Ende-zu-Ende-Anbindungen über optical Networks
Techniken in optischen Netzen
Die Anforderungen an Netze mit optischen Komponenten steigen. So sind die meisten Rechenzentren derzeit noch über Time-Division-Multiplexing-Dienste (TDM) wie T1 oder E1 verbunden, die weder eine hohe Verfügbarkeit hinsichtlich Uptime noch Durchsatz bieten. Schnelle Updates über große Distanzen sind gefragt. Eine optimale Performance erzielen Service-Provider mit Highend-Techniken für eine einfache Verwaltung sowie eine hohe Effizienz und Skalierbarkeit des optischen Backbones in Wide oder Metropolitan Area Networks: Dynamic Transfer Protocol/Resilient Packet Ring (DTP/RPR), Spatial Reuse Protocol (SRP) und Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS), eingesetzt etwa in Glasfaser-Ringstrukturen via Ethernet.
Die Anforderungen an Technologien, die im optischen Netzwerk eingesetzt werden, verändern sich.
Management und Ausfallsicherung stellen in einem relativ neuen Umfeld besonders hohe Anforderungen:
Remote Replication und Disaster Recovery über ein erweitertes Storage Area Network (SAN). Das
Szenario sieht vor, über mehrere verteilte Standorte Rechenzentren und SANs von Unternehmen über
optische Netzwerke zu verbinden, sodass Speicherkomponenten nicht wie früher üblich umständlich
transportiert werden müssen, um Daten zu spiegeln. Die Erweiterung des SANs erfolgt über
Multiservice-Plattformen mit Fibre Channel over SDH (Synchronous Digital Hierarchy), Ethernet over
SDH und WDM. Diese Dienste bieten Carrier und Service-Provider über optische Backbones an.
Funktionalität im optischen Netzwerk
Am Beispiel des Storage-Umfelds kann deutlich gemacht werden, auf welche Eigenschaften beim
Aufbau eines optischen Transportnetzwerks zu achten ist. Das Netz muss in der Lage sein, eine große
Menge an High-speed-Datenverkehr wie Escon, Fibre Channel oder Gigabit Ethernet zu übertragen.
Erreicht wird dies mit leistungsfähigen Multiservice-Plattformen, die 32 Wellenlängen über ein
Glasfaserpaar transportieren können. Dabei können Storage-Backup- oder andere Carrier-Dienste (etwa
Sprache oder Multiservice-Anwendungen) mittels optischem Add-/Drop-Multiplexing, über
Punkt-zu-Punkt-, Ring- oder Meshed-Verbindungen realisiert werden. Eine Verfügbarkeit von über 99
Prozent ist notwendig. Restoration-Funktionalität wie redundante Line Cards mit Y-Kabeln,
redundante Multiplexer für bidirektionale Ringe und Wavelength Protection sorgen für eine
unterbrechungsfreie Übertragung, beispielsweise beim Ausfall einer Netzwerkkomponente. Darüber
hinaus rundet eine Einrichtung für elektrisches und optisches Performance Monitoring die
Gesamtlösung ab, die jede einzelne Glasfaser je nach Protokoll überwacht. Das Netzwerk sollte
insgesamt in der Lage sein, Storage Area Networking sowohl mit Fibre-Channel- als auch IP-Lösungen
zu unterstützen. Somit ist Multiprotokollfähigkeit ein entscheidendes Kriterium. Mit einer solchen
Gesamtarchitektur können Unternehmen ihre Rechenzentren und Server mit Applikationen und damit ihre
gesamte Storage-Infrastruktur konsolidieren. Für das Management des optischen Netzwerks stehen
verschiedene Funktionen zur Verfügung, etwa das Command Line Interface oder das Simple Network
Management Protocol (SNMP). Die Grundlage schafft die Control Plane.
OCP (Optical Control Plane): Herzstück für das Management
Die in optischen Netzwerken verwendete Managementtechnologie Optical Control Plane (OCP)
ermöglicht es als Servicearchitektur, Netzwerkkomponenten über eine einzige Managementschicht zu
verwalten und verfügbar zu machen. Netzwerkkomponenten können sein: Router und Wavelength Router,
Layer-2- und Layer-3-Switches, Add-/Drop-Multiplexer, optische SDH-Produkte und Optical
Cross-Connects. Multiservice-Plattformen sorgen für Aggregation, Bereitstellung und Transport von
Sprache, Video und Daten über einzelne 2,5- bis 10-GBit-Wellenlängen und maximieren damit die
Servicedichte im DWDM-Netzwerk (Dense Wave Division Multiplexing).
