Optische Weitverkehrsnetzwerke Gerrit Kalkbrenner

Gliederung Einleitung Veränderte Verkehrsbedingungen Schichten IP über ATM über Sonet über WDM IP über WDM: Gigabit Ethernet framing Beispiel DPT, CA*net 3 Mechanismen für QoS Recovery in optischen Netzwerken Schlußfolgerung

Bandbreiten und Moors‘s Law

Änderungen der Verkehrscharakteristik Verkehrszunahme Neue Anwendungen Fraktale Charakteristik Asymetrie Stauungen an WEB-Punkten

Verkehrszunahme

Vorhersagen Internet-Volumen doppelt alle 6 Monate die aggregierte Bandbreite für das Internet in den USA: 35 TB/sec Weitverkehrsnetze werden zu 75% ausgelastet, auch 2,4 Gbit-Leitungen

Neue Anwendungen Mensch zu Mensch Mensch zu Computer Telephonie, Videokonferenzen, immersive-/ Virtuelle Realität, Internetspiele Mensch zu Computer WWW, Sprach- und Videoabruf Computer zu Computer WWW-Caching, Multicast Einspeisungen, Batch-Verarbeitung, Datenbanken, email-Vermittlung, Voice-Mail, Tauschbörsen

Anforderungen Mensch zu Mensch Mensch zu Computer Computer zu Computer Auge und Ohr weisen sehr kurze Pufferzeiten auf, daher untolerant gegenüber delay und jitter Mensch zu Computer Kann mit „best effort“ übertragen werden, da Puffer vorgesehen werden können Computer zu Computer „best effort“ auf IP-Netzwerken

Aussage Wenn zukünftige Netzwerke lediglich für „Computer zu Computer“ oder „Mensch zu Computer“ eingesetzt werden, können die Anforderungen mit hohen Bandbreiten (big Pipe) und „best effort“ erfüllt werden.

Fraktale Charakteristik Telefonie Internet 1 Benutzer 100 Benutzer 1 mio Benutzer

Verkehrsasymetrie 20:1 Regionales Netzwerk 4:1 6:1 Backbone Netzwerk 3:1 2:1 Ser- ver MS Nets cape Ser- ver Andere Regionen

Verkehrsasymetrie Beobachtung: aktuelle WAN wurden für den symetrischen Gesprächsverkehr entwickelt Schlußfolgerung: Ein Teil der verfügbaren Bandbreite bleibt ungenutzt, die andere Seite ist überlastet.

Stauungen in Netzwerken

Serverbasierte Stauungen Schlechte Nachricht: Nutzern des Internet wird das Netzwerk vermutlich immer verstopft vorkommen. (Provider können eine Entlastung ausschließlich durch Spiegelung und Caching begegnen) Gute Nachricht: von einem Ausfall (Bagger oder Verlust eines WDM-Kanales) nimmt der Nutzer keine Notiz.

Schichtungen in Weitverkehrsnetzen Varianten der Ausführung Gigabit Ethernet DPT

IP Transport IP router IP router Layer 3 ATM switch Fast Frame Relay swich Layer 2 ATM transport SDH terminal SDH terminal Layer 1 Photonic Network WDM, OCS Optisch

IP über ATM über SDH IP PAD+CRC ATM-Cellen AAL5 Last ATM-Cellen eingebettet in SDH

IP über ATM über SDH über WDM Router STM 16cATM z.B. 32 Lichtfarben OADM OADM OADM OADM ATM STM 1/ATM IP Router

Nachteile ATM Signifikanter Overhead Einrichtung von VCs Zahl der VCs wächst exponentiell mit der Zahl der IP Router In der Regel Verwendung permanenter VCs Aufwendige Unterstützung für IP

Overhead von IP über ATM über SDH Paketlänge Sum-me Kommentar IP 350 0% LLC / SNAP 358 2% 8 octet AAL5 390 10% Füllen der letzten Zelle ATM 431 19% ATM OH, 5 je 48 SDH 447 22% STM1(155) bietet 121 MB/sec Kapazität

Overhead von IP über ATM Paketlänge Sum-me Kommentar IP 350 0% LLC / SNAP 358 2% 8 octet AAL5 390 10% Füllen der letzten Zelle ATM 431 19% ATM OH, 5 je 48 OAM 432 OAM-Overhead STM1 bietet 126 MB/sec Kapazität

IP über SDH über WDM SONET / SDH Framing Point to Point Protocol (PPP) PPP in HDLC- framing PPP über Simple Data Link (SDL)

Vorteile: SONET / SDH Für Telefonie: kein Jitter Leitungsregeneration Netzwerkmanagement und Signalisierung Für Telefonie: Restauration und Protection

Nachteile: SONET / SDH 8 KHz Sprachsynchronisation Synchroner Rahmen: Platzierung von Paketen im Frame oder über Frame-Grenzen hinweg Overhead durch Ausfallsicherung Teuer durch SDH-Regeneration

IP über SDH über WDM SDH ADM STM OLA WDM mux STM IP Router IP IP

IP über SDH Genauer: IP / PPP / HDLC (SDL) / SDH PPP bietet: Multiprotocol-Encapsulation Fehlerkorrektur Link-Initialisierung HDLC (SDL) bietet: Anpassung an den synchronen SDH-tranport-link

