Je komplexer das Netzwerk wird, desto häufiger kommt es zu Störungen. Bei der Musikwiedergabe kommt es zu Dropouts und Verbindungsaussetzer. Oder ein Gerät weigert sich gleich ganz die Verbindung aufzunehmen. Auch wir waren davon nicht verschont. In der Vergangenheit kam es trotz audiophiler Switches und Netzwerkkarten zu klanglichen Verschlechterungen bis hin zu Dropouts, wenn per Remote auf den Musikserver zugriffen wurde. Mit den Solarflare NICs ist das nicht mehr vorgekommen. Und wir haben eine starke Vermutung warum das so ist. Aber der Reihe nach.
Alles muss so einfach wie möglich sein. Aber nicht einfacher.
Ein berühmtes Zitat von Albert Einstein. Auf unser Netzwerk für den Audio PC bezogen bedeutet es, dass für die Störungsfreiheit und Fehlerbegrenzung das Netzwerk möglichst einfach aufgebaut sein soll. Aber nicht so einfach, dass Störungen von außerhalb oder innerhalb des Audio Systems ungehindert durchkommen. Um die Stellschrauben zu kennen, sehen wir uns als nächstes einige Grundlagen an.
Wie funktioniert Ethernet?
Wikipedia schreibt, dass Ethernet eine Technik ist, die Software (Protokolle usw.) und Hardware (Kabel, Verteiler, Netzwerkkarten usw.) für Datennetze spezifiziert. Die Datenframes werden im LAN (Local Area Network) entweder leitungsgebunden (Kupfer oder Glasfaser) oder per Funknetz im WLAN (Wireless Local Area Network) übertragen.
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
Bei Routern oder Switches gibt es Spezifikationen, die meist mit einem vorangestellten IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) und einer Nummer klassifiziert werden. Diese Normen werden seit 1980 einheitlich von einem weltweiten Berufsverband mit Sitz in New York festgelegt. Und so gibt es ein IEEE 802.3 Tagged MAC Frame, welches das gängige Format der Ethernet-Datenübertragungsblöcke beschreibt.
Jede Netzwerkschnittstelle hat zum Beispiel einen global eindeutigen 48-Bit-Schlüssel, der als MAC-Adresse (Media Access Code) bezeichnet und im Datenübertragungsblock eingebunden wird. Die Ziel-/ und Quell-MAC-Adresse werden angegeben, damit die Daten richtig ankommen.
Wichtig sind auch die CRC-Prüfsummen. Wenn ein Paket beim Sender erstellt wird, wird eine CRC-Berechnung über die Bitfolge durchgeführt und die Prüfsumme an den Datenblock angehängt. Der Empfänger führt nach dem Empfang die gleiche Berechnung aus. Stimmt die empfangene nicht mit der selbst berechneten Prüfsumme überein, geht der Empfänger von einer fehlerhaften Übertragung aus, und der Datenblock wird verworfen und neu angefordert. Das ist auch das Standardargument derjenigen, die sich über Ethernetoptimierungen lustig machen. Die Daten müssen immer Bitperfekt ankommen. Aber Bitperfekt heißt noch längst nicht, dass es sich gut anhört.
Musik ist zeitkritisch. Wenn die Zeit bei einem fehlerhaften Paket für eine Wiederholung nicht mehr ausreicht, ist zum Beispiel das typische Knistern wie bei einer Schallplatte zu hören. Bei gravierenden Übertragungsproblemen kommt es zu Dropouts.
