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1000BaseT: Wie sinnvoll sind Gigabits auf UTP-Kabeln?
Das Bessere ist des guten Feind. Dieser Satz findet offenbar seine Bestätigung in der derzeit zu beob- achtenden Diskussion um Gigabit-Ethernet. Diese nächste Generation des inzwischen weit verbreiteten Fast-Ethernet 100BaseT hat mit Argumenten wie z.B. der weitestgehenden Kompatibilität zu (Fast-) Ethernet und nicht zuletzt mit der Bekanntheit des Namens sogar das vorher gestartete ATM 622 MBit/s überrundet. Was sind jedoch die Auswirkungen für den Netzwerkbetreiber, der weiter nichts als schnellen und sicheren Datentransfer in seinem Netz im Sinn hat. Dieser Beitrag bezweckt eine möglichst sachliche Betrachtung der den physical Layer PHY betreffenden Aspekte sowie eine Hand- lungsempfehlung für angehende Netzwerk-Investoren, die ein berechtigtes Interesse an der derzeit nur schwer erhältlichen Planungssicherheit haben.

Standardisierung : Vorder- und Hintergrund
Seit dem Frühjahr 1998 konkretisieren sich die Vorstellungen des Normungsgremiums IEEE802.3ab, eines Unterkomitees jenes US-Gremiums, das die Grundlagen für künftige Netzwerkstandards von der Systemseite setzt: Gigabit-Ethernet. Der physical Layer dieses Standards sieht vier Medien als Basis eines Netzwerks vor:
1000Base-SX: Gradientenindex(GI)-Glasfaser bei 850 nm, 1000Base-LX: GI-Faser oder Singlemode (SM)-Glasfaser bei 1300 nm und als drittes Medium 1000Base-T: Klassisches UTP Category 5. Daneben wurde mit 1000Base-CX eine Kupferkabelvariante definiert, die sich wegen der Längenre- striktion von 25 m lediglich für Server-Server- oder Switch-to-Switch-Verbindungen eignet und als Tertiärverkabelungsmedium nicht infrage kommt. Die Cat.5-UTP-Option scheint insbesondere für den amerikanischen Markt verlockend. Immerhin sind in den USA bereits 70% der Netze in Cat.5 verkabelt. Ähnlich dem bereits 1994 kreierten 100BaseVGAnylan, das mit einfachen Cat.3-Kabel - also etwa ISDN-Telefonkabeln - Fast-Ethernet- Geschwindigkeit erreichte, wird dieser Weg auch bei der Markteinführung von Gigabit-Ethernet als hilfreich angesehen. Der Kniff an der Sache liegt in der Signalverarbeitung, die u.a. durch Mehrstufenkodierung die erforderliche Bandbreite des Mediums reduziert und so Einsparungen beim Kabel ermöglicht. Damit erklärt sich, warum ausgerechnet dieser Weg gewählt wurde. Nicht etwa der dominierende Preis einer passiven Netzwerkverkabelung sondern vielmehr der Faktor "Time-to-market" gilt als ausschlaggebend für den Erfolg, und der Verkauf neuer Produkte gestaltet sich nun einmal einfacher, wenn bereits die Basis für diese installiert ist. Zwar halten die Anbieter von Gigabit-Ethernet-Produkten die kurzfristige Notwendigkeit von Gigabit-Ethernet in der flächendeckenden Etagenverkabelung bis zum Arbeitsplatz eher für die Ausnahme, Hauptanwen- dung dürfte zunächst das Unternehmens- Backbone oder allenfalls die Server-Switch-Verbindung im Sekundärbereich sein. Dennoch gehört zu einer umfassenden Standardisierung offensichtlich auch das Aufzeigen von heute eher unwahrscheinlichen weil problematischen Lösungen.

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Konsequenzen für den Anwender
Darf der Anwender davon ausgehen, daß sich durch einfaches "Kartentauschen" die Netzperformance der Eagenverkabelung um den Faktor 10 steigern läßt? Eine ehrliche Antwort muß lauten: Kann sein?! Der Grund für diese Ambivalenz: die Übertragung nach 1000BaseT erfolgt in geradezu abenteuerlicher Weise (siehe Kasten) über alle vier Paare gleichzeitig, sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrich- tung. Über jedes Paar werden dann 250 Mbit/s geführt. Damit sich die Daten aus diesem Mix wieder- gewinnen lassen, ist eine umfangreiche Signalverarbeitung zur Echo- und NEXT-Kompensation not- wendig. Die hierfür verwendeten digitalen Signalprozessoren (DSP) führen pro Port zu einem Schal- tungsaufwand, der einem 486-Prozessor entspricht. Die Kosten pro Port steigen damit erheblich.
Aus dieser komplizierten Signalführung resultieren zudem neue Anforderungen an die Verkabelung. Sende- und Empfangssignale werden hier bewußt zusammengeführt. Die Trennung erfolgt im Empfän- ger durch Differenzbildung zwischen gemessenem und gesendeten Signal, was jedoch analog abläuft und demnach an Dynamikgrenzen stößt. Da mehrere Signale gleichzeitig übertragen werden, kommt es bei der bekannten Größe NEXT zu Überlagerungen der einzelnen Störbeiträge. Da es sich stets um Zufallssignale handelt, addieren sich nicht die Signalspannungen sondern die Signalleistungen und führen z.B. als Powersum-NEXT zu einer Verschärfung der Anforderungen an das Medium Kabel.
Zusätzlich treten jetzt Werte wie FEXT (Fernnebenprechen) bzw. das auf den Empfangspegel bezoge- ne EL-FEXT (equal-level-far-end-crosstalk) sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Skew (Laufzeitunterschied der Signalkomponenten) in den Vordergrund. Bisher als Cat.5 qualifizierte Netze sind hinsichtlich dieser Eigenschaften wahrscheinlich betriebsfähig, eine allgemeine Aussage kann an dieser Stelle jedoch nicht gegeben werden, da bestehende Verkabelungen bislang nie auf diese Eigen- schaften gemessen wurden. Anwender können also keineswegs davon ausgehen, daß ihre neuen Sys- teme problemlos auf vorhandenen Cat.5-Verkabelungen laufen.

