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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 50 Carrier Ethernet – die Revolution im Wide Area Networking (WAN)

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Provider stehen unter enormen wirtschaftlichen Zwängen. Durch Konkurrenzdruck und heftigem Preisverfall bei Triple Play Angeboten können sie die bisherigen Netze, die auf DWDM-Basis einen hohen Stapel zusätzlicher Protokolle und Systeme (SONET, ATM, EoATM, MPLS..) errichtet haben, nicht mehr weiter betreiben. Einziger und revolutionärer Ausweg: Carrier Ethernet – ein Switched Ethernet mit SONET-Qualitäten.

Die verschiedenen Netzwerk-Betrachtungs-Ansätze der einzelnen Gruppen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Die verschiedenen Netzwerk-Betrachtungs-Ansätze der einzelnen Gruppen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Die weltweite Verkehrslast besteht zu 99 Prozent aus Ethernet-Paketen. Es ist also sinnlos, Netze zu bauen, die derartige Pakete permanent in andere Formate konvertieren. Im Grunde sucht man ein System, welches das geswitchte Standard Ethernet um SONET-Grundqualitäten erweitert, z.B. die deterministische Arbeitsweise, die „lossless“ Übertragung, die Zuordnungsmöglichkeit fester Übertragungskapazitäten für die Realisierung von CoS/QoS, das schnelles Failover in Voice Grade Quality, die Skalierbarkeit in einem enormen Spektrum und die leichte Bedienbarkeit. Dies alles natürlich vollständig standardisiert.

Das Ergebnis aller Anstrengungen der letzten fünf Jahre ist das „Carrier Ethernet“, ein Switched Ethernet mit SONET-Qualitäten.

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Im Bereich Carrier Ethernet wurden die generellen Anforderungen vom Metro Ethernet Forum (MEF) formuliert. MEF hat dadurch weitere IEEE-Standards angeregt, die aber wieder durch Interoperabilitätsprozeduren und Testverfahren ergänzt werden müssen. Auch diese kommen vom MEF.

Die eigentlich für Standardisierungen im Bereich Provider-Netze zuständige ITU ist die Quelle für vielfältige standardisierte Lösungen im Bereich der optischen Übertragung. ITU hält sich allerdings zurück, wenn es um die Entwicklung von Carrier Ethernet geht. Betrifft diese Entwicklung bereits durch ITU definierte Technologien und Verfahren, gibt es eine heftige Korrespondenz zwischen den Beteiligten. In diesem Zuge werden bestimmte Fragen und Entwicklungen aber auch an die Gremien IEEE 802.1 und 802.3 zurückverwiesen, weil es sich ja letztlich um Ethernet-Technologie handelt und es damit auch immer wieder Fragen hinsichtlich der Migration und Rückwärtskompatibilität gibt. So existieren ja bereits z.B. Verfahren zur Priorisierung und QoS-Stufendefinition bei 802.1. Es wäre nun Unsinn, für Carrier Ethernet völlig neue Verfahren in dieser Hinsicht zu entwickeln. Vielmehr ist es sinnvoll, die bestehenden Verfahren zu erweitern, wenn dies notwendig erscheint.

Die Thematik „Carrier Ethernet“ schwelt schon seit mindestens fünf Jahren. Aber erst im Herbst 2008 wurde der wirkliche Durchbruch erzielt: auf der Basis der MEF-Definitionen wurde der IEEE-Standard PBB-TE entwickelt. Die MEF-14-Prozeduren haben die Basis für Interoperabilitätstests geschaffen. Die Hersteller haben reihenweise Produkte realisiert. In der dritten September-Woche 2008 gab es dann einen großen öffentlichen Interoperabilitätstest mit 27 Herstellern nach MEF-14.

Carrier Ethernet bedeutet

  • erheblich angereicherte Grundqualität des Ethernet L2-Netzes
  • extreme Skalierbarkeit
  • vollständig standardisierte und zertifizierte Lösungen
  • vollständige L3-Transparenz
  • minimaler Preis

Gründe genug, es genauer unter die Lupe zu nehmen.

