RechnernetzeScriptum.. - Informatik Uni Leipzig
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UNIVERSITÄT LEIPZIG Scriptum zur Lehrveranstaltung Rechnernetze (Architektur, Schichten, Protokolle, Internet und WWW, ausgewählte Netze und Dienste) Teil 3 (Übertragungssysteme) Studiengang Informationstechnik (BA) Studiengang Mobilkommunikation (BA) Umfang: 2 SWS 15 Wochen Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Irmscher Universität Leipzig Institut für Informatik Lehrstuhl Rechnernetze und Verteilte Systeme (em.) Dresden, den 20. Juli 2007 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Gliederung Teil 1 (Architektur von Rechnernetzen): Kap. 1 ... 9 Teil IntW3 (Internet und WWW): Kap. 10 ... 11 Teil 2 (Ausgewählte Netze): Kap. 12 ... 18 Teil 3 (Übertragungssysteme): Kap. 19 ... 22 1 Einführung........................................................................................................................... 4 2 Netzwerkarchitekturen ........................................................................................................ 4 3 Bitübertragungsschicht (Physical Layer) ............................................................................ 4 4 Sicherungsschicht (Data Link Layer).................................................................................. 4 5 Medienzugriffsverfahren (Media Access Control) ............................................................. 4 6 Vermittlungsschicht ............................................................................................................ 4 7 Transportschicht.................................................................................................................. 4 8 Sicherheit in Rechnernetzen................................................................................................ 4 9 Aspekte der Anwendungsschicht ........................................................................................ 4 10 Internet ................................................................................................................................ 4 11 World Wide Web (WWW) ................................................................................................. 4 12 Flächendeckende Netze (WAN) ......................................................................................... 4 13 Next Generation Internet..................................................................................................... 4 14 Lokale Rechnernetze (LAN) ............................................................................................... 4 15 Satellitennetze ..................................................................................................................... 4 16 Metropolitan Area Netzworks (MAN)................................................................................ 4 17 Entwicklung zur HighSpeed-Kommunikation.................................................................... 4 18 Mobilfunknetze ................................................................................................................... 4 19 Standardisiertes Breitbandnetz (B-ISDN/ATM)................................................................. 5 19.1 Übertragungsverfahren............................................................................................... 5 19.1.1 Multiplexing ....................................................................................................... 5 19.1.2 Vermittlungstechniken ....................................................................................... 6 19.1.3 Verbindungsdienste............................................................................................ 7 19.1.4 Grundtypen Übertragungsverfahren................................................................... 7 19.2 ATM – Asynchroner Transfer Modus........................................................................ 9 19.2.1 Funktionsweise................................................................................................... 9 19.2.2 Architektur und Einsatz ATM.......................................................................... 10 19.2.3 ATM-Schalteinheiten ....................................................................................... 12 19.2.4 Skalierbarkeit und Modularität......................................................................... 14 19.2.5 Standardisierung ATM und B-ISDN................................................................ 15 19.3 B-ISDN (Breitband-ISDN) ...................................................................................... 16 19.3.1 Referenzmodell B-ISDN .................................................................................. 16 19.3.2 Funktionen und Schichten im B-ISDN ............................................................ 17 20 Photonische Netze............................................................................................................. 21 20.1 Laser und Lichtwellenleiter...................................................................................... 21 20.1.1 Schlüsseltechnologien optischer Übertragung ................................................. 21 20.1.2 Lichtwellenleiter und ihre Eigenschaften......................................................... 21 20.1.3 Übertragung in optischen Netzen..................................................................... 23 20.1.4 Funktionen des DWDM-Knotens..................................................................... 24 20.1.5 Regenerierung der optischen Signale............................................................... 25 20.1.6 Optische Cross Connects.................................................................................. 26 20.1.7 Wellenlängenkonverter .................................................................................... 28 20.1.8 Dynamisches optisches Switching ................................................................... 28 20.2 WDM und optische Komponenten........................................................................... 29 20.2.1 Anforderungen für neue Dienste und Netze..................................................... 29 2 RechnernetzeScriptum, Teil 3 20.2.2 Technische Grundlagen WDM und optischer Netze........................................ 29 20.2.3 Ersatzschaltungen und Strukturtrennung ......................................................... 33 20.3 High-Speed Networking (Infrastruktur optischer Netze)......................................... 34 20.3.1 Netzinfrastruktur für High-Speed-Networking ................................................ 34 20.3.2 Reine Glasfasernetze ........................................................................................ 35 20.3.3 Übertragungstechnik auf physikalischer Ebene ............................................... 36 20.3.4 Schnelle Koppelkomponenten.......................................................................... 37 20.3.5 Photonic Switching und FTTx ......................................................................... 38 20.3.6 Weitere Entwicklungen .................................................................................... 39 21 Zugangsnetze (Access Networks) ..................................................................................... 40 21.1 Breitbandige Zugangsnetze (Letzte Meile) .............................................................. 40 21.1.1 Breitbandiger Netzzugang für den Endnutzer.................................................. 40 21.1.2 Neue Dienste und Anforderungen an den Netzzugang .................................... 40 21.1.3 Netzzugangslösungen....................................................................................... 43 21.2 Zugangsnetze (Access Networks) ............................................................................ 46 21.2.1 Digital Subscriber Lines (xDSL)...................................................................... 46 21.2.2 Zugangsnetze mit xDSL................................................................................... 47 21.2.3 DECT-LAN...................................................................................................... 51 22 ISDN – Integrated Services Digital Network.................................................................... 52 22.1 Einführung................................................................................................................ 52 22.2 ISDN - Architektur................................................................................................... 52 22.3 Digitales Kommunikationsnetz für Sprache und Daten........................................... 54 22.4 Standardisierung und Universalität .......................................................................... 55 22.5 ISDN-Netz der Deutschen Telekom AG.................................................................. 57 22.6 Entwicklung des ISDN............................................................................................. 61 22.7 ISDN-Dienste ........................................................................................................... 64 23 Abbildungsverzeichnis (Teil 3)......................................................................................... 66 24 Literatur............................................................................................................................. 67 3 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Teil 1: Architektur von Rechnernetzen 1 Einführung 2 Netzwerkarchitekturen 3 Bitübertragungsschicht (Physical Layer) 4 Sicherungsschicht (Data Link Layer) 5 Medienzugriffsverfahren (Media Access Control) 6 Vermittlungsschicht 7 Transportschicht 8 Sicherheit in Rechnernetzen 9 Aspekte der Anwendungsschicht Teil IntW3: Internet und WWW 10 Internet 11 World Wide Web (WWW) Teil 2: Ausgewählte Netze 12 Flächendeckende Netze (WAN) 13 Next Generation Internet 14 Lokale Rechnernetze (LAN) 15 Satellitennetze 16 Metropolitan Area Netzworks (MAN) 17 Entwicklung zur HighSpeed-Kommunikation 18 Mobilfunknetze 4 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Teil 3: Übertragungssysteme 19 Standardisiertes Breitbandnetz (B-ISDN/ATM) 19.1 Übertragungsverfahren 19.1.1 Multiplexing Grundlagen der Übertragungsverfahren Übertragungsverfahren unterscheiden sich im wesentlichen durch Multiplexverfahren (FDM, TDM, ... ), Vermittlungstechnik (Leitungs-/Paket-Vermittlung), Verbindungsdienst (verbindungsorientiert/verbindungslos). Multiplex-Verfahren Multiplexing: Gleichzeitige Übertragung mehrerer, voneinander unabhängiger Datenströme über gleiches physikalisches Medium. Anfänge: 30er Jahre: erstmalig von Telefongesellschaften realisiert (zuerst 12, später 60 Sprachkanäle durch ein Frequenz-Multiplex-Verfahren über 1 Koaxialkabel übertragen). Trägerfrequenztechnik: Sprachkanäle auf bestimmte Übertragungsfrequenz aufmoduliert, Kanäle gleichzeitig übertragen, und bei Empfänger demoduliert. Dazu ist nicht für jede Sprechverbindung eine physikalisch geschaltete 2-Draht-Leitung erforderlich (Einsparung). Bekannte Multiplex-Verfahren Raum-Multiplexing (SDM – Space Division Multiplexing): - Räumliche Separation der Übertragungskanäle. - Beispiele: optische Übertragungsnetze (verschiedene LWL-Fasern), Mobilfunknetze (Zellularfunk (GSM, DCS, UMTS), Wiederverwendung der gleichen Funkfrequenz in unterschiedlichen Bereichen, Dämpfung). Code-Multiplexing (CDM – Code Division Multiplexing) : - Verwendung unterschiedlicher Codes (z.B. im militärischen Bereich, Sicherheit). - Beispiel: UMTS, IS-95-CDMA (CDMA: Code Division, Multiple Access). Frequenz-Multiplexing (FDM - Frequency Division Multiplexing): - Trägerfrequenztechnik: Verschiedene Frequenzen auf gleichem physikalischen Übertragungskanal. Frequenzband auf N Nutzer aufgeteilt (Teilband exklusiv). - Modulation / Demodulation (Modem) : Jeder Sprachkanal vor Übertragung auf bestimmte Übertragungsfrequenz aufmoduliert, alle Kanäle gleichzeitig übertragen. Bei Empfänger durch Demodulation zurückerhalten. Beispiel: Sprachübertragung (Telefonie). Zeit-Multiplexing (TDM - Time Division Multiplexing): - Zeitschlitze für verschiedene Übertragungskanäle. Übertragungskanäle zeitlich auf die Teilnehmer aufgeteilt. Anwendung: STM, ATM. Wellenlängen-Multiplexing (WDM - Wavelength Division Multiplexing): - Spezifische Form des Frequenz-Multiplexing (Kombination mehrerer Multiplexstufen). Anwendung bei LWL-Netzen (optische Netze); genaue Lasertechnik erforderlich. - Neuere LWL-Netze: Übertragungsgeschwindigkeit ... 10 Gbit/s ... 400 Gbit/s ... n Tbit/s. Heutige Backbone-Netze: - Optische Übertragungsnetze (photonische Übertragung und Vermittlung). Neue Glasfaserund Lasertechnik. - Angewendete Verfahren: Wellenlängen-Multiplexing (WDM), Zeit-Multiplexing (TDM Zeitmultiplexing (TDM – Time Division Multiplexing) Unterteilung TDM synchrones Zeit-Multiplexing (Synchronous Time Division, STD) asynchrones Zeit-Multiplexing (Asynchronous Time Division, ATD) 5 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 19.1: Zeitmultiplexing (STD und ATD) Synchrones Zeit-Multiplexing (STD) Definition von Übertragungsrahmen, die aus einer bestimmten Anzahl von Zeitschlitzen fester Größe bestehen. Jeder Benutzer erhält bestimmten Zeitschlitz (slot) innerhalb des Übertragungsrahmens zugeordnet, während dessen er senden bzw. empfangen kann. Übertragungskanal somit identifiziert durch Position des Zeitschlitzes innerhalb des Übertragungsrahmens (auch als “Positionsmultiplexing” bezeichnet). Bezeichnung “synchron”: Übertragungskanal bzw. entsprechender Zeitschlitz befindet sich bezüglich des Übertragungsrahmens immer an gleicher Stelle. Asynchrones Zeit-Multiplexing (ATD) Zu übertragende Datenströme werden in Informationseinheiten fester und oder variabler Länge umgewandelt und asynchron übertragen. Zuordnung der Informationseinheiten zu den verschiedenen Sendekanälen erfolgt über Kanal-Identifikations-Nummern (Channel Identifiers), mit der jedes Datenpaket versehen wird (auch als “Address-Multiplexing / LabelMultiplexing” bezeichnet). Einsatz von Datenpaketen bei Übertragung: - Pakete variabler Länge --> Paketvermittlung (Packet Switching) - Pakete fester Länge (Zellen) --> Zellenvermittlung (Cell Relay) 19.1.2 Vermittlungstechniken Vermittlung: Art und Weise der Bestimmung eines Übertragungspfades zwischen Sender und Empfänger in einem Kommunikationsnetz. Zwei grundsätzliche Methoden: Leitungsvermittlung (Circuit Switching) - Aufbau einer physikalischen Verbindung zwischen Sender und Empfänger (über eine oder mehrere Vermittlungsknoten). - Übertragungspfad muss vor jeder Übertragung bestehen. - Lange Verbindungsaufbauzeiten; nach Aufbau nur noch Verzögerungen durch endliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten der elektromagnetischen Signale (ca. 6 ms/1000 km). - Einer Verbindung wird bestimmte Bandbreite zugeteilt; nicht benötigte Bandbreite ist verlustig. Paketvermittlung (Packet Switching) - Nachricht in Pakete zerteilt. - Vermittlungsprinzip in den Knoten: store-and-forward. - Keine feste Verbindung zwischen Sender und Empfänger. - Bandbreite bedarfsorientiert angefordert; ungenützte Übertragungskapazitäten können anderen Verbindungen zugeordnet werden. Wegen stark variierenden Bandbreitenbedarfs sind Daten- und Rechnernetze paketvermittelt 6 RechnernetzeScriptum, Teil 3 19.1.3 Verbindungsdienste OSI-Modell: Eine Schicht (N) kann den darüber liegenden Schichten (N+1) 2 Arten von Verbindungsdiensten anbieten: * verbindungsorientierte Kommunikation (ISOC: zuverlässig) * verbindungslose Kommunikation (unzuverlässig). Verbindungsorientierte Kommunikation (Connection-Oriented, CO) - Vor Übertragung ist eine (virtuelle) Verbindung zwischen den Teilnehmern aufzubauen. - Danach kann Sender Daten übertragen, Empfänger erhält sie in gleicher Reihenfolge. - Anwendung von Mechanismen zur Fehlerkontrolle und Sende/Empfangsbestätigung. Bei Übertragungsfehlern/Problemen (z.B. Überlastung Pufferspeicher, Empfang fehlerhafter Pakete) --> Mitteilung an Gegenstelle --> Reagieren (z.B. Sendewiederholung). - Typisches Beispiel: X.25-Paketvermittlungsnetz. - Tendenz: wegen erhöhter Leitungsqualität verlieren in WAN verbindungsorientierte Schicht-2-Übertragungsverfahren ihre Bedeutung und werden überflüssig. Korrektheitsüberprüfung für empfangene Daten erfolgt ohnehin auf Anwendungsebene (OSI-Schicht 3 und höher). Verbindungslose Kommunikation (Connectionless, CL) - Übertragung ohne vorherigen Verbindungsaufbau. Jedes Datenpaket beinhaltet komplette Zieladresse und wird unabhängig von den anderen Paketen durchs Netz vermittelt. - Keine Empfangsbestätigung, keine Reihenfolgetreue der Pakete beim Empfänger. - Kleinerer Verwaltungsaufwand --> höherer Durchsatz im Vergleich zu CO. - Typisches Beispiel: IP-Paketvermittlungsnetz. 19.1.4 Grundtypen Übertragungsverfahren Abbildung 19.2: Grundtypen von Übertragungsverfahren Synchroner Transfer Modus (STM: Synchronous Transfer Mode) - Multiplexing mittels STD (Synchronous Time Division, “Positionsmultiplexing”) - Leitungsvermittelnd Paket Transfer Modus (PTM: Packet Transfer Mode) - Multiplexing mittels ATD (Asynchronous Time Division, “Adress- o. Label-MPX) - Paketvermittelnd, Flexible Paketlänge Asynchroner Transfer Modus (ATM: Asynchronous Transfer Mode) - Multiplexing mittels ATD - Paketvermittelnd, Feste Paketlänge (Zellen) 7 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Synchronous Transfer Mode (STM) Merkmale * verbindungsorientiert (d.h. gesicherte Übertragung). * mit fest zugeordneten Bandbreiten nach dem Zeitmultiplexverfahren (TDM). Bereits auf unterster Ebene kann eine garantierte Übertragung mit einer bestimmten Bandbreite unterstützt werden (wie bei ISDN). Geringe Ende-zu-Ende-Verzögerungen. Zuordnung von Zeitscheiben in STM (und ATM): Abbildung 19.3: Zuordnung von Zeitscheiben in STM - Slots werden für die Dauer einer Verbindung belegt. Sie liegen innerhalb einer sich wiederholenden Struktur (Rahmen). Zuordnung “Verbindung zu Zeitscheibe” durch Lage im Rahmen festgelegt; Jede Zeitscheibe hat eine feste Zeitdauer. Gute Anpassung STM an PCM-Übertragungshierarchien. STM (zusammen mit PDH) ist noch Basis einiger heutiger WAN. Abbildung 19.4: STM-Kanäle STM bietet eine feste, nicht flexible Struktur mit festen Datenraten und fester Zuordnung von Bandbreite und Verbindung. STM ist technisch einfacher zu realisieren als ATM, aber Bandbreite wird nicht ausgenützt. Leistungsverbesserung durch Datenkompression bzw. Einsatz vieler Zeitscheiben (Organisationsaufwand). Einsatzmöglichkeiten: - Datenübertragung mit festen Datenraten - Übertragung kontinuierlicher Medien (Sprache, Bild) Asynchronous Transfer Mode (ATM) Basis-Ziel: Möglichst alle Funktionen aus dem Netz herausholen, um ein einfaches, effektives, schnelles und standardisiertes Netz zu realisieren. Prinzip ATM: Paketartige Verbindung, jedes Paket als Zelle (Cell) bezeichnet (Pakete fester Länge). ATM arbeitet primär verbindungsorientiert mit hoher Bandbreite und relativ geringen Verzögerungszeiten. 