Der Weg zu OTNs

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Teil 12 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Leistungsfähige optische Übertragungskomponenten können auf zweierlei Weise eingesetzt werden. Ein Unternehmen wird, wenn die Möglichkeiten dazu bestehen, einzelne Hochleistungs-Teilstrecken über eigene Fasern oder gemietete Dark Fiber einrichten. Für Provider ist das aber keine Lösung: sie benötigen ein durchgängiges optisches Transportnetz. In dieser Folge skizzieren wir den Weg zu OTNs.

Unabhängig von den im Einzelnen angewandten Komponenten muss ein Optisches Netz eine Reihe spezifischer Funktionen erbringen, um die gewünschte Effektivität zu erlangen. Das erste Kernelement in einem Optischen Netz ist der optische Multiplexer. Der Multiplexer kombiniert verschiedene Wellenlängen auf eine einzelne Faser; hierdurch können alle unterschiedlichen Signale auf einer Fiber übertragen werden. Die ersten Anwendungen sind, wie schon gesagt, Kapazitätserweiterungen einzelner Fasern bei Engpässen, aber die Multiplexer sind generell vielfältige Zutrittspunkte zum Optischen Layer, z.B. zur Ein- und Auskopplung von Signalen oder als optischer Kreuzschienenverteiler. Weitere wichtige Komponenten sind die Wellenlängenswitches. Sie machen das gleiche wie ein elektrischer Switch: dieser verteilt auf Ports ankommende Signale auf abgehende Ports. Ein Wellenlängenswitch kann zwischen unterschiedlichen Wellenlängen vermitteln. Der einfachste Zugang zur Funktionsweise eines Optischen Netzes der ist, sich vorzustellen, die Wellenlängen seien die Ports, an die man Informationen übergibt. Ein Wellenlängenswitch nimmt also an seinen Eingangsports Informationen in Form von moduliertem Licht bestimmter Wellenlängen auf und ”schaltet” diese Information auf moduliertes Licht einer anderen Wellenlänge. Diese Switches sind die kompliziertesten Einrichtungen im Optischen Netz. Schließlich braucht man Wellenlängenkonverter, die einfach von einer Wellenlänge auf eine andere umschalten, ohne hierbei aber eine Vermittlungsfunktion im Sinne eines Wellenlängenswitches auszuüben.

In Abbildung 1 zeigen wir die Schlüsselkomponenten eines optischen Netzes

Wenn man sich nun auf den Bereich der Fernnetze begibt, könnte man natürlich den mit SONET beschrittenen Weg fortsetzen. Damit vergibt man aber eine Reihe von Möglichkeiten, die die optische Technologie bietet. Es ist also besonderes Anliegen dieses Teils, nicht nur die Weiterentwicklung der WAN-Technik im konventionellen Sinne zu betrachten, sondern das in den Vordergrund zu stellen, was man eigentlich haben möchte: ein Transportsystem der nächsten Generation für das Internet.

Der heutige Telekommunikationsmarkt wird durch die zwei Hauptfaktoren Bandbreitenexplosion und wachsenden Wettbewerbsdruck geprägt. Der Bandbreitehunger kommt hauptsächlich aus drei Bereichen: Sprachübertragung, Unternehmensdaten und Internet. Der Internet-Verkehr hat einen immer weiter steigenden Anteil am exponentiellen Verkehrswachstum. Der Verkehr mit Unternehmensdaten wird anteilmäßig gesehen auf dem gleichen Niveau bleiben wie heute, während der Sprachverkehr nur noch einen marginalen Bruchteil der Bandbreite benötigen wird.

Normalerweise ist der Internetverkehr in hohem Maße gebündelt, bevor er auf das WAN geht. Schwere Router packen den IP Verkehr auf höchstmögliche Datenraten an den Schnittstellen. Die Datenrate der Router, die die Pakete forwarden, ist allerdings vom Fortschritt in der Elektronik begrenzt. Nach Moore´s Law verdoppeln sich die Möglichkeiten der Elektronik alle 18 Monate. Wegen architektureller Verbesserungen hat sich die Line Speed von IP Routerschnittstellen etwa alle zweieinhalb Jahre vervierfacht. Der Internet-Verkehr in den Kernnetzen verdoppelt sich aber alle 10 – 12 Monate. Das bedeutet, dass die Anzahl von Links zwischen Kern und IP-Routern dauerhaft wächst. Ein derartiges Wachstum in der Anzahl von Kernnetz-Verbindungen kann nur mit DWDM-Mehrkanalsystemen gehandhabt werden.

