IP per DTM und Ethernet

Achim Scharf

Der Datenverkehr nimmt im Verhältnis zu Sprachdiensten auf Carrier-Netzwerken zu. Nach Schätzungen der International Telecommunications Union (ITU) ist die Wachstumsrate bei dem Volumen der insgesamt transportierten Bitrate bereits in diesem Jahr im Datennetz erheblich höher als im Sprachnetz und wird auch erstmals die im Sprachnetz übertragene Bitrate von 103 Gigabit/s übertreffen. Gravierende Veränderungen sind auch bei der Umsatzstruktur festzustellen. So wird der Anteil der reinen Sprachdienste am Gesamtumsatz - bei gleichzeitig weiterem Wachstum der Sprachumsätze - prozentual zurückgehen, dabei aber dennoch mit einem Anteil von 70 Prozent am Gesamtumsatz im Jahr 2003 auch auf längere Zeit der Hauptumsatzträger bleiben. Daneben steigt die Bedeutung der Mehrwertdienste weiter an.

Nicht zuletzt durch den mit dem intensiven Wettbewerb infolge der Liberalisierung entstandenen starken Preisdruck sinkt der Anteil der traditionellen Services am Umsatz zwischen 1990 und 2005 von früher fast 90 auf dann nur noch etwas über 50 Prozent. Der Anteil der neuen Services am Umsatz steigt von rund zehn auf künftig nahezu 50 Prozent. Entscheidende Triebkräfte für die Veränderungen in diesem Umfeld sind die Servicebedürfnisse von Business- und Privatanwendern, gekoppelt mit den gestiegenen Möglichkeiten aufgrund der verfügbaren Bandbreite. "Die fortlaufende Evolution beider Segmente des Telekommunikations-Marktes, nämlich Sprach- und Datenübertragung, wird durch den explosionsartig zunehmenden Bandbreitenbedarf von Großunternehmen, Klein- und Mittelbetrieben sowie privaten Anwendern vorangetrieben", meint Andreas Beierer, Marketing Direktor für Zentral- und Osteuropa bei Allied Telesyn.

Überall IP

ATM und SONET, die traditionellen Switching- und Transporttechnologien für die Telekommunikation sind aber nur sehr aufwendig auf das Internet-Protokoll (IP) aufzurüsten. Datenservice-Provider benötigen eine Netzwerkinfrastruktur, welche die Features von ATM- und SONET-Netzen (Geschwindigkeit, Flexibilität, Zuverlässigkeit) mit hoher Datenkapazität, modernen Features, Skalierbarkeit und geringen Kosten eines Ethernet-Netzwerks kombiniert. Dem entspricht eine Ethernet-Serviceplattform mit Voice-Unterstützung und Servicequalität (QoS). Mehrwertdienste wie Virtual Private Networks (VPNs) und Application Service Providing (ASP) sowie moderne Verrechnungsmöglichkeiten (Provisioning/Billing) sind weitere wesentliche Funktionen. Der Provider ist somit in der Lage, diese Extras rentabel zu vermarkten.

"Fiber Optics sind die zukünftige Basis für Breitbanddienste. Ethernet hat sich in den letzten Jahren von 10 auf 100 Megabit/Sekunde weiter entwickelt, und nun steht die Gigabit-Generation an. Ethernet ist daher auch die ideale Technologie für das WAN. Unsere Strategie zielt auf die Kombination von Quality of Services mit DTM sowie SONET/SDH in Europa respektive den amerikanischen Standards", erklärt Chief Technology Officer bei Allied Telesyn, Richard G. Willson.

Europäische Entwicklung

Die DTM-Leitungsvermittlungs-Technologie (DTM - Dynamic Synchronous Transfer Mode) wurde vor einigen Jahren in Schweden von Ellemtel und dem Royal Institute of Technology entwickelt. Die ebenfalls schwedische Firma NetInsight konzipierte inzwischen auch die Chips, so dass ein komplettes System vorliegt. Weiterhin liegt DTM beim ETSI (European Telecommunications Standards Institute) zur Standardisierung vor.

