Moderne LANs

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Teil 8 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Die klassischen LAN-Konzepte wie Token Ring oder Ethernet haben sich über eine gewisse Zeit nicht gegeneinander deutlich durchsetzen können. So hatte lange Zeit fast jedes Unternehmen oder größere Organisation beide Systemtypen im Haus. Hohe Umzugsraten und Neuorganisationen ziehen bei klassischer Systemtechnik untragbar hohe Kosten für Neuverkabelungen nach sich. So ist man nach einiger Zeit dazu übergegangen, Neuinstallationen vornehmlich mit strukturierter Verkabelung vorzunehmen. Und zu dieser passt das Konzept der Switches oder Switching Hubs.

Bis vor 10 – 15 Jahren war es so, dass ein LAN-System eine starre Kombination aus folgenden Komponenten war:

  • Übertragungsmedium
  • Übertragungssystem
  • Medium-Zugriffsverfahren

Die Standardisierung Lokaler Netze hat es ermöglicht, die wichtigsten Netztypen durch unterschiedliche Übertragungsmedien und -systeme zu realisieren. Dies geht sogar soweit, dass man ein logisches Netz mit unterschiedlichen Medien realisieren kann bzw. umgekehrt unterschiedliche logisch/technische Netze mit einem Medientyp aufbaut

Dies ebnet den Weg für die Lösung eines der größten Probleme der Datenverarbeitung im Inhouse-Bereich: des Verkabelungsproblems.

Zielvorstellung ist dabei der Wunsch nach einer einheitlichen Datensteckdose, die die definierten Versorgungsbereiche im Rahmen einer vorgegebenen Versorgungsdichte mit unterschiedlichen Kommunikationsdiensten flexibel versorgt. Mit den üblichen Wenns und Abers und einigen weiteren kleineren Einschränkungen ist dies heute durchaus möglich. Die Grundlage hierfür sind von verschiedenen Herstellern angebotene Verkabelungssysteme und der ISO 11801-Standard für die Verkabelung. Dieser Standard legt eine Reihe von Qualitätsparametern für eine gesamte Verbindung vom Stecker im PC über das Kabel bis zur Wandsteckdose über die Leistung in der Wand bis zum Verteilfeld und teilweise darüber hinaus fest, genau das, was wir benötigen. Der in USA populäre EIA/TIA-568-Standard bezieht sich praktisch nur auf das Kabel selbst.

Bei einer Verkabelung kann man grob zwei strategische Klassen unterscheiden:

  • die Vollverkabelung, die unabhängig von der tatsächlichen Belegung durch die Gebäudeauslegung und das Besiedlungspotential bestimmt wird, und
  • die Bedarfsverkabelung, bei der die Infrastruktur durch die Belegungsdichte zum Installationszeitpunkt bestimmt und danach bedarfsorientiert verändert wird.

Im Rahmen einer derartigen Gesamtstrategie werden üblicherweise vier Bereiche unterschieden:

  • Geländeverkabelung (zwischen Gebäuden eines Geländes), Primärbereich,
  • Gebäudeverkabelung (zwischen Etagen oder Bereichen eines Gebäudes), Sekundärbereich,
  • Etagenverkabelung (zwischen Büros einer Etage), Tertiärbereich,
  • Endgeräteanschluss.

Die Geländeverkabelung integriert die in den einzelnen Gebäuden bestehenden Subnetze, die Gebäudeverkabelung integriert die Etagennetze und die Etagenverkabelung bindet die einzelnen räumlichen Einheiten an das Netz an.

Die Etagenverkabelung bedeutet Anbindung von Wanddosen in den Büros oder Arbeitsbereichen an den Etagenverteiler, universelle Dosen- und Steckertechnik, ggf. aufgeteilt nach Sprach- und Datenübertragung, Nutzung geeigneter Kabelwegsysteme, wie Doppelboden, Brüstungskanäle, abgehängte Decken, Unterflursysteme, begehbare Kabelkanäle, netzunabhängige Verkabelung, beliebige Versetzbarkeit von Arbeitsplätzen, Erweiterbarkeit, Flexibilität, und soll im Rahmen einer flächendeckenden Planung und Installation für alle Büroräume unter Berücksichtigung von Reserve-Anschlüssen erfolgen.

