Wenn Mikrosekunden über Gewinn und Verlust entscheiden

Ultra Low Latency Netzwerke – Optimierung auf Layer 1

18.05.2011 | Autor / Redakteur: Dr. Michael Ritter / Andreas Donner

Latenzzeiten entstehen in modernen Kommunikationsnetzen auf verschiedenen Ebenen des OSI-Referenzmodells.
Latenzzeiten entstehen in modernen Kommunikationsnetzen auf verschiedenen Ebenen des OSI-Referenzmodells.

Aktive Netzkomponenten

In den aktiven Systemen des Transportnetzes kommt heute in der Regel die optische WDM-Technologie (Wavelength Division Multiplex) zum Einsatz. WDM erlaubt hochbitratige Glasfaserverbindungen sowohl über kurze Distanzen innerhalb von Stadtzentren als auch über mehrere tausend Kilometer hinweg.

Aber auch die Komponenten eines WDM-Systems tragen zur Latenzzeit bei. Als die Ausführungszeiten von Börsengeschäften noch im Bereich von Sekunden lagen, konnte dies vernachlässigt werden. Heute jedoch zählt jeder noch so kleine Sekundenbruchteil an Verzögerung. So geraten auch die durchaus vorhandenen Optimierungspotenziale der aktiven Netzkomponenten ins Zentrum des Interesses. Gerade über längere Strecken, also bei der Vernetzung internationaler Handelsplätze, summieren sich nämlich diese gerätebedingten Latenzzeiten zu einer relevanten Größenordnung auf. Dabei gibt es drei mögliche Ansatzpunkte in den Geräten, um die Latenz zu minimieren: Wellenlängenumsetzung, optische Signalverstärkung und Dispersionskompensation.

Wellenlängenumsetzung

In WDM-basierten optischen Netzen wird jedem Datenkanal eine bestimmte Lichtwellenlänge zur Übertragung zugewiesen. Die Signale aus Switch- und Routernetzen müssen deshalb zunächst in ein Lichtsignal mit der entsprechenden Wellenlänge konvertiert werden. Dafür sind so genannte Transponder zuständig. Wie viel Zeit das in Anspruch nimmt, hängt von der verwendeten Technologie ab. Das Spektrum liegt zwischen mehreren hundert Nanosekunden bis hin zu einigen Mikrosekunden. Durch die Wahl einer geeigneten Transponderlösung können Latenzzeiten, die einer Faserlänge von einigen hundert Metern entsprechen, eingespart werden.

Bei der Betrachtung häufig außer Acht gelassen wird die Aggregation von einzelnen Datenströmen in breitbandige Signale. Während heute die gängigste Schnittstelle zur elektronischen Datenübermittlung Gigabit Ethernet ist, werden die meisten Wellenlängen in WDM-Systemen aktuell mit 10 Gigabit oder mehr betrieben. Dies erlaubt zum Beispiel die Übertragung von zehn einzelnen Gigabit Ethernet Signalen auf einer gemeinsamen Wellenlänge und steigert somit die wirtschaftliche Effizienz der Glasfaserverbindung. Allerdings wächst je nach eingesetztem Aggregationsverfahren auch die Latenzzeit um einen Betrag im zweistelligen Mikrosekundenbereich an, deutlich mehr als bei der reinen Wellenlängenumsetzung.

Die gängigsten Verfahren sind SDH-Multiplex, OTN-Aggregation, paketbasierte Verfahren wie Carrier Ethernet sowie optimierte proprietäre Verfahren. Steht die Latenzzeit im Vordergrund der Betrachtung, sind paketbasierte Verfahren ungeeignet, da grundsätzlich die Latenz stark mit der Anzahl der verarbeiteten Protokollschichten ansteigt.

Optische Signalverstärkung

Bei der optischen Signalverstärkung werden eingehende optische Signale verstärkt, ohne sie vorher in elektrische Signale umzuwandeln. Notwendig ist dies, weil die Signalstärke von optischen Signalen während der Übertragung über die Glasfaser aufgrund der Signaldämpfung kontinuierlich abnimmt.

Deshalb werden bei allen längeren Glasfaserverbindungen in regelmäßigen Abständen optische Verstärker eingesetzt – üblicherweise sind dies so genannte Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). Dabei wird eine konventionelle Glasfaser auf einer Länge von mehreren hundert Metern mit Erbium-Ionen dotiert. Dieser Faserabschnitt wird dann mit Hilfe eines Halbleiterlasers – auch Pump-Laser genannt – beleuchtet, was die Erbium-Ionen mit Energie anregt. Sobald die Photonen des Nutzsignals durch die dotierte Faser laufen, geben die Erbium-Ionen ihre Energie an diese Photonen ab. Dieser Prozess bewirkt eine Verstärkung des Nutzsignals.

Bisher betrachtete man die durch EDFAs hervorgerufene Latenz von hunderten Nanosekunden als vernachlässigbar. Da heute in der Finanzbranche jede Mikrosekunde zählt, kam es jedoch auch hier zu einem Umdenken. Insbesondere deshalb, weil einige Verstärker mit sehr hohem Wirkungsgrad (bspw. bestimmte Dual-Stage EDFAs) sogar Verzögerungen von einigen Mikrosekunden verursachen. Bei latenzkritischen Verbindungen im internationalen Bereich muss deshalb die zur optischen Verstärkung eingesetzte Technologie sehr sorgfältig ausgewählt werden.

Dispersionskompensation

Mit Dispersion wird in der Optik die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen von ihrer Wellenlänge bezeichnet, welche durch die sogenannte Brechzahl beschrieben wird. Da Wellenlängensignale immer aus mehreren – wenn auch eng beieinander liegenden – spektralen Komponenten bzw. mehreren Teilwellenlängen bestehen, breiten sich die einzelnen Komponenten des Wellenlängensignals unterschiedlich schnell entlang der Glasfaser aus. Das Signal zerfließt somit aufgrund der Dispersion und kann deshalb im Grenzfall am Empfänger nicht mehr erkannt werden oder stört benachbarte Signale. Dieser als chromatische Dispersion bezeichnete Effekt tritt vorwiegend bei Signalen mit 10 Gigabit oder mehr auf.

Um Dispersionseffekten entgegen zu wirken, wird meist eine spezielle Faserart eingesetzt: die Dispersion Compensating Fiber (DCF). Bei Weitverkehrsverbindungen kann die benötigte Faserlänge insgesamt schnell mehrere hundert Kilometer umfassen und trägt aus diesem Grund erheblich zur Verlängerung der Latenzzeit bei. Eine Alternative bietet eine neue Technologie namens Fiber Bragg Grating (FBG). Da eine detaillierte Beschreibung der FBG-Technologie hier zu weit führen würde, kann man sich die Module als eine Art Prisma von geringer Länge vorstellen, welches beim Einfügen in die Glasfaserverbindung den gleichen Effekt bewirkt. Da FBGs praktisch keine Auswirkungen auf die Latenz haben, ist das Verfahren ideal für den Einsatz mit latenzzeitkritischen Anwendungen geeignet. Moderne WDM-Systeme erlauben beide Technologien: FBGs oder DCF.

weiter mit: Fazit und Ausblick

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