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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 48 Grundüberlegungen zu Metro- und Regionalnetzen (MAN)

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

In den letzten Folgen dieser Artikel-Serie wurden Technologien für optische WANs vorgestellt. Ein anderer sehr interessanter Bereich optischer Netze sind die Metro- oder Regionalnetze (MANs). Hier kann Ethernet in Verbindung mit vereinfachter Wellenlängenmultiplextechnologie zu neuen, sehr wirtschaftlichen Ansätzen führen. Dazu müssen wir jedoch zunächst einige Grundfragen betrachten.

Das sind die Einsatzbereiche von WDM-Systemen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Das sind die Einsatzbereiche von WDM-Systemen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

In den vorangegangenen Teilen haben wir neben der eigentlichen Übertragungstechnologie zwei wichtige Netztypen ausführlich dargestellt, nämlich optische LANs in Form von 10 Gigabit Ethernet und optische WANs.

Sie unterscheiden sich in verschiedenen Charakteristika. Ein LAN muss einfach aufzubauen und mit preiswerter Technologie realisierbar sein. Zwischen zwei LAN-Stationen oder einer LAN-Station und einem Switch gibt es keine Zwischenverstärker. Ein LAN benutzt als Wellenlängenmultiplexverfahren wenn überhaupt CWDM, was aber nur der übertragungstechnischen Vereinfachung dient und keinerlei Differenzierung der Kanäle nach außen zulässt.

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Das LAN bietet eine undifferenzierte Gesamtleistung an, die ggf. mit einfachen Maßnahmen außerhalb der Übertragungsebene grob untergliedert werden kann. Das LAN wird normalerweise ausschließlich von seinem Besitzer benutzt. Die Verantwortung für die Stabilität im Betrieb und die Bereitstellung der Dienstleistungen liegt ausschließlich beim Eigentümer. Wie ausfallsicher ein LAN ist, hängt im Grunde von der initialen Investitionsbereitschaft seines Besitzers ab. Insgesamt ist ein LAN vergleichsweise übersichtlich und kompakt, auch wenn das manchen LAN-Administratoren nicht so erscheint.

Das Wide Area Network (WAN)

Ein WAN wird mit relativ teurer und komplexer Technologie aufgebaut. Sowohl in der Übertragungsbandbreite als auch hinsichtlich seiner Ausdehnung bewegt es sich zum Zeitpunkt seiner Installation am Rande des technisch/wirtschaftlich Vertretbaren.

Bei WANs gibt es eine ausgeprägte Unterscheidung zwischen infrastrukturellen Einheiten (Kommunikations-Subsystem) und Nutzung. Zwischen zwei IMPs (Interface Message Processor bzw. Datenpaket-Vermittlungsknoten) kann es nicht nur einen, sondern eine Kette von Zwischenverstärkern geben. Als Wellenlängenmultiplexverfahren wird DWDM benutzt. Die einzelnen Kanäle werden differenziert. Diese Differenzierung kann auch außerhalb des Kommunikations-Subsystems sichtbar werden.

Das WAN bietet eine hochdifferenzierbare Gesamtleistung an, die in abertausenden virtuellen Kanälen organisiert ist, welche nach außen hin sozusagen einzeln vermarktet werden. Ein WAN kann verschiedene, untereinander verwobene Besitzer haben. Es ist sogar möglich, dass eine Gesellschaft die Kabel, eine andere die IMPs besitzt und eine dritte das Netz betreibt.

Das WAN wird üblicherweise von Organisationen und Privatleuten benutzt, die es aber nicht besitzen. Die Verantwortung für die Stabilität im Betrieb und die Bereitstellung von Dienstleistungen liegt bei demjenigen der Besitzer, der als Service Provider nach außen tritt, wobei dieser verschiedene Bereiche unterkontraktieren kann. Durch diese Trennung entstehen ganz viele unterschiedliche Geschäftsmodelle, die auch die Weiterentwicklung der WANs erheblich beeinflussen. Den Endbenutzern gegenüber tritt das WAN in Form eines Teilnehmeranschlusses und eines Service-Contracts in Erscheinung. Der simpelste Fall ist eine Telefondose mit einer monatlichen Telefonrechnung.

Wie ausfallsicher ein WAN ist, hängt davon ab, welcher Grad an redundantem Ausbau durch die Geschäftsmodelle möglich und durch die Dienstleistungskontrakte gefordert ist. Ein WAN ist in jedem Falle groß und komplex, man benötigt speziell geschultes Bedienpersonal.

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Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Konzepte

Diese beiden Konzepte liegen, wie man leicht sieht, weit auseinander. Die Verwendung optischer Übertragungstechnik schafft jedoch in Übereinklang mit der internationalen Standardisierung und den Bemühungen verschiedener Hersteller auch große Gemeinsamkeiten.

