WAN. WAN - Techniken. Weitverkehrsnetze. ATM zur Integration von Daten- und Telekommunikation. Packet Switching

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1 Weitverkehrsetze Überbrücke beliebig großer Distaze. Meist zur Abdeckug eies Lades oder eies Kotiets. Topologie fast immer irregulär, weil bedarfsorietiert. Daher steht hier icht der gemeisame Zugriff auf ei Medium im Vordergrud, soder der Gedake Wie schaffe ich es, möglichst viele Date schell ud zuverlässig über eie lage Leitug zu bekomme. Meist recht komplexe Zusammeschaltug vo Teiletze, die im Besitz vo uterschiedliche Betreiber sid. Kei Broadcast, soder Pukt-zu-Pukt-Verbiduge Reichweite: mehrere 000 km WAN Beispiele: Frame Relay Asychroous Trasfer Mode, ATM Sychroous Digital Hierarchy, SDH 57 WAN - Techike Poit-to-Poit Liks Bereitstellug eies eizele WAN-Kommuikatiospfades vom Kude zu eiem etferte Netzwerk Beispiel: Telefogesellschaft. Oft erfolgt ei Leasig vo Kommuikatiosressource bei dem Abieter Die Abrechug der Ressource basiert auf der beötigte Badbreite ud der Etferug zum Empfäger Circuit Switchig Eie Dateverbidug wird bei Bedarf aufgebaut, ach Beedigug der Kommuikatio werde die Ressource wieder freigegebe Beispiel: Itegrated Services Digital Network, ISDN Packet Switchig 'Erweiterug' des Circuit Switchigs bzw. der Poit-to-Poit Liks gemeisame Nutzug vo Ressource eies Abieters durch mehrere Nutzer, d.h. Nutzug eier physikalische Verbidug durch mehrere virtuelle preisgüstiger als die adere Methode 58 Packet Switchig Packet Switchig ist die gebräuchlichste Techik zur Kommuikatio i eiem WAN. Der Abieter der Kommuikatiosressource erstellt virtuelle Verbiduge (Virtual Circuits) zwische de etferte Statioe, die Date werde i Form vo Datepakete übertrage. Beispiele: ATM, SDH, Frame Relay, OSI X.5 Zwei Arte vo Virtual Circuits: Switched Virtual Circuits (SVCs) Geeiget bei sporadisch auftretedem Bedarf ach Dateübertragug. Eie virtuelle Verbidug wird aufgebaut, die Date werde übertrage, ach der Übertragug werde die Ressource wieder freigegebe. Permaet Virtual Circuits (PVCs) Geeiget bei permaet beötigte Kommuikatiosressource. Die Verbidug besteht dauerhaft, es gibt ur die Phase der Dateübertragug. ATM zur Itegratio vo Date- ud Telekommuikatio Telekommuikatio: Primäres Ziel: Telefoie verbidugsorietiert feste Zuteilug vo Ressource Leistugsgaratie ugeutzte Ressource verfalle gerige Ede-zu-Ede Verzögerug Time Divisio Multiplexig badwidth allocatio t Datekommuikatio: Primäres Ziel: Datetrasfer verbidugslos flexible Zuteilug vo Ressource keie Leistugsgaratie effiziete Nutzug vo Ressource variable Ede-zu-Ede Verzögerug Statistical Multiplexig badwidth allocatio t 59 60