LAN-Switching

LAN-Switching ist eine weitere Evolutionsstufe der Lokalen Netze. Um die Gesamtbandbreite zu steigern, wird den angeschlossenen Stationen durch die zentralen Hubs vorgespiegelt, dass sie an einem bekannten Netz wie Ethernet oder Token Ring arbeiten. Dadurch kann man Adapterkarten, Treiber usf. so lassen, wie sie sind. Im Switch werden aber alle Schnittstellen jeweils mit der vollen Leistung unterstützt. Hat ein Switch 128 Anschlüsse, die er mit je 10 Mbps unterstützt, ergibt dies die Gesamtleistung von 1,28 Gbps ! Ganz aktuelle Systeme können 10 Terabit/s oder mehr.

Dedicated Ethernet ist die wichtigste Ethernet Switching-Technologie und belässt die gesamte Ausrüstung der Workstations und die strukturierte Verkabelung. Es sind nur Änderungen in den Verteilerräumen notwendig. Stationen werden an das Netz nicht wie bei 10 Base T an einen Repeater Port angeschlossen, sondern an einen Dedicated Ethernet Switch Port. Mehrere Dedicated Ethernet Switches können wiederum durch einen High Speed Backbone miteinander verbunden werden. Jede angeschlossene Station bekommt die vollen 10 Mbit/s für eine Netzwerk-Verbindung. Technisch gesehen ist ein Dedicated Ethernet Switch Port ein Brücken-Port: Pakete werden vermöge ihrer Zieladresse an den passenden Empfängerport geschickt. Wie bei einer Brücke alternieren Lern- und Arbeitsphasen. In der Lernphase nimmt der Switch neue Zieladressen in die Adresstafeln auf und verdrängt bei einer vollen Tafel die Adressen, die länger nicht mehr benutzt wurden. Bei einer Lösung, die jedes Endgerät mit einem eigenen Port versorgt, ist eine Schaltung als Router Port unnötig, weil das Subnetz nur aus einem Element besteht. Ein Router Port wäre sinnvoll, wenn mehrere Stationen davon versorgt würden. Dann ist aber das Problem groß, die Anzahl der Stationen festzulegen, um nicht die Vorteile der Technologie zu verschenken. Obwohl die Bridge Ports viel teurer sind als z. B. Repeater Ports, kann man das Design für die Anwendung mit Desktops soweit optimieren, dass man insgesamt zu günstigen Konditionen kommt. Eine gängige Möglichkeit ist die Reduktion der Adresstafeln der Brücke, die diese für die Informationen über das Netzwerk benötigt. Während normale allgemeine Brücken für den Einsatz mit Backbone-Netzen Adresslisten mit über 10 000 Einträgen verwalten können müssen, brauchen die Brücken im Dedicated Ethernet nur einige wenige, im Extremfall nur eine einzige Adresse pro Port zu kennen, nämlich die derjenigen Station(en), die sie an ihrem Port versorgen. Die Begrenzung des Adressraums hat verschiedene Effekte. Der benötigte Speicherplatz für die Adressen wird deutlich reduziert, der benötigte Speicherplatz für die Zwischenspeicherung von Paketen, die darauf warten, dass die Brücke mit dem Suchen nach Adressen fertig wird, sinkt, und natürlich sinkt die benötigte Rechenleistung beim Suchen.

Um die Kosten bzw. den benötigten Platz auf dem Chip weiter zu reduzieren, implementieren manche Dedicated Ethernet Switches eine neue Methode zur Weiterleitung von Paketen, die als »Cut Through Switching« bezeichnet wird. Normalerweise werden Packet Switches mit einer Store-and-Forward-Architektur aufgebaut, bei der ein Paket vor der Weiterleitung vollständig zwischengespeichert und auf Fehler hin untersucht wird. Cut Through Switching erlaubt die Weiterleitung eines Paketes schon dann, wenn die Zieladresse vollständig ausgewertet werden konnte, d. h. wenn klar ist, an welchen Port das Paket weitergeleitet werden soll. Natürlich ist dieses Verfahren von sich aus wesentlich schneller als die konventionelle Architektur, und es ist berechtigt, bei immer besser werdender Qualität der Übertragungsstrecken und der besonderen Situation der Dedicated Ethernet Switches, bei denen ja die Endgeräte entweder direkt (maximale Mikrosegmentierung) oder in kleinen Gruppen angeschlossen sind, ein bezüglich der Fehlerkontrolle vereinfachtes Verfahren zu benutzen.

