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14.04.2000 - 

Zugriffsverfahren CSMA/CD wird nicht genutzt

Turbo-Ethernet auf dem Sprung ins Weitverkehrsnetz

MÜNCHEN (jha) - Die Highspeed Study Group (HSSG) hat hoch gepokert und gewonnen. Ihr Ziehkind, der geplante 10-Gigabit-Ethernet-Standard, ignoriert zwar das Herzstück des LAN-Klassikers, das Zugriffsverfahren CSMA/CD, darf sich aber dennoch Ethernet nennen. Damit ist der Weg der einstigen LAN-Technik ins Weitverkehrsnetz frei.

Es war ein heikles Unterfangen, das die HSSG in Angriff nahm. In ihrem ersten Anforderungskatalog hieß es nämlich, man strebe das Zehnfache des heute maximalen Ethernet-Tempos von einem Gbit/s an und wolle zugleich Distanzen von bis zu 80 Kilometern überbrücken. Beiden Wünschen stand jedoch das altbekannte und oftmals als Ethernet-Synonym verwendete Zugriffsverfahren CSMA/CD entgegen. Man entschied also, diesen elementaren Bestandteil des weltweit anerkannten LAN-Verfahrens fallen zu lassen. Damit lief die HSSG Gefahr, vom Standardgremium der IEEE nicht die Erlaubnis zu bekommen, sich als Arbeitsgruppe unterhalb des 802.3-Standard-Komitees zu etablieren. 802.3 umfasst nämlich alle Entwicklungen, die sich um CSMA/CD ranken. Das angestrebte Hochgeschwindigkeitsverfahren hätte somit nicht das werbewirksame Etikett Ethernet führen dürfen.

Das IEEE entschied jedoch ganz im Sinne der an der Entwicklung von 10-Gigabit-Ethernet beteiligten Unternehmen. Sie verlieh der Arbeitsgruppe die Standardbezeichnung 802.3 ae. Damit kann sie nun unter dem Ethernet-Dach die bereits definierten Ziele weiterverfolgen und wie geplant bis zum März 2002 zum Abschluss bringen, obwohl CSMA/CD kein Bestandteil des angestrebten Standards ist. "Das ist sicherlich das Brisanteste an der ganzen Normierung", ereifert sich Hans Lackner vom Beratungshaus Qoscom in Stutensee. Warum sich das zuständige 802-Konsortium erweichen ließ, ist unverständlich, da sich das Gremium in einem früheren, ähnlichen Fall anders entschieden hatte.

Unter Berufung auf das Ethernet-typische Zugriffsverfahren verwehrte das IEEE 1994 dem LAN-Verfahren und Fast-Ethernet-Konkurrenten 100Base-VG Anylan das Etikett Ethernet. Das damals von Hewlett-Packard, IBM und AT&T vorangetriebene 100Base-VG-Anylan-Projekt verzichtete zugunsten des Zugriffsverfahrens Demand Priority auf CSMA/CD, um einige Schwächen des LAN-Klassikers zu umgehen. Die Hüter der Normierung akzeptierten die an Token-Ring-Mechnismen angelehnte Übertragungstechnik zwar als Standard, nicht jedoch als Untermenge der 802.3-Sektion. HP und Mitstreiter mussten sich mit der Normenbezeichnung 802.12 zufrieden geben. 100Base-VG Anylan ist mittlerweile eine Episode von gestern, es wird heute weder genutzt noch weiterentwickelt.

Diesen Präzedenzfall vor Augen, haben schon die Macher des derzeit aktuellen Gigabit-Ethernet-Standards die Konsequenzen der möglichen Entscheidung gescheut, das CSMA/CD-Prinzip einfach fallen zu lassen.

"Bei der Standardisierung von Gigabit Ethernet hat man schon getrickst, indem man die Verfahren Carrier-Extension und Packet Bursting einführte", erklärt Rolf Wildhack, Manager Competence Center Information & Communication bei der Pecos GmbH, Hamburg. Um schnelle Transferraten über eine annehmbare Entfernung (200 Meter) zu erzielen, wurde nämlich mittels Packet-Extension die minimal zulässige Paketlänge künstlich auf 512 Byte verlängert. Der ursprüngliche Ethernet-Standard sieht 64 Byte vor. Damit die Nettodatenrate nicht darunter litt, wurde das Verfahren Packet Bursting entworfen. Damit lassen sich mehrere kurze Frames mit Nutzdaten in einem 512-Byte-Block bündeln.