Die Ausdehnung des ursprünglichen LAN-Standards Ethernet auf eine erheblich höhere Datenrate und eine wesentlich größere Reichweite zusammen mit einer möglichen Differenzierung der Bandbreite durch die IEEE 802 und IETF-Standards sowie die Anwendung von Ethernet auf der First Mile schlagen vor allem dann Brücken zwischen den Konzepten, wenn man sich ohnehin auf die Verwendung des Standardprotokolls IP einigt.

Dadurch entsteht auch die Möglichkeit des Aufbaus einer neuen, faszinierenden Struktur: des Metropolitan Area Netzes MAN, manchmal auch als Regionlanetz bezeichnet. Die Idee ist schon älter, bislang mangelte es aber an Möglichkeiten für eine wirklich wirtschaftliche Nutzung.

Ein MAN ist technisch schlicht und ergreifend ein großes LAN, welches sich über einen überschaubaren Bereich erstreckt, z.B. eine Fläche mit dem Radius 100 km. Die Vorgabe des Standards für 10 Gigabit Ethernet erlaubt eine Distanz von 40 km auf Singlemodefasern ohne Zwischenverstärker. Das ist auch für MAN-Aspekte völlig ausreichend. Wie man die LAN-Transportkapazität anreichert und was man damit macht, hängt von dem Geschäftsmodell ab, welches man sich vorstellt.

Im einfachsten Fall gehört auch das MAN seinem Benutzer. Das wären z.B. die Stadtwerke, die bereits so viele Glasfaserleitungen besitzen, dass sie eine vollständige Netzstruktur aufbauen können und die dann das MAN einfach zur Kopplung ihrer bestehenden LANs benutzen. Das MAN ist dann nichts weiter als ein Backbone und kann mit den LANs mitbetrieben werden. Diese Form des MANs ist die sicherlich einfachste und führt auch zu den preiswertesten Komponenten, man benötigt nämlich nur reine LAN-Switches, die man mit entsprechenden Schnittstellenkarten für die Fernübertragung ausstattet.

Ähnlich einfach liegt die Sache, wenn der Benutzer zwar eine Reihe von Glasfasern hat, andere aber anmieten muss. Wobei sich grundsätzlich die Alternativen Mieten einer Faser, Mieten eines virtuellen Kanals oder Mieten einer Wellenlänge anbieten. Um es einfach zu sagen: welche Möglichkeit verwendet wird, hängt von der Dummheit des Vermieters ab: in einer Zeit des Wellenlängenmultiplexes vermietet man besser keine Fasern exklusiv. Auch hier ist der Betrieb des Netzes vergleichbar einem einfachen LAN-Backbone, wobei lediglich einige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen außerhalb des Handlungsbereiches des Besitzers liegen.

Viele Unternehmen bauen z.Zt. Regionalnetze oder MANs nach diesen Gesichtspunkten auf. Die Leistung von 10 Gigabit/s. ist normalerweise in diesen Fällen hinreichend.

weiter mit: Weniger simpel erweitert die Möglichkeiten

Weniger simpel erweitert die Möglichkeiten

Allerdings wird man schnell merken, dass man mit einem derart simplen Aufbau auch eine Menge von Möglichkeiten vergibt. Mit ein wenig mehr Aufwand kann man ein MAN nämlich so gestalten, dass es auch Dienstleistungen nach außen bereitstellen kann.

Dazu müsste man eigentlich nur von der seriellen Übertragung oder der CWDM-Technik mit 10 Gigabit/s. auf eine Technik mit höherer Kanaldichte gehen. Es muss nicht grade soviel sein wie bei WAN-DWDM. Das käme zu teuer. Vielleicht eher 32 oder 64 Kanäle. Ein wenig aufwändiger als die LAN-Technologie, aber nicht so teuer wie WAN-DWDM.

Allgemein ist der Begriff WWDM (Wide Wavelength Division Multiplex) dabei, sich für eine solche Technik mit mittlerer Kanaldichte zu etablieren. Missverständnisse kommen hierbei vor allem vom IEEE 802, wo man für die WAN-Schnittstelle des 10 GbE abwechselnd von DWDM oder WWDM redet, sich aber nicht recht einig wird.

Leider fehlt eine allgemeine Definition, die es ja nur für die Differenzierung von CWDM (bis zu acht Kanäle) und DWDM (über acht Kanäle) gibt. Für die Bedarfe dieses Teils reden wir daher ab jetzt von WWDM, wenn wir ein Wellenlängenmultiplexsystem mit mehr als 8, aber weniger als 65 Kanälen meinen.

Bevor wir uns weiter der Technik widmen, wollen wir noch einige Betrachtungen zum Zugangsbereich anstellen, der letztlich für öffentliche MANs eine ganz entscheidende Rolle spielt. Diese Überlegungen sind nicht aus der Luft gegriffen, sondern kommen vom schwedischen Netzbetreiber TELIA, der mittlerweile dabei ist, ganz Schweden mit einem flächendeckenden Ethernet zu überziehen und dabei vor allem wirtschaftliche Erwägungen ins Feld führt, die wirklich sehr interessant sind.

