Messungen von Glasfaserstrecken im Rechenzentrum

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Im Bereich der frame-basierenden Übertragung von Daten verwendet die überwiegende Anzahl von Zugangsverfahren, gerade im Bereich der Lokalen Netzwerke, eine Technologie, die auf 2 Fasern pro Link basiert. Jede der beiden Fasern wird für unterschiedliche Richtungen verwendet bzw. über ein und dieselbe Faser wird selten in beide Richtungen übertragen. Dies hat zur Folge, dass nicht jede optische Kenngröße im Schwerpunkt der Überprüfung eines Links notwendig ist. Es ist bei den relevanten, zu überprüfenden optischen Kennwerten zu unterscheiden zwischen einer „normalen“ Gebäudeverkabelung (also in Tertiär-, Sekundär- und Primärverkabelung) und dem Spezialfall der Verkabelung innerhalb des Computerraums:

  • Einfügedämpfung (IL = Insertion Loss): Insbesondere bedingt durch das immer kleiner werdende Dämpfungsbudget bei hohen Datenraten ab 1 Gbit/s entscheidet eine zu hohe Einfügedämpfung darüber, ob der Link überhaupt zustande kommen wird. Waren in den Pre-Gigabit-Zeiten noch Dämpfungsbudgets von mehr als 10 dB denkbar, so pendeln sich die meisten Datenraten ab 10 Gbit/s bereits bei Budgets von maximal ca. 2 dB ein.
  • Rückflussdämpfung (RL = Reflection Loss): Die Rückflussdämpfung entsteht in erster Linie durch Fresnel-Reflexionen (primär an Steckverbinderübergängen) und führt dazu, dass ein Teil des in die Faser gesendeten Lichtes den Weg zurückläuft und damit zum Sendeelement gelangt. Da bei 2-faserigen Strecken dort zumeist kein zusätzliches Empfangselement vorhanden ist, stört dieses reflektierte Signal nicht. Deshalb spielt die Reflexionsdämpfung in den Links bei der Technik von Lokalen Netzwerken meistens keine Rolle.
  • Bandbreite-Längen-Produkt: Diese Größe nimmt einen sehr starken Einfluss auf die maximal mögliche Datenrate bzw. die damit verbundene Link-Länge, sie wird festgelegt durch die Wahl der Glasfaserqualität, Stecker oder Spleiße haben keinen Einfluss. Dieses BLP spielt in RZs mit Ethernet-Datenraten bis 10 Gigabit keine große Rolle, da die Leitungslängen selbst bei schlechter Qualität bei min. 220 m liegen, also ausreichend genug für die meisten Verbindungen innerhalb des Computerraums. Bei 40- und 100-Gigabit-Ethernet reduziert sich das bereits auf max. 100 m (OM3-Faser) bzw. 150 m (bei OM4-Faser) und in dem ein oder anderen Rechenzentrum werden wohl Leitungslängen bei diesem Wert herum liegen. Das Bandbreite-Längen-Produkt kann „im Feld“ nicht direkt gemessen werden, stattdessen müssen die Link-Längen ermittelt und dann mit den normativen Maximallängen verglichen werden.

Als Basismessgröße innerhalb des Computerraums bei einer vorwiegend zweifaserigen Nutzung der Glasfaserverkabelung bleibt also die Überprüfung der Einfügedämpfung.

Für alle RZ-Betreiber, die eine Einführung von 40/100-Gigabit-Ethernet über Multimodefaser nach aktuellem Standard planen bzw. realisiert haben kommt eine weitere Besonderheit hinzu, die dadurch entsteht, dass mehr als 2 Fasern pro Link benötigt werden (40GE: 8 Fasern werden in einem 12-Faser-Link benötigt; 100GE: 20 Fasern werden in einem 24-Faser-Link-benötigt). Diese Übertragungsverfahren führen zum Einsatz von MPO-Techniken und die bereits beschriebene Einfügedämpfung ist auch hier von wesentlicher Bedeutung. Hinzu kommt aber eine Überprüfung der Polarität, denn die verschiedenen Mechanismen zum Polaritätswechsel können (nach TIA-568-C gibt es drei Methoden) – auch bei Einsatz aufeinander abgestimmter Verkabelungskomponenten eines Herstellers – durch Fehler beim Zusammenstecken einer Strecke zu einer falschen Polarität führen, die grundsätzlich zuerst zu überprüfen ist, bevor die eigentliche Einfügedämpfung pro Faser-Link ermittelt wird. Diese Polaritätsbestimmung kann mit herkömmlichen Glasfasermessgeräten dadurch ermittelt werden, dass jede Faserverbindung einzeln durchgeleuchtet wird und diese dann in einer Dokumentation erfasst wird, dies wird aber sehr zeitintensiv sein (dazu siehe Video-Demonstration der Firma Fluke auf YouTube).

