Scriptum zur Lehrveranstaltung. Rechnernetze. (Architektur, Schichten, Protokolle, Internet und WWW, ausgewählte Netze und Dienste)

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1 UNIVERSITÄT LEIPZIG Scriptum zur Lehrveranstaltung Rechnernetze (Architektur, Schichten, Protokolle, Internet und WWW, ausgewählte Netze und Dienste) Teil 3 (Übertragungssysteme) Studiengang Informationstechnik (BA) Studiengang Mobilkommunikation (BA) Umfang: 2 SWS 15 Wochen Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Irmscher Universität Leipzig Institut für Informatik Lehrstuhl Rechnernetze und Verteilte Systeme (em.) Dresden, den 20. Juli 2007

2 Gliederung Teil 1 (Architektur von Rechnernetzen): Kap Teil IntW3 (Internet und WWW): Kap Teil 2 (Ausgewählte Netze): Kap Teil 3 (Übertragungssysteme): Kap Einführung Netzwerkarchitekturen Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Sicherungsschicht (Data Link Layer) Medienzugriffsverfahren (Media Access Control) Vermittlungsschicht Transportschicht Sicherheit in Rechnernetzen Aspekte der Anwendungsschicht Internet World Wide Web (WWW) Flächendeckende Netze (WAN) Next Generation Internet Lokale Rechnernetze (LAN) Satellitennetze Metropolitan Area Netzworks (MAN) Entwicklung zur HighSpeed-Kommunikation Mobilfunknetze Standardisiertes Breitbandnetz (B-ISDN/ATM) Übertragungsverfahren Multiplexing Vermittlungstechniken Verbindungsdienste Grundtypen Übertragungsverfahren ATM Asynchroner Transfer Modus Funktionsweise Architektur und Einsatz ATM ATM-Schalteinheiten Skalierbarkeit und Modularität Standardisierung ATM und B-ISDN B-ISDN (Breitband-ISDN) Referenzmodell B-ISDN Funktionen und Schichten im B-ISDN Photonische Netze Laser und Lichtwellenleiter Schlüsseltechnologien optischer Übertragung Lichtwellenleiter und ihre Eigenschaften Übertragung in optischen Netzen Funktionen des DWDM-Knotens Regenerierung der optischen Signale Optische Cross Connects Wellenlängenkonverter Dynamisches optisches Switching WDM und optische Komponenten Anforderungen für neue Dienste und Netze

3 Technische Grundlagen WDM und optischer Netze Ersatzschaltungen und Strukturtrennung High-Speed Networking (Infrastruktur optischer Netze) Netzinfrastruktur für High-Speed-Networking Reine Glasfasernetze Übertragungstechnik auf physikalischer Ebene Schnelle Koppelkomponenten Photonic Switching und FTTx Weitere Entwicklungen Zugangsnetze (Access Networks) Breitbandige Zugangsnetze (Letzte Meile) Breitbandiger Netzzugang für den Endnutzer Neue Dienste und Anforderungen an den Netzzugang Netzzugangslösungen Zugangsnetze (Access Networks) Digital Subscriber Lines (xdsl) Zugangsnetze mit xdsl DECT-LAN ISDN Integrated Services Digital Network Einführung ISDN - Architektur Digitales Kommunikationsnetz für Sprache und Daten Standardisierung und Universalität ISDN-Netz der Deutschen Telekom AG Entwicklung des ISDN ISDN-Dienste Abbildungsverzeichnis (Teil 3) Literatur

4 Teil 1: Architektur von Rechnernetzen 1 Einführung 2 Netzwerkarchitekturen 3 Bitübertragungsschicht (Physical Layer) 4 Sicherungsschicht (Data Link Layer) 5 Medienzugriffsverfahren (Media Access Control) 6 Vermittlungsschicht 7 Transportschicht 8 Sicherheit in Rechnernetzen 9 Aspekte der Anwendungsschicht Teil IntW3: Internet und WWW 10 Internet 11 World Wide Web (WWW) Teil 2: Ausgewählte Netze 12 Flächendeckende Netze (WAN) 13 Next Generation Internet 14 Lokale Rechnernetze (LAN) 15 Satellitennetze 16 Metropolitan Area Netzworks (MAN) 17 Entwicklung zur HighSpeed-Kommunikation 18 Mobilfunknetze 4

