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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 51 Carrier Ethernet – vom Wide Area Network (WAN) zum Metro-Netz (MAN)

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

Carrier Ethernet ist eine Revolution: zum ersten Mal kann man damit in LANs, MANs und WANs grundsätzlich die gleiche Übertragungstechnik zum Einsatz bringen. Zwar gibt es immer noch Unterschiede im Bereich der physikalischen Übertragungstechnik dieser Netztypen, Carrier Ethernet harmoniert jedoch mit allen Varianten wunderbar.

Mit Carrier Ethernet wachsen WAN, MAN und LAN immer mehr zusammen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Mit Carrier Ethernet wachsen WAN, MAN und LAN immer mehr zusammen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Der Unterschied zwischen WAN (Wide Area Networking) und MAN (Metropolitan Area Networking) ist prinzipiell schnell zu charakterisieren. Ein MAN kann wegen der geringeren benötigten Leistung und den kürzeren Strecken zwischen den einzelnen Knoten mit vereinfachter optischer Technologie arbeiten.

Denn DWDM-Komponenten wie Transceiver sind wegen der benötigten enormen Präzision auch heute noch recht teuer. Sie erzeugen ja auch hunderte Signalströme aus Lichtwellen unterschiedlicher, eng benachbarter Frequenzen, die dann jeweils einzeln moduliert werden. Da benötigt man natürlich auch eine entsprechend trennscharfe Empfängertechnik.

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MANs kommen in der Regel mit weniger Lichtwellen aus, so dass man diese spektral weiter auseinanderlegen kann. Dies stellt wesentlich geringere Anforderungen an die Sende- und Empfängerkomponenten. Man nennt solche Systeme auch CWDM oder WWDM.

Mittlerweile ist die Technologie so weit gediehen, dass die notwendigen Transceiverkomponenten für 10-12 Kanäle vollständig integriert werden können. Außerdem werden bei geringeren Entfernungen auch geringere Anforderungen an die Lichtwellenleiter gestellt. So lassen sich zudem auch die Kosten dramatisch senken – etwa auf 10 bis 15 Prozent eines DWDM-Systems.

Die für COE und ITU G.709 notwendige Logik ist aber nicht so komplex, dass man sie nicht auch auf noch preiswerteren Geräten implementieren könnte. Und so kommen wir langsam aber sicher in den Bereich der Corporate Networks. Hier sind die Anforderungen zunächst noch geringer als in einem MAN, besonders, was die zu überbrückenden Entfernungen angeht.

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Architektonische Ansätze der Verkehrsregelung

Betreiber können prinzipiell unterschiedliche architektonische Ansätze und Optionen wählen, um in Metro- und Access-Netzen IP-basierten Ethernet-Verkehr zu realisieren.

Eine Option besteht darin, standalone Ethernet-Switches mit DWDM-Equipment zu verbinden. Die aber meist für den unteren Preisbereich gebauten Ethernet-Switches haben oft Mängel in der Ausstattung für QoS und ganz besonders hinsichtlich der Mechanismen für Ausfallsicherheit. Man hat in der Vergangenheit daher versucht, MPLS diesbezüglich in gewisser Weise als Allheilmittel einzusetzen. MPLS ist aber ein Layer-3-Mechanismus und verletzt die möglichen ökonomischen Vorteile eines reinen Layer-2-Netzes. Neuere Ethernet Switches verlassen sich manchmal auf unausgereifte Ethernet Tunnel-Techniken und ebenso unausgereifte Ethernet-OAM-Module.