8 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Funktion: Bandbreite wird in Zellen mit fester Länge aufgeteilt. Jede Zelle besteht aus einem Kopf (Header) und dem eigentlichen Datenteil (Payload). Zellen bei Bedarf allokiert (auf Zeitscheiben zugewiesen), nicht vorab reserviert (wie STM) Damit folgt die Zuordnung “Verbindung zu Zeitscheibe (oder Zelle)” nicht aus der Lage im Rahmen, sondern jeder Zellenkopf enthält den Namen einer virtuellen Verbindung. Dieser 24-bit-lange Virtual Path Identifier kennzeichnet die virtuelle Verbindung. Zuordnung von Zeitscheiben im ATM siehe Abb 19.3. Eine Zelle hat eine feste Länge von 48 Byte (zusammen mit Header 53 Byte). Festlegung infolge politischer Gründe. Andere Vorschläge waren u.a. 64 Byte nach T1S1, 32 Byte nach ETSI (GSM). Wegewahl erfolgt bei ATM vor der Datenübertragung. Jede Zelle, die zu einer Verbindung gehört, wird auf diesem vorab festgelegten Weg transportiert; damit richtige Reihenfolge der Daten. Bei ATM wird somit die Belegung der Betriebsmittel nicht 100%ig garantiert; damit aber nur unerheblicher Fehler verursacht. ATM-Schicht ist ohne Flußkontrolle (ist für Übertragung kontinuierlicher Daten nicht notwendig - im Gegensatz zur Ratenkontrolle). Charakteristik: - Statistisches Zeitmultiplexing (Asynchronous Time Division Multiplexing), - Paketvermittlung (Paket Switching), - Pakete fester Länge übertragen (Zellen, 53 Byte), - Schnelle Weiterleitung und Vermittlung (Text, Audio, Video). Abbildung 19.5: Asynchronous Transfer Mode Internetworking im ATM: Bei jedem Netzübergang in ein ATM-Netz werden die Daten in 48-Byte-Zellen gepackt. Für eine Übertragung in Telefonqualität mit 64 kbit/s in PCM-Kodierung bedeutet dies eine nicht zu vernachlässigende Verzögerung (64 kbit/s = 8000 byte/s): 48 byte Verzögerung = ---------------------------- = 6 ms 8000 byte/s 19.2 ATM – Asynchroner Transfer Modus 19.2.1 Funktionsweise Charakteristika ATM 1988: ATM durch CCITT als Transportmechanismus für B-ISDN-Netzwerke ausgewählt. B-ISDN / ATM realisiert die 4 grundlegenden Telekommunikationsdienste Daten, Sprache, Bild und Video. ATM: Übertragungsverfahren auf Basis des asynchronen Zeit-Multiplexing (TDM, ATD) und Datenpaketen fester Länge (sog. Zellen, Cell): 53 Bytes Länge 5 Byte Kopf (Header) --> u.a. Kanal- und Pfadadressierung 48 Byte Payload (Nutzlast) 9 RechnernetzeScriptum, Teil 3 ATM-Schalteinheiten (Switches, Cross-Connects) - Alle Netzknoten über eine oder mehrere ATM-Schalteinheiten verbunden, die die Zellen ans Ziel vermitteln. - Feste Zellenlängen --> Vermittlung kann gleichzeitig für mehrere Zellen erfolgen. - Kein gemeinsames Übertragungs-Medium (Shared Media, LAN), kein shared access, sondern ATM-Switch vermittelt die Zellen (Cell Relay). - Gesamte Übertragungsbandbreite wird von der ATM-Schalteinheit nach Bedarf verteilt (Zuordnung einer festen Bandbreite ist auch möglich). Zellenlänge 53 Bytes Kompromiss zwischen analoger Sprachübertragung und digitaler Datenübertragung. Digitale Übertragung analoger Sprachsignale: Abtastung mit 8 kHz (8000 mal / Sek., Nyquist-Theorem), jeder Meßwert in 8 Bits codiert: --> pro Sprachkanal 64 kbit/s oder alle 125 ms ein Meßwert bzw. 1 Byte übertragen. --> sog. Puls-Code-Modulation (PCM). Dem Byte bei PCM entspricht die 53-Byte-Zelle bei ATM. Bei gleicher Übertragungsrate von 64 kbit/s wird jedoch nur alle 6,6 ms eine Zelle übertragen --> zellenbasierte Systeme erzielen bei Übertragung analoger Signale eine geringere Abtastra te als die byte-orientierte PCM-Technik. Geringe Zellenlänge gut für Übertragung rein analoger Signale; Vorschläge: Europa: 32 Byte (Sprache dominand) Nord-Amerika: 64 Byte (Datenübertragung über WAN dominand, weniger Overhead) Kompromiss: 53 Byte Bandbreitenausnutzung Ältere und z.T. noch existierende WAN (Zeitraum bis 1997): - Übertragungsverfahren STM (Synchronous Transfer Mode). - Synchrones Zeitmultiplexing (STD): jeder Teilnehmer erhält bestimmte ÜbertragungsBandbreite (unabhängig davon, wieviel er benötigt) . - Gut für Sprachübertragung, weniger für Datenübertragung geeignet. - Ineffizient bei fester Zuordnung und variierender Datenmenge (z.B. Video, Inter-LAN). Neuere WAN: B-ISDN (Planung für Zeitraum ab 1998): - Übertragungsverfahren ATM (Asynchronous Transfer Mode): SDH/TDM Verdrängung ~> Gigabitnetz (SDH/WDM, ab ca. 2000) ~> dark fiber (ab ca. 2006) - Asynchrones Zeitmultiplexing (ATD) und feste Paketlänge. - Flexible Bandbreitenverteilung (je nach Bedarf). Gesamte Bandbreite auf die jeweils aktiven Netzknoten verteilt. ATM realisiert Dienste für unterschiedliche Bandbreitenanforderungen, wie * Anwendungen mit stark variierenden Bitraten, * Echtzeit-Applikationen, * feste Bitraten, * zeitunkritische Applikationen. ATM somit geeignet für Sprache, Video und Filetransfer. 19.2.2 Architektur und Einsatz ATM ATM - Technik Zwischen 2 Teilnehmern nicht mehr eine Leitung (abstrakt: „Übertragungskanal“) reserviert sondern Aufteilung der Übertragungskapazität in kleine Pakete (sog. ATM-Zellen): - Zellen-Kopf: mit Angabe der entspr.Teilnehmerverbindung des nachfolgenden Inhalts. - Zellenlänge: 53 Oktetts (Byte): 5 Header, 48 Payload (Nutzinformationen). 10 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Jede Zelle (bspw. mehrere 100 000 pro Sekunde verfügbar) kann beliebig einer Teilnehmerverbindung zugeteilt werden, z.B. * viele bei hohem kurzfristigen Kommunikationsbedarf, * weniger bei geringem Bedarf zu anderem Zeitpunkt. Durch Bündelung vieler Teilnehmerverbindungen auf den Fernübertragungsstrecken können in einem Zeitintervall Spitzen- und Niedrigbelastungen ausgeglichen werden. Damit mittlere Nutzung der teueren Übertragungstechnik. Einsatz ATM Probebetrieb der ATM-Technik seit 1994/95. Regelbetrieb in Deutschland (1996), u.a. CrossConnect-Netz der Telekom (z.B. B-WiN). ATM bildet den Transportmechanismus für BISDN. Probleme: fehlende Anwendungen (~> Backbone), hohe Investition, Konkurrenz SDH/WDM und dark fiber Prinzip des ATM Zerlegung (Paketierung) aller denkbaren konstanten, variablen und diskontinuierlichen Verkehrsströme in Zellen --> erlaubt einfaches Multiplexen. Breitbandiger Übertragungskanal in Zeitschlitze (Slots) aufgeteilt, die genau eine Zelle aufnehmen können. Abbildung 19.6: Prinzip des ATM Wegen Paketvermittlungsprinzips verfügen die Multiplexer über Zellpuffer. Infolge hoher Übertragungsraten (155 / 620 Mbit/s) bleiben auch die Pufferzeiten gering (i.allg. nur wenige Vielfache einer Zellübertragungszeit von 0,7 bzw. 2.8 ms). Aufbau einer ATM-Zelle Abbildung 19.7: Aufbau einer ATM-Zelle Zellen werden durch das Netz zum Ziel übermittelt: anhand im Zellkopf mitgeführter Verbindungskennung VPI (Virtual Path Identifier) und VCI (Virtual Channel Identifier) sowie der beim Verbindungsaufbau in den Netzknotentabellen abgelegten Verkettung dieser Kennung. 11 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Aufbau virtueller Verbindungen (virtual channel connection) erfolgt wie beim S-ISDN durch logisch getrenntes Signalisierungsnetz. Weitere Zellkopf-Informationen zu * Netzzugangs-Datenflußsteuerung (GFC), * Kennzeichnung des Zelltyps (PLT), * Zellpriorität (CLP), * Zellkopf-Fehlerkontrollverfahren (HEC) - für Fehlerkorrekturen, Fehlererkennung sowie automatische Zellgrenzen-Erkennung. Netz-Management (Netzverwaltung) Hierarchische Unterteilung in virtuelle Pfade und virtuelle Verbindungen. Erlaubt dem Netzbetreiber, aus vermittelnden Netzknoten und Hochgeschwindigkeits-Verbindungsleitungen des SDH mittels Funktionen des Netz-Managements ein Netz aus virtuellen Pfaden einzurichten (semipermanent). Darüber werden die durch die Teilnehmer gesteuerten virtuellen Verbindungen geführt Damit Pfadstruktur flexibel dem Verkehrsbedarf anpassbar. U.a. können LAN’s mittels virtueller Pfade an unterschiedlichen Standorten miteinander verbunden werden ~> zum Aufbau von Unternehmensnetzen (corporate networks). ATM im LAN-Bereich ATM-Prinzip universell, auch für LAN geeignet (s. ATM-Forum) ~> damit homogene, durchgehende Netztechnik mit ATM möglich. Konkurrenz durch Fast-Ethernet und GigabitEthernet. Zu wenige ATM-Anwendungen. Einschätzung ATM ATM-Prinzip universell (WAN, MAN, LAN). Unikale Technologie mit verschiedenen Dienstklasse-Angeboten (ohne/mit Dienstgüte): von einfacher Übertragung (best effort) bis zu vorhersagbaren Übertragung (real time, reservierte Bandbreite). Teure Investition / Fehlende ATM-Anwendungen in der Breite. Unbestritten für ATM: WAN, Backbones, MultiservicePlattformen. ATM auch im LAN-Bereich (ATM-Forum) einsetzbar ~> einheitliche Technologie. ATM ist reine Switching-Technologie: Erfordert dedizierte Leitung zum Nutzer (FTTH) sowie Einrichtung von Access Networks für “letzte Meile” (Shared Media), u.a. xDSL, HFC, APON, wireless ATM, Local Loop. Anwendungen: - Netzwerk-Management - Backbone (z.B. Crossconnect-NW der Telekom AG) - Echtzeitkommunikation (z.B. Krankenhaus, Industrie) - Core Network von Mobilfunknetzen (z.B. bei UMTS), MFN 4G (W-ATM) Trend: Einsatz optischer Netze (SDH/WDM) 19.2.3 ATM-Schalteinheiten Charakterisitika Schalteinheiten: ATM-Switch oder ATM-Cross-Connect ~> Zentrales Element von B-ISDNNetzwerken. ATM-Zellen alle gleiche Größe --> massiv parallele Architektur möglich, Zellendurchsatz im Gigabit- und Terabit- Bereich. Alle Benutzerkanäle werden gleichzeitig und in vollem Umfang bedient. Grundfunktionen einer ATM-Schalteinheit - Identifizierung / Auswertung der Kanal- und Pfadidentifikation (VCI / VPI) der ATMZellen. 12 RechnernetzeScriptum, Teil 3 - Transport der ATM-Zelle von einem Input-Port der ATM-Schalteinheit zu dem OutputPort, der an das adressierte Ziel führt (Sternverkopplung). Abbildung 19.8: ATM-Schalteinheit Zwei Typen von ATM-Schalteinheiten * ATM-Pfadvermittlung (VP-Switches, Cross-Connects) * ATM-Kanalvermittlung (VC-Switches) ATM - Pfadvermittlung (Cross-Connect) Alle ankommende Pfade werden beendet und (inklusive aller im Pfad befindlichen Kanäle) in einen anderen abgehenden Pfad umgeleitet. Die einzelnen ATM-Kanäle bleiben davon unberührt. Abbildung 19.9: ATM-Pfadvermittlung ATM - Kanalvermittlung (Switches) Es werden sowohl eingehende Pfade (VPs) als auch eingehende Kanäle (VCs) beendet und in andere abgehende Pfade bzw. Kanäle umgeleitet. Die Vermittlung von ATM-Kanälen impliziert immer auch das Schalten von Pfaden, da bei Abschluss eines Kanals zwangsläufig auch der Pfad, indem er sich befindet, zu beenden ist. Kanalverbindungen können auch als Pfadvermittlungen genutzt werden ->ATM-Kanäle durchqueren dann die Schalteinheiten wieder unberührt. Abbildung 19.10: ATM-Kanalvermittlung 13 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Topologie von ATM - Schalteinheiten Kernstück der Schalteinheiten: Switching Fabric. - Transport der ATM-Zellen in der Schalteinheit. - Auswahl dynamischer Übertragungswege zwischen Input- und jeweiligen Output-Ports. - Konflikt (Blockierung), falls sich 2 ATM-Zellen um gleichen Output-Port bewerben. - Aufgebaut aus Zellenvermittlungseinheiten (Switching Elements, Schaltelemente). Schaltelemente selbst bestehen aus Interconnections-Netzwerk: Bereitstellung der Übertragungswege für ATM-Zellen. 2 Arten: * Matrixstruktur-Netzwerke: Alle Eingänge des Schaltelements durch Netz von Wegen mit allen Ausgängen verbunden (crossbar, Netzgitter). * Time-Division-Multiplexing-Netzwerke: Zellen entweder seriell über eine gemeinsame Bus- oder Ringstruktur übertragen und vermittelt (Bus Switching Elements, Ring Switching Elements) oder alle Zellen durch einen Input-Controller in gemeinsamen Speicher geschrieben und dort durch Output-Controller wieder ausgelesen (Central Memory Switching Elements Schaltnetzwerke). Schaltnetzwerke Kopplung einzelner Schaltelemente führt zu Schaltnetzwerken. Sie bilden die eigentliche Schaltstruktur. Verschiedene Topologien Kriterien: Leistung, Blockierungsvermeidung - Shuffle-Exchange-Netzwerke Single-Stage-Netzwerke - Erweiterte Switching-Matrix (1 Schaltzyklus vom Eingang zum Ausgang) - Banyan-Netzwerke Single-Path-Multi-Stage (mehrere Routen-Entscheidungen) - Benes-Netzwerke Multi-Stage-Multi-Path-Netzwerke - Parallele Banyan-Netzwerke Kopplung mehrerer paralleler Single-Path-Netzwerke - Distributions-Netzwerke Zellenströme möglichst gleichmäßig verteilt - Sorting-Trap-Netzwerke Vorgeschaltetes Sortiernetzwerk (Batcher-Banyan-Netzwerke) - Rezirkulations-Netzwerke 19.2.4 Skalierbarkeit und Modularität Skalierbarkeit und Modularität ATM: keine eindeutige Festlegung zur Übertragung von ATM-Zellen bezüglich physikalisches Medium und Geschwindigkeit, z.B. - über SDH-Netzwerke (ATM-Empfehlungen ITU I.432 und ITU G.804) mit 155 / 622 / 2488 Mbit/s, - über PDH-Netzwerke (E1, DS1, E3, DS3- Hierarchie). Außerdem Erweiterung durch neue Teilnehmer möglich, ohne Einschränkung der Bandbreite für die bisherigen Teilnehmer (in ATM-Schalteinheit sind lediglich Anschlußmodule mit entsprechenden Bandbreiten einzusetzen). Einzige begrenzende Komponente: Verarbeitungsgeschwindigkeit der ATM-Schalteinheiten (z.Zt. für <= 10 Gbit/s ausgelegt). ATM für WAN und LAN geeignet. ATM im WAN - Bereich ATM-Zellen können übertragen werden: * über bestehende 1.5 / 2 / 34 / 45 oder 140 Mbit/s - Leitungen (PDH) oder * über 155 / 622 / 2488 Mbit/s - Leitungen der modernen und standardisierten SDH SDH (Synchrone Digitale Hierarchie): 14 RechnernetzeScriptum, Teil 3 - standardisiert durch ITU, Basis für B-ISDN, 1988 weltweiter Standard für WAN, - ermöglicht leistungsfähige und kostengünstige WAN durch * flexible Multiplexstruktur, * integrierte Management- und Überwachungsfunktion, - ermöglicht Migrationen zu SDH (z.B. PDH -> SDH), - Transportmedium (Übertragungsrahmen) für ATM sowie in Gigabit-Netzen (SDH/WDM, ab ca. 2000) PDH (Plesiochrone Digitale Hierarchie): - Ende der 90er Jahre (1998/99) noch häufig im WAN-Bereich. - Auch dafür wurden die Leitungsschnittstellen für die Übertragung von ATM-Zellen standardisiert. ATM im LAN - Bereich ATM-Forum: Standardisierung von Interfaces: - mit 25 / 52 und 155 Mbit/s, - über ungeschirmte (UTP Typ 3) bzw. geschirmte (STP) verdrillte Kupferleitungen. Bestehende FDDI-Infrastrukturen können mittels sog. TAXI-Chipsätze in ATM-LAN’s umgewandelt werden (“Taxi” = Produktbezeichnung für 1. Chipsatz dieser Art bei AMD). ATM im LAN-Bereich ermöglicht: - Multimedia-LAN’s, - zentrale Verbindungsnetzwerke (Backbones) für herkömmliche LANs (Ethernet, TokenRing, FDDI) - vs. Gigabit-Ethernet (1 / 10 / 40 / ... Gbit/s). LAN-Emulation (LANE) ~> diese Betriebsart von ATM-Schalteinheiten gestattet die problemlose Migration bestehender LAN zu ATM-Technologien sowie MAC-Ebene von Ethernet (IEEE 802.3) und Token-Ring (IEEE 802.5) zu simulieren. Somit bestehende Netzknoten ohne Änderung der SW-Applikationen direkt an ATM-Technologie anschließbar. 19.2.5 Standardisierung ATM und B-ISDN Standardisierungsgremien für B-ISDN und ATM Standardisierung ATM insbesondere durch ITU (vormals CCITT) und ATM-Forum. ITU (International Telecommunications Union): 1932: Gründung CCITT (International Telegraph and Telephone Consultative Commitee) 1993: Umbenennung in ITU, z.Zt. 164 Mitgliedsländer Standards (Auswahl): 1984: I-Serie für ISDN 1990: Entwurf für B-ISDN (ITU-Studiengruppe XVIII) 1991: Standards (I-, F-, Q- Serien für B-ISDN) ATM-Forum: 1991: Gründung durch CISCO-Systems, NET/Adaptive, Northern Telekom und US-Sprint Ziele: - TM-Standardisierung nicht allein ITU überlassen - Einfließen von Industrievorschlägen - Schaffung von Industriestandards für Bereiche, in denen keine Standards definiert sind (Quasistandards, kein langfristiges Warten auf Beschlussprozeduren der ITU) Aktivitäten Juni 1992: Entwicklung von UNI 2.0 (erweiterte Spezifikation des ITU-UNI-Standards) - ITU: zunächst lediglich SDH-basierende Übertragungsschnittstellen für ATM - UNI 2.0 definiert diese für ATM-Zellenübertragung * auf bestehenden PDH-Leitungen (34 / 45 Mbit/s) * sowie die 100 Mbit/s-TAXI-Schnittstellen für LAN 1994: wesentlich erweiterte Spezifikation UNI 3.0 und UNI 3.1 1996: UNI 4.0 (darin erstmalig Übertragungs-Standards für lokale ATM-Netzwerke) 15 RechnernetzeScriptum, Teil 3 19.3 B-ISDN (Breitband-ISDN) 19.3.1 Referenzmodell B-ISDN Referenzmodell B-ISDN Logische Architektur von B-ISDN – Netzwerken (in Anlehnung an OSI-RM, ITU X.200, 7 Schichten) bestehend aus: 4 Schichten: - Höhere Schichten - ATM-Anpassungsschicht (AAL) - ATM-Schicht - Physikalische Schicht Diese 4 Schichten werden über 3 Ebenen verbunden: - Benutzerebene (User Plane) - Steuerebene (Control Plane) - Managementebene (Management Plane) Abbildung 19.11: Referenzmodell B-ISDN Benutzerebene (User Plane): Innerhalb Benutzerebene erfolgt Informationsfluss über alle Schichten hinweg. Funktionen: u.a. Korrektur von Übertragungsfehlern, Überwachung des Datenflusses. Steuerebene (Control Plane): Funktionen: Auf- und Abbau von Verbindungen, Überwachung von Verbindungen. ATM ist verbindungsorientiert --> jeder Verbindung innerhalb ATM-Schicht muss deshalb über das Signalisierungsverfahren der Steuerebene eine eindeutige Identifikationsnummer zugeordnet werden. Diese ID-Nr. ist je nach Hierarchie der Verbindung: - Pfadidentifikation (VPI: Virtual Path Identifier) - Kanalidentifikation (VCI: Virtual Channel Identifier) Managementebene (Management Plane): 2 Funktionen * Ebenenmanagement (Plane Management) Koordination der Funktionen und Abläufe der Management-Ebene mit den beiden anderen Ebenen. * Schichtenmanagement (Layer Management) - Meta-Signalisierung: Eigener Informationskanal zur Steuerung der verschiedenen Signalisierungsabläufe (sog. “Meta-Signalisierung). Meta-Signalisierung erforderlich, weil Signalisierung in BISDN wesentlich komplexer als die D-Kanal - Signalisierung im S-ISDN ist. - OAM-Informationsfluss (OAM: Operation And Maintenance): OAM-Informationen dienen zur Überwachung der NW-Leistungsfähigkeit und zum Fehlermanagement auf ATM-Ebene --> dazu spezielle Zellen, sog. OAM-Zellen. 16 RechnernetzeScriptum, Teil 3 19.3.2 Funktionen und Schichten im B-ISDN Schichten im B-ISDN Anwendungsschicht, ATM-Adaptionsschicht (AAL), ATM-Schicht, Physikalische Schicht Abbildung 19.12: Schichten und Funktionen im B-ISDN Physikalische Schicht 2 Teilschichten: Physikalisches Medium (PM), Übertragungsanpassungsschicht (TC). Physikalisches Medium (PM) - Koaxial- und Twisted-Pair-Kabel der Plesiochronen Digitalen Hierarchie (PDH) (75 Ohm Koaxialkabel, 120 Ohm Twisted Pair Kabel). - Glasfasern der Synchronen Digitalen Hierarchie (SDH). - ATM-Forum: für LAN auch kostengünstigere Übertragungsmedien für ATM definiert, u.a. geschirmte und ungeschirmte verdrillte Kupferkabel (UTP / STP), Multimode-Glasfasern. B-ISDN-Standard erlaubt beliebiges physikalisches Medium, sobald entsprechende Übertragungsanpassung spezifiziert ist. Maximale Leistung: - Kupferkabel (kurze Entfernungen): 300 ... 400 MHz - Glasfaser: mehrere THz (Tera-Hertz) Übertragungssystem: - im LAN: hier auch elektrische Übertragungs-Methoden - im WAN: Orientierung auf optische Übertragungsmethoden (kostengünstiger) Übertragungsanpassung (Transmission Convergence TC) Funktion der TC: Einbetten der Zellen der ATM-Schicht in die Übertragungsrahmen des jeweiligen Transportmediums. Aufgaben: - Erzeugung / Entfernen von Übertragungsrahmen (SDH, PDH) und Anpassung ATMZellen auf Übertragungsformat Beispiele: * ATM-Zellen über 34 Mbit/s-E3-Strecke: Anpassen der Zelle in Informationsfelder für E3-Rahmen, oder in SDH-Rahmen, oder in PDH-Rahmen (DS1, DS3 oder E4). * Für direkte Zellenübertragung (ohne Zwischenschritt eines Übertragungsrahmens) ist keine Anpassung erforderlich. Zelleninhalt wird verschlüsselt und direkt auf das Übertragungsmedium ausgegeben. - Übertragungsanpassung (Transmission Convergence TC) - Zellencodierung (Cell Delineation) 17 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Um Zelleninhalt vom Header zu unterscheiden, wird Zelleninhalt (Payload) verschlüsselt (scrambled) übertragen --> sichert eindeutige Erkennung des Headers gegenüber Informationsfeld bei beliebigen Bitkombinationen der ATM-Zelle. - Entkoppeln von Zellen- und Übertragungsrate HEC - Generierung - Erzeugen und Prüfen der Prüfsumme über die Headerinformationen der Zelle (Prüfsumme: HEC - Header Error Control; wird als 5. Byte der Zelle übertragen). ATM - Schicht Funktionen der ATM-Schicht: Die von der übergeordneten Anpassungsschicht (AAL) übergebenen Daten sind an Bestimmungsort zu übertragen. ATM ist der Transportmechanismus von B-ISDN-Netzwerken. Funktion der ATM-Schicht unabhängig von darunterliegender physikalischen Schicht. Informationseinheit der ATM-Schicht 53 Bytes lange Zelle: Zellenheader, Payload Zellenheader enthält Identifikationsnummer --> damit Zuordnung zu einer bestimmten Verbindung. Abbildung 19.13: Format einer ATM-Zelle Aufgaben der ATM-Schicht 1. Multiplexen / Demultiplexen der ATM-Zellen - Zellen von verschiedenen Verbindungen werden in Übertragungsrichtung in einen nichtkontinuierlichen Zellenfluss gemultiplext. Zellenströme werden in 2 logische Hierarchien unterteilt: ATM-Kanäle (Virtual Channel), ATM-Pfade (Virtual Path). - Ein physikalisches Übertragungsmedium (z.B. LWL) kann mehrere virtuelle Verbindungspfade übertragen. - Ein virtueller Verbindungspfad kann mehrere virtuelle Verbindungskanäle enthalten. - Jede Zelle kann eindeutig über ihre Header-Informationen und den darin enthaltenen Pfad- bzw. Kanalidentifikations-Nr.’n (VCI, VPI) einem bestimmten Pfad bzw. Kanal zugeordnet werden: VCI: Virtual Channel Identifier, VPI: Virtual Path Identifier 2. VPI / VCI - Umwandlung (Auswertung / Übersetzung) Bei Zellenvermittlung über Schaltanlagen (Switches, Cross-Connects) sind die bis dahin gültigen VCI/VPI in neue VPI/VCI umzuwandeln, die das neue Ziel der Zelle beschreiben. 