Übertragungsfrequenz
Wichtig ist zu wissen, dass die Bits und Bytes in einer analogen Technik per Hochfrequenz (HF) übertragen werden. Dazu gibt es verschiedene Standards. Ein Cat5-Kabel überträgt die Daten mit einer Frequenz von bis zu 100MHz und schafft damit maximal eine Rate von 100Mbps. Ein CAT6a-Kabel überträgt bis 500MHz mit einem maximalen Durchsatz von 10Gbps.
| Kategorie | Netzwerk | Übertragungsfrequenz | Maximale Übertragungsrate | Übertragungsdistanz |
|---|---|---|---|---|
| Cat5 | 100Base-T & 10Base-T | 1～100MHz | 100Mbps | 100m |
| Cat5e | 1000Bsae-T | 1～100MHz | 1000Mbps | 100m |
| Cat6 | 1000Bsae-T | 1～250MHz | 1000Mbps/10Gbps | 100m/37~55m |
| Cat6a | 10GBase-T | 1～500MHz | 10Gbps | 100m |
| Cat7 | 10GBase-T | 1～600MHz | 10Gbps | 100m |
| Cat8 | 25/40GBase-T | 1~2000MHz | 25Gbps oder 40Gbps | 2000 MHz bei 30m |
Gleichtaktstörungen
Unter Gleichtaktstörungen werden Störspannungen und -ströme auf den Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Komponenten oder elektrischen Bauelementen verstanden, welche sich mit gleicher Phasenlage und Stromrichtung sowohl auf der Hinleitung als auch der Rückleitung zwischen diesen Komponenten ausbreiten. Es hat sich gezeigt, dass Switche und Router von einer Stromversorgung mit geringem Ripple Noise profitieren.
Hochfrequenzanteile können sich sehr parasitär in Geräten einnisten und das Nutzsignal demodulieren. Wer zum Beispiel mit dem Smartphone in die Nähe eines Röhrenverstärkers kommt, wird die Funksignale im GHz-Bereich hören.
Eye pattern Diagramm
Das Eye pattern oder Augenmusterdiagramm lässt Rückschlüsse auf die Qualität des Signals zu. Dabei wird über ein Oszilloskop die Überlagerung aufeinanderfolgender Wellenformen zu einem zusammengesetzten Bild erstellt. Im Bild unten wird auf der Ordinate (y-Achse vertikal) der Spannungszustand definiert, ab dem eine binäre 0 oder 1 anliegt. Auf der Abszisse (x-Achse horizontal) ist der Zeitverlauf angegeben. Über die Spannungszustände und dem Zeitverlauf ergibt sich so zum Beispiel eine Bitsequenz von 011 (Gelb).
Während die Latenz eine feste Zeit zwischen zwei Ereignissen definiert, beschreibt Jitter die Schwankungen innerhalb dieser Zeit. Diese Schwankungen können im Eye pattern Diagramm an den Schnittstellen der aufeinanderfolgender Wellenformen gemessen werden.
Wenn sich über die verschiedenen Bitsequenzen auf dem Oszilloskop in der Mitte ein großes Auge erkennen lässt, ist die Signalqualität in Ordnung. Störungen in den Spannungsverläufen, zum Beispiel Verschiebungen durch Jitter oder eine zu geringe Steilheit in den Flanken können zu Fehlinterpretationen der Bitsequenzen führen. Durch die Prüfsummen wird das fehlerhafte Datenpaket zwar erkannt, aber wenn das zu oft passiert gehen Datenpakete verloren.
Daraus folgt die Erkenntnis, dass es auch auf eine gute Qualität der Kabel ankommt! Selbst eingefleischte Mathematiker wie Jussi Laako, dem Entwickler vom HQPlayer, sind vor dem LAN-Kabelklang nicht gefeit. Okay, so können wir es nicht stehen lassen. Jussi Laako geht es richtigerweise um die Störungsfreiheit und die Bandbreite und er empfiehlt zum Beispiel RJ45-Stecker ohne Metallhülle. Auch können gute Isolatoren Störungen vermindern. Siehe zum Beispiel das fis Magic LAN Kabel, bei dem mit kleinen Schaltern der Schirm getrennt werden kann. Das LAN Kabel ist mit einem integrierten Isolator erhältlich. So werden parasitäte HF-Übertragungen und Masseschleifen vermieden. Alternativ kann mit Glasfaser (Lichtwellenleiter – LWL) eine perfekte galvanische Trennung erreicht werden. WLAN wird auch von vielen genutzt, ist jedoch störanfällig und wirkt mit den WLAN Antennen in der Nähe der Anlage als HF-Schleuder.