"CSMA/CD ist zwar Bestandteil von Gigabit Ethernet, in der Praxis ist es jedoch ohne Bedeutung geblieben", erläutert Rolf-Dieter Köhler, Gigabit-Ethernet-Experte beim Hersteller 3Com. Das derzeitig leistungsstärkste Ethernet wird fast ausschließlich in geswitchten Umgebungen verwendet. Da jeder Sender einen separaten Übertragungsweg zum nächsten Netzelement hat, kann die Strecke weder belegt sein, noch kann es zu Kollisionen mit anderen sendenden Stationen kommen. Das Zugriffsverfahren ist demnach in solchen Umgebungen sinnlos.

Das gleiche Einsatzszenario wird es im angestrebten 10-Gigabit-Ethernet-Standard geben, an der Frame-Länge soll sich jedoch nichts ändern. Die HSSG einigte sich darauf, lediglich Vollduplex-Mode (getrennte Hin- und Rückkanäle) sowie Sternstrukturen mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu unterstützen. Das alles wird nur noch auf Glasfasertechnik basieren. Ein 10-Gigabit-Ethernet-Standard für Kupferkabel wird derzeit nicht diskutiert. "Ich vermute, dass es die Kupfervariante auch nie geben wird", spekuliert 3Com-Manager Köhler.

Das wird auch nicht unbedingt erforderlich sein, denn 10-Gigabit-Ethernet ist als MAN- und WAN-Übertragungsverfahren sowie als Backbone-Technik in Unternehmen vorgesehen - Kupferkabel ist bei dieser Form der Anwendungen nicht gebräuchlich. Derzeit sind drei Varianten in der Diskussion, die alle auf Lichtwellenleiter bauen. "10GBase-SX" ist eine Schnittstelle zum Anschluss von Multimode-Glasfaser. Die maximale Entfernung soll 300 Meter betragen. Die zweite Variante ist für den Anschluss an Multimode- und Singlemode-Kabeln vorgesehen. Mit dieser "10GBase-LX"-Ausführung lassen sich Distanzen von bis zu 15 Kilometern überbrücken.

Die einschneidendste Änderung ist jedoch der neu einzuführende "10GBase-EX"-Standard. Diese Schnittstelle definiert die Verbindung mit Singlemode-Lichtwellenleitern und erschließt dem Ethernet erstmals den WAN-Markt, denn die Entfernung wird auf wenigstens 40 Kilometer taxiert. "Realistisch sind durchaus 80 Kilometer", meint Lackner, "die Norm wird wohl Distanzen zwischen 50 und 80 Kilometer definieren." Damit betritt die HSSG Neuland, denn erstmals werden Ethernet mit einer Wellenlänge von 1550 Nanometer übertragen (drittes optisches Fenster, siehe Grafik). Bei vorherigen Ausführungen wurden jeweils die ersten beiden Fenster verwendet, dass heißt, es wurde mit Wellenlängen um die 850 beziehungsweise 1300 Nanometer gearbeitet (siehe Grafik).

Die EX-Ausführung erfordert Koppelelemente, die erst noch entwickelt werden müssen. "Das dürfte technisch machbar sein", lautet die Einschätzung des 3Com-Managers Köhler. Wie jede Neuentwicklung werden die entsprechenden Switches oder Einschubmodule zunächst sehr teuer sein. Hier vertrauen die 10-Gigabit-Ethernet-Verfechter auf einen altbewährten Mechanismus, von dem bislang sämtliche Ethernet-Varianten profitiert haben: Die hohe Nachfrage senkt den Preis.

Mit dem Schritt ins WAN hat sich die HSSG jedoch noch ein anderes Problem ins Haus geholt. Weil nun auch Hersteller mit am Tisch sitzen, die vornehmlich WAN-Equipment fertigen und verkaufen, ist eine Diskussion über die exakte Geschwindigkeit entbrannt. Die LAN-Vertreter forderten vehement ein Tempo von exakt 10 Gbit/s, um mit ganzzahligen Vielfachen vom kleinsten Ethernet über Fast- und Gigabit Ethernet einen Geschwindigkeitsanstieg realisieren zu können.

Die WAN-Fraktion hielt mit durchaus stichhaltigen Argumenten dagegen. Die landesweiten und länderübergreifenden Backbones der Carrier verwenden in der Regel die zwei weitgehend identischen WAN-Verfahren Sonet (Synchronous Optical Network, US-Standard) und SDH (Synchronous Digital Hierarchy, europäischer Standard). Deren Highspeed-Übertragungsraten mit der Bezeichnung OC-192 beziehungsweise STM-64 unterstützen eine Geschwindigkeit von exakt 9,58464 Gbit/s. Da der Ethernet-Verkehr irgendwo in die WAN-Backbones der Carrier übergeben werden muss, bevorzugen die WAN-Vertreter in der HSSG eine Transferrate von den genannten 9,58464 Gbit/s. "Es wäre natürlich sehr interessant, diese Geschwindigkeiten zu wählen, denn dann könnte auf vorhandene Übertragungsverfahren und -techniken aufgesetzt werden", schildert Pecos-Manager Wildhack die Vorzüge.

