Ethernet als Alleskönner

Gerhard Kafka schreibt zum Thema: Ethernet als Alleskönner

Ethernet - ist das nicht diese verbindungslose kollisionsbehaftete Datenübertragungstechnologie zur Gestaltung firmeninterner LANs? Ja, das ist aber lange her: 1980, als mit dem „Yellow Cable“ die ersten Ethernet-Installationen mit 10 Mbit/s realisiert wurden. Damals gab es den PC noch nicht - die ersten PCs kamen 1983 in die Unternehmen und waren in der Regel nicht vernetzt – man benutzte Ethernet als verteilten statistischen Multiplexer, um die damals weit verbreiteten dummen Terminals (VT-100) preiswert mit den Servern zu verbinden.

Mit dieser Skizze legte Robert Metcalf – der später die Firma 3Com gründete und heute beratend für das Metro Ethernet Forum tätig ist – am 22. Mai 1973 als damaliger Mitarbeiter im Xerox-PARC den Grundstein für eine der erfolgreichsten Technologien im Netzwerkbereich aller ZeitenIch werde nie vergessen, als ich 1981 meinen Protokolltester der ETH in Lausanne vorführte. Die maximale messbare Datenrate lag damals bei 9,6 kbit/s. Als der Kunde fragte, ob das Gerät auch das Ethernet-Protokoll dekodieren könne antwortete ich noch unwissend: „Grundsätzlich kann ich mit dem Tester jedes Datenübertragungsprotokoll erfassen, es kommt lediglich auf die Datenrate an.“ Zufällig stieß ich auf die allererste Ethernetinstallation in Europa und musste natürlich bei der astronomischen Rate von 10 Mbit/s passen. Erst drei Jahre später entdeckte ich auf einer Fachmesse in den USA den ersten Protokollanalysator für Ethernet: Der „Nutcracker“ wurde zum stolzen Preis von US$ 50.000 angeboten.Ethernet durchdringt alle BereicheDaran hatte der Vater von Ethernet vor über 30 Jahren sicherlich nicht gedacht: Ethernet als zuverlässige Transportplattform für alle Telekommunikationsdienste in den öffentlichen Netzwerken und als Echtzeitvariante als Bustechnologie in der Automatisierung. Nach meiner Beobachtung lassen sich die vilefältigen Einsatzgebiete für Ethernet wie folgt zusammenfassen:

• Am Arbeitsplatz: Von 10/100 zu 1.000 Mbit/s
• Im Backbone: Typisch von 1 zu 10 Gbit/s
• Im Campusgelände: Von 10 bis künftig 40/100 Gbit/s
• Storage – SAN, NAS und DAS: Vom Fiber Channel zu Gigabit Ethernet
• Netzzugang: Ethernet-in-the-first-Mile (EFM)
• Metronetze: Mit (D)WDM und RPR hochverfügbar
• Im WAN: Von 1 zu 10 (und schon bald 40/100) Gbit/s
• Board Level: Ablösung paralleler Bussysteme
• Automatisierung: Echtzeit bzw. Industrial Ethernet(IAONA) als Ersatz für die bisherigen Feldbussysteme
• Im WLAN: Ethernet-Rahmen bilden die Basis für Wi-Fi Netze
• Heimnetze: Mit Home PNA läuft Ethernet auf der Telefonleitung

Weil hier schon die weitere Entwicklung zu 100-Gbit/s-Ethernet angedeutet wurde, soll an dieser Stelle der Hinweis erlaubt sein, dass 100 GE keine Vision mehr darstellt, sondern sich bereits auf dem Weg zu einem neuen Standard befindet. Im April 2007 wurde bei IEEE 802.3 die HSSG-Gruppe (Higher Speed Study Group) gegründet, die ihre ehrgeizige Arbeit zur Verabschiedung einer 100 Gigabit Ethernet Variante bis zum Jahr 2010 aufgenommen hat. Diese Arbeiten werden durch das Industriekonsortium „Road to 100G Alliance“ www.roadto100g.org tatkräftig unterstützt. Zu dessen Gründungsmitgliedern zählen: Bay Microsystems, Enigma Semiconductor, IDTTM, IP Infusion und Lattice Semiconductor. Innerhalb der HSSG wird auch noch eine 40-Gbit/s-Variante diskutiert, mit der eine Harmonisierung mit der SDH-Hierarchie herbeigeführt werden könnte.

