Die Kombination von Ethernet und SDH ermöglicht die nötige „Quality of Service“

Triple Play Die Kombination von Ethernet und SDH ermöglicht die nötige „Quality of Service“

28.11.2006Autor / Redakteur: Markus Weber* / Johann Wiesböck

In der Zukunft wird sich die Ethernettechnologie immer weiter in die Kernnetzwerke ausbreiten. Die hier vorgeschlagene Lösung ist ein erster Schritt in diese Richtung. Sie ermöglicht die Umstellung des Zugriffsnetzwerkes, sei es die letzte Meile in Form von Ethernet-PON, oder die Anbindung von IP-DSLAMs bzw. IP-Basestations an das SDH-Netzwerk. Die Datenraten an den Schnittstellen zu SDH sind zur Zeit maximal GBit-Ethernet. In ein paar Jahren wird man aber auch reine Ethernetnetzwerke in Metropolitan Area Networks (MAN) sehen.

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Mit der Einführung von Breitbandinternetverbindungen für Privatkunden um die Jahrtausendwende wurde die Basis für neuartige Telekommunikationsdienste geschaffen. Neben der bisher bekannten Nutzung der Festnetzleitung für Telefonie und Dial-Up Verbindungen zum Internet (E-Mail, WWW) boten neue Technologien wie DSL genügend Bandbreite, um auch Videodaten zu übertragen. In der Folge, speziell während des „Internet-Bubbles“, suchte man nach „Killerapplikationen“, die schnelle Internetverbindungen auch für die breite Masse attraktiv machen sollten.

Dadurch erhoffte man sich auch einen kommerziellen Nutzen. Obwohl keine solche Applikation gefunden wurde und die Blase ein paar Jahre später platzte, hatte dies nur sehr wenig Auswirkungen auf die Verbreitung von Breitbandtechnologien (Bild 1).

Flatrate für Internet-Telefonie bereitete Weg zu echtem Triple Play

Der endgültige Durchbruch kam allerdings erst mit attraktiven Flatrateangeboten und immer höheren Bandbreiten. Video und Musik Downloads fanden immer mehr Freunde. Flatrates für Internet-Telefonie bereitete den Weg zu echtem Triple Play, das mit den neuen IPTV-Angeboten abgerundet wird.

Diese dramatischen Veränderungen sowohl in der Zugangstechnologie, den Diensten als auch im Benutzerverhalten hatten auch deutliche Auswirkungen auf die Telekommunikationsnetze. Die Anforderungen an die Bandbreite des Kernnetzwerkes verdoppelt sich alle 9 bis 12 Monate, wie auch ein Blick auf die Statistik des Frankfurter Internet-Kontenpunkts in Bild 2 zeigt. Dieser neue Bedarf konnte durch den vermehrten Einsatz von 10G (STM-64)-Systemen im Kernnetzwerk befriedigt werden. So wuchs die Anzahl von STM-64-Verbindungen um jährlich mehr als 20% seit 2005.

Ein grösseres Problem stellt die Tatsache dar, dass in den Zugangsnetzwerken nun mehrere Dienste mit underschiedlichen Anforderungen über die selbe physikalische Verbindung bereitgestellt werden. Traditionelle Telekommunikationnetzwerke nach dem SDH-Standard arbeiten verbindungsorientiert. Ist eine Verbindung hergestellt, liefert sie eine garantierte Datenrate, wird automatisch überwacht und kontrolliert. Unabhängig von der tatsächlichen Auslastung wird die Verbindung über das gesamte Netzwerk aufrechterhalten und die entsprechende Bandbreite reserviert.

Die SDH-Technologie bietet damit Carrier-Grade-QoS (Quality of Service), d.h. eine sehr kleine Ausfallrate und gleichbleibende Bandbreite. Dieses zuverlässige Verfahren wird flächendeckend in den Kernnetzwerken in Europa eingesetzt.

Im Gegensatz dazu steht Ethernet. Ursprünglich als Protokoll zur Verbindung von PCs entwickelt, bedient sich Ethernet einer „Best-Effort“ Methode. Datenverluste bei der Übertragung werden akzeptiert und durch höhere Protokollebenen (z.B. TCP/IP) durch erneutes Senden kompensiert. Dieser Ansatz ermöglicht sehr kostengünstige Geräte, hat aber Definizite, wenn es um den Transport von Daten über grössere Strecken in Echtzeit geht.