Allgemein bekannt ist, dass zwei Messverfahren zur Überprüfung von Glasfaserverbindungen genutzt werden können, das OTDR-Verfahren (Optical Time Domain Reflectometry) und das Pegelmessverfahren.

OTDR-Messung
Erstaunlicherweise stellt bei allen Glasfasermessungen die OTDR-Messung die erste Wahl dar, es wird eher nur eine OTDR-Messung durchgeführt als eine Pegelmessung. Ignoriert wird in diesen Fällen aber Folgendes: Eine OTDR-Messung bei Multimodefasern liefert bezüglich der Einfügedämpfung sogenannte RML-Messwerte (RML = Restricted Mode Launch), welche nicht zum Vergleich mit normativen Messwerten oder Werten aus Datenblättern herangezogen werden können, da diese meistens auf Basis einer OFL-basierenden Messtechnik ermittelt wurden (OFL = Overfilled Launch). Man kann also nicht einfach einen vom OTDR angezeigten Messwert nehmen, in entsprechende Normen wie z.B. der IEEE reinsehen und den dort angegebenen Wert mit dem gemessenen vergleichen. Deshalb ist eine OTDR-Messung zur Bestimmung einer Einfügedämpfung ungeeignet.

Darüber hinaus bieten die meisten OTDR-Messgeräte die Möglichkeit, RML-basierende Werte der Einfügedämpfung für jedes einzelne Element einer Glasfaserstrecke anzuzeigen (Anzeige von „Ereignissen“). Diese Funktion ist allerdings nur eingeschränkt nutzbar, da die Auflösung von einzelnen Messereignissen bedingt durch Totzonen nicht immer möglich ist. Gerade bei Durchrangierungen mit kurzen Rangierkabeln kann nicht erwartet werden, dass die Einzelwerte der einzelnen Steckverbindungen abgelesen werden können.

Deshalb kann eine OTDR-Messung zur Ermittlung der Einfügedämpfung nicht sinnvoll sein, stattdessen wird die nachfolgend beschriebene Pegelmessung vorgeschrieben.

Pegelmessungen von ein- oder zweifaserigen Strecken
Bei der Pegelmessung mit einfachen Pegelmessgeräten gibt es drei verschiedene Varianten, die sich in der Anzahl der Prüfschnüre während der Kalibrierung unterscheiden:

  • 1 Prüfschnur: Ein hochwertiges Messkabel (= Prüfschnur) wird zwischen Pegelsender und Pegelmessgerät „geschaltet“.
  • 2 Prüfschnüre: Zwei Prüfschnüre werden über eine Kupplung/Mittelstück miteinander verbunden und dieser Aufbau wird kalibriert.
  • 3 Prüfschnüre: Drei Prüfschnüre werden über zwei Kupplungen/Mittelstücke miteinander verbunden und dieser Aufbau wird kalibriert.

Die Entscheidung darüber, wie welche der 3 Methoden zu verwenden ist, hängt zunächst einmal davon ab, welche Art von Link zu messen ist: Endet der Link in zwei Steckern oder endet er in zwei Kupplungen/Mittelstücken. Die Empfehlungen oder gar Zulässigkeit zur Anwendung der verschiedenen Varianten wird in den unterschiedlichen Verkabelungsstandards nicht einheitlich vorgeschlagen. Im vorliegenden Text wird den Empfehlungen der internationalen ISO/IEC 14763-3 bzw. EN 61280-4-1 gefolgt (Hinweis: die EN 61280-4-1 gilt streng genommen für Multimodefasern) Diese sehen wie folgt aus:

  • Sind die Anschlussschnüre in der Messung mit zu berücksichtigen, dann wird die Messung mit 3 Prüfschnüren empfohlen. Die zu prüfende Strecke beginnt also am ersten Stecker und endet am zweiten Stecker (entspricht im Prinzip einer Channel-Messung).
  • Beginnt die Strecke an einer Kupplung (z.B. eines Rangierfeldes) und endet an einer weiteren Kupplung (unabhängig davon, wie viele weitere Durchrangierungen dazwischen sind), so empfiehlt die EN 61280-4-1 eine Messung mit einer Prüfschnur (entspricht im Prinzip einer Permanent Link Messung). Sie gilt als die genaueste Messung.
  • Einschränkung: Eine Messung mit einer Prüfschnur ist nur dann möglich, wenn der Anschluss an der zu prüfenden Strecke und der Anschluss am Messgerät identisch ist. Damit scheidet diese Messung dann aus, wenn die Messgeräte keinen wechselbaren Anschluss haben und dieser feste Anschluss nicht identisch zum Anschluss am Rangierfeld ist. Für diesen Fall lässt die EN 61280-4-1 die alternative Messung mit 2 Prüfschnüren zu.

