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Mitglied Roland hat mich im Forum gefragt, was es mit den Aussagen, das ein Layer 1 Switch “volltransparent” die Daten weiterreicht, zu tun hat. Anscheinend kommt es aktuell durch falsches Verständnis von vermeintlichen Experten, die besser bei der Komplexität eine 3 adrigen Stromkabels und Trenntrafos bleiben sollten, hier zu großer Verunsicherungen.
Da der Layer 1 Switch ein Exot ist, werde ich hier speziell auf die Relevanz bei FMCs eingehen, da dies der einzige Anwendungsfall bei uns ist, wo es noch vereinzelt Layer 1 Geräte gibt.

Es wird bzgl. der Thematik noch einen Artikel zu den OSI Layer Modell geben – dauert aber noch etwas – suche gerade noch alte Schulungsunterlagen hierzu heraus, die ich mal für Mitarbeiter erstellt hatte.

Hier nochmal die Frage von Roland:

Zitat aus dem Internet “A Layer 1 switch does not read, manipulate or use packet/frame headers to route the data. Layer 1 switches are fully transparent to the data and typically have very low latency. Completely transparent connections between ports are important in testing environments as this allows the tests to be as accurate as if there were a patch cord between the devices.“

Was bedeutet „volltransparent“?
Heißt das, daß auch alle Störungen des Senders mitübertragen werden?
Gleichtaktstörungen wohl eher nicht, aber vielleicht noch andere?

Layer 1 Switch: Der Exot

Mit einen „Layer 1 Switch“ hat sich Roland leider einen absoluten Exoten rausgesucht. Eigentlich dürfte es sowas wie einen Layer 1 Switch gar nicht geben. Ein Switch zeichnet sich nämlich dadurch aus, das er mindestens auf OSI Layer 2 arbeitet. Zitat Wikipedia (Nur zum Beleg meiner Aussagen):

Der Begriff Switch bezieht sich allgemein auf eine Multiport-Bridge – ein aktives Netzwerkgerät, das Frames anhand von Informationen aus dem Data Link Layer (Layer 2) des OSI-Modells weiterleitet.

Weite von Wikipedia:

Das dem Switch vergleichbare Gerät auf Netzwerkschicht 1 (Layer 1) wird als (Repeater-)Hub bezeichnet.

Jetzt gibt es aber trotzdem Layer 1 Switche auf dem Markt. Dies sind Switche, die für spezielle Anwendungen gebraucht werden und wegen den Anforderungen nicht auf Layer 2 arbeiten können.
Zum einen sind dies Switche für Automatisierte Tests in Laboren, wo kein Eingriff auf Layer 2 in den Datenstrom erfolgen darf. Hier gibt es sogar Switche, die mechanisch Posts verschalten. Dabei wird dann natürlich, sofern dies ohne Wandlung zu optischer Übertragung kommt, das komplette Signal durchgereicht – mit allen Störungen. Das ist aber ein absoluter Ausnahmefall und spielt für uns keinerlei Rolle, sodass ich dies nicht weiter verfolgen werde.

Auch in Rechenzentren, wo höchste Geschwindigkeit gefragt ist, gibt es Layer 1 Switche, da eine Layer 2 Behandlung Zeit kostet. Diese regenerieren allerdings schon das Signal, sodass hier bei ein komplett neu generierte Signal herauskommt.

Layer 1 Geräte: Volltransparenter Datenverkehr

Die Aussage „volltransparent“ bezieht sich bei Layer 1 Geräten auf ein volltransparentes Durchreichen der Daten und nicht des analogen Signals. Wenn man die Beschreibung genauer liest, steht das ja auch da: “Layer 1 switches are fully transparent to the data“
Also bei einem OSI Layer 1 Netzwerkgerät, also einem Gerät. das nur dem OSI Layer 1 arbeitet, werden einfach die Bits (Nullen und Einsen) genau so wie sie ankommen weitergegeben. Allerdings wird das Signal neu aufgebaut (ansonsten bräuchten die Geräte ja keine Clock ;-)). Ausnahme können Layer 1 Switche darstellen, bei denen teils mechanisch die Port zu Port Verbindung hergestellt wird (siehe oben)

Ethernet-LWL Mendienkonverter (FMCs)

Layer 1 Geräte kommen höchsten noch bei FMC Medien Converter in unserem Anwendungsumfeld vor. Ich gehe nicht davon aus, daß noch jemand einen Hub bei sich zu hause hat. Auch bei Layer 1 FMCs erfolgt eine Regenerierung bzw. ein Neuaufbau des Signals. Alle Layer 1 Medienkonverter Chips (PHY) die mir bekannt sind, erzeugen ein neues Signal (ansonsten wäre wie gesagt die Clock ja nicht notwendig). Eine Vorstellung, das hier nur eine Verstärkung und dann ein direkter Anschluss an die Laser Diode erfolgt mag dem Audio Techniker gefallen, ist aber sehr naiv.

D.H. die Bits die reinkommen gehen genauso wieder raus, jedoch mit einem neuen analogen Signal. Keinerlei Fehlerkorrektur oder Intelligenz, die sich merkt, wohin die Bits (beim Switch also auf welche Port) gesendet werden sollen (bei einem Repeater oder MC ohne weiteren Port ja auch nicht nötig). D.H. wenn z.B. ein Fehler in der Bitfolge auf dem Weg zum Gerät passiert (Eine Eins nicht mehr gelesen werden kann und als Null interpretiert wird), dann wird dieser einfach weitergegeben.
Erst mit OSI Layer 2 werden die Daten in Frames analysiert und eine Fehlerkorrektur kann erfolgen. Diese bezieht sich jedoch nur auf die Daten. Bei dem Einsatz eines Layer 1 FMCs erfolgt die Fehlerkorrektur spätestens im Streamer, der dann die Daten neu anfordert. Dies fällt aber nicht ins Gewicht – also bitte nicht spekulieren, das durch ein Layer 2 FMC der Streamer entlastet wird.