3. Erzeugen / Entfernen des Zellenheaders Erhält ATM-Schicht von übergeordneter AAL-Schicht eine Informationseinheit, so muss sie den zugehörigen ATM-Header erzeugen (Ausnahme: HEC (Header-Error-Control-Feld) --> dieses von Übertragungsanpassung TC erzeugt). Header einer ATM-Zelle (an UNISchnittstelle): 4 Bits: zur Flusskontrolle (GFC Generic Flow Control) 20 Bits: zur Kanal- und Pfadidentifikation (VPI, VCI) 3 Bits: zur Bestimmung des Zelleninhalts (Playload - Type) 1 Bit: zum Setzen der Zellenpriorität (Cell Loss Priority) NNI-Zellen (Network-to-Network-Interface) haben im Gegensatz zu UNI-Zellen (User-toNetwork-Interface) kein Feld zur Flusskontrolle --> dadurch größerer Wertebereich zur Pfadidentifikation (VPI). 18 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Wichtige Aufgabe der ATM-Schicht: Umwandeln von Netzwerkadressen der höheren Schichten in entsprechende Werte für VPI’s und VCI’s. 4. Zellen-Fluss-Steuerung (Generic Flow Control GFC) GFC-Feld zur Flusskontrolle von ATM-Zellen kann zur Steuerung der Zellenübertragung beim Zugriff mehrerer Teilnehmer auf dasselbe physikalische Übertragungsmedium verwendet werden. Anpassungsschicht (AAL) Funktionen der AAL-Schicht (ATM Adaption Layer, Anpassungsschicht) - Segmentieren: Datenströme der höheren Anwendungsschichten sind in 48 Bytes lange Informationseinheiten zu zerteilen. - Reassemblieren (Umkehrung zu Segmentieren): aus den ATM-Zellen sind die ursprüng lichen Datenströme zusammenzusetzen. Funktionen sind von Charakteristik der übergeordneten Anwendungen abhängig. Teilschichten - Konvergenzteilschicht (CS Convergence Sublayer) - Segmentierungs- und Reassemblierungsteilschicht (SAR Segmentation and Reassembly Sublayer) Segmentierung: Datenstrom --> 48 Byte-Segmente (+ 5 Byte für Header in ATM-Schicht) Reassemblierung: Datenstrom <-- ATM-Zelle AAL-Typen Zur Begrenzung der AAL-Implementationen sind 4 Dienstklassen (Service-Klassen) für die AAL-Schicht definiert: AAL-1, AAL-2, AAL-3/4, AAL-5 Abbildung 19.14: AAL-Typen Definition basiert auf den 3 Parametern Echtzeitanforderungen, Bitrate (konstant / variabel), Verbindungskonzept (verbindungsorientiert/verbindungslos) Serviceklassen und AAL-Typen: Typen 3 und 4 zu Typ 3/4 zusammengefasst, da in AAL keine Unterscheidung zwischen verbindungsorientiert und verbindungslos notwendig ist ATM-Bitraten-Dienstklassen Ab Version 4.0 der ATM-Spezifikation sind 4 Dienstklassen bezüglich der Bitraten definiert: CBR (Constant Bit Rate): - Emuliert ein Kupfer- oder Glasfaserkabel (LWL mit wesentlich höheren Kosten) - Daten werden mit konstanter Bitrate übertragen, ohne Fehler- oder Flußkontrolle - CBR geeignet für Audio- und Videoströme in Echtzeit VBR (Variable Bit Rate): VBR (Variable Bit Rate): 2 Varianten * rt-VBR (real-time-VBR): Unterstützt Anwendungen mit strengen Echtzeitanforderungen (z.B. Videokonferenz); Übertragungsschwankungen (z.B. bei MPEG-Datenkompression) sind nur innerhalb eng definierter Grenzen erlaubt. 19 RechnernetzeScriptum, Teil 3 * nrt-VBR (non-real-time-VBR): Erlaubt größere zeitliche Verzögerungen (Jitter). Einsatz z.B. bei multimedialen E-Mails. ABR (Available Bit Rate): - Nutzung bei nicht genau vorhersagbarer Netzlasten bzw. zum Abfangen von Spitzen lasten. - Somit optimal zusätzlich Kapazitäten vertraglich vorbestellbar (statt teurer Standleitungen). - Als einziger Dienst wird dem Benutzer eine Überlastung mitgeteilt. UBR (Unspecified Bit Rate) - Bestimmte Bandbreite oder erfolgreiche Zustellung von Datenpaketen wird nicht garantiert (entspricht IP, best effort). - Geeignet zur Übertragung von IP-Paketen (werden ebenfalls ohne Gewähr verschickt). - Weitere Anwendungen: E-Mail, Dateitransfer, Peer-to-Peer. ATM-Dienstequalität (QoS: Quality of Service) QoS wird vertraglich ausgehandelt (z.B. um Zellverlust auszuschließen). Vertrag (negotiation) umfasst Verkehrsbeschreibung (d.h. Anforderungen / Wünsche des Kunden), akzeptierte Dienstqualität, Parameter des vereinbarten QoS. QoS umfasst maximale / minimale Zellrate, langfristige durchschnittliche Zellrate, Dauer der Zustellung, erlaubte zeitliche Abweichung bei der Zustellung, Handhabung und Zustellung von Bruchteilen von Zellen oder Zellblöcken. Anpassungsschicht für Signalisierung (SAAL) Funktion: Innerhalb B-ISDN werden spezielle Kanäle zur Übertragung von Signalisierungsinformationen verwendet (analog zum D-Kanal bei S-ISDN). SAAL bezeichnet dabei die AALSchicht dieser Signalisierungskanäle. Aufgaben: Umsetzen der sich auf Anwendungsschicht befindenden Signalisierungsprotokolle (z.B. Q.2931, B-ISUP) auf die ATM-Ebene. Dazu wird die AAL vom Typ 3/4 oder Typ 5 (AAL-3/4, AAL-5) mit der servicespezifischen Teilschicht SSCOP verwendet. Das dabei auf AAL-Ebene angewandte Verfahren muss hohe Übertragungssicherheit garantieren.Die darüber liegenden Signalisierungsprotokolle (z.B. Q.2931) setzen voraus, dass ihre Datenpakete auf jeden Fall übertragen werden. Sie haben keine Funktionen zur Übertragungswiederholung. Höhere Schichten des Referenzmodells Applikationen für B-ISDN-Anwendungen: Cell Relay (für existierende ATM-basierende Netzwerk-Infrastrukturen) Frame Relay - Emulation CLNAP / SMDS / CBDS (für verbindungslose Protokolle in WAN über ATM) B-ISDN - Signalisierung (Q.2931) Netzwerkmanagement für B-ISDN LAN über ATM * LLC-Enkapsulierung (RFC 1483) * IP-Enkapsulierung (RFC 1577) * LAN-Emulation (ATM-Forum) Verschiedene Videodienste * Video- und Fernsehübertragung * Audio/Videokonferenzen und interaktives Fernsehen * Computerbasierte Multimedia-Applikationen (z.B. Audio/Video-Mail, Kollaborationssysteme) 20 RechnernetzeScriptum, Teil 3 20 Photonische Netze 20.1 Laser und Lichtwellenleiter 20.1.1 Schlüsseltechnologien optischer Übertragung Laser und Lichtwellenleiter Seit 2000 verstärkt optische Übertragung in Telekommunikation. Nachfolgend einige ausgewählte Technologien als Schlüsselbausteine optischer Netzwerke. Mehrere technologische Entwicklungen haben zur Entstehung der optischen Netzwerke beigetragen; Entscheidend sind Laser und Lichtwellenleiter. Bahnbrechend die Erfindung des Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 1958). Mit dem Laser ist erstmals eine wirtschaftlich vertretbare und praktische Lösung für die Erzeugung von hochfokussierten, monochromatischen und kohärenten Lichtstrahlen entstanden. Infolge vieler Anwendungsmöglichkeiten des Lichtstrahls mit hoher Energiedichte wird Lasertechnologie heute in verschiedensten Bereichen eingesetzt, von der Metallurgie über Medizin, Messtechnik, Telekommunikation und Militär bis hin zu Konsumgütern. Obwohl Prinzip des elektromagnetischen Wellenleiters bereits 1934 erfunden, konnten die ersten Lichtwellenleiter (LWL) erst 1966 produziert werden. Sie hatten eine hohe Dämpfung von mehr als 1 dB pro Meter oder 1000 dB pro Kilometer. Aber bereits 1970 konnten verbesserte Glasfasern produziert werden, mit denen über eine Strecke von 1 km ohne Zwischenverstärkung noch 1% der Lichtenergie die Empfangsseite erreichte (entspricht einer Dämpfung von 20 dB/km). Heute können LWL derart präzise aus reinem Glas hergestellt werden, dass die Dämpfung im Bereich von 0,2 dB/km liegt, was einer weiteren Verbesserung um den Faktor 100 entspricht. 20.1.2 Lichtwellenleiter und ihre Eigenschaften Aufbau LWL Die LWL bestehen aus zwei ineinander geschachtelten reinen Glaszylindern: dem Kern und einem ihn umfassenden Mantel (Cladding). Zum Schutz werden mehrere Schichten (Coating) nach innen aus weichem Kunststoff und nach außen aus härteren Materialien verwendet. Die Lichtenergie des Sende-Lasers wird an einem Ende des LWL in den Glaskern gestrahlt und dort durch Reflexion an der Wand des Kerns gehalten. Die Reflexion entsteht wegen der unterschiedlichen Brechindexe von Kern und Mantel. Zwei Grundkategorien von LWL: Multimode und Single Mode. Multimode LWL Als erstes wurden die technologisch weniger anspruchsvollen Multimode LWL eingeführt. Beim Multimode LWL, mit einem Kerndurchmesser von 50 oder 62,5 µm, breiten sich die Lichtstrahlen mit wiederholten Reflexionen an der Wand des Kerns aus. Da die Reflexionshäufigkeit vom Eintrittswinkel der Lichtstrahlen abhängig ist und die Eintrittswinkel der einzelnen Strahlkomponenten im Lichtbündel des Lasers verschieden sind, verbreiten sich auch die einzelnen Lichtstrahlen unterschiedlich. Deshalb die Bezeichnung „Multimode“ LWL. 21 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 20.1: Multimode LWL Single Mode LWL (Monomode LWL) Der Kerndurchmesser der Single Mode LWL ist klein, so dass das Licht praktisch in der zentralen Achse des Glaskerns bleibt. Es gibt nur einen einzigen Verbreitungsmodus, ohne Reflexionen. Infolge des wesentlich kleineren Kerndurchmessers sind die Single Mode LWL für die Übertragung von größeren Informationsmengen auf längeren Distanzen besser geeignet als die Multimode LWL. Grund: Single Mode LWL verändern den zeitlichen Ablauf und die Intensität der optischen Signale wesentlich weniger als Multimode LWL. Abbildung 20.2: Single Mode LWL Dämpfung Die Lichtübertragungseigenschaften der LWL sind von der Wellenlänge abhängig. Auch in der besten Glasfaser gibt es leichte Inhomogenitäten und Verunreinigungen, da absolute perfekte amorphe Materialien nicht hergestellt werden können. Ein kleiner Teil der Energie des Lichtstrahls wird von den Unregelmäßigkeiten des Materials zerstreut. Abbildung 20.3: Dämpfungscharakteristik von Single Mode LWL Dieses Phänomen (sog. „Raleigh Scattering“) tritt bei kürzeren Wellenlängen stärker auf. Bei längeren Wellenlängen macht sich die Infrarot-Absorption bemerkbar. Nach dem Addieren der verschiedenen Faktoren resultiert eine Kurve der Gesamtdämpfung, die ihr Minimum im Bereich der Wellenlängen von 1200 bis 1700 nm hat. In diesem Bereich wurden für die optische Übertragung sechs sog. “Fenster“ (Windows) um 850, 1300, 1400, 22 RechnernetzeScriptum, Teil 3 1550,1575 und 1660 nm definiert (s. Abb. 20.4). Das Fenster um 850 nm liegt mit einer hohen theoretischen Dämpfung von ca. 2 dB/km außerhalb des optimalen Bereichs und wird deshalb hauptsächlich für Verbindungen über kurze Strecken und mit kostengünstigeren Lasern oder auch mit LED verwendet. Abbildung 20.4: Optische Fenster Ausbreitung der Lichtsignale Die Lichtsignale erleiden während der Ausbreitung im LWL nicht nur eine Dämpfung, sondern auch eine Verzerrung. Rechteckig ausgesendete Lichtimpulse treffen beim Empfänger verschwommen ein. Die Ursache liegt in leicht unterschiedlichen Verzögerungen, welche die Lichtkomponenten des Signals für ihre Verbreitung benötigen. Die Streuung wächst mit der Distanz. Je höhere Frequenzen die Lichtimpulse haben, desto stärker fällt diese Streuung ins Gewicht. Die zeitliche Streuung limitiert das maximale erreichbare Produkt Signalbandbreite * Distanz. Bei Multimode LWL sind verschiedenen Reflexionswinkel und damit unterschiedlich lange Reisewege der Hauptgrund der zeitlichen Streuung. Auch die Single Mode LWL sind nicht ganz streuungsfrei. Die Streuungsursachen liegen in mehreren physikalischen Phänomenen. 20.1.3 Übertragung in optischen Netzen Einfaches optisches Netzwerk Für die Übertragung wird im einfachsten optischen Netzwerk sendeseitig ein von einem Laser generierter Lichtstrahl durch ein elektrisches Nutzsignal in der Amplitude moduliert. Nach Verstärkung wird der Strahl in den LWL geleitet. An der Empfangsseite verstärkt ein Vorverstärker zuerst die gedämpfte Energie des Lichtsignals, dann wird dieses zum Fotodedektor geführt, wo das Nutzsignal extrahiert wird. Abbildung 20.5: Einfache optische Übertragung Wave Division Multiplexing Die Kapazität des Systems lässt sich durch eine gleichzeitige Übertragung von mehreren modulierten Lichtstrahlen im gleichen LWL wesentlich erhöhen. Die Lichtstrahlen (“optische Träger“) mit unterschiedlicher Wellenlänge einer bestimmten Anzahl Sender (Tx) werden 23 RechnernetzeScriptum, Teil 3 optisch zusammenmultipliziert und in den LWL eingespeist. An der Empfangsseite werden die Lichtstrahlen zuerst durch selektive Farbfilter getrennt und dann zu den einzelnen Empfängern (Rx) weitergeleitet. Zugehörige Übertragungsmethode: Wellenlängenmultiplexing (Wave Division Multiplexing (WDM)). Abbildung 20.6: Wave Division Multiplexing Dense WDM Gesamtkapazität der WDM-Übertragung ist von der Anzahl verwendeter Wellenlängen und von der Bandbreite der auf einzelnen Trägern modulierten Nutzsignale abhängig. Der Unterschied zwischen den Wellenlängen einzelner Träger kann sehr gering sein. Er liegt zwischen 8,8 nm (gemäß ITU G.692-Empfehlung) und 20 nm oder mehr bei sog. Lowcost-Lösungen. Die Technologie “Dense WDM“ (DWDM) arbeitet mit 8,8 nm. Sie muss Laser mit äußerst engem Frequenzspektrum und mit hoher Frequenzpräzision und -stabilität verwenden. An der Empfangsseite erfolgt die Trennung der Träger durch extrem selektive Farbfilter. Typische DWDM-Systeme arbeiten mit 40 bis 80 Kanälen (Träger), mit Bitraten von 1, 2,5 oder 10 Gbit/s per Kanal. Produkte mit 40 Gbit/s per Kanal sind in der Phase der kommerziellen Einführung (2004). 20.1.4 Funktionen des DWDM-Knotens Generischer DWDM-Netzknoten Generischer DWDM-Netzknoten (Knoten 1), der mit drei anderen Netzknoten verbunden ist. Beim selben Knoten wird lokal auch ein Teil der optischen Verbindungen terminiert. Abbildung 20.7: Struktur eines generischen DWDM Netzknoten Grundfunktionen eines DWDM-Knoten: - Regenerierung der empfangenen und Verstärkung der zu sendenden optischen Träger - Optische Multiplexierung/Demultiplexierung für die Zusammenführung bzw. Trennung der einzelnen optischen Träger. - Einspeisung bzw. Herauskopplung der modulierten optischen Träger (Add/DropFunktion) - Schaltung im “Lambda Switch“ der optischen Kanäle. Dieser besteht aus 2 Teilen: 24 RechnernetzeScriptum, Teil 3 a) Der Cross Connect (oder Switching Matrix) ist das eigentliche Schaltelement der optischen Träger. b) Der Wellenlängenkonverter (oder “Lamda Converter“) wird bei Bedarf für die Umsetzung der Qellenlängen der optischen Träger zugeschaltet. 20.1.5 Regenerierung der optischen Signale Signalregeneration Die Lichtsignale werden in langen LWL Strecken gedämpft und verzerrt. Für die Überbrückung größerer Distanzen müssen die Lichtsignale regeneriert werden. Es wird unter 3 Typen von Signalregenerationen unterschieden: - „1R“ - Reamplify - „2R“ - Reamplify, Reshape - „3R“ - Reamplify, Reshape, Retime Reshaping und Retiming erfolgen nach opto/elektrischer Umwandlung mittels elektronischer Schaltungen. Für die Verstärkung der optischen Signale gibt es auch reine optische Lösungen, u.a. - Erbium-dopierte Glasfaserverstärker, - Raman Verstärker und - Halbleiter optische Verstärker (SOA - Semiconductor Optical Amplifier). Abbildung 20.8: Typen der Signalgeneration Erbium-dopierte Glasfasern Verbreitet ist der rein optische Verstärker mit Erbium-dopierten Glasfasern (EDFA: Erbium doped Fiber Amplifier). Erbium, eine Seltene Erde, wird in den Siliziumkern einer Faser von einigen Metern Länge in kleiner Konzentration beigemischt. Die Erbium-Ionen werden durch eine externe Quelle, den Pumplaser, mit Energie geladen. Da der geladene Zustand instabil ist, lösen Photonen vom eintreffenden Lichtsignal die Entladung der Erbium-Ionen aus. Die Entladung ist in Lichtform und erfolgt für Erbium im Silizium mit der Wellenlänge des Eingangssignals, im Bereich von 1500 nm. Diese Energie summiert sich mit derjenigen des Eingangssignals und verstärkt es. Die Energie des Pumplasers kann an einem der beiden Enden des Erbium-dopierten Faserstücks eingeführt werden. Die Pumplaser arbeiten mit Wellenlängen von 980 oder 1475 nm. Optische Entkoppler beseitigen störende Strahlungen des Systems. Die EDFA-Technologie kann als Endverstärker, mit hoher Ausgangsleistung (15 dBm) und geringerem Verstärkungsfaktor, oder als Vorverstärker, mit hoher Empfindlichkeit für schwache Eingangssignale und hohem Verstärkerfaktor (30 dB), implementiert werden. 25 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 20.9: Erbium-dopierte Glasfasern Ein Schlüsselmerkmal der optischen Verstärker ist die Linearität der Verstärkung mit der Wellenlänge bzw. Frequenz. Da der Verstärkungsmechanismus stark wellenlängenabhängig ist, war es eine technische Herausforderung, die für DWDM notwendige Frequenzlinearität zu erreichen. Innegalitäten stören insbesondere bei längeren Strecken, wo mehrere Verstärker kaskadiert sind. Eine zufrieden stellende Frequenzlinearität kann heute durch die Wahl und Dosierung der verwendeten Dopierungselemente sowie durch die Verwendung spezieller Korrekturfilter erreicht werden. 20.1.6 Optische Cross Connects Verbindungssteuerung im DWDM Die optischen Cross Connects sind das zentrale Element für die Steuerung der Verbindungen innerhalb des DWDM-Netzes. Die durch den Lambda-Demultiplexer getrennten Lichtstrahlen werden in kurzen LWL zum Cross Connect geführt, wo sie individuell oder in Bündeln auf die geforderten Ausgangs-LWL gelenkt und, nach Lambda Multiplexierung, an den nächsten DWDM-Knoten weitergesendet werden. Die räumliche Anordnung der optischen Schaltelemente ist 3- oder 2-dimensional, je nach verwendeter Technologie. Für die Ablenkung der Lichtstrahlen werden folgende Technologien eingesetzt: - Neigbare Mikrospiegel - Mikroblasen (Bubbles) - Flüssigkristalle - Thermooptische Elemente Neigbare Mikrospiegel Ein Anwendungsbeispiel dieser Technologie ist der WaveStarTM Lambda Router von Lucent Technologies. Funktionsprinzip: Die von der Fasergruppe links austretenden Lichtstrahlen, welche im Switch eintreffen, werden auf ein Feld von 256 mikroskopischen Spiegeln projiziert. Durch Neigung zweier Achsen der einzelnen Spiegel kann die Eintreffstelle der Lichtstrahlen auf das zweite Spiegelfeld und von dort auf die Ausgangsfaser eingestellt werden. Abbildung 20.10: Lambda Router 26 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Die Spiegel werden elektrisch in weniger als 10 ms in vorbestimmte Positionen gesteuert. Diese Spiegelmodule sind nicht-blockierend, d.h. sie können gleichzeitig alle Routenkombinationen herstellen. Sie sind weitgehend unabhängig und schalten gleichzeitig eine oder mehrere Träger per Spiegel um. Die maximale Bandbreite per Lichtstrahl beträgt 40 Gbit/s. Für eine hohe Betriebssicherheit wurde das Spiegelmodul redundant, mit Reservespiegeln, ausgestattet. Die Mikrospiegel-Lösung des Lambda Routers ist technologisch besonders aufwendig. Da jeder Mikrospiegel eine hohe Anzahl Positionen aufnehmen soll, sind für eine gute Treffsicherheit wiederholte Kalibrierungen erforderlich. Für die 3-dimensionale Schaltung der 256 Lichtstrahlen werden insgesamt 512 Mikrospiegel (ohne Redundanz) benötigt. Eine neue Generation von Mikrospiegeln wird auf Basis der Technologie von Silikonen Mikromaschinen (MEMS – Mikroelektromechanische Systeme) gebaut. MEMS können verschiedene physische Funktionen, wie elektrische, mechanische und thermische, ausführen. Die Silikon-Mikromaschinen werden ähnlich der integrierten Halbleiterschaltungen hergestellt. Durch die Auftragung mehrerer Polysilikon-Schichten auf ein Silkon-Substrat werden die Bestandteile der Mikromaschine gebildet. Die überflüssigen Materienteile werden durch Ätzen entfernt, die mobilen Komponenten beweglich gemacht und die Mikromaschine bekommt die endgültige Form. Die Steuerung der mobilen Teile erfolgt durch elektrische oder magnetische Felder. Die neuen DWDM Cross Connects in der MEMS-Ausführung sind noch kleiner, kostengünstiger und verbrauchen noch weniger Energie. Diese Module müssen aber funktionell anders konzipiert werden, da jeder Mikrospiegel in nur wenige Positionen bewegt werden kann. Mikroblasen Ein Schaltmodul mit Mikroblasen wird mit einem flüssigen LWL gebildet. In der Flüssigkeit kann eine Blase produziert werden, die die Verbreitung des Lichtstrahls verändert. Agilent Technologies hat mit “Photonic Switching Platform“ ein Mikroblasen-Schaltmodul entwickelt. Abbildung 20.11: Funktionsprinzip eines Mirkoblasen Schaltmoduls Das Schaltmodul besteht aus einer dünnen Glasplatte, in der mit Flüssigkeit gefüllte Rinnen sind. Der Lichtstrahl durchquert die Rinnen unter einem spitzen Winkel. Da Glas und Flüssigkeit in den Rinnen den gleichen Brechindex haben, verbreitet sich der Lichtstrahl geradlinig. Wenn am Kreuzpunkt des Lichtstrahls in der Rinne eine Blase produziert wird, erfährt der Strahl wegen des geänderten Brechindex eine totale Reflexion und wird umgelenkt. Die Blasen werden durch Heizung, durch thermische Elemente (wie InkJet-Drucker), produziert. Ein “Photonic“-Schaltmodul besteht aus einer Glasplatte mit mehreren Rinnen, welche Heizpunkte für die Blasen haben. Vorteilhaft in dieser Lösung sind die relativ einfache Technologie und die Tatsache, das keine beweglichen mechanischen Teile benötigt werden. Durch die 2-dimensionale Anordnung dieses Schaltmoduls entstehen aber zwei wesentliche Nachteile: - Für eine nicht blockierende Schaltung werden N * N Schaltpunkte benötigt, wesentlich mehr als in der 3-dimensionalen Anordnung. 