Netztechnologien im optischen Testbed VIOLA

Netztechnologien im optischen Testbed VIOLA
Ursula Eisenblätter und Ferdinand Hommes
Fraunhofer-Institut für Medienkommunikation IMK
Schloss Birlinghoven, 53754 Sankt Augustin
[email protected]
[email protected]
Zusammenfassung: VIOLA (Vertically Integrated Optical Testbed for Large Applications) ist ein vom BMBF im Rahmen der e-Science-Initiative gefördertes Projekt. Unter der Federführung des DFN arbeiten das Forschungszentrum Jülich, das
Forschungszentrum caesar in Bonn, die Fraunhofer-Institute IMK und SCAI in
Sankt Augustin, die Universität Bonn, die FH Bonn-Rhein-Sieg in Sankt Augustin, die RWTH Aachen sowie die Industriepartner Alcatel, Siemens und T-Systems
im Rahmen eines Konsortiums eng zusammen. Es wurde ein Hochgeschwindigkeitsnetz mit neuester Übertragungstechnik im Raum Bonn – Köln – Aachen aufgebaut.
Das Netz hat eine Verbindung nach Bayern (Universität Erlangen), die später weiter
ausgebaut werden soll und ist außerdem an das europäische Forschungsnetz GÉANT
angebunden. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Netztechnik und die Netzaktivitäten im Rahmen von VIOLA.
1 Netztopologie
In den vergangenen 12 Monaten wurden im Rahmen des Projektes VIOLA die GlasfaserVerbindungen geschaltet sowie die Netztechnik und die dazugehörenden ManagementSysteme aufgebaut und in Betrieb genommen. Den Anwendungen steht seit Ende letzten
Jahres das VIOLA-Netz für Tests zur Verfügung.
Aufgabe des Transportnetzes ist es, die daran angeschlossenen Workstations und PC-Cluster der Anwender nach Anforderung dynamisch mit n mal 1 Gigabit-Ethernet (1 GE) oder
n mal 10 Gigabit-Ethernet (10 GE) untereinander zu verbinden.
Entsprechend den Anforderungen der Anwender wurde die Topologie für das optische
Netz geplant. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Standorte und die zwischen ihnen
geplanten Bandbreiten. Es ist beabsichtigt, weitere Standorte im süddeutschen Raum, z. B.
München, zu einem späteren Zeitpunkt an das Testbed anzuschließen. Des Weiteren ist im
Rahmen des Projektes eine Anbindung an das Testbed „Global Seamless Networks“ (GSN,
GSN+) der deutschen Telekom optional geplant.
Den Kern des VIOLA-Netzes bilden die drei Knotenstandorte Universität Bonn, Fraunhofer-Institut IMK und Forschungszentrum Jülich. Diese Standorte sind mit jeweils 20
Gbit/s miteinander verbunden, wobei unterschiedliche Netztechnologien benutzt werden
(10 Gbit/s SDH und 10 Gigabit-Ethernet).
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Ursula Eisenblätter und Ferdinand Hommes
RWTH
Aachen
Forschungszentrum
Jülich
FH Bonn-Rhein-Sieg
Sankt Augustin
caesar
Bonn
Universität
Bonn
Fraunhofer Institute
Sankt Augustin
GÉANT
Frankfurt
10 Gbit/s SDH
10 GE
2,5 Gbit/s (2 x GE)
10 Gbit/s SDH geplant in 2. Phase
10 Gbit/s SDH optional im
Rahmen der Zusammenarbeit von
GSN+ und VIOLA
GSN+
Backbone- und Anwender-Knoten
Anwender-Knoten
geplanter Knoten
T-Systems
Nürnberg
Standort NN
Universität
Erlangen
München
Abbildung 1: VIOLA Netztopologie
2 Glasfasertechnik
Die Netzkomponenten sind über ein eigenes Glasfasernetz (Dark Fiber) miteinander verbunden (siehe Abbildung 2). Neben den privaten Glasfaserstrecken der beteiligten Forschungseinrichtungen wird Glasfaser von den kommerziellen Anbietern GasLINE, den
Stadtwerken Bonn und von der Telekom einsetzt. Das Zusammenschalten der Glasfaserstrecken der verschiedenen Anbieter erfolgte ohne Probleme. Für die Glasfaserstrecken
fallen in der Regel nur Wartungskosten an, auf ein Nutzungsentgelt haben die Anbieter
zugunsten von VIOLA verzichtet. GasLINE hat sich hier besonders hervorgetan und wurde deshalb als assoziierter Partner in das VIOLA-Konsortium aufgenommen.