Eine Implementierung der OCP ist die modifizierte Unified Control Plane (UCP) von Cisco. UCP
verfügt über zwei Hauptgruppen an optischen Schnittstellen: User-Network Interface (UNI) und
Network-Network Interface (NNI). UNI entspricht den Standards des Optical Internetworking Forums
(OIF) UNI 1.0. Die Schnittstelle ermöglicht Datendienste an Clients, die Anbindung an SDH-Leitungen
über ein optisches Netz und die Signalisierung zwischen den Komponenten "Client-Gerät" und einem
Gerät des Transportnetzwerks. NNI tauscht Signale und Routing-Daten zwischen einzelnen
Netzwerkkomponenten aus. Im Gegensatz zu NNI unterstützt UNI nicht den Austausch von
Routing-Informationen, etwa Topologiedaten, über die Schnittstelle. Ausgestattet mit diesen
Schnittstellentypen erlaubt die UPC die Kommunikation verschiedener Subnetze ohne Hinzunahme einer
zusätzlichen Managementschicht. Die Control Plane nutzt Reservation Protocol-Traffic Engineering
(RSVP-TE), Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) und Link-Management-Protokolle (LMP).
Das Resource Reservation Protocol unterstützt die Reservierung von Ressourcen in einem
IP/Optical-Netzwerk.
Ein genauer Blick auf UNI macht deutlich, dass Netzwerk- (UNI-N) und Client-Funktionalität
(UNI-C) unterschieden werden müssen. Eine UNI-C-Netzwerk-Komponente fordert und nimmt Informationen
über die vermittelten Leitungen an. Die UNI-N-Komponente ist der Knoten, der an UNI-C-Komponenten
angrenzt, und transportiert die Informationen über das Netzwerk.
UCP spielt eine wichtige Rolle, denn komplexe TK-Netze bestehen aus vielschichtigen Strukturen
wie IP, ATM, SDH und optischen Übertragungsarten. Die Algorithmen für Routing und Signalisierung
stellen die Basis für die Verbindungsherstellung und damit Service Level Agreements dar. UCP sorgt
dafür, dass Netzwerkressourcen automatisch bereitgestellt werden und diese Informationen im
gesamten Netz verfügbar sind. Es regelt die Bereitstellung und Aufrechterhaltung von Verbindungen
und ist damit integraler Bestandteil optischer Lösungen. Die Implementierung einer solchen
intelligenten Managementschicht ist entscheidend bei der Entwicklung von Service-Provider-Netzen,
die flexibel dem ansteigenden Kundenbedarf angepasst werden müssen und über die neue Services
angeboten werden.
Optimale Bandbreitennutzung im Glasfaserring mit DTP/RPR
Die in den 90er-Jahren von Cisco entwickelte Technologien Dynamic Packet Transport (DPT) sowie
das Spatial Reuse Protocol (SRP) und ihre nach IEEE 802.17 standardisierte Form Resilient Packet
Ring (RPR) sind das Ergebnis der Bemühung, angesichts des stark ansteigenden Datenvolumens
Internet-Router über Glasfasern zu verbinden – unter Berücksichtigung einer ausgewogenen
Bandbreitennutzung und unterschiedlicher Quality-of-Service-Anforderungen. DPT ist seit langer Zeit
eines der am häufigsten eingesetzten Protokolle sowohl für Access-Ringe als auch
Core-Router-Verbindungen über PoPs (Points of Presence). Das Protokoll sorgt mit einer
Restorationszeit von 50 Millisekunden für eine hohe Ausfallsicherheit. RPR, der neue Standard, ist
ein ringbasiertes Protokoll auf der MAC-Schicht (Media Access Control) und ist für eine skalierbare
Netzinfrastruktur von Vorteil. DPT benutzt zwei gegenläufige Glasfaserringe zum Transport von
Datenpaketen. Um diese Ringe zu unterscheiden, spricht man vom inneren und vom äußeren Ring.
Kontroll- und Nutzdaten nehmen jeweils den kürzesten Weg zum Ziel. Nutzdaten werden vom Empfänger
aus gesehen als Downstream übertragen, Kontrolldaten als Upstream. Kontrollinformationen gelangen
somit immer auf dem kürzesten Weg vom Empfänger zum Sender.
