Highspeed – Netze Steffen Otto 2INF02 07/11/18 Steffen Otto

Begleitmaterial Diesen Vortrag sowie Begleitmaterial dazu kann man unter: http://www.fh-merseburg.de/~sotto/ herunterladen. 07/11/18 Steffen Otto

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Highspeed – Netze 2.1 Highspeed wozu? 2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.1 Geschichte 2.2.2 Sprach- und Datenkommunikation 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung 07/11/18 Steffen Otto

Inhaltsverzeichnis 2.3 Datennetze 2.3.1 Das ideale Netzwerk 2.3.2 Highspeed Datennetze 2.3.3 Integrierte Highspeed Datennetze 2.4 Verbindungstechnologien 07/11/18 Steffen Otto

Inhaltsverzeichnis 3 SONET - Synchronous Optical Network 3.1 Geschichte 3.2 Ziele des Designs 3.3 Funktionsweise 3.4 Multiplexing- Hierarchie von SONET 3.5 Beispiel 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs. SONET 3.5.2 Transportverfahren 3.5.3 Datenrate und Management 3.5.4 Anwendungsbeispiel 07/11/18 Steffen Otto

1 Einleitung Hochgeschwindigkeitsnetz stellt eine sehr hohe Datenrate zur Verfügung Untergrenze für lokale Netze bei 100Mbit/s Hochgeschwindigkeitsnetz ist ein Netz dessen Übertragungsgeschwindigkeit im oberen Bereich der für diese Netzwerkklasse möglichen Bitraten arbeitet ATM (Asynchronous Transfer Mode) kann z.B. in jeder Systemklasse für Hochgeschwindigkeit sorgen Entwicklung auf Basis von Lichtwellenleitern hat große Fortschritte gemacht genauso wie neue Steuer- und Kommunikationselektroniken auf LSI-Basis(Large Scale Integration) entwickelt wurden 07/11/18 Steffen Otto Steffen Otto

1 Einleitung Gesamtübertragungsgeschwindigkeit der Netze steigen dadurch immer mehr an Begriff "Hochgeschwindigkeitsnetz“ bezieht sich nicht auf Übertragungsgeschwindigkeit im physikalischen Sinne wie etwa die Signalgeschwindigkeit in einem Übertragungsmedium, sondern auf die bereitgestellte Bandbreite des Netzes 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.1 Geschichte 2 Highspeed – Netze 2.1 Highspeed wozu? 2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.1 Geschichte 2.2.2 Sprach- und Datenkommunikation 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung 2.3 Datennetze 2.3.1 Das ideale Netzwerk 2.3.2 Highspeed Datennetze 2.3.3 Integrierte Highspeed Datennetze 2.4 Verbindungstechnologien 07/11/18 Steffen Otto

2.1 Highspeed wozu? steigende Bandbreitenbedarf in vernetzten Systemen 07/11/18 Steffen Otto

2.1 Highspeed wozu? Hauptanwendung war Backbone- Bereich wo auch die ersten Technologien wie z.B. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) entstanden Bedarf auch im privaten Bereich gestiegen heutzutage Computer werden immer leistungsfähiger und dadurch massive Verbreitung neuer Multimediaanwendungen (Video, Grafik, Spiele usw.) Anwendungen benötigen auch immer mehr Bandbreite was zu einem höheren Bedarf an Highspeed- Netzen führt 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.1 Geschichte war lange Zeit zweigeteilt (Telekommunikation und Datenkommunikation) Datenkommunikation entstand erst in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts als die elektronische Datenverarbeitung und die Notwendigkeit der Datenkommunikation aufkam Grenzen zwischen Telekommunikation und Datenkommunikation (Sprach- Daten- Integration) verwischen heute Suche nach idealer Lösung für beide Kommunikationen Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist z.B. der Schwenk der Telekommunikation zur paketorientierten Technik Realtime Transport Protocol (RTP) berücksichtigt in der Datenkommunikation die Echtzeitanforderungen 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.2 Sprach- und Datenkommunikation beide nutzen heute gleichermaßen die vorhandenen weltweiten Netze Trennung zwischen Sprach- und Datenkommunikation auf grundsätzlich unterschiedlichen Übermittlungsprinzipien Sprachkommunikation arbeitet leitungsvermittelt und verbindungsorientiert Datenkommunikation arbeitet paketvermittelt und verbindungslos 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung Leitungsvermittlung (a) Vermittlungseinrichtung im Telefonsystem sucht einen physikalisch durchgehenden Pfad von Teilnehmer A zu Teilnehmer B 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung Leitungsvermittlung (a) Ende- zu Ende- Pfad muss eingerichtet werden bevor Daten gesendet werden können (kann eine Weile dauern) 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung Leitungsvermittlung (a) nach Verbindungseinrichtung fällt als einzige Datenverzögerung die Ausbreitung des elektrischen Signals an (ca. 5ms je 1000km) 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung Paketvermittlung (b) einzelne Pakete werden bei Bedarf gesendet 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung Paketvermittlung (b) es gibt keine dedizierte Pfadvorgabe 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung Paketvermittlung (b) jedes Paket muss seinen Weg zum Ziel alleine finden 07/11/18 Steffen Otto

