Express-Pakete

NETZE
Express-Pakete
Technologiekonvergenz für den IP-Transport in Carrier-Netzen
Wolfgang Frohberg
Derzeit vollzieht sich ein
grundlegender technologischer
Wandel bei den Transportnetzen.
Seine Ursache hat er im starken
Wachstum von Telekommunikationsdiensten, deren Daten als IP-Pakete
(Internet Protocol) vorliegen.
Dienste im Privatnutzerbereich sind
IP-basierte Videodienste (IPTV) und
der massenweise Dateitransfer über
das Internet (Peer-to-PeerAnwendungen). Sie werden wegen
des häufigen PrivatkundenNetzzugangs über DSL oder
Kabelmodem auch als Triple-PlayDienste bezeichnet – wobei die dritte
Komponente die paketorientierte
Sprachübertragung (Telefoniedienst)
ist. Für Triple-Play-Dienste ist
charakteristisch, dass ihre Daten mit
einem Übermittlungsprinzip (IPPakete) über ein Medium (meist DSL
oder Kabelmodem) transportiert
werden.
Dr. Wolfgang Frohberg ist Fachautor und Experte für Telekommunikationsnetze
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Gegenwärtig wächst der IP-Verkehr,
den private Nutzer erzeugen, exponentiell an, und zwar mit einer Rate
von ca. 60 % pro Jahr (das entspricht
dem Moore'schen Gesetz für das
Wachstum der Leistungsfähigkeit von
elektronischen Schaltkreisen [1]). Videodienste weisen ein noch stärkeres
Wachstum auf: um 100 %, teilweise
sogar um bis zu 150 % pro Jahr.
Aber auch für geschäftlich genutzte
Dienste wie die Verbindung von Unternehmensstandorten oder das sog.
Mobile Backhauling für die Abwicklung des zunehmend paketorientierten Verkehrs von Mobilkommunikationsnetzen müssen immer mehr Paketdaten transportiert werden.
Alle diese Daten fallen am Rand der
Netze an und werden je nach der Lage ihres Ziels durch Metronetze und
Core-Netze transportiert. In allen in
Bild 1 genannten Netzbereichen vollzieht sich der angesprochene Wandel
in der Übertragungstechnik.
Neben dem Transport der Paketdaten
ist auch der Diensteaspekt für die genutzte Technik wichtig. Teilnehmer
müssen verwaltet, ihr Verkehr zusammengefasst (aggregiert) werden, und
bei der gleichzeitigen Nutzung verschiedener Dienste sind die Daten der
Dienste voneinander zu separieren,
um Quality of Service (QoS) gewährleisten zu können.
Übertragungstechniken
Bild 2 enthält eine Einordnung der
hier betrachteten Techniken in ein
Schichtenmodell und in die in Bild 1
skizzierten Netzbereiche. Nachfolgend werden sie kurz beschrieben.
Ethernet-PON (EPON)
Passive optische Netze (PON) entwickeln sich mehr und mehr zur verbreiteten glasfaserbasierten Zugangstechnik (Fiber to the Home – FTTH).
Auf diesen Netzen werden im Fall von
EPON Ethernet-Frames (Fast Ethernet
oder Gigabit Ethernet) im optischen
Format (IEEE 802.3ah) transportiert.
Bild 1: Darstellung der für den Datentransport
relevanten Netzbereiche
WDM-PON
Passives optisches Netz mit mehreren
Wellenlängen auf einer Faser, die pro
Teilnehmer, aber auch gebündelt verwendet werden können (WDM – Wavelength
Division
Multiplexing).
WDM-PONs sind für die Schicht 1
transparent, es handelt sich um keine
paketspezifische Technik. Der Hauptvorteil von WDM-PONs ist die große
zur Verfügung stehende Bandbreite,
darüber hinaus können WDM-PONs
die geografische Reichweite des Access ausdehnen und dadurch zu einer
Reduzierung der Hierarchiestufen im
Netz und zu einer Reduzierung von
Standorten für Netzelemente beitragen. Hauptnachteil ist die schlechte
Flexibilität beim Netzmanagement
(gegenseitige Beeinflussung der Wellenlängen).