5 Teil 3: Übertragungssysteme 19 Standardisiertes Breitbandnetz (B-ISDN/ATM) 19.1 Übertragungsverfahren Multiplexing Grundlagen der Übertragungsverfahren Übertragungsverfahren unterscheiden sich im wesentlichen durch Multiplexverfahren (FDM, TDM,... ), Vermittlungstechnik (Leitungs-/Paket-Vermittlung), Verbindungsdienst (verbindungsorientiert/verbindungslos). Multiplex-Verfahren Multiplexing: Gleichzeitige Übertragung mehrerer, voneinander unabhängiger Datenströme über gleiches physikalisches Medium. Anfänge: 30er Jahre: erstmalig von Telefongesellschaften realisiert (zuerst 12, später 60 Sprachkanäle durch ein Frequenz-Multiplex-Verfahren über 1 Koaxialkabel übertragen). Trägerfrequenztechnik: Sprachkanäle auf bestimmte Übertragungsfrequenz aufmoduliert, Kanäle gleichzeitig übertragen, und bei Empfänger demoduliert. Dazu ist nicht für jede Sprechverbindung eine physikalisch geschaltete 2-Draht-Leitung erforderlich (Einsparung). Bekannte Multiplex-Verfahren Raum-Multiplexing (SDM Space Division Multiplexing): - Räumliche Separation der Übertragungskanäle. - Beispiele: optische Übertragungsnetze (verschiedene LWL-Fasern), Mobilfunknetze (Zellularfunk (GSM, DCS, UMTS), Wiederverwendung der gleichen Funkfrequenz in unterschiedlichen Bereichen, Dämpfung). Code-Multiplexing (CDM Code Division Multiplexing) : - Verwendung unterschiedlicher Codes (z.b. im militärischen Bereich, Sicherheit). - Beispiel: UMTS, IS-95-CDMA (CDMA: Code Division, Multiple Access). Frequenz-Multiplexing (FDM - Frequency Division Multiplexing): - Trägerfrequenztechnik: Verschiedene Frequenzen auf gleichem physikalischen Übertragungskanal. Frequenzband auf N Nutzer aufgeteilt (Teilband exklusiv). - Modulation / Demodulation (Modem) : Jeder Sprachkanal vor Übertragung auf bestimmte Übertragungsfrequenz aufmoduliert, alle Kanäle gleichzeitig übertragen. Bei Empfänger durch Demodulation zurückerhalten. Beispiel: Sprachübertragung (Telefonie). Zeit-Multiplexing (TDM - Time Division Multiplexing): - Zeitschlitze für verschiedene Übertragungskanäle. Übertragungskanäle zeitlich auf die Teilnehmer aufgeteilt. Anwendung: STM, ATM. Wellenlängen-Multiplexing (WDM - Wavelength Division Multiplexing): - Spezifische Form des Frequenz-Multiplexing (Kombination mehrerer Multiplexstufen). Anwendung bei LWL-Netzen (optische Netze); genaue Lasertechnik erforderlich. - Neuere LWL-Netze: Übertragungsgeschwindigkeit Gbit/s Gbit/s... n Tbit/s. Heutige Backbone-Netze: - Optische Übertragungsnetze (photonische Übertragung und Vermittlung). Neue Glasfaserund Lasertechnik. - Angewendete Verfahren: Wellenlängen-Multiplexing (WDM), Zeit-Multiplexing (TDM Zeitmultiplexing (TDM Time Division Multiplexing) Unterteilung TDM synchrones Zeit-Multiplexing (Synchronous Time Division, STD) asynchrones Zeit-Multiplexing (Asynchronous Time Division, ATD) 5

