Entwicklungen bei IEEE 802 im Ethernet-Bereich

Standards für Kupfer und Glasfaser

09. März 2005, 00:16 Uhr   |  Hans Lackner/pf Hans Lackner ist Gründer und geschäftsführender Gesellschafter von Axess-pro Networks und seit 1990 Voting Member im amerikanischen Normungsausschuss IEEE 802.3.

Die Normierungen der IEEE-Projektgruppe 802 haben inzwischen Technikgeschichte geschrieben. Jährlich kommen neue Standards hinzu: höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und erweiterte Einsatzbereiche in LAN, MAN und WAN. Neben den immer attraktiver werdenden Funktechnologien spielt die für Ethernet zuständige Arbeitsgruppe 802.3 weiterhin eine tragende Rolle. Wie geht es weiter mit 1, 10 und 100 GBit/s?

Die IEEE-Projektgruppe 802 (IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers), die sich
traditionell mit der Standardisierung von LAN- und MAN-Standards beschäftigt, verändert seit
einiger Zeit ihre Ethernet-Orientierung. War bis zur Jahrtausendwende Ethernet in allen Varianten
das Schwerpunktthema dieser Projektgruppe, so verlagerte sich dieser Schwerpunkt langsam aber
stetig in Richtung Funktechnologie (siehe separater Beitrag in dieser LANline-Ausgabe). Dennoch
bleibt Ethernet nach wie vor die beherrschende Technologie. Dieser Beitrag beschreibt zunächst die
Projektgruppe P802, ein amerikanisches Normungsgremium, und skizziert dann den Stand der Technik
sowie die absehbare Entwicklung im Ethernet-Bereich.

LAN- und MAN-Standards vom Projekt 802

Die IEEE-Projektgruppe P802 wurde, wie schon der Name verrät, im Februar 1980 mit dem Ziel
gegründet, Standards für lokale Netze zu entwickeln. Unter dem damaligen Beinamen LSC (LAN
Standards Committee) hat die Gruppe vor allem die Technologien CSMA/CD (802.3), Token Ring (802.5)
und Token Bus (802.4) normiert. Mit dem heute fast vergessenen DQDB-Standard (802.6) hat P802
seinen Wirkungsbereich auf die städtischen Netze erweitert. Der Beiname wurde in LMSC (LAN &
MAN Standards Committee) erweitert. So lautet der Beiname auch heute noch, obwohl bereits
WAN-Technologien genormt sind. Nach wie vor generiert P802 lediglich amerikanische Standards,
allerdings mit dem Ziel einer weltweiten Übernahme. So werden die fertigen Standards regelmäßig
ohne Änderungen von der ISO (International Standards Organisation) übernommen.

Die Standards der ersten Stunde waren auf feste Leitungen (Kupfer und Glasfaser) ausgelegt. Das
änderte sich, als im November 1990 die Gruppe 802.11 gegründet wurde, die sich mit Wireless Local
Area Networks beschäftigte. Heute bilden diese Funktechnologien den Schwerpunkt in der
Projektgruppe P802. Bild 1 zeigt deutlich die Übermacht der Wireless-Technologien (blaue Kästen):
Von den gegenwärtig elf Gruppen, die an zirka 40 Normierungsprojekten arbeiten, sind sieben Gruppen
mit Funktechnologien beschäftigt.

Entwicklungen bei 802.3

In Bezug auf das traditionelle Thema Ethernet zeigt die Entwicklungsarbeit von P802 deutlich
zwei Schwerpunkte: die Erhöhung der Geschwindigkeit auf 10 GBit/s und die Ausdehnung auf den
Zugangsbereich. Fertig gestellt sind die Standards EFM (Ethernet in the First Mile) und 10 Gigabit
Ethernet. Die gegenwärtige Ethernet-Arbeit vollzieht sich in drei Standardisierungsprojekten, drei
neue Ideen beschäftigen so genannte "Study Groups", und bei einem Projekt wurde das Interesse
erkundet (Call for Interest):

Die in den Jahren 2002 bis 2004 abgeschlossene Projekte sind:

802.3ae: 10GBase-x (10-GBit/s-Ethernet für Glasfaser),

802.3af: DTE Power (Power over Ethernet),

802.3ak: 10GBase-CX4 (10-GBit/s- Ethernet für Twinax) und

802.3ah: EFM.

