1000 BASE-T: Gigabit Ethernet über Kupferverkabelung (1/2)

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Teil 17 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Gigabit Ethernet war der erste LAN-Standard, der die physikalischen Grenzen der Kupferverkabelung zu sprengen drohte. Jahrzehnte herrschte die Meinung vor, dass eine solche Datenrate über Kupferverkabelung gar nicht möglich sei. Wie wir wissen, ging es dann doch, aber nur mit einer bis dahin ungekannten Stapelung von Tricks. Die detaillierte Betrachtung der Übertragungstechnik von Gigabit Ethernet bringt uns jedoch erheblich weiter, wenn wir sehen, wie die durch die Theorie festgelegten Grenzen und Möglichkeiten tatsächlich genutzt wurden. Das ist extrem lehrreich!

Auch wenn immer Alternativen in Hinblick auf Glasfaser-Vollverkabelung diskutiert werden, hatte sich doch um das Jahr 2000 herum das Gros der Netzwerk-Planer für eine Infrastruktur mit Kategorie-5-Kabeln entschlossen. Man darf dies nicht alleine vor dem deutschen Hintergrund sehen. Hierzulande hat immer die Bereitschaft bestanden, aus den unterschiedlichsten Gründen, vor allem aber aus einem hohen Sicherheitsbedürftnis, komplexere Kabelsysteme zu kaufen. Dies ist aber in Europa und erst recht in den USA einzigartig. So hatte IBM schon 1995 geäußert, dass man die aufwendige IBM Typ-1-STP-Verkabelung praktisch nur in Deutschland verkaufen konnte.

Netzwerk Manager und Planer sollten also nach dem Willen der Gigabit Ethernet Alliance in die Lage versetzt werden, 1000 BASE-T über die Kategorie-5-Verkabelung laufen zu lassen. IEEE 802.3ab schreibt die Spezifikationen für den Betrieb von Gigabit Ethernet über Category 5 Cabling Systems, die entsprechend der Spezifikationen von ANSI/TIA/EIA-568A installiert wurden. Es sollte möglich sein, 1000 BASE-T zu betreiben, ohne die existierende Kategorie-5-Verkabelung ersetzen zu müssen. Es ist das technische Ziel der IEEE 1000 BASE-T Task Force, die Spezifikationen so zu gestalten, dass jede Verbindung, die zu dieser Zeit von 100 BASE-TX benutzt wird, ebenfalls 1000 BASE-T unterstützt.

Allerdings: die Realisierung von Gigabit Speed über Kategorie-5-Verkabelung ist ein kleines Wunderwerk der Technik und angesichts der sonst vielen nachrichtentechnisch wirklich lieblosen LAN-Übertragungsverfahren lohnt es sich, einen Blick darauf zu werden.

Es müssen nämlich sozusagen Schaltungstricks aus jeder Ecke kombiniert werden, um dieses erstaunliche Ziel zu realisieren:

  1. Parallelverarbeitung: das Sendesignal muss auf mehrere Leitungen aufgespalten werden, damit auf der einzelnen Leitung die Störstrahlbestimmungen eingehalten und weitere Leistungsparameter erreicht werden können
  2. Multilevel-Codierung: man muss mehr als zwei logische Niveaus auf einer Leitung übertragen, um mit den Vorgaben für die Bandbreite auszukommen.
  3. Trellis-Codierung: man muss 2. mit einer speziellen Codierung verbinden, die es erlaubt, die Bitfehlerrate in erträglichen Grenzen, z.B. bei 10 EXP -10 zu halten. Dazu gehört die Viterbi-Decodierung.
  4. Echo-Kompensation: die Leitungen sollen paarweise im Vollduplexbetrieb benutzt werden, so dass auf einem Drahtpaar Informationen in beide Richtungen laufen. Damit das funktioniert, müssen spezielle Schaltungen für die Unterdrückung des eigenen Sendesignals am eigenen Empfänger sorgen.
  5. Scrambling: die Daten werden beim Aufteilen auf die verschiedenen Leitungen verwürfelt. Dies erhöht die Übertragungssicherheit, primäres Ziel ist aber die Begrenzung des benutzten Frequenzspektrums bei der Übertragung.
  6. Kompensationsverfahren für Nah- und Fernnebensprechdämpfung
  7. Equalizing und Filterung