Durch den Kostenvorteil setzte sich Ethernet zuerst im PC Netzwerk durch (LAN) und drängt nun mehr und mehr in die Zugangsnetzwerke. In einigen Europäischen Ländern (z.B. Holland, Schweden) wird schon natives Ethernet zum Endkunden angeboten, in Amerika und Asien ist E-PON (Ethernet Passive Optical Networks) eine weitverbreitete Zugangsmethode. In Deutschland sieht man Ethernet vor allem im Backhaul Netzwerk, also der Verbindung zwischen z.B. DSLAM oder Basisstation zum Kernnetzwerk.

Mapping-Bausteine für die Schnittstelle zwischen Zugangs- und Kernnnetzwerk

An der Schnittstelle zwischen Zugangs- und Kernnetzwerk sind sogenannte Mapping Bausteine erforderlich. Ein gutes Beispiel für solch einen Baustein ist der von Fujitsu Microelectronics entwickelte Ethernet-Over-SDH/Sonet-Baustein MB87M2181. Er ist speziell konzipiert für die heutigen Anforderungen, die von einer Übergangsphase von traditionellen PDH (Plesiosynchronous Digital Hierachy) basierenden Schnittstellen zu Ethernet als Übergabestandard zwischen Zugriff- und Kernnetzwerk gekennzeichnet sind.

Die Kombination von E1/DS1-Ports und Ethernet-Ports mit den entsprechenden standardkonformen Mapper, einem TDM-Cross-Connect und direkten SDH/Sonet-Line-Interfaces ermöglicht sehr kompakte und kostengünstige Systeme (Bild 3). Ähnliche Herausforderungen stellen sich auch beim Aufbau der Infrastruktur für drahtlose Kommunikation.

Auch hier geht der Trend von E1 zu Ethernet als Schnittstelle zur Basisstation. Eine mögliche Lösung ist das MB87M2181 basierende BX21-System von AimBridges. Es erfüllt alle Anforderungen für diese Anwendungen: standardisierte Schnittstellen, neueste Mappingverfahren (GFP, VCAT, LCAS) zur effizienten Nutzung der verfügbaren Bandbreite und vollen Integration in die Netzwerkmanagementstruktur des Service-Providers.

Endkunden fordern zunehmend höhere Bandbreiten

Um Kosten zu sparen, hält man bei Zugangsnetzen zu Endkunden aber nicht die maximal geforderte Bandbreite permanent zur Verfügung. Service-Provider schätzen die Datenratenanforderung eines Endkunden zur Zeit auf ca. 20 Mbps. Ende des Jahrzehnts erwartet man schon 50 Mbps pro Endkunde. Die feste Zusicherung dieser Bandbreite für jeden Endkunden auch im Metro- und Corenetzwerk würde zu einer Kostenexplosion führen.

Zur Lösung des Problems macht man sich die Tatsache zu Nutzen, dass die verschiedenen Dienste wie Sprache (Voice-over-IP), Video (IPTV) als auch Daten (E-Mail, web browsing) sehr unterschiedliche Anforderung an die Übertragungsqualität haben (Tabelle).

Da aber alle Dienste über das selbe Medium übertragen werden, müssen die entsprechenden Zugangsgeräte zwischen verschiedenen Diensten unterscheiden können, sie müssen „service aware“ sein. Dies ist nur auf der Ethernetebene, vor dem Übergang in das SDH-Netzwerk möglich. Eine ideale Lösung bietet hier der speziell für Telekomanwendungen entwickelte Ethernetswitch Xpeedium2pro (CXE-2139) von SwitchCore.

Dieser Baustein bietet 4096 verschiedene Bandbreitenprofile (Traffic Classes) pro Port. Pro Profil ist die zugesicherte Bandbreite, der verfügbare Puffer sowie verschiedene Prioritäten programmierbar. In einer realen Anwendung wird nun jedem Dienst ein Profil zugewiesen. Das Profil für IPTV wird so programmiert, dass für diesen Dienst eine hohe Bandbreite zur Verfügung steht und keine Datenverluste zu erwarten sind.