Aktive Standardisierungsprojekte:

802.3an: 10GBase-T (10-GBit/s-Ethernet über Cat.-6-/Cat.-7-Kabel),

802.3ap: 10GBase-K (10 GBit/s beziehungsweise 1 GBit/s als Ethernet Backplane)
und

802.3aq: 10GBase-LRM (10-GBit/s- Ethernet über klassische
Multimode-Verkabelung).

Study Groups:

CM: Congestion Management,

FFE: Frame Format Extension und

RE: Residential Ethernet.

Call For Interest:

EpoE: Extended Power over Ethernet.

10 Gigabit Ethernet: Bandbreite satt

Die im Jahr 2002 verabschiedete Norm 802.3ae bietet Bandbreite für jeden Bedarf. Sie definiert
10-GBit/s-Interfaces für kurze (850 Nanometer), lange (1310 Nanometer) und extra lange (1550
Nanometer) Wellenlängen auf Multimode- und Monomode-Fasern. Bild 2 gibt einen Überblick über die
mit dem Standard verabschiedeten Interfaces und deren Reichweiten. Die große Zahl der Interfaces
resultiert aus zwei Tatsachen: Es werden LAN- und WAN-Technologien unterstützt, und es existieren
signifikante Preisunterschiede zwischen den einzelnen Technologien. So liegt der Port-Preis für ein
"billiges" LAN-Interface derzeit bei unter 5000 Euro. Für komplexere WAN-Ports muss der Anwender
noch 40.000 bis 70.000 Euro ausgeben. Verglichen mit den Sonet/SDH-Preisen, die im
10-GBit/s-Bereich bei 300.000 Euro liegen, zeigen sich jedoch die Vorteile von Ethernet.

Die weiteren Aktivitäten in diesem Bandbreitenwettrennen betreffen neue Interfaces: So wurde
10GBase-CX4, eine Technologie zur preiswerten Kaskadierung von Switches und Kopplung von Servern
über Twinax-Kabel, bereits im Jahr 2004 verabschiedet.

10 Gigabit über Kupfer

Die Hauptarbeit geht heute in die Gruppe 802.3an (10GBase-T), die eine Spezifikation für 10
Gigabit Ethernet über Cat.-6- oder Cat.-7-Kupferkabelnetze definiert. Diese Gruppe hat im Februar
2004 ihre Normierungsarbeit offiziell aufgenommen und verfolgt die folgenden Ziele:

Definition eines 10-GBit/s-Ethernet-Ports, der 100 Meter auf Cat.-7-Kabel und
mindestens 55 Meter auf Cat.-6-Kabel unterstützt.

Bereitstellung der Leistung über vier Leitungspaare für alle unterstützten
Entfernungen und Kabelklassen.

Die Bitfehlerrate soll auf allen unterstützten Entfernungen und für alle
Klassen nicht schlechter als 10–12 sein.

Anwendungen für diese Technologie sind hauptsächlich in Datenzentren zu sehen. Dort ist eine
durchschnittliche Kabellänge von 55 Metern ausreichend. Die erwähnte 10GBase-CX-Technologie wäre
allerdings nicht ausreichend, da sie nur 15 Meter über vier Twinax-Paare unterstützt. Die
Entwicklung dieses recht komplizierten Standards wird mit der Unterstützung der installierten
Leitungsbasis begründet. Dieser Argumentation zu folgen, fällt allerdings schwer, da sich erstens
die installierte Basis von Cat.-6- und Cat.-7-Kabeln in Datenzentren in Grenzen halten dürfte und
zweitens die für diese Geschwindigkeiten besser geeignete Glasfasertechnik dort leicht nachrüstbar
ist. Mit Sicherheit dürften die hohen Frequenzen in Zukunft auf Kritik stoßen: Wenn die Anwender im
Datenzentren ihre Handys nicht mehr benutzen können, wird diese Technologie nicht allzu viele
Befürworter finden. Die Fertigstellung der Norm 802.3an ist für Juli 2006 projektiert.
Zusammengefasst bedeutet 10GBase-T eine enorme technische Herausforderung und die erste Anwendung
für Cat.-6- und Cat.-7-Kabel. Ob allerdings echter Bedarf vorliegt, wird die Zukunft zeigen.

10 Gigabit über "FDDI-Grade"-Glasfaser

Vor dem Hintergrund, dass die einzige preiswerte und bereits genormte 10-GBit/s-Technologie über
klassische Multimode-Fasern (10GBase-LX4) bei den Herstellern auf wenig Resonanz stößt, sucht das
Gremium nach anderen preiswerten Alternativen für diesen Geschwindigkeitsbereich. Die Gruppe
802.3aq arbeitet seit 2004 an 10GBase-LRM mit folgenden Zielen:

Verwendung der existierenden 10GBase-R-Signalisierung (Blockkodierung "64b/
66b").