Um Glasfaserkosten zu sparen, wurde auf einigen Strecken WDM-Technik eingesetzt (siehe Abbildung 3). Zwischen Bonn und Sankt Augustin werden zwei FSP 3000 Systeme der
Firma ADVA eingesetzt, die vom Konsortialpartner Siemens geliefert, aufgebaut und in
Betrieb genommen wurden. Auf der Strecke zwischen Sankt Augustin und Jülich kommen
zwei 1696 Metro Span von Alcatel zum Einsatz. Auf den von TSI angemieteten Strecken
wird ebenfalls WDM-Technik eingesetzt, jedoch wird im Rahmen von VIOLA nur eine
Wellenlänge genutzt.
Die nationale und internationale Anbindung von VIOLA erfolgt in Frankfurt. Aus Kostengründen wurde diese Strecke sowie die Strecke zwischen Jülich und Aachen mit einer
Netztechnologien im optischen Testbed VIOLA
337
Jülich, Haus
Königskamp
Aachen
Heizwerk
RWTH
Wendl.weg
Aachen
Accom
FZJ
RWTH
FZJ
Aachen
Waldschenke
16.3-001
GasLINE
Porz
Uni Bonn
N220
Uni Bonn
U1
Uni Bonn
U3
caesar
Uni Bonn
U2
UniBn
U5
GasLINE
Dernbach
GasLINE
SWB
Chlodw.
Hangelar
Straßenbahnhaltestelle
SWB
Welschn. SWB
FhG
GasLINE
Naurod
GÉANT
Frankfurt
Straße
vor FhG
FhG
C5-T19
ISAR
Tiefgarage
FhG
FH
FH
A136
Uni Bonn
Legende:
Leitungen von:
caesar
A.OG1
FhG
SWB
Universität Bonn
caesar
GasLINE
FZJ
RWTH Aachen
FH BRS
TSI
caesar
B.UG2
caesar
B.OG1
FhG-SCAI
C3-T6
FhG
C3-T35
FhG-IMK
B3-207
TSI
TSI
Köln
TSI
Nürnberg
TSI
Uni
Erlangen
Kabel gespleißt
Abbildung 2: Übersicht über die Singlemode-Glasfaserverbindungen
Bandbreite von 2,5 Gbit/s realisiert. Hier kommen jeweils FSP 1500 Systeme von ADVA
zum Einsatz, die es erlauben, 2-mal Gigabit-Ethernet über 2,5 Gbit/s SDH zu übertragen.
Alle anderen Verbindungen sind 10 Gigabit Ethernet oder 10 Gbit/s SDH.
3 Netztechnik
Im Rahmen von VIOLA werden unterschiedliche Übertragungsmethoden ausprobiert, um
unterschiedliche Dienste für die Anwender zu realisieren. Der parallele Einsatz von SDHCross-Connects und 10 Gigabit-Ethernet-Switchen im Backbone-Bereich erlaubt einerseits die Erprobung der zurzeit fortschrittlichsten Methoden zum Aufbau von VPNs und
andererseits die dynamische Anforderung von Bandbreiten durch Signalisierung:
• Aufbau von Layer-2-VPNs mittels VPLS bzw. H-VPLS auf den 10-GE-TransportSwitchen von Alcatel und Riverstone
• Aufbau von Layer-3-VPNs mittels Virtual Routern auf Alcatel-Switch-Routern
• Signalisierung von dynamischen Bandbreiten mittels unterschiedlicher Protokolle
(z. B. GMPLS , UNI, I-NNI, E-NNI) auf den SDH-Cross-Connects von Alcatel, Sycamore und Siemens
• Bereitstellung von Ethernet-Diensten über SDH mit für Anwendungen maßgeschneiderten Bandbreiten mittels GFP und LCAS.