Das Thema in Kürze
Konvergenz im Sinn eines Universalnetzes als künftiges Transportnetz wird es in absehbarer Zeit
kaum geben. Dafür sind die Anforderungen der Dienste, aber
auch die der Netzbetreiber und
die Vor- und Nachteile, die einzelne Techniken aufweisen, zu verschieden. Doch ist der Blick des
Autors auf die Tendenzen in diese
Richtung lohnenswert – so auf eine übergreifende Control Plane
als ein Schlüssel zur Konvergenz.
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Flexibles WDM mit ROADMs in Metronetzen
Durch rekonfigurierbare optische
Add-Drop-Multiplexer (ROADMs) – es
müssen bei der Neukonfigurierung
von Wellenlängen keine Transponder
vor Ort am ROADM getauscht werden
– erhöht sich die Flexibilität von
WDM-Systemen. Allerdings erreichen
sie nicht die Flexibilität von klassischer
Übertragungstechnik im Hinblick auf
Ersatzschaltungen (keine automatische Ersatzschaltung in der ROADMbasierten WDM-Schicht möglich), die
Flexibilität der Wellenlängenvergabe
(Blockierungen sind möglich) und das
Netzmanagement (analoge optische
Parameter wie die Sendeleistung müssen bei jeder Neukonfigurierung für
viele Wellenlängen neu eingestellt
werden).
Im Hinblick auf die Lösung dieser physikalischen Probleme steckt die Optik
– verglichen mit der Elektronik – noch
in den Kinderschuhen. Im Betrieb haben sich daher ROADMs teurer als erwartet herausgestellt, obwohl neue
Entwicklungen zu sog. Multi-DegreeROADMs die Flexibilität dieser Netzelemente bezüglich der Netztopologie
verbessern. Das liegt an der Wellenlängenblockierung, dem Bedarf an externem Switching für die Bandbreitenverwaltung, GMPLS-Limitierungen
(Generalized Multiprotocol Label
Switching) und dem fehlenden robusten Performance-Management.
Abhilfe schaffen sogenannte digitale
ROADMs (DROADM), sie haben folgende Eigenschaften:
• Terminierung des unflexiblen photonischen Layers, das heißt, Probleme
der photonischen Schicht beschränken sich auf die Strecke zwischen
benachbarten Knoten im Netz;
• topologisch flexibel, es kann jeder
Wellenlängenservice an jedem Knoten aufgeschaltet oder abgezweigt
werden; aufgeschaltete und abgezweigte Wellenlängen können in jede beliebige Richtung gehen (Directionless ROADM);
• aufgeschaltete und abgezweigte
Wellenlängen können aus dem gesamten
Wellenlängenspektrum
stammen (Colorless ROADM);
• es gibt keine Wellenlängenblockierungen.
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OTH-Netze (Optical Transport Hierarchy)
Sie erweitern TDM-Hierarchien (SDH
oder Sonet; Time Division Multiplexing, Synchronous Digital Hierarchy)
in der Servicebitrate nach oben und
kombinieren elektrisches Framing,
Overhead und Überwachungskanäle
mit photonischem Overhead und
Überwachungskanal (Optical Channel
Overhead). Allerdings werden damit
noch nicht die Probleme der inkompatiblen Bandbreite zwischen der TDMWelt und der Ethernet-Welt (10, 100,
1.000, 10.000 Mbit/s) gelöst.
Es werden derzeit Anstrengungen in
der ITU-T-Standardisierung unternommen, um durch die Neudefinition von
Client-Bitraten und die Anpassung
Verfügbarkeit usw. Carrier Ethernet
wird hauptsächlich in Metronetzen
eingesetzt.