Die Systembeschreibung (Part 1) hat im Oktober 2000 das Approval auf Arbeitsgruppenebene erhalten. Neben den frühen Initiatoren der formalen Standardisierung, dazu gehörten neben Ellemtel die Telekom-Provider Finnet Group, TeleNor und Tele Danmark) kamen Allied Telesyn, BAE, Telecom Austria, Telia sowie Tele2 hinzu. Part 2 ist der umfangreichste Teil und ist in zwei Phasen unterteilt, die Phase 1 könnte im ersten Halbjahr 2001 verabschiedet werden. Part 3 behandelt die unteren Layer und ist seit Oktober als Draft verfügbar, da es sich hier um weniger umfangreiche Standardisierungen handelt, sollte das Approval relativ schnell erfolgen. Diese drei Teile beschreiben die DTM-Technologie in dem Maße, dass Hersteller DTM-kompatible Systeme entwickeln und produzieren können. Allied Telesyn ist nun der erste namhafte TK-Anbieter, der DTM in den Markt einführt.

DTM ist kompatibel zu SONET/SDH und lässt den Aufbau echtzeitfähiger Netzwerke zu, da kein Pufferungsprinzip (wie in ATM) erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil von DTM ist, dass der Anwender die benötigte Bandbreite selbst festlegen kann und er deshalb nicht an die vorgegebene Priorität eines Pakets gebunden ist. Das Resultat ist ein besserer Durchsatz für den heutigen Breitband-Bereich, in dem 80 Prozent der Applikationen höchste Priorität verlangen. "DTM separiert unterschiedlichen Verkehr in einzelne Kanäle, die entsprechende Bandbreite garantieren und Pakete priorisieren können. Und die Bandbreite ist dynamisch an die Anforderungen anpassbar", so Willson.

Von Allied Telesyn sind bereits mit den Serien NM-1000/1200 DTM-Switches verfügbar. Beides sind managebare Switches der Carrier-Klasse, wobei die 1000er-Serie mit einem Controller- und bis zu sieben Interface-Modulen besonders für City-Netze konzipiert ist.

Technologische Basis Zeitmultiplex

Generell gibt es für breitbandige Netzwerke zwei Basistechnologien, die Leitungs- und Paket-Vermittlung (Circuit & Packet Switching).

In leitungsvermittelnden Netzen werden Ressourcen vor einem Datentransfer zwischen Sender und Empfänger reserviert und bilden dann einen sogenannten Circuit. Die Ressourcen sind dem Circuit während der gesamten Übertragungsdauer zugeordnet. Signalisierung und Routing erfolgen im Wesentlichen vor dem Aufbau der Verbindung bzw. an deren Ende, so dass der Transport von Nutzdaten keinen Overhead in Form von Headers aufweist. Der wesentliche Vorteil leitungsvermittelnder Netze ist die garantierte Übertragungskapazität, die Datenverkehr in Echtzeit zulässt. Nachteilig ist gerade bei kurzzeitigen Datentransfers, dass der Aufbau der Verbindung einen großen Teil der gesamten Verbindungsdauer beansprucht und auch die reservierten Ressourcen nicht von anderen Verbindungen genutzt werden können.

Die Paketvermittlung hingegen kann besser mit einem zufällig auftretenden stoßartigen Datenverkehr umgehen. Der Datenstrom ist in standardisierte Datenpakete unterteilt, von denen jedes die Zieladresse, Größe, Sequenz und die Nutzdaten enthält. Switches oder Router im Netzwerk sortieren und lenken jedes einzelne Paket dann an die entsprechende Zieladresse.

Paketvermittelnde Netze arbeiten entweder verbindungslos oder verbindungsorientiert. In verbindungslosen Netzen wie dem Internet Protocol (IP) werden Pakete unabhängig voneinander behandelt, da die vollständige Information über das Ziel in jedem Paket enthalten ist. Die ursprüngliche Reihenfolge der im Ziel ankommenden Pakete ist damit nicht gewährleistet, da möglicherweise einzelne Pakete unterschiedliche Wege nehmen. In verbindungsorientierten Netzen wie ATM (Asynchronous Transfer Mode) wird hingegen bei Beginn der Datenübertragung überprüft, ob die für die jeweilige Übertragung erforderliche Bandbreite im Netz vorhanden ist. Dann werden zwischen allen Vermittlungsknoten sowie Sender und Empfänger virtuelle Kanäle (VC - Virtual Channel) eingerichtet. Jeder Paket-Header enthält einen Identifier (VCI - Virtual Channel Identifier), der über alle Knoten im Netz das Paket an sein endgültiges Ziel leitet.