6 Abbildung 19.1: Zeitmultiplexing (STD und ATD) Synchrones Zeit-Multiplexing (STD) Definition von Übertragungsrahmen, die aus einer bestimmten Anzahl von Zeitschlitzen fester Größe bestehen. Jeder Benutzer erhält bestimmten Zeitschlitz (slot) innerhalb des Übertragungsrahmens zugeordnet, während dessen er senden bzw. empfangen kann. Übertragungskanal somit identifiziert durch Position des Zeitschlitzes innerhalb des Übertragungsrahmens (auch als Positionsmultiplexing bezeichnet). Bezeichnung synchron : Übertragungskanal bzw. entsprechender Zeitschlitz befindet sich bezüglich des Übertragungsrahmens immer an gleicher Stelle. Asynchrones Zeit-Multiplexing (ATD) Zu übertragende Datenströme werden in Informationseinheiten fester und oder variabler Länge umgewandelt und asynchron übertragen. Zuordnung der Informationseinheiten zu den verschiedenen Sendekanälen erfolgt über Kanal-Identifikations-Nummern (Channel Identifiers), mit der jedes Datenpaket versehen wird (auch als Address-Multiplexing / Label- Multiplexing bezeichnet). Einsatz von Datenpaketen bei Übertragung: - Pakete variabler Länge --> Paketvermittlung (Packet Switching) - Pakete fester Länge (Zellen) --> Zellenvermittlung (Cell Relay) Vermittlungstechniken Vermittlung: Art und Weise der Bestimmung eines Übertragungspfades zwischen Sender und Empfänger in einem Kommunikationsnetz. Zwei grundsätzliche Methoden: Leitungsvermittlung (Circuit Switching) - Aufbau einer physikalischen Verbindung zwischen Sender und Empfänger (über eine oder mehrere Vermittlungsknoten). - Übertragungspfad muss vor jeder Übertragung bestehen. - Lange Verbindungsaufbauzeiten; nach Aufbau nur noch Verzögerungen durch endliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten der elektromagnetischen Signale (ca. 6 ms/1000 km). - Einer Verbindung wird bestimmte Bandbreite zugeteilt; nicht benötigte Bandbreite ist verlustig. Paketvermittlung (Packet Switching) - Nachricht in Pakete zerteilt. - Vermittlungsprinzip in den Knoten: store-and-forward. - Keine feste Verbindung zwischen Sender und Empfänger. - Bandbreite bedarfsorientiert angefordert; ungenützte Übertragungskapazitäten können anderen Verbindungen zugeordnet werden. Wegen stark variierenden Bandbreitenbedarfs sind Daten- und Rechnernetze paketvermittelt 6

7 Verbindungsdienste OSI-Modell: Eine Schicht (N) kann den darüber liegenden Schichten (N+1) 2 Arten von Verbindungsdiensten anbieten: * verbindungsorientierte Kommunikation (ISOC: zuverlässig) * verbindungslose Kommunikation (unzuverlässig). Verbindungsorientierte Kommunikation (Connection-Oriented, CO) - Vor Übertragung ist eine (virtuelle) Verbindung zwischen den Teilnehmern aufzubauen. - Danach kann Sender Daten übertragen, Empfänger erhält sie in gleicher Reihenfolge. - Anwendung von Mechanismen zur Fehlerkontrolle und Sende/Empfangsbestätigung. Bei Übertragungsfehlern/Problemen (z.b. Überlastung Pufferspeicher, Empfang fehlerhafter Pakete) --> Mitteilung an Gegenstelle --> Reagieren (z.b. Sendewiederholung). - Typisches Beispiel: X.25-Paketvermittlungsnetz. - Tendenz: wegen erhöhter Leitungsqualität verlieren in WAN verbindungsorientierte Schicht-2-Übertragungsverfahren ihre Bedeutung und werden überflüssig. Korrektheitsüberprüfung für empfangene Daten erfolgt ohnehin auf Anwendungsebene (OSI-Schicht 3 und höher). Verbindungslose Kommunikation (Connectionless, CL) - Übertragung ohne vorherigen Verbindungsaufbau. Jedes Datenpaket beinhaltet komplette Zieladresse und wird unabhängig von den anderen Paketen durchs Netz vermittelt. - Keine Empfangsbestätigung, keine Reihenfolgetreue der Pakete beim Empfänger. - Kleinerer Verwaltungsaufwand --> höherer Durchsatz im Vergleich zu CO. - Typisches Beispiel: IP-Paketvermittlungsnetz Grundtypen Übertragungsverfahren Abbildung 19.2: Grundtypen von Übertragungsverfahren Synchroner Transfer Modus (STM: Synchronous Transfer Mode) - Multiplexing mittels STD (Synchronous Time Division, Positionsmultiplexing ) - Leitungsvermittelnd Paket Transfer Modus (PTM: Packet Transfer Mode) - Multiplexing mittels ATD (Asynchronous Time Division, Adress- o. Label-MPX) - Paketvermittelnd, Flexible Paketlänge Asynchroner Transfer Modus (ATM: Asynchronous Transfer Mode) - Multiplexing mittels ATD - Paketvermittelnd, Feste Paketlänge (Zellen) 7

