IEEE 1998 als 802.3z verabschiedet, spezifizierte als Übertragungsmedium Lichtwellenleiter für Reichweiten bis 550 oder 5000 m. Außerdem war noch ein Kupferkabel vorgesehen, mit dem man 25 m überbrücken konnte. Das Kupferkabel stellte aufgrund der geringen Reichweite natürlich nur eine Art Übergangslösung dar, der die Beteiligten am Netzwerkmarkt keine große Bedeutung zumaßen. Die Nutzung eines TP-Kabels ist bei Gigabit-Ethernet erst seit der Verabschiedung des zweiten Teilstandards, IEEE 802.3ab, vorgesehen, der 1999 folgte. In seinen Anfängen stellte Gigabit-Ethernet praktisch eine rein auf Lichtwellenleiter basierende Lösung dar. Zwar gab es einige wenige Hersteller, die auch die erste Kupferkabelspezifikation für Gigabit-Ethernet mit einer Distanz von 25 m anboten, dass dies aber jemals wirklich ernsthaft im größeren Rahmen eingesetzt wurde, wagen wir zu bezweifeln. Verwundern muss die späte Verabschiedung des Gigabit-Ethernet-Standards für TP-Kabel allerdings niemanden: Wie sich in den folgenden Kapiteln noch zeigen wird, war Gigabit-Ethernet über Lichtwellenleiter technisch betrachtet wesentlich einfacher umzusetzen. Lichtwellenleiter spielten bereits in anderen Netzwerktechnologien eine entscheidende Rolle, beispielsweise bei FDDI (Fibre Distribute Data Interface), das mit einer Datenrate von 100 MBit/s arbeitet. Im Ethernet-Bereich setzte sich der Einsatz von Lichtwellenleitern jedoch nur schleppend durch. Zwar berücksichtigte bereits der 10-MBit/s-Ethernet-Standard Lichtwellenleiter, jedoch setzte man sie nur selten ein: Nicht nur waren sie relativ teuer, IEEE 802.3z Lichtwellenleiter

12 126 sondern auch recht komplex bei Verlegung und Konfektionierung. Glasfaserkabel hatten demnach nur ihre Berechtigung, wenn größere Distanzen zu überbrücken waren oder eine Verkabelung gebäudeübergreifend ausgelegt war. Darüber hinaus setzten Firmen und Institutionen, denen es auf besondere Abhör- und Störsicherheit ankam, auf Lichtwellenleiter: Es erscheint beispielsweise als recht schlechte Idee, etwa in einem Krankenhaus ein UTP-Kabel unter einem Computertomographen hindurchzuziehen. Die Vorbehalte gegenüber Lichtwellenleitern nahmen allerdings schon zu Zeiten von Fast Ethernet langsam ab, da die Kosten für die Glasfaserkabel drastisch sanken und auch die Konfektionierung durch neue Techniken erleichtert wurde. Außerdem kamen bei Segmentlängen von mehr als 100 m sowieso nur Lichtwellenleiter in Betracht. Für Gigabit-Ethernet waren die Lichtwellenleiter das Medium, das bei der hohen Übertragungsrate von 1000 MBit/s die technisch einfachste Realisierung bot. Zudem galt Gigabit-Ethernet lange Zeit ausschließlich als hochperformante Backbone-Lösung. In diesem Bereich ist die Akzeptanz der Lichtwellenleiter seit jeher weit größer als im normalen Netzwerkbereich. Erst langsam, seit der Verabschiedung des Gigabit-Ethernet-Standards für TP-Kabel, ziehen einige Firmen auch die Verlegung von Gigabit- Ethernet bis zum Desktop-Rechner in Betracht oder beginnen mit ersten entsprechenden Pilotprojekten. Die mit Lichtwellenleitern maximal erreichbaren Entfernungen waren bei den 100-MBit-Technologien wie Fast Ethernet oder FDDI noch hauptsächlich durch die Dämpfung bestimmt. Beim