Ein Beispiel für ein optimiertes Netzwerk
Im Bild unten startet das Netzwerk mit dem Router (links oben im Bild). Per LAN-Kabel wird ein Repeater angesteuert, welcher die Daten per WLAN versendet. Das WLAN des Routers ist deaktiviert. Per Smartphone oder Tablet erfolgt die Steuerung mit der Roon App. Ein anderes LAN-Kabel geht zum Switch. Über LWL (Lichtwellenleiter) sind der fis Audio Server (Roon Core) und der fis Audio PC (HQPlayer) angebunden. Der DAC und ein Fernseher sind per LAN-Kabel mit dem Switch verbunden.
Nachfolgend beschreiben wir in Anlehnung des oben abgebildeten optimierten Netzwerks die Stellschrauben für ein störungsfreies und audiophiles Netzwerk.
Router
Der Router stellt die Verbindung zur Außenwelt (Internet) dar und hat meistens einen DHCP-Server, welcher automatisch die IP-Adressen an die angeschlossenen Geräte vergibt. Auch wenn heutige Router für Multimedia viele Funktionen anbieten, sind sie für gehobene Ansprüche nicht audiophil genug. Das liegt zum einen an der bescheidenen Hardware-Qualität, welches auch dem relativ geringen Preis geschuldet ist. Manche bieten Modifikationen mit höherwertigeren Komponenten an.
Immer zu empfehlen ist eine hochwertige Stromversorgung durch ein lineares Netzteil. Die beiliegenden Schaltnetzteile sind zwar energieeffizient, haben aber einen sehr hohen Ripple Noise, welches sich klangschädlich auswirkt. Siehe auch unseren Beitrag: Lineare Netzteile (LPS) vs. Schaltnetzteile (SMPS)
Im Router sind starke Antennen für WLAN eingebaut, welche mit ihrer hohen Hochfrequenzenergie das Nutzsignal demodulieren können. Im Beispiel oben wurde WLAN im Router deaktiviert und an einen Repeater ausgelagert. Grundsätzlich soll schon aufgrund der Störsicherheit WLAN nur für die Steuerung, jedoch nie für die Musiksignalübertragung verwendet werden.
Im Router selbst können Abschaltungen nicht benötigter Funktionen für Störungsminimierungen sorgen. Zum Beispiel die USB Verbindungen. Verwende für ein NAS lieber einen dezidierten Audio Server. Ebenso gehört der Medienserver abgestellt. Wer über den Router nicht telefoniert soll auch DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) abschalten.
Weitere Infos findest du unter FRITZ!Box audiophiles Setup.
Physisch getrenntes Netzwerk
Grundsätzlich ist es immer eine gute Idee, das Netzwerk für Audio vom Rest zu trennen. Manche nehmen dafür einen zweiten Router und haben damit sehr gute Erfahrungen gemacht. Am Beispiel wird alternativ ein dezidierter Switch verwendet, der deutlich bessere Qualitäten ermöglicht, als es ein Router bieten kann.
Audiophiler Switch
Wir haben mit sehr vielen Switches experimentiert. Erst die Kombination mit einer OCXO-Clock, kaskadierten Switches und Lichtwellenleiter haben den entscheidenden Durchbruch gebracht.
