Ausgestrahlt - elektromagnetische Emission

Der erfahrene Magier ist stets bedacht, seine Kräfte im Verborgenen zu halten. Greift er zu sehr in seine Umgebung ein, zieht er die Aufmerksamkeit - und womöglich den Groll - seiner Zeitgenossen auf sich. So verhält es sich auch mit Schnittstellen - niemand möchte auf sein Handy, Radio oder die Funkkopfhörer verzichten, sobald der Computer läuft.

Störungen verringern

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Fließt ein Wechselstrom durch einen Leiter, entsteht um diesen herum ein elektromagnetisches Feld. Das ist natürlich auch hier der Fall und kann zum Problem werden: Die emittierte Strahlung kann andere Geräte stören. Durch elektromagnetische Interferenz (EMI) hervorgerufene Störungen können - rein auf Emitterseite, also ohne Abschirmung - mit zwei Ansätzen verringert werden.

Der erste ist, die Frequenz der Strahlung möglichst hoch zu halten, sprich im Gigahertzbereich. Hochfrequente Strahlung durchdringt Materialien schlechter als Strahlung beispielsweise im Bereich der Ultrakurzwellen (UKW, etwa 30 - 300 MHz). Hier senden neben dem klassischen FM-Radio auch DAB+ und diverse Funkdienste.

Gelingt es zudem, die Strahlungsleistung auf einen möglichst großen Bereich des Spektrums zu verteilen, sinkt die Störintensität weiter. Je größer der Frequenzbereich, in dem eine feste Leistung ausgesendet wird, desto geringer die Leistungsdichte in einem festen Ausschnitt dieses Bereichs. Es wird also versucht, eine möglichst breitbandige Störung zu erzeugen. Denn verhindern lässt sie sich nicht - außer mit einem scharfen Messer, mit dem die Leiter durchtrennt werden.

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Die Frequenz der emittierten Strahlung hängt von der Bitwechselfrequenz ab, da eine Null-Eins-Folge eine Periode der Wechselspannung erzeugt. Sie ergibt sich also als Kehrwert der Dauer dieser Periode.

Nehmen wir wieder PCIe als Beispiel, so ist der Worst Case die Folge der beiden Wörter 0000011111 und 1111100000 - hier beträgt die Periodendauer 20-mal die Bitdauer, also bei PCIe 1.0 8 ns, bei PCIe 2.x 4 ns. Entsprechend wird Strahlung mit 125 MHz bzw. 250 MHz emittiert. Damit strahlen wir bereits im UKW-Spektrum.

Hier stoßen wir also auf ein Problem: Lange, einheitliche Sequenzen von Daten erzeugen trotz Codierung sich wiederholende Muster. Die Leistung der erzeugten Strahlung verteilt sich hierdurch auf wenige Frequenzen. In einem Spektrogramm fänden sich hier Peaks mit hoher Leistung. Die Strahlung ist also noch nicht breitbandig!

  • Prinzip einer seriellen Schnittstelle mit Serialisierer und Deserialisierer (Bild: TI)
  • Überlagerter Spannungsverlauf vieler Signalwechsel: das Eye diagram. In der Mitte sollte der Empfänger auswerten. (Bild: Cadence)
  • Prinzip der Taktsynchronisation: Abgleich zwischen Empfangstakt und Datensignal (Bild: Johannes Hiltscher)
  • PCIe nutzt ein Schichtenmodell. Mittels spezieller Codewörter können Kommandos direkt ans Physical Layer gesendet werden. (Bild: National Instruments)
  • Gleiche Gesamtleistung (grüne Fläche), verteilt auf mehr Frequenzen ergibt geringere Spitzenleistung. (Bild: Johannes Hiltscher)
  • Funktionsprinzip von Scrambler und Descrambler mit Polynom x1 + x14 + x15. (Bild: Wikipedia / Public Domain)
  • Steigerung der Datenrate von PCI/PCIe über die letzten 30 Jahre; Angaben für x16 Link, bidirektional (Bild: PCI-SIG)
  • Archivmaterial enthüllt: Aliens brachten PCIe auf die Erde! (Bild: ReasearchGate, Mindshare / Montage: Johannes Hiltscher)
Gleiche Gesamtleistung (grüne Fläche), verteilt auf mehr Frequenzen ergibt geringere Spitzenleistung. (Bild: Johannes Hiltscher)

Nun kommt eine weitere Komponente ins Spiel: der sogenannte Scrambler (Vermischer, Verwürfler). Hierbei handelt es sich um eine Schaltung, welche aus einem eingehenden Datenstrom eine pseudozufällige Folge von Nullen und Einsen erzeugt.