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Carrier Ethernet unter der Lupe

Netzwerk-Betreiber eines Corporate LANs sind gewöhnt, alle auftretenden Probleme des L2-Netzes durch Funktionen des Layer 3 zu lösen. Aufgrund der gegenüber Provider-Netzen vergleichsweise kleinen Netze funktioniert das auch im Großen und Ganzen gut. Allerdings gibt es bei jedem L3-Verfahren Grenzen, sei es im Algorithmus selbst oder schlicht in der Tatsache, dass ab einer gewissen Größe und/oder Teilnehmerzahl die notwendige Rechenleistung mit vernünftigem Aufwand nicht mehr bereitgestellt werden kann, z.B. weil es in jedem beteiligten Knoten Tabellen geben muss, die dann irgendwann einfach zu groß werden.

Provider haben solche Grenzen deutlich zu spüren bekommen. Zu Beginn der „Carrier Ethernet“-Entwicklung hat man sich darauf konzentriert, die anstehenden Probleme der Verkehrssteuerung mit MPLS in den Griff zu bekommen. Bei der ersten Betrachtung erscheint MPLS als Königsweg, weil es wirklich alle gewünschten Funktionen sehr elegant abdeckt. In großen Feldversuchen hat man dann allerdings gemerkt, dass die Komplexität von MPLS-Implementierungen so groß ist, dass die aktuellen Router und ihre denkbaren elektronischen Nachfolger definitiv an Grenzen stoßen, wenn man die Anzahl der Benutzer (z.B. mehrere 10.000) , die generelle Übertragungsgeschwindigkeit (z.B. 40 Gigabit/s als Basisrate), den aggregaten Verkehr (z.B. 1 Terabit/s) oder die Größe des Netzes (z.B. 4.000 km Durchmesser) oder alles zusammen steigert.

Insbesondere steigt die Bearbeitungsdauer in den Routern so an, dass man keine Verzögerungszeiten im Voice Grade-Bereich mehr garantieren kann. Da ging es immer um sehr große, sehr teure Router oder Prototypen. Metronetz-Betreiber haben diese Erfahrung mit Standardprodukten schon auf einem sehr viel geringeren Niveau gemacht (z.B. 1.000 Benutzer, 10 GbE Basisrate, 100 Gbit aggregater Verkehr, 20 km Netzdurchmesser). Wir haben hier mit MPLS also eine wunderschöne Technologie, die man aber auf absehbare Zeit in der benötigten Größenordnung nicht einsetzen können wird.

Daher hat man Carrier Ethernet auf einer reinen L2-Basis entwickeln müssen. Ein Netz, welches den Namen „Carrier Ethernet“ verdient, bietet unter anderem drei grundsätzliche Services für den konversionsfreien, transparenten Austausch von Ethernet-Paketen an:

  • E-Line: virtuelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung
  • E-LAN: virtuelles Bus-System mit freizügiger Kommunikation aller angeschlossenen Teilnehmer/Geräte
  • E-Tree: virtuelles Sternsystem mit folgenden Einschränkungen: man definiert eine Wurzel und Blätter. Die Wurzel kann mit den Blättern in jeder Weise kommunizieren und sieht dabei allen Verkehr aller Blätter. Ein Blatt kann allerdings nur mit der Wurzel kommunizieren. Es kann mit einem anderen Blatt weder kommunizieren noch sieht es das Blatt oder seinen Verkehr.

E-Line und E-LAN gibt es schon länger. E-Tree ist erst im Herbst 2008 hinzugekommen und für alle Distributionsanwendungen enorm praktisch, weil es als Basismechanismus bereitgestellt wird und nicht erst durch eine andere Struktur auf dem E-LAN etabliert werden muss.

