Teil 3 (Übertragungssysteme): Kap. 19
3 Bitübertragungsschicht (Physical 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
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 (verbin-dungsorientiert/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 (Zel-lularfunk (GSM, DCS, UMTS), Wiederverwendung der gleichen Funkfrequenz in unter-schiedlichen 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 Übertra-gungskanal. 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 Glasfase-rund Lasertechnik.
- Angewendete Verfahren: Wellenlängen-Multiplexing (WDM), Zeit-Multiplexing (TDM Zeitmultiplexing (TDM – Time Division Multiplexing)
Unterteilung TDM synchrones Zeit-Multiplexing (Synchronous Time Division, STD) asyn-chrones Zeit-Multiplexing (Asynchronous Time Division, ATD)
Abbildung 19.1: Zeitmultiplexing (STD und ATD) Synchrones Zeit-Multiplexing (STD)
Definition von Übertragungsrahmen, die aus einer bestimmten Anzahl von Zeitschlitzen fes-ter Größe bestehen. Jeder Benutzer erhält bestimmten Zeitschlitz (slot) innerhalb des Übertra-gungsrahmens zugeordnet, während dessen er senden bzw. empfangen kann. Übertragungs-kanal 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 Län-ge umLän-gewandelt und asynchron übertraLän-gen. Zuordnung der Informationseinheiten zu den ver-schiedenen Sendekanälen erfolgt über Kanal-Identifikations-Nummern (Channel Identifiers), mit der jedes Datenpaket versehen wird (auch als “Address-Multiplexing / Label-Multiplexing” 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
19.1.3 Verbindungsdienste
OSI-Modell: Eine Schicht (N) kann den darüber liegenden Schichten (N+1) 2 Arten von Ver-bindungsdiensten 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. Korrektheits-überprüfung 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)
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 Bandbrei-te unBandbrei-terstützt 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 wie-derholenden Struktur (Rahmen).
- Zuordnung “Verbindung zu Zeitscheibe” durch Lage im Rahmen festgelegt; Jede Zeit-scheibe 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 Band-breite 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, effekti-ves, 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.
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 Zel-lenkopf enthält den Namen einer virtuellen Verbindung. Dieser 24-bit-lange Virtual Path I-dentifier 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 in-folge 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 Über-tragung 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)
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, son-dern 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 Übertragungs- Bandbreite (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).
Jede Zelle (bspw. mehrere 100 000 pro Sekunde verfügbar) kann beliebig einer Teilnehmer-verbindung zugeteilt werden, z.B.
* viele bei hohem kurzfristigen Kommunikationsbedarf,
* weniger bei geringem Bedarf zu anderem Zeitpunkt.
Durch Bündelung vieler Teilnehmerverbindungen auf den Fernübertragungsstrecken kön-nen in einem Zeitintervall Spitzen- und Niedrigbelastungen ausgeglichen werden. Damit mitt-lere Nutzung der teueren Übertragungstechnik.
Einsatz ATM
Probebetrieb der ATM-Technik seit 1994/95. Regelbetrieb in Deutschland (1996), u.a. Cross-Connect-Netz der Telekom (z.B. WiN). ATM bildet den Transportmechanismus für B-ISDN. Probleme: fehlende Anwendungen (~> Backbone), hohe Investition, Konkurrenz SDH/WDM und dark fiber
Prinzip des ATM
Zerlegung (Paketierung) aller denkbaren konstanten, variablen und diskontinuierlichen Ver-kehrsströme 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 Verbin-dungskennung VPI (Virtual Path Identifier) und VCI (Virtual Channel Identifier) sowie der beim Verbindungsaufbau in den Netzknotentabellen abgelegten Verkettung dieser Kennung.
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 so-wie automatische Zellgrenzen-Erkennung.
Netz-Management (Netzverwaltung)
Hierarchische Unterteilung in virtuelle Pfade und virtuelle Verbindungen. Erlaubt dem Netz-betreiber, aus vermittelnden Netzknoten und Hochgeschwindigkeits-Verbindungsleitungen des SDH mittels Funktionen des Netz-Managements ein Netz aus virtuellen Pfaden einzurich-ten (semipermanent). Darüber werden die durch die Teilnehmer gesteuereinzurich-ten virtuellen Ver-bindungen geführt Damit Pfadstruktur flexibel dem Verkehrsbedarf anpassbar. U.a. können LAN’s mittels virtueller Pfade an unterschiedlichen Standorten miteinander verbunden wer-den ~> 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 Gigabit-Ethernet. 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, Multiservice-Plattformen. ATM auch im LAN-Bereich (ATM-Forum) einsetzbar ~> einheitliche Techno-logie.
ATM ist reine Switching-Technologie: Erfordert dedizierte Leitung zum Nutzer (FTTH) so-wie 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-ISDN-Netzwerken.
ATM-Zellen alle gleiche Größe --> massiv parallele Architektur möglich, Zellendurchsatz im Gigabit- und Terabit- Bereich. Alle Benutzerkanäle werden gleichzeitig und in vollem Um-fang bedient.
Grundfunktionen einer ATM-Schalteinheit
- Identifizierung / Auswertung der Kanal- und Pfadidentifikation (VCI / VPI) der ATM-Zellen.
- Transport der ATM-Zelle von einem Input-Port der ATM-Schalteinheit zu dem Output- Port, 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 unbe-rührt.
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 impli-ziert 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
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 Übertra-gungswege 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 ver-mittelt (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-Netz- werke
- 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 physikali-sches 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 ent-sprechenden 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):
- 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 um-gewandelt 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, Token- Ring, FDDI) - vs. Gigabit-Ethernet (1 / 10 / 40 / ... Gbit/s).
LAN-Emulation (LANE) ~> diese Betriebsart von ATM-Schalteinheiten gestattet die prob-lemlose 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)
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 B-ISDN wesentlich komplexer als die D-Kanal - Signalisierung im S-B-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.
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 Übertra-gungsanpassung 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 Transport-mediums.
Aufgaben:
- Erzeugung / Entfernen von Übertragungsrahmen (SDH, PDH) und Anpassung ATM-Zellen 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 Über-tragungsmedium ausgegeben.
- Übertragungsanpassung (Transmission Convergence TC) - Zellencodierung (Cell Delineation)
Um Zelleninhalt vom Header zu unterscheiden, wird Zelleninhalt (Payload) verschlüsselt (scrambled) übertragen --> sichert eindeutige Erkennung des Headers gegenüber Informa-tionsfeld 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) über-gebenen 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 Zellen-header 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 nicht-kontinuierlichen 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 Verbindungs-pfade 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 zu-geordnet 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 gül-tigen 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) -->
Erhält ATM-Schicht von übergeordneter AAL-Schicht eine Informationseinheit, so muss sie den zugehörigen ATM-Header erzeugen (Ausnahme: HEC (Header-Error-Control-Feld) -->