Stand der Ethernet-Technik
Zurück zu den Ethernet-Wurzeln
Ethernet und die strukturierte Verkabelung gehören bereits zur Ü30-Generation. Anlass genug, um aus der Historie Lehren für die künftige Entwicklung zu ziehen. LANline-Autor Hans Lackner ist seit 1990 Voting Member im amerikanischen Normungsausschuss IEEE 802.3 und an der Ethernet-Standardisierung von 10 Megabit bis 100 Gigabit beteiligt. Hier seine Bestandsaufnahme.
Als die IEEE im Februar 1980 das Projekt P802 startete, gab es bereits eine Ethernet-Realisierung. Die DIX-Gruppe (Digital, Intel und Xerox) hatte den Namen Ethernet für ihr Netz reserviert. Damit blieb für das IEEE-Projekt nur der Name CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Den trug man jedoch mit Stolz und machte allen klar, dass CSMA/CD viel besser sei als Ethernet. Durch Verwendung des Typen- als Längenfeld hatte man den Hamming-Abstand erheblich verbessert. Mit dieser Größe bezeichnen Experten die Unterschiedlichkeit von Zeichenketten.
Ethernet und CSMA/CD gemeinsam war allerdings, dass man eine "Multidrop"-Technik geschaffen hatte, die erhebliche Geschwindigkeitsvorteile gegenüber der damals verwendeten seriellen Kommunikation hatte. Eine Geschwindigkeitssteigerung um den Faktor 1.000 (von 9,6 kBit/s auf 10 MBit/s) hat es nie wieder in der Kommunikationstechnik gegeben. Euphorische Schätzungen ergaben, dass man etwa 1.000 bis 2.000 der herkömmlichen Geräte an ein Netz anschließen könnte. Wichtig: Der PC war noch nicht erfunden und somit nur serielle Terminals mit 9,6 kBit/s anzuschließen. Auch war der Preis der Systeme damals so hoch, dass sich nur Firmen oder Forschungseinrichtungen ein solches Netz leisten konnten. Die Kosten für das erste deutsche Ethernet, das LINK (Lokale Informatik Netz Karlsruhe), lagen 1982 bei etwa 80.000 DM. Dabei bot es lediglich eine Verbindung von acht seriellen Terminals (9,6 kBit/s) mit einem Rechner. Außerdem war das "Yellow Cable" so unhandlich, dass die Verwendung in Firmen auch nicht sehr beliebt war.
Daran änderte auch das dünnere, schwarze "Office"-Kabel wenig. Erst das TP-Kabel (Twisted Pair) brachte den Durchbruch und hat Ethernet das Leben gerettet. Das "Balanced Cable", wie die offizielle Bezeichnung lautet, war Voraussetzung für die Abkehr von der Multidrop-Technik. Alle anderen Konzepte, die an Multidrop festhielten - etwa Token Ring, Token Bus oder FDDI - sind heute ausgestorben.
Verschwinden von CSMA/CD sichert Ethernet-Überleben
Ethernet hat schließlich überlebt, weil sich das System von einer Mehrpunkt-Technik zu Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wandelte und damit CSMA/CD abschaffen konnte. Möglich war dies einerseits durch die Verwendung von preiswerten-TP Kabeln, andererseits wurde Bridging (Switching ist der Marketingname dazu) so günstig, dass man es sich erlauben konnte, nur ein Gerät an ein "Netz" anzuschließen.
Damit waren die folgenden Probleme von CSMA/CD ausgemerzt:
- Fehleranfälligkeit: ein fehlerhaftes Gerät behindert das gesamte Netz,
- Skalierbarkeit: Alle Geräte im Netz müssen die gleiche Geschwindigkeit haben,
- Sicherheit: Alle Information lässt sich überall abhören und korrumpieren,
- Real-Time-Fähigkeit: Durch Kollisionen sind Echtzeit-Antwortzeiten kritisch, und
- Ausdehnung: Ausdehnungsgrenzen sind durch das Protokoll festgelegt.