Um den Anforderungen nach Bandbreite genügen zu können, benutzt man heute eine Kombination aus High Speed Paket Forwarding und DWDM.

Der andere wesentliche Einflussfaktor, der Wettbewerbsdruck, resultiert aus der weltweiten Liberalisierung des Telekommunikationsmarktes. Der scharfe Wettbewerb drückt auf die Margen bei den angebotenen Übertragungsdiensten. Es gibt im Grund nur zwei Methoden, im Wettbewerb zu bestehen: geringer Preis oder besserer Service, am besten beides. Die Kosten für Dienste des Transportnetzes können durch geringere Ausgaben bei Equipment und reduzierten Aufwand beim operationellen Betrieb erzielt werden. DWDM und andere optische Technologien senken den Preis für das zu übertragende Bit mit unglaublicher Geschwindigkeit. Die Einführung von mehr Intelligenz in das optische Kernnetz wird die Betriebskosten erheblich senken. Genauso wird mehr Intelligenz die Differenzierung von Dienstleistungen durch neue Niveaus der Zuverlässigkeit, Bereitstellung von Dienstleistungen in Echtzeit und Optische Virtuelle Private Netze (OVPN) ermöglichen.

Um die Anforderungen, die sich aus noch nie dagewesenem Bandbreitewachstum und Wettbewerbsdruck ergeben, meistern zu können, müssen neue optische Transport-Technologien ins Feld gebracht werden. Die immer höheren Bitraten pro Pfad durch das Netz und das Wachstum in der Anzahl der Pfade kann nur durch DWDM gemeistert werden.

Die Optische Übertragungstechnik bietet eine enorme Leistung auf den Übertragungsstrecken. Leider ist es damit nicht getan, sondern man muss sich überlegen, wie man diese Leistung beherrscht und verteilt. Hier ist sehr Vieles noch in Bewegung ist, weil der Markt für Komponenten von Fernverkehrsnetzen völlig anders aussieht als z.B. der Markt für LANs. Zudem wird das Investitionsvolumen von Carriern etwas anders über die Zeit verteilt als dies bei Corporate Networks der Fall ist.

Für das Optische Transportnetz OTN gibt es dann eine Reihe von Standards, die sich wie SONET sehr stark auf Rahmenformate und elementare Fehlererkennung und -Behebung konzentrieren oder Interoperabilität über Netzgrenzen hinweg und die Einführung neuerer Datenformate fördern möchten, wie G.709. Diese Standards zusammen mit den physikalischen Bedingungen bei der Punkt-zu-Punkt-Übertragung sind aber nur ein kleiner Teil dessen, was an Funktionalität notwendig ist, um wirklich ein ganzes WAN mit all dem, was man sich von ihm wünscht, zu implementieren.

Wir wollen eine noch vereinfachte, aber für die Zwecke dieses Kapitels ausreichende Unterteilung der Funktionalität vornehmen.

Ein intelligentes Optisches Netzwerk ist eine Vermaschung von Optischem Übertragungs- und Switchingequipment (siehe Abbildung 2). Es besteht im Kern aus Punkt-zu-Punkt DWDM-Systemen und Optischen Cross Connects.

Es stellt mit Wellenlängenrouting dynamische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für SONET/SDH, (Multi) Gigabit Ethernet oder auf Grundlage einer einzelnen Wellenlänge her (siehe Abbildung 3) und zwar zwischen angebundenen Internetworking Devices wie IP-Router, SONET/SDH Multiplexern, Fiberchannel, Ethernet oder ATM-Switches oder Geräten, die wir heute noch nicht kennen. (siehe Abbildung 4)