2 Eigeschafte vo ATM ITU-T-Stadard (bzw. ATM-Forum) für Zellübertragug Itegratio vo Date-, Sprach- ud Videoübertraguge kombiiert Vorteile vo: - Circuit Switchig (garatierte Badbreite, kostate Verzögerug) - Packet Switchig (flexible ud effiziete Übertragug) zellbasierte Multiplexig- ud Switchigtechik Verbidugsorietierte Kommuikatio: es werde virtuelle Verbiduge aufgebaut Zusicherug vo Qualitätsmerkmale für die gewüschte Verbidug (Badbreite, Verzögerug, ). Dazu werde i de Switches Ressource reserviert. Keie Flusskotrolle oder Fehlerbehadlug Uterstützt PVCs, SVCs ud verbidugslose Übertragug Daterate: 4, 55 oder 6 (Glasfaser) Mb/s Asychroous Trasfer Mode Asychroous Trasfer Mode (ATM) keie Leitugs- oder Paketvermittlug, soder Zellvermittlug feste Zellgröße: 5 Byte Zellmultiplexig auf eier ATM-Verbidug: Nutziformatio (Payload) 48 Byte Zellkopf (Header) 5 Byte asychroes Zeitmultiplexig mehrere virtueller Verbiduge kotiuierlicher Zellstrom ubeutzte Zelle werde leer verschickt Bei Überlast werde Zelle verworfe leere Zelle 6 6 Zellgröße bei ATM ATM-Netzwerk t=5 µs Kotiuierlicher Datestrom mit Abtastrate /5 µs T D = 6 ms Problem: Verzögerug des Zellstroms beträgt bei Sprache 6ms: 48 Samples mal 8 Bit = 48 Byte = Payload für eie ATM-Zelle größere Zelle verursache zu große Verzögeruge bei Sprachübertragug kleiere Zelle erzeuge zu viel Overhead (Header / Payload - Verhältis) d.h. 48 Byte ist ei Kompromiss. header overhead 00% packetisatio delay 0ms Arte vo Kompoete: ATM Switch Versedug vo Zelle durch das Netz durch Switche. Dazu werde die Zellheader eigeheder Zelle gelese ud ei Update der Iformatioe vorgeomme. Daach werde die Zelle weiter zum Ziel geswitcht. ATM Edpoit Ethält eie ATM Network Iterface Adapter, verbidet also adere Netze mit dem ATM-Netz. ATM Edpoit Router LAN Switch ATM-Netzwerk % 5ms cell size [bytes] 6 Workstatio ATM Switch 64

3 Aufbau vo ATM-Zelle Zwei Header-Formate: Kommuikatio zwische Switches ud Edpoits: User-Network Iterface (UNI) Kommuikatio zwische zwei Switches: Network-Network Iterface (NNI) GFC - Geeric Flow Cotrol Nur bei UNI, zur lokale Regelug des Zuflusses vo Date i das Netz. Typischerweise ubeutzt. Bei NNI werde diese Bits beutzt, um das VPI-Feld zu vergrößer. PTI - Payload Type Idetifier Bit Byte Byte Byte Byte 4 Byte 5 GFC/VPI VPI Beschreibt de Ihalt des Dateteils, z.b. Beutzerdate oder verschiedee Kotrolldate CLP - Cell Loss Priority Ist das Bit, ka die Zelle bei Überlast verworfe werde. HEC - Header Error Cotrol CRC über die erste 4 Byte; ka eizele Bitfehler korrigiere. VCI HEC PTI VPI CLP 65 ATM - Switchig Vor Begi der Kommuikatio muss eie virtuelle Verbidug aufgebaut werde. Die Switche im Netz sid für die Weiterleitug akommeder Zelle auf die richtige Ausgagsleituge zustädig. Dafür verfügt der Switch über eie Switchig-Tabelle. Eigagsleituge Switch Ausgagsleituge Switchig Tabelle Alter Neuer Eigag Header Ausgag Header a c a d Die Header-Iformatioe, die i der Switchig-Tabelle verwedet werde, sid VPI (Virtual Path Idetifier) ud VCI (Virtual Chael Idetifier). Wird