Standard Ethernet basiert ausschließlich auf der Weiterentwicklung der Ethernet-Schnittstellen, also 10/40/100 GbE. Carrier Ethernet kann man damit auch laufen lassen, aber es bietet darüber hinaus die vollständige nahtlose Integration in die Welt der optischen Transportsysteme wie CWDM und DWDM auf der standardisierten ITU-OTN-Basis. Also: Leistung ohne Ende und Stufen. Das bedeutet auch, dass ein Netz herkömmlicher Bauart mit zusätzlichen Maßnahmen und Geräten an ein MAN oder einen Provider-Backbone angeschlossen werden muss, das den Kunden eine transparente Carrier Ethernet-Übertragung bietet.

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Packet Optical – der Übergang zu einer Ethernet-zentrischen Zukunft

Die Telekommunikationsindustrie ist in einem Umbruch. Der Wettbewerb zwischen den Service-Providern eskaliert, weil alteingesessene und neue Anbieter, die mit einer Kombination aus DSL und Wireless für den Teilnehmerzugang arbeiten, heftig mit Anbietern, die TV-Breitbandkabel benutzen, konkurrieren. Das sehen Sie ja jeden Tag selbst. Die Preise sind jetzt schon so weit gefallen, dass eine Kombination aus Internet-Zugang, Telefonie und Digitalem Video unter 20,- Euro pro Monat angeboten wird. Dazu bekommt man dann sogar noch einen Home-Server mit 200 GB Speicher und integrierter Telefonanlage sowie Wireless Unterverteilung geschenkt.

Trotzdem könnte man auch versucht sein, das Angebot eines Breitbandkabelbetreibers anzunehmen, der einen Anschluss mit 20 Mbit/s bietet und damit natürlich die DSL-Lösung über die Grenzen ihrer Leistungsmöglichkeiten verbläst. Bei diesem Preis-Leistungs-Verhältnis bringt ein Würstchenstand auf dem Hauptbahnhof mehr Umsatz als 1.000 private Endkunden bei wesentlich weniger Aufwand und Ärger.

Gleichzeitig sehen sich die Service-Provider dem Problem gegenüber, dass die Kapazitätsanforderungen enorm steigen, im Grunde getrieben durch die wachsende weltweite Abhängigkeit von Breitband und mobilen Daten für Voice und Video Anwendungen.

Die Natur des zu bewältigenden Verkehrs hat sich von TDM zu Paket-orientiertem Verkehr verschoben, manche sprechen von 98,5 Prozent Ethernet-Verkehr. Dennoch gibt es nach wie vor Hochgeschwindigkeits-TDM-Anwendungen wie OC/STM-n, Fiber Channel, SD/HD-SDL usw. die ebenfalls beeindruckende Wachstumsraten aufweisen.

Daher werden wir in den nächsten Jahren die Entstehung einer neuen optischen Transportschicht sehen: einen abgesicherten Ethernet-WDM-Pakettransport mit den Eigenschaften eines virtuellen festgeschalteten Data Circuits!

Das hat schwerwiegende Implikationen auf die heute installierten TDM-Netze, da diese nicht besonders effizient arbeiten, wenn sie Pakete übertragen müssen. Der Alptraum der Operator ist, dass sie den Preis pro übertragenem Bit deutlich senken müssen, während die Anzahl der zu übertragenen Pakete stark wächst. Das können sie mit SONET/SDH nicht.

Es ist schon über 5 Jahre her seit die damalige Telekommunikations-Blase geplatzt ist. Die Service-Provider haben aber ihre Finanzen in Ordnung gebracht und halten ihre Investitionen bei ca. 15-17 Prozent des Umsatzes. Da trotz aller Probleme die Weltwirtschaft wächst, wenn auch regional sehr unterschiedlich, wächst auch der Umsatz der Provider leicht und erweitert so den Spielraum für die Ausrüster langsam aber sicher. Infonetics erwartet, dass der Umsatz der Provider von 1,4 Billionen US$ in 2006 auf 1,6 Billionen in 2010 wächst. Daher können sie von 239 Mrd US$ in 2006 bis zu 265 Mrd US$ in 2009 für Ausrüstung ausgeben.