Ein sehr erfolgreiches und mittlerweile mehrfach preisgekröntes Konzept sind auch die Yipes Netze in den USA, die eigentlich alles zeigen, was ein gutes Regionalnetz ausmacht.

weiter mit: TELIA und Yipes – konträre betriebswirtschaftliche Ansätze

TELIA und Yipes – konträre betriebswirtschaftliche Ansätze

Spannend ist nun, dass TELIA und Yipes konträre betriebswirtschaftliche Ansätze verfolgen: TELIA möchte eine möglichst einfache Struktur aufbauen und in diese so wenig sekundäre Dienstleistungen wie möglich einbauen, während Yipes zwar technisch ebenfalls mit IP über Ethernet arbeitet, dann aber sehr großen Wert auf Service Level Agreements und weitere Dienstleistungen legt.

Beide Alternativen funktionieren, auch betriebswirtschaftlich. Man kann daraus unterschiedliche Schlüsse ziehen, vor allem aber den, dass die Einführung einer durchgängigen Ethernet-Technologie gegenüber dem heute noch üblichen stapelnden Gewusel von ATM, SONET und anderen alten Technologien wirtschaftlich so günstig ist, dass man damit in jedem Fall nur gewinnen kann, gleichgültig welches Versorgungsmodell man darauf betreibt.

Die Grundidee beim Einsatz von paketvermittelnden Netzen auch im Zugangsbereich individueller Endteilnehmer ist einfach: man verwendet für Zugänge, die Datenkommunikation betreiben wollen, auch eine Datenkommunikationstechnologie anstatt eine bestehende Telekommunikationsstruktur, die für die Vermittlung von Telefongesprächen geschaffen wurde, mit der Datenkommunikation zu überlagern.

Hier greifen wir noch mal die Sicht auf, die wir auch schon bei den Überlegungen hinsichtlich der Restrukturierung von Carrier-Netzen hatten. Die Struktur eines Datennetzes unterscheidet sich erheblich von der eines traditionellen Telekommunikationsnetzes. Gründe finden wir in der Technologie aber auch in den Betreiberstrukturen. Um die Technologien effektiv einsetzen zu können, muss man diese Unterschiede verstehen. Ein herkömmliches Telekommunikationsnetz hat einen hochperformanten Kern mit komplexen technischen Einrichtungen. Je weiter wir uns von diesem Kern entfernen, umso einfacher und weniger leistungsfähig werden die Einrichtungen. Aus der Perspektive der Leistung und der Steuerung haben wir ein kernzentriertes Netz mit geringwertiger Peripherie.

Ein Datennetz ist im Grunde genommen genau anders aufgebaut. Die Basiskomponente ist das LAN. Das LAN ist auch mit einer leistungsfähigen Technologie aufgebaut, die aber bei kurzen Distanzen billig ist. Das Low End bei LANs liegt heute bei 10 Megabit/s. Wenn man nun LANs mit einem Datennetz untereinander verbindet, wird die Leistung teurer, weil größere Distanzen überwunden werden müssen und damit teurere Technik benötigt wird. Das bedeutet, dass die Peripherie eines solchen Netzes aus der Perspektive der Leistung und der Steuerung im Gegensatz zum klassischen Telekommunikationsnetz ein sehr starker, leistungsfähiger Teil des Netzes ist, sodass man dieses Netz auch als peripherie-zentrisch bezeichnen könnte. Dieser Begriff scheint zunächst in sich widersprüchlich zu sein, aber es geht ja um die relative Bedeutung einer Teilsystemgruppe.

Diese zwei Typen von Netzen haben jeweils gegensätzliche Charakteristika, die sich letztlich auf strukturkorrelierte Eigenschaften niederschlagen. Wird z.B. ein Telekom-Netz durch eine Kombination von zentraler Kontrolle und Ende-zu-Ende-Kontrolle charakterisiert, so ist ein Netz für die Datenkommunikation seiner Natur nach dezentralisiert. Stärke im Kern steht gegen Stärke in der Peripherie.

Man spricht im Zusammenhang mit klassischen Telekommunikationsnetzen vom Problem der letzten Meile, weil man die Benutzer mit vergleichsweise breitbandigen Diensten versorgen muss. Im Gegensatz dazu ergibt sich beim Datennetz eine Chance der ersten Meile, weil hier ja schon von sich aus Bandbreite vorhanden ist. Man kann als Daumenregel sagen, dass eine strukturell bedingte Eigenschaft in einem Telekommunikationsnetz in einem Datennetz genau entgegengesetzt ist.

weiter mit: Die Kostenstrukturen der beiden Netztypen

Die Kostenstrukturen der beiden Netztypen

Diese Tendenz gilt auch für wirtschaftliche Überlegungen. Dazu sollten wir erst grob die Kostenstrukturen in den beiden Netztypen betrachten. Bei einem Telefongespräch entstehen ca. 80 Prozent der Kosten im Zugangsbereich und der Rest im Netzkern.