Eine weitere Möglichkeit ist es, alle Switches an einen 10 GbE-Ring anzuschließen, der dann von allen benutzt wird und durch Sharing die Bandbreiteverschwendung verringert. Dann braucht man aber überall 10 GbE-Karten – auch an Stellen, an denen diese Leistung niemals aufläuft. Außerdem bekommt man zusätzliche Probleme wie:

  • Erhöhte Latenz und Jitter
  • Kompliziertes Traffic Engineering
  • Langsames Wiederaufsetzen nach Fehlern
  • Die Gefahr des nicht-deterministischen Wiederaufsetzens nach Fehlern, wenn die verwendeten Methoden keine designierten Primary/Backup-Wege benutzen

Alternative SONET/SDH

Eine zweite Möglichkeit, IP/Ethernet-Verkehr zu ermöglichen, ist die Ausrüstung bestehender oder neuer SONET/SDH MSPPs mit Layer-2 Ethernet Karten, die Ethernet mit einem SONET/SDH OAM für zuverlässigen, stabilen und ausfallsicheren Transport unterlegen. Sieht man sich SONET genau an, stellt man jedoch fest, dass das vorne und hinten knirscht.

Für die Übertragung von 1GbE würde man nur eine geringe Basisrate benutzen können, um die Bandbreiteverschwendung in Grenzen zu halten. In der Praxis ist es aber leider so, dass SONET-Equipment (insbesondere die Crossconnects) umso teurer wird, je feiner die Granularität sein muss. Ein SONET Crossconnect, der X Mal 1 GbE-Schnittstellen unterstützen muss, ist viel aufwendiger und teurer als einer, der nur X/40 40 GbE Schnittstellen bedienen muss. Das liegt an der notwendigen Synchronisation und auch an der Switching-Technik als solche. Außerdem gibt es eine Reihe weiterer Probleme:

  • Mangel einer individuellen MSPP-Skalierbarkeit
  • Mangel einer ausgeprägten QoS Architektur
  • Probleme bei der herstellerübergreifenden Interoperabilität
  • Es ist nicht möglich, in einer solchen Umgebung SONET/SDH transparent zu übertragen
  • Es könnte Probleme mit der Übertragung von 10, 40 und 100 GbE geben.

weiter mit: Möglichkeit 3: Die direkte Ankopplung von IP-Router an DWDM

Möglichkeit 3: Die direkte Ankopplung von IP-Router an DWDM

Eine dritte Möglichkeit, die lange diskutiert und probiert wurde, ist die direkte Verbindung von IP-Routern mit dem DWDM-Transportsystem, meist mittels einer SONET/SDH Zwischenschicht. Dieses Gebilde ist jedoch außerordentlich aufwendig im Betrieb und damit teuer in den Betriebskosten. Aber, das ist noch nicht alles.

Aus Leistungs- und Sicherheitsgründen bevorzugen die meisten Corporate Kunden Layer-2-Ethernet-VPNs gegenüber Layer-3-IP/MPLS-VPNs. Für diese Kunden muss ein Endknoten des MAN nur switchen, aber nicht routen. Außerdem kommen mehr als 95 Prozent des IP-Verkehrs an einem solchen Knoten von oder zu einem anderen gleichartigen Knoten, weil ja typischerweise Benutzer eines Dienstes auch auf einen Server zugreifen, der an „einer anderen Seite“ des Metro-Netzes liegt. Das heißt, dass ein IP-Router an der Netzkante primär für Aggregation benutzt wird, eine Funktion, die ein Layer-2-Swich besser, schneller und billiger kann. Der kleine Anteil von Layer-3-IP-VPNs kann dagegen besser an einer anderen Stelle des Metronetzes von einem entsprechenden Router gemanagt werden.

Außerdem haben wir wieder getrennte Geräte, schlechte Ausnutzung der Bandbreite, komplizierten Betrieb, hohe Kosten usw.

Das Carrier Ethernet, ein flaches L2-Netz

Bei Carrier Ethernet geht es darum, das geswitchte Standard Ethernet weiter um Funktionen/Qualität anzureichern. Das Ziel ist ein flaches L2-Netz mit erhöhter Qualität. Für dieses L2-Netz benötigt man zunächst gar kein Routing. Datenströme von Kunden werden in Tunnel gepackt. Anfang und Ende eines Tunnels werden herausgeleitet – wie der Tunnel zustande kommt, ist für den Kunden egal. Der Tunnel ist für den Kunden vollkommen transparent, er kann den Tunnel als Leitung betrachten, wie früher eine Standleitung, und ihn in diesem Sinne auch in sein kundeneigenes Routing-Protokoll, z.B. RIP oder OSPF einbinden.

