Warum bleibt die Glasfaserverbindung auch ohne Datenverkehr aktiv?
Auf einer bestehenden 1000BASE-X-Verbindung werden zwischen den Frames Idle-Ordered-Sets gesendet. Diese Muster helfen, die Taktrückgewinnung und die Ausrichtung an den Codegruppengrenzen aufrechtzuerhalten.
Serialisieren
Die PCS codiert die Bytes, bevor das Modul das serielle Signal in Licht umwandelt.
Ausrichten
Ein Komma erkennen und anschließend die nachfolgenden Gruppen prüfen, um die Synchronisation herzustellen.
Beobachten
Die PCS überträgt Idle-Ordered-Sets, während eine gewöhnliche Paketaufzeichnung nur zugestellte Frames erfasst.
Schematische Funktionsdarstellungen, keine Produktschaltung und kein gemessener Signalverlauf.
01 · PHY-Kompatibilität prüfen
Den 1000BASE-X-Modus und die Kompatibilität der optischen Module bestätigen.
02 · Befunde getrennt betrachten
Optische Leistung, Codierungsstatus und Frame-Zähler getrennt betrachten.
03 · Den Test reproduzieren
Nummerierte Frames verwenden und die Werte im selben Zeitfenster vergleichen.
Checkliste für die Prüfung am Testaufbau
- Die Portmodi und Modulkennungen an beiden Enden dokumentieren.
- Den Ausgangswert der optischen Leistung und die verfügbaren Fehlerzählerstände erfassen.
- Nummerierte Testframes senden und die Änderungen der Zählerstände vergleichen.
- Die PCS-Diagnose nutzen, um Ordered Sets direkt zu identifizieren.
Zwei Industrie-Switches bleiben über Gigabit-Glasfaser miteinander verbunden, nachdem Sie die Geräte getrennt haben, die den Datenverkehr erzeugen. Eine Paketaufzeichnung kann leer bleiben, obwohl auf der Glasfaser weiterhin ein Signal übertragen wird. Auf einer bestehenden 1000BASE-X-Verbindung sendet der Sender zwischen den Frames definierte Idle-Ordered-Sets. Aus dem eingehenden Signal kann die Gegenstelle den Takt zurückgewinnen und anhand erkennbarer Muster ihre Codegruppen ausrichten. So kann der Empfänger den nächsten Frame lesen, sobald er eintrifft.
Den Signalweg durch drei Schnittstellen verfolgen
Der gemanagte Industrie-Switch von FCTEL für die DIN-Schienenmontage dient als Beispiel für einen Gigabit-SFP-Uplink. In seinen Produktspezifikationen sind 1000BASE-SX und 1000BASE-LX als Übertragungsmedien aufgeführt. Dieser Leitfaden behandelt den normalen Datenübertragungszustand dieser Klasse von 1000BASE-X-Schnittstellen. SFP bezeichnet einen Modulformfaktor. Prüfen Sie vor dem Austausch eines Moduls den Betriebsmodus und die kompatiblen Module an beiden Enden.
Beim Senden eines Frames übergibt die MAC die Frame-Bytes an die Physical Coding Sublayer (PCS). Die PCS stellt Daten und Steuerinformationen als Codegruppen dar, die sich für die serielle Übertragung eignen. Das Modul wandelt das serielle elektrische Signal in Licht um. Die Gegenstelle wandelt es zurück in ein elektrisches Signal, gewinnt den Abtasttakt zurück, richtet die Codegruppen aus, decodiert sie und übergibt den empfangenen Frame an ihre MAC. Das Diagramm stellt diese Funktionen der Übersichtlichkeit halber getrennt dar. In realer Hardware können mehrere davon in einem einzigen Chip integriert sein.
Ein optisches Leistungsmessgerät und eine Paketaufzeichnung setzen an unterschiedlichen Beobachtungspunkten an. Das Messgerät erfasst, wie viel Licht über einen bestimmten Zeitraum eintrifft. Ein herkömmlicher Netzwerkadapter erfasst normalerweise Frames, die den Empfänger bereits durchlaufen haben. Keine der beiden Messungen zeigt, ob der Empfänger die dazwischen übertragenen Codegruppen korrekt erkannt hat. Eine leere Paketaufzeichnung schließt ein aktives optisches Signal nicht aus, und ein Leistungswert allein kann keine korrekte Decodierung bestätigen.
Warum ein Datenbyte zehn Leitungsbits benötigt
Die 8b/10b-Codierung bildet acht Datenbits auf eine Zehn-Bit-Codegruppe ab. Der Encoder wählt eine Gruppe nach einer festgelegten Zuordnung aus. Er begrenzt Folgen identischer Bits, damit der Empfänger Signalübergänge zur Rückgewinnung des Abtasttakts nutzen kann. Außerdem hält er die langfristige Differenz zwischen Einsen und Nullen unter Kontrolle und hilft so, Schwankungen des Basispegels in der Empfangsschaltung zu begrenzen.