Abbildung 3 gibt die Verbindungen zwischen den aufgebauten Netzkomponenten innerhalb und außerhalb der Backbone- und Anwenderknoten an. Da die Netzkomponenten
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Ursula Eisenblätter und Ferdinand Hommes
10 x
MM
3 x MM
ADVA 2 x
FSP1500 GE
57 km
1 x MM 12 x
GE
2 x MM
Legende:
Alcatel
7750 SR
10 x
GE
10 Gbit/s coloured
10 Gbit/s SDH
10 GE
n x 10 Gbit/s (WDM)
2,5 Gbit/s SDH
1 GE mit Angabe der Anzahl in TP, MM und/oder SM
SDH
Alcatel
1678
Backbone- und Anwender-Knoten
FZ
8x
MM
Anwender-Knoten
Jülich
sonstiger Knoten
1 x MM
3 km
RWTH
Aachen
2x
SM
2 x ADVA
GE FSP1500
15 x MM
10GE
24 x Riverstone
15008
GE
Naurod
ADVA
FSP1500
Dernbach
2 x MM
Alcatel
1696
ADVA
FSP1500
ADVA 2 x
FSP1500 GE
ADVA
FSP1500
2x
MM
GÉANT
2 x MM
Frankfurt
ADVA
FSP1500
ca. 200 km
caesar
Bonn
4 x MM
44 x TP
10GE
48 x Riverstone
15008
GE
12 x
10GE
Riverstone GE
15008
7,8 km
116,2 km
ADVA 2 x
FSP1500 GE
17 km
12 x
TP
FH Bonn-Rhein-Sieg
2 x MM
6x
MM
Optischer
Verstärker
10GE
24 x Riverstone
15008
GE
Porz
Alcatel
1696
27,2 km
18 x
MM
20 x
2 x GE
MM
10 x
10 x GE
MM
Köln
IMK
10GE
Riverstone 24 x
15008
GE
10 x
MM
12 x
MM
10GE
SCAI
Riverstone 24 x
15008
GE
ADVA
FSP
3000
ADVA
FSP
3000
16 x
GE
4x
MM
Alcatel 10 x
GE
10 x
7750 SR
8x
MM
SDH
Siemens
hiT 7070
vorläufige Standorte
SDH
Sycamore
SN 16000
DWDM
Sankt Augustin
MM
8x
GE
24 km
ca. 400 km
TSI Nürnberg
FhG IMK
Uni Bonn
Alcatel
7750 SR
SDH
Alcatel
1678
FhG
SCAI
2 x MM
22 x TP
14,6 km
…
SDH
Alcatel
1678
DWDM
536 m
8x
SDH
Siemens GE 8 x
MM
hiT 7070
16 km
10 Gbit/s SDH
8 x MM
SDH 8 x GE 1 x 2,5
Siemens
Gbit/s
hiT 7070
Uni Erlangen
Abbildung 3: VIOLA Netztechnik
innerhalb eines Backbone-Knotens in verschiedenen Racks eingebaut und mit den unterschiedlichsten Steckertypen ausgestattet sind, wurden die Anschlüsse aller Geräte auf
Patch-Feldern aufgelegt. Dadurch sind Änderungen an der Verschaltung der Geräte einfach
durch Umstecken von Kabeln an den Patchfeldern möglich. Eine Änderung der Verschaltung erfordert allerdings anschließend eine unter Umständen umfangreiche Änderung der
Konfiguration auf den betroffenen Geräten.