Das liegt vor allem daran, dass der Telefonverkehr von Natur aus als verbindungsorientiertes Circuit-Switching durchgeführt wird, was dazu führt, dass der Endbenutzer seine letzte Meile mit niemandem anders teilt, sondern sie für sich alleine benutzt. Der größte Teil der Kosten im Zugriffsbereich ist also darüber hinaus noch von der eigentlichen Nutzung unabhängig. Eine Leitung verschwindet nicht, wenn man nicht auf ihr telefoniert. Das ist z.B. ein starkes Argument für Flatrates.

In Datennetzen ist das genau umgekehrt. Typisch wären z.B. 20 Prozent Kosten für den Zugang und 80 Prozent Kosten für den Kern. Und die „symmetrische“ Erklärung ist, dass es hier genau anders herum funktioniert: bei paketvermittelnden Datennetzen verwendet man Packet Switching mit virtuellen Kanälen. Der Zugriff auf ein Datennetz wird unter der Menge der Benutzer geteilt. Gleichzeitig ergibt sich dadurch eine Begründungen für Tarifierungen, die von der Distanz, dem Volumen oder der Dauer der Übertragung abhängen.

Wir können diese Kostenüberlegungen mit der Überlegung hinsichtlich relativer Investments vervollständigen. Natürlich hängt hier viel von den tatsächlichen Gegebenheiten ab, aber man kann grob folgendes sagen: wenn wir den relativen Investitionswert für den Zugriffsbereich eines Datenkommunikationsnetzes mit dem Wert 1 annehmen, so kostet der Kern eines solchen Datenkommunikationsnetzes 2-3. Der Kern eines Telekommunikationsnetzes kann etwa mit den Kosten 5-6 angenommen werden, und der Zugriffsbereich schlägt sich mit Kosten 20-25 nieder.

Kritisch an dieser Betrachtung ist, dass die Kosten des Kerns eines Datenkommunikationsnetzes als Basisnorm angenommen werden, und diese in einem weiten Bereich schwanken können. Allerdings, was hier etwas grob ausgedrückt wird, bestätigt sich bei allen, auch noch so detaillierten Planungen und Berechnungen und ist letztlich auch der Grund für die großen Probleme traditioneller Betreiber.

So gibt z.B. British Telecom BT an, dass die Ausrüstung von 75 Prozent aller Teilnehmeranschlüsse mit xDSL-Technik ruinös sei, weil man die Kosten nie wieder durch Tarifierungsmodelle hereinholen kann. Grade die xDSL-Technik bietet in der flächigen Anwendung zuweilen teure Überraschungen. Auch US-amerikanische und europäische Wirtschaftsinstitute und Beratungsgesellschaften kommen in teilweise sehr unterschiedlichen Berechnungsmodellen immer wieder auf die gleichen Verhältnisse.

Für die IP-Telefonie ist es heute Standard, ein herkömmliches Telefon zu nehmen, um ein Gateway für das IP- oder Internet zu erreichen. Dann benutzt man das Internet für Fernverbindungen, um letztlich wieder ein Gateway zu erreichen, welches dann über ein fremdes Telekommunikationsnetz zum Ziel-Telefon verbunden wird. Blickt man auf die weiter oben diskutierten Zusammenhänge, werden auf diese Weise jeweils die schlechtesten Eigenschaften der beteiligten Netze kombiniert.

Wenn man daraus noch ein profitables Geschäftsmodell ableiten kann, zeigt das nicht die Überlegenheit einer Technologie sondern die Unverschämtheit eines Geschäftsmodells. Ein Wählzugang zum Internet ist genauso schlimm. Der normale Wähldienst und die Infrastruktur des Telekommunikationsnetzes werden als Überlagerungskonzentrator für den IP-Kern benutzt. Das bedeutet, dass man fast alles benutzt, außer dem guten Kern der Datenkommunikationsstruktur.

Eine der ersten Beobachtungen, die man hinsichtlich der Infrastrukturen machen kann, ist, dass die IP-Infrastrukturen, die wir sehen, offene Strukturen sind, die die Telekommunikationsnetze niemals waren. Der Effekt hiervon ist die strikte Trennung der Infrastruktur von den Diensten, die auf ihr laufen. Also auch in diesem Zusammenhang sind Datenkommunikations- und Telekommunikationsstrukturen sehr unterschiedlich, was dazu führt, dass man für sie auch unterschiedliche Strategien benötigt.