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
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
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
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
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 umgewandelt und asynchron übertragen. 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 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 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. 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 gesteuerten 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-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) -->
dieses von Übertragungsanpassung TC erzeugt). Header einer ATM-Zelle (an UNI- Schnittstelle): 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-to- Network-Interface) kein Feld zur Flusskontrolle --> dadurch größerer Wertebereich zur Pfad- identifikation (VPI).
Wichtige Aufgabe der ATM-Schicht: Umwandeln von Netzwerkadressen der höheren Schich- ten 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 verwen- det 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 kei- ne 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.
* 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 Signalisierungsin- formationen verwendet (analog zum D-Kanal bei S-ISDN). SAAL bezeichnet dabei die AAL- Schicht 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 garan- tieren.Die darüber liegenden Signalisierungsprotokolle (z.B. Q.2931) setzen voraus, dass ihre Datenpakete auf jeden Fall übertragen werden. Sie haben keine Funktionen zur Übertra- gungswiederholung.
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, Kollaborations- systeme)
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 ausge- wählte 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 Amplificati- on by Stimulated Emission of Radiation, 1958). Mit dem Laser ist erstmals eine wirtschaftlich vertretbare und praktische Lösung für die Erzeugung von hochfokussierten, monochromati- schen und kohärenten Lichtstrahlen entstanden.
Infolge vieler Anwendungsmöglichkeiten des Lichtstrahls mit hoher Energiedichte wird La- sertechnologie heute in verschiedensten Bereichen eingesetzt, von der Metallurgie über Medi- zin, 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 verbes- serte Glasfasern produziert werden, mit denen über eine Strecke von 1 km ohne Zwischenver- stärkung 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 Fak- tor 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 un- terschiedlichen 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 Reflexions- häufigkeit vom Eintrittswinkel der Lichtstrahlen abhängig ist und die Eintrittswinkel der ein- zelnen Strahlkomponenten im Lichtbündel des Lasers verschieden sind, verbreiten sich auch die einzelnen Lichtstrahlen unterschiedlich. Deshalb die Bezeichnung „Multimode“ LWL.
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 zent- ralen Achse des Glaskerns bleibt. Es gibt nur einen einzigen Verbreitungsmodus, ohne Refle- xionen. 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 per- fekte 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,
1550,1575 und 1660 nm definiert (s. Abb. 20.4). Das Fenster um 850 nm liegt mit einer ho- hen theoretischen Dämpfung von ca. 2 dB/km außerhalb des optimalen Bereichs und wird deshalb hauptsächlich für Verbindungen über kurze Strecken und mit kostengünstigeren La- sern 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, son- dern 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 Vorver- stärker 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 mo- dulierten Lichtstrahlen im gleichen LWL wesentlich erhöhen. Die Lichtstrahlen (“optische Träger“) mit unterschiedlicher Wellenlänge einer bestimmten Anzahl Sender (Tx) werden
optisch zusammenmultipliziert und in den LWL eingespeist. An der Empfangsseite werden die Lichtstrahlen zuerst durch selektive Farbfilter getrennt und dann zu den einzelnen Emp- fängern (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 Unter- schied 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 Ein- führung (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/Drop- Funktion)
- Schaltung im “Lambda Switch“ der optischen Kanäle. Dieser besteht aus 2 Teilen:
a) Der Cross Connect (oder Switching Matrix) ist das eigentliche Schaltelement der opti- schen Träger.
b) Der Wellenlängenkonverter (oder “Lamda Converter“) wird bei Bedarf für die Umset- zung 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 Überbrü- ckung 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 Faser- stücks eingeführt werden.
Die Pumplaser arbeiten mit Wellenlängen von 980 oder 1475 nm. Optische Entkoppler besei- tigen störende Strahlungen des Systems. Die EDFA-Technologie kann als Endverstärker, mit hoher Ausgangsleistung (15 dBm) und geringerem Verstärkungsfaktor, oder als Vorverstär- ker, mit hoher Empfindlichkeit für schwache Eingangssignale und hohem Verstärkerfaktor (30 dB), implementiert werden.
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 Schaltele- mente 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 proji- ziert. Durch Neigung zweier Achsen der einzelnen Spiegel kann die Eintreffstelle der Licht- strahlen auf das zweite Spiegelfeld und von dort auf die Ausgangsfaser eingestellt werden.
Abbildung 20.10: Lambda Router
Die Spiegel werden elektrisch in weniger als 10 ms in vorbestimmte Positionen gesteuert.