27 RechnernetzeScriptum, Teil 3 - Ein Lichtstrahl muss bis zu N Rinnen kreuzen, was zu beachtlicher optischer Dämpfung und Verzerrung führen kann. Flüssigkeitskristalle Flüssigkeitskristalle (LCD) sind als Elemente der Flachbildschirme für Computer bekannt. Die Funktionsweise der Flüssigkristall-Schaltelemente basiert auf der Änderung der Polarisierungsrichtung des Lichts in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal. Der polarisierte Lichtstrahl des Flüssigkristall-Elements wird durch weitere, passive Polfilter geführt. Je nach Richtung der Polarisierung wird der Lichtstrahl durchgelassen oder ausgelöscht. Thermooptische Schaltelemente Bei diesen Elementen kommt die Änderung des Brechindexes in Abhängigkeit der Temperatur zum Einsatz. Der eintretende Lichtstrahl wird durch das thermooptische Glaselement, das elektrisch geheizt und gekühlt wird, geführt. Der Lichtstrahl wird durch die Änderung des Brechindexes des Glases mehr oder weniger gebogen und trifft in Ausgang 1 oder 2 ein. Bei diesem Typ von Schaltelement müssen noch die Umschaltzeiten reduziert werden Abbildung 20.12: Funktionsprinzip der thermooptischen Schaltelemente 20.1.7 Wellenlängenkonverter Konverter Die technologischen Lösungen für Wellenlängenkonverter sind weniger ausgereift als bei Cross Connects. Heute wird eine hybride Lösung verwendet. Der zu konvertierende optische Träger wird demoduliert und das gewonnene elektrische Signal steuert einen neuen optischen Träger an, der mit einem in der Wellenlänge abstimmbaren Laser generiert wird. In der Entwicklung befinden sich auch weitere Lösungen, z.B. der interferometrische MachZehnder Wellenlängenkonverter, die in der “Halbleiter optischer Verstärker“-Technologie hergestellt werden. 20.1.8 Dynamisches optisches Switching Optisches Switching Da die gegenwärtigen Lambda Switches im besten Fall Schaltzeiten in der Größenordnung der Millisekunde haben, arbeiten die DWDM-Netzwerke mit einer statischen Zuteilung der Kapazität der optischen Träger. Die Lage ist ähnlich den klassischen Time Division Multiplex Systemen, wo die Bandbreiten der einzelnen Kanäle, ungeachtet ihrer tatsächlichen Nutzung, reserviert sind. Eine wesentliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit der optischen Telekommunikationssysteme lässt sich durch die dynamische Nutzung der Trägerkapazitäten erreichen. Zu diesem Zweck müssen die Schaltzeiten um mehrere Größenordnungen gekürzt werden. Wie in einem Daten-Router soll der Weg der optischen Information Paketswitching ähnlich, dynamisch, in Funktion der in dieser Information enthaltenen Netzwerkadressen gesteuert werden. Lösungen für dynamisches optisches Switching sind gegenwärtig in der Entwicklung. 28 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Für das dynamische optische Switching müssen aber noch technologische Herausforderungen gelöst werden. Eine davon ist die ungeheuere Schnelligkeit, mit welcher die Erkennung und Auswertung der Netzadresse jedes einzelnen optischen Paketes sowie die Steuerung des Lambda Switches erfolgen muss. Für alle diese Aufgaben stehen Zeiten in der Größenordnung der Nanosekunde (10-9 s) zur Verfügung, was die Möglichkeiten der gegenwärtigen Spitzentechnologien überschreitet. Als ein Schritt in Richtung des dynamischen Switching kann eine hybride, opto/elektronische Lösung die Effizienz des optischen Netzes erhöhen. Um mit den längeren Schaltzeiten arbeiten zu können, werden an der Grenze des optische Netzes mehrere für die gleiche Zieladresse bestimmte Informationspakete in einem “Makropaket“ zusammengesetzt. Dann wird das Makropaket, nach einmaliger Einstellung des Weges im optischen Netz, in einem Zug übertragen (Optical Burst Switching). Die suboptimalen Schaltzeiten fallen im Vergleich mit der längeren Dauer der Übertragung des Makropaketes weniger ins Gewicht. 20.2 WDM und optische Komponenten 20.2.1 Anforderungen für neue Dienste und Netze SDH / WDM und optische Netze Verbreitung des Internet und Akzeptanz, Einführung neuer Dienste, wie * World Wide Web (Client/Server), Napster, Gnutella (Peer-to-Peer) * Video-on-Demand, Services-on-Demand, Grid-Computing * IP-Telefonie, Multimedia-Applikationen Führte zu exponentiell wachsender Bedarf an Bandbreite auf verschiedenen Ebenen. Dazu * Anbindung der Anwender und Service Provider * Verkopplung von Hochleistungsrechnern (Metacomputing) * Anschluss nationaler und internationaler WAN (Backbone) Mangelnde Kapazität der Weitverkehrsnetze ~> drohender Engpass. Neue Netztechnologien * SDH-Technik (Synchrone Digitale Hierarchie) * WDM (Wellenlängenmultiplexing) * Überdimensionierung (best effort) vs. Dienstgüte (Premium Services) * Einsatz in neuen Netzen, wie G-WiN, Abilene, GÉANT, X-WiN. Aufbau optischer Netze (Lichtwellenleiter): optische Übertragung und Vermittlung. 20.2.2 Technische Grundlagen WDM und optischer Netze SDH: Synchronous Digital Hierarchy Glasfaserkabel in WAN seit vielen Jahren genutzt. Seit Ende der 80er Jahre digitale Signale über LWL mit Hilfe der SDH-Technik (Synchrone Digitale Hierarchie) übertragen. SDH stellt in der Basisfunktionalität ein hierarchisches System zum Multiplexen von Datenströmen dar. Vorteil gegenüber der bisherigen PDH-Technik (Plesiochrone Digitale Hierarchie): synchroner Betrieb aller Netzelemente ~> damit direkter Zugriff auf einzelne Teilsignale innerhalb eines höherratigen Multiplexsignals möglich. Darüber hinaus wurden Mechanismen standardisiert, die auch den Transport von anderen Signalen als den Vielfachen der 64 kbit/s Telefoniekanäle gestatten, wie z.B. IP-Pakete oder ATM-Zellen. WDM: Wavelength Division Multiplexing Seit Mitte 90er Jahr wird optische Wellenlängen-Multiplextechnik (WDM) genutzt ~> erhebliche Steigerung der Übertragungskapazität vorhandener LWL-Verbindungen. WDM ist die 29 RechnernetzeScriptum, Teil 3 optische Analogie zum Frequenzmultiplexing der elektrischen Nachrichtentechnik, bei dem jedem Signal ein eigener Frequenzbereich zur Verfügung steht. Beim WDM-Verfahren werden mehrere Signale mit leicht unterschiedlichen Trägerwellenlängen (sog. “Farben”) auf einer Glasfaser zusammengeführt und gemeinsam übertragen, d.h. die Signale können auch gemeinsam optisch verarbeitet werden. Beispiel: Gemeinsame optische Verarbeitung von Signalen am Beispiel eines optischen Verstärkers und eines optischen Add-DropMultiplexers. Abbildung 20.13: Gemeinsame optischer Verarbeitung von Signalen Typische WDM-Übertragungssysteme arbeiten bei Wellenlängen im Bereich um 1550 nm, mit einem spektralen Abstand der Übertragungskanäle von 50 GHz, 100 GHz oder 200 GHz. Auf jedem optischen Übertragungskanal werden dabei meist Bitraten von 2,5 Gbit/s übertragen, ab 2000 vermehrt auch bis zu 10 Gbit/s und mehr. Während Steigerung der Übertragungskapazität durch reine Zeitmultiplextechnik von heute üblichen 2,5 Gbit/s auf 10 Gbit/s schon aufwendig ist, ist für eine Steigerung jenseits von 10 Gbit/s ein erheblicher Aufwand notwendig. Darüber hinaus ist die Infrastruktur bereits vorhandener Netze in der Regel für diese Bitraten nicht geeignet. Hierbei WDM-Technik genutzt, um vorhandene Infrastruktur möglichst gut und wirtschaftlich auszunutzen. Signalregeneration Reine SDH-Technik erfordert aller 30 - 40 km eine vollständige Signalregeneration, d.h. das optische Signal muss jedesmal wieder in ein elektrisches Signal gewandelt werden, in seiner Amplitude, Pulsform und zeitlichen Synchronität regeneriert und schließlich wieder elektro/ optisch gewandelt werden. Mit Einführung der WDM-Technik lohnt sich der Einsatz von optischen Verstärkern, mit denen das Signal zumindest in seiner Amplitude regeneriert werden kann. Der Abstand zwischen diesen optischen Verstärkern kann zwischen 60 und 120 km liegen. Der Umfang des notwendigen Equipments wird damit drastisch reduziert. Darüber hinaus kann das WDM-System so dimensioniert werden, dass anfangs nur wenige Kanäle betrieben werden und bei wachsendem Bedarf weitere Kanäle, ohne zusätzliche Investitionen für Verstärker, implementierbar sind. Abbildung 20.14: Vorteil WDM-Technik gegenüber ausschließlich SDH-Technik 30 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Terminalmultiplexer Neben der Verwendung der Optik und WDM-Technik für die Übertragungstechnik bei Punktzu-Punkt-Verbindungen spielt auch deren Einsatz für Netzwerkfunktionalitäten, die über die reine Punkt-zu-Punkt-Übertragung hinausgehen, eine immer größere Rolle. Sowohl für die Realisierung von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen als auch beim Aufbau von optischen Netzen ist der Terminalmultiplexer die unabdingbare Basiskomponente. Optische Terminalmultiplexer bilden aus den einzelnen Signalen den Wellenlängenmultiplex bzw. trennen dieses wieder in die einzelnen optischen Kanäle auf. Sie enthalten in der Regel optische Verstärker zu Konditionierung des optischen Summensignals und Möglichkeiten zur Überwachung ausgewählter physikalischer Parameter. Exemplarische Anordnung der Basiselemente eines Netzes, wie Terminalmultiplexer, optische Verstärker, optische Add-Drop-Multiplexer und optische Cross-Connectoren: Abbildung 20.15: Exemplarische Anordnung der Netz-Basiselemente Darüber hinaus können auch Einrichtungen für eine optische Ersatzschaltung integraler Bestandteil der Terminalmultiplexer sein. Bevor aus den einzelnen Signalen ein Wellenlängenmultiplex gebildet werden kann, müssen die Wellenlängen und die Pegel der Eingangssignale den Anforderungen des WDM-Systems, wie z.B. an das festgelegte Wellenlängenraster, angepasst werden. Dies erfolgt mit Hilfe eines sogenannten Transponders: Dieser detektiert Signale beliebiger Wellenlänge und setzt sie durch eine optisch-elektronisch-optische Wandlung in Signale mit der vordefinierten Wellenlänge um. Beispiel: Einrichtungen für eine optische Ersatzschaltung als integraler Bestandteil der Terminalmultiplexer. Abbildung 20.16: Einrichtung für eine optische Ersatzschaltung Optische Verstärker Entwicklung des optischen Verstärkers war die entscheidende Voraussetzung für die rein optische Übertragung über große Entfernungen. Ein optischer Verstärker für den Wellenlängenbereich um die 1550 nm besteht aus einer Erbium-dopierten Glasfaser, die vom Licht eines Pump-Lasers bei 980 nm oder 1480 nm angeregt wird und die ankommende Signalleistung 31 RechnernetzeScriptum, Teil 3 durch den Effekt der stimulierten Emission verstärkt. Wie auch bei jedem elektrischen Verstärker fügt der optische Faserverstärker dem Signal Rauschen hinzu, und bei der Kaskadierung dieser Verstärker verringert sich die nutzbare Bandbreite. Die Bandbreite eines Faserverstärkers beträgt typischerweise 30 nm oder ca. 4 THz. Abbildung 20.17: Optische Verstärker Add-Drop-Multiplexer Optische Add-Drop-Multiplexer dienen zur Ein- und Auskopplung von WDM-Signalen in Netzen mit ringförmiger Topologie. Je nach Ausführung der verwendeten optical add-drop unit können fest definierte Kanäle oder wahlfreie Kanäle in das WellenlängenmultiplexSignal eingefügt oder aus diesem ausgekoppelt werden. Wie im Terminalmultiplexer ist es notwendig, die einzufügenden Signale auf das Wellenlängenraster des Systems umzusetzen, z.B. mit Hilfe von Transpondern. Auch hier werden ausgewählte physikalische Parameter überwacht und können Einrichtungen für optische Ersatzschaltungen implementiert sein. Abbildung 20.18: Prinzipieller Aufbau eines Add-Drop-Multiplexers Optical Cross Connect Die komplexesten, aber auch leistungsfähigsten Netzelemente eines optischen Netzes sind optische Cross-Connectoren. Sie bieten die verallgemeinerte Funktionalität der flexiblen optischen Add-Drop-Multiplexer, bei dem wahlfrei Kanäle ein- und ausgekoppelt werden können. Optische Cross-Connectoren besitzen mehrere Ein- und Ausgänge, die wahlfrei mitein-ander verknüpfbar sind. Neben dieser Schaltfunktion in der Raumlage können Kanäle i.allg. auch in ihrer Wellenlängenlage verändert werden. Da die Realisierung von rein optischen Wellenlängenschaltstufen sehr aufwendig ist, werden optische Netze so entworfen, dass nur wenige dieser Wellenlängenkonversionen benötigt werden. Die 3 R Regenerationsstufe (reamplification, retiming und reshaping) kann notwendig werden, wenn eingehende Signale über sehr große Entfernungen oder über eine große Anzahl von Knoten übertragen wurden. Rein optische 3 R Regeneratoren sind noch auf absehbare Zeit Gegenstand der Forschung. 32 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 20.19: Optischer Crossconnect mit 3 R Regenerationsstufe 20.2.3 Ersatzschaltungen und Strukturtrennung Optische Ersatzschaltungsverfahren In optischen Netzen können mit Hilfe der WDM-Technik verschiedene Varianten von Ersatzschaltungen aufgebaut werden, um die Auswirkungen von Fehlern auf der Übertragungsstrecke (z.B. Faserbruch) oder in den Netzknoten zu begrenzen. Zwei der wichtigsten Verfahren: Pfadersatzschaltung und Multiplex-Sektion-Ersatzschaltung Bei der Pfadersatzschaltung werden zwei disjunkte Wege durch das Netz aufgebaut. Im Fehlerfall wird auf den Ersatzweg umgeschaltet. Bei der Multiplex-Sektion-Ersatzschaltung müssen die Netzknoten, die die fehlerhafte Multiplex-Sektion begrenzen, einen Ersatzweg über benachbarte Netzknoten schalten. Abbildung 20.20: Optische Ersatzschaltungsverfahren Trennung von logischer und physikalischer Netzstruktur Erläuterung des Grundprinzip der Trennung von logischer und physikalischer Netzstruktur am Beispiel (siehe Abbildung): Abbildung 20.21: Trennung von logischer und physikalischer Netzstruktur 33 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Der dargestellte Verkehrsbedarf zwischen den einzelnen Knoten kann im einfachsten Fall physikalisch umgesetzt werden, indem jeder logischen Verbindung ein WDM-Kanal zugeordnet wird. Diese Wahl der Wellenlängenkanäle hat den Vorteil, dass nur die für den jeweiligen Netzknoten bestimmten Signale opto/elektrisch gewandelt werden müssen und ein Aufrüsten des Netzes für einzelne Verkehrsbeziehungen erfolgen kann. So sind z.B. logische Sternnetze auf physikalischen Ringstrukturen realisierbar. Noch wesentlich effektiver in der Nutzung der verfügbaren Resourcen ist eine Kombination von SDH- und WDM-Funktionen, bei der die WDM-Technik die elektrischen Knoten vom Transitverkehr entlastet, indem dieser optisch an den jeweiligen Knoten vorbei geführt wird. Integration verschiedener Dienste und Protokolle Neben der Trennung der logischen von der physikalischen Netzstruktur erlaubt die WDMTechnik auch die Integration verschiedener Dienste und Protokolle in einem Netz. So könnten zukünftig z.B. IP, ATM, SDH, Gigabit-Ethernet und Protokolle zur Rechnerkopplung, wie ESCON, auf einer Transportnetzplattform betrieben werden. Abbildung 20.22: Integration verschiedener Dienste und Protokolle Ausblick Zur Zeit sind bereits Übertragungssysteme verfügbar, die bis zu 128 Kanäle mit je 2.5 Gbit/s und bis zu 40 Kanälen mit je 10 Gbit/s übertragen können. Systeme mit bis zu 1000 Kanälen befinden sich in der Planung. Die in ihren Grundzügen beschriebenen Netzwerkfunktionalitäten befinden sich in der Einführung. Fest abgestimmte Add-Drop-Multiplexer bereits länger als Produkt verfügbar. Kommerzielle Verfügbarkeit von optischen Cross-Connectoren durch mehrere Firmen ab ca. 2000. In den Forschungslaboren werden bereits Übertragungssysteme mit einer Kapazität von 3.28 Tbit/s und optische Cross-Connectoren mit 112 * 112 Ein- und Ausgängen betrieben. Angebot an dark fiber, die durch Provider zu konfigurieren sind (s. XWiN). 20.3 High-Speed Networking (Infrastruktur optischer Netze) 20.3.1 Netzinfrastruktur für High-Speed-Networking Glasfasernetze und photonische Netze Kupferkabel (Doppeladern): Informationsübertragung mit elektrischen Signalen, i.d.R. 64 kbit/s (digital, PCM), 8 Mbit/s (xDSL). Glasfasernetze: Übertragung mit Lichtsignalen (Lichtfarben). • High-Speed Networking: Terabit-Durchsatz im WAN und LAN (Basis SDH/WDM) (mittels DWDM und Photonic Switching). 34 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Gigabit-Ethernet als Evolutionssprung im LAN/MAN-Bereich (1 / 10 / 40 ... Gbit/s) • Einheitliche Netzinfrastruktur für LAN, MAN, WAN (Zielstellung wie bei ATM). • dark fiber. Einheitliche Netzinfrastruktur Konvergenz von Sprach-, Video- und Datenservice, führt zu einheitlicher Netzinfrastruktur. Nächste Generation von Routern, Switches und Access-Komponenten wird sowohl Packet Switching als auch Circuit Switching unterstützten. Gegenwärtiger Verkehrskollaps erfordert neue Lösungskonzepte: * Gewisse Entspannung durch Access Networks (u.a. xDSL, Kabelmodems) und Local Loops, aber kein echter Ausweg aus Bandbreitenmisere. * Gigabit-Ethernet: 1998: neuer Standard für 1-Gbit/s-Ethernet, 2002: Standard und Produkte für 10-Gbit/s-Ethernet, 2003 für 40-Gbit/s-Ethernet. * SDH/WDM-basierte photonische Netze (2004: 10 Gbit/s-Technologie) ~> dark fiber ~> Ausbau zu Terabit/s-Leistung. Neue Kooperationskonzepte, u.a. P2P statt Client/Server, um Serverlast zu reduzieren. 10-Gbit/s-Ethernet 1998: Standard für 1-Gbit/s-Ethernet (z.B. Lehrstuhl RNVS: 1-Gbit/s-Switch Summit 48 von Extreme Networks). Nächster Evolutionssprung auf 10 Gbit/s und 40 Gbit/s. Erste Eckpunkte für 10 Gbit/s, bereits vorgestellt auf IEEE-Tagung Montreal 1999: Übertragung nur noch mit Glasfaser. Beibehaltung des bekannten 802.3-Paketformat (Kompatibilität zu den alten Ethernet-Varianten). Wegen einfacher Integration des neuen Standards sollen auch die bestehenden Glasfaserkabel mit der neuen Technologie arbeiten können. Eine Adaption von 10-Gbit/s-Ethernet auf Kupferkabel ist wegen der höheren Datenübertragungsraten unwahrscheinlich. Basis der neuen Ethernet-Generation auf physikalischer Ebene: WDM (WavelengthDivision-Multiplexing). Damit Verlassen des klassischen LAN-Segments und Einzug in WAN/MAN-Bereich. “Reichweite”: Über Mono-Mode-Glasfaser kann das 10-Gbit/s-Ethernet bis zu 60 km überbrücken. 10-Gbit/s-Ethernet-Initiative rückt WAN und LAN zusammen neuer Weg, um Bandbreite massiv zu erhöhen. Diese hohen Geschwindigkeiten sind nur innerhalb folgender Eckpunkte erreichbar: - reine Glasfasernetze, - neue Übertragungstechnik auf physikalischer Ebene, - schnelle Koppelmechanismen. 2000 ... 2002: Standard und Produkte für 10 Gbit/s, ab 2003 ebenso für 40 Gbit/s. Realisierung: Einsatz in Campusnetzen und MAN. 20.3.2 Reine Glasfasernetze Optische Übertragung Quantensprung in Bandweite nur mit Glasfaser möglich. Auf physikalischer Ebene nur noch optische Übertragungsmechanismen verwendet (sog. Optical Layer). Auf dieser Ebene wird (ggf. über elektrische Ebene) aufsetzend das Circuit- und Packet-Switching integriert. Bei Glasfaser erfolgt Datenübertragung in bestimmten Wellenlängenfenstern: - in Wellenlängenfenstern äußerst geringe Signal-Dämpfung. - zur Datenübertragung werden die optischen Fenster von 850 nm, 1300 nm und 1550 nm verwendet (bei steigenden Wellenlängen verbessert sich das Übertragungsverhalten der Glasfaser. Nachteilig: bei Verkürzung der Wellenlänge steigt der Preis der Koppelkomponenten (Überträger, Empfänger, Verstärker usw.)). 35 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Verkürzung der Wellenlänge bringt nicht den entscheidenden Durchbruch. Heutige Glasfasernetze übermitteln die Informationen durch Aufmodulation der Daten auf mehrere Wellenlängen bzw. Lichtfarben. Durch diese parallele Übermittlung lässt sich der Datendurchsatz auf Glasfaserkabeln erheblich steigern. Somit kaum Grenzen für Bandbreite. - Optical Internetworking Forum (OIF) OIF: Federführung in Standardisierung reiner Glasfasernetze. * Konzentration auf Internetworking-Aspekte von optischen Netzwerken. * Bereitstellung von Mechanismen zum direkten Austausch zwischen den verschiedenen Networking-Layern und dem optischen Netz und seinen Komponenten. Verschiedene Arbeitsgruppen in OIF zu den Themen, u.a. physikalische Interfaces, InterlayerAdaption, Management. Mitglieder des OIF (Auswahl): 3Com, ADC, AMP, AT&T, Bellcore, Cisco, Deutsche Telekom AG, Ericsson, France Telecom, Fujitsu, Hewlett-Packard, Hitachi, Lucent, Marconi, MCI Worldcom, NEC, Nokia, Nortel Networks, Sumitomo, Trellis Photonic, Fore, VIAG Intercom, Wandel & Goldermann. Europäisches Glasfasernetz PEC (Pan European Crossing) Ende 1999 Start Europanetz PEC (Pan European Crossing), mit insges. 