Vom DFN wurde für VIOLA ein eigener IP-Adressraum für die Rechner-Cluster und
Workstations zur Verfügung gestellt. Dies erlaubt eine direkte Anbindung an das G-WiN
und an den europäischen Backbone GÉANT bzw. demnächst GÉANT2. Durch diese direkte Anbindung können im Rahmen einer Kooperation auch andere Partner aus nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen Experimente mit den VIOLA-Rechnern
durchführen, ohne dass dabei z. B. bei nationalen Forschungseinrichtungen der eigene GWiN-Anschluss genutzt wird, der in der Regel ausgelastet ist und über eine weitaus geringere Bandbreite verfügt.
Für das Management der Netzkomponenten wurde ein eigenes Management-Netz (DCNNetz) von TSI aufgebaut. Das Management erfolgt an den TSI-Standorten Nürnberg und
Bamberg. In Nürnberg werden die Ethernet-Switche und Router überwacht, während in
Bamberg das Management der SDH- und WDM-Komponenten stattfindet. Die Management-Subnetze an den einzelnen Standorten sind über das G-WiN durch verschlüsselte
Netztechnologien im optischen Testbed VIOLA
339
Verbindungen miteinander verbunden. Mittels spezieller Klienten kann an den einzelnen
Standorten auf die Management-Plattformen bei TSI zugegriffen werden.
4 Entwicklungsarbeiten im Bereich Signalisierung und Reservierung
Neben der Bereitstellung von Netzdiensten für die Anwender finden im Rahmen von VIOLA umfangreiche netztechnische Untersuchungen, Tests und Entwicklungen statt.
Im Bereich VPLS bzw. H-VPLS (Layer-2) werden folgende Arbeiten durchgeführt:
• Analytischer Vergleich der beiden Lösungsansätze VPLS und H-VPLS, wobei beide
Systeme auf ihre Skalierbarkeit und ihre Leistungsfähigkeit hin untersucht werden
sollen
• Erprobung von VPLS bzw. H-VPLS unter Einbeziehung von Core-Routern
• Interoperabilitätstests bezüglich VPLS bzw. H-VPLS zwischen Systemen der Hersteller Alcatel und Riverstone
Im Bereich der optischen Transportnetze spezifizieren die verschiedenen Standardisierungsgremien zurzeit unterschiedliche bzw. teilweise sich ergänzende Vorschläge für die
optische Kontrollebene. Die Internet Engineering Task Force (IETF) spezifiziert Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) für die IP-basierte Kontrollebene. Die International Telecommunications Union (ITU) hat eine Architektur für Automatically Switched Optical Networks (ASON) entworfen. Das Optical Internetworking Forum (OIF) hat
die Signalisierung für das User-to-Network Interface (UNI) spezifiziert.
Abbildung 4 gibt einen Überblick über die in diesem Zusammenhang benutzten Schnittstellen. Die UNI-Schnittstelle dient zur Signalisierung von Verbindungen durch das Transportnetz. Innerhalb eines Netzes können die Hersteller eine eigene Schnittstelle (Internal
Network-to-Network Interface, I-NNI) benutzen, welche nicht standardisiert ist. Die Verbindung zwischen den Netzen unterschiedlicher Hersteller oder auch Netzdomains erfolgt
durch eine normierte Schnittstelle – das External Network-to-Network Interface (E-NNI).
Abbildung 4: Signalisierungsschnittstellen
340
Ursula Eisenblätter und Ferdinand Hommes
Die verschiedenen Ansätze werden untersucht, entwickelt bzw. weiterentwickelt und getestet. Dabei wird besonderes Gewicht auf das Interworking der Implementierungen der
verschiedenen Hersteller und der verschiedenen Ansätze gelegt. Bei den Untersuchungen
werden Geräte von Alcatel, Siemens und Sycamore zusammengeschaltet. Eine besondere
Rolle wird dabei die Erprobung der OIF UNI 2.0 Schnittstelle spielen, die die Signalisierung von Ethernetverbindungen spezifiziert und die sich zurzeit noch in der Spezifikationsphase befindet.