Also ist es bzgl. der für uns relevanten Gleichtaktstörungen und eventuell auch Jitter / Phasenrauchen egal, ob Layer 1 oder Layer 2 FMC.

Mögliche Störungsweiterleitung

Natürlich können ankommende Störungen das abgehende Signal stören, jedoch erfolgt dies nicht „volltransparent“ und ist auch unerheblich ob denn Layer 2 im Spiel ist oder nicht.

Hier zwei Ansätze, die m.E. seriös sind und aktuell m.E. nicht ausgeschlossen werden können:

Timing-Störungen im Signal 

Diese These wird von John Swenson vertreten. Hier das Paper von ihm: https://cdn.shopify.com/s/files/1/0660/6121/files/UpTone-J.Swenson_EtherREGEN_white_paper.pdf?v=1583429386

Vereinfacht: Er geht dabei davon aus, daß sich elektrische Störungen im Sender in Störungen bzgl. Timing, spezieller im Phasenrauschen des Signals wandeln – in unserm Falle in das LWL Signal. Im Empfänger führen diese Timing Störung / Phasenrauschen wieder zu elektrischen Störungen.

Die These konnte noch nicht messtechnisch nachgewiesen werden, jedoch sollte man sich m.E. davor hüten, diese als Quatsch oder Marketing abzutun. Swenson hat sehr lange in der Chip Industrie gearbeitet und war anscheinend im Bereich Chip Design für das Power Management innerhalb der Chips zuständig. Er hat sein Wissen bestimmt nicht nur von Google oder Wikipedia.

„Noise“ im Lichtsignal

Es kann durchaus auch sein, daß Störungen, die im Lichtsignal sind, sich beim Empfänger als elektrische Störungen bemerkbar machen. (Das würde auch Klangänderungen durch verschieden LWL Kabel erklären). Ich würde das aktuell nicht ausschließen, wobei dies nur eine rein theoretische Überlegung ist und ich selbst zu wenig Erfahrung in diesem Bereich habe, um diese mit Gewissheit zu behaupten – ausschließen kann man sie m.E. aber nicht.

Die Übertragung von Störungen (sofern diese überhaupt stattfindet) geschieht jedoch nicht, wie man vielleicht als Layer annehmen könnte, indem einfach Störungen des ankommenden Kupfer-Ethernet-Signals direkt 1:1 in einem FMC in Licht Störungen umgewandelt werden und diese dann beim Empfänger wieder 1:1 in elektrische Störungen. Und daß erst mit Layer 2 eine „Säuberung“ des Signals passiert – das sind sehr naive und antiquierte Vorstellungen, von dem, was in den Chips passiert.

Also das Signal wird natürlich bei einer Wandlung von Kupfer Ethernet zu LWL nochmal neu generiert, sodaß in dem neuen Signal zuerst mal nur Störungen enthalten sind, die bei der Generierung selbst verursacht sind. Das Signal wird zuerst mal vom Netzwerk-Chip in dem FMC als ein elektrisches Signal ausgesendet, das natürlich auch von den vorgelagerten, einkommenden Störungen des Kupfer-Ethernet-Signals „gestört“ werden könnte.

Dieses Signal wird jetzt durch eine Laser-Diode in ein Lichtsignal gewandelt (also die eigentliche Wandlung passier ja durch die Diode und nicht im Chip). Somit sind m.E. Störungen im elektrischen Signal auch im Lichtsignal. Allerdings keinerlei Gleichtaktstörungen.

Auf der Empfängerseite passiert das umgekehrte. Eine Photo-Diode wandelt die Licht-Signale in elektrische Signale um. Bei diese Wandlung könnten sich auch Störungen / Noise des Lichtsignals in elektrische Störungen wandeln. Das gewandelte Signal trifft dann in dem Netzwerk-Chip ein und wird dann nochmal neu generiert. Das neu generierte ausgehende Differential-Signal geht dann per Kupfer Ethernet auf die Reise und kann natürlich auch wieder (innerhalb des FMCs) von den Störungen des in Strom gewandelten ankommenden Lichtsignal über Abstrahlung oder sonstige Wege gestört werden. Somit könnten vielleicht doch Störungen über LWL übertragen werden. Das hat aber überhaupt nichts mit Layer 1, 2 oder 3 im FMC zu tun. Und die Übertragung von Gleichtaktstörungen sind hierbei auch auszuschließen.

Allerdings ist das m.E. alles hypothetisch und muss genauer untersuchen werden.

Layer 1 bei WLAN?

Alle, die eine WLAN Lösung einsetzen können sich bzgl. der aktuellen missverständlichen und unnötigen Diskussionen über Störungsübertragung bei Layer 1 Geräten genüsslich zurück lehnen und zuschauen:

WLAN-Clients und Wlan Accesspoints sind immer Layer 2 Geräte.

Also auch hier ein klarer Vorteil von WLAN – wenigstens fürs Gefühl, weil es bzgl. der Störungsweiterleitung komplett egal ist ob Layer 1 oder Layer 2 Gerät.

Ich hoffe Euch hiermit etwas Licht ins Dunkle gebracht zu haben.
Anmerkungen hierzu gerne hier als Kommentar oder auch im Forum.

Beste Grüsse,

Eric