156000 km Länge. Nach Abschluss der ersten Ausbauphase hat Global Crossing einen Teilbereich des europäischen Glasfasernetzes in Betrieb genommen. PEC (Pan European Crossing) verbindet 13 europäische Städte. Netz-Architektur: aufgebaut aus redundanten Ringen (Jahr 2000: 7200 km). Es erstreckt sich über Großbritannien, Niederlande, Belgien, Frankreich, Dänemark und Deutschland. Ab 2000/2001 wurden zwei weitere Ringe in Betrieb genommen und damit 25 Metropolen verbunden. Erste Nutzer: Cable & Wireless und Swisscom. 20.3.3 Übertragungstechnik auf physikalischer Ebene Wavelength-Division-Multiplexing-Technologie (WDM) Erst die Entwicklung von WDM konnte Kapazität der Glasfasern entscheidend erhöhen: WDM nutzt das 3. Wellenlängenfenster. Auf Basis der Grundfrequenz von 1550 nm werden parallel unterschiedliche Wellenlängen aufmoduliert bzw. über einen Glasfaserkanal übertragen. Die optische Mehrkanaligkeit wird durch einen minimalen Sicherheitsabstand erreicht. WDM-Verfahren bereits seit einigen Jahren bekannt, praktische Umsetzung außerhalb der Labore scheiterte jedoch an der notwendigen Lasertechnologie. Dabei wichtige Aufgabe: Finden von Lasern, die über ein identisches Frequenzspektrum verfügen. Grundvoraussetzung: genaue Lichtfrequenz, um Laserlicht mit verschiedenen Farben über ein und dieselbe Glasfaser zu übertragen. Inzwischen gibt es genauere Fertigungsprozesse für Laser in Massenproduktionen, die den strengen WDM-Kriterien entsprechen. früher: nur 4 parallele Lichtfrequenzen genutzt. 1999/2000: bereits 20 gleichzeitige Datenströme übertragbar. ab 2001: Massenprodukte, die ca. 1000 Wellenlängen unterstützen. WDM stellt allerdings spezifische Anforderungen an das Glasfaserkabel. Die für WDMTechnik optimalen Glasfasern werden als “Non-zero dispersion shifted fibers” bezeichnet. Bei diesen Fasern wird der nichtlineare Übertragungseffekt bei der Ausbreitung unterschiedlicher Frequenzen über das Medium unterdrückt und für gleichmäßiges Ausreiten der unterschiedlichen Wellenlängen gesorgt. Dadurch sind aber nicht alle älteren Glasfaserkabel für die WDM-Technik nutzbar und sind ggf. auszuwechseln. Spleißungen bzw. Steckersystem sind auf diesen Wellenlängenbereich auszulegen. 36 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Durch die Trennung der einzelnen Kanäle lassen sich über die physikalische Ebene von WDM-Netzen parallel sowohl Zellen und Pakete als auch reine Circuit-Switching-Lösungen realisieren. Die z.Zt. erhältlichenWDM-Systeme erreichen Bandbreiten bis zu 400 Gbit/s (in Forschungslabors mehrere Tbit/s). Auch über längere Strecken lassen sich die hohen Bandbreiten mit Hilfe von Faserverstärkern (EDFAs, Erbium-Doped-Fiber-Amplifiers) übertragen. In diesen Komponenten werden gleichzeitig alle auf einer Glasfaser transportierten Kanäle verstärkt. Optical Internetworking Die WDM-Technologie wird als Übertragungsmechanismus in reinen Pkt.-zu-Pkt.-Verbindungen genutzt. An den Endpunkten werden die Lichtsignale wieder in elektrische Impulse gewandelt und in den angeschlossenen Switches weiter vermittelt. Abbildung 20.23: Optical Internetworking Abbildung 20.24: Optical-Internetworking-Overlay-Modell Gegenüber Nutzer: IP-Dienste angeboten Verschiedene Träger: pures WDM, WDM - ATM, WDM - SONET/SDH, WDM - SONET/SDH - ATM 20.3.4 Schnelle Koppelkomponenten Optische Koppelkomponenten Die in Glasfasernetzen der 90er Jahre eingesetzte opto-elektrische Komponenten sind für WDM-Technik viel zu langsam und aufgrund ihrer komplexen Elektronik zu teuer. Nur durch neue Generationen von Signalverstärkern, Multiplexern und Switches wird die extrem hohe Bandbreite beherrschbar. Verzicht auf die langsame Vermittlungselektronik und Entwicklung rein optisch arbeitender Koppelkomponenten mündete in * optischen Add/Drop - Multiplexer (OADM) und * optischen Crossconnects (OXC). DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Erlaubt zusammen mit Photonic Switching Übertragungsleistungen im Bereich von Terabit/s. 37 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Optical Add-Drop-Multiplexer (OADM) Die einfachste Ausführung von OADM’s erlauben das Herausfinden bzw. das Einspeisen von bestimmten Wellenlängen aus dem Multiplexsignal. Wesentlich flexibler arbeiten verstellbare oder konfigurierbare OADM’s, bei denen sich die Wellenlängenkanäle frei auswählen lassen. Optical Crossconnect (OXC) Aufgabe des OXC: jeweilige WDM-Kanäle sind flexibel zwischen den unterschiedlichen Einund Ausgängen zu vermitteln. Gleiche Wellenlänge von verschiedenen Eingängen kann zum selben Ausgang geroutet werden kann ~> ergibt zwangsläufig einen Wellenlängenkonflikt. Daher muss ein OXC über einen Wellenlängenkonverter verfügen, um eine Eingangswellenlänge auf eine andere Ausgangswellenlänge umsetzen zu können. Abbildung 20.25: DWDM - Add-Drop Multiplexing Management Jede der übertragenen Wellenlängen stellt ein separates Netzwerk bzw. eine separate Datenverbindung dar. Durch die hohe Bandweite muss im Netzsystem für eine integrierte Fehlertoleranz gesorgt werden. Im Falle eines Faserbruchs müssen sämtliche Datenverbindungen auf einen Schlag neu durchs Netz geroutet werden ~> hohe Anforderungen an das GesamtManagement. Durch einen optischen Bypass mit Hilfe eines OADMs werden einzelne Wellenlängenkanäle bzw. ganze Fasern dynamisch umgeleitet. 20.3.5 Photonic Switching und FTTx WSPS: Wavelength-Selective-Photonic-Switch In einem WAN- oder MAN-Ring laufen mehrere Glasfaserstränge in einem oder mehreren Übergabepunkten zusammen. Ein WDM-Switch muss in den Übergabepunkten die Signale von allen Wellenlängen der Input-Ports auf jede beliebige Wellenlänge auf den Output-Ports switchen können. Durchsatzraten der bisherigen handelsüblichen Switche: 40 bis 100 Gbit/s. Höhere Übertragungsraten werden durch die Chiptechnik, deren enge physikalische Grenzen und durch die Bus-Technik limitiert. Je kleiner die Schaltstrukturen desto höher die elektromechanische Beeinflussung einzelner Leiterbahnen. Daher stoßen die herkömmlichen Techniken an ihre Grenzen der Datenkommunikation. WDM-Technologie erfordert jedoch eine bedeutende Steigerung der Übertragungsraten in den Switching-Komponenten. Photonische Switches basieren auf einer Kombination aus optischen Add/Drop- und Crossconnect-Architekturen. Die daraus resultierenden WSPS (Wavelength-Selective-Photonic-Switches) basieren im Kern auf der Elektroholographie. Diese Technologie vermittelt die Daten innerhalb eines Kristalls durch gezielte Steuerung der integrierten Hologramme. Somit finden die Switch-Prozesse nur noch innerhalb der optischen Schicht statt und erlauben es, jede Wellenlänge individuell zu steuern. 38 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 20.26: WSPS: Wavelength-Selective-Photonic-Switch-Architektur Einsatzbereiche Glasfasertechnologie breitet sich aus in den Bereichen Business-to-Business (B2B), Rechenzentrumsvernetzung (Grid-Computing, Virtuelle Realität), Campusvernetzung, Small-Offices / Home-Offices. FTTx In USA werden inzwischen sog. Fibre-To-The-x-Konzepte realisiert: Auf Basis der WDMTechnik werden gleichzeitig Sprach-, Video- und Datensignale (Ethernet mit 100 Mbit/s) übertragen. Damit wird der Internet-Zugang zwischen Endkunden und Internet-Backbone um ein Vielfaches schneller als jemals mit xDSL möglich sein wird. Auch unterliegt die Glasfaser nicht den Beschränkungen in der maximalen Leitungslänge wie ADSL. 20.3.6 Weitere Entwicklungen Ausblick in die Zukunft Photonische Netze bieten für die Zukunft nahezu unbegrenzte Bandbreiten. Zurückdrängung ATM (bislang hatte ATM-Technologie mit garantierten Bandbreiten gewisse Vorteile). Falls jedoch genügende Übertragungsressourcen zur Verfügung stehen, so reichen die einfachen Mechanismen des FIFO im Ethernet völlig aus, um eine Übermittlungsgarantie auf einer Ende-zu-Ende-Basis zu geben (Overprovisioning-Strategie). Mit Einführung der Photonic-Technologie läßt sich die Bandbreitenmisere bis weit hinein in das 3. Jahrtausend hinein effizient und wirkungsvoll beheben. Bisher WDM-Technologie nur im WAN- und in den High-Speed-Übertragungsstrecken (z.B. Internet 2) eingesetzt. Reservierungsstrategien für gehobene Dienste: IPv6, RSVP, IntServ, DiffServ. EthernetEntwicklung (10-Gigabit-Ethernet) zeigt aber, dass diese Architektur auch die Backbones in den Unternehmen erreichen wird (HS-LAN, Projekt Alabama/RNVS u.a.). High-Speed-Internet Router-Spezialist Cisco baut nun auch Terabit-Router. Das “12 000-Terabit-System” erlaubt Skalierung bis zu 5 Terabit/s. Hauptbestandteil der neuen Architektur: Hochgeschwindigkeits-Router 12016 GSR Kosten: ca. 65 000 US-$ Switching-Kapazität: 320 Gbit/s Konkurrenten des Internet-Primus Cisco auf dem Gebiet des Terabit-Switching: Nortel, Lucent sowie die Start-ups (wie Juniper, Pluris, Monterey, Avici). 39 RechnernetzeScriptum, Teil 3 21 Zugangsnetze (Access Networks) 21.1 Breitbandige Zugangsnetze (Letzte Meile) 21.1.1 Breitbandiger Netzzugang für den Endnutzer Zugangsnetze (Access Networks) im Überblick Breitbandiger Zugang zu Hochgeschwindigkeits-Backbones bildet den Schlüssel für die Nutzung eines breitgefächerten Dienstespektrums. Kernnetze des digitalisierten Fernsprechnetzes und Internet werden immer leistungsfähiger. Dagegen unterliegt der Netzzugang technischen und kostenmäßigen Einschränkungen. Bisherige Netzzugangsdienste wie * analoger Anschluss (POTS: Plain Old Telephone Service), * Schmalband-ISDN (ISDN: Integrated Services Digital Network), * 2G-Mobilfunknetze, bieten zwar viele neue Leistungsmerkmale, unterstützen aber nicht oder nur sehr eingschränkt einen schnellen Datenverkehr, z. B. für Web-Anwendungen oder Multimedia / Videodienste. Überbrückung der „letzten Meile“ durch verschiedene Netzzugangstechnologien, u.a. * Digitaler Teilnehmeranschluss (xDSL), * Breitband-Kabelanschluss (HFC), * Lokale Rechnernetze (LAN, WLAN, MAN), * Mobilfunknetze (GSM, GPRS, UMTS), * Wireless Local Loop (WLL), * Satellitenkommunikation (GEOS, LEOS), * Optische Anschlussnetze (passiv: PON, aktiv: AON), * Stromnetz-Zugang (PLC). Entwicklung der Dienste und Netzzugangsinfrastrukturen Bisherige Kommunikationsnetze konzipiert für heute dominierende Dienste bzw. Anwendungen: Fernsprechnetz, Datennetze, Rundfunk- oder Fernseh-Verteilnetze. Sie sind optimiert für die jeweiligen vorherrschenden Merkmale und Dienstgüte-Anforderungen und deshalb für andere Dienste nicht oder nur eingeschränkt geeignet. Digitalisierung der Informationsdarstellung und -übermittlung sowie flexible rechnerbasierte Steuerung bilden Voraussetzungen für die Abwicklung vieler oder aller Dienste in einem Netz („Diensteintegration”). Beispiele: ISDN (Diensteintegrierendes Digitalnetz), UMTS, Internet (zwar für mehrere Dienstarten konzipiert, aber für Integration aller Dienste noch vollkommen unzureichend). Entwicklungen der letzten Jahre in folgende Richtungen: * Vielfalt unterschiedlicher Dienste und unterschiedlicher Netzinfrastrukturen, speziell im Netzzugangsbereich; * Einheitliche Netztechnologie in der Mitte zwischen den oberen, anwendungs-orientierten Schichten und den unteren, netzzugangsorientierten Schichten. Gegenwärtig koexistieren im mittleren Bereich zwei Netztechnologien: * ISDN-Technologie, basierend auf durchschaltevermittelten Kanälen und AußerbandSignalisierung (DSS, CCIS); * Internet-Technologie, basierend auf verbindungsloser Paketvermittlung (IP). Mittel- bzw. langfristig zeichnet sich Tendenz zu einer einheitlichen Netztechnologie ab, welche auf dem Internet-Protokollstapel IP / TCP / UDP beruht und den dominierenden Einfluss der neuen, Internet-basierten Dienste reflektiert („all IP“). 21.1.2 Neue Dienste und Anforderungen an den Netzzugang Dienste: Entwicklung und Integration Einführung breitbandiger Netz(zugangs)technologien und flexibler Kommunikationsmechanismen (Intelligentes Netz IN, Internet) führt zur Explosion im Dienste- und Anwendungsbe40 RechnernetzeScriptum, Teil 3 reich (sog. “Dienstelandschaft”), unterteilt nach unterschiedlichen Grundbedürfnissen (jedoch vielfach mehreren Kategorien zuordenbar): Kommunikation, Information, Datenverarbeitung, Dienstleistung, Unterhaltung. Dienste der Dienstelandschaft können den bestehenden Netztechnologien und ihren Eigenschaften hinsichtlich unterschiedlicher Charakteristiken zugeordnet werden, Transfermodus, Vermittlungsprinzipien, Dienstgüteeigenschaften. Integration aller Dienste mit einer einzigen Netztechnologie scheitert z.Zt. an der Inflexibilität dieser Netztechnologien im Hinblick auf Protokollvielfalt, Dienstgüte oder Skalierbarkeit und bleibt zukünftigen Entwicklungen vorbehalten. Abbildung 21.1: Dienstelandschaft Dienste des analogen Teilnehmeranschlusses (POTS) Großteil der Telekommunikations-Endgeräte nutzt immer noch den analogen Teilnehmeranschluss (TNA) mit dem beschränkten Frequenzband für (analoge) Teleonie und Modembasierte niederratige Datenkommunikation. Dienstklasse “Plain Old Telephone Service” (POTS) erlaubt neben den fernsprech-und faximiletypischen Diensten wie Telefonie, Telefax u.a. auch die Einwahl in das Internet und damit Dienste wie Home Banking, Teleshopping, Web-Browsing oder einfache Formen des Home Working. Dienste des digitalen Teilnehmeranschlusses (Schmalband-ISDN) Bereitstellung einer durchschaltevermittelten B-Kanal-Verbindung mit fester Bitrate (64 kbit/s): Basisanschluss S0: 2 * 64 kbit/s ; Primärmultiplexanschluss S2M: 1.92 Mbit/s. Zusätzlich kann nichtgenutzte Kapazität des D-Kanals (Signalisierung, 16 kbit/s bzw.64 kbit/s) für eine schmalbandige Datenkommunikation genutzt werden. Merkmale: * Höhere Qualität (Bitrate, Übertragung) als POTS, * Vielfalt neuer Leistungsmerkmale (Facilities, Service Attributes) und Dienste, wie - Konferenzgespräche, Rufweiterleitung, Anklopfen, - Dienste des Intelligenten Netzes IN, wie gebührenfreies Telefonieren (800er Dienste), Credit Card Dienste, - Benutzergruppen oder virtuelles Privatnetz (VPN). Dienste des Mobilfunkanschlusses Alle diese Dienste (POTS, ISDN) sind auch über den Mobilfunk-Netzzugang nutzbar. Gravierendste Unterschiede: - beschränkte Bandbreite des Mobilfunkkanals (ca. 13 kbit/s Bruttorate bei MFN 2G), - eingeschränkte Wiedergabe von Text- und Graphikinformationen. Mobilfunknetze 2. Generation (MFN 2G): * Europa: GSM (D-Netze), DCS1800 (E-Netze); Japan: PDC; USA: USDC (IS-54), IS-95-CDMA. 41 RechnernetzeScriptum, Teil 3 * Wichtigster Dienst: Telefonie (ca. 9.6 kbit/s Nutzdatenrate), durchschaltevermittelt (kanalvermittelt). * Zusätzlich: Kurznachrichtendienst SMS (Short Message Service). * MFN-2G-Technik nicht für neue, Internet-basierte Dienste geeignet, auch nicht kapazitätsmäßig erweiterbar. * Speziell für Web-Browsing wurde Internet-Zugangs-Protokolle entwickelt, wie Wireless Application Protocol (WAP, WAP-Forum) bzw. i-MODE (DoCoMo). Mobilfunknetze der 2,5-ten Generation (MFN 2.5G): * GPRS (General Packet Radio Service) -> Weiterentwicklung des schmalbandigen Mobilkommunikationsnetzes, basierend auf GSM-Netz und Kanalbündelung HSCSD. * Paketfunkübertragungsdienst, ca. 80 kbit/s; ermöglicht Großteil der UMTS-Dienste. * EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution (E-GPRS: 384 kbit/s, E-CSD: 32 kbit/s). Mobilfunknetze der 3. Generation (MFN 3G): * Breitbandiger zellulärer Mobilfunk-Zugang. * Erweiterung der 2G- (GSM, IS-95) und 2.5G- (GPRS) Mobilfunktechnik im outdoorBereich zu 3G-MFN als UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) bzw. FPLMTS bzw. IMT-2000 (International Mobile Telecommunications at 2000 MHz). * Integration der koexistent operierenden verschiedenen Funktechnologien in den Bereichen des Zellularfunks, Bündelfunks, Satellitenfunks, schnurlose Telefonie (DECT), Raumnetze (Infrarot, Bluetooth, Zigbee). * Standardisierung i.w. abgeschlossen, Einsatz ab ca. 2003. Local Based Services * Neue Klasse von Diensten in Mobilkommunikationsnetzen, die orts- und kontextabhängig sind: location/context aware communication services. * Nutzung von Positionierungssystemen, wie GPS (General Positioning System, Satellitenfunk, USA, Militär / Traffic / Business), Galileo (europäisches Projekt, 30 Satelliten, Positionierung durch zeitversetzte Funksignale), CPS (Cambridge Positioning System, Funkpeilung, terrestrisch), MFN (Funkzellen, Smart Antennas), IR- / Funk-Baken (z.B. Active Badge, RFID) u.a. * Beispiele: - Navigationsunterstützung im Verkehr, - Informationsdienste in unmittelbarer Umgebung, - Zusatzdienste in Abhängigkeit des momentanen Applikationsszenarios. Mobilfunknetze der 4. Generation * Breitbandkommunikation, W-ATM (Nutzung ATM-Technik (AAL-2)). * Frequenzbereich 40 - 60 GHz, ca. 100 Mbit/s. * UPT: Universal Personal Telecommunications. Dienste des Breitband-ISDN Breitband-ISDN (B-ISDN) ursprünglich geplant als logische Weiterentwicklung des Schmalband-ISDN (S-ISDN, ISDN) auf Basis ATM (Asynchroner Transfermodus). ATM stellt eine verbindungsorientierte schnelle Zellenvermittlung dar (Cell Relay). Neben größerer Bandbreite (Bitrate) kann die ATM-Technologie Dienstgütekriterien erfüllen, z.B. beschränkte Zellverluste und Zellverzögerungszeiten. Wegen der komplexen Kommunikationstechnik bezüglich Web-Anwendungen oder Multicast wird ATM im Moment hauptsächlich als Transporttechnik eingesetzt, u.a. als Trägerdienst für InternetAnwendungen (IP-Dienst). Beispiele: B-WiN, W-ATM. Weitere Einsatzgebiete für ATM-Technik: * für Dienste, die eine hohe Bandbreite und garantierte Dienstgüte benötigen (z.B.Punktzu-Punkt Videokommunikation), * Echtzeitkommunikation, 42 RechnernetzeScriptum, Teil 3 * Festnetzverbindung für UMTS-MFN (im Rahmen der IWF), W-ATM (AAL-2). Es wird erwartet, dass diese Anwendungen im Next Generation Internet aufgehen. Dienste des Internet Traditionelle Anwendung des Internet sind nicht-echtzeitartige Datenkommunikationsdienste, z.B. Electronic Mail (Email) oder File Transfer (FTP). Seit Einführung des World Wide Web (WWW) erfährt das Internet eine explosionsartige Ausweitung und öffnet die Tür für viele neue Web-basierte Dienste bis hin zu Telelearning, Multimedia und Portalen. Gegenwärtig weist das Internet noch erhebliche Defizite auf, die das Internet als Basistechnologie aller Dienste verbietet: fehlende Dienstgüte für insbes. Echtzeitdienste (Sprache, Audio, Video, Multimedia), beschränkte Adressierungsräume (IPv4) und Sicherheitslücken. Diese Themen sind Gegenstand der Entwicklungen, die zu einem “Next Generation Internet” (NGI) führen, u.a. IPv6, Ressource Reservation, MPLS, SLA u.a. Insbesondere wird die Kombination von Internet-basierten Diensten mit Mobilkommunikation neue Anwendungsfelder erschließen. 