Dies erreicht man, indem man eine hohe Priorität sowohl bei der Übertragung als auch beim Puffern von Paketen zuweist. Für Voice-over-IP wäre das Zwischenpuffern von Daten nicht so wichtig, da die Protokolle die Möglichkeit eines kurzen Datenverlusts tolerieren. Verbleibende Bandbreiten können dann dynamisch anderen Diensten zugewiesen werden. Die gesamte Systemarchitektur ist in Bild 4 dargestellt.

Bausteinarchitektur löst verschiedene Probleme in Zugangsnetzen

Mit dieser Architektur lassen sich die verschiedenen Probleme in Zugangsnetzwerken lösen. Von der Anwenderseite kommend, sei es nun über DSL, PON oder natives Ethernet, ermöglicht der Carrier-Class-Ethernetswitch Xpeedium2pro die feine Unterscheidung zwischen den aktuell aktiven Diensten. In Überlastsituationen entscheidet er, basierend auf verschiedenen VLAN tags, über die Priorität der einkommenden Daten, transportiert die „wichtigsten“ Daten zuerst, puffert weniger wichtige Daten und verwirft unwichtige.

Im Gegensatz zu traditionellen Ansätzen, ohne Ethernetswitch, steht aber auch weniger anspruchsvollen Anwendungen, wie E-Mail, die volle verfügbare Bandbreite zur Verfügung, falls keine anderen Dienste aktiv sind. Nach diesem Shaping- und Provisioning-Schritt auf Ethernetebene, werden die Paketdaten im MB87M2181-Ethernet-Mapping-Baustein in TDM-Daten gewandelt. Auch hier ist ein weiterer Shaping- und Provisioning-Schritt möglich, um sich der im Netzwerk verfügbaren Datenrate anzupassen.

Zusammen mit möglicherweise vorhandenen E1-Daten, werden die empfangenen Pakete in die SDH-Struktur des Providernetzwerkes eingeführt. Der im MB87M2181 integrierte SDH-Add-Drop Multiplexer und die SDH-Overheadgenerierung und -terminierung machen das System zu einem vollständigen Netzwerkelement. Das Element lässt sich zentral administrieren (remote management), was für Telekomsysteme unerlässlich ist.

Es ermöglicht nicht nur die permanente Überwachung, die genaue Lokalisierung von Fehlern sondern auch das effiziente Anbieten von Diensten. So kann eine Erhöhung der Datenrate zu einem Endkunden z.B. von 10 Mbps auf 50 Mbps ohne den Einsatz eines Servicetechnikers oder den Austausch von Geräten vorgenommen werden.

Ethernet breitet sich in Kernnetzwerken immer weiter aus

MAN sind Netzwerke, die einen Umkreis von bis zu 40 km abdecken. Der Übergang zum traditionellen Telekomnetzwerk wird dann mit Datenraten von 10 Gbps erfolgen. Das Kernnetzwerk übernimmt dann die Aufgabe eines reinen Transportnetzwerkes. Es hat das Problem der sicheren Übertragung von grossen Datenmengen über weite Strecken zu lösen. Hier setzt man heute schon vermehrt auf Methoden, die eine Fehlerkorrektur nach der Übertragung ermöglichen.

Der existierende ITU-Standard für Optische-Transport-Netzwerke (OTN) beinhaltet Forward-Error-Correction (FEC)-Verfahren und erlaubt damit die fehlerfreie Übertragung über bis zu mehrere tausend Kilometer. Das direkte Einbinden von 10-GBit-Ethernet Signalen in die OTN Struktur löst ein immer noch bestehendes Manko des Ethernet Standards, das Fehlen einer Methode für die sichere Datenübertragung über lange Strecken. Spezielle Bausteine von Fujitsu Microelectronics werden auch für diese Anforderungen hoch integrierte und standardisierte Lösungen in der nahen Zukunft ermöglichen.

Fujitsu Microelectronics Europe, Tel. +49(0)6103 6900

*Markus Weber ist Manager für Networking ASSP bei Fujitsu Deutschland.

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