2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung 07/11/18 Steffen Otto

2.3 Datennetze 2.3.1 Das ideale Netzwerk komplett transparent für kommunizierende Anwendungen verbindet es Anwendungen mit unbegrenzter Bandbreite (R=∞) und ohne Latenzzeit (D=0) Anwendungen können nicht den Unterschied feststellen ob sie auf dem gleichen Host oder auf anderen Hosts ausgeführt werden sicherlich unerreichbar, aber je schneller die Netze werden und desto besser man sie aufbaut umso näher kann man dem Ideal kommen 07/11/18 Steffen Otto

2.3 Datennetze 2.3.2 Highspeed Datennetze wurden im Hinblick auf den sicheren Transport der Daten entwickelt wesentliche Eigenschaft die semantische Transparenz der Netze d.h. die Anzahl der Übertragungsfehler muss unter einer gewissen Schwelle liegen geringere Rolle spielte die Verzögerung (delay, delay jitter) bei diesem Design FDDI (Fiber Distributed Data Interface) ist einer der wichtigsten Vertreter der Highspeed Datennetze 07/11/18 Steffen Otto

2.3 Datennetze 2.3.2 Highspeed Datennetze Geschwindigkeits- Ausdehnungsdiagramm für einige bekannte Datennetze 07/11/18 Steffen Otto

2.3 Datennetze 2.3.3 Integrierte Highspeed Datennetze integrierten Netze kombinieren Bilder- Sprach- und Daten- Anwendungen in einem Netz Zeittransparenz spielt eine wesentliche Rolle 07/11/18 Steffen Otto

2.3 Datennetze 2.3.3 Integrierte Highspeed Datennetze Geschwindigkeits- Ausdehnungsdiagramm für einige bekannte Integrierte Datennetze 07/11/18 Steffen Otto

2.4 Verbindungstechnologien 07/11/18 Steffen Otto

3 SONET - Synchronous Optical Network 3.1 Geschichte 3.2 Ziele des Designs 3.3 Funktionsweise 3.4 Multiplexing- Hierarchie von SONET 3.5 Beispiel 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs. SONET 3.5.2 Transportverfahren 3.5.3 Datenrate und Management 3.5.4 Anwendungsbeispiel 07/11/18 Steffen Otto

3.1 Geschichte jede Telefongesellschaft hatte zu beginn der Glasfasertechnik ihr eigenes TDM- System (Time Division Multiplexing ) bestand dringender Bedarf an Standardisierung Bellcore begann 1985 mit der Ausarbeitung eines Standards namens SONET (Synchronous Optical Network ) CCITT (heute ITU - International Telecommunication Union) stieg mit ein 1989 SONET- Standard und einer Menge paralleler CCITT- Empfehlungen CCITT Empfehlungen werden als SDH (Synchronous Digital Hierarchy) bezeichnet 07/11/18 Steffen Otto

3.1 Geschichte SDH (Synchronous Digital Hierarchy) unterscheidet sich aber nur in Kleinigkeiten von SONET ist sozusagen das Europäische Äquivalent zu SONET gesamte Telefonverkehr in den USA und großen Teilen der Welt basiert heutzutage auf Verbindungsleitungen mit SONET auf der Bitübertragungsschicht 07/11/18 Steffen Otto