Fast Ethernet 100 BASE-TX erreicht seine Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/s durch die Sendung dreiwertig codierter Symbole mit einer Schrittgeschwindigkeit von 125 Mbaud über die Verbindung. Die 125 Mbaud kommen dadurch zustande, dass vor der Umwandlung in dreiwertige Signale eine 4B5B-Codierung angewandt wird, die aus vier eigentlichen Datenbits fünf zu übertragende Datenbits macht, wodurch eine kleine Hamming-Distanz gewonnen wird, die bei der späteren Wiedergewinnung des Signals die Fehlerquote deutlich senken kann.

100 BASE-TX benutzt zwei Kabelpaare: eines zur Hin- und eines zur Rücksendung. Um die Übertragungsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen, benutzt 1000 BASE-T ebenfalls eine Symbolrate von 125 Mbaud, aber vier Paare für eine Verbindung und ein komplexeres Codierungsschema mit fünfwertigen Signalen. Außerdem sendet und empfängt 1000 BASE-T simultan auf jedem Paar. Die Kombination von fünfwertiger Codierung und der Benutzung von vier Paaren erlaubt es, dass 1000 BASE-T mit jedem Signalimpuls ein Byte parallel absetzt. Allerdings, so einfach, wie es sich anhört, ist es dann doch nicht, weil eine Menge technischer Probleme, die z.B. mit dem Nebensprechen zu tun haben, gelöst werden müssen.

Wir können für die Abschätzung, ob dies denn funktionieren kann, anwenden, was wir in den Teilen 5 bis 8 gelernt haben. Das Nutzsignal hat nach der 4B/5B-Codie-rung zunächst eine Schrittgeschwindigkeit von 1250 Mbit/s Für die Codierung von jeweils zwei Bits gleichzeitig würde man nur eine vierwer¬tige, quartäre Übertragungscodierung benötigen. Man braucht aber die 4B5B-Codierung und die anschließende Codierung in ein höherwertiges Übertragungsverfahren nicht zu trennen und hintereinander auszuführen, sondern man kann dies auch technisch kombinieren und zwei Datenbits und das »zu¬sätzliche Viertel« in ein fünfwertiges Signal stecken. Die fünfwertigen Signale kommen dann mit 500 Mbaud Schrittgeschwindigkeit auf die Leitungen zu. Es stehen vier Paare zur Verfügung, so dass wir die ankommenden Signale so aufteilen können, dass auf jedem Paar ein Datenstrom mit 125 Mbaud Schrittgeschwindigkeit entsteht. Bei einer theoretisch optimalen Codierung können pro Hz Bandbreite maximal zwei Schritte übertragen werden. Umgekehrt würde man also für die Übertragung eines Datenstroms von 125 Mbaud mindestens 62,5 MHz Bandbreite benötigen, und dafür ist Cat 5 in jedem Falle spezifiziert.

Die Leitungen werden, und das wird oft missverstanden, nicht im Halbduplex, also Sender und Empfänger abwechselnd, sondern im Vollduplexbetrieb benutzt. Beide Seiten senden gleichzeitig. Das funktioniert nach dem gleichen Prinzip, nach dem wir auch für das Telefonieren nur zwei Drähte benötigen: Unterdrückung bzw. Subtraktion des eigenen Sendesignals von dem durch die beiden Sendungen entstehenden Summensignal. Fachmännisch auch »Echo Cancellation«. Unter anderem dafür benötigen wir auch die Hybrid-Schaltkreise in Bild 2. Die Sende-/Empfänger-Schaltungen werden nicht direkt an die Leitungen angekoppelt, sondern über einen kleinen Transformator, den so genannten Übertrager. Gleichspannung kann den Übertrager nicht passieren, sondern nur Wechselspannung. Dadurch erreicht man die galvanische Entkopplung von Transceivern und Leitung und somit symmetrisch die vollständige Entkopplung von Stationen. Diese können nämlich gegebenenfalls äußerst unterschiedliche Potentiale haben. Der Übertrager lässt nur die übertragungstechnisch relevanten Wechselströme passieren, leider aber auch alle Störungen, die sich zwischenzeitlich auf der Leitung angesammelt haben. In Bild 2 ist eine solche Echounterdrückung schematisch angedeutet. Sender, Empfänger und Übertrager sind durch einen Spannungsteiler miteinander verbunden. Der Sender schickt das Sendesignal über R1 an den Übertrager und über R3 an den eigenen Empfänger. Zwischen R1 und R2 liegt nun das Summensignal aus der lokalen Sendung und dem, was über den Übertrager vom Kabel kommt, nämlich der Sendung der Gegenstation, an. Dieses Summensignal führen wir ebenfalls an den Empfänger. R4 dient der Symmetrie und dem Ausgleich grundsätzlicher Potentialdifferenzen. Zwischen R3 und R4 liegt das um die durch R3 und R4 herbeigeführte Spannungsteilung reduzierte Sendesignal. R3 und R4 müssen so gewählt werden, daß das eigene Sendesignal soweit reduziert wird, dass die Leistung des reduzierten Signals in etwa der des Anteils des ankommenden durch die Leitung gedämpften Sendesignals der entfernten Station am Summensignal auf der Leitung ist. Dann nämlich erhält der Empfänger an seinen beiden Eingängen die Differenz aus dem eigenen Sendesignal und dem Summensignal auf der Leitung, und diese entspricht gerade dem Sendesignal der fremden Station.