Ein weiterer Schwerpunkt bildet die Entwicklung eines Reservierungssystems für die Anforderung und Reservierung von Bandbreiten einer bestimmten Dienstgüte für die Anwendungen.
Mit Hilfe einer EGEE (Enabling Grids for E-sciencE) konformen Schnittstelle sollen die
Anwender ihre Anforderungen spezifizieren können. Diese Schnittstelle kann auch direkt
vom Reservierungssystem zur Anforderung von Rechnern innerhab von PC-Clustern (Meta Scheduler auf UNICORE-Basis) angesprochen werden.
Das Reservierungssystem wird verschiedene Netzebenen umfassen. Wird z. B. in einem
MPLS-Netz für einen Layer-2-Dienst auf VPLS-Basis eine zusätzliche Übertragungskapazität benötigt, so kann diese durch Schalten einer zusätzlichen Verbindung auf Transportebene bereitgestellt werden.
Durch einen hierarchischen Aufbau soll das Reservierungssystem auch für größere Netze, bestehend aus verschiedenen Netzdomänen, geeignet sein. Die Einwicklungsarbeiten
werden unter der Federführung der Universität Bonn durchgeführt.
5 VIOLA-Labor
Um möglichst umfangreiche Erfahrungen beim Einsatz von optischen Komponenten zu
gewinnen, werden verschiedene Testszenarien aufgestellt und entsprechende Tests durchgeführt.
Durch Lastmessungen soll die im Testbed eingesetzte Technik auf ihre Funktionsfähigkeit
und auf ihre Eignung für den Dauerbetrieb getestet werden. Dies geschieht mit Hilfe von
Lastgeneratoren auf der Basis von Workstations und durch den Einsatz eines kommerziellen Testgerätes.
Es soll außerdem untersucht werden, in welche Richtung eine Weiterentwicklung der derzeit zur Verfügung stehenden Netztechnik sinnvoll und technisch möglich erscheint, um
den Anforderungen mit sehr hoher Bandbreite (z. B. GRID- oder Virtual-Reality-Applikationen) zu genügen. Diese neuen Techniken sollen auch während der Laufzeit des Projektes getestet werden.
Neben theoretischen Vorüberlegungen zur Skalierbarkeit soll mit Hilfe geeigneter Testverfahren im VIOLA-Labor überprüft werden, inwieweit die Skalierbarkeit der implementierten Konzepte auch für größere Netze gewährleistet werden kann. Für den Fall, dass alternative technische Konzepte implementiert werden (z. B. Ethernet unter Zuhilfenahme von
SDH in WDM gegenüber Ethernet direkt in WDM), sollen vergleichende Untersuchungen
zur Skalierbarkeit durchgeführt werden.
Netztechnologien im optischen Testbed VIOLA
341
Neben den Untersuchungen und Tests mit den im Rahmen von VIOLA beschafften Netzkomponenten soll auch Technik von anderen Herstellern zeitweise in das Testbed integriert
und getestet werden. Hierzu sind bereits Gespräche mit potenziellen Partnern geführt worden.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen des Testbeds VIOLA werden die zurzeit fortschrittlichsten Netztechnologien
mit Hilfe von konkreten GRID-Anwendungen untersucht, getestet und bewertet. Dabei
spielt die Bereitstellung von geschalteten Bandbreiten mit einer bestimmten Dienstgüte
auf Layer-2- oder Layer-3-Ebene eine zentrale Rolle. Die Entwicklung eines GRID-fähigen Reservierungssystems wird die für die Kopplung von Rechnerclustern erforderlichen
Netzverbindungen bereitstellen. Die in VIOLA gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen fließen in die Spezifikation der nächsten Generation des Wissenschaftnetzes X-WiN
mit ein. Das VIOLA Testbed steht allen interessierten Anwendern an den VIOLA-Standorten kostenfrei zur Verfügung. Durch eine Netzanbindung an das G-WiN bzw. das europäische Wissenschaftsnetz GÉANT kann die VIOLA-Infrastruktur auch von anderen
Anwendern im In- und Ausland genutzt werden. Außerdem wird hierdurch eine Kooperation mit anderen internationalen Testbeds ermöglicht.
