Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 43 Dense Wavelength Division Multiplex (DWDM) – Strukturupdate im WAN

Durch die neuen technologischen Möglichkeiten von DWDM entsteht eine veränderte WAN-Struktur. Die Provider haben in den letzten Jahren von Systemen mit veralteten Technologien wie ATM auf Netze umgerüstet, deren wesentliche Funktion darin besteht, IP-Datenströme über DWDM-Verbindungen zu transportieren. Nur so können die zukünftigen Anforderungen hinsichtlich Übertragungsleistung und Wachstum erfüllt werden.

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Eine als optisches Netz bezeichnete Menge von Einrichtungen besteht heute und sicherlich auch noch in den nächsten Jahren aus einer Mischung rein optischer, optoelektronischer und elektronischer Technologien. Die Grenzen sind hier sehr schwammig, im Allgemeinen spricht man aber dann von einem optischen Netz, wenn mindestens die üblicherweise mehrkanalige Übertragungstechnologie optisch ist.

Problematisch ist heute jede Art von Zwischenknoten, weil Funktionalitäten wie Switching und Routing nur teilweise wirklich optisch realisiert werden können. Große Switches für optische Netze haben daher ein Mehrstufenkonzept, bei dem z.B. die Signale, die von den DWDM-Leitungen kommen und nur auf eine andere Faser vermittelt werden sollen, nicht in elektrische Signale umgewandelt werden, sondern wirklich mit optischen Schaltelementen verarbeitet werden. Signale jedoch, die von der Kunden- bzw. Anwendungsseite kommen oder vom DWDM-System dorthin geleitet werden, müssen zunächst opto/elektrisch vorverarbeitet werden.

Die Untergliederung der Funktionalitäten innerhalb eines Switches ist sehr schwierig, weil die rein elektronische Technologie für verschiedene Funktionen billiger ist und eine wesentlich höhere Packungsdichte aufweist. Allerdings ist die elektronische Technologie in ihrer Verarbeitungs- und Taktgeschwindigkeit begrenzt. Diese Beschränkungen bestehen bei optischer Technologie nicht.

Ein weiterer Problembereich ist der Speicher. Jeder Switch benötigt Speicher, um arbeiten zu können. Rein optische Speicher mit einer Reaktionsgeschwindigkeit, wie man sie für ein optisches Netz benötigt, sind jedoch heute noch nicht so weit entwickelt, wie man möchte. Besonders die Entwicklung integrierter optischer Speicher steckt noch in den Kinderschuhen.

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Das filigrane Schichtenmodell optischer Netze

Um die Struktur eines Optischen Netzes sauber betrachten zu können, benötigt man ein filigranes Schichtenmodell, welches zwar die unteren zwei ISO-OSI-Schichten abdekt, dabei aber insbesondere in der Physikalischen Schicht genauer ist.

Das Problem, was wir heute aber vielfach haben, ist die alte Strukturierung eines Carrier Backbones. Man hat nämlich zunächst einfach aus einer gewissen Bequemlichkeit heraus die DWDM-Systeme unter die bestehenden Strukturen gelegt. Da, wo früher eine einzelne Faser benutzt wurde, steht heute eben eine DWDM-Punkt-zu-Punkt-Strecke. Sonst ist die Struktur gleich geblieben. Dies führt zu einer unnützen Anhäufung von Schichten, Übergängen und Konversionen.

Es ist klar, dass in Zukunft jegliche Art von Kommunikation auf reinen IP-Netzen stattfinden wird. Also muss man IP-Switching und optische Kommunikation geeignet verbinden.

Die Hauptaufgabe bei der Schaffung einer entsprechenden Stuktur ist die Aufteilung der Funktionalität zwischen den elektrischen IP-Switchen und den elektro/optischen DWDM-Switchroutern, die natürlich jetzt nicht mehr mit statischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auskommen, sondern „denken“ und switchen können müssen. Das bereinigte Netz besteht also aus Standardkomponenten, die eigentlich jeder hat, nämlich den IP-Switches und neuen Komponenten, den DWDM-Switchroutern.

