Fachbereich Elektrotechnik. Diplomarbeit. von. Matthias Hammer

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1 Fachhochschule München Munich University of Applied Sciences Fachbereich Elektrotechnik Diplomarbeit von Matthias Hammer Im Rahmen einer Diplomarbeit sollen Erkenntnisse zu Möglichkeiten und Grenzen der ADSL-Technik mit Bezug auf erweiterte Rundfunkdienste gewonnen werden. Hierzu zählen vor allem die Verbreitung von Audio und Video vom Provider zum Endkunden (Programverbreitung, Video-on-Demand, Download). Es soll ein ADSL-Testnetz aufgebaut werden, welches die komplette Signalkette vom Service-Provider (z.b. Rundfunkanstalten) über einen ATM-Backbone und das ADSL-Netz bis zum Endteilnehmer darstellt. Anschlusseinheiten wie DSLAM und Endgeräte wie ADSL-Modems werden an verschiedenen Stellen im Institut für Rundfunktechnik (IRT) und beim Bayerischen Rundfunk (BR) platziert. Zur geeigneten Darstellung soll ein VoD-Demonstrator für einen entsprechend leistungsoptimierten Server erstellt werden. Unterschiedliche Übertragungsverfahren, wie IP-Paket-Streaming, IP basierender Filetransfer oder direkter ATM-Zelltransport, sollen in Qualität und Ausfallsicherheit verglichen werden. Hierzu sind Performance-, Jitter- und EMV-Untersuchungen, bei sich ändernden Bedingungen auf der ADSL-Übertragungsstrecke, durchzuführen. Als potentielle Endgeräte sind dabei PCs und (wenn möglich) Set-Top-Boxen einzubeziehen. Betreuer (FHM): Professor J. Plate Betreuer (IRT): Dipl.-Ing. (FH) H. Guist Bearbeitungsbeginn: Abgabe: Laufende Nummer: 1721 Matr. Nr.:

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ADSL-Testnetz xdsl Typen HDSL SDSL VDSL ADSL Bitraten und Marktangebot Leitungsnutzung Modulation ADSL-Netzaufbau Netzabschnitte OSI-Referenzmodell ATM Ethernet Internet Protocol (IP) Inbetriebnahme der Komponenten DSLAM ADSL-Ports WAN-Anschluss (Trunk) DSLAM-Konfiguration Dienstgüte (Quality-of-Service-Verträge) ADSL-Modem Contentserver Hardware Software Fehlersuche im ADSL-Netz DSLAM Modem Software Anwendungen Rundfunkinteressen Inhalte Anforderungen Formen der Programmverbreitung Download Streaming On-Demand-Streaming Live-Streaming Unicast Multicast Protokolle höherer OSI-Schichten...53

3 3.3.1 Transport-Protokolle Protokolle der Anwendungsschicht Protokoll-Overhead Software zur Verbreitung von Rundfunkinhalten Streaming-Hardware Praktische Untersuchung von Anwendungen Website des Contentservers Qualität der Wiedergabe Streaming-Test durch das Internet Messung elektromagnetischer Strahlung Messaufbau Messergebnisse Zusammenfassung...82 A.1 Abkürzungsverzeichnis...84 A.2 Internet-Adressen-Verzeichnis...87 A.3 Literaturverzeichnis...88

4 1 Einleitung 1 Einleitung Netzwerke und speziell das Internet spielen heutzutage in immer mehr Bereichen eine prägende Rolle. Ein besonderer Vorzug von Computernetzen ist die schnelle und flexible Verbreitung von Informationen. Mit der Weiterentwicklung der Übertragungsverfahren und der Öffnung des Telekommunikationsmarktes haben sich, besonders für den privaten Endnutzer, interessante Möglichkeiten ergeben. Breitbandige Netzzugänge wie ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) sollen die Anwendungsmöglichkeiten von Computernetzen nicht nur für Privathaushalte revolutionieren. Das Institut für Rundfunktechnik (IRT) ist eine Forschungs- und Entwicklungseinrichtung der öffentlich-rechtlichen Rundfunkanstalten in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Ein Projekt, in dem Techniken der xdsl- Familie untersucht wurden, bot den Rahmen für die Diplomarbeit, in welcher speziell auf die ADSL-Technik eingegangen wurde. Eines der Ziele der Diplomarbeit war der Aufbau eines ADSL-Netzes als Testumgebung mit der Möglichkeit der Erweiterung und Integration in das bestehende LAN. Durch dieses Netz war es möglich verschiedene Szenarien zu erstellen und rundfunkrelevante Anwendungen wie Videoübertragung auf die Einsatzmöglichkeiten in ADSL-Netzen zu untersuchen. Zudem wurden Messungen der von ADSL-Leitungen ausgehenden Störstrahlungen vorgenommen, um Einflüsse auf den Rundfunkbetrieb abschätzen und weitere Detail-Messungen effektiv planen zu können. Die Diplomarbeit ist in die drei Hauptabschnitte Netzaufbau, Anwendungen und elektro-magnetische Messungen gegliedert. Im Kapitel Netzaufbau wird auf die Arbeitsprinzipien und Konfiguration von ADSL-spezifischen Komponenten eingegangen. Das Kapitel Anwendungen beschreibt die Einsatzmöglichkeiten von Hard- und Software die zur Verteilung von Rundfunkinhalten verwendet werden kann anhand repräsentativen Systemen und diskutiert die damit erreichbaren Ergebnisse. Eine Auswahl des, für die Untersuchungen von Anwendungen und deren Qualitäten, verwendeten Beispielmaterials ist mit der hierfür erstellten Web-Seite auf einer CD-ROM im Anhang beigefügt. 2 ADSL-Testnetz In heutigen Computernetzen werden, abhängig von der Aufgabenstellung und Umgebung, meist verschiedene Netztechniken verwendet (Heterogene Netze). Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Systeme und deren Auswahl ist oft nicht unproblematisch. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde eine Situation geschaffen, die möglichst gut einer typischen Verbindung zwischen Endnutzer (Client) und dem Anbieter des gewünschten Inhalts (Content Provider) entspricht. Um eine sinnvolle Testumgebung zu schaffen, war es nötig, neben der ADSL-Strecke, auch weitere Netzabschnitte mit einzubeziehen. So konnte das - 7 -