PPP Methode zur Kapselung beliebiger Protokolle Link Control Protocol (LCP) für Aufbau, Konfiguration und Test von Verbindungen

PPP Kapselung Protokoll 8/16 bit Information Füllung erfordert „framing“, um den Beginn des Paketes zu kennzeichnen Protokoll: Kennzeichnung der Datagramme Information: 0 oder mehr Byte Payload Füllung: Anpassung an Framgröße

PPP in HDLC Reservierung bestimmter Flags und Escape für Inhalte 01111110 Adresse 11111111 Control 00000011 Protokoll 8/16 bit Information Füllung FCS 16/32 bit Flag 01111110 Füllung oder nächste Adresse Reservierung bestimmter Flags und Escape für Inhalte 01111110 codiert als 01111101 01011110

Overhead von IP über SDH Paketlänge Sum-me Kommentar IP 350 0% PPP /HDLC 358 2% 8 octet OH für Pakete, die kürzer als 1500 Byte sind SDH 371 6% SDH OH: 10 je 270 STM1(155) bietet 146 MB/sec Kapazität

IP über PPP über Simple Data Link (SDL) HDLC framing hat im schlimmsten Fall 100 % OH für alle transportierte Daten SDL hat einen festen 8 Oktett Rahmen und keinen OH für Daten

SDL Framing Header ist DC bereinigt durch x-or mit B6AB31E0 Paketlänge Header CRC PPP Kontrollfelder ... Paket CRC Header ist DC bereinigt durch x-or mit B6AB31E0

SDL Framing Payload der Größe 65536 Oktett Header der festen Größe von 4 Byte Paketlänge ist ein 16 Bit Wert Header CRC ist 16 Bit PPP-Paket ohne Padding Füllung zwischen Frames: leere Pakete

Overhead von IP über SDL über WDM Paketlänge Sum-me Kommentar IP 350 0% PPP 352 1% 2 Byte pro Frame SDL 360 3% 8 Byte OH durch CRC STM1(155) bietet 151 MB/sec Kapazität

IP über WDM, Gigabit Ethernet Architektur Gigabit Ethernet Frame Overhead Berechnung Vor- und Nachteile

IP über ATM über SDH über WDM Router z.B. 32 Lichtfarben OADM OADM OADM OADM GE Switch IP Router IP Router

Gigabit Ethernet Framing Idle 12 Preamble 7 Start frame delimiter 1 Ziel-Adresse 6 Quell-Adresse Frame Länge 2 Logic Link Control Feld + Payload Maximal 1500 oktet ... Frame Check Sequenz 4

Overhead von Gigabit Ethernet Paketlänge Sum-me Kommentar IP 350 0% GbE 388 10% GbE framing: 38 Byte /Paket Line Code 485 28% 8B/10B gibt 1,25 GB/sec Ein GbE-Link bietet 902 Mb/sec

Gigabit Ethernet Vorteile Frame-Größe gleich Paket Größe, daher Paket Switching ist einfacher Datenformat ist konsistent zum LAN-Format Low Cost Gerätschaft (kein SDH) Kommender Standard 10 Gigabit Ethernet entspricht OC-192 (9,6 Gbit) Management via MIP und SNMP Standard für viele Hersteller

Gigabit Ethernet Nachteile 8B/10B Block Coding ist nicht sehr effizient kommendes 10 Gb Ethernet verwendet andere Codierung Kein „Out Band“ Management oder Monitoring

Neue Technik: DPT Dynbamic Packet Transport Bandbreitenvertilung Management Kosten CA*net3

Dynamic Packet Transport Propritäre Technik von Cisco Selbstheilende optische Ringe Statistical Multiplexing Nutzung beider Richtungen Integriertes Netzwerk Managemet

Dynamic Paket Transport

Nutzung beider Ringe Spacial Reuse Destination Stripping FDDI und Token Ring: Source Stripping SRP Fairnes Algorithmus Globale Fairnes Lokale optimierung Skalierbarkeit auf 128 Knoten

Räumliche Nutzung R R R R R

Fehlerfall R R R R R

Hierarchische Ring-Architektur Internet Backbone R R

CA*net 3 Erstes nationales optisches Netzwerk der Welt Erstes Netzwerk von Grund auf für Internet Partner Nortel, Newbridge, Cambrian, CISCO, Bell Individuelles DWDM direkt gekoppelt mit Router Selbstheilende Ringe ersetzen Mechanismen aus SDH oder ATM

Quellen PPP, RFC 1661 PPP über SONET, RFC 1619 PPP in HDLC Framing, RFC 1662 P. Bonenfant: Optical Data Networking“ IEEE Communications, VOL 38 März 2000 N.Ghani „On IP-over-WDM Integration“ IEEE Communications Vol 38, März 2000

Quellen B.Doshi “Simple Data Link (SDL) Protocol: An efficient and Low comlexity Data link Protokol for High-speed Packet Networks Dynamic Packet Transport Technology and Application Overview“ White Paper Cisco T.W.Chung. „Architectural and Enginering Issues for Building an optical Inernet“ 1999, http:www.canet2.net