Mit der zunehmenden Verbreitung von IP gibt es auch genügend Personal für den Betrieb der IP-Switches. Die DWDM-Switchrouter, die heute bereits auf dem Markt sind, lassen sich ebenfalls recht leicht bedienen. Insgesamt unterliegt die Struktur mit einigen durch die optische Switchtechnologie bedingten Abweichungen den Gesetzmäßigkeiten eines IP-Netzes. Die Leistung der neuen Struktur wird durch die DWDM-Switchrouter limitiert. Diese liegt allerdings bei führenden Produkten jetzt schon im Bereich von mehreren Terabit/s.

Die bereinigte Struktur ist nicht nur wegen den damit möglichen Kostensenkungen und Vereinfachungen interessant, sondern auch wegen der Möglichkeit, neue, interessante Dienstleistungen, wie sie sich im standardisierten IP-Umfeld ergeben, schnell zu etablieren und an die Kunden weiterzugeben. Außerdem passt die neue Struktur optimal zur sich ergebenden allgemeinen IP-Welt.

Optische Netze werden also in den nächsten Jahren in völlig unterschiedlichen Zusammenhängen und mit völlig unterschiedlichen „Überbauten“ verwendet werden. Seit über 30 Jahren weiß man aber, wie man mit einer solchen Situation konstruktiv umgeht: mit einem Schichtenmodell.

Das ISO-OSI-Referenzmodell hat die Architektur eines Datenkommunikationssystems in sieben Schichten unterteilt. Die Besonderheiten bei optischen Netzen sind in den unteren zwei Schichten, besonders in der Schicht eins, dem Physical Layer, zu finden. Abweichend vom ursprünglichen OSI-Modell muss man bei optischen Netzen auch das Übertragungsmedium mit betrachten. Das OSI-Modell berücksichtigte dies ursprünglich nicht, weil man zurzeit der Schöpfung des Modells noch davon ausging, dass alle Informationen über metallische Leiter übertragen werden würden.

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Das Besondere an optischen Netzen

Das Besondere an optischen Netzen ist die Spektralpartitionierung, bei der auf unterschiedlichen benachbarten Wellenlängen unterschiedliche Informationen aufgeprägt werden. Statt einzelner, durch die Geometrie und weiteren Eigenschaften der Glasfasern gegebenen Wellenlängen benutzt man Bereiche um diese Wellenlängen herum. Pro Frequenzband erzeugt man so 4, 8, 20, 40 oder mehr Kanäle. In 2001 hat Nortel Networks bereits Systeme mit 230 Kanälen vorgestellt, in der Forschung spricht man bereits über Systeme mit 1.000 und mehr Kanälen.

Was in einem Kanal übertragen werden kann, hängt von der optischen Sende- und Empfangstechnik ab. Hier sind besonders die integrierten Vertikalemitterhalbleiterlaserdioden (VCSELs) interessant. Wir besprechen die optische Übertragungstechnik noch genauer, aber bis dahin sei festgehalten, dass VCSELs für Übertragungsleistungen von 5 und 10 Gigabit/s. bereits verkauft und benutzt werden und VCSELs für 20, 40 und 100 Gigabit/s. unmittelbar bevorstehen.

Der optische Übertragungskanal

Jeder optische Übertragungskanal besteht aus einem Sender, z.B. einer solchen VCSEL, einem Modulator, mit dem der von dem Lichtsender erzeugte Laserstrahl im Sinne der zu übertragenden Zeichenschwingung moduliert wird, der optischen Übertragungsstrecke und einem entsprechenden Empfänger mit Demodulator.

Die optischen Übertragungskanäle werden durch im Weiteren passive optische Einheiten auf die Glasfaser gemultiplext bzw. aus der Faser demultiplext. Man kann sich das passive optische Multiplexen und Demultiplexen wie bei einem Prisma vorstellen, welches ja weißes oder anders gemischtes Licht in seine Bestandteile zerlegt (Demultiplex) bzw. in der anderen Richtung aus Lichtquellen unterschiedlicher Frequenz bzw. Wellenlängen ein Mischsignal erzeugen kann (Multiplex).

Dies ist der fundamentale Unterschied zu den bisherigen optischen Übertragungssystemen, bei denen der Multiplex auf der elektrischen Ebene stattfindet und nur ein Lichtsignal erzeugt wird.