5 2 ADSL-Testnetz Zusammenspiel der Techniken getestet und das Gesamtsystem auf Schwachpunkte überprüft werden. Die Verbindung zwischen dem Computer des Endnutzers und der ADSL-Schnittstelle, dem Modem, wird durch Ethernet-Technik geschaffen. Über die ADSL-Leitung wird die Verbindung zum Netz des Carriers geschaffen, welches typischerweise Glasfasertechnik verwendet. Somit sind drei verschiedene Techniken vertreten, auf die in den folgenden Kapiteln genauer eingegangen wird. 2.1 xdsl Typen xdsl ist ein Begriff, der zur Zeit sehr häufig benutzt wird, da er durch den Platzhalter x eine Gruppe an Übertragungstechniken und somit auch Anwendungsbereichen abdeckt. Diese besitzen zum Teil gegensätzliche Merkmale, wodurch die Anwendungsbereiche oft stark eingeschränkt werden. So schließt z. B. High-bit-rate-Digital-Subscriber-Line (HDSL) im Gegensatz zu ADSL eine Integration von Telefonie auf der selben Leitung aus [BER-99]. Die nächsten Abschnitte stellen einen Überblick dar. Es wird besonders auf die ADSL-Technik eingegangen, da sie für die weiteren Betrachtungen die Schlüsseltechnik ist. (Siehe dazu Tabelle 1). Bedeutung Upstream Downstream Bemerkung HDSL SDSL VDSL ADSL High-bit-rate- DSL 1,5 Mbit/s (T1), 2 Mbit/s (E1) 1,5 Mbit/s (T1), 2 Mbit/s (E1) kein POTS1 vorgesehen. Single-pair-DSL Very-high-bitrate-DSL Asymmetric- DSL bis 2,3 Mbit/s bis 26 Mbit/s bis 1 Mbit/s bis 2,3 Mbit/s bis 26 Mbit/s bis 8 Mbit/s POTS möglich noch Testphase in POTS möglich Tabelle 1: Übersicht über die wichtigsten xdsl-techniken Die vier gängigsten Techniken haben auf den ersten Blick nur das Unterscheidungsmerkmal der Symmetrie. Die eine Gruppe (SDSL, HDSL) benutzt in beide Richtungen (zum Client und von ihm weg) die gleiche Bitrate und die Andere stellt asymmetrisch eine höhere Bandbreite zum Benutzer hin bereit. Die maximal mögliche Bitrate ist bei xdsl abhängig von dem verfügbaren Frequenzspektrum. Frequenzbereiche sind nicht mehr verfügbar, wenn die 1 POTS steht für Plain Old Telefon Service, dem analogen Telefondienst - 8 -

6 2 ADSL-Testnetz Leitungsdämpfungen oder Störungen wie Signalnebensprechen in dem verwendeten Bereich zu groß werden. In Abbildung 1 ist die xdsl-familie mit ihren typischen Bitraten und Reichweiten aufgeführt. Auffällig ist der Zusammenhang, dass die Systeme, die hohe Bitraten zur Verfügung stellen, kürzere Leitungen benötigen. Abbildung 1: xdsl-reichweiten bei unterschiedlichen Bitraten [MER-00]. Ein gemeinsamer Vorteil der xdsl-techniken gegenüber alternativen Breitbandverbindungen wie Powerline Communication (PLC) oder Breitbandkabel ist, dass die Verbindung kein Shared Medium darstellt. Die verfügbare Bandbreite pro Benutzer schrumpft also nicht abhängig von der Anzahl der Nutzer, die sich das Medium teilen. Trotzdem kann es bei ADSL zu ähnlichen Effekten kommen. Schätzungen gehen davon aus, dass nur maximal 20% der Leitungen in einem Bündel ohne gegenseitige Störungen für ADSL verwendet werden können [BER-99]. Durch die entstehenden Einschränkungen in den Frequenzbereichen kann es auch zu einer dynamischen Verringerung der verfügbaren Bitrate kommen. Gerade bei laufzeitsensiblen Anwendungen wie z. B. der Übertragung von Bewegtbildern in Echtzeit ist das ein kritischer Punkt. Mehr dazu in Abschnitt und Abschnitt 3.6. Weitere aktuelle Details zu allen xdsl Techniken und ihren Varianten sind u. a. auf den Internetseiten 2 der Standardisierungsgremien ANSI 3 ( ETSI 4 ( und ITU-T 5 ( sowie in [SUM-99] zu finden. 2 Leider ist der Zugriff auf manche Veröffentlichungen Mitgliedern vorbehalten. 3 ANSI ist das American National Standards Institute 4 ETSI ist das European Telecommunications Standard Institute 5 ITU-T steht für International Telecommunications Union - Telecommunications - 9 -