8 Synchronous Transfer Mode (STM) Merkmale * verbindungsorientiert (d.h. gesicherte Übertragung). * mit fest zugeordneten Bandbreiten nach dem Zeitmultiplexverfahren (TDM). Bereits auf unterster Ebene kann eine garantierte Übertragung mit einer bestimmten Bandbreite unterstützt werden (wie bei ISDN). Geringe Ende-zu-Ende-Verzögerungen. Zuordnung von Zeitscheiben in STM (und ATM): Abbildung 19.3: Zuordnung von Zeitscheiben in STM - Slots werden für die Dauer einer Verbindung belegt. Sie liegen innerhalb einer sich wiederholenden Struktur (Rahmen). - Zuordnung Verbindung zu Zeitscheibe durch Lage im Rahmen festgelegt; Jede Zeitscheibe hat eine feste Zeitdauer. - Gute Anpassung STM an PCM-Übertragungshierarchien. - STM (zusammen mit PDH) ist noch Basis einiger heutiger WAN. Abbildung 19.4: STM-Kanäle STM bietet eine feste, nicht flexible Struktur mit festen Datenraten und fester Zuordnung von Bandbreite und Verbindung. STM ist technisch einfacher zu realisieren als ATM, aber Bandbreite wird nicht ausgenützt. Leistungsverbesserung durch Datenkompression bzw. Einsatz vieler Zeitscheiben (Organisationsaufwand). Einsatzmöglichkeiten: - Datenübertragung mit festen Datenraten - Übertragung kontinuierlicher Medien (Sprache, Bild) Asynchronous Transfer Mode (ATM) Basis-Ziel: Möglichst alle Funktionen aus dem Netz herausholen, um ein einfaches, effektives, schnelles und standardisiertes Netz zu realisieren. Prinzip ATM: Paketartige Verbindung, jedes Paket als Zelle (Cell) bezeichnet (Pakete fester Länge). ATM arbeitet primär verbindungsorientiert mit hoher Bandbreite und relativ geringen Verzögerungszeiten. 8