(Multi)-Gigabit Ethernet

Der Bedarf nach schnellen Übertragungstechnologien ist hoch, der Wunsch nach Kompatibilität zu bestehenden Lösungen und Investitionsschutz allerdings auch. So hat es beginnend mit ersten Aussagen im Jahr 1996 eine in Grunde genommen unglaublich zügige Weiterentwicklung der Ethernet Technologie gegeben: Gigabit Ethernet. Wie der Name schon sagt, soll damit die Nominalleistung des bestehenden und standardisierten Fast Ethernet nochmals um den Faktor 10 gesteigert werden. Dies stößt sowohl bei der optischen als auch und erst recht bei der metallischen Übertragungstechnologie an arge Grenzen, handelt es sich bei den in LANs verwendeten Übertragungsmedien doch fast immer aus Kostengründen um solche minderer Qualität, die z.B. ein professioneller Carrier auf keinen Fall einsetzen würde. Diese Medien und die zu ihnen passenden Steckverbinder bereiteten schon bei der Diskussion um Fast Ethernet einiges Kopfzerbrechen, geht man auf Gigabit Leistung, so stellt sich die Problematik in noch stärkerem Maße.

Wie nicht anders zu erwarten umfasst der Gigabit Ethernet Standard Definitionen für die unteren zwei OSI Schichten und darüber hinaus Vorschriften für die Gestaltung der physikalischen Übertragungsmedien. Man muss auf der physikalischen Schicht zwischen den Versionen, die aus der Fibre Channel Technologie und derjenigen, die sich auf die Verwendung von Kat. 5 Verkabelung spezialisiert, unterscheiden. Kat. 5 ist eine der höheren Qualitätsstufen der Kabelspezifikationen nach EIA/TIA im Rahmen der Standards für strukturierte Verkabelung.

Das Architekturmodell ist einfach und klar: wegen der unterschiedlichen physikalischen Varianten benötigt man eine Zwischenschicht für die Aushandlung von Formaten.

Fibre Channel ist eine seit längerer Zeit bewährte Technologie für die Verbindung z.B. zwischen Host Systemen und steht in Kontext mit Lösungen wie die ESCON Kanalarchitektur von IBM, die schon vor über einem Jahrzehnt Datenraten von ca. 800 Mbit/s. ermöglichte. Fibre Channel war allerdings nie als LAN Technologie für die allgemeine Anwendung gedacht und wegen der geringen Stückzahl auch verhältnismäßig teuer. Die Spezifikationen für Fibre Channel wurden von ANSI unter X3T11 schon 1994 festgelegt. Zu leisten war also insbes. eine Anpassung an IEEE 802.3 in der bisherigen gewohnten Form und die Nutzung der 8B/10B Codierung des Fiber Channels mit einer Erhöhung der Fibre Channel Datenrate auf 1,25 Gbit/s. Fibre Channel ist allerdings, wie der Name schon sagt, keine Technologie für Twisted Pairs. Deshalb hat man die Standardisierung hierfür nach IEEE 802.3ab ausgelagert.

Es ergeben sich auf der Grundlage des Fibre Channels drei verschiedene Varianten für Gigabit Ethernet:

1000 BASE LX: Long Wavelength Laser (1300 nm) über Multi oder Monomode Faser
1000 BASE SX: Short Wavelength Laser (850 nm) über Multimode Faser
1000 BASE CX: Shielded Twisted Pair 150 Ohm

Ausgehend von der CSMA/CD MAC ergibt sich die Alternative der direkten Verwendung eines 1000 Base X 8B/10B Codierers/Decodierers oder die Verwendung des Gigabit Media Independent Interface GMI, welches entweder ebenfalls auf die 1000 BASE X Codierung oder auf die 1000 BASE T Codierung, auf die wir weiter unten kommen, führt. Mit der 1000 BASE X 8B/10B Codierung können die Elemente betrieben werden, die aus dem Fibre Channel kommen, also CX, LX und SX, während mit der 1000 BASE T Codierung auf einen 1000 BASE T Transceiver zugegriffen werden muss.