7 2 ADSL-Testnetz HDSL HDSL steht für High-bit-rate-DSL und war als erste dieser Techniken auf dem Markt verfügbar. Wie anfangs schon erwähnt, erlaubt dieses Verfahren keine Integration von Telefondiensten auf den selben Leitungen, da der untere Frequenzbereich auch für die Datenübertragung verwendet wird. Eine weitere Eigenschaft von HDSL ist, dass für die Verbindung bis zu drei UTP-Doppeladern (Unshielded Twisted Pair) benötigt werden. Das macht die Technik für viele Anwender uninteressant, da besonders private Haushalte oder kleine Firmen nicht über mehrere Leitungen verfügen um Telefon und Netzanbindung zu realisieren. Die amerikanische Weiterentwicklung HDSL2 ist in Europa nicht verbreitet. An deren Stelle ist der Nachfolger SDSL (Siehe dazu Abschnitt 2.1.2) getreten. Beide verwenden nur noch ein Adernpaar. Da die Daten symmetrisch mit der gleichen Bitrate von 1,544 Mbit/s (nach ANSI-Standard) bzw. 2,048 Mbit/s (nach ETSI-Standard) transportiert werden, eignet sich HDSL besonders für die Anbindung von Grosskunden mit mittlerem Datenaufkommen und der Verbindung von LANs (Local Area Network) SDSL SDSL wird normalerweise als Single-Pair-DSL aber gelegentlich auch als Symmetric-DSL ausgeschrieben. Bezeichnend ist beides, da SDSL, auf HDSL aufbauend, die Bandbreite auch symmetrisch auf Hin- und Rückkanal verteilt. Zudem wird nur ein Leitungspaar (UTP) benötigt. Man hat, ähnlich wie bei HDSL, bis 2,3 Mbit/s pro Richtung zur Verfügung und man kann bei SDSL auch Telefondienste auf der selben Leitung nutzen (vgl. Abschnitt 2.1.1). Somit ist diese, überwiegend in Europa eingesetzte Technik für Firmen und theoretisch auch für Privatpersonen interessant, wobei sie momentan deutlich teurer als ADSL ist. Durch die Symmetrie der Kanäle bietet sich SDSL besonders für Netzanschlüsse an, die in beide Richtungen hohe Datenraten benötigen wie z. B. bei der Verbindung zweier LANs oder dem Betrieb von Servern VDSL Very-High-Speed-DSL (VDSL) ist die neueste Variante der xdsl-familie. Wie der Name schon nahelegt, zielt man hier auf besonders hohe Bitraten ab. Das Verfahren ist eine Weiterentwicklung von ADSL und noch in der Entwicklung. Wie bei SDSL können hier bereits vorhandene Kupfertelefonleitungen benutzt werden. Zudem lässt VDSL auch eine parallele Nutzung von Telefondiensten auf dem selben Adernpaar zu. Über das zu verwendende Modulationsverfahren wird noch diskutiert. Es stehen CAP (Carrierless Amplitude Phase Modulation) und DMT

8 2 ADSL-Testnetz (Discrete Multitone Modulation) zur Diskussion. Weiteres dazu in Abschnitt und [MER-00]. Stark abhängig von der Leitungslänge und -qualität können 6 bis 52 Mbit/s auch asymmetrisch auf Hin- und Rückkanal (Up- und Downstream) verteilt werden. In der folgenden Tabelle 2 sind einige mögliche Bitratenkombinationen abhängig von der Distanz aufgeführt. Upstream Downstream Reichweite 2 Mbit/s 13 Mbit/s 1500 m 2 Mbit/s 26 Mbit/s 1000 m 13 Mbit/s 13 Mbit/s 500 m 26 Mbit/s 26 Mbit/s 300 m Tabelle 2: VDSL-Bitraten bei verschiedenen Leitungslängen [BER-99]. Die Verschiebung des Verhältnisses zwischen Up- und Downstream kommt dem Bedarf der meisten Nutzer entgegen und kann im Prinzip beliebig verteilt werden. Besonders beim Laden von Dateien oder Webseiten werden die Daten überwiegend in Richtung Endnutzer transportiert. Zum Server wird nur wenig Bandbreite für die Steuerung der Abläufe benötigt. Diese Technik ist durchaus vielversprechend bezüglich rundfunkrelevanter Anwendungen, da hier das asymmetrische Profil und die möglichen Bitraten sehr gut zu den Anforderungen im Bereich der Videoübertragung passen. Bis VDSL bereit steht, ist die Vorläufertechnik ADSL die interessanteste Alternative. Besonders für Anwendungen, die ein unsymmetrisches Datenaufkommen haben. (Näheres dazu im Abschnitt 2.1.4) ADSL Momentan ist ADSL für Privatkunden die interessanteste Technologie der xdsl-familie. Aufbauend auf dem bereits vorhandenen Telefonkabelnetz, kann man in Deutschland einen sehr großen Teil der Haushalte über die verlegten Kupferleitungen erreichen. Das macht ADSL auch für die Rundfunkanstalten interessant. Es ist natürlich erstrebenswert, Dienste auf Wegen anzubieten, die in Zukunft von möglichst vielen Rundfunkteilnehmern genutzt werden können Bitraten und Marktangebot Auf dem deutschen DSL-Markt gibt es inzwischen von einigen Unternehmen Angebote über verschiedene ADSL-Dienste. Die verfügbaren Bandbreiten der Anschlüsse bewegen sich überwiegend in folgenden Bereichen:

9 2 ADSL-Testnetz Upstream: 128 bis 512 kbit/s Downstream 768 bis 1500 kbit/s Gegen entsprechende Gebühren sind auch Leitungen mit bis zu 6 Mbit/s Downstream erhältlich. Die Nutzung der im Standard maximal vorgesehenen 8 Mbit/s ist meist schon deshalb nicht möglich, weil in der Regel ein Teil des unteren Spektrums für Telefonie reserviert (besonders in Europa für ISDN) werden muss. Hinzu kommen noch die Leitungseigenschaften, die bei so hohen Raten besonders ausschlaggebend sind [BER-99]. Preislich liegen diese Angebote als Standleitung in einem Bereich, der auch für private Haushalte interessant ist. Bei Standleitungen bzw. Pauschalangeboten (engl. Flatrate) wird nicht mehr, wie bisher üblich, nach Zeit abgerechnet. Meist wird ab bestimmten Grenzen das Datenvolumen in Rechnung gestellt Leitungsnutzung ADSL kommt mit einem Leitungspaar (UTP) aus und ermöglicht es, das Telefon an der selben Leitung wie gewohnt zu nutzen. Zum Anschluss der Telefone muss lediglich das Spektrum über eine Frequenzweiche (auch engl. Splitter = Teiler genannt) aufgeteilt werden. Es sind keine aufwendigen und teuren Veränderungen des Anschlusses nötig, was für den Massenmarkt bezüglich Vermarktung und Kosten ein interessanter Gesichtspunkt ist. In Abbildung 2 ist dargestellt, wie die Signale von Telefon und Computer, die sich die Anschlussleitung teilen, getrennt werden. Der gemeinsame Weg führt nur bis zur nächsten Gegenstelle der Telefongesellschaft. Von dort an gehen die Daten getrennte Wege. Die Sprachdaten gehen zur Telefon-Vermittlungsstelle und die Computerdaten zum Internet Service Provider (ISP). Abbildung 2: Trennung von Sprach- und Computerdaten mittels Splitter [BER-99]