Ein Oven Controlled Crystal Oscillator (OCXO) mit geringstem Phasenrauschen hat sich als die klanglich beste Variante herausgestellt. Aus der Technikfraktion wird der Einwand kommen, dass in heutigen Systemen aufgrund der asynchronen Übertragung immer die Clock im DAC gewinnt. Dem ist nicht zu widersprechen und trotzdem haben gute Uhren im Signalweg vor dem DAC einen ganz erheblichen klangfördernden Einfluss. Siehe unser Newsletter: Neue Thesen zum Reclocking
Natürlich legen wir beim Switch großen Wert auf eine saubere Stromversorgung über ein lineares Netzteil. Ideal ist die Möglichkeit LWL (Lichtwellenleiter), also Glasfaser anzuschließen. Dies stellt die perfekte galvanische Trennung dar und störende Hochfrequenz oder vagabundierende Potentialausgleichströme bleiben außen vor.
Der Switch selbst soll aus hochwertigen Bauteilen bestehen. Das können industrielle Switches sein oder extra für audiophile Zwecke konzipierte Switches. Es gibt mittlerweile im Gegensatz zu Routern eine sehr große Auswahl.
Merkwürdigerweise hat sich eine Kaskadierung, also das hinereinanderschalten mehrerer Switches, klanglich positiv bemerkbar gemacht. So als ob wie im Aquarium eine Filterfunktion zutage tritt und sich die Filterwirkung mit jedem weiteren Switch verbessert, also das Wasser klarer wird. Am Beispiel des Afterdark Switch erfolgt die Verbindung zwischen dem oberen und unteren Buffalo BS-GS2016 Switch über LWL (Lichtwellenleiter). So wird der elektronische Schmutz, der vom Router kommt, vom eigentlichen audiophilen Netzwerk komplett galvanisch getrennt.
Managed Switches
Mit Managed Switches können Benutzer jeden Port des Switches auf jede beliebige Einstellung setzen und so das Netzwerk auf viele Arten verwalten, konfigurieren und überwachen. Sie bieten auch eine größere Kontrolle darüber, wie Daten über das Netzwerk übertragen werden und wer auf diese Daten zugreifen kann. Wir schrieben oben zum Beispiel über die MAC-Adresse.
Ein Beispiel: In Windows werden ungefragt W-LAN Drucker angezeigt. Schuld daran ist Broadcast. Das ist in einem Rechnernetz eine Nachricht, bei der Datenpakete von einem Punkt aus an alle Teilnehmer eines Nachrichtennetzes übertragen werden. Ein Broadcast wird in einem Computernetz unter anderem verwendet, wenn die IP-Adresse des Empfängers der Nachricht noch unbekannt ist. Abhilfe schafft die Statische MAC-Filterung (Static MAC Filtering). Damit werden nur erlaubte MAC-Adressen durch den Switch gelassen.
Eine weitere einfache Möglichkeit den Netzwerkverkehr zielgerichteter zu bündeln ist IGMP (Internet Group Management Protocol) Snooping. Mit IGMP Snooping werden die Daten analysiert, damit eine unnötige Weiterleitung von Multicast-Daten verhindert wird. Im Beispiel unten wird der Host B vom Netzwerkverkehr entlastet, da die Daten ihn nicht betreffen.
Wichtig ist, dass der Router das Netzwerkprotokoll IGMP Version 3 unterstützt. Im Switch werden IGMP Snooping und Filter Unknown Multicasts aktiviert.
MLD (Multicast Listener Discovery) Snooping arbeitet nach dem gleichen Funktionsprinzip für IPv6. Die Internet Protocol Version 6 (IPv6) soll IPv4 (Internet Protocol Version 4) wegen der deutlich größeren Zahl möglicher Adressen ablösen, die bei IPv4 limitiert sind.
IPv6 wird zum Beispiel für HQPlayer NAA (Network Audio Adapter) genutzt, um das IPv4-Netz zu entlasten. IPv6 dürften die wenigsten nutzen, daher ist es für die meisten eine zu vernachlässigende Einstellung. Im Switch werden MLD Snooping und Filter Unknown Multicasts aktiviert.