• Wird das Ethernet direkt auf einer
Glasfaser (Ethernet over Fiber)
transportiert, liegt der Hauptvorteil
in den geringen Kosten. Nachteil ist,
dass die im Metrobereich verbreiteten Ringstrukturen nicht genutzt
werden können.
• Wird das Ethernet über WDM geführt, liegt der Vorteil in der hohen
Bandbreite. Nachteilig ist, dass nur
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen möglich sind und die Bandbreitenskalierung im Bereich von Wellenlängen
liegt. Ethernet über WDM wird
hauptsächlich im Metrobereich angewendet.
Bild 2: Einordnung von
Techniken, die zur Paketübertragung beitragen, in ein Schichtenmodell und in Netzbereiche
von Transportbitraten die Inkompatibilitäten zu beseitigen. Wenn dies gelingt, wird mit dem sogenannten New
OTN (Optical Transport Network) eine
Multiplexhierarchie zur Verfügung
stehen, über die Ethernet-Signale wie
auch TDM-Signale transportiert werden können und die alle Eigenschaften klassischer Transportnetze auf
TDM-Basis bereitstellen (Management, Ersatzschaltungen, Synchronität, Zuverlässigkeit usw.).
Carrier Class Ethernet
Es ist die Ergänzung der EthernetÜbertragung um Managementprotokolle (Ethernet OAM – Operation, Administration and Maintenance), die
der Ethernet-Übertragung Eigenschaften verleihen, die aus der TDM-Transportwelt bekannt sind: Netzmanagement, Verbindungsorientierung, Skalierbarkeit (Anzahl der Services und
Adressvorrat), Trennung von Ressourcen für Dienste mit verschiedenen
QoS-Anforderungen, Zuverlässigkeit,
• Der Transport von Ethernet über ein
MPLS-fähiges Netz (EoMPLS) bietet
eine stabile standardisierte Lösung
und stellt Dienste wie E-Line, E-LAN
(Ethernet-Line- bzw. LAN-Services)
oder VPLS (Virtual Private LAN Services) zur Verfügung. Viele Protokolle
und Dienste werden unterstützt, es
gibt Traffic Engineering (für QoS).
Allerdings ist EoMPLS sehr teuer, da
es auf IP/MPLS (Layer 3) basiert. Zudem ist die Skalierbarkeit des Netzmanagements eingeschränkt.
Provider Backbone Transport/Provider
Backbone Bridging mit Traffic Engineering (PBT/PBB-TE)
Dies ist ein Ethernet-zentrischer Ansatz zum Ersetzen des Layer-3-Routings (siehe EoMPLS) durch Layer-2Switching. Die Technik adressiert den
Ethernet-Transport in Aggregation/Metro und bietet Verbindungsorientierung, OAM-Fähigkeit sowie Ausfallsicherheit durch Ersatzschaltungen.
PBB-TE ist in IEEE P802.Qay standardi41
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siert, baut auf der Benutzung von QTags auf und erweitert „Q in Q“ auf
16 Mio. mögliche Tags mittels PBB.
PBT schließlich behebt das Problem
des Lernprozesses, der beim Ansprechen nicht bekannter MAC-Adressen
(Media Access Control) bei der Nutzung des PBB-Protokolls auftritt und
zu Störungen führen kann. Im Fall der
Anwendung von PBT müssen Wege
durch das Netz auf Administrationsebene konfiguriert werden, vergleichbar mit dem Betrieb eines SDH-Netzes. Diese Offline-Konfiguration der
Verbindungen ist Traffic Engineering,
daher auch die Bezeichnung Provider
Backbone Bridging with Traffic Engineering. Vorteile von PBT/PBB-TE
sind das einfache und damit kostengünstige Konzept sowie einfaches
Management. Nachteile liegen darin,
dass nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen möglich sind, in der Skalierbarkeit
der Nutzverbindungen und in der Skalierbarkeit des Managements. Hauptverfechter von PBT/PBB-TE ist Nortel.