Aber jetzt kommt das eigentliche Problem: Umsatz und Ausgaben wachsen jährlich nur im einstelligen Prozentbereich, die Verkehrslast dagegen wächst um 50 bis 100 Prozent pro Jahr! Das liegt vor allem an neuen Internet-Anwendungen wie YouTube im Video-Bereich oder MySpace als „soziale“ Internet-Plattform. Auch Cloud Computing wie bei GoogleApps trägt nicht unwesentlich zu dieser Wachstumsdramatik bei. Diese Entwicklungen sind von Natur aus ziemlich unabhängig von den Schnittstellen, über die sie benutzt werden – DSL, Kabel, WLAN oder WiMAX. Wesentlich ist, dass sich die Personalisierung von Video-Diensten im Markt über die nächsten 5 bis 10 Jahre weiter wesentlich beschleunigen wird.

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Den steigenden Anforderungen Rechnung tragen

Um diesen Anforderungen Rechnung tragen zu können, investieren die Carrier in Projekte, die alle das Ziel haben, ultra-leistungsfähige Paket-Netzwerke zu realisieren, um den wachsenden Paketstrom handhaben zu können. Dabei wenden sie sich besonders von TDM und SONET/SDH ab, weil man genau weiß, dass derartige Systeme nicht schnell genug wachsen können, einen erheblichen Overhead erzeugen, von der technischen Basis her teuer sind und zudem auch noch einen erheblichen personellen Betriebsaufwand nach sich ziehen.

Aus all diesen Projekten hat man bereits folgendes gelernt: je niedriger der Layer ist, desto geringer sind die Betriebskosten. Das bedeutet, dass die Übertragung von Paketverkehr auf Layer 3 (IP) teurer ist als auf Layer 2 (Ethernet) oder Layer 1 (WDM). Weiterhin hat man gelernt, dass das Netzwerk um so billiger zu betreiben ist, je einfacher es aufgebaut ist. Viele übereinander gestapelte Layer kosten Overhead, Umsetzung und Geld. Das wissen wir eigentlich schon seit langem theoretisch, aber es gibt jetzt eine Reihe von Projekten, die das wirklich im großen Maßstab nachweisen.

Projekte zur IP-Netz Transformation begannen vor einigen Jahren. Auf dem WAN-Bereich ist besonders 21CN von BT bekannt geworden. Auf dem Metro-Bereich waren Konzepte sofort erfolgreich, die keine Ablösung darstellen mussten, sondern als IP-Netz neu beginnen konnten. Ein bekannter Vertreter ist hier Yipes. Bis alle Carrier-Netze umgebaut sind, wird es wohl bis 2015 dauern, alleine wegen der Größe mancher Netze. Das Endziel aller dieser Bemühungen ist ein Netzwerkmodell mit nur zwei Schichten, das einen IP-Ethernet Service über einer optischen Ethernet-WDM-Transportschicht aufbaut.

Ethernet ist das Bindeglied zwischen den beiden Schichten. Der optische Pakettransport wird so gestaltet, dass er den sanften Übergang zwischen schaltkreis-basierten optischen SONET/SDH-Transportnetzen und dem effizienten paketbasierten Ethernet-Transport erlaubt. Während der üblicherweise langen Migrationsperiode wird SONET zwar immer noch ein integraler Bestandteil sein, seine Bedeutung aber nach und nach verlieren.

WDM in seinen unterschiedlichen Ausprägungen ist die einzige Technologie, die das grundsätzliche Problem des rasanten Wachstums des Verkehrsaufkommens lösen kann und die Tatsache, dass der meiste Verkehr eben auf der Basis von Ethernet-Paketen an das Netz herangetragen wird, macht Ethernet zu einem weiteren Lösungsbaustein.