Für je acht Datenbits werden auf der seriellen Verbindung zehn Leitungsbits übertragen. Ohne Berücksichtigung des Overheads für Rahmenbildung und Leerlauf entspricht eine Datenrate von 1 Gb/s daher einer seriellen Leitungsrate von 1.25 Gb/s. Jedes binäre Leitungssymbol trägt ein Bit, sodass die Symbolrate ebenfalls 1.25 GBd beträgt. Unter Berücksichtigung von Headern, Frame-Abständen und Protokoll-Overhead höherer Schichten ist der Anwendungsdurchsatz niedriger als die MAC-Datenrate.
Der Encoder verfolgt die laufende Disparität (Running Disparity), also das kumulierte Ungleichgewicht zwischen bereits gesendeten Einsen und Nullen. Manche Zeichen haben eine positive und eine negative Form; die aktuelle Disparität bestimmt, welche Form zulässig ist. Auch ausgeglichene Codegruppen müssen den Codierungsregeln entsprechen. Ein Empfänger kann eine ungültige Codegruppe oder eine Disparitätsverletzung melden. Da Störungen eine gültige Gruppe auch in eine andere gültige Gruppe verwandeln können, bleibt die Frame Check Sequence (FCS) für die Prüfung des empfangenen Frames wichtig.
Wie der Empfänger den Leerlauf erkennt und die Codegruppengrenze findet
Ein Bitstrom aus lauter Nullen würde dem Empfänger keine Signalübergänge bieten, an denen er sich orientieren könnte. Liegt nur ein Rohstrom abgetasteter Bits vor, muss der Empfänger außerdem erkennen können, wo jede Zehnergruppe beginnt. Das 1000BASE-X-Idle-Ordered-Set besteht aus zwei zulässigen Codegruppen. Ein häufiges Idle-Ordered-Set, /I2/, enthält das Steuerzeichen K28.5, gefolgt vom Datenzeichen D16.2. Bei /I1/ folgt D5.6 auf K28.5; diese Folge wirkt sich anders auf die laufende Disparität aus.
In einer Form von K28.5, nämlich 0011111010, bildet die vorangestellte Bitfolge 0011111 das Kommamuster. Sie dient dem Empfänger als erkennbarer Anhaltspunkt für die Ausrichtung. Im Rahmen der Synchronisation prüft der Empfänger auch die nachfolgenden Gruppen. Die Taktrückgewinnung bestimmt, wann das Signal abgetastet wird. Die Ausrichtung am Komma bestimmt, an welchen Stellen die abgetasteten Bits in Gruppen unterteilt werden. Der zurückgewonnene Takt kann stabil sein, obwohl die Codegruppengrenze noch falsch erkannt wird.
Wenn der nächste Frame eintrifft, markiert die PCS seinen Beginn mit einem Steuerzeichen. Sie markiert das Ende mit einem Terminierungszeichen und kehrt anschließend zur jeweils vorgesehenen Idle-Sequenz zurück. Eine gewöhnliche Paketaufzeichnung zeigt diese Steuerzeichen der Bitübertragungsschicht nicht als Ethernet-Frames an. Dieses Beispiel beschreibt bereits aufgebaute Verbindungen. Während eine Verbindung ihre Konfiguration aushandelt, kann sie auch in einem Zeitraum ohne Anwendungsverkehr Konfigurations-Ordered-Sets senden.
Die Verbindung an drei Beobachtungspunkten prüfen
Richten Sie einen isolierten Testaufbau mit zueinander passenden optischen Modulen und überprüften Portmodi ein. Verwenden Sie ein kurzes Glasfaser-Patchkabel, um eine stabile Verbindung herzustellen. Erzeugen Sie zunächst keinen Testverkehr. Erfassen Sie den Zustand der Link-Anzeige und die empfangene optische Leistung. Nutzen Sie die digitale Diagnose, wenn sowohl das Modul als auch das Hostgerät sie unterstützen, oder verwenden Sie gemäß den Vorgaben vor Ort ein geeignetes optisches Leistungsmessgerät. Frame-Zähler zählen PCS-Idle-Ordered-Sets nicht als Frames. Die Geräte können dennoch eigenen Managementverkehr erzeugen.
Senden Sie anschließend von Seite A eine kurze Folge nummerierter Frames. Vergleichen Sie die Änderungen der Sende- und Empfangszähler und gleichen Sie die Sequenznummern mit der Paketaufzeichnung auf Seite B ab. Wenn die Verkehrszähler nach der Sendefolge nicht weiter steigen, die Verbindung aber aktiv bleibt, ist diese Beobachtung damit vereinbar, dass die PCS Idle-Ordered-Sets sendet. Um das genaue Ordered Set zu identifizieren, verwenden Sie ein Labormessgerät oder eine PCS-Diagnose mit Unterstützung für 1000BASE-X. Mit einem herkömmlichen Adapter zur Paketaufzeichnung ist diese Beobachtung nicht möglich.