9 Funktion: Bandbreite wird in Zellen mit fester Länge aufgeteilt. Jede Zelle besteht aus einem Kopf (Header) und dem eigentlichen Datenteil (Payload). Zellen bei Bedarf allokiert (auf Zeitscheiben zugewiesen), nicht vorab reserviert (wie STM) Damit folgt die Zuordnung Verbindung zu Zeitscheibe (oder Zelle) nicht aus der Lage im Rahmen, sondern jeder Zellenkopf enthält den Namen einer virtuellen Verbindung. Dieser 24-bit-lange Virtual Path I- dentifier kennzeichnet die virtuelle Verbindung. Zuordnung von Zeitscheiben im ATM siehe Abb Eine Zelle hat eine feste Länge von 48 Byte (zusammen mit Header 53 Byte). Festlegung infolge politischer Gründe. Andere Vorschläge waren u.a. 64 Byte nach T1S1, 32 Byte nach ETSI (GSM). Wegewahl erfolgt bei ATM vor der Datenübertragung. Jede Zelle, die zu einer Verbindung gehört, wird auf diesem vorab festgelegten Weg transportiert; damit richtige Reihenfolge der Daten. Bei ATM wird somit die Belegung der Betriebsmittel nicht 100%ig garantiert; damit aber nur unerheblicher Fehler verursacht. ATM-Schicht ist ohne Flußkontrolle (ist für Übertragung kontinuierlicher Daten nicht notwendig - im Gegensatz zur Ratenkontrolle). Charakteristik: - Statistisches Zeitmultiplexing (Asynchronous Time Division Multiplexing), - Paketvermittlung (Paket Switching), - Pakete fester Länge übertragen (Zellen, 53 Byte), - Schnelle Weiterleitung und Vermittlung (Text, Audio, Video). Abbildung 19.5: Asynchronous Transfer Mode Internetworking im ATM: Bei jedem Netzübergang in ein ATM-Netz werden die Daten in 48-Byte-Zellen gepackt. Für eine Übertragung in Telefonqualität mit 64 kbit/s in PCM-Kodierung bedeutet dies eine nicht zu vernachlässigende Verzögerung (64 kbit/s = 8000 byte/s): 48 byte Verzögerung = = 6 ms 8000 byte/s 19.2 ATM Asynchroner Transfer Modus Funktionsweise Charakteristika ATM 1988: ATM durch CCITT als Transportmechanismus für B-ISDN-Netzwerke ausgewählt. B-ISDN / ATM realisiert die 4 grundlegenden Telekommunikationsdienste Daten, Sprache, Bild und Video. ATM: Übertragungsverfahren auf Basis des asynchronen Zeit-Multiplexing (TDM, ATD) und Datenpaketen fester Länge (sog. Zellen, Cell): 53 Bytes Länge 5 Byte Kopf (Header) --> u.a. Kanal- und Pfadadressierung 48 Byte Payload (Nutzlast) 9

10 ATM-Schalteinheiten (Switches, Cross-Connects) - Alle Netzknoten über eine oder mehrere ATM-Schalteinheiten verbunden, die die Zellen ans Ziel vermitteln. - Feste Zellenlängen --> Vermittlung kann gleichzeitig für mehrere Zellen erfolgen. - Kein gemeinsames Übertragungs-Medium (Shared Media, LAN), kein shared access, sondern ATM-Switch vermittelt die Zellen (Cell Relay). - Gesamte Übertragungsbandbreite wird von der ATM-Schalteinheit nach Bedarf verteilt (Zuordnung einer festen Bandbreite ist auch möglich). Zellenlänge 53 Bytes Kompromiss zwischen analoger Sprachübertragung und digitaler Datenübertragung. Digitale Übertragung analoger Sprachsignale: Abtastung mit 8 khz (8000 mal / Sek., Nyquist-Theorem), jeder Meßwert in 8 Bits codiert: --> pro Sprachkanal 64 kbit/s oder alle 125 ms ein Meßwert bzw. 1 Byte übertragen. --> sog. Puls-Code-Modulation (PCM). Dem Byte bei PCM entspricht die 53-Byte-Zelle bei ATM. Bei gleicher Übertragungsrate von 64 kbit/s wird jedoch nur alle 6,6 ms eine Zelle übertragen --> zellenbasierte Systeme erzielen bei Übertragung analoger Signale eine geringere Abtastra te als die byte-orientierte PCM-Technik. Geringe Zellenlänge gut für Übertragung rein analoger Signale; Vorschläge: Europa: 32 Byte (Sprache dominand) Nord-Amerika: 64 Byte (Datenübertragung über WAN dominand, weniger Overhead) Kompromiss: 53 Byte Bandbreitenausnutzung Ältere und z.t. noch existierende WAN (Zeitraum bis 1997): - Übertragungsverfahren STM (Synchronous Transfer Mode). - Synchrones Zeitmultiplexing (STD): jeder Teilnehmer erhält bestimmte Übertragungs- Bandbreite (unabhängig davon, wieviel er benötigt). - Gut für Sprachübertragung, weniger für Datenübertragung geeignet. - Ineffizient bei fester Zuordnung und variierender Datenmenge (z.b. Video, Inter-LAN). Neuere WAN: B-ISDN (Planung für Zeitraum ab 1998): - Übertragungsverfahren ATM (Asynchronous Transfer Mode): SDH/TDM Verdrängung ~> Gigabitnetz (SDH/WDM, ab ca. 2000) ~> dark fiber (ab ca. 2006) - Asynchrones Zeitmultiplexing (ATD) und feste Paketlänge. - Flexible Bandbreitenverteilung (je nach Bedarf). Gesamte Bandbreite auf die jeweils aktiven Netzknoten verteilt. ATM realisiert Dienste für unterschiedliche Bandbreitenanforderungen, wie * Anwendungen mit stark variierenden Bitraten, * Echtzeit-Applikationen, * feste Bitraten, * zeitunkritische Applikationen. ATM somit geeignet für Sprache, Video und Filetransfer Architektur und Einsatz ATM ATM - Technik Zwischen 2 Teilnehmern nicht mehr eine Leitung (abstrakt: Übertragungskanal ) reserviert - sondern Aufteilung der Übertragungskapazität in kleine Pakete (sog. ATM-Zellen): - Zellen-Kopf: mit Angabe der entspr.teilnehmerverbindung des nachfolgenden Inhalts. - Zellenlänge: 53 Oktetts (Byte): 5 Header, 48 Payload (Nutzinformationen). 10