Transport-MPLS (T-MPLS)
Dies ist der MPLS-zentrische Ansatz
zum Ersetzen des Layer-3-Routings
(siehe EoMPLS) durch Layer-2-Switching. Vereinfacht dargestellt ist TMPLS das ursprüngliche IP/MPLS ohne
IP. Auch T-MPLS adressiert ausschließlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen –
das sind aber 90 % aller EthernetDienste. T-MPLS ist für diese Dienste
eine wirtschaftliche Alternative zu
IP/MPLS mit dem Vorteil, dass es weniger komplex ist und eine durch IETF
und ITU-T standardisierte Lösung darstellt. Hauptverfechter von T-MPLS ist
Alcatel-Lucent.
Provider VLAN Transport (PVT)
Stellt eine weitere Alternative dar, von
Huawei und Siemens in die Standardisierung eingebracht. Sie baut auf der
Architektur von Virtual LANs (VLAN)
auf. Allerdings gibt es wenig Interesse
für diese parallel zu T-MPLS und
PBT/PBB-TE existierende Alternative.
IP/MPLS
Dies ist die ursprünglich für IP entwickelte verbindungsorientierte Übertragung von Paketen. Dabei werden
für Flows von IP-Paketen Pfade (Label
Switches Paths – LSPs) eingerichtet,
und die Weitergabe der Pakete erfolgt
anhand von Labels, die für diese Pfade
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anstelle der IP-Adresse temporär vergeben werden. IP/MPLS ist mit dem IP
Multimedia Subsystem (IMS) kompatibel, welches Dienste verwaltet (QoS,
Nutzerverwaltung). Daher wird IP/MPLS vorteilhaft im Core angewendet, wo auch die IP-Funktionalität für
die Dienste bereitgestellt wird.
Die folgenden beiden Techniken stellen jeweils eine schichtenübergreifende Kombination von Einzeltechniken
dar.
IP über WDM (IPoWDM)
Das ist die Übertragung von IP-Paketen bzw. MPLS-Paketen (siehe
IP/MPLS) über eine WDM-Infrastruktur. Dabei kann es sich um herkömmliches WDM handeln oder um auf
ROADMs beruhendem flexiblerem
WDM. Ein effizienter Betrieb von IP
über WDM (z.B. für Ersatzschaltungen
auf der optischen Ebene) erfordert die
Zusammenarbeit zwischen IP Layer
(L3) und WDM-Layer (L1). Wegen der
Komplexität dieser Zusammenarbeit
wird dies auch von starken Befürwortern von IPoWDM wie Cisco eher als
langfristiges Ziel gesehen [2]. Weitere
Nachteile sind die aus dem Verbleib
der Signale in der photonischen Ebene bekannten (siehe flexibles WDM
mit ROADMs). Außerdem überschreitet die Kombination zwischen IP/MPLS
und WDM die traditionelle Grenze
zwischen der Datenorganisation und
der Transportorganisation bei Netzbetreibern.
Layer 2 über OTN
Diese Technik kombiniert die Vorteile
des Pakettransports auf Layer 2 (TMPLS oder PBT/PBB-TE) mit der Flexibilität, die ein „New OTN“ auf der
Granularitätsebene der OTH in Layer 1
bereitstellt. Allerdings sind auch hier
noch nicht alle Fragen im Zusammenhang mit der schichtenübergreifenden Steuerung gelöst. Layer 2 über
OTN wird derzeit von der Deutschen
Telekom sehr intensiv untersucht. Layer 2 über OTN kann sowohl im Metroals auch im Core-Bereich angewendet
werden. Im Core verspricht es deutlich
niedrigere Kosten als IP über WDM,
wenn sogenannte Packet-Optical
Transport Systems (P-OTS) benutzt
werden. P-OTS sind Netzelemente,
welche die WDM-Schicht und die
Schicht 2 integrieren (Bild 3) [3].
Hier nicht weiter betrachtet werden
sollen Techniken wie Ethernet über
SDH oder SDH over Sonet (EoS). In der
langfristigen Entwicklung der Übertragungsnetze wird diese Technik einen
stark schwindenden Anteil haben.