eie Verbidug über ATM aufgebaut, bekommt der Seder VPI ud VCI zugewiese, jeder Switch auf der Strecke trägt ei, wohi er Zelle mit diese Iformatioe weiterleite soll. b e 66 VCI VCI VCI VCI 4 VCI 5 VCI 6 Pfad- ud Kaalkozept vo ATM Physikalische Verbiduge ethalte Virtual Paths (VPs, eie Gruppe vo Verbiduge) VPs ethalte Virtual Chaels (VCs, logische Kaäle) VPI ud VCI habe ur lokale Bedeutug ud köe vo de Switches geädert werde. Die Treug vo VPI ud VCI führt eie Hierarchie auf de Pfadidetifikatore ei. Damit: Reduktio des Umfags der Switchig-Tabelle. Es gibt Arte vo Switches im ATM-Netz: VPI VPI VPI Virtual Path Switchig VP Switch VP-Switch VPI 4 VPI 5 VPI 6 VCI VCI 4 VCI 5 VCI 6 VCI VCI Virtual Chael Switchig VPI VC Switch VCI VCI VCI 4 VCI VP/VC-Switch VPI VPI VCI VCI 4 67 Schichte bei ATM Statio Higher Layers ATM Adaptatio Layer Switch Switch Statio Higher Layers ATM Adaptatio Layer überträgt ATM-Zelle über das Medium geeriert Prüfsumme (Sede) ud verifiziert diese (Empfag); evtl. Zelle verwerfe geeriert Header bis auf Prüfsumme (Sede) ud extrahiert Ihalt (Empfag) zustädig für Verbidugsummer (Virtual Path ud Virtual Chael Idetifier) ATM Adaptatio Layer (AAL) passt uterschiedliche Aforderuge höherer Schichte a de a zerteilt größere Nachrichte ud setzt sie beim Empfäger wieder zusamme 68

4 Diesteigeschafte vo ATM Kriterium Übertragugsrate Sychroisatio (Quelle-Ziel) Maximale ausgehadelte Zellrate Awedugsklasse A B C D Maximale ud Dyamische Durchschittswerte Rateapassug a freie Ressource Bitrate kostat variabel Verbidugsverbidugsorietiert Modus Aweduge: Adaptatio Layer (AAL): Ja Bewegtbildkommuikatio Telefoie Videokofereze AAL AAL Nei Nimm was Du kriege kast verbidugslos Datekommuikatio Dateitrasfer Mail AAL AAL 4 AAL 5 69 Verkehrsklasse AAL : CBR - Costat Bit Rate, determiistischer Diest Charakterisiert durch garatierte feste Bitrate Parameter: Peak Cell Rate (PCR) AAL : VBR - Variable Bit Rate (real time/o-real time), statistischer Diest Charakterisiert durch garatierte durchschittliche Bitrate. Somit auch geeiget für burst-artige Verkehr. Parameter: Peak Cell Rate (PCR), Sustaiable Cell Rate (SCR), Maximum Burst Size AAL : ABR - Available Bit Rate, lastabhägiger Diest Charakterisiert durch garatierte miimale Bitrate + lastabhägige, zusätzliche Bitrate (adaptive Apassug) Parameter: Peak Cell Rate, Miimum Cell Rate AAL 4: UBR - Uspecified Bit Rate, Best-Effort-Diest Charakterisiert durch keie garatierte Bitrate Parameter: Peak Cell Rate Last PCR Last PCR SCR Last ABR/ UBR adere Verbiduge Zeit Zeit Zeit 70 Traffic Maagemet Coectio Admissio Cotrol Reservierug vo vo Ressource währed des des Verbidugsaufbaus (Sigalisierug) Vergleich zwische Verbidugsparameter ud ud verfügbare Ressource Verkehrsvertrag zwische Nutzer Nutzer ud ud ATM-Netzwerk Usage Usage Parameter Cotrol // Network Parameter Cotrol Test