Der Provider hat dann das Problem, die Tunnel aufzubauen. Man kann das auch so formulieren, dass der Provider einen Mechanismus zum Aufbau von VPNs benötigt. In der Praxis gehört dazu jetzt ein Teil, über den wir bisher nicht gesprochen haben: die Abbildung von VPNs auf Wellenlängen.

Mit einer Wellenlänge können nach ITU-Standards 10 oder 40 Gbps übertragen werden, egal in welchem Format. Bei dieser Abbildung ist es von entscheidender Bedeutung, ob ein Verfahren mit oder ohne Wellenlängenkonversion auskommt. Da stecken nämlich der technologische Aufwand und die Kosten drin.

Ohne Wellenlängenkonversion kann man bequem mit Add/Drop-Multiplexern arbeiten und den gesamten Weg über Licht einer einzigen Wellenlänge darstellen. Ein Verfahren mit Wellenlängenkonversion sieht an jedem Zwischenknoten eine opto/elektrische-Konversion, die Bearbeitung des elektrischen Signals und eine eletro/optische-Rück-Konversion vor. Das ist aufwendig, langsam und teuer.

Zwischen 1998 und 2004 war MPLS der heißeste Kandidat für den Tunnelbau, weil es sich ja auch sehr logisch anhört und darstellt. Damals war man aber auch der Ansicht, dass man die Wellenlängenkonversion rein optisch hinbekommen könnte. In diesem Optimismus hat man dann auch MPLS definiert, bei dem im Kern Wellenlängen die Rolle der Labels einnehmen. MPLS ist aber eines der Verfahren, die Wellenlängenkonversion benötigen. Leider befinden sich optische Wellenlängenkonverter immer noch im Experimentalstadium und es ist nicht abzusehen, ob sie es je verlassen können. Also bedeutet die Kombination von MPLS und DWDM immer: raus aus der Welle, rein in die elektrische Bearbeitung, rein in die nächste Welle. Das ist unwirtschaftlich und zu kompliziert.

weiter mit: Packet Optical Networking Platforms

Packet Optical Networking Platforms

Packet Optical Networking Platforms hatten wir ja schon für die Realisierung des Übergangs von SONET/SDH-WANs auf paketbasierte WANs angesprochen und einige Geräte und deren Hersteller genannt. PONPs integrieren Ethernet Aggregation mit allen Features, Switching, Transport und OTN/DWDM in einer einzigen Plattform. Sie unterstützen transparent Ethernet, SONET/SDH, FICON, ESCON und Fiber Channel.

Sie benutzen dabei eine Reihe von Standards, die wir demnächst noch genauer besprechen werden.

Ein entsprechendes Produkt ist von vorneherein für Paket-Transport optimiert und gleichzeitig ein optischer Transportknoten. Normalerweise gibt es für den Optical Add/Drop Multiplexer die Alternativen, dass er auf einer festen Basis arbeitet (was billiger ist) oder aufgrund einer wellenlängenselektiven Switch-Funktionalität rekonfigurierbar ist. Das ist heute natürlich noch etwas teurer, aber die Fortschritte in der Integration optischer Komponenten werden dazu führen, dass wir in absehbarer Zeit über diese Differenz kaum mehr sprechen müssen.

Die Produkte sind verfügbar und alleine z.B. der DWDM-Spezialist Ciena hat Hunderte Kunden unter Service-Providern, Unternehmen und Regierungseinrichtungen weltweit, die die Flexibilität eines solchen Produktes für „Triple Play“, Business Services und die Unterstützung von Backhauls für Mobilfunknetze einschließlich WLANs und WiMAX schätzen. Und wie Sie der Liste entnehmen konnten gibt es ja noch viele andere Hersteller und Systeme.