15 Jahre nach Beginn dieser Entwicklung war es so also möglich, auch höhere Geschwindigkeiten (100 MBit/s) zu verwenden. Allerdings dauert es weitere drei Jahre, bis "Full Duplex" Einzug in die Ethernet-Technik hielt. Erst mit 1000Base-T taucht im Jahre 2000 dieser Begriff in der Norm auf. Dennoch musste damals noch jede Norm CSMA/CD-Funktionalität enthalten, obwohl diese bereits bei Gigabit Ethernet völlig sinnlos war. Die schlechten Erfahrungen, die die Branche mit 100Base-VG gemacht hatte, erforderten ein CSMA/CD-Mäntelchen.
VG Voice Grade AnyLAN verbannten die Gremien von 802.3 nach 802.12 (und es ist dort auch bald verschwunden), nur weil der MAC-Layer (Medium Access Control) kein CSMA/CD, sondern ein Prioritätsverfahren verwendet hatte.
Die Erfolgsgeschichte von Ethernet erscheint also wesentlich bestimmt durch die Abkehr von der CSMA/CD-Technik. 10GBase-T ist die erste Ethernet-Kupfertechnik, die keinen CSMA/CD-Teil mehr hat. Damit wird Ethernet attraktiv auch für andere "Kultur"-Kreise wie zum Beispiel:
- Telekommunikation, hier hat Ethernet ISDN abgelöst,
- Telecom, wo PDH und SDH ersetzt wurden,
- ebenso ersetzt es separate Audio- und Video-Netze,
- Zugangsnetze mit P2MP (Point to Multipoint) und PoN (Passive Optical Networks),
- Datacenter verwenden NAS (Network Attached Systems),
- Stromversorgung, PoE (Power over Ethernet),
- Industrienetze, Ablösung von Feldbussen, Sensor/Aktor-Busse sind im Visier und
- Automotive, dort sind CAN-Bus & Co. das Angriffsziel.
2015 erreichte die Kupfertechnik mit 40 GBit/s ihren einstweiligen Höhepunkt. Allerdings setzte sich diese Technik auf dem Markt nicht durch. Die gleichzeitig genormte 25-GBit/s-Technik macht offenbar stattdessen das Rennen. War die 10GBase-T im Anfangsstadium schon nicht sehr erfolgreich, so ist 40GBase-T ein völliger Flop.
Gegenwärtig konzentriert sich P802.3 im Kupferbereich auf langsamere Geschwindigkeiten vor allem für Industrie und Automotive Netze. Bereits im Jahr 2015 verabschiedete man 100Base-T1 und ein Jahr später 1000Base-T1. Beides arbeitet mit einem Kupferpaar (Single Pair) anstelle von zwei oder vier Paaren und soll insbesondere in der Industrie zum Einsatz kommen. In Arbeit ist gegenwärtig 10Base-T1 mit einem speziellen Fokus auf den Automotive-Markt. Mit 10 MBit/s ist man bereits wieder bei den Wurzeln angekommen. Um nun jedoch vollständig zurück auf Start zu gehen, steht auch noch die Definition eines neuen Multidrop-Protokolls an. Damit nicht der Eindruck entsteht, CSMA/CD würde neu erfunden, haben die Experten es diesmal PLCA (Physical Layer Collision Avoidance) genannt.
Natürlich weiß jeder, dass eine MAC-Funktion nicht in die physische Schicht gehört. Daher hat man PLCA in den sogenannten RS (Reconciliation Sublayer) verlegt, eine Zwischenschicht zwischen MAC und Physical Layer. Augenscheinlich benötigen die Systeme im Automotive-Bereich Multidrop, damit die Entwickler sich in ihrer gewohnten Busumgebung wohl fühlen. Die Begründungen für Multidrop erscheinen allerdings fadenscheinig:
- Kosten: Es seien andernfalls zusätzliche Switches nötig. Dabei ist nicht berücksichtigt, dass die Kosten von (möglicherweise integrierten) Switches durch den Wegfall teurer PLCA-Interfaces mehr als ausgeglichen werden,
- Kosten: Mehr Verkabelung sei notwendig. Das Argument ist jedoch ebenfalls wenig stichhaltig, da bei gut strukturierten Netzen nicht mehr Kabel nötig sind als für Busnetze, und
- Real-Time-Fähigkeit: Auch dabei übersehen viele, dass Collision Avoidance ebenfalls Zeit verbraucht, und somit die Zeit für den Switch-Durchlauf ausgeglichen ist.