Unter diesen und anderen Aspekten ist ein paketvermittelndes Netzwerk aus Warteschlangen aufgebaut. In jedem Netzknoten werden eingehende Pakete in eine Schlange gestellt, bevor sie an eine ausgehende Verbindung übergeben werden. Die Warteschlange wächst, wenn mehr Pakete an einem Verbindungspunkt eingehen als abgehen, und besonders dann, wenn Pakete von unterschiedlichen eingehenden Links die selbe Zielverbindung adressieren. Die Schlange führt zu Verzögerungen in der Übertragung, und wenn sie überläuft (d. h. den verfügbaren Speicherplatz überschreitet) gehen einzelne Pakete verloren (Congestion). Ein solcher Datenverlust führt zu einer Wiederholung der Datenübertragung, was entweder den Effekt der Congestion erhöht oder die Effizienz des Netzwerkes reduziert. Um Echtzeit-Datenverkehr in paketvermittelnden Netzen zu gewährleisten, sind daher fortschrittliche Mechanismen für die Pufferung und Leitung der Pakete gefordert. Entsprechend wächst die Komplexität und erforderliche Rechenleistung mit steigender Übertragungskapazität.

DTM kombiniert nun die einfache und echtzeitorientierte Leitungsvermittlung mit der dynamischen Ressourcenzuteilung der Paketvermittlung. DTM kann auf verschiedenen Topologien wie einem Ring (Doppelring), einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung, einer Busstruktur oder einer Kombination von allen aufsetzen. Für DTM-Verbindungen mit 1 Gbps werden übliche Gigabit-Ethernet-Komponenten eingesetzt. Für 150 Mbps, 2,5 sowie 10 Gbps werden physikalische Interfaces für OC3, OC48 und OC192 eingesetzt. Diese Interfaces lassen sich direkt mit anderen DTM-Interfaces oder direkt mit dem entsprechenden SDH/Sonet/DWDM-Equipment verbinden. DTM ist medienneutral, in der Praxis herrschen allerdings Glasfasern vor.

Ein DTM-Netz setzt sich aus dem Übertragungs-Medium (Media), Ports, Verbindungen (Links) sowie den Netzwerk-Knoten (Nodes) zusammen, letztere sind in Zugriffs-Knoten (Access Nodes) und Vermittlungs-Knoten (Switch Nodes) unterteilt. Ports verbinden die Knoten mit dem Medium und formen i. a. ein Sender-Empfänger-Paar. Links verbinden Ports in einem Netz-Segment ohne Switching. Ein Access Node beinhaltet ein oder mehrere Ports (für Uplinks) sowie Zugriff und ist zuständig für die Übersetzung von Protokollen wie E1/T1 oder Ethernet auf DTM. Ein Switch Node beinhaltet zwei oder mehrere Ports und verbindet zwei oder mehrere DTM Links.

Die vorhandene Bandbreite einer Verbindung ist in der Zeitdomäne in kleine Zeiteinheiten unterteilt bzw. die Kapazität der Verbindung setzt sich aus Frames zusammen. Jeder dieser Frames ist 125 Mikrosekunden lang, unabhängig von der Bitrate der Verbindung. Der Frame wird 8000 mal in der Sekunde durch jedes Interface auf dem Link regeneriert. Weiterhin ist jeder Frame in Time Slots aufgeteilt, jeder dieser Slots beinhaltet 64 bit entsprechend der Abtastfrequenz von 8 Kilohertz 512 Kilobit pro Sekunde (kbps). Die Anzahl der Time Slots pro Frame ist abhängig von der Bitrate der Verbindung bzw. des Interfaces. Bei einer Bitrate von 2 Gigabit pro Sekunde (Gbps) auf der Verbindung würde die Anzahl von Time Slots in jedem Frame 3882 betragen. Die Wahl der Frame-Länge von 125 Mikrosekunden und 64 bit je Time Slot erlaubt in DTM eine einfache Adaption an digitalisierte Sprache und PDH-Verkehr in Schritten von 512 kbps.

