Übertragungsraten 40G,100G und Single Pair Ethernet

15.05.2020

Verkabelungsinfrastrukturen, geeignet für Übertragungsraten von 1 und 10 GBit Ethernet, sind seit einigen Jahren standardisiert. In der Praxis erweisen sie sich sowohl im Bereich der Bürokommunikation als auch der Sicherheitstechnik bezüglich der Übertragungsrate zumindest im Tertiärbereich als ausreichend. Der typische Bandbreitenbedarf z. B. für Videokameras als die bandbreitenintensivste Feldkomponente im Bereich der Sicherheitstechnik bewegt sich in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie Auflösung, Kompressionsverfahren und Menge an Streams, im Bereich von wenigen MBit/s bis 10MBit/s je Kamera, in Verbindung mit Spezialkameras auch darüber.

Anders sieht es im Backbone bzw. im Rechenzentrum, also im Bereich der zentralen sicherheitstechnischen Komponenten (Server, Datenbanken, Speichersysteme), aus. Dort laufen, um beim Beispiel Videotechnik zu bleiben, zahlreiche Videostreams zusammen, die zu einem weitaus größeren Bandbreitenbedarf führen, der dann bei größeren Installationen schnell in die "Mehrere-GigaBit"-Bereiche reichen kann.

Gleichzeitig zeigen sich langsam die Grenzen der Kupferverkabelung in Verbindung mit der aktuell verfügbaren Netzwerkkartentechnologie, sodass die seit Jahrzehnten verinnerlichte "90 bzw. 100m-Regel" bezüglich der Längenrestriktionen eines Kupferlinks nicht mehr funktioniert. Die realisierbaren Linklängen werden kürzer. In Verbindung mit 40G über Kupferdatenkabel ist eine Übertragungslänge von 30 Meter definiert. Erreicht wird dies über Verkabelung gemäß Kategorie 8.1 oder 8.2 (Bandbreite 2.000 MHz), je nachdem, welche Anschlusstechnik zum Einsatz kommt. Bei Kategorie 8.1 lautet sie RJ45, bei Kategorie 8.2 dagegen ARJ45 oder GG45. Somit handelt es sich typischerweise um eine RZ-Technologie, da dort solche Übertragungslängen in Verbindung mit MoR (middle of row), EoR (end of row) oder ToR (top of rack) Topologien eingesetzt werden können. Im Tertiärbereich werden in naher Zukunft, zumindest im Bereich der sicherheitstechnischen Anwendungen, sicherlich keine Übertragungsraten größer 10GBit/s erforderlich sein.

In Verbindung mit 100GBit/s-Übertragungsraten bleibt zumindest aktuell nur noch die Option einer Lichtwellenleiterverkabelung (LWL). Die Übertragung der Daten erfolgt dann aber nicht mehr wie bisher bei Übertragungsraten bis 10GBit/s über ein Fasernpaar, sondern es werden pro Link mehrere Fasern parallel zur Übertragung genutzt. Im Falle von 100G bedeutet das, dass insgesamt acht LWL-Fasern (4x Empfangen und 4x Senden) zu einem Link zusammengeschaltet werden und somit die Übertragungsrate von 100 Gbit/s erreicht wird.

Aktuell in der Diskussion bzw. Entwicklung sind bereits Übertragungsraten von bis zu 400GBit/s - und perspektivisch wird über Übertragungsraten von 800GBit/s bis 1,6T  Bit/s nachgedacht. Getrieben werden diese Entwicklungen insbesondere durch den immer höher werdenden Bandbreitenbedarf der Service- und Cloud-Provider.

Unabhängig von der Verfügbarkeit (und Bezahlbarkeit) von Technologien für höhere Übertragungsraten lässt sich der Bandbreitenbedarf im Backbone aus der Sicht der Sicherheitstechnik bereits durch die Wahl geeigneter Systemarchitekturen minimieren. Das Stichwort hierzu lautet "Verteilte Systeme". Anstatt alle Videostreams zu einem zentralen Punkt der Liegenschaft (Rechenzentrum oder Serverraum) zu führen, können Aufzeichnungs- und Auswerteeinheiten auf mehrere Bedarfsschwerpunkte verteilt werden, und nur die relevanten Streams (Alarmbilder oder wenige für den Betrieb relevante Live-Videostreams) werden zu einer zentralen Stelle (Leitstelle, Sicherheitszentrale, Empfang) weitergeleitet.

Angenehmer Nebeneffekt ist, dass durch eine solche Verteilung gleichzeitig die Verfügbarkeit des Systems erhöht wird, da ein möglicher Single-Point-of-Failure vermieden wird. Dieses Prinzip ist grundsätzlich auf alle Systeme der Sicherheitstechnik übertragbar, auch wenn es sich heute noch nicht immer um durchgängig IP-basierte Systeme handelt. Bei internationalen Konzernen spielt dann auch noch die Thematik des Datenschutzes eine Rolle. Das heißt, der "Export" von Daten ohne zwingende Notwendigkeit sollte vermieden werden, was das Datenvolumen im Backbone automatisch weiter begrenzt. Aber das ist ein anderes Thema.