Literatur
[IEFT-GMPLS] IETF-Dokumente zu GMPLS:
RFC3471; Generalized Multi-protocol Label Switching
RFC3473; GMPLS extensions for RSVP-TE
draft-ietf-ccamp-gmpls-sonet-sdhextensions; GMPLS extensions for SDH/Sonet
draft-ietf-ccamp-ospf-gmplsextensions; OSPF extensions (Open Shortest Path First)
[IETF-VPLS] IETF-Dokumente zu VPLS:
draft-ietf-ppvpn-vpls-ldp-06.txt; VPLS draft
draft-ietf-ppvpn-vpls-bgp-04.txt; VPLS draft
[ITU-ASON] ITU-Dokumente zu ASON:
ITU: G.807; Automatic Switched Transport Network
ITU: G.8080 version 2; Automatic Switched Optical Network
[ITU-GFP/LCAS] ITU-Dokumente zu GFP und LCAS:
ITU-T G.7041; Generic Framing Procedure (GFP)
ITU-T G.7042; Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS)
[OIF]
OIF-Dokumente:
UNI 1.0; User-Network-Interface
UNI 2.0; User-Network-Interface
E-NNI 1.0; Network-Network-Inferface
VIOLA im WEB
www.viola-testbed.de VIOLA-Webseite, hier befinden sich unter anderem auch Vorträge
zur hier besprochenen Netztechnik vom VIOLA-Workshop 2005
342
Ursula Eisenblätter und Ferdinand Hommes
Abkürzungen
WDM
Wavelength Division Multiplexer Übertragung mehrerer Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen in einer Glasfaser
SDH
Synchronous Digital Hierarchy Weitverbreitete Übertragungstechnik in der
Sprach- und Datenkommunikation
L2 VPN
Layer 2 Virtual Private Network Virtuelle private Netze auf Ethernet-Ebene
L3 VPN
Layer 3 Virtual Private Network Virtuelle geroutete private Netze
VPLS
Virtual Private LAN Service Bereitstellung von Ethernet-Diensten über ein
IP/MPLS-Netz
H-VPLS HierarchicalVirtual Private LAN Service Hierarchische Version von VPLS
MPLS
Multi-Protocol Label Switching Protokoll zur Verkehrsteuerung in IPNetzen (Traffic Engineering)
GMPLS
Generalized Multi-Protocol Label Switching Protokoll zum Aufbau von
Netzverbindungen (Pfaden) mit einer gewünschten Bandbreite über unterschiedliche Übertragungswege
UNI
User-to-Network Interface Benutzerschnittstelle zum Aufbau einer Netzverbindung
I-NNI
InternalNetwork-to-Network Interface Schnittstelle zwischen Netzkomponenten innerhalb eines internen Netzes, nicht standardisiert
E-NNI
ExternalNetwork-to-Network Interface Schnittstelle zwischen Netzen unterschiedlicher Service-Provider, standardisiert
GFP
Generic Framing Procedure Verfahren zum Transport von Daten-Paketen
(z. B. Ethernet) über SDH
LCAS
Link Capacity Adjustment Scheme Dynamische Bandbreitenanpassung bei
SDH-Verbindungen
DCN
DataCommunicationNetwork IP-/OSI-Netz zum Management von Netzkomponenten