Die Bitfehlerrate soll besser als 10–12 sein.

Es sollen die folgenden Glasfasern entsprechend "IEC 60793-2-10: 2003"
unterstützt werden: 62,5 Mikrometer (160/500 MHz × km und 200/500 MHz × km) sowie 50 Mikrometer
(500/500 MHz × km, 400/400 MHz × km und 1500/500 MHz × km).

Die Norm soll mindestens folgende Entfernungen bieten: 220 Meter auf
installierter Multimode-Faser (FDDI Grade) mit 500 MHz × km sowie 300 Meter auf besserer
Multimode-Faser.

Der Zeitplan der Gruppe ist allerdings noch ehrgeiziger als bei 10GBase-T: Die fertige Norm soll
bereits Anfang 2006 herauskommen.

Gigabit Ethernet Backplanes

Die Gruppe 802.3ap Backplane Ethernet hat ihren Normierungsauftrag im Sommer 2004 erhalten und
arbeitet an der Spezifikation einer Ethernet Backplane. Im Einzelnen verfolgt man folgende
Ziele:

Verwendung des Ethernet- und 802.3-Frame-Formats am MAC Client Service
Interface.

Erhalt der minimalen und maximalen Frame-Länge des gegenwärtigen
802.3Standards.

Unterstützung von MDI (Media Independent Interface).

Das System soll über zwei Stecker auf Kupfer bis zu einem Meter arbeiten bei
Übertragungsraten von 1 GBit/s und 10 GBit/s.

Auto-Negotiation soll für eine automatische Anpassung der Geschwindigkeiten
sorgen.

Die Bitfehlerrate soll nicht schlechter als 10–12 sein.

Mittlerweile hat sich die Arbeitsgruppe auf eine Nomenklatur festgelegt: Für alle Techniken wird
der Buchstabe K ("K" assoziiert "Backplane") verwendet, und bei der Kodierung stehen "R" für
Blockkodierung ("64b/66b") sowie "X" für "8B/10B"-Kodierung. Folgende drei Varianten kommen zur
Verwendung:

1000Base-KX: 1 GBit/s, serieller Port (PMD – Physical Medium Dependent),

10GBase-KX4: 10 GBit/s, 4-Leitungs-Port (4-Lane) und

10GBase-KR: 10 GBit/s, serieller Port.

Die Verabschiedung des Standards ist für den Juni 2006 geplant.

Ausblick

Ein wesentlicher Punkt für das Entwicklungstempo einer Technologie ist die Geschwindigkeit, mit
der die Preise fallen. Da der Bandbreitenbedarf in nächster Zeit eher im WAN-Bereich liegen wird,
ist mit einer vergleichsweise langsameren Preisentwicklung bei Ethernet-Komponenten zu rechnen.
Allerdings sehen auch Firmen und Forschungsinstitute bereits die Notwendigkeit einer schnelleren
Ethernet-Technologie. So ist das Information Sciences Institute (ISI) der University of Southern
California eines der ersten, die 10-GBit/s-Ethernet in einem Produktionsnetz verwenden. ISI hat
10-GBit/s-Module in seinem LAN installiert, um den Verkehr einer Arbeitsgruppe von
Highend-Computern mit 1000Base-T-Interfaces zu aggregieren. Mit den fallenden Preisen im
1-GBit/s-Bereich wächst natürlich auch der Bedarf an schnelleren Backbones. So erwarten die
Experten eine Verdoppelung der installierten Basis im Jahr 2005. Damit stellt sich die Frage, wann
wir die nächste Technologiestufe erleben werden.

