Präzises Timing in Ethernet-Netzwerken mit SyncE und PTP

Moderne Applikationen reagieren immer sensibler auf große Latenzen. Mit PTP und SyncE lässt sich das Timing in Ethernet-Netzwerken aber verbessern.

Tageszeit und Frequenz-Distribution sind in der Regel nicht ganz oben auf der Agenda eines Netzwerk-Admins zu finden....

Historisch gesehen waren Daten-Netzwerke nicht-deterministisch und brauchten daher kein präzises Timing. Das ist ein Grund, warum sie so günstig und einfach einzusetzen waren. Das hat dazu geführt, dass sich IP over Ethernet wie eine einzelne, konvergente Infrastruktur verhält und unterschiedlichste Anforderungen erfüllte.

Ironischerweise haben Netzwerk-Designer dann einige der Funktionen eingebaut, die früher außen vor gelassen wurden, beispielsweise spezielle Timing-Mechanismen. So gesehen wurde das Ethernet-Protokoll ein Opfer seines eigenen Erfolgs, da technische Fortschritte dazu geführt haben, dass die Wiedereinführung von präziser Frequenz-Verteilung attraktiv und ökonomisch vertretbar wurde.

Einer der Hauptvorteile von IP over Ethernet ist, dass es einfach und günstig eingesetzt werden kann. Deswegen findet man es in fast allen Umgebungen. Zum Teil ist das auf den asynchronen Betrieb zurückzuführen. Allerdings haben sich die Applikationen vervielfacht und sind komplexer geworden. Über Ethernet läuft nun Traffic wie zum Beispiel interaktive Videos und Sprachkommunikation, die ein genaues Timing benötigen. Ethernet ist allerdings keine Technologie, die von Anfang an darauf getrimmt wurde, so knappe Toleranzen zu adressieren.

Um diese Probleme zu kompensieren wird Buffering genutzt, um die anfängliche Konvergenz von Echtzeit-Medien in IP-Netzwerken zu realisieren. Jitter-Puffer sind kurzlebige Behälter, die die Unterschiede der Ankunftszeiten der verschiedenen Pakete abfedern. Menschen bemerken normalerweise die Latenz von 20 bis 50 Millisekunden nicht, die Buffering mit sich bringt. Für manche Applikationen ist aber auch diese kurze Zeit nicht akzeptabel. Dazu gehören zum Beispiel:

  1. Traffic mobiler Endgeräte über Ethernet. Früher wurde der meiste mobile Traffic via TDM-Verbindungen (Time-Division Multiplexing) verarbeitet, die von sich aus einen synchronen Betrieb ermöglichen. Ein sehr präziser und gemeinsamer Taktgeber ist für Mobilfunkbetreiber entscheidend. Damit garantiert man eine angemessene Frequenz-Referenz, die vor allem bei Ereignissen wie der Übergabe eines Anrufs zwischen Funkzellen wichtig ist.
  2. Zusammenarbeit von SONET/SDH mit Ethernet. Migrieren Mobilfunkbetreiber Netzwerke zu IP over Ethernet, um damit die Synchronisation im gesamten Netzwerk konsistent zu halten, muss IP over Ethernet natürlich auch Synchronisationsinformationen beinhalten. Nur so vermeidet man eine Inselbildung.
  3. Audio Video Bridging (AVB, IEEE 802.1BA). Audio- und Video-Dateien mit hoher Qualität zu senden setzt sehr präzises Timing voraus. Das gilt vor allen Dingen dann, wenn Signale aus verschiedenen Quellen gemischt werden oder wenn man Formate konvertieren muss. In der Regel wurde diese Funktion von alleinstehenden und proprietären Geräten und Netzwerken übernommen.
  4. Automotive Ethernet ist eine spezielle Art von Ethernet, die man in Fahrzeugen einsetzt. Dort sind QoS (Quality of Service) und Zufallsunabhängigkeit der Sicherheit wegen entscheidend. Automotive Ethernet scheint viele der Vorteile von AVB anzunehmen, dürfte aber eine noch striktere Netzwerk-Performance voraussetzen.
  5. Stromerzeugung und -verteilung. Das Stromnetz in Nordamerika operiert mit 60 Zyklen pro Sekunde und dabei gibt es nicht viel Spielraum für Abweichungen. Jede der drei Verbindungen in den USA muss diesen Frequenzstandard aufrechterhalten. Alle Generatoren müssen sich also genau mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Da Kontrollsysteme für das Stromnetz zu IT-Systemen werden, ist auch hier das Übertragen der Timinig-Informationen entscheidend.
  6. Industrielle Kontrolle, bei der die Sicherheit die Betriebs-Sequenzen von großen Maschinen bestimmt.
  7. Wissenschaft und Labor-Messungen, bei denen man etwas über Ereignisse herausfinden möchte, die von kurzer Dauer sind und die sehr schnell passieren.

Neue Protokolle stehen bereit, um die zusätzliche Kontrolle zu liefern

An dieser Stelle kommen das PTP (Precision Timing Protocol) der IEEE und ITUs Synchronous Ethernet ins Spiel. Beide dieser aufstrebenden Standards ermöglichen präziseres Timing, das man via NTP (Network Time Protocol) realisiert.