Wichtig ist natürlich, dass der Empfänger die ursprünglichen Daten wiederherstellen kann. Daher wird eine pseudozufällige Folge erzeugt. Dies ist sehr einfach möglich mit sogenannten linearen Schieberegistern mit Rückkopplung (Linear Feedback Shift Register, LFSR).

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Hier wird der Inhalt bei jedem Schritt um eine Stelle verschoben. Das herausfallende Bit wird nach einem festen Schema, genannt Scramblerpolynom, zurückgeführt. Ausgehend von einem Initialwert erzeugt es eine Folge von Zahlen, welche bei gut gewähltem Polynom von einer zufälligen Folge nicht unterscheidbar ist.

  • Prinzip einer seriellen Schnittstelle mit Serialisierer und Deserialisierer (Bild: TI)
  • Überlagerter Spannungsverlauf vieler Signalwechsel: das Eye diagram. In der Mitte sollte der Empfänger auswerten. (Bild: Cadence)
  • Prinzip der Taktsynchronisation: Abgleich zwischen Empfangstakt und Datensignal (Bild: Johannes Hiltscher)
  • PCIe nutzt ein Schichtenmodell. Mittels spezieller Codewörter können Kommandos direkt ans Physical Layer gesendet werden. (Bild: National Instruments)
  • Gleiche Gesamtleistung (grüne Fläche), verteilt auf mehr Frequenzen ergibt geringere Spitzenleistung. (Bild: Johannes Hiltscher)
  • Funktionsprinzip von Scrambler und Descrambler mit Polynom x1 + x14 + x15. (Bild: Wikipedia / Public Domain)
  • Steigerung der Datenrate von PCI/PCIe über die letzten 30 Jahre; Angaben für x16 Link, bidirektional (Bild: PCI-SIG)
  • Archivmaterial enthüllt: Aliens brachten PCIe auf die Erde! (Bild: ReasearchGate, Mindshare / Montage: Johannes Hiltscher)
Funktionsprinzip von Scrambler und Descrambler mit Polynom x1 + x14 + x15. (Bild: Wikipedia / Public Domain)

Allerdings ist der Nachfolgewert jeder Zahl deterministisch. Ist also der aktuelle Wert bekannt, kann der nächste bestimmt werden - und nach einer Zeit wiederholt sich die Folge.

Dieser Albtraum jeder Kryptographin ist hier gewollt: Bei Beginn einer Übertragung setzen Sender und Empfänger ihren Scrambler auf einen festen Wert. Jedes übertragene oder eingehende Bit setzt ihn einen Schritt weiter. Der aktuelle Ausgangswert des Scramblers wird mittels exklusivem Oder (XOR) mit dem aktuellen Bit verknüpft. Da XOR eine selbstumkehrende Operation ist (A XOR B XOR B = A) ist die Schaltung nicht nur sehr einfach, sondern auch für Sender und Empfänger gleich.

Hiermit haben wir nun das fehlende Puzzle-Stück. Der Scrambler erzeugt auch aus langen, gleichförmigen Folgen ein zufälliges Bitmuster. Durch die Codierung wird die maximale Periodendauer einer Null-Eins-Folge begrenzt, also auch die minimale Frequenz der emittierten Strahlung. Zwar emittiert PCIe noch immer im UKW-Spektrum, jedoch mit wesentlich geringerer Wahrscheinlichkeit und entsprechend Leistung. Schön anschaulich zeigt dies ein Video von Maxim Integrated:

Nebeneffekt: Fehlererkennung

Wie bereits oben erwähnt, werden bei 8b10b-Codierung lediglich 672 von 1.024 möglichen Codeworten genutzt. Wird ein anderes erkannt, kann die aktuelle Übertragung direkt als fehlerhaft verworfen werden. Dies ist jedoch kein hauptsächlicher Grund der Codierung - Fehlererkennung (und meist auch -korrektur) erfolgt auf höheren Ebenen. Hierzu kommen wesentlich ausgefeiltere Techniken zum Einsatz.

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 Gleichstromfreiheit - in der Ruhe liegt die KraftWas macht PCIe 3.0 so effizient? 
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hoffelmann 31. Jan 2022

Seh ich genauso. ich fand den Matapher nicht wirklich hilfreich und irgendwie fehl am Platz.

bananaking 25. Jan 2022

Jetzt kommt mit der nächsten Gen mal mehr als drei Pegel, ja wahnsinn! Ja ich weiss...

LordSiesta 24. Jan 2022

Ich auch. Der war sehr unterhaltsam und lehrreich. Perfekt.

BTFLV 24. Jan 2022

Danke für die Korrektur. Dass elektrische Signale analog sind, ist aus der Sicht ja...



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