Bandbreite geht ungenutzt verloren, wenn im Falle eines SDH-Netzwerks wie üblich nur eine Hälfte
des Ringss für Ausfallsicherheit genutzt wird. RPR und damit auch DPT nutzen beide Ringe parallel
und sorgen so für eine höhere Gesamtbandbreite. DPT arbeitet auf der physikalischen Ebene mit
SDH-Framing und ist für zahlreiche Optionen transparent: Dark Fiber, DWDM sowie SDH-Punkt-zu-Punkt-
und Ringarchitekturen. Die Lösung funktioniert auch in Umgebungen mit Dark-Fiber-Architekturen. DPT
basiert auf SRP. Es handelt sich dabei um ein Protokoll auf der MAC-Schicht für die IP-Übertragung
in Ringstrukturen. DPT ist mittels Interface-Karten in IP-Routern oder Switches integriert. Ein
DPT-Knoten entscheidet aufgrund seiner Topologieinformationen automatisch, in welche Richtung er
die Daten zum Empfängerknoten überträgt. Der Knoten schickt die Daten in die Richtung, in der sich
die wenigsten Knoten zwischen Sender und Empfänger befinden. DPT nutzt verschiedene Möglichkeiten,
um die Bandbreite für Pakete um ein Vielfaches im Vergleich zu TDM-Netzen zu erhöhen. In beiden
Ringen können die Knoten parallel Datenpakete senden. Eine Besonderheit des SRP ist das
Destination-Stripping. Pakete werden vom Zielknoten aus dem Netz genommen, sodass die Bandbreite
gleich wieder für andere Pakete frei wird. In früheren Ringtechnologien wie Token Ring oder FDDI
zirkulierten die Pakete um den kompletten Ring, bevor sie aus dem Netz genommen wurden. Die
Übertragungsbandbreite kann mit SRP mehrfach genutzt werden, da die Pakete unmittelbar nach Ankunft
am Zielknoten entfernt werden. Jeder Knoten auf dem DPT-Ring führt eine verteilte Kopie des
SRP-Fairness-Algorithmus aus. Dieser gewährleistet die faire Verteilung und lokale
Bandbreitenoptimierung auf dem gesamten Ring. Der Algorithmus kontrolliert die Rate des
Paketdurchlaufs für Transitverkehr in jedem Knoten, um zu verhindern, dass einzelne Knoten die
gesamte Bandbreite belegen und andere Knoten nicht senden können. Im Gegensatz zu TDM-Ringen gibt
es bei DPT keine festgelegten Zeitrahmen oder dezidierte Bandbreite. DTP unterstützt IP
Multicasting und ist somit für anspruchsvolle Anwendungen geeignet. RPR ermöglicht
Multipoint-to-Multipoint Ethernet über SDH-Netzwerke. Ein Schutzmechanismus für Netzwerke ist
Shared Protection Ring.
Traffic Engineering mit GMPLS
Traffic Engineering ist ein Mechanismus, mit dem bestimmte Datenpakete einem vordefinierten Pfad
im Netzwerk folgen. In optischen Netzwerken wird für das Labeling der Datenpakete eine modifizierte
Variante von MPLS eingesetzt: GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching). Damit wird auch im
optischen Netzwerk eine Reservierung der Bandbreite in jedem Bereich des Netzwerks möglich. GMPLS
teilt sich die bereits beschriebene Optical Control Plane und eine Data beziehungsweise Transport
Plane für die Regelung der Datenübertragung. Der Vorteil von GMPLS ist, dass es Übertragungsarten
wie IP, TDM, SDH und DWDM einschließt. GMPLS ermöglicht also im Gegensatz zu MPLS auch das
Management von Glasfasern oder Wellenlängen. GMPLS ist eine Control-Plane-Funktionalität. Damit
erweitern GMPLS-Protokolle traditionelles MPLS-Routing, Signalisierung und Kontrolle, um
Netzwerkkomponenten der Transportschicht zu unterstützen. Dieses Protokoll wurde infolge der
Fortschritte bei einstellbaren Lasern und Lambda Switching entwickelt. Ist bei MPLS ein Traffic
Engineering nur für die paketorientierte Übertragung vorgesehen, so können Service-Provider mit
GMPLS ein Ende-zu-Ende-Netz aufbauen, das alle wesentlichen Übertragungsarten inklusive DWDM und
SDH berücksichtigt. Für Management und Konfiguration von unterschiedlichen Netztechnologien ist
GMPLS damit unerlässlich.
Managed Services in optischen Netzen
Service-Provider können ihren Kunden eine Reihe von Managed Optical Services auf Basis dieser
Technologien anbieten. Dazu zählen nicht-geswitchte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Private Line),
Ethernet Private Line mit garantierter Bandbreitenzuweisung und Rechenzentrumsintegration,
dezidierte SDH-Services für Geschwindigkeiten zwischen 155 MBit/s und 10 GBit/s und hohe
Verfügbarkeit entweder als Punk-zu-Punkt- oder als Ring-Struktur, Storage over SDH für die
Übertragung von Storage-Protokollen in Metronetzen oder Ethernet over SDH mittels RPR. Die
Lösungen, die über diese Topologien angeboten werden können, reichen von Wellenlängenservices für
die einfache Anbindung von Standorten über gemietete Glasfasern bis hin zu individuell konzipierten
Lösungen für Kunden.
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