Verfolgt man die Entwicklungsgeschichte des Ethernets, so lässt sich erkennen, dass das Wachstum
schneller ist, als es das Moore’sche Gesetz voraussagt – zumindest im Bereich von 100 MBit/s bis 10
GBit/s. Entsprechend dieser Entwicklung wäre die nächste Stufe, 100 GBit/s, im Jahr 2006 zu
erwarten. Eine Zwischenstufe mit 40 GBit/s wird es nach Einschätzung des Autors nicht geben: Ebenso
wie alle Versuche, 2,5 GBit/s durchzusetzen gescheitert sind, werden auch alle 40-GBit/s-Vorschläge
scheitern. Der Zeitpunkt 2006 für 100 GBit/s erscheint allerdings zu optimistisch. Bis heute
existieren keine ernsthaften Bemühungen innerhalb von 802.3, eine Normierung zu starten. Hinzu
kommen die technologischen Probleme, die einen Normierungszeitraum von rund vier Jahren erwarten
lassen. Wenn die Aktivität in diesem Jahr gestartet würde (wofür es noch keine Anzeichen gibt –
zunächst einmal muss 10GBase-T fertig sein), so wäre 2009 das Jahr des 100-GBit/s-Standards.
Wahrscheinlich aber werden sich die Ethernet-Entwicklung und das Moore’sche Gesetz im Jahr 2010
wieder vereinigen.

Zugangsnetze: Ethernet auf der "letzten Meile"

Der zweite Ethernet-Schwerpunkt erweitert diese Technologie in den Zugangsbereich. "Ethernet in the First Mile" (EFM/802.3ah), das im Juni 2004 verabschiedet wurde, brachte ein Gegengewicht zu dem in diesem Bereich dominanten ATM (Asynchronous Tranfer Mode). EFM berücksichtigt sowohl Kupfer- als auch Glasfasertechnologien und gliedert sich in vier Gruppen:

EFM on Copper: Zugang über Kabel,

P2P on Fiber: Punkt-zu-Punkt-Zugang über Glasfaser,

P2MP: Punkt-zu-Mehrpunkt-Zugang über Glasfaser und

OAM: Operations, Administrations and Maintenance.

EFM on Copper ist Standard für die Übertragung von Ethernet-Frames über das klassische Telefonnetz. Mit der 10PASS-TS genannten VHDSL-Technologie (Very High-Speed Digital Subscriber Loop) lassen sich 10 MBit/s bei einer Entfernung von 750 Metern erreichen. Für größere Entfernungen ist eine 2PASS-TL genannte SHDSL-Technik (Single-Pair High-Speed Digital Subscriber Loop) definiert, die bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 2 MBit/s eine Ausbreitung von 2,7 Kilometer erzielt.

P2P on Fiber ist eine klassische 100/1000-MBit/s-Ethernet-Technologie, mit der sich die Reichweite auf zehn Kilometer erhöht und gleichzeitig die Anzahl der benötigten Fasern verringert. Hierfür existieren vier neue Interfaces: 100Base-LX10 und 1000Base-LX10 sind Erweiterungen der existierenden 100/1000-MBit/s-Ethernet-Techniken für Singlemode-Übertragungen bis zu zehn Kilometer. Während 100/1000Base-LX10 zwei Fasern verwendet, handelt es sich bei 100/1000Base-BX10 um ein Wellenlängen-Multiplex-Verfahren, das mit einer Faser auskommt: Sende- und Empfangsdaten werden mit unterschiedlichen Wellenlängen (1310 und 1490 Nanometer) übertragen.

P2MP (Point-to-Multipoint) ist eine optische Broadcast-Technologie, mit der sich Informationen von einer Zentrale an viele Teilnehmer (maximal 32) senden lassen. Für Sende- und Empfangsrichtung wird eine Faser verwendet (Wellenlängen-Multiplex). Für die Multipoint-Funktionalität kommt ein optischer Splitter zum Einsatz, der die Information auf die einzelnen Häuser verteilt. Die physikalische Realisierung erfolgt über eine 1000Base-PX genannte WDM-Technologie (Wavelength Division Multiplexing). Es werden zwei Verfahren angeboten: 1000Base-PX10 für Entfernungen bis zu zehn Kilometern und 1000Base-PX20 für 20 Kilometer.

Die vierte EFM-Gruppe beschäftigt sich mit dem Management. Diese nennt sich - wie im WAN üblich - OAM (Operation, Administration and Maintenance). Funktionen von OAM sind Remote Error Indication, Remote Loopback und Link Monitoring.

Insgesamt definiert EFM acht Interfaces für drei unterschiedliche Verfahren, die in Bild 4 zusammengefasst sind. Wie zu erkennen ist, liegt der Schwerpunkt der Technologie auf den Glasfaserverbindungen. Ob sich mit den Kupfertechnologien die Dominanz von ATM brechen lässt, bleibt abzuwarten. Die Konzentration auf die Glasfasertechnologie lässt ahnen, dass - zumindest in den USA - das Fiber-to-the-Home-Zeitalter angebrochen ist.