10 2 ADSL-Testnetz Ein Splitter besteht prinzipiell aus einem Hoch- und Tiefpassfilter. Bei ADSL liegen die Frequenzbereiche für die Datenübertragung oberhalb der für Telefonie (siehe Abbildung 3). Umgekehrt werden die Signale, meist im selben Gerät, wieder aufaddiert und über die Kupferleitung zur Gegenstelle geleitet. Je nach Arbeitsumgebung müssen die Grenzfrequenzen für ADSL angepasst werden. Dabei lassen sich vier Fälle unterscheiden, die alle durch die ITU-T im Standard 6 G festgelegt werden. 1. Reine Datenübertragung ohne Telefondienste. Hier nutzt man das volle Spektrum bis 1100 khz. Man hat somit die beste Voraussetzung für eine möglichst hohe Bitrate. Ein gleichzeitiger Betrieb von Diensten wie Telefonie ist nicht möglich, da das dafür benötigte Spektrum für den Rückkanal (Up-Stream) verwendet wird. Der Einsatz einer Splittereinrichtung ist in diesem Fall nicht nötig. 2. Datenübertragung und analoge Telefonie (POTS) Plain Old Telefon Service (POTS) benötigt als analoger Dienst nur die ersten 4 khz im Frequenzspektrum. (Siehe Abbildung 3). Mit ein wenig Abstand der eine exakte Trennung durch den Splitter gewährleisten soll beginnt das von ADSL benutzte Spektrum bei 20 khz. Die Obergrenze verändert sich nicht. Somit muss man Abstriche bei der verfügbaren aufteilbaren Bandbreite machen. 3. Datenübertragung und 2B1Q-kodiertes ISDN (80 khz) Wird neben ADSL auch ein digitales Telefon verwendet, so liegt meist ISDN mit einer 2B1Q-Leitungskodierung vor. Hierbei werden die vier möglichen Zustände einer zweistelligen Binärzahl (00, 01, 10, 11) mit einem vierstufigen Signal dargestellt. Diese ISDN-Form ist die weltweit verbreitetste. Sie belegt den Frequenzbereich bis 80 khz und bietet eine Nutzdatenrate 7 von 56 kbit/s (siehe dazu Abbildung 3). Auch hier werden die einzelnen Bereiche mit einer Splittereinrichtung bei ca.100 khz voneinander getrennt bevor sie weiterverwendet werden. 4. Datenübertragung und 4B3T-kodiertes ISDN (120 khz) Diese Form des ISDN ist eine Sonderform, die z. B. in den Ländern Deutschland, Belgien und Italien eingeführt worden ist. Ein 4B3T-kodiertes Signal überträgt vier Bit in drei Takten. Bei diesem System wird eine Verbessung der Sprachqualität aufgrund der höheren Datenrate von 64 kbit/s erreicht. Allerdings wird ein breiteres Frequenzspektrum benötigt, wodurch die Grenzfrequenzen des Splitters bei ca. 130 khz liegen (siehe Abbildung 3). 6 Dieser Standard berücksichtigt u. a. den ANSI T1.413 Standard. 7 Bitrate für Sprache und ISDN-Computermodems pro B-Kanal

11 2 ADSL-Testnetz In dem im Rahmen der Diplomarbeit aufgebauten ADSL-Netz wurden UTP-Leitungen verwendet die für weitere Telefonanschlüsse vorgesehen waren. Durch die Verwendung eigener Leitungen konnte auf Splittereinrichtungen verzichtet werden. Amplitude POTS ADSL-Up ADSL-Down Frequenz in khz Amplitude ISDN ADSL-Up ADSL-Down (2B1Q) (4B3T) Frequenz in khz Abbildung 3: Frequenzverteilung von ADSL, ISDN und POTS Zur besseren Frequenzausnutzung werden bei manchen wenigen Herstellern der Upund Downstreambereich überlagert. Um beim Empfang des Signals das Eigene vom zu empfangenden Signal trennen zu können, wird über das Verfahren Echo Cancellation das relevante Signal mit Hilfe von Digitalen-Signal-Prozessoren (DSP) herausgefiltert [ADS-01] Modulation Für die Datenübertragung werden bei ADSL hauptsächlich die zwei Modulationsverfahren CAP/QAM (Carrierless Amplitude and Phase Modulation / Quadrature Amplitude Modulation) und DMT (Diskrete Multitone Modulation) eingesetzt. Weitergehende Informationen über CAP/QAM und DMT sind in [MER-00] zu finden. CAP und QAM verwenden die Amplitude und die Phase des Signals zur Informationsübermittlung. Im ITU-T-Standard G ist allerdings nur die DMT-Modulation vorgesehen