Geht man also von einem üblichen mehradrigen Glasfaserkabel aus, so erzeugt die Spektralpartitionierung einen dreidimensionalen Multiplex:

• Im Kabel befinden sich mehrere Fasern (Raummultiplex)
• Jede Faser unterstützt mehrere Wellenlängenbereiche, auch wenn davon in der Praxis meist nur einer benutzt wird (Wellenlängenmultiplex, grob)
• Jeder Wellenlängenbereich lässt sich in einzelne Kanäle aufteilen, die auch in Anlehnung an das in der Physik benutzte Symbol für die Wellenlänge als Lambda-Kanäle bezeichnet werden (Wellenlängenmultiplex, fein)
• Jeder Lambda-Kanal hat auch in einem Billigsystem eine Leistung weit jenseits des Gigabits/s, meist 10 oder mehr Gigabit/s. und kann deshalb noch elektrisch aufgeteilt werden (TDM-Kanäle, Zeitmultiplex)

Große Carrier-DWDM-Systeme nutzen alle drei Multiplexdimensionen. Kleine Systeme, wie z.B. ein 10 Gigabit Ethernet nutzen ggf. einen festen CWDM-Multiplex mit 4 X 2,5 Gigabit/s, treten aber dem Benutzer gegenüber als einfacher Kanal in Erscheinung.

Möchte man optische Netze verstehen und sicher in der Terminologie sein, muss man die unterschiedlichen Multiplexdimensionen berücksichtigen. Aber damit noch nicht genug.

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Die Organisation optischer Netze

Aus der Historie der Fernnetze ist ein größeres optisches Netz in mindestens zwei Teilen organisiert: dem Kernnetz und dem Zubringernetz. Die konventionelle WAN-Grundstruktur besteht aus dem Kommunikations-Subsystem mit seinen Interface Message Processors (IMPs) und der „äußeren Welt“.

Die Menge der IMPs und die Verbindungen zwischen ihnen bilden das Kommunikations-Subsystem. Ein Teilnehmer bekommt vom Dienstleistungsanbieter, dem das WAN gehört, eine wohldefinierte Schnittstelle zu einem IMP. Der IMP realisiert die Kommunikation zum Teilnehmer. Innerhalb des Kommunikationssubsystems kann dessen Besitzer machen, was er möchte, Hauptsache, die den Kunden angebotenen Übertragungsleistungen werden erbracht.

Da sich nun die optischen Netze zunächst in diesem Zusammenhang entwickelt haben, ist es naheliegend, dass die Struktur des Kommunikationssubsystems in diesem Zusammenhang wieder auftaucht. An die Stelle der Leitungen und IMPs treten nun jedoch die Glasfaserverbindungen und die ONNs, die Optical Network Nodes. Ein ONN kann (D)WDM-Signale erzeugen und decodieren sowie optische Signalströme switchen und routen. Zur Außenwelt besitzt der ONN Schnittstellen, die seiner hohen Leistungsfähigkeit entsprechen.

Die Kanaldichte im optischen Kernnetz ist üblicherweise hoch, z.B. 320 Kanäle auf einer Verbindung. Dazu muss eine hochwertige Übertragungstechnik eingesetzt werden. Man kann von Kunden aber nicht verlangen, ebenfalls eine so teure Technik für den Zugriff auf das optische Netz zu verwenden. Vielmehr wird man ihnen einfache, preiswerte optische oder elektrische Schnittstellen anbieten.

Dazu benötigt man elektro/optische Zubringerkonzentratoren. Sie haben in Richtung der ONNs zwar WDM-Übertragungstechnik, aber vereinfacht und mit geringerer Kanaldichte, also z.B. CWDM, und zu den Kunden konventionelle elektrische Schnittstellen oder eine einfache standardisierte Schnittstelle wie Gigabit Ethernet (elektrisch) oder 10 Gigabit Ethernet (optisch). Diese Zubringerkonzentratoren werden in der Literatur auch als NAS, Network Access Station, bezeichnet.

Nichtsdestotrotz gibt es auch die Möglichkeit, besonders leistungsfähige Endsysteme oder ganze Netze, die das DWDM-WAN als Backbone nutzen wollen, direkt anzuschließen. Dadurch ergibt sich die WAN-Grundstruktur mit einem DWDM Kommunikaions-Subsystem.