Das Gleiche trifft für ATM zu.
Bewertung
Mit Sicherheit wird es bei den Techniken des Datentransports – grob betrachtet – zwei Netzschichten geben:
• eine Schicht für die Aggregation
und den Transport von Paketverkehr
sowie die Trennung zwischen Nutzern und Diensten (QoS). Diese
Schicht muss sehr gut skalierbar
sein (Verkehrs- und Netzwachstum),
einen breiten Granularitätsbereich
abdecken (unterschiedliche Nutzer
mit unterschiedlichen Diensten, die
extrem weit auseinanderliegende
Bandbreitenanforderungen haben),
über ein optimales Netzmanagement verfügen und Vermittlungsvorgänge möglichst effizient ausführen;
• eine Schicht für die flexible Bereitstellung von Gesamtübertragungskapazität zwischen den Netzknoten. Diese Schicht muss hauptsächlich große Bandbreiten schalten
können (oberhalb der SDH-Dienste)
und sollte effizient und schnell auf
Fehler in den optischen Übertragungsstrecken reagieren.
In der oberen Netzschicht kommen im
Core IP/MPLS und im Aggregationsbereich PBB-TE und T-MPLS zum Einsatz.
Das bedeutet, dass IP/MPLS und die
beiden anderen Ethernet-basierten
Transporttechniken keine Entscheidungsalternativen darstellen, sondern
in unterschiedlichen Netzbereichen
zur Anwendung kommen. Es bleibt
abzuwarten, wie weit IP/MPLS in den
Metrobereich vordringt und wie weit
PBB-TE oder T-MPLS den Core-Bereich
besetzen.
Zwischen PBB-TE und T-MPLS gibt es
zur Zeit keinen deutlichen technisch
begründeten Favoriten. Entsprechend
Kundenwünschen wird entwickelt,
was in bereits vorhandene Infrastrukturen am besten integriert werden
kann. PBB-TE hat derzeit einen beachtlichen Zuspruch, trotz späterem
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Start als T-MPLS. So sprechen sich bei
Umfragen ca. doppelt so viele Netzbetreiber für eine Nutzung von PBT/PBBTE im Aggregationsbereich aus als für
die Nutzung von T-MPLS. Das liegt an
versprochenen Kostenvorteilen aufgrund des einfachen Konzeptes, denn
Kosten sind in dem Preiskampfmarkt
für Transportnetze entscheidend.
In der unteren Netzschicht konzentrierte sich die Entwicklung bisher
hauptsächlich auf die Bereitstellung
von flexiblen photonischen Netzen
(ROADM-Netze). Der Verbleib in der
photonischen Ebene verspricht dabei
abgewogen werden, welche Kombination von Techniken die geringsten
Gesamtkosten (TCO) verursacht.
Das Bild 3 zeigt eine Übersicht der
wahrscheinlichen Architektur zukünftiger Transportnetze.
Durch eine Kombination von Pakettechnik und flexiblem WDM in einem
beide Netzschichten überstreichenden
Netzelement, dem P-OTS, entsteht
derzeit ein neues Marktsegment
„Packet Optical“. Nach der Definition
von CurrentAnalysis sollten kombinierte Produkte folgende Funktionen
beinhalten:
Bild 3: Eine mögliche
künftige Transportnetzarchitektur
zunächst Kostenvorteile. Aufgrund
der physikalischen Probleme beim
Verbleib in der photonischen Ebene
gibt es jedoch zunehmend eine Rückkehr zu elektrischen Schaltvorgängen
in dieser Netzschicht. Es gibt zwei
grundlegende Entwicklungsrichtungen unter Einbeziehung des elektrischen Schaltens: erstens digitale
ROADMs. Sie basieren hauptsächlich
auf der kostengünstigen optoelektrischen Wandlung von integrierten
photonischen Schaltkreisen (Photonic
Integrated Circuits – PICs). Zweitens
die optische Transporthierarchie OTH
(Optical Transport Hierarchy), die derzeit neu definiert und an die Erfordernisse des Transports von Ethernet-Signalen angepasst wird.