Der Schlüssel zum Erfolg eines integrierten Ethernet/OAM/DWDM-Systems ist die Verwendung verbindungsorientierter Ethernet-Transport-Tunnel. Diese Funktion erlaubt Ethernet, so deterministisch, zuverlässig und leicht betreibbar wie SONET/SDH Schaltkreise zu arbeiten, aber zu den deutlich geringeren Ethernet-Kosten. Diese Effizienz wird dadurch erreicht, dass die unvorhersehbaren, nichtdeterministischen und potentiell instabilen Mechanismen von traditionellen IEEE 802.1 D/Q Connectionless-Verbindungen, wie Spanning Tree, MAC-Learning und Broadcast unbekannter Pakete durch explizite Bereitstellung einer Datenbasis für Forwarding-Informationen und vorbestimmte Primary/Backup Paths ersetzt werden. So kann Ethernet als konvergierte Transport-Lösung für alle Business- und Consumer-Dienste, die variierende Ebenen von garantierter Dienstqualität erfordern, benutzt werden.

Verbindungsorientiertes, mit OTN und DWDM integriertes Ethernet spart Geld und macht die Netze stabiler und einfacher zu verwalten. Eine im Oktober 2004 veröffentlichte Studie von Sprint und der Universität von Michigan zeigte, dass 59 Prozent (!!!) der Downtime in IP-Netzen aus Routing-Fragen resultieren. Ersetzt man eine Schicht des Routings mit verbindungsorientierter Ethernet-Aggregation und -Transport steigt die Service-Verfügbarkeit signifikant. Die Integration dieser Ethernet-Funktionen in das Transport-System macht standalone Ethernet-Switches überflüssig und minimiert somit Ausgaben, Komplexität, notwendige Raumkapazität, Stromverbrauch und Kosten.

weiter mit: Ethernet Aggregation und Switching

Ethernet Aggregation und Switching

Ethernet Aggregation und Switching innerhalb des Transportnetzes reduziert die Anzahl der Router-Ports, die an den Netzkanten benötigt werden. Im schlimmsten Fall braucht man ein separates Paar von GbE-Ports (manchmal 10 GbE) für jeden Access-Knoten wie einen IP-DSL-Access Multiplexer (DSLAM), einen WirelessSwitch oder Server (der in diesem Fall ein Network Termination Equipment (NTE) darstellt).

Hier unterscheiden sich aber die Lösungen der Hersteller teilweise stark, manche integrieren die notwendigen Routing-Funktionen direkt im PONP. Diese Aussage kann man auch für den Umgang mit der Wellenlängenkapazität treffen. Es gibt Produkte, die so genanntes Sub Wavelength Grooming unterstützen. Das funktioniert grob so, dass ein Gigabit-Übertragungsstrom nicht einfach auf die Ressource abgebildet wird, sondern die Ressource nochmals in gängige Einheiten, also z.B. 155 Mbps-Ströme unterteilt wird. Ein Scheduler bildet dann die anstehenden Verkehrsmengen sozusagen bündig auf die granulierten Ströme ab.

So können Verbindungen zwischen zwei Kantenknoten im Netz mit einer jeweils minimalen Anzahl von Wellenlängen gefahren werden. Ein derartiges Verkehrsmanagement ist eine feine Sache, wenn es mit der Gesamt-Kapazität eng wird, also so bei 1 oder 2 Terabit/s. oder wenn man z.B. vertraglich gebunden ist, auf einer bestimmten Faser nur bestimmte Wellenlängen zu nutzen. Das kann ja durchaus vorkommen, wenn man die Faser teiluntervermietet.

Sub Wavelength Grooming

Ein Netz mit PONPs, die wie oben beschrieben mit Sub Wavelength Grooming ausgestattet sind, bietet folgende generelle Vorteile:

  • weniger Schritte zur Bereitstellung eines Services
  • genauere Ressourcen-Kontrolle
  • schnellere Kapazitätszuordnung
  • vereinfachte Wartung, Troubleshooting und Service Level Monitoring.

Für das Carrier Ethernet ist der PONP die optimale Konstruktion, weil er alle Elemente vereinigt, die man benötigt.