Study Groups

Drei Gruppen, die im Sommer 2004 ihren CFI (Call for Interest) erfolgreich hinter sich gebracht
hatten, arbeiten inzwischen daran, den Normierungsauftrag zu erhalten:

Congestion Management,

Frame Format Extension und

Residential Ethernet.

Congestion Management: Unter diesem Begriff will man offenbar ATM-Funktionen in das gute alte
Ethernet einschmuggeln, um damit Quality of Service (QoS) zu realisieren. Immerhin scheint der
aktuelle Versuch erfolgreicher zu verlaufen, als vorangegangene Ansätze. Das Vorhaben ist bereits
definiert und könnte in Kürze den Normierungsauftrag erhalten.

Frame Format Extension: Die Notwendigkeit, das Frame-Format anzupassen, gab es bereits bei der
Einführung der VLANs (Virtual LANs), die einen zusätzlichen Frame Header benötigten. Damals hat man
mühselig alle Stellen in der Norm gesucht, an denen Anpassungen notwendig waren. Inzwischen kommen
aus dem Bereich "Provider Bridge" (802.1ad) schon wieder Bestrebungen auf, den Header zu
verlängern. Hier muss eine prinzipielle Lösung gefunden werden, und das ist die Aufgabe dieser
Arbeitsgruppe. Der Vorschlag ist, einen "Umschlag" für unterschiedliche Inhalte anzubieten, der
variable Länge hat und damit auch für künftige Bedürfnisse verwendbar ist. Die größte Zustimmung
erhielt eine maximale Frame-Länge von 2000 Byte. Die Gruppe wird wohl schon sehr bald ihren
Normierungsauftrag erhalten und auch recht schnell zum Ziel kommen, da durch die VLAN-Technologie
bereits die notwendigen Schritte bekannt sind. Die Vollendung des Standards ist für den Oktober
2005 geplant.

Residential Ethernet: Auch dieses Thema hört sich vernünftig an: Home-Multimediaanbieter haben
das Problem, ihre Geräte über ein Netz zu koppeln. Warum nicht einen Standard kreieren, den diese
Firmen verwenden können? Ethernet böte sich zwar an, 802.3 bereitet aber in puncto QoS Probleme.
Noch ist nicht klar abzusehen, ob letztlich ein Standard für diese Aufgabenstellung entwickelt
werden soll.

Fazit

Die EFM-Norm ist verabschiedet. Damit kann Ethernet die ATM-Technologie auch in ihrer letzten
Domäne ernsthaft angreifen. Gegen die heute von ATM verwendete ADSL-Technologie ist SHDSL mit 2
MBit/s und einer Reichweite von 2,7 Kilometer positioniert. Hinzu kommt die ebenfalls über Kupfer
eingesetzte VDSL-Technologie mit 10 MBit/s über 750 Meter. Allerdings fährt der Zug in Richtung
Fiber-to-the-Home: Der Erfolg von EFM wird sich daher hauptsächlich im Glasfaserbereich
einstellen.

Das Hauptaugenmerk bei 10 GBit/s liegt gegenwärtig auf der Kupfertechnologie, die dort erst noch
ihre Existenzberechtigung beweisen muss. Die Argumentation ist nicht ganz schlüssig, wenn die
Notwendigkeit mit der Unterstützung der installierten Basis begründet wird. Wo ist die große Basis
an installierten Cat.-6- und Cat.-7-Kabeln in den Datenzentren? Wenn schon Kabel neu installiert
werden müssen – warum nicht gleich Glasfaser. Die Normierungsenergie sollte auf ein preiswertes
Glasfaser-Interface verwendet werden.

Eine weitere Geschwindigkeitssteigerung bei Ethernet ist gegenwärtig nicht in Sicht. Aktuell
diskutieren die Gremien weder über 100 GBit/s noch über 40 GBit/s. Andererseits sind derzeit keine
Anwendungen in Sicht, die eine solche Bandbreite benötigen. Im Einzelfall lässt sich eine
Bandbreite dieser Größenordnung leicht durch vorhandene Techniken wie beispielsweise Link
Aggregation, Kanalbündelung und Wellenlängenmultiplex realisieren. Nach Einschätzung des Autors
wird das IEEE die Normierung von 100 GBit/s im Jahr 2006 beginnen, die endgültige Norm wird dann
voraussichtlich 2010 vorliegen. Über 40 GBit/s wird wahrscheinlich nicht diskutiert werden.

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