Sowohl flexibles WDM als auch OTH
kommen in den beiden Netzbereichen
Metro und Core zum Einsatz. Obwohl
eine Bulk-Schicht aus photonischen
Netzelementen zunächst geringere
Kosten verursacht als OEO-Netze (Optical-Electrical-Optical), muss anhand
der Daten eines konkreten Netzes,
seiner operationellen Randbedingungen und seiner Diensteanforderungen
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• rekonfigurierbaren WDM-Transport;
• verbindungsorientiertes L2-Switching und Aggregation;
• Carrier Class OAM;
• integrierten Sonet/SDH-Support.
Während sich die ersten drei Eigenschaften aus der Positionierung solcher Netzelemente logisch ergeben
(siehe Bild 3), ist die Forderung nach
SDH-Unterstützung fragwürdig, wenn
man die abnehmende Rolle von SDH
und Sonet in zukünftigen Transportnetzen beachtet.
Für den All-in-One-Ansatz in PacketOptical-Netzelementen sprechen eine
vereinfachte Netzarchitektur, weniger
Netzelemente, ein übersichtlicheres
Netzmanagement sowie eine Netzmigration entsprechend der Entwicklung der Anforderungen. Andererseits
kann bei der getrennten Optimierung
jeweils des flexiblen WDM-Layers und
der Schicht 2 bereits installierte Infrastruktur weiterentwickelt werden (Investitionsschutz), was ebenfalls Kostenvorteile verspricht.
Die Vision der Deutschen Telekom AG
[4] konkretisiert eine mögliche Ausprägung der zukünftigen Architektur:
• eine Paketplattform (Switching und
Routing) über OTN;
• Ethernet und Layer-2-MPLS (das ist
im Prinzip Transport-MPLS) über
WDM im Metrobereich;
• IP/MPLS über WDM im Core;
• Multiserviceeigenschaften in der Paketschicht;
• Paketschicht und photonische
Schicht bleiben getrennte Plattformen, werden aber stärker als bisher
integriert.
Unter OTN wird eine Kombination aus
OTH und flexiblem WDM verstanden.
Das OTN stellt dabei Verbindungen
auf der Ebene von Wellenlängen zur
Verfügung und dient als Transportlayer für „Lambda Services“. Zudem gewährleistet es ein Offloading der Paketschicht, indem es eine andere Topologie als das Pakettransportnetz
hat.
Interessant ist die Rolle der
ASON/GMPLS Control Plane (ASON –
Automatically Switched Optical Network) bei der Entwicklung zukünftiger konvergenter Transportnetze. Obwohl für ein schichtenübergreifendes
Netzmanagement entwickelt, wird
GMPLS derzeit hauptsächlich für moderne Ausfallsicherheitskonzepte (Restoration) in TDM-Netzen verwendet.
Mit der Herausbildung von flexiblem
WDM und OTH als untere Netzschicht
wird GMPLS zunehmend wirklich
schichtenübergreifend eingesetzt werden. Diese übergreifende Control Plane wird der Schlüssel zu einer funktionierenden Konvergenz sein, welche
die obere und untere Netzschicht integriert.
(we)
Literatur
[1] Frohberg, W.: Parallelen: Entwicklung
von IP-Datenverkehr und Mikroelektronik ähneln sich; NET 1-2/08, S. 35-37.
[2] Gerstel, O.; Paraschis, L.: IP over
DWDM in core networks: near term and
long term goals; ECOC 2007.
[3] LightReading: Webinar „Migration
from Sonet/SDH to High-Performance
Carrier Ethernet Transport“, gesendet
am 12.06.2008.
[4] Fricke, M.: Network Development and
Evolution; IIR-Konferenz WDM and Next
Generation Optical Networking; Cannes, 23.-27.06.2008.
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