Test auf auf Koformität des des Zellstroms gemäß de de Parameter des des Verkehrsvertrags am am User User Network Iterface (UNI) (UNI) oder oder Network Network Iterface (NNI) (NNI) Geeric Cell Cell Rate Rate Algorithmus // Leaky Leaky Bucket Bucket Algorithmus Switch Switch Cogestio Cotrol (primär für für UBR) UBR) Selektives Lösche vo vo Zelle Zelle zur zur Eihaltug vo vo Leistugsgaratie im im Fall Fall vo vo Überlast Flusskotrolle für für ABR ABR Rückmeldug des des Netzzustades über über Ressource Maagemet Zelle Zelle a a die die ABR- ABR- Quelle Quelle zur zur Apassug der der Sederate ud ud faire faire Zuteilug der der Badbreite Itegratio vo ATM i bestehede Netze Was macht ATM? ATM bietet höhere Schichte eie Schittstelle ählich wie TCP. ATM bietet zusätzlich QoS-Garatie (Quality of Service). ATM hatte bei seier Eiführug Probleme: Es existierte kaum Aweduge, die direkt auf ATM aufsetzte. Im Iterworkig vo Netze war TCP/IP Stadard. Ohe TCP/IP-Abidug ließ sich ATM icht verkaufe! Daher wurde verschiedee Lösuge für ATM vorgeschlage, z.b. IP over ATM (vo der IETF) LAN Emulatio (LANE, vom ATM Forum) 7 7

5 Etheret ud ATM Fast/Gigabit Etheret : Primäres Ziel: Badbreite keie keie QoS-Garatie Isolatio vo vo Verkehrsströme durch durch physikalische Treug (Router, Switche, Liks) Liks) keie keie Priorisierug vo vo Ströme kei kei Schutz Schutz gege gege kokurrierede Verkehr geriger Preis Preis sehr sehr hohe hohe Badbreite ATM : Primäres Ziel: Itegratio, QoS feste feste QoS-Garatie Isolatio vo vo Verkehrsströme durch durch logische Treug Priorisierug vo vo real-time Ströme CAC CAC schützt aktive aktive Verbiduge hoher hoher Preis Preis skalierbare Badbreite Zukuft vo ATM ATM im LAN-Bereich: zu hohe Koste für die Hardware zu starke Kokurrez durch etablierte Techike wie Fast Etheret etc. ATM im WAN-Bereich: oft zwische Firmestadorte implemetiert große TK-Netzbetreiber bevorzuge jedoch SDH als Trasport- bzw. Keretz (bessere Performace im TK-Bereich, Weltstadard) ATM-Zelle werde i SDH-Cotaier a Übergagspukte verpackt (ecapsulatio) bzw. wieder etpackt. Hat ATM och eie Zukuft? vermutlich: Nei! ATM wurde weitgehed vo SDH verdrägt. Neueste Forschug geht sogar vo eier umittelbare Nutzug der Faser durch höhere Protokolle aus. ATM wird Teilehmer lediglich als Diest agebote, um vorhadee Geräte ud Eirichtuge weiter utze zu köe Sychroous Digital Hierarchy (SDH) SDH - Aufbau Alle modere eue Netze im öffetliche Bereich baue auf der SDH-Techik auf Beispiel: das B-WIN (ATM) ist abgelöst worde durch das G-WIN (Gigabit-Wisseschaftsetz) Auch verwedet im MAN-Bereich (Ablösug durch Gigabit-Etheret?) Etsprechede Techik i de USA: SONET Core Node 0 Gbit/s,4 Gbit/s,4 Gbit/s 6 Mbit/s Global Upstream Esse St. Augusti Aache Oldeburg Haover Bielefeld Frakfurt Marburg Rostock Kiel Hamburg Göttige Ilmeau Würzburg Brauschweig Magdeburg Heidelberg