11 Jede Zelle (bspw. mehrere pro Sekunde verfügbar) kann beliebig einer Teilnehmerverbindung zugeteilt werden, z.b. * viele bei hohem kurzfristigen Kommunikationsbedarf, * weniger bei geringem Bedarf zu anderem Zeitpunkt. Durch Bündelung vieler Teilnehmerverbindungen auf den Fernübertragungsstrecken können in einem Zeitintervall Spitzen- und Niedrigbelastungen ausgeglichen werden. Damit mittlere Nutzung der teueren Übertragungstechnik. Einsatz ATM Probebetrieb der ATM-Technik seit 1994/95. Regelbetrieb in Deutschland (1996), u.a. Cross- Connect-Netz der Telekom (z.b. B-WiN). ATM bildet den Transportmechanismus für B- ISDN. Probleme: fehlende Anwendungen (~> Backbone), hohe Investition, Konkurrenz SDH/WDM und dark fiber Prinzip des ATM Zerlegung (Paketierung) aller denkbaren konstanten, variablen und diskontinuierlichen Verkehrsströme in Zellen --> erlaubt einfaches Multiplexen. Breitbandiger Übertragungskanal in Zeitschlitze (Slots) aufgeteilt, die genau eine Zelle aufnehmen können. Abbildung 19.6: Prinzip des ATM Wegen Paketvermittlungsprinzips verfügen die Multiplexer über Zellpuffer. Infolge hoher Übertragungsraten (155 / 620 Mbit/s) bleiben auch die Pufferzeiten gering (i.allg. nur wenige Vielfache einer Zellübertragungszeit von 0,7 bzw. 2.8 ms). Aufbau einer ATM-Zelle Abbildung 19.7: Aufbau einer ATM-Zelle Zellen werden durch das Netz zum Ziel übermittelt: anhand im Zellkopf mitgeführter Verbindungskennung VPI (Virtual Path Identifier) und VCI (Virtual Channel Identifier) sowie der beim Verbindungsaufbau in den Netzknotentabellen abgelegten Verkettung dieser Kennung. 11