21.1.3 Netzzugangslösungen Für den breitbandigen Netzzugang zeichnen sich verschiedene koexistente Lösungen ab. Digitaler Teilnehmeranschluss (xDSL) xDSL-Technik (DSL: Digital Subscriper Lines) beruht auf dem Einsatz bestehender KupferDoppeladern (Twisted Pair), die im Endbereich (“the last mile”) hochrasig betrieben werden. Nutzung der Frequenzen > 4 kHz (oberhalb Sprachbereich). Bei der klassischen SchmalbandISDN-Technik werden dabei im Basisanschluss S0 2 * 64 kbit/s Nutzkanäle bidirektional bereitgestellt, mit einer Reichweite von ca. 7 km. Bei den breitbandigen xDSL-Techniken ist die Reichweite erheblich kürzer, wobei einbreiteres Spektrum genutzt wird bei simultaner Aufrechterhaltung des Analog-Anschlusses (POTS) oder ISDN-Anschlusses (durch Einsatz von sog. DSL-Filtern). I.w. sind 4 Varianten der xDSL-Techniken in Diskussion: ADSL, (SDSL,) HDSL und VDSL, die sich in Bitraten und Reichweiten unterscheiden. Voraussetzung für die xDSL-Techniken: breitbandige Übertragungstechnik bis in Teilnehmernähe über LWL (bei ADSL und SDSL: Kupferkabel). Kabelanschluss (HFC) Für die analoge TV-Versorgung wurden Koaxial-Verteilnetze eingeführt (HFC: Hybrid Fibre Coax). Diese baumförmig aufgebauten Netze können durch Umrüstung (Überbrückung derVerstärker) bidirektional betrieben werden. Voraussetzung für die HFC-Technik ist die Verbindung der Kabel-Einspeispunkte (Hub) über LWL-Systeme. Die Telekommunikations (TK)- und die Breitbandverteilkommunikations (BK)- Dienste werden über Filtereinrichtungen getrennt. Gegenwärtig wird das in Deutschland installierte Breitbandverteilkommunikationsnetz der Deutschen Telekom AG an verschiedene Betreibergesellschaften veräußert. Nach einer Umrüstphase steht die HFC-Technik als konkurrierende Zugangsnetztechnik zur Verfügung. Neben Rundfunk-/TV-Signalen (z.B. für HDTV) können auch Datensignale mittels ETTH (Ethernet-to-the-Home) parallel übertragen werden. Lokale Netze (LAN, WLAN) Mit der MAN-Technik, die aufgrund der überörtlichen Ausdehnung einem öffentlichen Netzbetreiber vorbehalten bleibt, können Firmennetze (LANs) untereinander bzw. mit den vermittelnden Netzknoten verbunden werden. Falls die LANs hochrassig genug sind (z.B. FDDI: Fibre Distributed Data Interface; Fast Ethernet oder Gigabit-Ethernet), können auch die bisher getrennt geführten Echtzeit-TK-Dienste wie Sprache oder zukünftig Multimedia über Shared Media Systeme (LAN/MAN) abgewickelt werden. Voraussetzung ist die paketierte Übermitt43 RechnernetzeScriptum, Teil 3 lung auf der Basis des H.323-Standards der ITU. Die Anpassungs- und VerbindungsManagementfunktionen werden in Gateways (GW) bzw. Gatekeepers (GK) wahrgenommen. Lokale Funknetze (Wireless Local Area Radio Networks) Aussichtsreiche breitbandige Netzinfrastruktur im lokalen Bereich (LAN, MAN) auf Basis der neuen Wireless LAN-Technologie (WLAN). Standardisierung abgeschlossen, Produkte verfügbar und einsatzfähig: - WLAN auf Basis der Standards IEEE 802.11 bzw. ETSI HIPERLAN, - WLAN auf Basis hochrasiger Kernnetz: W-ATM, - WLAN auf Basis eines Industriestandards: HomeRF. Erfolg des Internets und Anforderung nach Entwicklung und Einführung von Systemen für den breitbandigen funkgestützten Zugang zum Internet im Nahbereich (ca. 100 m) führten zu zwei wichtigen neuen Systemen (standardisiert und eingeführt): * IEEE 802.11a bzw. b: drahtloses Ethernet mit hoher Übertragungsrate (11 / 54 Mbit/s) und * HIPERLAN/1 bzw. /2 als drahtlose LANs (Local Area Network). Weitere Funknetze IEEE 802.11x in Entwicklung und Einführung (2 / 11 / 54 / 108 Mbit/s). Auch für HIPERLAN/2 wird großes Potenzial für Verbreitung erwartet, da Funktionen vorhanden sind, die die Dienstgüte bestimmter Multimedia-Anwendungen unterstützen. Lokale Nahbereichs-Funknetze Einsatz der WLAN als Infrastruktur-Netze oder Ad-hoc-Netze. Infrastruktur-Netze unterstützen insbesondere Anwendungen, die auf tragbaren PCs genutzt werden bis hin zu sich automatisch konfigurierenden Raumnetzen bzw. körpernahen Netzen (Wireless Personal Area Networks, WPAN). Raumnetze verkörpern die lokale Nahbereichskommunikation. Hauptvertreter: Basis Infrarot: IR-Netze (IrDA), Basis Funkwellen: Bluetooth-Netze, Zignee, NanoNet, UWB (Ultra Wideband). Weitere Nahbereichskommunikation durch Identifikationstechniken (Funk): RFID, NFC und Sensornetze. Schnurlose Telefonie In Ländern der 3. Welt wird mit Nachdruck daran gearbeitet, digitales Fernsprechen und schmalbandige Datenübertragung in der Fläche verfügbar zu machen. Mangels verdrahteter Infrastruktur wird auf Schnurlossysteme wie DECT zurückgegriffen ~> auch zum Aufbau von Hot-spots geeignet. Schnurlose Telefonie (Cordless Telephony) nicht nur für Sprachübertragung geeignet, sondern auch für Datenübertragung im lokalen Bereich. Massenmarkt. Bekannte Schnurlos-Standards: - DECT-standard (Digital Enhanced Cordless Telephony, ETSI), - PHS-Standard (Personal Handyphone System, Japan), u.a. auch für Portal i-MODE als Pendant zum GSM/WAP, - IS.134-Standard (USA, Nutzung im PCS 1900: Personal Communication System). Mobilkommunikation (GSM, GPRS, UMTS) Zellen-Prinzip - Leitungsvermittlung (Kanalvermittlung vs. Paketvermittlung), - Raum-Multiplexing ~> Wiederverwendbarkeit der Funkfrequenzen, - Home & Visitor Location Register (Mobilitätsverwaltung), - Wichtigster Dienst: Sprachübertragung (Telefonie). Dienste - Handover: automatisches Weiterreichen der Netzverbindung bei Zellenwechsel, 44 RechnernetzeScriptum, Teil 3 - Roaming: Auffinden der Teilnehmer, - Mobilitätsverwaltung: DB-Funktionalität, Interworking-Funktionen. Ausgangspunkt: Analoge Zellularfunknetze. Bekannte Analognetze - AMPS: Advanced Mobile Phone System (USA, Kanada), - NMT: Nordic Mobile Telephone (Skandinavien), - JPS: Japanese Personal System (Fernost), - Öffentlicher beweglicher Landfunk (öbl) in Deutschland: A-, B-, C-Netze. Gegenwärtige Technik der zelluläre Mobilkommunikation auf Basis GSM bzw. IS-95 stellt einen schmalbandigen, durchschaltevermittelten Kanal zur Verfügung (Leitungs- bzw. Kanalvermittlung): digitale MFN. Zusätzlich ist Short Message Service (SMS) möglich. MFN-2GTechnik ist für neue, Internet-basierte Dienste wenig geeignet und erlaubt auch keine starke kapazitätsmäßige Ausweitung. Flexibelste Technik eines Breitband-Netzzuganges wird die 3. Generation von zellulären Mobilfunknetzen bereitstellen. Im outdoor-Bereich wird bisher eingeführte Mobilkommunikationstechnik der 2. Generation (GSM, IS-95) bzw. 2.5 Generation (GPRS) erweitert zur breitbandigen, sog. 3. Generation: UMTS: Universal Mobile Telecommunications System bzw. IMT-2000: International Mobile Telecommunications at 2000 MHz. Standardisierung von UMTS inzwischen weitgehend abgeschlossen und Produktentwicklung begonnen; Einsatz ab ca. 2004 (u.a. Berlin, Hannover, Rosenheim/D2). Digitale Zellularfunknetze Entwicklung europäischer Standards für digitale Übertragungssysteme --> seit 1990 Mobilfunk zum Massenmarkt, --> portable Mobilfunkgeräte (Handy): i.w. leistungsstarker Signalprozessor (DSP). Auf DSP sind alle für Senden und Empfangen erforderlichen Algorithmen der Übertragungstechnik und elektrischen Signalverarbeitung implementiert. Technische Fortschritte in SignalModulation, Synchronisation, Kanalcodierung, Kanalentzerrung (d.h. Empfängertechnik für zuverlässigen Empfang über Funkkanal auch bei hoher Bewegungsgeschwindigkeit). Entwicklung von Diensten und Protokollen, Multiplexfunktionen, intelligenten Netzen. Mobilfunknetz als Zellularsystem nach ETSI-Standard, sog. 2. Generation MFN: GSM (Global System for Mobile Communications), DCS (Digital Cellular System) Sprachkommunikation, mobiler Internet-Zugang, Multimedia-Kommunikation. Mobilfunknetze der 3. Generation (ab 2003/04): UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) / ETSI bzw. FPLMTS / ITU. Daneben: Funkruf, Bündelfunk, DECT, WLAN, Breitbandfunk, Satellitenfunk. Große Akzeptanz des GSM --> planungsgemäß weiterentwickelt. Nach Einführung des Dienstes für hochratige kanalvermittelte Datenübertragung HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) --> Bereitstellung des Paketdatenfunkdienstes GPRS (General Packet Radio Service), in DE ab 2. Hälfte 2000. Bedeutung für mobilen Internet-Zugang hoch eingeschätzt („allways online“). Fähigkeit des GSM zur Datenübertragung für Multimedia-Anwendungen durch die Standardisierung der EDGE-Funkschnittstelle (Enhanced Data Service for GSM Evolution) soweit gesteigert, dass erfolgreicher Wettbewerb in Europa mit Mobilfunksystemen der 3. Generation erwartet werden kann. Von Mobilfunksystemen der 3. Generation vor allem UMTS in Europa von Bedeutung, da Regulierungsbehörden erhebliche neue Bänder im Spektrum vorgesehen haben. Standardisierung von UMTS, Phase 1 in Abstimmung mit den weltweiten Projekten zur Standardisierung von Mobilfunksystemen der 3. Generation (3GPP) im Spätherbst 1999 abgeschlossen. Erweiterung in Phase 2 (TDMA und CDMA). Merkmale UMTS: - breitere Frequenzbänder bei 1,9 ... 2,2 GHz, 45 RechnernetzeScriptum, Teil 3 - kleinere Funkzellen, - Datenraten bis zu 2 Mbit/s (Regelleistung: 384 kbit/s), mit HSDPA (High Speed Data Package Access) 1,8 Mbit/s (2006) ... 7,2 Mbit/s. - Bereitstellung durchschaltevermittelter (CS: Circuit Switched) Dienste und paketvermittelter (PS: Packet Switched) Dienste, - Nutzung von Wideband CDMA (CDMA: Code Division Multiple Access) bei 5 MHz, - Makrodiversität, d.h. gleichzeitiges Unterhalten mehrerer Funkverbindungen des Mobilterminals (MT) mit mehreren Basisstationen (BTS: Base Transceiver Station) zur Auswahl der momentan besten Verbindung oder zur Kombination der Signale aus mehreren Funkverbindungen, - Handover, d.h. Weiterreichung der Verbindung eines beweglichen Mobilteilnehmers bei Wechsel in eine andere Funkzelle. Optische Anschlussnetze (PON, AON) Beim optischen Netzzugang kann der LWL geführt werden bis in * das Gebäude (FTTB: Fibre-to-the-Building), * den Haushalt (FTTH: Fibre-to-the-Home) * oder in die Nähe zu einem Endverzweigungspunkt (FTTC: Fibre-to-the-Curb). Bei passiven optischen Netzen (PON: Passive Optical Networks) wird über mehrfache Splitter ein baumförmiges Gebilde im Netzzugangsbereich geschaffen, wobei die LWL bidirektional betrieben werden. Für die vermittelten Dienste wurden auf Basis von ATM spezifische Zugangsprotokolle entwickelt, welche eine burstartige Übermittlung von Zellen kollisionsfrei zwischen TeilnehmerEndeinrichtungen (TE) und Vermittlungsstelle erlauben. Die angewandten Protokolle arbeiten ähnlich denen für High-Speed LANs mit Kapazitäts-Anforderungen und -Zuteilungen. Aufgrund der endlichen Signallaufzeiten müssen die Distanzen genau berücksichtigt werden. Zusätzlich können Verteildienste überlagert werden, welche allen Teilnehmern gemeinsam angeboten bzw. zugeführt werden. Ein Problem besteht in der Schwächung der optischen Signale beim Splitting (~> Signalregenerierung). Bei aktiven optischen Netzen (AON: Active Optical Networks) werden “aktive” Komponenten in Form von Multiplexern oder Cross-Connects angewandt, z.B. durch Vernetzung von SDH-Ringen mit Ein-/Auskopplung über Add/Drop-Multiplexer. Stromnetz-Zugang Grundidee dieser Netzzugangstechnik: Mitbenutzen des Niederspannungs-Verteilnetzes jenseits der Niederspannungs-Transformatorstufe durch eine überlagerte OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)-Technik. Trotz erfolgreicher Feldversuche bleiben im Moment Vorbehalte offen hinsichtlich Elektromagnetischer Umwelt-Verträglichkeit (EMUV), Netzgüte und Netzsicherheit. Nach Lösung der Probleme könnte sich diese Technologie aussichtsreich in die Netzzugangstechniken einreihen. 21.2 Zugangsnetze (Access Networks) 21.2.1 Digital Subscriber Lines (xDSL) Access Networks Realisierung der sog. “letzten Meile” (FTTH: Fibre-to-the Home), Zugang zu Hochgeschwindigkeits-Backbones. Ausgangspunkt: Telefonnetz mit Modemerweiterung für Datenübertragung: Analognetz: Datenraten 28,8 kbit/s für V.34 / 33,6 kbit/s für V.34+ / 55,6 kbit/s Digitalnetz (ISDN): 64 kbit/s 46 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Telefonanbieter haben eigene Abrechnungsmodelle, u.a. Zeittakte, Sonderbedingungen (Abrechnung standardmäßig pro Zeiteinheit). Datenübertragungs-Methoden mit Bitraten von einigen Mbit/s für Kupferdoppeladern: ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): in Empfangsrichtung (downstream): 8 Mbit/s bzw. 9 Mbit/s, in Senderichtung (upstream): 640 bzw. 780 kbit/s. SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) für symmetrische Anschlussleitungen, HDSL (High Digital Subscriber Line) für digitale Anschlussleitungen. Mit xDSL sind höhere Datenraten möglich als bei ISDN Technologie ISDN ADSL SDSL HDSL Datenrate [Mbit/s] 0,064 8 2,3 2,3 Verschieden Lösungsvorschläge für Zugangsnetze: Access-Network: ISDN, ADSL, ... auf Basis Kupferdraht-Doppeladern. Shared-Medium als Basis für Breitbandnetze (mit spezifischem MAC-Protocol). Local Loop (Kabellos, Funkmodem): Freigabe der Frequenzen, insbes. im 2,4 GHz-Bereich, für Funkübertragung. Anbindung an Festnetze, Nutzung Ethernet-, PPP-, TCP/IP-Protokolle -> Zugang zu Internet-Diensten (WAP: Wireless Application Protocol). Funk-LAN (W-LAN) im lokalen Bereich: PCMCIA-Karten bzw. Inhouse in Notebooks, WaveLAN (Lucent), DECT-LAN. Vorschläge kosteneffektiver Lösungen für Access Networks (Auswahl): * Digital Subscriber Line Techniques (xDSL): Basis Kupferkabel (Beispiel: ADSL) * Hybrid Fibre-Coax-Networks (HFC): Basis Koaxialkabel * ATM-based Passive Optical Networks (APON, SuperPON): Basis Glasfaser * Wireless ATM (WATM): Basis Funkverbindung Erforderliches Medium: * xDSL, HFC: Wiederverwendung der existierenden Kupfer- und Koaxial-Infrastruktur * APON, SuperPON: erfordern neue Infrastruktur * WATM: erfordert nur ein neues Spektrum-Band Verbindung: * xDSL: Punkt-zu-Punkt - Verbindungen. * HFC, APON, WATM: Punkt-zu-Multipunkt - Verbindungen. Erfordern ein spezifisches MAC-Protokoll mit zentralisierter Architektur (nur damit ist QoS-Support für die ATM Layer zu sichern). 21.2.2 Zugangsnetze mit xDSL Access Networks mit xDSL Breitband-Backbone für Internet erfordern Zugangsnetze zur Erfüllung des FTTHParadigmas. Bisher: ISDN. Aber MM-Anwendungen erfordern höhere Bandbreiten im Zugangsbereich, wie Video-Werbung für E-Commerce-Seiten, riesige Download-Angebote. ISDN nutzt das alte Kupferkabel-Telefonnetz nicht aus. Ansatz dazu: xDSL (Extended Digital Subscriber Line): vergrößert die Kapazität existierender Kupferkabel, erlaubt schnelleren Internet-Zugang. Bei xDSL wird verfügbare Bandbreite nicht durch die Anzahl der Benutzer limitiert, sondern durch die Entfernung zum Netzknoten. Zur Überbrückung größerer Entfernungen müssen Repeater zur Signalverstärkung eingesetzt werden (Dämpfungseffekte bei höheren Frequenzen). xDSL umfaßt mehrere Varianten, die sich in der technologischen Umsetzung unterscheiden. Varianten: 47 RechnernetzeScriptum, Teil 3 ADSL (Asymmetric DSL) SDSL (Symmetric DSL) HDSL (High-Bit-Rate DSL) VDSL (Very-High-Bit-Rate DSL) z.Zt. wichtigste Variante (Dominanz T-DSL) ggf. in Zukunft auf deutschen Markt stärker eingesetzt noch wenig in Europa, dagegen in USA in großen Unternehmungen (Ersatz für die dortigen T1-Verbindungen ~> 1.544 Mbit/s). xDSL-Technologie Einfache Aufteilung (Kupferkabel): Für Sprachübertragung im analogen Telefonverkehr werden im Kabel nur die Frequenzen bis 4 kHz belegt. Kupferkabel ermöglichen einen Frequenzbereich bis 1,1 MHz (Platz für Übertragung bis zu 250 mal soviel Informationen). Aufsplittung der auf dem Kupferkabel verfügbaren Bandbreite in unterschiedlichste Kanäle für Sprach- und Dateninformationen. Mit Hilfe aufwendiger Codierverfahren in den Modems werden die bestehenden Kupferkabel in 3 unterschiedliche Kanäle aufgeteilt: - 1 Kanal für normalen Telefonverkehr und damit für Sprachübertragung (POTS: Plain Old Telephone Service, analoger Telefonanschluss, bzw. ISDN). - 1 Kanal für Verbindung Anwender --> Serviceleister (uplink) - 1 Kanal für Verbindung Provider --> Kunden (downlink) (Kanäle 2 und 3 für Datenübertragung). Um die hohen Frequenzen oberhalb des reinen Audio-Spektrums zu nutzen, muss ein xDSLEquipment an jedem Ende der Kupferleitung bereitstehen. Je nach verwendeter xDSLTechnologie werden die dadurch entstehenden Bandbreiten unterschiedlich ausgelastet und für verschiedene Transfer-Dienstleistungen eingesetzt, wie * Internet-Zugriff, * Electronic Commerce, * Remote Access, * LAN-Lösungen, * Teleworking, Telelearning, Telemedizin, * Video-Conferencing. Entscheidendes Kriterium: hoher Datendurchsatz bei gleichzeitiger Übertragung von Sprache, Bild- und Videoübertragung oder Multimedia-Anwendungen. Die Kupferleitung muss die hohen Frequenzen über die ganze Strecke hinweg gewährleisten, d.h. Bandbreitenbeschränkende Geräte, wie POTS-Signalverstärker, sind aus der Verbindung zu entfernen. Diese „Loading-Coils“ dienen im normalen Telefonnetz als Verstärker, die zwar den oberen Frequenzenbereich der Sprachübertragung verstärken, aber darüber hinausgehende Frequenzen unterdrücken müssen. Sie blockieren jegliche xDSL-Datenströme. Ähnlich wie beim Modem wird auch bei xDSL eine Checksumme der übertragenen Bits gebildet. Allerdings arbeitet xDSL nicht auf Bit-Ebene, sondern auf Paketbasis (wie beispielsweise ATM, Ethernet oder IP). Beim Telekom-Anschluss T-DSL gibt es als Auswahl ATM oder Ethernet. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) ADSL (bekannteste xDSL-Variante): Asymmetrisches Verfahren, d.h. unterschiedliche Übertragungsraten (up-/downstream). Praxis-Anforderung: extrem kürzere Download-Zeiten (Provider --> Kunde), leicht verbesserte Upload-Zeiten im Vergleich zu ISDN (Kunde --> Provider). Typisch: Downstream: 1.5 ... 9 Mbit/s Upstream: 64 kbit/s ... 1,5 Mbit/s ADSL der Telekom AG: „T-DSL“, seit Anfang 2000 Privatanwender: 768 kbit/s downstream (12 * ISDN), Unternehmen: 2 Mbit/s ... 6 Mbit/s downstream. Gründe für Einschränkung der Durchsatzrate unbekannt. Angebote in 2004/05: T-DSL 768 kbit/s downstream 128 kbit/s upstream 48 RechnernetzeScriptum, Teil 3 T-DSL 1000 T-DSL 2000 T-DSL 3000 T-DSL 6000 1.024 kbit/s downstream 2.048 kbit/s downstream 3.072 kbit/s downstream 6.144 kbit/s downstream 128 kbit/s upstream 192 kbit/s upstream 384 kbit/s upstream 512 kbit/s upstream ADSL (bzw. T-DSL) noch nicht überall verfügbar, aber verstärkt Installationen. HWHersteller bieten entsprechende Modems, Splitter, Router und Multifunktionsgeräte an. Um ADSL über die normale Telefonleitung (und auch ISDN-Anschluss) zu verwenden, muss ein sog. POTS-Splitter an beiden Enden einer Verbindung stehen. Splitter sind Filtereinheiten, die die Sprachfrequenzen (also normale Telefonverbindungen) von den höheren xDSLVerbindungen trennen. Mit ADSL-Lite gibt es aber Technologien, die auf der Kundenseite keinen Splitter erfordern (allerdings zu Lasten der Bandbreite). Abbildung 21.2: T-DSL-Anschlussbild (Beispiel) T-DSL verbreitetste Variante, SDSL ab Mitte 2000 in Deutschland. Bei Internet-Einsatz sind auch gewisse Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, wie integrierte Firewalls, Paketfilter und Multilevel-Passwortunterstützungen. Technologie ADSL Der in normalen Telefonleitungen verwendete CODEC ist ein Coder/Decoder, der die AudioSignale zur Übertragung in 8-kHz-Samples codiert u. am Ende wieder decodiert. T-DSL der Telekom verbreiteste Möglichkeit; SDSL ab Mitte 2000 in DE im Einsatz. HWAnforderungen: Netzwerk-Infrastruktur, Modems, Router, Splitter. Daneben ggf. komplette ATM-Switches mit integrierten xDSL-Funktionen. Bei Internet-Einsatz sind auch gewisse Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, wie integrierte Firewalls, Paketfilter und Multi-LevelPasswortunterstützung. Codierung und Decodierung bei ADSL xDSL übergeht den CODEC in der Verbindungsstelle, da Signale bereits vorher mittels eines Splitters getrennt wurden. Sprachdaten gehen direkt in den CODEC, wogegen die DSLSignale an einen sog. DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) weitergeleitet werden. DSLAM stellt das Gegenstück zum CODEC dar. Codierung und Decodierung bei ADSL (Fortsetzung) Der DSLAM ist entweder beim Provider oder am WAN-Zugang im Unternehmensnetz untergebracht und leitet gleich mehrere xDSL-Verbindungen der Kunden auf eine ATM-Leitung, mittels derer die Internet-Verbindung aufgebaut wird. Je mehr DSLAMs ein Provider bzw. deren Vermittlungsstelle installiert hat, desto mehr Kunden kann er unterstützen. 2 Modulationsarten konkurrieren bei der ADSL-Technologie: Carrierless-Amplitude-and-Phase-Modulation (CAP), Direct-Multitone-Modulation (DMT). 