Für sicherheitstechnische Anwendungen wesentlich interessanter als hohe Übertragungsraten jenseits der 10GBit/s ist eine relativ neue Ethernet-Technologie, nämlich das Single Pair Ethernet, kurz SPE. Auch wenn es aktuell in der Praxis dazu noch keine sicherheitstechnischen Anwendungen gibt (zumindest keine der Redaktion bekannten), sieht der Autor dieses Artikels durchaus sinnvolle Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Sicherheitstechnik.

Worum genau handelt es sich bei SPE? SPE ist ein Standard, der die Datenübertragung mittels des Ethernet Protokolls über einpaarige anstelle von vierpaarigen Leitungen ermöglicht. Gleichzeitig kann das angeschlossene Gerät mit Energie versorgt werden, dies in Abhängigkeit des konkreten Übertragungsstandards mit einer Leistung bis zu 50 Watt (Power over Data Line, 802.3bu, nicht identisch mit PoE). Dies hat bezüglich der Verkabelung theoretisch die folgenden wesentlichen Vorteile:

  • geringerer Platzbedarf und geringeres Gewicht
  • geringere Brandlasten
  • in Abhängigkeit vom eingesetzten Standard längere Übertragungsstrecken als beim klassischen Ethernet
  • Vorteile bei der Nutzung eines einheitlichen Übertragungsprotokolls und einer einheitlichen Netzwerkinfrastruktur für alle Anlagen und Systeme (d. h. heute übliche Bussysteme wie KNX, LON, CAN, und - schön wär´s - proprietäre Firmenprotokolle etc. können abgelöst werden)
  • geringere Verkabelungskosten, da weniger Kupfer zum Einsatz kommt. Inwieweit im Umkehrschluss höhere Kosten auf der aktiven Seite entstehen, kann derzeit noch nicht beurteilt werden.

Die seit einigen Jahren existierenden Standards zu SPE hatten den wesentlichen Nachteil der recht kurzen maximalen Übertragungsstrecken von 40 Metern Leitungslänge bei Übertragungsraten von bis zu 1GBit/s (1000Base-T1) in Verbindung mit geschirmten Kabeln. Dies wäre sicherlich für die ein oder andere sicherheitstechnische Anwendung, vor allem bei Installationen rund um die Tür, technisch nutzbar. Aber richtig interessant für den Bereich der Sicherheitstechnik wird SPE in Verbindung mit dem letzten, im Jahr 2019 veröffentlichten Standard der xBase-T1 Reihe , nämlich IEEE 802.3cg oder, besser zu merken, 10Base-T1 – also Single Pair Ethernet mit 10MB.it/s über bis zu 1000 Meter  Übertragungsstrecke. In der Praxis kommt es nämlich regelmäßig vor, dass einzelne Datenanschlüsse für sicherheitstechnische Endgeräte außerhalb der bereits zitierten 100-Meter-Regel benötigt werden. Hier wird bislang meist auf Technologien wie RS 485 zurückgegriffen. Mit SPE besteht jetzt eine weitere theoretische Möglichkeit, solche Endgeräte relativ einfach in das Datennetz einzubinden, natürlich immer unter Berücksichtigung der erforderlichen Übertragungsrate. Das heißt, bei hochauflösenden Videoanwendungen kann es derzeit noch eng werden. Dass sich die eher datennetzferne Sicherheitstechnologie, wie Brand- und Einbruchmeldeanlagen, der neuen Standards bedienen werden, ist aber zumindest in naher Zukunft nicht zu erwarten.

Zukünftige Standardisierungen in Verbindung mit SPE gehen zu noch größeren Übertragungsraten von bis zu 10Gbit/s, allerdings noch begrenzt auf Übertragungsstrecken von bis zu 15 Metern Länge.

Getrieben werden die Entwicklungen zu SPE aus dem industriellen Bereich, insbesondere dem Bereich Automotive, in dem viele Aktoren und Sensoren über kurze Distanzen vernetzt werden müssen. Hier ist sicherlich das Anwendungsszenario derzeit größer als im Bereich der Sicherheitstechnik. Es bleibt abzuwarten, in welchen Produkten bzw.  Systemen die Industrie zukünftig SPE einsetzen wird.

Allerdings, auch wenn sich SPE auf dem Markt durchsetzen wird, wird es voraussichtlich noch eine jahrelange Koexistenz von Ethernet in all seinen Ausprägungen und den verschiedenen Feldbussystemen geben, nicht zuletzt aufgrund der großen installierten Basis und der  Lobbyinteressen der Hersteller von heute aktuellen und sicherlich auch bewährten Feldbussystemen. Einige Leser werden sich noch an Netzwerkprotokolle wie Token Ring erinnern, bei denen es auch lange Zeit gedauert hat, bis diese endgültig vom Markt verschwunden sind (auf Ebay kann man erstaunlicherweise noch heute TR-Switche kaufen). Oder aktuell an das lange Überleben der analogen und ISDN-Telefonie trotz aller Abschaltdrohungen der Telekommunikationsprovider und frühen Prophezeiungen eines bekannten Herstellers von Switchen zu Beginn des Jahrtausends (oder war es sogar noch früher?).

: : : Ingo Kreidler : : :




Ein Beitrag des Informationsdienstes

Sicherheits-Berater
TeMedia VerlagsGmbH

Kontakt:
Alte Heerstr. 1
53121 Bonn

Tel. +49 228 96293-80
Fax +49 228 96293-90
E-Mail: info@sicherheits-berater.de
Internet: www.sicherheits-berater.de