GEANT Karlsruhe Kaiserslauter Stuttgart Augsburg Erlage Leipzig Berli Dresde Regesburg Garchig 75 SDH realisiert höhere Daterate als ATM (mometa bis zu 0 Gb/s) Flexible Badbreiteutzug ud hohe Zuverlässigkeit Aufbau: beliebige Topologie, teilvermaschtes Netz mit eier Vermittlugshierarchie (beispielhaft Ebee): Überregioale Vermittlug Regioale Vermittlugsstelle Zugagsetze flexible Badbreiteutzug hohe Skalierbarkeit hohe Zuverlässigkeit SDH Cross Coect Add-/Drop-Multiplexer 55 Mb/s 55 Mb/s Mb/s.5 Gb/s 4 Mb/s Sychroous Digital Hierarchy (SDH) 76

6 Multiplexig bei SDH Mb/s, 4 Mb/s, Vermittlugsstelle Vermittlugsstelle Mb/s 55 Mb/s 6 Mb/s,5 Gb/s 0 Gb/s + Kotrolliformatioe für zusätzliche Sigalisierug 4 Mb/s 55 Mb/s 6 Mb/s 6 Mb/s Mb/s SDH Cross Coect 77 Merkmale vo SDH weltweit stadardisierte Bitrate auf de Hierarchieebee sychroisiertes, zetral getaktetes Netzwerk byteweises Multiplexe der Dateströme, eifaches Multiplexschema Eigug für Sprachübertragug: da auf jeder Hierarchieebee 4 Dateströme byteweise gemischt werde ud eie Hierarchieebee die 4fache Übertragugsrate der uterliegede Ebee hat, hat jeder dieser gemischte Dateströme die gleiche Übertragugsrate wie auf der uterliegede Ebee. Damit erfahre die Date eie kostate Verzögerug. direkter Zugriff auf Sigale ohe mehrfaches Demultiplexe kurze Verzögeruge beim Eifüge ud Etehme vo Sigale zusätzliche Kotrollbytes für Netzmaagemet, Diest- ud Qualitätskotrolle, Wesetliches Merkmal: Cotaier zum Trasport vo Nutzsigale 78 SDH-Trasportmodule (Rahme) Erstellug eies STM Sychroous Trasport Modul (STM-N, N=,4,6, 64) STM--Struktur: 9 Zeile mit jeweils 70 Bytes. Basisrate 55 Mb/s x N Spalte (Bytes) 6 x N Spalte (Bytes) Regeerator Sectio Overhead (RSOH) Admiistrative Uit Poiters Multiplex Sectio Overhead (MSOH) Payload 9 Zeile (5 µs) 9 Admiistrative Uit Poiters erlaube de direkte Zugriff auf Bestadteile der Payload Sectio Overhead RSOH: Ethält Iformatioe bezüglich der Route zwische zwei Repeater oder eiem Repeater ud eiem Multiplexer MSOH: Ethält Iformatioe bezüglich der Route zwische zwei Multiplexer ohe Berücksichtigug der zwischeliegede Repeater. Payload Ethält die Nutzdate sowie weitere Kotrolldate 79 Nutzdate werde i eie Cotaier verpackt. Eie Uterscheidug der Cotaier wird ach Größe vorgeomme: C- bis C-4 Nutzlastdate werde ggfs. durch Fülloktetts auf die Cotaiergröße agepasst Als Zusatziformatioe zu de Nutzdate werde für eie Verbidug och weitere Bytes zur Steuerug des Dateflusses eies Cotaiers über mehrere Multiplexer hiweg zugefügt: Path Overhead (POH) Steuerug der eizele Abschitte des Übertragugsweges Umschaltug auf Ersatzwege im Fehlerfall Erkeug ud Erfassug der Übertragugsqualität Realisierug vo Wartugs-Kommuikatioskaäle Durch Hizufüge der POH-Bytes wird aus eiem Cotaier ei Virtual Cotaier 80