3.2 Ziele des Designs Zusammenarbeit verschiedener Netzbetreiber ermöglichen Definition eines gemeinsamen Signalübertragungsstandards in Bezug auf Wellenlänge, Zeitverhalten, Rahmenstruktur usw. Vereinheitlichung der digitalen Systeme der USA, Europas und Japans basierten alle auf 64kbit/s PCM- Kanälen die aber auf unterschiedliche/inkompatible Weise zusammengefasst wurden Multiplexen von mehreren digitalen Kanälen SONET sollte die Hierarchie auf Gbit/s fortsetzen und auch die Möglichkeit bieten langsamere Kanäle in einem SONET- Kanal zu multiplexen Unterstützung für Betrieb, Verwaltung und Wartung (OAM – Operations, Administration and Management) bereitstellen 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise rein synchrones System Steuerung erfolgt über einen Taktgeber mit einer Genauigkeit von eins zu 109 Taktgeber steuert die Zeitintervalle in denen die Bits über die SONET- Leitungen gesendet werden Sender und Empfänger sind somit bei SONET an einen gemeinsamen Takt gebunden Blöcke mit einer Größe von 810 Byte bilden den SONET- Basisrahmen werden alle 125µs gesendet unabhängig davon ob es Nutzdaten zu senden gibt oder nicht 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise 8000 Rahmen/Sek. werden somit gesendet Passt somit genau zur Abtastrate von PCM- Kanälen die in digitalen Telefonsystemen eingesetzt werden die 810Byte großen SONET- Rahmen kann man als Tabelle sehen die 90 Spalten breit und 9 Zeilen hoch ist somit werden pro Sekunde 8000 mal 8 x 810 = 6.480Bit übertragen eine Datenübertragungsrate von 51,84 Mbit/s kann damit erreicht werden SONET- Basiskanal hat den Namen STS-1 (Synchronous Transport Signal- 1) 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise Abschnitts- Overhead enthält Systemverwaltungsinformationen und wird am Anfang und Ende eines jeden Abschnitts erzeugt und geprüft 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise Leitungs- Overhead wird am Anfang und Ende einer Leitung erzeugt und geprüft 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise Pfad- Overhead enthält z.B. den Header für das Ende- zu- Ende- Pfad- Teilschichtprotokoll und steht in der ersten Spalte des SPE- Blocks 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise Nutzdaten werden auch als SPE (Synchronous Payload Envelope) bezeichnet 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise SONET- Sender sendet unmittelbar nacheinander und ohne Abstand die Rahmen sind keine Daten vorhanden werden Leerdaten gesendet Empfänger „sieht“ nur einen fortlaufenden Bitstrom Rahmen kann der Empfänger nur anhand eines festen Musters erkennen welches sich in den ersten beiden Byte eines jeden Rahmens befindet 87 Spalten fassen 50,112 Mbit/s die für Nutzdaten verwendet werden Nutzdaten beginnen aber nicht immer in Zeile 1 Spalte 4 können an beliebiger Stelle im Rahmen stehen 07/11/18 Steffen Otto

3.3 Funktionsweise Leitungs- Overhead enthält einen Zeiger auf das erste Byte die Tatsache, dass die Nutzerdaten an einer beliebigen Stelle im SONET- Rahmen stehen können erhöht sich auch die Flexibilität des Systems Nutzdaten müssen also nicht zurückgehalten werden wird z.B. gerade ein Leerrahmen gebildet wird sondern können direkt in den Rahmen eingefügt werden 07/11/18 Steffen Otto

3.4 Multiplexing - Hierarchie von SONET optische Träger OC- n (Optical Carrier) ist Bit für Bit gleich dem STS- n bis auf eine geringe Neuordnung der Bits die für die Synchronisation notwendig sind 07/11/18 Steffen Otto

3.4 Multiplexing - Hierarchie von SONET CCITT- basierte Systeme keine Übertragungsrate nahe der 51,84 Mbit/s aufweisen beginnen die SDH (Synchronous Digital Hierarchy) erst bei OC- 3 OC- 18 und OC- 36 wird z.B. in Japan verwendet 07/11/18 Steffen Otto