Die Time Slots sind allerdings nochmals in Data Slots und Control Slots aufgeteilt. Control Slots dienen zur Signalisierung zwischen den Knoten im Netz, während die Data Slots die Nutzdaten transportieren. Um die Position der Slots zu definieren, ist eine Synchronisierungsmechanismus erforderlich. Der erste Time Slot in jedem Frame wird daher als "Frame Alignment Signal/Slot" markiert und wird als "Start of Frame Slot (SOF)" bezeichnet. Am Ende jeden Frames gibt es ein sogenanntes Guard Band, das auch zur Synchronisierung dient. Solch ein Slot kann einem Data oder Control Slot zugewiesen werden. Abhängig von den Anforderungen des Netzwerks lassen sich Data in Control Slots und umgekehrt konvertieren, um die Kapazität für Signalisierungszwecke zu erhöhen oder zu reduzieren.

Ein Data Slot pro Frame ist in DTM die kleinste Kapazität eines Channels und entspricht wie oben bereits erwähnt 512 kbps. Diese Kapazität lässt sich inkrementell bis auf die totale Anzahl verfügbarer Data Slots auf der Verbindung erhöhen. Auf einem Channel kann jedoch nur ein Sender operieren, aber einer oder mehrere Empfänger. So lässt sich ein Control Channel (definiert durch die Control Slots auf die ein Knoten zugreifen kann) auf der Verbindung an alle anderen Knoten senden (Multicast, Broadcast), während ein Punkt-zu-Punkt E1-Kanal nur von dem entsprechenden Knoten empfangen werden kann. Jeder Knoten im Ring ist nur einen Hop entfernt.

Channels können in Inkrementen von 512 kbps erweitert werden auf 2, 18,5 oder 270 Mbps, das derzeitige Maximum ist 1 Gbps. Sie weisen damit im Gegensatz zu der Hierarchie in SDH/SONET eine feine Granularität auf. In DTM lassen sich Channels auch in 3 Stufen priorisieren: Eine garantierte Bandbreite ist in der Stufe 0 gegeben, der Kanal wird mit einer festen Übertragungskapazität für die gesamte Dauer der Verbindung initiiert. In der Prioritätsstufe 2 (Bandbreite On Demand) wird eine minimale Bandbreite garantiert und eine zusätzliche Bandbreite auf Anforderung, soweit verfügbar. Und in der Stufe 3 kann ein Traffic On Demand durch anderen höherpriorisierten Datenverkehr unterbrochen werden.

Netzseparierung durch Switching

Bei der Planung größerer Netze können nicht alle Nodes auf dem gleichen Link sitzen, denn dann müsste die verfügbare Bandbreite von allen Knoten geteilt werden. Switches verbinden daher zwei oder mehrere Links.

Soll ein Kanal beispielsweise zwischen dem Sende-Knoten A und dem Empfangs-Knoten C aufgebaut werden, so weist A seinem Link Ressourcen zu und basierend auf der Anfrage von A wird der Switch-Knoten S Ressourcen dem anderen Link zuweisen. Im einzelnen laufen folgende Schritte ab: A weist eine Anzahl von Slots (2und 3) dem Channel auf seinem Link zu. A signalisiert S über seinen Control Slot einen Channel zu C von Slots 2 und 3 auf dem Link zwischen A und S aufzubauen. S weist eine entsprechende Zahl von Slots (beispielsweise 4 und 6) dem Channel auf dem Link zu C zu. S signalisiert C, auf Slots 4 und 6 eines Channels von A zu hören. C bestätigt die Anforderung und S bestätigt den Aufbau eines Kanales zu A. Nach Eingang der Bestätigung von S kann A Daten zu C über die Slots 2 und 3 übertragen.

Während der Channel aufgebaut wird, bildet Knoten S die Slots 2 und 3 des ersten Links auf Slots 4 und 6 des zweiten Links ab. Der Knoten S kann nun die Daten für diesen Kanal entsprechend weiter leiten. Dieser einfache Vermittlungs-Mechanismus ist auch für hohe Geschwindigkeiten einsetzbar und seine einfache Implementierung ist einer der wesentlichen Vorteile von DTM. Zunächst gibt es keine Notwendigkeit für ausgefeiltes Puffern oder Prioritätszuweisung. Und da ein DTM-Netzwerk synchron arbeitet, laufen die beiden Links mit der selben Framerate. Entsprechend ist das Risiko eines Puffer-Überlaufs wie in ATM nicht vorhanden, da der Switch weiß, dass die empfangene Menge an Daten auf Slots 2 und 3 des ersten Links exakt den weiter zu gebenden Daten auf Slots 4 und 6 des zweiten Links entspricht.