Die HSSG ging nicht im Streit auseinander, sondern einigte sich auf einen Mittelweg. Er sieht zwei Geschwindigkeiten und somit zwei physikalische Schnittstellen vor. Werden Ethernet-Frames in ein Weitverkehrsnetz geschleust, wird es zwischen LAN- und WAN-Grenze ein Koppelelement geben, das beispielsweise Daten mit 10 Gbit/s empfängt und mit 9,58464 Gbit/s weiterreicht. Die geringfügige Tempodifferenz dürfte dabei zu keinen Problemen führen, denn "mit dem beim Ethernet üblichen Interframe-Spacing lassen sich Zeiten ausgleichen", erklärt Lackner.

Für den Anwender bleibt die gütliche Einigung der HSSG ohne Konsequenzen, denn das Verfahren wird transparent gestaltet. Auch der Verzicht auf das CSMA/CD-Protokoll wird keine Auswirkungen auf die kommunizierenden Endsysteme haben. Da die HSSG-Spezifikation weiterhin das ursprüngliche Frame-Format verwendet, ist die Abwärtskompatibilität gewahrt. Eingriffe in die Server, Workstations und PCs, wo die Frames gebildet werden, sind nicht erforderlich.

Die Beibehaltung der Frames ist auch nahezu das einzige Merkmal an 10-Gigabit-Ethernet, das noch der ursprünglichen, vor mehr als 25 Jahren entworfenen Ethernet-Variante entspricht. Dabei akzeptiert die HSSG sämtliche Vorgaben, also auch die Minimal- und Maximalgröße, was sich beim einfachen Gigabit Ethernet nicht realisieren ließ. Die Übernahme der Frame-Definitionen garantieren auch, dass aktuelle Standardbestrebungen wie etwa für die Priorisierung von Datenpaketen und die Bildung von virtuellen LANs auch im Highspeed-Ethernet Gültigkeit behalten. Andere Charakteristika des Ur-Ethernet, wie etwa die Eignung für Shared Media, Bus- und Baumtopologie finden im angestrebten Standard keine Berücksichtigung mehr.

Angesichts dieser Einschnitte scheinen bei einigen HSSG-Vertretern die Wünsche schon in den Himmel zu wachsen. Sie rechnen in völlig neuen Dimensionen. In einer Präsentation der Firma Intel wird bereits über Entfernungen von 1000 Kilometern spekuliert. "Das sind Marketing-Sprüche einiger Hersteller", schüttelt Lackner voller Unverständnis den Kopf, "technisch sind solche Forderungen sicherlich zu erfüllen, realistisch sind sie nicht."

WAN-Ethernet

Die wichtigsten Zielvorgaben

- Beibehalten des 802.3- und Ethernet-Frame Formats;

- Einhaltung der IEEE 802 Functional Requirements mit Ausnahme des Hamming-Abstandes;

- Beibehalten der heutigen minimalen und maximalen Frame-Länge;

- Lediglich Vollduplex-Mode nach IEEE 802.3x;

- Unterstützung von Sternstrukturen mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen;

- strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC11801, zweite Ausgabe;

- Verwendung von Glasfaser (es liegt bisher kein Kupfervorschlag vor);

- optionales Medien-unabhängiges Interface (xGMII);

- Unterstützung von P802.3ad (Link Aggregation);

- Übertragungsgeschwindigkeit von 10000 Mbit/s am MAC-Service-Interface;

- zwei physikalische Schnittstellen-Familien:- LAN PHY mit 10000 Mbit/s und WAN PHY, OC-192 bzw. SDH VC-4-64c (ca. 9,95 Mbit/s);

- Mechanismus, beide Geschwindigkeiten aufeinander abzubilden;

- physikalische Interfaces:10GBase-SX,10GBase-LX,10GBase-EX.

Abb.1: Zeitplan der Standardisierung

In kaum zwei Jahren soll der 10-Gigabit-Ethernet-Standard stehen. Zur Zeit werden noch Vorschläge gesammelt. Bis die Arbeitsgruppe die technische Umsetzung beschließt, wird noch mehr als ein Jahr vergehen. Quelle: HSSG

Abb.2: Ethernet-Wellenlängen

Erstmals verwendet eine Ethernet-Variante das dritte optische Fenster bei der Übertragung via Glasfaser. Quelle: LCH