7 Erstellug eies STM Werde i eiem Payload mehrere Cotaier übertrage, werde diese durch byteweises multiplexe i Tributary Uit Groups verpackt. Durch Hizufüge eies AU-Poiters wird die Tributary Uit Group zu eier Admiistrative Uit. Da werde die SOH-Bytes ergäzt, der SDH-Rahme ist komplett. RSOH ud MSOH ethalte beispielsweise Bits für Rahmesychroisatio Fehlererkeug (Parity Bit) STM--Keug i größere Trasportmodule Steuerug vo Ersatzschaltuge Diestkaäle ud atürlich Bits für spätere Gebrauch. SDH-Hierarchie 55 Mbit/s 6 Mbit/s,5 Gbit/s STM- STM-4 STM-6 6 4x6=044 4x044= x9=6 zerlegbar i Basistrasportmodul für 55 Mb/s, ethält z.b.: eie kotiuierliche ATM- Zellestrom (C-4 Cotaier), eie Trasportgruppe (TUG-) für drei 4 Mb/s PCM-Systeme oder eie Trasportgruppe (TUG-) für drei Cotaier, die wiederum TUG ethält 4 x STM- 4x6=44 zerlegbar i zerlegbar i 4 x STM-4 4 x STM- 8 8 SDH-Hierarchie SDH-Cotaiertype Höhere Hierarchiestufe werde durch Zusammefasse vo STM- Module erreicht Höhere Übertragugsrate werde durch byteweises Multiplexe der ethaltee Sigale zusammegebaut Jedes Byte hat eie Übertragugsrate vo 64 kb/s, geeiget für die Übertragug vo Sprachdate (Telefoie) außer bei STM- ist ur eie Übertragug über Glasfaser möglich 9 Spalte C- Cotaier VC- Virtual Cotaier TU- Tributary Uit TUG- Tributary Uit Group C-4 H4 Payload VC-4 oder Tributary Uit, TU- (= bis ) ethält VC- ud Tributary Uit Poiter TUG- VC- 6 Byte VC-4 Path Overhead (POH) 4 * 9 Spalte 4 * 6 Byte 8 Cotaier, C- (= bis 4) defiierte Eiheit für Payload- Kapazität (z.b. C-4 für ATM oder IP, C- für ISDN oder Mb/s) überträgt alle SDH-Bitrate ka Kapazität bereitstelle für Trasport vo och icht Kapitel spezifizierte : Netze Breitbadsigale Virtual Cotaier, VC- (= bis 4) besteht aus Cotaier ud POH iedriger VC (=,): eizeler C- plus Basis Virtual Cotaier Path Overhead (POH) höherer VC (=,4): eizeler C-, Zusammeschluss vo TUG-s /TU-s, plus Basis Virtual Cotaier POH 84

8 SDH-Cotaiertype SDH-Multiplexstruktur TUG- VC VC- oder VC- TUG- C- TU- C- C- Cotaier- VC- Virtual Cotaier- TU- Tributary Uit- TUG- Tributary Uit Group- AU- Admiistrative Uit- STM-N Sychroous Trasport Module-N Admiistrative Uit- (AU-) stellt Adaptierug zwische Higher-order Path Layer ud Multiplex-Eiheit bereit besteht aus Payload ud Admiistrative Uit Poiter x N STM- N AUG AU- 4 VC- 4 x AU- VC- x Zeigerverarbeitug x 7 Multiplexe, Abbilde C- Cotaier- VC- Virtual Cotaier- TU- Tributary Uit- TUG- Tributary Uit Group- AU- Admiistrative Uit- AUG Admiistrative Uit Group STM-N Sychroous Trasport Module-N TUG- TU- x 7 VC- C- 4 C- TUG- TU- VC- C- x 4 x TU- VC- C- TU- VC- C kbit/s kbit/s 4 68 kbit/s 6 kbit/s 048 kbit/s 544 kbit/s SDH-Multiplexverfahre PTR Logische Assoziatio Physikalische Assoziatio Zeiger VC- POH Cotaier- Cotaier- VC- TU- PTR VC- TU- () PTR () PTR () PTR (4) PTR VC- () VC- () VC- () VC- (4) TUG- VC- POH TUG- TUG- VC- AU- PTR VC- AU- AU- PTR AU- PTR VC- VC- AUG SOH AUG AUG STM-N 87