Es gibt weitere Möglichkeiten das Netzwerk mit einem Switch zu optimieren. Zum Beispiel mit QoS (Quality of Service) zur Priorisierung wichtiger Netzwerkdienste in Echtzeit oder die Abschottung des audiophilen Netzwerks vom Home Office Netzwerk durch VLAN (Virtual Local Area Network).
NIC (Network Interface Card / Netzwerkkarte)
Als erhebliche Klangsteigerung erlebten wir die Solarflare NICs. Neben der galvanischen Trennung über Glasfaser ist es vor allem die unglaubliche Performance dieser Hochleistungskarten. Der Solarflare XtremeScale X2522 Network Adapter zeichnet sich durch sehr geringe Latenzen aus. Die Hardware-Latenzzeiten liegen im Submikrosekundenbereich und der Jitter geht nahezu gegen Null. Aber auch das Modell SFN8522 überzeugte, siehe unseren Bericht: Lichtwellenleiter (LWL) mit niedrigen Latenzen.
Erreicht wird dies unter anderem mit dem Receive Side Scaling (RSS). Damit kann die parallele Datenverarbeitung je CPU Kern optimiert werden. Es ist am besten, die maximale Anzahl von RSS-Warteschlangen so einzustellen, dass sie der maximalen Anzahl der verfügbaren (virtuellen) CPU Kernen entspricht. Bei einer Intel i9-9900K CPU sind das zum Beispiel 16 Kerne, d. h. die Daten können über 16 Kanäle parallel verarbeitet werden. Herkömmliche Netzwerkkarten bieten maximal 4 RSS Pipes an. Hier liegt unseres Erachtens der Grund in der absoluten Störungsfreiheit, wie Eingangs beschrieben. Hinzu kommt ein Stable Precision Oscillator Stratum 3 compliant für ein hochpräzises Reclocking.
Bei Glasfaser sind die Transceiver sehr wichtig. Deren Aufgabe ist es, den Strom in Licht umzuwandeln und umgekehrt. Das ganze natürlich in Hochfrequenz, deshalb ist eine gute Qualität erforderlich, denn sonst ist die galvanische Trennung nichts Wert. Bei den LWL ist die Kabelqualität untergeordnet. Es gibt sehr gute industrielle Kabel. Bewährt haben sich Singlemode Duplex-Kabel (gelbe Farbe).
Zusammenfassung
Auch wenn das Ethernetprotokoll über Prüfsummen die bitgleiche Übertragung sichert, ist ein guter Klang noch längst nicht ausgemacht. Störungen über verloren gegangene Datenpakete können sich über hörbares Knistern bis hin zu Dropouts auswirken. Gleichtaktstörungen und Hochfrequenzbestandteile können sich parasitär in angeschlossene Geräte verbreiten und den Klang verschlechtern.
Erste Störungen können bereits im Router entstehen. Ein lineares Netzteil, Abschaltungen von WLAN und gute LAN-Kabel sind denkbare Maßnahmen.
Den größten Augenmerk würden wir auf den Switch lenken und dort lieber etwas mehr investieren. Eine gute Clock, Kaskadierungen und galvanische Trennung können einen sehr großen klangsteigernden Einfluss haben.
Wer einen Audio PC mit freien PCIe-Slots nutzt, dem empfehlen wir die Solarflare NICs. Das war der zweite große klangsteigernde Bereich, vor allem auch in Richtung Störungsfreiheit. Wir bieten hierzu das XILINX (Solarflare) XtremeScale X2522 Glasfaser Kit an. Damit sind problemlos Datenübertragungen von DSD1024 (das 1024-fache einer CD) über das Netzwerk möglich.
Klanglich profitierst du von einem störungsfreien Musikfluss ohne Dropouts. Du wirst feststellen, dass digitale Schärfen der Vergangenheit angehören. Es gibt weniger Verdeckungseffekte, gemeinhin als mehr Schwärze beschrieben. Die Instrumentenlokalisation nimmt zu.