12 Aufbau virtueller Verbindungen (virtual channel connection) erfolgt wie beim S-ISDN durch logisch getrenntes Signalisierungsnetz. Weitere Zellkopf-Informationen zu * Netzzugangs-Datenflußsteuerung (GFC), * Kennzeichnung des Zelltyps (PLT), * Zellpriorität (CLP), * Zellkopf-Fehlerkontrollverfahren (HEC) - für Fehlerkorrekturen, Fehlererkennung sowie automatische Zellgrenzen-Erkennung. Netz-Management (Netzverwaltung) Hierarchische Unterteilung in virtuelle Pfade und virtuelle Verbindungen. Erlaubt dem Netzbetreiber, aus vermittelnden Netzknoten und Hochgeschwindigkeits-Verbindungsleitungen des SDH mittels Funktionen des Netz-Managements ein Netz aus virtuellen Pfaden einzurichten (semipermanent). Darüber werden die durch die Teilnehmer gesteuerten virtuellen Verbindungen geführt Damit Pfadstruktur flexibel dem Verkehrsbedarf anpassbar. U.a. können LAN s mittels virtueller Pfade an unterschiedlichen Standorten miteinander verbunden werden ~> zum Aufbau von Unternehmensnetzen (corporate networks). ATM im LAN-Bereich ATM-Prinzip universell, auch für LAN geeignet (s. ATM-Forum) ~> damit homogene, durchgehende Netztechnik mit ATM möglich. Konkurrenz durch Fast-Ethernet und Gigabit- Ethernet. Zu wenige ATM-Anwendungen. Einschätzung ATM ATM-Prinzip universell (WAN, MAN, LAN). Unikale Technologie mit verschiedenen Dienstklasse-Angeboten (ohne/mit Dienstgüte): von einfacher Übertragung (best effort) bis zu vorhersagbaren Übertragung (real time, reservierte Bandbreite). Teure Investition / Fehlende ATM-Anwendungen in der Breite. Unbestritten für ATM: WAN, Backbones, Multiservice- Plattformen. ATM auch im LAN-Bereich (ATM-Forum) einsetzbar ~> einheitliche Technologie. ATM ist reine Switching-Technologie: Erfordert dedizierte Leitung zum Nutzer (FTTH) sowie Einrichtung von Access Networks für letzte Meile (Shared Media), u.a. xdsl, HFC, APON, wireless ATM, Local Loop. Anwendungen: - Netzwerk-Management - Backbone (z.b. Crossconnect-NW der Telekom AG) - Echtzeitkommunikation (z.b. Krankenhaus, Industrie) - Core Network von Mobilfunknetzen (z.b. bei UMTS), MFN 4G (W-ATM) Trend: Einsatz optischer Netze (SDH/WDM) ATM-Schalteinheiten Charakterisitika Schalteinheiten: ATM-Switch oder ATM-Cross-Connect ~> Zentrales Element von B-ISDN- Netzwerken. ATM-Zellen alle gleiche Größe --> massiv parallele Architektur möglich, Zellendurchsatz im Gigabit- und Terabit- Bereich. Alle Benutzerkanäle werden gleichzeitig und in vollem Umfang bedient. Grundfunktionen einer ATM-Schalteinheit - Identifizierung / Auswertung der Kanal- und Pfadidentifikation (VCI / VPI) der ATM- Zellen. 12

13 - Transport der ATM-Zelle von einem Input-Port der ATM-Schalteinheit zu dem Output- Port, der an das adressierte Ziel führt (Sternverkopplung). Abbildung 19.8: ATM-Schalteinheit Zwei Typen von ATM-Schalteinheiten * ATM-Pfadvermittlung (VP-Switches, Cross-Connects) * ATM-Kanalvermittlung (VC-Switches) ATM - Pfadvermittlung (Cross-Connect) Alle ankommende Pfade werden beendet und (inklusive aller im Pfad befindlichen Kanäle) in einen anderen abgehenden Pfad umgeleitet. Die einzelnen ATM-Kanäle bleiben davon unberührt. Abbildung 19.9: ATM-Pfadvermittlung ATM - Kanalvermittlung (Switches) Es werden sowohl eingehende Pfade (VPs) als auch eingehende Kanäle (VCs) beendet und in andere abgehende Pfade bzw. Kanäle umgeleitet. Die Vermittlung von ATM-Kanälen impliziert immer auch das Schalten von Pfaden, da bei Abschluss eines Kanals zwangsläufig auch der Pfad, indem er sich befindet, zu beenden ist. Kanalverbindungen können auch als Pfadvermittlungen genutzt werden ->ATM-Kanäle durchqueren dann die Schalteinheiten wieder unberührt. Abbildung 19.10: ATM-Kanalvermittlung 13