Es ergibt sich sofort ein weiteres Problem. Bei einer Halbduplex-Verbindung ist immer klar, wer der Sender und wer der Empfänger ist. Der Sender schickt sein Signal los und der Empfänger synchronisiert sich auf dieses Signal ein. Das war ja gerade der Vorzug der Manchester Codierung. Laufzeitunterschiede werden im Empfänger entweder durch das Nachziehen der Phase Look Loop Schaltungen oder bei schlimmeren Verzerrungen durch kleine Puffer ausgeglichen. Wenn aber jetzt beide Stationen sozusagen gleichzeitig von beiden Seiten das Kabel benutzen, können nicht beide den Takt angeben. Das würde zu einem unsäglichen Durcheinander führen. Also muss eine Station die Leitrolle übernehmen. Man definiert also Master und Slave. Die Rollen können festliegen, so z.B. wird man immer einen Switch als Master und die angeschlossenen Stationen als Slaves definieren, oder müssen in einer Erweiterung der Autonegatiation verhandelt werden, z.B. für die Kommunikation zwischen zwei Switches.

Wie steht es aber mit der Dämpfung? Im optimalen Fall benötigen wir einen Signal/Rauschabstand von etwas über 14 dB, sagen wir ca. 15 dB. Aus 2.2.1.3 wissen wir nun, dass das Signal/Rauschverhältnis S/N grob der Differenz aus Nahnebensprechdämpfung und Signaldämpfung entspricht und diese wiederum als ACR bezeichnet wird. Für Cat. 5 Kabel ist aber (siehe 2.6.3) bei 100 MHz eine Signaldämpfung von weniger als 20 dB auf 100m und eine NEXT von mehr als 32 dB vorgeschrieben. Das ist schon zu knapp für eine fünfwertige Übertragung. Bei 62,5 MHz betragen die Werte weniger als 35 dB Signaldämpfung und mehr als 52 dB Nahnebensprechdämpfung, also ergibt sich ein ARC von17 dB. Das ist extrem knapp. Für eine Implementierung von 1000 BASE-T setzt man demnach voraus, dass das Kabel und die gesamte es umgebende Strecke mindestens genau die Vorgaben einhalten und dass man es schafft, mit der Codierung nahe an das theoretisch vorgegebene Optimum zu kommen. Dass dies prinzipiell möglich ist, kann man voraussetzen, aber es wird sehr aufwendig hinsichtlich der im Rahmen der Codierung benötigten Elektronik. Außerdem muss man sich darüber bewusst werden, dass man die Grenzen der Technologie nunmehr wirklich erreicht hat und eine weitere wesentliche Steigerung wirklich nicht mehr möglich ist, es sei denn, die Grundlagenphysik war völlig falsch.

Die von IEEE 802.3ab verwendete Codierung basiert auf dem bereits bewährten Verfahren von 100 BASE-TX und wird auch als Enhanced TX/T2 bezeichnet. Die Codierung auf der Leitung ist eine fünfwertige Pulsamplitudenmodulation PAM-5.

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