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Darstellung der NEXT- und FEXT-Beziehungen bei einer bidirektionalen Vierkanalübertragung von 1000Base-T.

Augendiagramme der verwendeten Leitungscodes von 100Base-T und 1000Base-T im Vergleich. Durch fünf statt drei Spannungspegel reduziert sich der Signal-Rausch-Abstand um 6 dB.

Handlungsempfehlungen
Die technischen Fragen, die z.Z. noch ungelöst im Raum stehen, machen konkrete Handlungsempfehlungen schwer. Erst im März 1999 kann mit einer abgestimmten Norm für 1000Base-T gerechnet werden. Hinzu kommt die derzeit fortschreitende Standardisierung bei den Datenkabeln, u.z. in ISO/IEC in Gestalt einer Cat.6. Die hat ursächlich zunächst nichts mit Gigabit-Ethernet zu tun, wird aber zuweilen diesem Normungsprozeß zugeordnet. Tatsache ist, daß bei Category 6-Kabeln bis 250 MHz heute Eigenschaften definiert werden, die Anwendungen wie z.B. 1000Base-T ermöglichen sollen. Notwendig für den Betrieb von 1000Base-T ist eine Category 6 jedoch nicht, solange man von der grundlegenden Streckenpeformance, ausgedrückt durch den ACR-Wert im Link bei der höchsten zu übertragenden Signalfrequenz, ausgeht. Die herrschende Verunsicherung der Anwender ist aber eigentlich unbegründet. Der dominierende Kupferkabeltyp in Deutschland ist ein paargeschirmtes AWG23-Kabel mit Geflechtsschirm, z.B das UC600 SS23/1 4P aus dem Haus NK Networks, das sich seit gut zwei Jahren als "Industriestandard" durchgesetzt hat.

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Dieses Kabel hat, mit vergleichbar hochwertigen Komponenten abgeschlossen, Leistungsdaten, die einen 1000Base-T Betrieb trotz einzelner Fragen um konkrete Spezifikationsgrenzen problemlos möglich machen. Das durch Powersum-Bildung verschärfte NEXT-Niveau und das neue ELFEXT werden von dem Kabel problemlos erfüllt, da die Paarabschirmung für mehr als ausreichende Reserve sorgt. Die Konstruktion mit Paarschirm erlaubt einen Seelenaufbau des Kabels, der die niedrigen Skew-Werte kleiner 50ns ebenfalls mit Sicherheit erreichbar macht. Anwender, die dieses Kabel vor vielleicht zwei Jahren in ihrem Netz installiert haben, erleben damit heute, was Investitionssicherheit in der Praxis bedeutet.
Die Tatsache, daß 1000Base-T seitens IEEE802.3ab auf Cat.5 UTP definiert wird, sollte im übrigen nicht so interpretiert werden, daß ein UTP-Kabel hier die geeignetste Lösung darstellt. Die Begriffs- wahl hat vielmehr etwas mit in den USA üblichen "Schubladen" für die Kabeltechnik zu tun, die bei Cat.5-Kabeln praktisch nur UTP kennen. Der kritische Anwender wird bei seinen Anbietern problem- los Spreu und Weizen trennen können, indem er einen Blick auf die relevanten Zahlen beim ACR im Link wirft. Vollmundige Beteuerungen, daß im Labor schon 2Gbit/s über ein UTP Kabel übertragen wurden, nützen ebensowenig wie auf Hochglanzpapier gedruckte Garantieaussagen.

3 Schritte von 100Base-TX zu 1000BASE-T

Start mit einem 100Base-TX PHY auf Basis eines Digitalen Signalprozessors
Benutzung aller vier Kanäle (Paare) Vollduplex
- 400 MBit/s in beiden Richtungen
- Erfordert ECHO- und NEXT- Unterdrückung
- Erfordert Master/Slave Taktung
Entfernung der 4B/5B Kanalkodierung
- 500 MBit/s in beiden Richtungen
5 Stufen-Leitungskodierung
- 2 Bits/Symbol
- 1000 MBit/s in beiden Richtungen
- Erfordert FEC*, um die eingebüß- ten 6dB SNR wieder zurückzuge- winnen

FEC = forward error correction

Der Netzwerkerrichter, der heute eine Produktauswahl im Bereich Kupferkabel treffen muß, ist mit paarge- schirmten Konstruktionen wie dem UC600 SS23/1 4P besten bedient. Da, wo künftige Anwendungen eine Migration zu 600 MHz-Anwendungen nicht erforderlich machen, existieren interessante Lösungen im Cat.6- Bereich, die unter der Produktfamilie UC400.. von NK Networks bereits zur Cebit 98 vorgestellt wurden. Interessenten können kostenlos die neueste Produktinfo auf CD-ROM anfordern, die zu den vorgenannten Aspekten detaillierte Informationen liefert.

Quelle:
http://grouper.ieee.org/groups/802/3/ab/public/index.html

Carsten Fehr
Produktmanager Datenkabel
carsten.fehr@draka.com