49 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Bei CAP ist die Durchsatzrate durch die verwendete Frequenz eingeschränkt. Diese Frequenzen sind vom Carrier abhängig. Vorteil von CAP: Geräte verbrauchen weniger Strom, da die jeweiligen Signalspitzen nicht so stark vom Durchschnittswert der Signalstärke abweichen, wie beim DMT. Stärkstes Argument für CAP ist die bereits installierte Basis von CAPModems. Es wird in vielen xDSL-Testgebieten eingesetzt und von vielen Herstellern verwendet. Bei DMT wird das Spektrum der verwendbaren Frequenzen in 256 Kanäle unterteilt, wobei jeder Kanal mit 4,3125 kHz arbeitet. Durch diese Aufteilung in mehrere Kanäle ist DMT weniger anfällig gegen Interferenzen aus dem UKW-Spektrum. Auch wenn sich DMT nur langsam am Markt verbreitet, wird angenommen, dass es in naher Zukunft das bevorzugte Modulationsverfahren sein wird. 2 Gründe dafür: * bessere technische Leistungsfähigkeit und geringere Anfälligkeit gegenüber einem breiten Spektrum von Interferenzen, * ANSI-Standardisierung und Unterstützung durch Intel und Microsoft. SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) Benötigt nur ein Paar Kupferadern (im Gegensatz zu ADSL, Twisted Pair) und kann somit ebenfalls über normale Telefonleitungen betrieben werden. Übertragungsraten: bis zu 2,3 Mbit/s in beide Richtungen. Entfernung dazu: max. 3 300 m (kleiner als bei ADSL). Verringert man die Übertragungsrate, erhöht sich die Entfernungsdistanz. Bei SDSL ist kein Splitter notwendig, da die Sprachdaten als Bestandteil des DSL-Datenstroms versendet werden. Einige Übertragungssysteme (z.B. von Alcatel) unterstützen die gleichzeitige Verwendung von ISDN und die ISDN-Dienste, wie Anklopfen, Konferenzschaltung und Makeln. Einsatz von SDSL stark davon abhängig, wie der Zugang zur “letzten Meile” lokal geregelt wird. QSC-Communications stellt zusammen mit Lucent ab Jahr 2000 ein bundesweites SDSL-Netz bereit. In Köln wird bereits eine Lösung unter dem Namen “Speedway” angeboten, 40 weitere Städte sollen folgen. Der Vertrieb erfolgt über lokale ISP’s. Zielobjekt für KMU’s als Alternative zum Downstream-orientierten T-DSL. HDSL: High-Bit-Rate-DSL Einsatz in großen Unternehmen (wie Banken, Versicherungen). HDSL bietet eine reine Datenverbindung, Telefonverbindungen können nicht über die gleichen Leitungen betrieben werden. HDSL ist ein symmetrisches Verfahren, somit gut geeignet zum Aufbau eines reinen Datennetzes und von WAN-Verbindungen. Upstream und Downstream gleich, mit Datenraten bis zu 2,3 Mbit/s. HDSL benötigt LWL oder eine Twisted-Pair-Leitung mit 2 bis 3 Kabelpaaren. Kann Entfernungen von 5 000 m ohne Repeater überbrücken. VDSL: Very-High-Bit-Rate-DSL Schnellstes xDSL-Übertragungsverfahren auf kurzer Strecke. Voraussetzung für VDSL ist ein Hybridnetz, bestehend aus Glasfaser- und Kupferleitungen. Erst durch LWL sind die Übertragungsraten garantiert von bis zu 52 Mbit/s Upstream und 2,3 Mbit/s Downstream bei Entfernungen zwischen 330 m und 1 500 m. Somit gut für P2P-Anwendungen geeignet. Bei einem Hybridnetz wird LWL bis zu den Vermittlungsstellen im Ortsbereich oder sogar bis zu den Kabelverzweigern am Straßenrand geführt. HDSL und VDSL vorwiegend in Nordamerika, seltener in Europa. Marktlage Verbesserung des ISDN-basierten Internet-/ Intranet-Anschlusses durch ADSL. Gilt momentan als beste Lösung. Aber abhängig von örtlichen Providern, von Preisgestaltung und von Lieferbedingungen, u.a. Termine, Kosten (z.B. T-DSL-Anschlüsse für Unternehmen nicht 50 RechnernetzeScriptum, Teil 3 preiswert). Weiterer Nachteil von ADSL: geringe Upstream-Rate (Unternehmen wollen nicht nur Daten vom Internet herunterladen, sondern auch Web-Angebote uploaden). SDSL könnte für KMU sehr interessant werden, z.B. QSC-Lösung. Die für ADSL und SDSL erforderliche Hardware ist vom einfachen Modem bis zum komplexen Modem-Router-SplitterKomplexsystem alles erhältlich. 21.2.3 DECT-LAN DECT: Digital Enhanced (ehemals European) Cordless Telephony ETSI-Standard für schnurlose Telefone. DECT-Technik soll auch zu einem Standard für drahtlose Datenübertragung werden (Ziel eines Industriekonsortiums). Verschiedene Anbieter von Drahtlostechniken (Funkübertragung): Wireless-LAN-Norm 802.11, Heimstandard Home-RF, Dosch & Amand (D&A, München). DECT: bewährte Technologie für schnurlose Telefonanbindung, aber auch für Datenübertragung im Nutzerendbereich. Eingesetzt in über 100 Ländern. Dazu Entwicklung eines datenund multimediafähigen Protokolls durch D&A: DMAP (DECT Multimedia Access Profile). Standardisiert durch europäisches Normierungsgremium ETSI: EN301650. DMAP baut auf bestehenden DECT-Normen auf, u.a. GAP (Generic Access Profile) zur Sprachvermittlung. DMAP-Erweiterung durch dynamisches Ressourcen-Management, bei dem DECTFunkkanäle zur Datenübermittlung den Stationen dynamisch zugeteilt werden. Je nach Auslastung sind im Umkreis von 50 Metern Radius Geschwindigkeiten von ISDN-kompatiblen 128 kbit/s bis zu 2 Mbit/s möglich. Durch Direct Links (Kombination mehrerer Basisstationen in einer Funkzelle) werden sogar 20 Mbit/s erreicht. Auch asymmetrische Verbindungen mit DMAP möglich, z.B. drahtlose Kopplung von PC und Drucker oder beim Laden von Daten aus dem Internet. Vergleich: Bluetooth: 1 Mbit/s, 802.11 und Home-RF: 2 Mbit/s (in Entwicklung/Standardisierung: 11 Mbit/s). Anm.: Home-RF-Standard ist eine Kombi-Norm: 802.11 für Daten, DECT für Sprache. D&A plant DECT-Einsatz für Sprache, Daten und Video. Weitere Zielstellungen des DECT-Multimedia-Konsortiums: Entwicklung interoperablerDECT-Datenprodukte, wie Basisstationen, PC-Karten, Drucker, Scanner, Modems, Digitalkameras bis hin zu Web-Pads, Multimedia-TV und Set-top-Boxes. Aber: Performance DECT-LAN geringer als W-LAN. DECT-basierte Produkte: D&A: Airport-Basisstationen (seit 1998): * Ermöglicht auch den Übergang zu öffentlichen ISDN-, ADSL- oder AnalogLeitungen und damit zum Internet. * Zugehörige Laptop- und Desktop-PC-Einschubkarten. * Tragbare und Touchscreen-gesteuerte Freepads für kabellosen Internet- und Telefonanschluss (zusammen mit Screenmedia/Norwegen). Hagenuk: DECT-Handy mit integrierten Multimediafunktionen Ascom: “Vodoo” - kombinierte Telefonie-Daten-ISDN-Lösung Loewe: Digital-TV-Gerät mit drahtlosem Internet-Anschluß Canon: DMAP-taugliche Drucker, Kopierer und Faxgeräte (ab 2000). 51 RechnernetzeScriptum, Teil 3 22 ISDN – Integrated Services Digital Network 22.1 Einführung Einführung Zielstellung: Zusammenfassen der Fernmeldenetze und historisch bzw. neu entstandener Kommunikationsdienste in einem einzigen Netz --> Entwicklung des zugehörigen Konzepts: ISDN (Integrated Services Digital Network; Dienste-integrierendes digitales (Nachrichten-) Netz). Definition der CCITT “An ISDN is a network, in general evolving from a telephony IDN, that provides end-to-end digital connectivity to support a wide range of services, including voice and non-voice services, to which users have access by a limited set of standard multi-purpose user-network interfaces”. Digitales Fernsprechnetz Ausgangspunkt für eine flächendeckende Einführung des ISDN: Digitalisierung des Telefonnetzes und Standardisierung (international). Damit können neben Telefonie auch auf dem Telefonnetz aufbauende Fernmeldedienste digital angeboten werden. Versionen: Schmalband-ISDN (“ISDN”): vorrangig für Sprachübertragung (Telefonie) und InternetAnschluss im Home-Bereich Telefon-Anschlüsse: 1999 900 Mio., 2001 1.3 Mrd. (analog + digital) (Internet-Anschlüsse:1999 7,5 Mio., 2002 ca. 20 Mio.) Breitband-ISDN (“B-ISDN”): vorrangig für Übertragung von Hochleistungsdaten und von Multimediadaten (Text, Audio, Video). Transportmechanismus: ATM (~> SDH/WDM). 22.2 ISDN - Architektur Übertragung: Digitale Bit-Pipeline, verdrilltes Kupferkabel (Doppelader), Zeitmultiplexing für mehrere unabhängige Kanäle Anschlussbilder a) Privathaushalt Abbildung 22.1: Anschlussbild (Privathaushalt) 52 RechnernetzeScriptum, Teil 3 b) Unternehmen (mit Nebenstellenanlage PBX: Private Branch eXchange) Abbildung 22.2: Anschlussbild (Unternehmen) ISDN-Schnittstelle ISDN-Pipeline unterstützt mehrere Kanäle, aufgeteilt durch Zeitmultiplexing. Standardisierte Kanaltypen A - analoger Telefonkanal (4 kHz) B - digitaler PCM-Kanal für Sprache oder Daten (64 kbit/s) C - digitaler Kanal (8 oder 16 kbit/s) D - digitaler Kanal für bandexterne Zeichengabe (16 kbit/s): out-of-band-signalling, d.h. Signalisierung E - digitaler Kanal für interne ISDN-Zeichengabe (64 kbit/s): inband-signalling H - digitaler Kanal (384, 1.536 oder 1.920 kbit/s) Von CCITT wurden 3 Kombinationen von Kanälen standardisiert 1. Basisanschluss 2 B + 1 D D: 16 kbit/s 2. Primärmultiplexanschluss 23 B + 1 D (USA, Japan) oder 30 B + 1 D (Europa) 3. Hybridanschluss 1A+1C Basisanschluss Kann zur Ablösung des konventionellen Telefondienstes (POTS - Plain Old Telephone Service) verwendet werden. Jeder B-Kanal unterstützt einen PCM-Kanal mit 8-bit-Mustern, Abtastung 8000 mal/sek. -> 64 000 bit/s (64 kbit/s). Signalisierung (Zeichengabe) erfolgt getrennt auf D-Kanal. Primärmultiplexanschluss: 23 bzw. 30 B-Kanäle 23 in USA -> wegen ISDN-Rahmen für T1-System (AT&T) 30 in Europa -> wegen ISDN-Rahmen für CCITT ISDN-Rahmen (Bitübertragungsschicht): 48 Bit-Rahmen, übertragen in 250 ms 16 Bit für B1 - Kanal 16 Bit für B2 - Kanal 4 Bit für D - Kanal + 12 Steuerbits -> Σ 48 Bit 48 Bit in 250 ms => 64 000 bit/s (65 536 = 64 kbit/s) Datenrate: 2 * 64 000 bit/s + 1 * 16 000 bit/s = 144 000 bit/s Erforderliche Bandbreite: 48 * 4 * 1000 bit/s = 192 000 bit/s ISDN-D-Kanal Zur Steuerung, insbes. Verbindungsaufbau/abbau 3 logische Kanäle: s Verbindungsaufbau t Meßwert-Fernübertragung p Paketvermittlung 53 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Paketorientiert: Verbindungsaufbau durch Abschicken einer Nachricht. Signalisierung: - im analogen Telefonnetz erfolgt Verbindungsaufbau im gleichen 4 kHz-Sprachkanal (in band-signalling). - ISDN nutzt dazu ein separiertes Netz, das sog. CCIS-Netz (Common Channel Interoffice Signalling). Dieses arbeitet mit 2,4 kbit/s in einem Bereich, der nicht für Sprache vorgesehen ist (out-ofband-signalling). 22.3 Digitales Kommunikationsnetz für Sprache und Daten Das Telekommunikations-Netz ISDN stellt dem Nutzer digitale Nutzkanäle bereit: - Übertragungsgeschwindigkeit: 64 kbit/s. - Basiskanäle (sog. B-Kanäle) ermöglichen verschiedene Telekommunikations-Dienste: Texte, Sprache, Bild (im Gegensatz zu den paketvermittelten Netzen, wie z.B. Datex-P). - entscheidender Kostenvorteil. - Signalisierung: separater D-Kanal (16 kbit/s) - Steuerdaten für Verbindungsauf/abbau. Basis-Anschlussbild ISDN Übertragung über 2 B-Kanäle für Daten, Sprache, Fax und Bilder. D-Kanal dient der Verbindungssteuerung (Signalisierung). NT: Network Terminator. Abbildung 22.3: Basis-Anschlussbild ISDN Beispiel: Aufbau eines digitalen Telefonnetzes (ISDN) Komponenten: Anschlusstechnik Vermittlungstechnik (Orts- und Fern-Vermittlung) Übertragungstechnik Zentralkanalzeichengabe (Steuerung des Verbindungsaufbaus/abbaus zwischen den Vermittlungen) Abbildung 22.4: Aufbau eines digitalen Telefonnetzes ISDN Digitalisierung bewirkt, dass die zu übertragenden (analogen) Sprachinformationen binärkodiert auf elektronischem Weg übertragen werden. 54 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Vorteile: Einfachere Technologie, Nutzung hochintegrierter Bauelemente, Verbesserte Übertragungsqualität, Verbesserte und neue Dienste, Schnellere Verbindungsvermittlung Verbindungen im ISDN Wählverbindung Kurze Verbindungsaufbauzeiten (ca. 1.5 ... 2 s, Durchschnitt 1.8 s). Trennung der Verbindung, falls nicht genutzt ~> falls wieder Daten fließen, wird Verbindung automatisch wiederhergestellt (Verzögerungszeit ca. 2 s). Optimale Ressourcennutzung. “Hohe” Übertragungsrate von 64 kbit/s je B-Kanal. Außerdem können B-Kanäle zusammengeschaltet werden: Basis-Anschluss 2 * 64 kbit/s = 128 kbit/s Primärmultiplex 30 * 64 kbit/s = 1.92 Mbit/s Festverbindungen (zusätzlich) im deutschen ISDN: Semipermanent (SPV oder auch “vorbestellte Dauerwahlverbindung” benannt) und Festverbindung im Euro-ISDN: Festverbindung. Verbindungssteuerung und Dienste Für alle Dienste wird eine einheitliche Prozedur der Verbindungssteuerung verwendet, die über die einheitliche Schnittstelle zwischen den Endeinrichtungen abgewickelt wird. Dadurch mehrere Dienste an ein und demselben Anschluss nutzbar. Angebotene Telekommunikations-Dienste: Fernsprechen, Telex, Datenübertragung, Btx, ..., T-Online, Telefax, Bildtelefon, Audio-/Video-Konferenz Kanäle und Anschlüsse im ISDN Grundlage im ISDN bildet der sog. B-Kanal (Basis-Kanal): 64 kbit/s, digital, zur Übertragung von Nutzdaten Parallel (im deutschen ISDN) der D-Kanal (separater Steuerkanal): 16 kbit/s bzw. 64 kbit/s Übertragung von Informationen zum Auf- und Abbau der Verbindungen bzw. zur Steuerung der Daten: Signalisierung = Austausch von Steuerdaten für Benutzersignalisierung: nach D-Kanal-Protokoll (1TR6/nat. oder DSS1/internat.), für Zentralkanalsignalisierung zwischen den ISDN-Vermittlungsstellen nach SS.7 (Signalisierungsübertragungssystem Nr. 7, genormt, mit dem ISDN User Part (ISUP) als internationale Schnittstelle). Telekom bietet den Teilnehmern folgende Anschlüsse: - Basisanschluss: 2 B-Kanäle mit je 64 kbit/s, 1 D-Kanal mit 16 kbit/s - Primärmultiplexanschluss: 30 B-Kanäle mit je 64 kbit/s, 1 D-Kanal mit 64 kbit/s In beiden Anschlussarten ist möglich: - B-Kanäle getrennt nutzbar - für Datenübertragung können B-Kanäle gebündelt werden: Basisanschluss --> 128 kbit/s Primärmultiplexanschluss --> 1,92 Mbit/s (Nordamerika: 24 B-Kanäle á 64 kbit/s --> 1,544 Mbit/s = Primary Rate) Im Euro-ISDN kann außerdem der D-Kanal für Datex-P-Übertragung genutzt werden. 22.4 Standardisierung und Universalität Standardisierung ISDN flächendeckend ab Ende 1993/94 in Deutschland (neue Bundesländer ca. 1995). EuroISDN seit Ende 1993 von 26 Netzbetreibern in 20 Ländern eingeführt => Grundlage einer europaweiten Kommunikation. 55 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Außerdem Einbindung von ISDN in andere Lösungen, z.B. - Multi Protocol Router in NetWare-Netzen: ermöglicht Modem- u. ISDN-Verbindungen; - ISDN-Treiber vieler Firmen z.B. Modem-Treiber von Loewe-Iscom Berlin; - Remote-Access-Service im MS-Windows-NT-Netzen. Standardisierung des ISDN durch • Internationale Gremien: CCITT oder CEPT 1985 (Versuchsbetrieb 1986, Regelbetrieb 1988) • in Europa: ETSI (European Telecommunications Standardization Institute): ETSI erarbeitet Vorschläge und reicht sie zur Beschlußfassung an CEPT weiter. Ziel: Euro-ISDN für europaweiten einheitlichen Kommunikationsstandard. Protokolle: Deutsches ISDN: 1TR6 nationales Protokoll Euro-ISDN: E-DSS1 europaweites Protokoll Bilingualer Anschluss (in TK-Anlagen): beide Protokolle Euro-ISDN integriert Datex-P (X.25) im D-Kanal Charakteristika eines universellen digitalen TK-Netzes Flexibilität: 64 kbit/s-Standleitungen für hohen Datenverkehr bzw. Wählverbindung bei gelegentlicher Datenübertragungen mit - kostengünstiger Datenübertragung (Abrechnung nach Verbindungsdauer). - Verbindungsaufbau ca. 1,5 ... 2 Sekunden. Falls dann keine Daten zu übertragen, kann Verbindung getrennt werden. Falls dann Daten erneut zu übertragen, wird Verbindung automatisch wiederhergestellt (nur ca. 2 sek. Verzögerungszeit). - Variierbare Übertragungsrate durch Zusammenschaltung mehrerer B-Kanäle (=> Primärmultiplex: 1.92 Mbit/s). Zeitliche Verfügbarkeit: Bei Ausfall einer Standleitung automatischer Übergang auf Wahlleitung. Kosten: Niedrige Grundgebühr, Gleichzeitig Telefon- und Datenverkehr, Dagegen: Modem: zu lange Verbindungsaufbauzeiten X.25: zu teuer; IP: T-Online Offenheit: Nationales ISDN --> Euro-ISDN Örtliche Verfügbarkeit Deutschland, Frankreich: weit fortgeschritten Europäischer Standard: Euro-ISDN weltweit: noch offen Standardisierung ISDN, Euro-ISDN: 64 kbit/s (B-Kanal) 30 Nutzkanäle Amerikanisches ISDN: 57 kbit/s, nun auch 64 kbit/s 24 Nutzkanäle Probleme: Protokolle im D-Kanal und Programmier-Schnittstelle Sicherheit ISDN ermöglicht Mechanismen, die selbst Wählverbindungen sicher machen: Automatischer Rückruf: wegen schnellen Verbindungsaufbaus kann automatischer Rückruf initiiert werden. Rufnummernauthentisierung: ISDN überträgt Rufnummer an Gegenstelle. Über Tabelle kann bei eingehenden Rufen die Zugangsberechtigung überprüft werden. Geschlossene Benutzergruppe: gegen Aufpreis bei Telekom. Damit Verbindungen nur innerhalb von bestimmten Gruppen aufbaubar. Passwortschutz: Es können (je nach Software) beim Verbindungsaufbau Benutzername und Passwort abgefragt werden (z.B. bei ISDN for Workgroups). 56 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Identifizierung des Adapters: Damit können nur bestimmte ISDN-Adapter miteinanderkommunizieren (über Security-Token im EEPROM). Verschlüsselung: Verschlüsselung vor dem Senden in Echtzeit, realisiert vom Prozessor des Adapters. Allgemeine Struktur eines ISDN Unterscheidung in 2 Arten: - Schmalband-ISDN (S-ISDN bzw. ISDN): 64 kbit/s-Kanäle (B-Kanal), Zweidrahtkabel (Kupferdoppelader) - Breitband-ISDN (B-ISDN): Basis SDH/ATM: (2 ... 34) 155 ... 622 ... 2488 Mbit/s Basis SDH/WDM: 2.5 ... Gbit/s Erlaubt Übertragung von Audio/Video (Bewegtbilder) Lichtwellenleiter (photonische Netze in Übertragung und Vermittlung) Konzeptionell kein Unterschied zwischen beiden Netzen, insbesondere betreffs Teilnehmerzugang zum Netz sowie Stationsaufbau und Signalisierung. Bereitstellung einer “universellen Kommunikationssteckdose”, u.a. CCITT-Empfehlungen I.410 und I.411, als Schnittstelle zwischen Kommunikationsnetz und Vielfalt der Teilnehmerendgeräte. Struktur eines Diensteintegrierenden digitalen Netzes (ISDN) Abbildung 22.5: Struktur des ISDN 22.5 ISDN-Netz der Deutschen Telekom AG Allgemeines ISDN: Digitales Telekommunikations-Netz mit Vermittlung Betreiber: Deutsche Telekom AG Anschlüsse: Basis-Anschluss (BaAs) und Primärmultiplexanschlss (PMxAS) Kabelbasis: Bestehende Infrastruktur, d.h. bestehende Kupferdoppeladern. Dienste: Sprach-, Daten- und Bildübertragung, Online-Dienste. Gleichzeitige Übertragung von 2 Diensten (im Gegensatz zum analogen Netz). ISDN-Netze: - Öffentliches Netz, auf Basis der Telefon-Infrastruktur (Kupferkabel). - Private ISDN-Netze: sog. digitale Telefon-Nebenstellenanlagen (TK-Anlagen). Anschluss am öffentlichen ISDN-Netz Nutzung der vorhandenen Kabelinfrastruktur, keine Neuverkabelung. Beim Teilnehmer wird lediglich ein NT-Abschluss (Network Terminator) eingerichtet (= ISDN-Steckdose). 57 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 22.6: Anschluss am öffentlichen ISDN-Netz Schnittstellen: UK0: zwischen Ortsvermittlung und NT. Bruttoübertragung: 160 kbit/s (2 B1 + D0 + Service- und Synchronisier-Kanal). Verwendete Übertragungsverfahren: - Frequenzgleichlageverfahren mit Echokompensation (ermöglicht zeitgleiche Duplexübertragung auf Doppeladerleitungen). - in einigen Ländern alternativ: Zeitgetrenntlageverfahren (höhere Übertragungsrate, aber geringere Reichweite). S0: zwischen NT und TN-Endgerät (Basis-Anschluss). 2 nutzbare B-Kanäle á 64 kbit/s. Übertragung von Daten, Sprache oder Bildern. Verbindungssteuerung über D-Kanal (16 kbit/s) [bei Euro-ISDN zusätzlich für Datex-PDaten verwendbar]. S0-Anschluss kann realisiert werden als Point-to-Point-Verbindung oder Point-toMultipoint-Verbindung. S2PM: zwischen NT und TK-Anlage (Primärmultiplex-Anschluss). 