Um diese Alternativen ordentlich in das Schichtenmodell einzugliedern, musste man zu einer ähnlichen Struktur greifen wie bei Fast Ethernet. Eine Reconcilliation Teilschicht sorgt mit dem Medium Independent Interface dafür, dass alle technischen Varianten gleichermaßen benutzt werden können.

Insgesamt hat man sich wegen Unzulänglichkeiten im Verständnis der optischen Übertragungstechnologie auf eine Tabelle mit sehr bescheidenen Längenangaben geeinigt. Dies führt dazu, dass praktisch alle Implementierungen der etablierten Hersteller mehr können.

Netzwerk Betreiber werden mit dem Gigabit Ethernet Standard in die Lage versetzt, 1000 BASE T über die Kat. 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 Kat. 5 Verkabelung ersetzen zu müssen. Es war das technische Ziel der IEEE 1000 BASE T Task Force, die Spezifikationen so zu gestalten, dass jede Verbindung, die z.Zt. von 100 BASE TX benutzt wird, ebenfalls 1000 BASE T unterstützt.

Wie schon bei allen anderen Switching Verfahren wird auch bei Gigabit Ethernet ein Zugriffs Kontroll Machanismus bei der Verwendung von Full Duplex Verbindungen bei einem Switch überflüssig. Die Ausdehnung eines geswitchten Netzes ist nur noch von den Begrenzungen durch die Nachrichtenübertragung abhängig. Wie schon weiter oben angedeutet, wird das Auto Negotiationsverfahren um die übertragungstechnischen Varianten von Gigabit Ethernet erweitert und es entsteht das Gigabit Media Independent Interface GMII, welches auch schon auf den Bildern weiter oben sowohl in seiner Positionierung hinsichtlich des Referenzmodells als auch bezüglich seiner tatsächlichen Lage in 1000 BASE T gezeigt wurde.

Die internen Schaltleistungen moderner LAN Switches sind erstaunlich und liegen in der aggregaten Bandbreite oft weit jenseits des Gigabit/sec. Bereiches. Switches mit nur einer Übertragungsgeschwindigkeit sind schlicht unbrauchbar. In jedem üblichen Client/Server Konzept gibt es deutlich mehr Clients als Server. Also werden mehrere Clients Anfragen an einen Server haben, und dieser wird darauf antworten. Allgemein wird die Menge der Clients höchstens die Hälfte des Gesamtverkehrs aufbringen, die Menge der Server mindestens die andere Hälfte. Dies lässt sich leicht begründen: ein Client erzeugt eine einfach Anfrage in einem einfachen Datenpaket. Ein Server wird hierauf mindestens ein kleines Antwortpaket senden, er kann sich aber auch veranlasst sehen, mehrere Millionen Pakete zu schicken, wenn sich die Anfrage des Clients z.B. auf ein größeres Programm oder einen Videofilm bezog. Kennt man den Client/Server Verkehr, kann man das Verhältnis leicht ausrechnen. Eine Vorherbestimmung ist allerdings schwieriger, im Zuge der modernen Software Technologie wird eine derartige Vorhersage sogar mit Ausnahme der angegebenen Grenze immer unmöglicher, da die Kooperation nicht mehr so sehr auf der Basis einfacher Dateien und Befehle, sondern vielmehr auf der Kommunikation verteilter Objekte basiert. Ohne dies weiter zu vertiefen: die Server benötigen schnellere Anschlüsse, z.B. für 100 MBit/s. Dies bieten moderne, schöne modulare Switches der führenden Hersteller heute an.

Es gibt aber nur eine einzige wirkungsvolle Methode, diese schnelleren Anschlüsse auch zu nutzen: die Beibehaltung des Paketformates Ethernet 802.3.

10, 40 und 100 Gigabit Ethernet werden in der Reihe „Ethernet Evolution“ ausführlich behandelt. Oder Sie sehen sich dazu das Video 10/40/100 Gigabit Ethernet an!

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Ein Kommentar zu "Moderne LANs":

  1. Jonas schreibt:

    Hallo alle zusammen,
    vielen Dank für diesen informativen Beitrag. Mir war der Unterschied zwischen diesen verschiedenen Kabel nicht ganz klar, nun hat es sich aber geändert. Auf meinem Arbeitsplatz müssten wir ebenfalls eine Netzwerklösung durchführen, damit der Datentransfer zwischen den Arbeitsplätzen gegeben ist.

    Viele Grüße
    Jonas

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