Dazu muss Ethernet aber um die schaltkreisbasierten Vorzüge des SONET erweitert werden, sonst kann SONET nicht abgelöst werden. Das ist Sinn und Zweck neuer Ethernet-TunnelProtokolle wie PBT (Provider Backbone Transport), PBB-TE (Provider Backbone Bridging Traffic Emngineering), MPLS-TP und anderen.

Die Ethernet-Tunnel erlauben den Service-Providern Wege für den Ethernet-Verkehr zu schaffen, sagen wir einmal einen Weg von London nach Rom, wobei der Verkehr für den Weg zwischen London und Rom innerhalb der optischen Transportschicht verbleiben kann und nicht zwischendurch immer wieder in jeder Stadt auf dem Wege durch Router neu vermittelt werden muss. So etwas kennen wir ja in den Corporate Netzen als Fast-IP oder IP-Switching, nur eben jetzt so angewendet, dass die optische Transportschicht nicht verlassen werden muss. Neben dem reinen Geschwindigkeitsvorteil bedeutet das übrigens auch, dass man weniger Routerports und damit weniger oder kleinere Router benötigt, was die Kosten senkt.

Eine neue Produktklasse

Um die Komplexität der Migration zu reduzieren und das exponentielle Wachstum des Verkehrs zu unterstützen, hat sich eine neue Klasse von Produkten gebildet: Packet Optical Network Platforms (PONPs) oder Packet Optical Transport Systems, die konfigurierbare Teile für Carrier Ethernet Switching, SONET/SDH/OTN, ADM Crossconnect (MSPP), OTM/WDM-Transport und ROADM haben. Packet Optical Network Platforms erlauben es den Service-Providern, Konfigurationen vom kompletten klassischen TDM bis zum kompletten Ethernet-Transport aufzubauen, und so die Migration langsam durchzuführen.

Ein wesentlicher Vorzug der Packet Optical Network Platforms ist ein einziges Management-System, um Ethernet, WDM und SONET/SDH zu verwalten, anstatt der drei bisher dafür zuständigen Systeme. PONPs realisieren den verschmolzenen Ethernet-WDM-Transport durch eingebettete Elemente des WDM-Transports, RODM/WSS und Ethernet Transport. Für die Migration besitzen sie SONET/SDH mit elektrischen Crossconnect-Funktionen. Zu diesen Hauptfunktionen brauchen sie zwei weitere Ingredienzien: Connection-Oriented Ethernet (COE) für SDH/SONET-ähnliche Funktionalität und OTN (G.709 Optical Transport Network) für Service-Transparenz und Verwaltung der WDM-Layer.

Man hat jetzt schon eine Reihe Erfahrungen mit PBT/PBB-TE und MPLS-TP sammeln können. Das macht diese Protokolle zu wahrscheinlichen Kandidaten für die Implementierung von Connection Oriented Ethernet COE, um die einer unmittelbaren geschalteten Verbindung ähnlichen Qualitäten von SONET wie Unverwüstlichkeit und deterministische Datenübertragung von Ende zu Ende auch im Paketnetz zu haben. COE ist die Mainstream-Technik für PONPs und integraler Bestandteil eines jeden IP-Netzwerk-Transformations-Projektes.

Der ITU G.709-Standard OTN definiert transparentes Framing für 2,5G, 10G, 40G und zukünftig 100G Payloads auf DWDM-Systemen. Manche Anbieter wie Ciena haben das heruntergebrochen, um auch Verkehrsströme höherer Granularität kleiner 2,5G damit steuern zu können. Jeder Client-Strom, einschließlich SDH, SONET, Ethernet, SAN-Protokolle wie FC usw. kann in einen ODU-Frame gepackt werden. G.709 definiert außerdem Performance-Monitoring und Forward Error Correction FEC. OTN versetzt die optische Ebene in die Lage, jeden TDM oder Paketstrom auf Wellenlängen abzubilden und damit transparent zu übertragen.