Treten Ausfälle wiederholt auf, erfassen Sie die optische Leistung, Änderungen des Link-Status und die verfügbaren Fehlerzähler über dasselbe Zeitintervall. Sinkt die optische Leistung und kommt es zugleich zu einem Synchronisationsverlust oder wiederholten Link-Statuswechseln, prüfen Sie Steckverbinder, Faserrichtung, Module und Portgeschwindigkeit. Bleibt die Leistung stabil, während Fehler in der physikalischen Codierung zunehmen, prüfen Sie Modultyp, Verbindungsqualität und Portkonfiguration. Bleiben der Link-Status und die Codefehlerzähler stabil, während Frame-Fehler oder verworfene Frames zunehmen, unterscheiden Sie Empfangsfehler von ausgangsseitig verworfenen Frames und prüfen Sie, welcher Eingangsport den Fehler zuerst erfasst. Welche Ereignisse die einzelnen Zähler erfassen und wie sie zu interpretieren sind, entnehmen Sie der Gerätedokumentation. Fehlt ein Zähler, bleibt eine Beobachtungslücke.
Den Testaufbau so dokumentieren, dass der Test reproduzierbar ist
Erfassen Sie für den in der Abbildung gezeigten Testframe 17 den Sendezeitpunkt, die Sequenznummern beim Senden und Empfangen sowie den Zustand beider Ports. Erfassen Sie vor dem Senden die Ausgangszählerstände und vergleichen Sie danach die Änderungen, damit frühere Fehler nicht in diesen Testlauf eingehen. Meldet die Anwendung einen Sendevorgang, ohne dass sich der Sendezähler des optischen Uplinks wie erwartet ändert, prüfen Sie den Eingangsport des Testverkehrs und die Weiterleitungsentscheidung. Wenn der Uplink auf Seite A den Frame sendet, dieser aber in der Aufzeichnung auf Seite B fehlt, prüfen Sie den Eingangszähler auf Seite B unabhängig von der Aufzeichnung. Auch eine Filterung bei der Paketaufzeichnung nach dem Netzwerkadapter kann dazu führen, dass ein Frame nicht angezeigt wird.
Ändern Sie beim Modultausch jeweils nur eine Variable. Lassen Sie Portmodus und Glasfaser unverändert, setzen Sie ein bekanntermaßen kompatibles Modul ein und wiederholen Sie denselben Test. Ändern Sie die nächste Komponente nur bei Bedarf. So bleibt nachvollziehbar, ob der Unterschied mit der Modulpaarung oder den Verbindungsbedingungen zusammenhing. Frame 17 und der Zeitverlauf dienen der Veranschaulichung; sie sind keine Messungen oder Leistungsangaben für ein bestimmtes Produkt.
Den Geltungsbereich auf der Bitübertragungsschicht klar abgrenzen
1000BASE-T verwendet auf Kupfer einen anderen Mechanismus auf der Bitübertragungsschicht. Auch Module mit demselben Formfaktor und Ports mit mehreren unterstützten Datenraten können in unterschiedlichen Modi arbeiten. Empfangslicht, die Link-Anzeige an der Gerätefront, die PCS-Synchronisation und die korrekte Zustellung eines Nutzdatenframes sind getrennte Befunde. Dokumentieren Sie sie einzeln zusammen mit den Modulkennungen, dem Portmodus und der Testsequenz. So lässt sich feststellen, welcher Teil der Verbindung nach einem Modul- oder Glasfaserwechsel wieder funktionierte.
Quellen und Geltungsbereich
AMD/Xilinx PG047 — 1000BASE-X (Anhang C) · IEEE 802.3 — K28.5 · Technische Daten des Gigabit-Glasfaser-Switches von FCTEL (Chinesisch)
Übersetzt aus dem chinesischen Fachartikel: Chinesischen Originalartikel lesen.
Häufige Fragen
Sendet ein Gigabit-Glasfaserport zwischen den Frames kein Signal?
Auf einer bestehenden 1000BASE-X-Verbindung werden weiterhin Idle-Ordered-Sets gesendet.
Welche Funktion hat das K28.5-Komma?
Es liefert dem Empfänger ein erkennbares Bitmuster, anhand dessen er die Codegruppengrenze finden kann.
Kann eine gewöhnliche Paketaufzeichnung Idle-Codegruppen anzeigen?
In der Regel nicht. Verwenden Sie ein Messgerät oder eine PCS-Diagnose mit Unterstützung für 1000BASE-X.
Weiterführende Informationen
4B/5B-Codierung bei Fast Ethernet · Optische Leistung und Signalklarheit