12 2 ADSL-Testnetz Im aufgebauten ADSL-Netz wird zur Übertragung DMT, ein Vielträgerverfahren benutzt wie es der Standard G vorsieht. Hier wird das zugewiesene Frequenzspektrum in 255 Unterabschnitte geteilt und diese vermessen. In jedem dieser Abschnitte wird eine unabhängige Verbindung eingerichtet. Über diese werden die Daten dann genau so schnell übertragen, wie es entweder mit einer bestimmten Fehlerwahrscheinlichkeit möglich ist oder es wird eine gewünschte Bitrate mit einer minimalen Bitfehlerwahrscheinlichkeit zur Verfügung gestellt. Dieses Verfahren, einzelne Träger dynamisch mit einer ihrer Situation entsprechenden Bitrate zu nutzen, nennt man Rate Adaption. Wenn sich nun während einer bestehenden Modemverbindung Störungen auf der Leitung ergeben, können die Bitraten umverteilt werden. Ist die Störung später nicht mehr vorhanden, so kann das wieder verfügbare Spektrum verstärkt belegt werden. Durch diese Flexibilität kann sich das Modem an dauerhafte und temporäre Leitungseigenschaften anpassen. Ist das Frequenzspektrum ausgereizt, gibt es keinen Spielraum für eine individuelle Anpassung mehr. Im schlechtesten Fall reduziert sich die Bitrate auf das, den Vorgaben (Fehlerhäufigkeit, Signalpegel) und Umständen entsprechende, Maximum. Fazit Die xdsl-familie bietet allgemein viel Potential, das für rundfunktechnische Anwendungen interessant ist (vgl. Abschnitt 3.2). Die ADSL-Technik ist aufgrund ihrer Eigenschaften bei der Internetverbindung besonders bei privaten Haushalten und kleinen Firmen sehr gefragt. Die Möglichkeit einer dauerhaften Internetverbindung (Standleitung) und die flexiblen Bandbreiteneinstellungen machen es den Providern leicht ein breites Spektrum an Angeboten zu erstellen (vgl ). Auch die geringen Umstellungen beim Endnutzer, was Telefon und Verkabelung betrifft, spricht für ADSL. Die Anbindung an bestehende Netze ist weitgehend problemlos. Dazu aber in den nächsten Abschnitten mehr

13 2 ADSL-Testnetz 2.2 ADSL-Netzaufbau Zu Beginn der Netzplanung stand die Frage: Welche Nutzen sollen aus dem ADSL-Netz gezogen werden? Folgende Ziele wurden als wichtig angesehen: Das Erlernen des Umgangs mit den neuen noch unbekannten Komponenten. Die möglichst realistische Simulation der kompletten Linie zwischen Client und Provider (Kapitel 2). Die Möglichkeit einer Einschätzung der ADSL-Netztechnik für rundfunkrelevante Einsatzbereiche (Kapitel 3). Die Schaffung einer Messumgebung zur Bestimmung von Elektromagnetischen Eigenschaften. Für die konkrete Planung des Netzaufbaus musste geklärt werden, welche Geräte noch benötigt werden, und welche auf dem Markt verfügbar sind. Dabei musste darauf geachtet werden, dass ein möglichst reibungsloses Zusammenspiel der Komponenten möglich ist. Wie anfangs schon erwähnt, besteht das Netz aus drei Abschnitten (vgl. Abbildung 4). Einen ersten Überblick bietet Tabelle 3. Client Last Mile Backbone physikalische Verbindung 10Base-T UTP (Telefon) Glasfaser (Multimode) mögliche Bitraten 10 Mbit/s bis zu 8 Mbit/s 155 Mbit/s (STM-1) Protokolle (Schicht 2) Ethernet ATM 8 ATM Tabelle 3: Grundlegende Eigenschaften der Netzabschnitte Netzabschnitte Der Client ist der Endnutzer, der über eine gängige Netzwerkkarte mit seinem ADSL-Modem verbunden ist. Der Bereich zwischen Kunden und seinem Netzanbieter (Service Provider), die Last Mile 9, wird mit ADSL-Technik überbrückt. Ab dort legen die Daten die Wege in den Backbone-Netzen 10 der Service Provider meist über Lichtwellenleiter (LWL) zurück. Um den Ethernet-Bereich (siehe 2.2.4) zum Modem aufzubauen war kein grösserer Aufwand nötig. Die bereits vorhandenen Rechner, die als Client verwendet werden sollten, waren bereits mit Hardware ausgestattet, die einen problemlosen Betrieb an 8 ATM steht für Asynchronous Transfer Mode. Siehe auch Abschnitt und [DET-98]. 9 Engl. für Letzte Meile. Die typischen letzten wenigen Kilometer zum Telefonverteiler. 10 Engl. für Rückgrat. Steht für große Netzabschnitte die kleinere Segmente miteinander verbinden

14 2 ADSL-Testnetz einem Netz ermöglichten. Sie wurden mit zusätzlichen Netzwerkkarten versehen, um sie parallel auch über ein zweites Netz ansprechen zu können (vgl. Abschnitt ). Der nächste Abschnitt ist die ADSL-Übertragung. Über die Eigenschaften dieser Technik wurde schon in einiges gesagt. Es wurden drei CellPipe Modems der Firma Lucent Technologies verwendet. Jedes Modem sollte mit einer anderen maximalen Bitrate verwendet werden. So konnten die gängigsten Bandbreiten parallel zueinander getestet werden. Zwei der Clients wurden über einen Switch (möglich wären auch ein Hub oder Router) an ein einziges Modem angeschlossen. Dadurch war es möglich, die Situation darzustellen, wie sie häufig in kleineren Firmen oder Wohngemeinschaften anzutreffen ist. Mehrere Computer teilen sich über ein entsprechendes Gerät die Bandbreite des ADSL-Anschlusses, wofür er aufgrund der möglichen Bitraten durchaus geeignet ist. Client: 1 Client: 2 Client: 3 Ethernet 10Base-T Ethernet 10Base-T Switch Ethernet 10Base-T Ethernet 10BaseT ADSL-Modem "CellPipe" ADSL-Modem "CellPipe" DSLAM "Stinger" ADSL down: 1,4 Mbit/s up: 0.3 Mbit/s ADSL down: 8 Mbit/s up: 0,9 Mbit/s ATM 155 Mbit/s Content Server IRT-ATM-LAN ATM 155 Mbit/s Media-Encoder Ethernet 10BaseT Abbildung 4: ADSL-Netz-Struktur im IRT