Man könnte argumentieren, dass das Präzisionsniveau dieser Protokolle für Paket-Switching-Netzwerke nicht notwendig ist. Sie sind nicht nur teuer und komplex, sondern Ethernet-Netzwerke laufen außerdem auch asynchron. Anders als TDM-Technologien, die garantierte Lock-Step-Übertragungen von Frames liefern, ist Ethernet eine wahrscheinlichkeitstheoretische Technologie, die auf Kollisionen, erneutes Übertragen und Buffering setzt, um Konflikte zu adressieren.

Haupttreiber dieser Entwicklung sind führende IT-Administratoren, die einen Einsatz der Protokolle ernsthaft in Erwägung ziehen. Werfen wir einen Blick darauf, um was es sich dabei genau handelt.

Synchrones Ethernet (SyncE). Das Protokoll der ITU unterscheidet sich von herkömmlichem Ethernet hauptsächlich auf zwei Arten. Zunächst ist der Referenztakt für jeden Impulsgeber in einem Gerät nicht der lokale Oszillator des Medien-Zugriffs-Controllers, wie das bei Ethernet der Fall ist. Es ist vielmehr eine gemeinsame Quelle auf allen Ports eines Nodes. Weiterhin ist der Takt-Oszillator von wesentlich höherer Qualität. Die speziellen Oszillatoren in einem SyncE-System bieten eine Qualität von Plus oder Minus 4,6 Parts per Million (ppm).

Dies entspricht in etwa dem SONET-Stratum-3-T-Timing und ist wesentlich besser als Standard-Ethernet. Damit ergibt sich der Vorteil, dass es, wenn man auf die ankommenden Leitungen setzt, keinen zusätzlichen Overhead für das Netzwerk gibt. Es gibt einige Statusmeldungen, die zwischen den teilnehmenden Nodes und dem Ethernet Synchronization Message Channel ausgetauscht werden,  die mit den SONET-SDH-Synchronisations-Status-Meldungen zusammenarbeiten. Weil dieser Ansatz ähnlich zur Frequenz-Verteilung bei der SONET/SDH-Methode ist, haben es Mobilfunkbetreiber beim Anpassen der Designs leichter. Der Nachteil ist allerdings, dass jeder Node im Netzwerk SyncE-fähig sein muss.

PTP, auch durch seine Standard-Nummer 1588 referenziert. PTP verwendet IPv4- oder IPv6-Multicast-Pakete, um sowohl Timing-Informationen als auch überwachende Nachrichten zu übertragen. Im Gegenteil dazu setzt SyncE auf Ethernet Line Coding (Leitungskodierung), um die Synchronisation des Takts zu realisieren.

(Hinweis: IEEE1588 ist ein spezifisches Profil innerhalb der 802.1AS Timing and Synchronization for Time Sensitive Applications.)

Eine Revision des Protokolls unterstützt eine weitere Synchronisationsmethode

Version 2 des Standards 1588 unterstützt native Ethernet (nicht-IP) Frames für die Synchronisation. Sind alle Geräte in einem Netzwerk PTP-fähig, führt dies zu einer besseren Performance. Allerdings ist das nicht zwingend notwendig. Der Grund liegt darin, dass die Nachrichten als Netzwerk-Payload in speziellen Paketen übertragen werden und nicht via Line Coding. Deswegen lässt sich PTP stufenweise einführen.

Die Nodes in einem 1588-System beinhalten einen verteilten Algorithmus, der sich BMC (Best Master Clock) nennt. Damit legt man fest, welches Gerät Master ist. Von diesem beziehen alle anderen Geräte (Slaves) die Zeit. Ein Nachteil von 1588 ist, dass die Nachrichten als Netzwerkdaten unterwegs sind. Somit ist es Verzögerungen (Jitter) ausgeliefert und wird außerdem mit anderen Daten vermischt. Weil das Protokoll zusammen mit den Medien-Zugriffs-Controllern in der Hardware implementiert ist, sind Übertragungsverzögerungen und Jitter minimiert. NTP hingegen residiert entweder im Kernel eines Betriebssystems oder in einer Anwendungssoftware. PTP wird als Teil der Frame-Verarbeitungs-Funktion in einer Ethernet-Schnittstelle implementiert. Hier sind Genauigkeiten bis zu einer Nanosekunde möglich. Einige Anbieter sprechen auch von einer Mikrosekunde.

Zwar dürften sicherlich nicht alle Unternehmen die Notwendigkeit für ein qualitativ so hochwertiges Timing im Netzwerk sehen. Das gilt vor allem auch für regulär genutzte Unternehmensnetzwerke. Dennoch sollte man diese Technologien im Auge behalten und sich darüber informieren, um sie im Fall der Fall auch einsetzen zu können.

Über den Autor:

Andrew Gallo ist leitender Techniker für Informationssysteme und Netzwerkarchitektur. Er ist für das Design und die Implementierung eines Enterprise-Netzwerks für eine große Universität zuständig.

Artikel wurde zuletzt im November 2014 aktualisiert

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