Ethernet mit 1000 MBit/s ist dagegen die Verzerrung des Lichtstrahls durch die Dispersionseigenschaften innerhalb des Mediums für die Bestimmung der maximalen Übertragungsstrecke maßgebend. Die Dispersionseffekte führen zu einer Verbreiterung des Ausgangssignals. Dies kann so weit gehen, dass die Nullen und Einsen des Ausgangssignals ineinander laufen, wodurch die Nutzinformationen verfälscht werden. Die Dispersionseffekte sind dabei von der Länge des Lichtwellenleiters abhängig. Sie wirken sich zudem aufgrund des geringeren Pulspausenabstands mit zunehmender Übertragungsfrequenz immer drastischer aus damit verbunden nimmt die erzielbare Reichweite ab. Die Hersteller von Lichtwellenleitern drücken dieses Phänomen in einem Bandbreiten-Längen-Produkt aus, mit dem eine Aussage möglich ist, wie lange eine Lichtwellenleiterstrecke bei einer bestimmten Übertragungsrate sein darf, damit das Nutzsignal nicht verfälscht werden. 1000BASE-SX Wir werden in dem Abschnitt Lichtwellenleiter detailliert auf die physikalischen Grundlagen der optischen Datenübertragung eingehen. Bei 1000BASE-SX steht das S für Short Wavelength und gibt an, dass für die Anregung des Lichtwellenleiters eine Laserdiode zum Einsatz kommt, die mit einer Wellenlänge von 830 nm arbeitet. Die 1000BASE-SX-Variante ist als Glasfaserlösung bislang am weitesten verbreitet. Durch die kurze

13 BASE-SX 127 Wellenlänge sind die Transceiver relativ preiswert, was zu vergleichsweise niedrigen Preisen für die entsprechenden Gigabit-Ethernet-Komponenten führt. 1000BASE-SX sieht als Übertragungsmedium einen Gradienten-Multimode-Lichtwellenleiter in der 50/125-μm- oder der 62,5/125-μm-Ausführung vor. Je nach Querschnitt hat ein Multimode-Lichtwellenleiter ein Bandbreiten-Längen-Produkt von 160 bis 500 MHz km. Daraus ergeben sich je nach eingesetztem Lichtwellenleiter maximale Reichweiten von 220 bis 550 m. Als Steckverbindung für die Gigabit-Ethernet-Glasfaserkomponenten kommt laut Standard grundsätzlich der Duplex-SC-Stecker nach IEC Part 4.2 zum Einsatz. Abb. 4 5 Der Duplex-SC-Stecker Für ein 1000BASE-SX-Netzwerk ergeben sich die Kenngrößen in der folgenden Tabelle. Kenngröße Topologie Signalisierungstechnik Codierungsverfahren Kabeltyp Wellenlänge Leistungsbudget Maximale Segmentlänge Maximale Anzahl der Stationen pro Segment Anschluss 1000BASE-SX Stern Basisband 8B/10B LWL MMF 62,5/125 μm oder 50/125 μm 830 nm 7,0 dbm Bis 550 m im Vollduplex 2 Duplex-SC Tab. 4 7 Kenngrößen der 1000BASE-SX-Ethernet- Variante

14 BASE-LX 1000BASE-LX Tab. 4 8 Die verschiedenen Segmentlängen bei Gigabit-Ethernet Als Alternative zu der Wellenlänge von 830 nm kommt bei Gigabit-Ethernet noch die Wellenlänge von 1270 nm zum Einsatz. Dies ist als 1000BASE-LX spezifiziert, wobei das L für Long Wavelength steht. 