15 2 ADSL-Testnetz Geräte wie ein Hub, Switch oder Router können mehrere Netzverbindungen miteinander koppeln. Ein Router oder Switch ist, im Gegensatz zu einem Hub, in der Lage verschiedene Netze zu unterscheiden und Datenpakete je nach Bedarf in das entsprechende Netz weiterzuleiten (näheres hierzu in [PLA-99] und [WAL-00]). Passend zu der Modemaustattung wurde der DSLAM (DSL-Access-Multiplexer) Stinger von Lucent Technologies verwendet. Er ist die Gegenstelle des ADSL- Modems, die zugleich mehrere Anschlüsse mit dem nächsten Netzsegment (Backbone) verbindet. Zum Verbinden wird eine eigene Schnittstelle benötigt, die den Zugang zum LAN ermöglicht. Prototypen der hierfür benötigten Zusatzhardware standen während der Testphase noch nicht zu Verfügung. Das IRT-Hausnetz basiert auf einem ATM-Backbone, mit dem die einzelnen Rechner entweder über Ethernet oder ATM verbunden sind. Die Verknüpfung des Internet Protocols (IP) mit der ATM-Netztechnik erfolgt über das Verfahren Multiprotocol Over ATM (MPOA 11 ). Vom DSLAM aus werden alle Verbindungen über eine Permanent Virtual Connection (PVC) durch das IRT-LAN zum Contentserver geleitet. Dies ist eine dauerhaft vorgegebene Verbindung zwischen zwei ATM-Geräten, die eine virtuelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung ermöglicht. Normalerweise sollte sich auf der Strecke zwischen Stinger und dem gewünschten Ziel (Contentserver) ein Router befinden, der die Datenpakete entsprechend umund weiterleitet. Aufgrund von fehlender bzw. nicht kompatibler Hardware konnte diese Form der Vernetzung nicht realisiert werden. Das Problem wird in Abschnitt genauer beschrieben. Der Contentserver ist der Rechner, der verschiedene Dienste und Inhalte, wie z. B. Videoübertragung, bereitstellt. Er ist über eine ATM-Schnittstelle mit 155 Mbit/s an das IRT-LAN angeschlossen und stellt momentan die Gegenstelle des DSLAMs am anderen Ende des PVCs dar (siehe Abschnitt 2.2.3). Seine Inhalte bezieht er, wenn sie nicht lokal gespeichert sind, über eine zweite Netzanbindung von Rechnern wie z. B. einem Media-Encoder. Dies ist ein Gerät (oft ein leistungsstarker Computer), das die Daten einer Quelle (z. B. Filmkamera) verarbeitet und fertig zum Verteilen über eine Ethernetschnittstelle an den Contentserver weiterleitet OSI-Referenzmodell Das OSI 12 -Referenzmodell, oder OSI-Schichtenmodell, wurde 1977 von der ISO definiert um eine bessere Kommunikation zwischen den Systemen verschiedener Firmen zu ermöglichen. Die in Abbildung 5 dargestellten Ebenen teilen die Kommunikation der Computeranwendungen von der physikalischen Bitübertragung bis zur Anwendungsebene in sieben Schichten. Jede Ebene entspricht bestimmten Vorgängen, die eine Zuordnung der verschiedenen Abläufe einer Verbindung zu einer der Schichten zulässt. Die einzelnen Schichten kommunizieren virtuell direkt mit den ihnen entsprechenden auf der Gegenseite und 11 Weitere Informationen zu MPOA in [WAN-01b]. 12 OSI steht für Open Systems Interconnection

16 2 ADSL-Testnetz stützen sich dabei auf die Informationen und Funktionen der unter ihnen liegenden Ebenen. Abbildung 5: Das OSI-Referenzmodell [DET-98] Die Nummerierung der Schichten beginnt bei der physikalischen Bitübertragung, die zusammen mit den Ebenen 2 und 3 die Signalisierung im Netzwerk übernehmen. Die Schichten des OSI-Referenzmodells [DET-98]: 1. Bitübertragungsschicht (Physikal Layer) Sie stellt die physikalische Verbindung über das eigentliche Medium her. Sie ist auch für Aufgaben wie die Taktsynchronisation zuständig. 2. Datensicherungsschicht (Data Link Layer) Auf dieser Ebene werden Bitfehler in der Übertragung bereinigt und die einzelnen Protokolldatenelemente erkannt. Zudem sind hier Funktionen zur Datenflussregelung und Aufteilung der verschiedenen Verbindungen höherer Schichten angesiedelt. 3. Netzschicht (Network Layer) Durch sie werden virtuelle Verbindungen bereitgestellt und die beteiligten Systeme über Netzadressen angesprochen. Sie ist die höchste der Schichten, die direkt auf die Netzsignalisierung einwirken. 4. Transportschicht (Transport Layer) Hier werden die einzelnen Anwendungsprozesse, unabhängig von der zugrundeliegenden Netztechnik, über die virtuellen Verbindungen der Schicht drei, miteinander verbunden