Pegelmessungen von MPO-Strecken
Die Einfügedämpfung einer Glasfaserstrecke bestehend aus mehr als 2 Fasern, mit MPO-Steckern abgeschlossen, kann mit Hilfe von Adapterkabeln (Hydrakabel oder Haarness-Kabel) analog zu der oben beschriebenen Pegelmessung in der gleichen Form durchgeführt werden. Bei einer MPO-Strecke bestehend aus 12 Fasern sind das 12 Einzelmessungen für jede Richtung und jede zu prüfende Wellenlänge. Diese Messung ist sehr aufwendig.

Alternativ dazu ist der Einsatz eines Messgerätes möglich, welches bereits mit einem MPO-Anschluss ausgestattet ist und welches die beschriebenen Messungen deutlich einfacher durchführt und übersichtlicher anzeigt. Derartige Geräte werden von der Firma Fluke unter dem Produktnamen „MultiFiber Pro“ und dem Hersteller Psiber als MPO-Aufsatz für den Kabelzertifizieren WireXpert angeboten. Beide erlauben neben der Pegelmessung einer MPO-Strecke (Einschränkung: maximal 12 Fasern und nur eine Wellenlänge 850 nm) auch eine vorausgehende Polaritätsüberprüfung und Darstellung der Polarität.

Bei MPO-Verkabelungen schließen die Kabel ebenfalls mit MPO-Steckern ab, die entweder in ein aktives System gesteckt werden können oder in eine MPO-Kupplung. Damit bleibt auch die oben beschriebene prinzipielle Unterscheidung zwischen den beiden Prüfverfahren bestehen.

Bestanden oder nicht bestanden
Neben der Festlegung der Messverfahren ist es zwingend notwendig, die herangezogene Vergleichsgröße festzulegen, auf deren Basis eine Messung (bzw. Installation der Komponenten) als „erfolgreich“ oder „nicht erfolgreich“ eingestuft wird. Die Festlegung dieses Entscheidungskriteriums wird in vielen kundenspezifischen Messrichtlinien nicht deutlich genug beschrieben.
Um dieses festzulegen muss zum einen das Grundwissen vorhanden sein, worin sich die Ergebnisse der verschiedenen Pegelmessungen unterscheiden, denn obwohl bei allen ein Dezibel-Wert herauskommt, sagen sie vollkommen unterschiedliches aus.

Dann muss entschieden werden, ob der Dämpfungswert der Gesamtstrecke von Bedeutung ist (nur dieser wird in den Normen wie z.B. IEEE oder der EN 50173 tatsächlich verbindlich festgelegt) und/oder ob eine Beurteilung der Dämpfungen der Einzelelemente des Links, also Kabel, Spleiß, Steckverbindungen erfolgen muss. Im ersten Fall vergleicht man z.B. den gemessenen Wert eines Links, der in zwei Steckern endet (analog dem Channel Link) mit dem maximalen Channel Insertion Loss des Standard IEEE802.3 10GBASE-SR und entscheidet auf dessen Basis. Diese Methode wird primär im Rahmen einer Fehlersuche oder Inbetriebnahme von Bedeutung sein. Im zweiten Fall gibt es zwei Möglichkeiten (in beiden Fällen müssen die Einzelwerte der Dämpfung für jedes Element des Links vorgegeben werden):

  1. Mit einer OTDR-Messung werden über die Ereignisanzeige die einzelnen Werte herausgelesen und verglichen (man beachte die oben beschriebenen physikalischen Einschränkungen). Erfüllt z.B. ein Wert die Anforderungen nicht, gilt das als „nicht bestanden“ für den gesamten Link.
  2. Bei einer Pegelmessung lässt sich diese Einzelauflösung nicht machen, da addiert man die in der Strecke befindlichen maximalen Einzeldämpfungswerte und vergleich diese Summe mit dem gemessenen Wert (siehe Abbildung mit „manueller“ Berechnung). So lange das gesamte Dämpfungsbudget passt, spielen die einzelnen Werte keine Rolle. Dies kann automatisiert werden, indem Pegelmessgeräte verwendet werden, die eine Einzeleingabe der Werte möglich machen und selbst das Dämpfungsbudget berechnen und vergleichen.

Welche der beiden Methoden die richtige ist muss im Einzelfall entschieden werden.

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