3.4 Multiplexing - Hierarchie von SONET wie z.B. OC- 3 muss aber nicht gemultiplext werden, sondern kann auch nur Daten von einer Quelle befördern der Buchstabe c (Abkürzung für concatenated, verkettet) wird angehängt OC- 3 bezeichnet eigentlich einen Träger der aus drei getrennten OC- 1 Trägern besteht OC- 3c hingegen bezeichnet hingegen einen Datenstrom der von einer einzigen Quelle mit 155,52 Mbit/s stammt 3 OC- 1 Ströme werden hierbei nach Spalten in einem OC- 3c Strom verschachtelt 1. Spalte von Strom 1 1. Spalte von Strom 2 1. Spalte von Strom 3 2. Spalte von Strom 1 usw. Am Ende erhält man damit einen Rahmen von 270 Spalten und 9 Zeilen 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 10-Gigabit-Ethernet mit SONET/SDH 10GBASE-SW seriell 850 nm mit WAN- Anpassung 10GBASE-LW seriell 1310 nm mit WAN- Anpassung 10GBASE-EW seriell 1550 nm mit WAN- Anpassung 10GBASE - beschreibt Datenrate 10GBit/s auf Basisband W - steht für serielle WAN- Codierung bei der der Datenstrom in das Frameformat gepackt wird, das zu SDH und SONET kompatibel ist drei Wellenlängen: S für 850 nm L für 1310 nm E für 1550 nm 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs. SONET/SDH 10-Gigabit-Ethernet-Task-Force hat optionale Schnittstelle definiert lehnt sich an die Datenraten und Protokolle des SONET OC-192 (SDH STM-64) an 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs. SONET/SDH 10-Gigabit-Ethernet ist im Gegensatz zu SONET ein asynchrones Übertragungsprotokoll Timing- und Synchronisationsbedingungen jeweils nur für ein übertragenes Zeichen gelten 10 Gigabit- Ethernet- Komponenten zur physischen Übertragung mit viel geringeren Kosten implementieren als ihre SDH- Gegenstücke Übertragungsrate für den LAN-Bereich beträgt 10 Gbit/s, die für die Weitverkehrsnetze 9,584640 Gbit/s, sie entspricht damit der SONET OC-192c 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.2 Transportverfahren Ethernet- und IP- Pakete wurden auch bisher schon über SONET- Systeme transportiert paketorientierte Übertragung über SONET- Systeme (Packet- Over- SONET - POS) kommt dafür zum Einsatz Frames werden dabei in POS- Pakete verpackt High- Level Data Link Layer Control (HDLC) sowie das Point- to- Point Protocol (PPP) werden unter anderen als Protokolle verwendet IEEE hat zur Anbindung der Ethernet-Netzwerke das WAN-PHY(Wide Area Network Physical Layer) definiert um die zur Verfügung stehende Bandbreite besser nutzen zu können 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.2 Transportverfahren damit können paketbasierte IP/Ethernet- Switches auch die SONET- Infrastruktur verwenden werden für die physische Übertragung auf Schicht 1 eingesetzt sind unkomplizierter und vor allem preiswerter als SONET- Komponenten 10-Gigabit-Ethernet Komponenten lassen sich nicht direkt an die SONET- Infrastruktur anbinden müssen mit aktiven Komponenten der Schicht 1 (LTE – Line Terminating Equipment) verbunden werden 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.3 Datenrate und Management MAC- Layer fügt zusätzliche Zeichen zwischen den Ethernet-Paketen ein (IPG - Inter Packet Gap) beim Anschluss an ein WAN-PHY Idle Characters sorgen bei reduzierter Nettodatenrate für eine Bruttodatenrate von 10 GBit/s 64B/66B-Kodierung werden die zusätzlichen Bytes entfernt, sodass nur die an SONET angepasste Nettodatenrate übertragen werden muss die WAN-PHY der 10-Gigabit-Ethernet-Komponenten auch die nötigen SONET- Management- Informationen bereitstellen Aufgabe übernimmt der WAN Interface Sublayer (WIS), der zudem das Umpacken der Frames zwischen den SONET- und Ethernet-Formaten besorgt 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel Aufbau, bei dem paketorientierter Verkehr mittels eines 10-Gigabit-Ethernet-Routers mit WAN- PHYs(Wide Area Network Physical Layer) via SONET übertragen wird Pakete werden von der IP- Schicht des Routers A an den 10-Gigabit-Ethernet-Controller übergeben 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel MAC- Layer stellt dort die Ethernet- Frames zusammen und übergibt diese an den PCS- Sublayer (Physical Coding Sublayer) zur 64B/66B-Kodierung daraus resultieren 66-Bit-Worte kontinuierlicher Datenstrom weiter in den WIS- Sublayer (WAN Interface Sublayer) gehen. Diese übergibt die Pakete nun als 16-Bit-Worte an den PMD- Sublayer (Physical Medium Dependent) 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel optische Übertragung mittels eines SONET- LTEs (Line Terminating Equipment) Datenbits werden vom LTE für die synchrone Übertragung ausgeglichen Ausgleich durch so genannten Jitter Elimination Buffer (Zwischenspeicher) das LTE stellt die Management- Informationen zusammen und speist danach den Datenstrom in das Netz 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel LTE auf der Empfängerseite übernimmt nun den Datenstrom und verarbeitet die Management-Informationen Daten werden nun direkt vom Empfänger- LTE an den PMD- Sublayer(Physical Medium Dependent) des Routers B übergeben Router B setzt nun die optischen Signale wieder in elektrische um 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel WIS- Sublayer überprüft und speichert die Management- Information 66-Bit-Worte an den PCS (Physical Coding Sublayer) übergeben welcher die Dekodierung vornimmt und den MAC- Layer aufruft MAC- Layer prüft nun die CRC- Bits packt Ethernet- Frames aus und übergibt das Paket an die IP- Schicht des Routers B 07/11/18 Steffen Otto

3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel 07/11/18 Steffen Otto

ENDE?!? 07/11/18 Steffen Otto