17 2 ADSL-Testnetz 5. Kommunikationssteuerschicht (Session Layer) Sie stellt Dienste zur Steuerung der logischen Verbindung von Anwendungen der obersten beiden Schichten zur Verfügung. 6. Darstellungsschicht (Presentation Layer) Diese Schicht wandelt die übertragenen Daten vom Austauschformat in das von der Anwendung benötigte und umgekehrt. 7. Anwendungsschicht (Application Layer) Nicht die Anwendungen selbst, sondern die, für das Nutzen von Netzverbindungen durch Anwendungen wie z. B. nötigen, Dienste sind hier eingeordnet. Die Anwendungsschicht ist eng mit der Darstellungsschicht verknüpft und oft schwer von ihr zu trennen. Dieses Referenzmodell erlaubt es verschiedene Netztechniken, wie z. B. ATM und Ethernet, in ein einheitliches Schema einzuordnen und gegenüberzustellen ATM Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist ein komplexes, verbindungsorientiertes Netzwerkprotokoll, das sich unter Anderem gut für den Einsatz bei zeitkritischen Anwendungen im WAN und LAN eignet. Für den Desktopbereich ist die ATM-Technik verhältnismäßig teuer und hat sich dort gegenüber Techniken wie Ethernet nicht durchgesetzt. Im OSI-Schichtenmodell ist ATM und somit auch seine ATM-Adaptation-Layer 13 (AAL), in den OSI-Schichten 1 und 2 anzusiedeln (vgl ). Aufgrund seiner Möglichkeiten hat ATM ein eigenes Referenzmodell welches nur bedingt mit dem OSI-Referenzmodell in Einklang zu bringen ist. Typisch für ATM sind die vergleichsweise kleinen Zellen. Jede Zelle ist 53 Byte groß und beinhaltet einen Header von 5 Byte. Durch diese Charakteristik eignet sich ATM auch zum Transport von Sprachdaten was eine Kombination von Daten- und Telefonnetzen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der geringen Zellgröße ist die kleine Zell-Verzögerung. Wenn der Nutzdatenstrom nicht kontinuierlich ist, werden Füllzellen eingefügt, um feste Bitraten im ATM-Netz zu erhalten. Verbindungen werden immer über Virtual Channels (VC) hergestellt, die vor der eigentlichen Datenübermittlung aufgebaut und in einem Virtual Path (VP) gebündelt werden können. Innerhalb eines Kanals besteht eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen den beiden Endgeräten. Einzelne Netzabschnitte sind über Switche verbunden, die ATM-Kanäle und -Pfade schalten (switchen) können. Die Kopplung von ATM mit IP-Netzen kann über Classical-IP (CLIP), LAN-Emulation (LANE) oder Multiprotocol over ATM (MPOA) geschehen [BER-99]. Im aufgebauten ADSL-Netz wurde CLIP verwendet, da die ADSL-Hardware MPOA nicht unterstützte. CLIP bindet IP-Subnetze an ein ATM-Netz an und verwendet einen ATM-Address-Resolution-Protocol-Server (ATMARP-Server) um die ATM- Adresse zu einem IP-Paket zu erhalten. 13 Siehe auch ITU-T I

18 2 ADSL-Testnetz Die Verbindungsschicht, zwischen der physikalischen ATM-Zell-Übertragung und den Protokollen deren Daten transportiert werden sollen, ist die AAL-Schicht. Die Daten der höheren Protokolle werden durch AAL in passende (meist 48 Byte) große Segmente aufgeteilt, in einzelne ATM-Zellen eingebettet und beim Empfänger wieder zusammengefügt. Man unterscheidet vier AAL-Typen: AAL-1, AAL-2, AAL-3/4, und AAL-5. Jeder der Typen ist auf spezielle Anwendungsgebiete zugeschnitten [WAN-01a]. ATM realisiert die Fehlerprüfung über seine AAL (z. B. AAL-1) in den Endgeräten. Die Prüfung und Korrektur der übertragenen Daten kann auch von Protokollen in höheren Schichten übernommen werden. Der daraus resultierende Vorteil ist ein besonders schnelles Hardware-Switching, da die Geräte in der ATM-Strecke ihre Kapazitäten stärker für die Datenübermittlung verwenden können. Über Quality-of-Service-Verträge können Eigenschaften und das Verhalten der ATM-Verbindungen beeinflusst und so die Verbindung sehr flexibel auf die jeweiligen Bedürfnisse eingestellt werden (vgl ). Bestehende Verbindungen mit garantierter Bandbreite (Constant-Bit-Rate, CBR) werden durch den Aufbau neuer Kanäle nicht eingeschränkt, wie es bei Verbindungslosen Protokollen der Fall ist. Ist die Leitungskapazität erschöpft, werden keine neuen Kanäle aufgebaut. Der DSLAM unterstützt AAL-5 und AAL-0. Bei AAL-0 ist kein Service definiert. Verwendet wird AAL-0 oft für proprietäre Systeme, da sie die Daten direkt in die ATM-Zellen weiterleitet. AAL-0 wird im Stinger immer dann eingesetzt, wenn nicht AAL-5 verwendet wird. Eine Anpassung der Übertragungs-Eigenschaften geschieht dann durch Einstellungen im Stinger-Betriebsystem. AAL-5 wird eingesetzt wenn das Datenaufkommen schwankt bzw. stoßweise auftritt (Burst-Verhalten) und zeitlichen Schwankungen der Zellverzögerung (Jitter) gegenüber tolerant ist (z. B. bei Filetransfer). Zudem werden die übertragenen Teilstücke durch einen Cyclic-Redundancy-Check (CRC) überprüft um Übertragungsfehler erkennen zu können. Im aufgebauten Netz wurde AAL-0 verwendet, da hier die Daten und deren Übertragung durch höhere Protokolle überprüft werden Ethernet Das Ethernet-Protokoll 14 ist z. Z. das übliche Protokoll zur Verbindung von PCs im LAN. Meist werden die Rechner über Twisted-Pair-Leitungen, die durch das T in xbase-t gekennzeichnet werden, verbunden. Man unterscheidet zwischen Ethernet mit 10 Mbit/s (Koax-Kabel), Fast Ethernet mit 100 Mbit/s (UTP) und Gigabit-Ethernet mit 1000 Mbit/s (Glasfaser oder Twisted Pair). Ein Ethernet-Paket kann in seiner Größe variieren und bis 1500 Byte Informationen transportieren und enthält im Header die Media-Access-Control-Adresse (MAC-Adresse) des Empfängers. Ethernet ist ein verbindungsloses Protokoll und liegt in seiner ursprünglichen Form in einer Busstruktur vor. Jede Station sendet seine Informationen als Broadcast an alle Anderen, die den Empfänger des Paketes überprüfen. Senden zwei Stationen 14 IEEE-Standard Weitere Informationen in [WAN-01a]