Was sollte die Branche also gelernt haben: Die Geschichte von Ethernet zeigt, dass Multidrop-Protokolle auf Grund der geschilderten fatalen Eigenschaften zum Untergang verdammt sind. Token Ring, Token Bus und FDDI sind ein Beleg dafür. Will man dies vermeiden, so muss man Multidrop ersetzen, sobald das technisch und finanziell möglich ist. Beide Voraussetzungen sind heute gegeben, und zwar genau dann, wenn die Netze ordentlich strukturiert sind. Damit ist PLCA auch im Automotive-Bereich überflüssig.
Woran IEEE 802.3 arbeitet
Der aktuelle Ethernet-Standard ist IEEE P802.3-2018 aus dem Jahr 2018 und enthält neben den sechs bereits existierenden zwei neue Sektionen. Dies sind Sektion 7 mit unter anderem der Single-Pair-Technik 100/1000Base-T1 sowie EPoC, also EPoN over Coax. Außerdem gibt es die Sektion 8 mit 200/400GbE-Technik.
Bereits verabschiedete oder in Arbeit befindliche Standards, sortiert nach ihren Anwendungsgebieten, sind die folgenden Bereiche:
Power over Ethernet: Dort ist der Arbeitskreis P802.3bt mit seinem Standard "4-Paar Power over Ethernet" fertig geworden, sodass man diesen im September 2018 veröffentlichen konnte. Stromversorgung ist nun möglich über ein Paar sowie zwei oder vier Paare mit bis zu 90 W. Die zweipaarige Version "PoE over 2 pairs? enthält allerdings noch Fehler. An deren Beseitigung arbeitet P802.3cq (Maintance Gruppe Nummer 13) und ist gegenwärtig beim Working Group Draft 2.0. Sie will bis zum November dieses Jahres fertig sein.
Im Bereich Datacenter und Provider arbeiten die Gremien hauptsächlich an höheren Geschwindigkeiten und größeren Entfernungen. Davon unterscheidet sich die Gruppe zu P802.3cb zu 2,5/5GBit/s Backplane Ethernet, die eine Technik für die "Objekt Disk" entwickelt. Objekt Disks speichern Objekte, auf die ein System direkt, also ohne über einen Server zu gehen, vom Netz aus zugreifen kann. Der Standard seit September 2018 veröffentlicht.
Ebenfalls veröffentlicht (Oktober 2018) ist der P802.3cd-Standard, der mittels einer neuen 50-GBit/s-Technik 50/100/200GbE über Multimode-Faser (MMF, 100 m) und Singlemode-Faser (SMF, 10 km) Kommunikationskanäle für Datacenter und Provider zur Verfügung stellt. Das Verfahren um 50 GBit/s nutzt auch die Arbeitsgruppe P802.3cm, die 400 GBit/s über acht MMF-Lanes über 100/150 Meter bereitstellen will. Dazu definiert sie zwei Interfaces: 400GBase-SR8 und bidirektional 400GBase-SR4.2. Sie befindet sich in der Workgroup-Abstimmung (Draft 2.0). P802.3cn nutzt diese Technik genauso wie P802.3ct, um 50/200/400 GBit/s (100 GBit/s für P802.3ct) über SMF über 40 km zu übertragen. Beide Arbeitsgruppen befinden sich ebenfalls in der Workgroup-Abstimmung (Draft D2.0).
1-Lane-100-GBit/s-Technik
Kaum hat sich die 1-Lane-50-GBit/s-Technik etabliert, taucht bereits 100 GBit/s auf. Über diesen Ansatz diskutieren gleich mehrere Arbeitsgruppen: P802.3ck definiert für 100/200/400 GBit/s elektrische Interfaces für die Kommunikation Chip zu Chip, Chip zu Modul, Backplane und Twinax bis zwei Meter. Die Gruppe befindet sich am Anfang ihrer Arbeit und legt gerade die Baseline-Parameter fest. Brandneu ist P802.3cu, wo auf Basis der 1-Lane-100G-Technik 100- und 400-GBit/s-Interfaces für SMF über zehn und 20 km definiert werden.