Metro Ethernet

Ethernet als Standardschnittstelle für alle Telekommunikationsdienste wird die Wirtschaftlichkeit im WAN fundamental verändern. Für die traditionellen Carrier bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Realisierung: Die Aufrüstung der auf SDH und ATM basierenden bestehenden

Infrastruktur auf SDH der nächsten Generation oder der Betrieb von zwei parallelen Netzen – SDH/ATM für Sprach- und Ethernet/IP für Datendienste. Die Herausforderung besteht darin, die künftig auf Ethernet und IP/MPLS basierende paketvermittelnde Netzwerkinfrastruktur im NGN (next generation network) mit einer von der bisher eingesetzten Leitungsvermittlung (SDH und ISDN) bekannten hohen Verfügbarkeit (99,999%) und Dienstegüte (QoS) bereitzustellen. Die Qualitätsmechanismen für Ethernet werden u.a.vom Metro Ethernet Forum (MEF) www.metroethernetforum.org erarbeitet und spezifiziert. Die vom MEF erarbeiteten Dienste schließen EVPLS mit E-Line, E-LAN und E-Tree sowie CES ein. Um die Ethernet-basierten Transporttechnologien als Carrier-class zu implementieren werden die dafür erforderlichen Architekturen, Protokolle, Schnittstellen und Managementfunktionen spezifiziert. Die Anforderungen an einen standardisierten Ethernet-Dienst hat das MEF in fünf Schlüsselattributen zusammengefasst:

Standardisierte Dienste

• E-Line, E-LAN und künftig E-Tree stellen transparente Dienste wie Private Line, Virtual Private Line und LAN bereit
• Überall verfügbare Dienste (lokal und global) basierend auf standardisierten Geräten
• Erfordern keine Veränderungen an den kundeneigenen LAN-Einrichtungen und ermöglichen die weitere Nutzung existierender Anwendungen in Echtzeit, über TDM sowie die Signalisierung
• Ideale Basis für konvergente Sprach-, Daten- und Video-Netzwerke
• Große Auswahl und Granularität für Bandbreite und QoS

Skalierbarkeit

• Bereitstellung von Netzwerk-Diensten für viele Millionen Anwender und diversifizierte Applikationen für Business, Information, Kommunikation und Entertainment mittels Sprache, Daten und Video
• Umfasst den Zugang zu nationalen und globalen Metro-Diensten über verschiedene physikalische Infrastrukturen und mehrere Service Provider
• Skalierbare Bandbreiten von 1 Mbit/s bis 10 Gbit/s und mehr in granularen Stufen

Verfügbarkeit

• Fähigkeit des Netzes um Störungen zu erkennen und zu beseitigen ohne Beeinträchtigung der Anwender
• Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich Qualität und Verfügbarkeit
• Schnelle Rekonfiguration bei Problemen, typisch 50ms

Dienstegüte (QoS)

• Große Auswahl und Granularität für Bandbreite und QoS
• SLAs, die Anforderungen für Sprache, Daten und Video Ende-zu-Ende in Netzen für kommerzielle und private Anwender garantieren
• Bereitstellung von Ende-zu-Ende Leistungen via SLAs basierend auf Parametern wie CIR, Rahmenverlust, Laufzeit und Jitter

Service Management

• Fähigkeit das Netzwerk mit standardbasierten und herstellerunabhängigen Einrichtungen zu monitoren, diagnostizieren und zentral zu managen
• Carrier-class OAM
• Schnelle Bereiutstelung von (neuen) Diensten

Industrial Ethernet
Die Herausforderung in der Fertigungs- und Produktionsumgebung besteht nun darin, die Echtzeitfähigkeit der bisher eingesetzten Feldbussysteme auch mit Ethernet zu realisieren. Um ein wirklich echtzeitfähiges Ethernet-Netzwerk zu schaffen, muss ein komplett anderer Ansatz verwendet werden: Der Ersatz von TCP/IP bzw. UDP/IP durch einen deterministischen und damit industrietauglichen Protokollstack mit definierten Kommunikationsbeziehungen. Praktisch umsetzbar ist diese Anforderung durch einen geregelten Datenverkehr in vordefinierten Zeitschlitzen (Slots). Bei Ethernet Powerlink von IAONA nennt sich dieser Ansatz Slot Communication Network Management. Das 1999 während der SPS/IPC/Drives in Nürnberg gegründete Industriekonsortium namens IAONA erarbeitet nicht nur Lösungen sondern dessen Mitglieder realisieren bereits Projekte. Weitere industrielle Echtzeiterweiterungen sind unter ProfiNet, EtherCat, SercosIII, Ethernet/IP und Modbus-TCP) bekannt.

Hier sind einige von IAONA als Referenz genannte Anwendungen, welche bereits mit Ethernet realisiert wurden:

• Ethernet in Abwasser-Behandlungsanlagen
• Ethernet in der Silvretta-Skiarena Ischgl
• Studentenprojekt Ethernet Multivendor-Anlage an der Fachhochschule Solothurn
• Bystronic - Glasklar kalkuliert mit Powerlink
• Bücher auf Abruf mit Powerlink
• Ebnat - Bohrtisch mit Powerlink
• Schlatter AG mit Powerlink
• Anwendung bei TetraPak mit Powerlink und noch
• Eine Anwendung mit Powerlink bei Müller-Martini.

In meinem nächsten Blog am 1. August werde ich das Thema Carrier Ethernet Transport (CET) mit seinen besonderen Eigenschaften und spezifischen Anforderungen etwas genauer betrachten. Wird sich CET als Killer von ATM und SDH durchsetzen?