19 2 ADSL-Testnetz gleichzeitig kommt das CSMA/CD-Verfahren zum Tragen, das die Wiederholung des Sendevorgangs durch zufällige Zeitintervalle regelt. In aktuellen Ethernet-Netzen werden als Netzknoten keine Repeater mehr verwendet, sondern Switche (Switched Ethernet). Switche leiten die Ethernet-Pakete anhand der MAC-Adresse auf Ebene der OSI-Schicht-2 (Layer-2-Switching) an die entsprechenden Empfänger weiter. Ermittelt wird dieser über die im Switch dynamisch angelegte Tabelle der mit ihm verbundenen MAC-Adressen. Diese Form der Paketvermittlung bringt vor allem den Vorteil, dass nicht mehr alle Stationen alle Pakete in Empfang nehmen müssen, wodurch das Netz und seine Stationen deutlich entlastet werden. Zur Regelung der einzelnen Datenverbindungen werden höhere Protokolle wie das Internet Protokoll (IP) und das Transmission Control Protocol (TCP) verwendet (siehe auch 2.2.5). Obwohl Ethernet ein verbindungsloses Protokoll ist, kann, mit Hilfe von Multiprotocol-Label-Switching (MPLS), eine virtuelle Verbindung, ähnlich wie bei ATM, aufgebaut werden. Eingesetzt wird MPLS weniger im Endnutzer-Bereich als bei den Netzbetreibern. Die zu transportierenden IP-Pakete einer Verbindung legen anhand der angefügten Zusatzinformationen alle den gleichen Weg zurück. Durch zusätzliche Priorisierung der Daten kann durch diese Art der Vermittlung eine Art Quality of Service (QoS) im Ethernet erreicht werden [DAV-00] Internet Protocol (IP) Das Internet Protocol 15 gehört zu den verbindungslosen Protokollen. Die aktuelle Version 4 soll in Zukunft von Version 6 abgelöst werden, die einen von 32 bit auf 128 bit erweiterten IP-Adressraum hat. Die im IP-Header enthaltene Empfängeradresse ermöglicht das gezielte Weiterleiten (Routing) der Pakete in der OSI-Schicht 3. Es wird hierbei nicht überprüft ob und in welcher Form die Daten am Ziel angekommen sind. Um solche Mechanismen nutzen zu können, wird TCP verwendet. Dieses überprüft die Übertragung und ermöglicht bei Bedarf die erneute Anforderung eines bestimmten Pakets. Im Bereich Multimedia werden neben TCP andere Protokolle verwendet, die auf spezielle Anwendungen zugeschnitten sind. Wie z. B. das Real Time Transport Protocol (RTP) oder das User Datagramm Protokoll (UDP). (vgl. Abschnitt 3.3). Die Länge eines IP-Datagramms liegt zwischen 64 Byte und 64 kbyte. In Netzen wie dem, im Rahmen der Diplomarbeit aufgebauten, bestimmt der Ethernet-Abschnitt die Maximal Transfer Unit (MTU). Sie wird von den meisten Betriebsystemen standardmäßig auf 1500 Byte, die maximale Kapazität eines Ethernet-Pakets, gesetzt [PET-01]. Die Übertragung der IP-Pakete ist durch den Jitter und die Gleichwertigkeit aller Pakete begrenzt für Übertragung von Bild und Ton geeignet. Um IP-Paketen verschiedene Dringlichkeitsstufen geben zu können, wurde das Verfahren 15 Festgelegt durch: RFC

20 2 ADSL-Testnetz Differentiated Services 16 (DiffServ) festgelegt. Hierbei werden in das Type-of-Service-Feld (ToS-Feld) Prioritäten eingetragen, die dazu führen, dass z. B. die Daten der Videoübertragung den Paketen der -Anwendung vorgezogen werden. 2.3 Inbetriebnahme der Komponenten Die Beschreibung der Inbetriebnahme und Konfiguration der einzelnen Geräte soll den Netzaufbau nachvollziehbar darlegen ohne weiter in Details zu gehen, die nicht unbedingt nötig sind um einen Einblick in die Thematik zu bekommen. Bei leicht veränderten Umständen können gänzlich andere Vorgehensweisen nötig sein. Es sollen auch die aufgetretenen Probleme angesprochen und wenn möglich ihre Lösungen diskutiert werden DSLAM Der DSLAM Stinger der Firma Lucent Technologies liegt in Minimalausstattung mit einem (von bis zu 14 möglichen) ADSL-Einschub für maximal 24 ADSL-Leitungen vor. Man kann die Anzahl der ADSL-Anschlüsse durch hinzufügen von Einschubkarten bis auf 336 erhöhen. Die Verbindung mit dem Backbone wird über eine ATM-Glasfaserverbindung mit 155 Mbit/s (STM-1) auf der Trunk-Seite des Stingers hergestellt. In Abbildung 6 ist der Stinger schematisch mit seinen Verbindungen dargestellt. Auf der linken Seite sind die angeschlossenen ADSL-Modems als Customer-Provided- Equipment (CPE) dargestellt. Der Contentserver auf der rechten Seite stellt das Ende des PVCs der ATM-Verbindung zwischen ihm und dem DSLAM dar. Zum Konfigurieren des DSLAM gibt es zwei Möglichkeiten sich am System anzumelden. Einmal über eine serielle RS-232 Schnittstelle und Zweitens über eine 10Base-T-Ethernet-Verbindung. Bevor man den Stinger über den Netzanschluss bedienen kann, muss der vorhandene Management-Ethernet-Anschluss über die serielle Schnittstelle mit einer IP-Adresse versehen werden. Sie dient wie die RS-232-Schnittstelle nur zum Ändern der DSLAM-Einstellungen. So ist es möglich Konfigurationen von jedem Rechner aus im Netzwerk über Telnet zu tätigen. 16 Siehe dazu auch: RFC