Diese Spiegelmodule sind nicht-blockierend, d.h. sie können gleichzeitig alle Routenkombi- nationen herstellen. Sie sind weitgehend unabhängig und schalten gleichzeitig eine oder meh- rere Träger per Spiegel um. Die maximale Bandbreite per Lichtstrahl beträgt 40 Gbit/s. Für eine hohe Betriebssicherheit wurde das Spiegelmodul redundant, mit Reservespiegeln, aus- gestattet. Die Mikrospiegel-Lösung des Lambda Routers ist technologisch besonders aufwen- dig. 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 Mik- romaschinen (MEMS – Mikroelektromechanische Systeme) gebaut. MEMS können verschie- dene 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 Ät- zen entfernt, die mobilen Komponenten beweglich gemacht und die Mikromaschine bekommt die endgültige Form. Die Steuerung der mobilen Teile erfolgt durch elektrische oder magneti- sche Felder. Die neuen DWDM Cross Connects in der MEMS-Ausführung sind noch kleiner, kostengünstiger und verbrauchen noch weniger Energie. Diese Module müssen aber funktio- nell 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 entwi- ckelt.
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 Flüs- sigkeit in den Rinnen den gleichen Brechindex haben, verbreitet sich der Lichtstrahl geradli- nig. 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), produ- ziert. Ein “Photonic“-Schaltmodul besteht aus einer Glasplatte mit mehreren Rinnen, welche Heizpunkte für die Blasen haben. Vorteilhaft in dieser Lösung sind die relativ einfache Tech- nologie 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.
- 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 Polarisie- rungsrichtung 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 Tempera- tur 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 Mach- Zehnder 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 Telekommu- nikationssysteme 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.
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 Größenord- nung 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 arbei- ten 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 über- tragen (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): synchro- ner Betrieb aller Netzelemente ~> damit direkter Zugriff auf einzelne Teilsignale innerhalb eines höherratigen Multiplexsignals möglich. Darüber hinaus wurden Mechanismen standar- disiert, die auch den Transport von anderen Signalen als den Vielfachen der 64 kbit/s Telefo- niekanäle gestatten, wie z.B. IP-Pakete oder ATM-Zellen.
WDM: Wavelength Division Multiplexing
Seit Mitte 90er Jahr wird optische Wellenlängen-Multiplextechnik (WDM) genutzt ~> erheb- liche Steigerung der Übertragungskapazität vorhandener LWL-Verbindungen. WDM ist die
optische Analogie zum Frequenzmultiplexing der elektrischen Nachrichtentechnik, bei dem jedem Signal ein eigener Frequenzbereich zur Verfügung steht. Beim WDM-Verfahren wer- den 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-Drop- Multiplexers.
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 übertra- gen, 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 vor- handener Netze in der Regel für diese Bitraten nicht geeignet. Hierbei WDM-Technik ge- nutzt, 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 op- tischen 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
Terminalmultiplexer
Neben der Verwendung der Optik und WDM-Technik für die Übertragungstechnik bei Punkt- zu-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 Terminalmultiple- xer 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 Kon- ditionierung des optischen Summensignals und Möglichkeiten zur Überwachung ausgewähl- ter physikalischer Parameter.
Exemplarische Anordnung der Basiselemente eines Netzes, wie Terminalmultiplexer, opti- sche 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 Be- standteil der Terminalmultiplexer sein. Bevor aus den einzelnen Signalen ein Wellenlängen- multiplex gebildet werden kann, müssen die Wellenlängen und die Pegel der Eingangssignale den Anforderungen des WDM-Systems, wie z.B. an das festgelegte Wellenlängenraster, an- gepasst werden. Dies erfolgt mit Hilfe eines sogenannten Transponders: Dieser detektiert Sig- nale 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 Ter- minalmultiplexer.
Abbildung 20.16: Einrichtung für eine optische Ersatzschaltung Optische Verstärker
Entwicklung des optischen Verstärkers war die entscheidende Voraussetzung für die rein op- tische Übertragung über große Entfernungen. Ein optischer Verstärker für den Wellenlängen- bereich 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
durch den Effekt der stimulierten Emission verstärkt. Wie auch bei jedem elektrischen Ver- stärker fügt der optische Faserverstärker dem Signal Rauschen hinzu, und bei der Kaskadie- rung dieser Verstärker verringert sich die nutzbare Bandbreite. Die Bandbreite eines Faserver- stärkers 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 Wellenlängenmultiplex- Signal 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 opti- schen 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 Wellenlän- genschaltstufen 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 wer- den, 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.