Zugangsnetze sind ein wichtiges Kapitel im Ethernet-Standard. Gegenwärtig sind EPON (Ethernet Passive Optical Network) Netze für 1 und 10 GBit/s mit 32 beziehungsweise 64 Endteilnehmern definiert. Da diese Geschwindigkeit in der Zukunft nicht ausreichen wird, arbeitet P802.3ca an der Erweiterung auf 25/50 GBit/s. Diese neuen Standards müssen natürlich mit den bisherigen kooperieren. Sie befinden sich derzeit in der Task-Group-Abstimmung (Draft D1.5). Weiterhin arbeitet auch P802.3cs an passiven optischen Netzen. Unter dem Begriff Super-PON sind nicht mehr einzelne passive optische Spitter definiert, sondern komplette passive Multiplex-Netzwerke. Die Arbeit befindet sich im Baseline-Stadium (Draft D0.1).
Neben den passiven optischen Netzen entwickeln die Experten auch die aktiven Pendants weiter. P802.3cp arbeitet an 10/25/50-GBit/s-tauglichen bidirektionalen optischen Interfaces, mit denen sich Downstream und Upstream über eine Faser abwickeln lassen. Aktuell ist der Draft D1.0 in Arbeit.
Management und Maintenance
Management gehörte bei IEEE 802.3 zu den lange vernachlässigten Themen. Schlussendlich haben sich die Beteiligten dann jedoch entschlossen, die für Ethernet relevanten MIBs (Management Information Bases) in einem SNMP-Standard (Simple Network Management Protokoll) zusammenzufassen. Er trägt den Name P802.3.1. Allerdings ist die Entwicklung längst fortgeschritten. Folgerichtig beschäftigt sind P802.3cf mit der nächsten Generation namens YANG (Yet Another Next Generation). Sie wird P802.3.2 heißen und ist fast fertig. Es steht lediglich die abschließende Genehmigung aus. Mit dem Thema Maintenance beschäftigt sich P802.3cr und dabei vorrangig mit der Isolation. Diese ist im gesamten Ethernet-Standard den neuesten Entwicklungen anzupassen. Bei dieser Gelegenheit sollen auch die Kapitel 10Base5 ("Yellow Cable") und 10Base2 ("Office Cable") gelöscht werden, was für manche Insider dem Mord an Vater und Großvater des Ethernets gleichkommt.
Automotive und Industrie
Nachdem die Bereiche Automotive und Industrie bereits 2015 mit 100Base-T1 und 2016 mit 1000Base-T1 Einzug gehalten haben, gibt es nun weitere Gruppen die sich um diese Anwendungen kümmern. P802.3cg definiert 10MBit/ Single Pair Ethernet für Automotive- und Industrie-Anwendungen. Die Stecker für 10Base-T1 sind definiert. Dabei hat sich der von Harting ins Rennen gebrachte Industriestecker zusammen mit einem LC-Typ durchgesetzt. Besonders umstritten ist jedoch das von der Automotive-Industrie geforderte PLCA-Verfahren (Physical Layer Collision Avoidance), das, wie schon erwähnt, ein MAC-Verfahren in die physische Schicht verlegen will. Dies führt natürlich zu heftigen Widerspruch. Dennoch hat man den Draft D3.0 erreicht und hofft noch in diesem Jahr den Standard veröffentlichen zu können. Höhere Geschwindigkeiten im Automotive-Bereich sind ein weiteres Thema. P802.3ch beschäftigt sich mit "Multi Gigabit for Automotive". Dort sind die Baselines definiert, und man stimmt in der Task Group ab (Draft D1.2).
Um noch höhere Geschwindigkeiten ging es bei einen CFI (Call For Interest) mit dem Titel "Beyond 10 Gb/s Electrical PHYs". Dieser CFI wurde mit großer Mehrheit angenommen. und es entstand eine Study Group, die das Standardverfahren vorbereiten soll. Weniger erfolgreich war eine Abfrage nach Interesse an "Multi Gigabit PoF (Plastic optical Fiber)". Sie ergab, dass Gigabit PoF heute noch kaum Anwendung findet, sodass die Gremien einen CFI für höhere Geschwindigkeiten zurückgestellt haben.
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