Bevor wir das weiter diskutieren, sei deutlich darauf hingewiesen, dass diese Sichtweise der gewünschten Perspektive eines Ausrüsters für Corporate Networks entspricht, denn die Welt seiner Kundenanschlüsse ist bis auf die SONET/SDH-Boxen klar durch die Geräte charakterisiert, die ein Kunde hat. Cisco z.B. stellt sich das Optische Netz schließlich als Menge virtueller Leitungen zwischen Kunden-Lokationen vor und die einzige Perspektive der Erbringung von Dienstleistungen durch einen Carrier ist diejenige der Bereitstellung einer virtuellen Leitung. Bevor wir diesen Ansatz verdammen, verfolgen wir ihn einfach weiter, weil er didaktisch hilfreich ist und auch deutlich das beschreibt, was Corporate Kunden sich eigentlich wünschen. So entsteht, wenn man die Gedanken von Cisco weiterverfolgt, ein recht übersichtliches Gebilde, was sich ein größerer Kunde auch selbst kaufen kann, wenn er genügend Glasfasern hat oder sich zu einem vernünftigen Preis welche mieten kann. Es ist auch die Perspektive, wie sie von einem Dienstleistungsanbieter in einem Metropolitan-Umfeld angenommen werden kann. Wenn ich mir ansehen, wie sehr sich die größeren Corporate Kunden eine Loslösung von den Fesseln der Carrier wünschen, halte ich diese Betrachtung auch für sehr erfolgreich. Setzen wir aber das Bild jetzt fort.

Der Schlüssel zum Glück ist der Wellenlängenrouter, wie wir ihn in Abbildung 5 sehen.

Im Wellenlängenrouter findet eine äußerst interessante Zeiteilung statt, nämlich in die Datenebene und in die Kontrollebene. In der Datenebene haben wir jetzt den eigentlichen Switch, der aus Switching Matrizen und einer elementaren Steuerung gebildet wird. Die zu schaltende Einheit ist die einzelne Wellenlänge. Im Bild sieht man, dass ankommende DWDM-Ströme durch Multiplexer auf einzelne Wellenlängen zerlegt werden und abgehende, geswitchte Wellenlängen auf DWDM-Ströme gemultiplext werden. Nach unten hin werden die Datenströme von „Single Channel Links“ zu IP-Routern oder SDH Muxes weitergeleitet. Über dem „dummen“ Switch liegt die Kontrollebene, die die Intelligenz für das Wellenlängenrouting enthält. Mit dieser Darstellung haben wir ein Kernproblem der optischen Switches und überhaupt rein optischer Netze charmant umschrieben, nämlich das

ausgesprochen krasse Missverhältnis zwischen Übertragungsleistung auf den DWDM-Strecken und der Switch-Reaktionszeit optischer Switching Matrizen bekannter Bauarten.

Sie erinnern sich: ein DWDM-System kann heute mit entsprechender Kanalzahl weit über 1 Terabit/s. auf eine Leitung bringen. Die Anzahl der Kanäle wächst ständig, aber vor allem wächst auch die Geschwindigkeit der Datenübertragung pro Kanal.

Erst mit der seit ca. einem Jahr zur Verfügung stehenden Technik extrem latenzarmer Switches für 10, 40 und 100 Gigabit Übertragungsleistung kann dieser Übergang elegant realisiert werden.

Entwicklung Optischer Netze

Wenn auch die optische Übertragungstechnologie in alle Netzwerkbereiche vordringen wird, so sind optische Netze zunächst vornehmlich in Weitverkehrs-Umgebungen eingesetzt worden und auch heute wird ihr Einsatz vor allem hier vorangetrieben. Während im LAN-Bereich die Anzahl der Kunden, die wirklich 10 Gigabit Ethernet benötigen, eher überschaubar ist, gibt es eigentlich keinen Wide Area Netzbetreiber oder Carrier, der um optische Technologie herumkommt, das ergibt sich alleine aus den täglich steigenden Bandbreiteanforderungen. Allerdings gibt es auch noch eine Reihe weiterer technischer und wirtschaftlicher Aspekte in diesem Zusammenhang.

Das Problem, was wir heute aber vielfach haben, ist die alte Strukturierung eines Carrier Backbones. Man hat nämlich einfach zunächst aus einer gewissen Bequemlichkeit heraus die DWDM-Systeme unter die bestehenden Strukturen gelegt. Da, wo früher eine einzelne Faser benutzt wurde, steht heute eben eine DWDM-Punkt-zu-Punkt-Strecke. Sonst ist die Struktur gleich geblieben..