Switching in DTM ist unter diesen Aspekten ähnlich wie in anderen synchronen Technologien wie SDH oder PCM-basierter Telefonie, der Unterschied liegt in der Unterstützung für Multirate und Multicast. Das synchrone Switching erlaubt zudem verteiltes Switching durch Implementierung vieler kleiner Switches anstatt eines großen.

Vielfältige Services möglich

DTM wurde besonders für Services wie LAN-Emulation, IP, PDH, SDH/Sonet oder Video-Streaming auf Glasfasermedien konzipiert. Für IP-Verkehr bieten sich IP over DTM (IPOD) oder DTM LAN Emulation (DLE) an. IPOD nutzt die Möglichkeiten von DTM voll aus und transportiert IP-Pakete auf einer Hop-zu-Hop-Basis und via direkten Kanälen zwischen Sender und Empfänger, damit ist auch Echtzeit-Verkehr möglich. Ein Shortcut wird immer vom Zugangs-Router zum Ausgangs-Router im IPOD-Segment aufgebaut, wenn eine IP-Anwendung Bandbreite vom Netzwerk anfordert, alle dazwischen liegenden Router werden dann umgangen. Mit DLE werden angeschlossene Knoten wie 802.3 Ethernet-Knoten behandelt, die wesentliche Applikation ist die Verbindung geografisch verteilter LANs durch den Transport von Ethernet-Paketen über DTM-Kanäle. Damit lassen sich auch virtuelle LANs (VLANs) über das DTM-Netz aufbauen und IP-Knoten einfach an das Netz anbinden. DLE ist nicht abhängig vom Layer 3 und erlaubt daher verschiedene Protokolle wie IP, IPX und Netbios.

Auf der letzten Meile setzt sich XDSL und hier besonders ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) in Europa immer mehr durch. DSLAMs (DSL Access Multiplexors) aggregieren den Verkehr der einzelnen Teilnehmer, sie weisen oft ein ATM-UNI-oder Ethernet-Interface am Uplink auf. Auch hier ist DTM hervorragend geeignet, den aggregierten Verkehr der XDSL-Nutzer vom DSLAM zum Service-Zugriffspunkt (Point of Presence, PoP) zu transportieren. DTM kann sich durch die feine Granularität von 512 kbps dynamisch an den durch die DSLMs generierten Verkehr anpassen und vermeidet so eine Überversorgung. Auch kann DTM die Bandbreiten-Ressourcen (Time Slots) dynamisch zwischen den einzelnen DSLAMs verteilen. Und bei Nutzung von 10/100 Base-T-Interfaces und dem DLE-Service ist nur ein Netzwerk-Layer zwischen den DSLAMs und dem PoP vorhanden.

DTM ist auch für Service-Provider eine erste Wahl, um breitbandige und zuverlässige Netze für Web-Hotels oder MPEG-Content aufzubauen. Auch hier ist die Skalierbarkeit der Übertragungsrate in Schritten von 512 kbps bis nahe der Kapazitätsgrenze der Glasfaser vorteilhaft, weiterhin werden die Lichtwellenleiter als shared Medium von allen angeschlossenen DTM-Systemen genutzt, was redundante und leicht zu erweiternde Topologien erlaubt. Zudem bietet DTM isolierte synchrone und unidirektionale Kanäle mit hoher QoS und optimierter Ressourcennutzung von Content-Servern (asymmetrische Last). Auch ist ein Billing auf Basis der Ressourcennutzung möglich.

Die Kombination von DLE und PDH in DTM kann auch als Basis für mobile Backbones im GPRS- (General Packet Radio Service) oder UMTS (Universal Mobile Telepnony System) dienen. Auch in dieser Anwendung bietet DTM isolierte synchrone Kanäle für den Paket-Verkehr und sichert damit QoS für die einzelnen Nutzer. Und der Backbone besteht nur aus einem Netzwerk-Layer, womit das Netzwerk-Management erheblich vereinfacht wird.

Fiber Optics sind die zukünftige Basis für Breitbanddienste. Ethernet hat sich in den letzten Jahren von 10 auf 100 Megabit/Sekunde weiter entwickelt, und nun steht die Turbo- oder Gigabit-Generation an. Ethernet ist daher auch die ideale Technologie für das MAN und das WAN, wo in Verbindung mit DTM echte Quality of Services realisierbar sind.

DI Achim Scharf ist freier Journalist in München. (Bildquelle: Allied Telesyn, http://www.alliedtelesyn.de)