30 B-Kanäle á 64 kbit/s, 1 D-Kanal mit 64 kbit/s max. 2.048 Mbit/s (1.92 Mbit/s + 64 kbit/s D-Kanal + Service- und Synchronisierzeichen) Abbildung 22.7: Primärmultiplex-Anschluss Schmalband-ISDN: Anschlüsse und Schnittstellen im öffentlichen Netz Merkmale und Funktionsweise Basis ist das digitale Fernsprechnetz auf Grundlage des 64 kbit/s-Fernsprechkanals. Jedes Informationselement wird als 8-bit-Codewort bei einer Abtastfrequenz von 8 kHz dargestellt (entsprechend der PCM-Technologie: Pulscodemodulation), mit Bitrate 8 bit * 8000 1/s = 64 kbit/s. Ein Basisanschluss (Basis Access) für jeden Teilnehmer umfaßt - je zwei 64 kbit/s-Basiskanäle (B-Kanäle B1 und B2) - ein 16 kbit/s-Hilfskanal (D-Kanal) Das ergibt eine Nettoübertragungsrate von 144 kbit/s (2 * 64 + 16 kbit/s). Die Bruttoübertragungsrate liegt etwas höher, die zusätzliche Kapazität wird für Steuerungsaktivitäten genutzt. Schreibweise: B1 + B2 + D0 58 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Beide B-Kanäle für alle Dienste geeignet, die mit 64 kbit/s auskommen. D-Kanal: Übertragung von Steuerungsinformationen für die Dienste, die über B1 und B2 ablaufen (Zentralzeichenkanal). Alle Kanäle werden wechselseitig betrieben. D-Kanal früher nicht genormt (unterschiedlichen Protokolle) -> seit 80er Jahren: Normung durch CCITT: SS #7 Signalübertragungssystem Nr. 7 ; Schicht 1 (Bitübertragungs-Schicht) Schnittstelle: ISDN User Part (ISUP). Über einen Basisanschluss (B1 + B2 + D0) bis zu 8 Endgeräte mit ein und derselben Rufnummer erreichbar. Ein automatisch mitgesendetes Dienstekennzeichen wählt das angesprochene Endgerät aus.Heute oft jedes Endgerät mit eigener Rufnummer. Außerdem kann man 2 Endgeräte eines Basisanschlusses gleichzeitig betreiben und den Dienst wechseln (z.B. Telefon/Fax). Verbindungen gehen von / zu jedem Teilnehmer durchgehend digital. Ein Primärmultiplexanschluss dient dem Anschluss von ISDN-Nebenstellenanlagen: damit bis zu 30 Nutzkanäle von 64 kbit/s und einen 64-kbit/s-Hilfsanschluss anschließbar (30 B + D2). Jeder Teilnehmer erhält nur 1 Ruf-Nummer, unabhängig von Anzahl und Art der Kommunikationsdienste (Sprache, Daten, Text, Bilder). Anschlussarten bei der Telekom ISDN - Basisanschluss: - Struktur B1 + B2 + D0 - falls Entfernung > 8 km, so kann ein Regenerator eingesetzt werden (somit bis zu 15 km). - Benutzer erhält 1 Netzanschluss, an den bis zu 8 Endgeräte anschließbar sind. - Kleine bis mittlere ISDN-Nebenstellenanlagen können über einen oder mehrere ISDNBasisanschlüsse an das ISDN angeschlossen werden. ISDN-Primärmultiplexanschluss: - Anschluss von ISDN-Nebenstellenanlagen mit bis zu 30 Anschlüssen (statt mehrerer Basis-Anschlüsse). - Struktur: 30 B-Kreise mit je 64 kbit/s, d.h. 30 B + D2 (D2: Zeichengabekanal mit 64 kbit/s) - Zwischengeneratoren erlauben unbegrenzte Reichweite. Der Ersatz der herkömmlichen Ortsvermittlungsstellen kann erfolgen durch - neue ISDN-Ortsvermittlungsstellen (zeitlich aufwendig). - Einsatz von ISDN-Basisanschlussmultiplexer und ISDN-Konzentratoren in den herkömmlichen Ortsvermittlungsstellen. Schnittstellen zwischen Ortsvermittlung und Teilnehmer S0: Schnittstelle zwischen ISDN-Netzabschluss (Basisanschluss) und ISDN-Endgerät S2PM: analog für Primärmultiplexanschluss UK0 bzw. V2PM: Leitungsschnittstelle zwischen ISDN-fähiger, digitaler Ortsvermittlungsstelle und dem ISDN-Netzabschluss des Benutzers Abbildung 22.8: Schnittstellen zwischen Ortsvermittlung und Teilnehmer S0-Anschlüsse Point-to-Point-Verbindung: 59 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Für Anschluss eines ISDN-Gerätes oder einer kleinen TK-Anlage (Nebenstellenanlage). Erforderlich sind ISDN-Adapter in den PC’s. Abbildung 22.9: S0-Anschlüsse Point-to-Multipoint- oder Bus-Konfiguration: Am weitesten verbreitete Variante, insbesondere in Büro’s und Haushalten. Max. 12 TAEDosen am S0-Bus, aber nicht jede Dose besetzbar (TAE: TelekommunikationsAbschlußeinrichtung): nur max. 8 Endgeräte; max. Entfernung ca. 150 m. Von den 8 Endgeräten können jeweils 2 gleichzeitig betrieben werden (wegen der 2 B-Kanäle), z.B. Telefon und Fax. Geräte: ISDN-Geräte mit S0-Schnittstelle (z.B. ISDN-Telefon, ISDN-Karten). Für alte (analoge) Geräte ist ein Terminal-Adapter (sog. a/b-Schnittstelle) erforderlich. Über S0 nicht intern kommunizierbar (wie z.B. in einer TK-Anlage). Im deutschen ISDN: universelle Ruf-Nr., Endgerät erkennt selbst den gewünschten Dienst, z.B. Sprache oder Fax (Info im D-Kanal übertragen). Bei mehreren gleichen Endgeräten am S0 nimmt das erste freie Gerät den Ruf an (im deutschen ISDN kann Nutzer das Endgerät über EAZ (Endgeräte-Auswahl-Ziffer) spezifizieren; dies ist bei der Telekom freizuschalten). EAZ mit Einführung des Euro-ISDN abgeschafft. Im Euro-ISDN erhält der Anwender bis zu 10 verschiedene Nr. aus einem Pool (Vorteil: man kann alte, analoge Ruf-Nr.’n beibehalten). Abbildung 22.10: S0-Anschlüsse (2) Primärmultiplexanschluss S2PM: Ziel: Bereitstellung einer höheren Bandbreite - mehrere ISDN-Karten parallel an mehrere S0-Anschlüsse (ab 16 B-Kanäle unrentabel) - oder Primärmultiplexanschluss 30 B-Kanäle á 64 kbit/s + 1 D-Kanalá 64 kbit/s -> 1.92 Mbit/s + Service- und Synchronisierzeichen -> Σ 2.048 Mbit/s Anwendung von Primärmultiplex-Anschlüssen, u.a. in Unternehmen (z.B. LAN-Kopplung für hohe Datenübertragungsraten): 60 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 22.11: LAN-Kopplung ISDN Anschluss an ISDN-TK-Anlagen TK-Anlagen (Digitale Nebenstellenanlagen) stellen eigene ISDN-Netze dar: nach außen: gewöhnliche Schnittstelle des öffentlichen ISDN nach innen: interne Schnittstelle und eigene D-Kanal-Protokolle Zur Beachtung: Kompatibilität, insbesondere bei fremden ISDN-Telefonen, z.B. HicomAnlage (Siemens) bietet zwar den Umfang des 1TR6-Protokolls, verwendet aber das Siemens-interne CorNet-Protokoll TK-Anlagen bieten - S0-Schnittstellen (diese i.allg. unterschiedlich zu den öffentlichen S0-Schnittstellen) --> realisiert durch PNT-Steckdose (Private NT-Steckdose) - S2m-Schnittstelle: i. allg. kompatibel mit der öffentlichen S2m-Schnittstelle Beispiel: 3 Varianten für S0 und S2m-Anschluß Abbildung 22.12: Anschluss an ISDN-TK-Anlage 22.6 Entwicklung des ISDN Internationales ISDN Standardisierungsgremien: CCITT und CEPT Standard 1985, Versuchsbetrieb 1986, Regelbetrieb 1988 Basisanschluss: B-Kanal, 64 kbit/s, (USA ursprünglich 57 kbit/s) D-Kanal 16 kbit/s Signalisierungssystem Nr. 7, Schnittstelle: ISDN User Port (ISUP) Primärmultiplex: 30 * B => 1.92 Mbit/s (Europa), 24 * B => 1.544 Mbit/s (Nord-Amerika) Problem: Viele nationale Standards => Inkompatibilität Deutsches ISDN Ende 1988: erste ISDN-Anschlüsse; ca. 1995/96 Flächendeckung erreicht. PC-Applikationen mit ISDN erfordern spezifischen ISDN-Controller. Dazu Standard-Schnittstelle für ISDNController-basierte Anwendungen: COMMON-ISDN-API (CAPI) als “defacto-Standard”. 61 RechnernetzeScriptum, Teil 3 1990: Version 1.1 ; 1993: Version 2.0 => damit ISDN-Standard erstmalig weltweit einsetzbar; CAPI-Standard heute vom Arbeitskreis CAPI / PCI (Projektgruppe Roland der Telekom) verwaltet. CAPI definiert Schnittstelle zwischen Anwendung und der herstellerspezifischen ControllerSoftware (CAPI-Driver). CAPI steuert Datentransfer über die B-Kanäle und Verbindungsaufbau/abbau über D-Kanäle. Verwendetes D-Kanal-Protokoll: 1TR6 (im Euro-ISDN durch E-DSS1 abgelöst). Leistungsmerkmale am S0-Anschluss Mehrdienstbetrieb (2 bzw. 30 Anschlüsse), Endgeräte- und Dienstewechsel, Durchwahl / Endgeräteauswahl (bis zu 8 Endgeräte, direkt ansteuerbar über Endgeräte-Auswahlziffer EAZ), Rufnummernanzeige, Anklopfen (Signalisierung eines weiteren Anrufes), Anrufweiterschaltung, Makeln (zwischen 2 TN hin- und herschalten), Dreierkonferenz (3 TN gleichzeitig sprechen), kurze Verbindungsaufbauzeiten (ca. 1,8 sek.), Gebühreninformation, Sperren des Anschlusses, geschlossene Benutzergruppe ETSI (European Telecommunications Standards Institute) Ziel eines Europa-einheitlichen ISDN-Standards (Auseinandersetzung Deutschland - Frankreich in der Vorreiterrolle ISDN). 1991: ETSI-Gremium gebildet, Ergebnis: Euro-ISDN mit Programmierschnittstelle PCI (Programming Communication Interface) statt CAPI, D-Kanal-Protokoll E-DSS1 statt 1RT6, Paketdatenübertragung im B- und D-Kanal. Euro-ISDN In einem Memorandum of Unterstanding (MoU) haben sich 26 Netzbetreiber aus 20 europäischen Ländern verpflichtet, Euro-ISDN bis Ende 1993 einzuführen. Leistungsangebote: - Basis- und Primärmultiplexanschlüsse mit vereinbartem Grundangebot, weitere Dienste, eine internationale Schnittstelle für ISDN-Anbindung mit dem Ausland; - im Bereich der Signalisierung ist es das Zeichengabeverfahren Nr. 7 (SS #7) mit der Schnittstelle ISDN UserPart (ISUP). Euro-ISDN verwendet das D-Kanal-Protokoll E-DSS1. Bilingualer Basisanschluss: Telekom bietet diesen Anschluss an, um sowohl 1TR6- als auch E-DSS1- Endgeräte am Basisanschluss betreiben zu können. Abbildung 22.13: Bilingualer Basisanschluss Internetworking im D-Protokoll: Ansonst bieten die Vermittlungsstellen eine Nutzung beider D-Protokolle an 62 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 22.14: Internetworking im D-Protokoll Leistungsmerkmale im Euro-ISDN - Mehrfachrufnummern: bis zu 10 beliebige Ruf-Nr’n. (jeder Ruf-Nr. kann eigenes Leistungsprofil zugeordnet werden). - Durchwahl. - Übermittlung / Unterdrückung Ruf-Nr. TN_A zum TN_B. - Umstecken der Endgeräte am Mehrgeräteanschluss (zusätzlich bei Telekom). - Anrufweiterschaltung. - Geschlossene Benutzergruppe. - Übermittlung / Unterdrückung Ruf-Nr. TN_B zum TN_A. - Subadressierung: Hinzufügen zur Ruf-Nr.; damit erweiterte Adressierungskapazität. - Teilnehmer-zu-Teilnehmer-Zeichengabe: Austausch von Nachrichten bis zu 32 Byte Länge (z.B. für Datenkommunikation, Paßwort, DB-Abfrage). - Anklopfen. - Halten einer Verbindung. - Übermittlung der Tarifeinheiten. - Identifizieren von Anrufern. Paketdatenübertragung Euro-ISDN ermöglicht Datenübermittlung (Paketdaten): - im D-Kanal des Basisanschlusses: max. 9600 bit/s (X.25D), - im B-Kanal des Basis- oder Primärmultiplexanschlusses: max. 64 kbit/s (X.25B). ISDN-Anschluss übernimmt den Anschluss an Datex-P-Netz bzw. Internet (T-Online) - falls Endgeräte nur mit X.21- oder X.21bis- Schnittstelle ausgerüstet sind, können diese über einen X.25-Terminaladapter (TA X.25D) am S0-Anschluss betrieben werden. Abbildung 22.15: Paketdatenübermittlung Programmierschnittstellen Euro-ISDN: PCI (Programming Communications Interface), aber nicht praxiswirksam entwickelt, viele Schwächen gegenüber CAPI. Deutsches ISDN: CAPI 2.0 (Common ISDN-API) viele Einsätze in Praxis 63 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Weltweit (im Zusammenwachsen Computer und ISDN): CAPI (Common ISDN-API): Schnittstelle zwischen Anwendungs-Software und ISDNAdaptern im PC. CTI (Computer Telephony Integration): PC als Mittelpunkt aller Telefonaktivitäten nutzen. TAPI (Telephony API von Microsoft): Application Programming Interface. Stellt die Verbindung zur Hardware her, sowohl TK-Anlage als auch ISDN-Adapter. TAPI zielt zwar auf die allgemeine Telefonie ab, integriert aber verschiedene ISDN-Funktionen (z.B. Fax Gruppe 4). VIM (Vendor-Independent-Message-Schnittstelle, USA), von > 20 Unternehmen unterstützt. High-Level-Schnittstelle mit direkter Anbindung an APPLICOM. Damit Adressdaten direkt aus zentraler DB übernehmbar (VIM unterstützt z.B. durch WordPerfect, LotusNotes, ...). 22.7 ISDN-Dienste Dienste im ISDN Analog zu bisherigen Tele-Diensten unterteilt in: Trägerdienste (Bearer Services des ISDN): Kommunikations-Dienste für das codeunabhängige Übertragen von Informationen. Übertragungstechnische Funktionen der OSI-Schichten 1 bis 3, d.h. Informationstransportdienste zwischen Teilnehmer-/ Netz- Schnittstellen. Teledienste (Tele-Services des ISDN): Umfassen Standard-Fernmeldedienste (u.a. Fernsprechen, Telefax), höhere Dienste mit Speicher- und Verarbeitungs-Funktionen (u.a. Mailbox) und Sonderdienste für besondere Anwendungen (u.a. Fernmessen, Fernsteuern). Die im ISDN verfügbaren Dienste haben wegen der digitalen Übertragung und Vermittlung eine hohe Qualität, u.a. verbesserte Sprachqualität bei ISDN-Telefon (günstiges Signal/Rausch-Verhältnis, geringe Dämpfung), höhere Auflösung und schnellere Übertragung bei ISDN-Telefax. Telekommunikationsdienste im “Schmalband-ISDN”: - kommen mit 64 kbit/s aus (vielmals gar nicht ausgenutzt) - u.a. Telefonieren, Fernkopieren, Datenübertragung, Bildschirmtext, Fernschreiben, Bürofernschreiben, Bildtelefon usw. Telekommunikationsdienste im “Breitband-ISDN”: - höhere Datenrate (PDH: <= 140 Mbit/s, SDH: >= 155 Mbit/s) - u.a. Fernzeichnen, Speicherdienste, Bildübertragung, Videokonferenz, Bild- und Grafiktelefon usw. Auswahl / Charakteristik von ISDN-Diensten Klassische Dienste ISDN-Fernsprechen: verbesserte Sprachübertragung (bis zu Rundfunktonqualität), verkürzte Verbindungsaufbauzeiten ISDN-Telefax - schnellere Übertragung (A4: Min. --> Sekretariatsbereich) - höhere Bildauflösung ISDN-Teletex - um Faktor 10 schneller (A4-Seite: < 1 s) ISDN-Datenübermittlung - herkömmlich mit Modem: 300 bit/s - ISDN: 64 kbit/s 64 RechnernetzeScriptum, Teil 3 ISDN-Bildschirmtext - Verbesserung zum herkömmlichen Btx (Basis: Datex-P): verkürzte Bildaufbauzeiten, Möglichkeit zum Übertragen fotografischer Bilder Neuere ISDN-Dienste ISDN-Textfax - Vereinigt Teletex und Telefax. - Originalgetreue Übermittlung von Schwarz-Weiß-Dokumenten (incl. Handschriften). ISDN-Bildübermittlung - Festbild: bereits im Schmalband-ISDN möglich. - Bewegtbild: für Farbqualität und originale Bewegung ist Breitband-ISDN erforderlich (bei 4 s/Bild auch Schmalband-ISDN möglich, Dekompression). ISDN-Fernzeichnen (Telescript) - kurze Nachrichten und Skizzen werden mit elektronischen Griffel auf Schreibtableau geschrieben, direkt zum Empfänger übertragen und dort auf Bildschirm dargestellt. - ggf. mit Zwischenspeicherung. ISDN-Speicherdienste - in Form von Voice Mail, Text Mail, Fax Mail: Speichern und Abrufen von Sprache, Texten, Daten, Faksimiles. ISDN-Videokonferenz - Konferenzteilnehmer mit Sprach-, Text- und Bildkommunikation ISDN-Bildfernsprechen, Grafiktelefon - über 64 kbit/s-Kanäle - Fernsprechpartner können sich sehen bzw. Grafiken, Skizzen zusenden ISDN-Fernwirken - Fernmessung, - Fernreglung bzw. Fernsteuerung Multifunktionsendgeräte (Mehrdiensteendgeräte) - Bereitstellung multifunktionaler ISDN-Endgeräte für verschiedene Dienste 65 RechnernetzeScriptum, Teil 3 23 Abbildungsverzeichnis (Teil 3) Abbildung 19.1: Zeitmultiplexing (STD und ATD) .................................................................. 6 Abbildung 19.2: Grundtypen von Übertragungsverfahren ........................................................ 7 Abbildung 19.3: Zuordnung von Zeitscheiben in STM ............................................................. 8 Abbildung 19.4: STM-Kanäle.................................................................................................... 8 Abbildung 19.5: Asynchronous Transfer Mode......................................................................... 9 Abbildung 19.6: Prinzip des ATM........................................................................................... 11 Abbildung 19.7: Aufbau einer ATM-Zelle .............................................................................. 11 Abbildung 19.8: ATM-Schalteinheit........................................................................................ 13 Abbildung 19.9: ATM-Pfadvermittlung .................................................................................. 13 Abbildung 19.10: ATM-Kanalvermittlung .............................................................................. 13 Abbildung 19.11: Referenzmodell B-ISDN............................................................................. 16 Abbildung 19.12: Schichten und Funktionen im B-ISDN ....................................................... 17 Abbildung 19.13: Format einer ATM-Zelle............................................................................. 18 Abbildung 19.14: AAL-Typen................................................................................................. 19 Abbildung 20.1: Multimode LWL ........................................................................................... 22 Abbildung 20.2: Single Mode LWL ........................................................................................ 22 Abbildung 20.3: Dämpfungscharakteristik von Single Mode LWL ........................................ 22 Abbildung 20.4: Optische Fenster............................................................................................ 23 Abbildung 20.5: Einfache optische Übertragung..................................................................... 23 Abbildung 20.6: Wave Division Multiplexing......................................................................... 24 Abbildung 20.7: Struktur eines generischen DWDM Netzknoten........................................... 24 Abbildung 20.8: Typen der Signalgeneration .......................................................................... 25 Abbildung 20.9: Erbium-dopierte Glasfasern .......................................................................... 26 Abbildung 20.10: Lambda Router............................................................................................ 26 Abbildung 20.11: Funktionsprinzip eines Mirkoblasen Schaltmoduls .................................... 27 Abbildung 20.12: Funktionsprinzip der thermooptischen Schaltelemente .............................. 28 Abbildung 20.13: Gemeinsame optischer Verarbeitung von Signalen .................................... 30 Abbildung 20.14: Vorteil WDM-Technik gegenüber ausschließlich SDH-Technik............... 30 Abbildung 20.15: Exemplarische Anordnung der Netz-Basiselemente................................... 31 Abbildung 20.16: Einrichtung für eine optische Ersatzschaltung............................................ 31 Abbildung 20.17: Optische Verstärker..................................................................................... 32 Abbildung 20.18: Prinzipieller Aufbau eines Add-Drop-Multiplexers ................................... 32 Abbildung 20.19: Optischer Crossconnect mit 3 R Regenerationsstufe.................................. 33 Abbildung 20.20: Optische Ersatzschaltungsverfahren ........................................................... 33 Abbildung 20.21: Trennung von logischer und physikalischer Netzstruktur .......................... 33 Abbildung 20.22: Integration verschiedener Dienste und Protokolle ...................................... 34 Abbildung 20.23: Optical Internetworking .............................................................................. 37 Abbildung 20.24: Optical-Internetworking-Overlay-Modell................................................... 37 Abbildung 20.25: DWDM - Add-Drop Multiplexing.............................................................. 38 Abbildung 20.26: WSPS: Wavelength-Selective-Photonic-Switch-Architektur ..................... 39 Abbildung 21.1: Dienstelandschaft .......................................................................................... 41 Abbildung 21.2: T-DSL-Anschlussbild (Beispiel)................................................................... 49 Abbildung 22.1: Anschlussbild (Privathaushalt) ..................................................................... 52 Abbildung 22.2: Anschlussbild (Unternehmen)....................................................................... 53 Abbildung 22.3: Basis-Anschlussbild ISDN............................................................................ 54 Abbildung 22.4: Aufbau eines digitalen Telefonnetzes ISDN................................................. 54 Abbildung 22.5: Struktur des ISDN......................................................................................... 57 Abbildung 22.6: Anschluss am öffentlichen ISDN-Netz......................................................... 58 66 RechnernetzeScriptum, Teil 3 Abbildung 22.7: Primärmultiplex-Anschluss........................................................................... 58 Abbildung 22.8: Schnittstellen zwischen Ortsvermittlung und Teilnehmer ............................ 59 Abbildung 22.9: S0-Anschlüsse................................................................................................ 60 Abbildung 22.10: S0-Anschlüsse (2)........................................................................................ 60 Abbildung 22.11: LAN-Kopplung ISDN................................................................................. 61 Abbildung 22.12: Anschluss an ISDN-TK-Anlage.................................................................. 61 Abbildung 22.13: Bilingualer Basisanschluss.......................................................................... 62 Abbildung 22.14: Internetworking im D-Protokoll.................................................................. 63 Abbildung 22.15: Paketdatenübermittlung .............................................................................. 63 24 Literatur Braun, T.: Zitterbart, M.: Hochleistungskommunikation, Bd. I und II. Oldenburg, 1996 Häckelmann, H.; Petzold, H.J.; Strahringer, S.: Kommunikationssysteme. Springer, 2000 Huitema, C.: IPv6: The New Internet Protocol. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1996 Lockemann,P.; Krüger,G.; Krumm,H.: Telekommunikation u. Datenhaltung. Hanser,1993 Kurose, J.F.; Ross, K.W.: Computernetze (Top-Down-Ansatz mit Schwerpunkt Internet). Pearson Education/Addison Wesley, München, 2002 Kyas, O.: ATM Netzwerke. Datacom, 1996 Müller, G.; Eymann, T.; Kreutzer, M.: Telematik- und Kommunikationssysteme in der vernetzten Wirtschaft. Oldenbourg Verlag München/Wien, 2003 Perlman, R.: Interconnections: Bridges and Routers. Addison-Wesley, Reading, 1993 Peterson, L.L.; Davie, B.S.: Computernetze. dpunkt, 2000 Proakis, J.G.; Salehi, M.: Grundlagen der Kommunikationstechnik. Pearson Studium, München, 2004 Rose, M.T.: TCP/IP-Netze. Carl-Hanser, München, 1994 Stevens, D.L.: Netzwerkprogrammierung. Prentice-Hall, 1994 Tanenbaum, A.S.: Computer-Netzwerke. Prentice-Hall, 1996 bzw. Pearson Studium, München, 2003 Walke, B.: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1/2. Teubner, 2000 67