Ausgehend von der bestehenden SONET-Struktur hat man die Optische Übertragungstechnik zunächst mit Mehrkanalsystemen auf Punkt-zu-Punkt-Basis eingesetzt. Dabei entsteht das Problem des optischen Routens und Switchens nicht, denn die gesamte Vorverarbeitung wird von den bestehenden SONET-Knoten vorgenommen. Dadurch ist die Gesamtleistung des Netzes natürlich von der Gesamtleistung dieser Switchknoten begrenzt. Die synchronen SONET-Container passen zwar hervorragend zu digitalen Nebenstellenanlagen, aber nur schlecht zu den Anforderungen des asynchronen Datenverkehrs mit stochastischem Verkehrsaufkommen.

Daher hat man zu Beginn der neunziger Jahre einen Konvergenzstandard zwischen der Telefon- und Datenwelt gesucht, und geglaubt, diesen mit ATM, dem Asynchronen Transfermode, gefunden zu haben. ATM arbeitet mit ganz kleinen Zellen fester Länge, die für die Übertragung asynchroner Dienste genutzt werden können, sich aber dennoch auch einigermaßen den SONET-Containern anpassen lassen, einfach indem man eine bestimmte Maximalzahl von Zellen pro Container zulässt.

Mitte der Neunziger Jahre, also eigentlich dann, als die meisten Carrier eine ATM-Infrastruktur über die SONET-Infrastuktur gelegt hatten, wurde offenbar, dass die Entwicklung der Kommunikation einen ganz anderen Weg nehmen würde, nämlich den Weg des praktisch reinen Datenverkehrs mit IP als hauptsächlichem Übertragungsprotokoll. Man konnte denn auch schon schnell sehen, dass die reine Telefonie in einem Netzwerk immer weniger Anteil hat, in den allermeisten Netzen war bis 2005 ihr Anteil unter die 5%-Marke gefallen.

Abgesehen davon, dass eine solch verschwenderische technische Lösung einfach unschön ist, trieb diese Struktur die Carrier in eine Kostenfalle. Die alte Struktur ist darauf abgestellt, hauptsächlich Telefonverkehr zu bewältigen. Dieser hat aber insgesamt nur noch einen geringen Anteil. Die traditionellen Carrier werden von neuen Firmen bedroht, die eine ganz andere, vereinfachte Struktur benutzen, nämlich IP über DWDM. Man nutzt die Übertragungsmöglichkeiten von DWDM unmittelbar für die Übertragung von IP-Päckchen. Eventuell ankommender Telefonverkehr wird ebenso in IP konvertiert wie ggf. aus anderen Protokollwelten stammende Datenpakete. Dies ist genau die gleiche Methodik, wie sie Unternehmen für die Bereinigung ihrer eigenen internen Netze verwenden.

Die Hauptaufgabe bei der Schaffung einer solchen Struktur ist die Aufteilung der Funktionalität zwischen den elektrischen IP-Switchen und den elektro/optischen DWDM-Switchroutern, die natürlich jetzt nicht mehr mit statischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auskommen, sondern „denken“ und switchen können müssen.

Das bereinigte Netz besteht also aus Standardkomponenten, die eigentlich jeder hat, nämlich den IP-Switches und neuen Komponenten, den DWDM Switchroutern.
Insgesamt unterliegt die Struktur den Gesetzmäßigkeiten eines IP-Netzes mit einigen Abweichungen, die durch die optische Switchtechnologie bedingt sind. Die Leistung der neuen Struktur wird durch die DWDM-Switchrouter limitiert. Diese liegt allerdings bei führenden Produkten jetzt schon im Bereich von Terabits/s. Die bereinigte Struktur ist nicht nur wegen der möglichen Kostensenkungen und Vereinfachungen interessant, sondern auch wegen der Möglichkeit, neue, interessante Dienstleistungen, wie sie sich im standardisierten IP-Umfeld ergeben, schnell zu etablieren und an die Kunden weiterzugeben. Außerdem passt die neue Struktur optimal zur sich ergebenden allgemeinen IP-Welt.

Optische Netze werden also in den nächsten Jahren in völlig unterschiedlichen Zusammenhängen und mit völlig unterschiedlichen „Überbauten“ verwendet werden. Seit über 30 Jahren weiß man aber, wie man mit einer solchen Situation konstruktiv umgeht: mit einem Schichtenmodell. Moderne OTNs sind heute Konstruktionen nach den OSI-Schichten 1 und 2, die für diesen Zweck weiter differenziert wurden und natürlich auch die Eigenheiten verschiedener Lwl-Typen berücksichtigen.

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