1000BASE-LX nutzt entweder einen Multimode- oder einen Monomode-Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium. Damit kommt man unter Verwendung des Multimode-Lichtwellenleiters auf Reichweiten von bis zu 550 m; der Monomode-Lichtwellenleiter bietet dagegen Reichweiten von bis zu 5000 m. Die Transceiver für 1000BASE-LX sind allerdings bedeutend teurer als die für 1000BASE-SX. So kommt 1000BASE-LX denn auch seltener zum Einsatz es sei denn, man muss große Distanzen oder mit einem bereits verlegten 62,5/125-μm-Lichtwellenleiter eine Strecke überbrücken, die zwischen 275 m und 550 m liegt (siehe folgende Tabelle). Typ/Faser Wellenlänge Bandbreitenlängenprodukt Segmentlänge Kabeltyp (MHz km) 1000BASE-SX, 830 nm m MMF 62,5 μm 1000BASE-SX, 830 nm m MMF 62,5 μm 1000BASE-SX, 830 nm m MMF 50 μm 1000BASE-SX, 830 nm m MMF 50 μm 1000BASE-LX, 1270 nm m* MMF 62,5 μm 1000BASE-LX, 1270 nm m* MMF 50 μm 1000BASE-LX, 1270 nm m* MMF 50 μm 1000BASE-LX, 10 μm 1270 nm NA m SMF * Die maximale Segmentlänge wird in Verbindung mit dem Einsatz eines Offset-Mode- Conditioning-Patchkabels erreicht. Offset-Mode- Conditioning-Patchkabel Eine Besonderheit ist bei 1000BASE-LX und Multimode-Lichtwellenleitern allerdings noch zu berücksichtigen: Die maximalen Distanzen erreicht man nur durch den Einsatz eines sogenannten Offset-Mode-Conditioning- Patchkabels. Dieses spezielle Verbindungskabel unterdrückt den normalerweise auftretenden Differential Mode Delay, indem es für einen definierten Versatz von einer Monomode- zu einer Multimode-Glasfaser sorgt. Laut Standard hat das Offset-Mode-Conditioning-Patchkabel eine farbige Markierung auf der Monomode-Seite, die anzeigt, welche Seite an den Sendeteil des 1000BASE-LX-Transceivers anzuschließen ist (siehe Abbildung 4-6).

15 BASE-CX 129 vom Gigabit Switch Beige Color Identifier RX TX Blue Color Identifier SMF MMF Offset MMF Beige Color Identifier Beige Color Identifier zum Patchfeld Abb. 4 6 Das Offset-Mode- Conditioning-Patchkabel Als Steckverbindung nutzt 1000BASE-LX ebenfalls den Duplex-SC- Stecker nach IEC Part 4.2. Eine sichtbare Unterscheidung zwischen 1000BASE-SX und 1000BASE-LX gibt es daher leider nicht. Für ein 1000BASE-LX-Netzwerk ergeben sich die Kenngrößen aus der folgenden Tabelle. Kenngröße Topologie Signalisierungstechnik Codierungsverfahren Kabeltyp Wellenlänge Leistungsbudget Maximale Segmentlänge Maximale Anzahl der Stationen pro Segment Anschluss 1000BASE-LX Stern Basisband 8B/10B LWL MMF 62,5/125 μm oder 50/125 μm und SMF 9/125 μm 1270 nm 7,5 dbm MMF bis 550 m und SMF bis 5000 m im Vollduplex 2 Duplex-SC Tab. 4 9 Kenngrößen der 1000BASE-LX-Ethernet- Variante BASE-CX Im Standard 802.3z existiert mit 1000BASE-CX bereits eine Gigabit-Ethernet-Lösung auf Basis eines Kupferkabels unter der Bezeichnung 1000BASE- CX. Auf große Gegenliebe stieß sie aber nicht, obwohl sie speziell als Übergangslösung und preisliche Alternative zu Gigabit-Ethernet über Lichtwellenleiter gedacht war. Da durch diese Lösung die teuren Frontends der optischen Transceiver entfallen, ergaben sich in der Anfangszeit von Gigabit- Ethernet mit 1000BASE-CX für den Endkunden Preisvorteile von bis zu 300 Euro pro Port, also 600 Euro pro Verbindung. Angesichts einer maximal überbrückbaren Distanz von 25 m hat sich 1000BASE-CX allerdings auf dem Markt nicht durchgesetzt. Als der Standard veröffentlicht wurde, reichten die Kommentare in der Öffentlichkeit sogar bis hin zu Sprüchen, das sei ja wohl ein schlechter Witz. 1000BASE-CX-Komponenten dürfte man heute in installierten Ethernet-Netzwerken jedenfalls wie die allseits bekannte Nadel im Heuhaufen suchen müssen. 1000BASE-CX