14 Topologie von ATM - Schalteinheiten Kernstück der Schalteinheiten: Switching Fabric. - Transport der ATM-Zellen in der Schalteinheit. - Auswahl dynamischer Übertragungswege zwischen Input- und jeweiligen Output-Ports. - Konflikt (Blockierung), falls sich 2 ATM-Zellen um gleichen Output-Port bewerben. - Aufgebaut aus Zellenvermittlungseinheiten (Switching Elements, Schaltelemente). Schaltelemente selbst bestehen aus Interconnections-Netzwerk: Bereitstellung der Übertragungswege für ATM-Zellen. 2 Arten: * Matrixstruktur-Netzwerke: Alle Eingänge des Schaltelements durch Netz von Wegen mit allen Ausgängen verbunden (crossbar, Netzgitter). * Time-Division-Multiplexing-Netzwerke: Zellen entweder seriell über eine gemeinsame Bus- oder Ringstruktur übertragen und vermittelt (Bus Switching Elements, Ring Switching Elements) oder alle Zellen durch einen Input-Controller in gemeinsamen Speicher geschrieben und dort durch Output-Controller wieder ausgelesen (Central Memory Switching Elements Schaltnetzwerke). Schaltnetzwerke Kopplung einzelner Schaltelemente führt zu Schaltnetzwerken. Sie bilden die eigentliche Schaltstruktur. Verschiedene Topologien Kriterien: Leistung, Blockierungsvermeidung - Shuffle-Exchange-Netzwerke Single-Stage-Netzwerke - Erweiterte Switching-Matrix (1 Schaltzyklus vom Eingang zum Ausgang) - Banyan-Netzwerke Single-Path-Multi-Stage (mehrere Routen-Entscheidungen) - Benes-Netzwerke Multi-Stage-Multi-Path-Netzwerke - Parallele Banyan-Netzwerke Kopplung mehrerer paralleler Single-Path-Netzwerke - Distributions-Netzwerke Zellenströme möglichst gleichmäßig verteilt - Sorting-Trap-Netzwerke Vorgeschaltetes Sortiernetzwerk (Batcher-Banyan-Netzwerke) - Rezirkulations-Netzwerke Skalierbarkeit und Modularität Skalierbarkeit und Modularität ATM: keine eindeutige Festlegung zur Übertragung von ATM-Zellen bezüglich physikalisches Medium und Geschwindigkeit, z.b. - über SDH-Netzwerke (ATM-Empfehlungen ITU I.432 und ITU G.804) mit 155 / 622 / 2488 Mbit/s, - über PDH-Netzwerke (E1, DS1, E3, DS3- Hierarchie). Außerdem Erweiterung durch neue Teilnehmer möglich, ohne Einschränkung der Bandbreite für die bisherigen Teilnehmer (in ATM-Schalteinheit sind lediglich Anschlußmodule mit entsprechenden Bandbreiten einzusetzen). Einzige begrenzende Komponente: Verarbeitungsgeschwindigkeit der ATM-Schalteinheiten (z.zt. für <= 10 Gbit/s ausgelegt). ATM für WAN und LAN geeignet. ATM im WAN - Bereich ATM-Zellen können übertragen werden: * über bestehende 1.5 / 2 / 34 / 45 oder 140 Mbit/s - Leitungen (PDH) oder * über 155 / 622 / 2488 Mbit/s - Leitungen der modernen und standardisierten SDH SDH (Synchrone Digitale Hierarchie): 14

15 - standardisiert durch ITU, Basis für B-ISDN, 1988 weltweiter Standard für WAN, - ermöglicht leistungsfähige und kostengünstige WAN durch * flexible Multiplexstruktur, * integrierte Management- und Überwachungsfunktion, - ermöglicht Migrationen zu SDH (z.b. PDH -> SDH), - Transportmedium (Übertragungsrahmen) für ATM sowie in Gigabit-Netzen (SDH/WDM, ab ca. 2000) PDH (Plesiochrone Digitale Hierarchie): - Ende der 90er Jahre (1998/99) noch häufig im WAN-Bereich. - Auch dafür wurden die Leitungsschnittstellen für die Übertragung von ATM-Zellen standardisiert. ATM im LAN - Bereich ATM-Forum: Standardisierung von Interfaces: - mit 25 / 52 und 155 Mbit/s, - über ungeschirmte (UTP Typ 3) bzw. geschirmte (STP) verdrillte Kupferleitungen. Bestehende FDDI-Infrastrukturen können mittels sog. TAXI-Chipsätze in ATM-LAN s umgewandelt werden ( Taxi = Produktbezeichnung für 1. Chipsatz dieser Art bei AMD). ATM im LAN-Bereich ermöglicht: - Multimedia-LAN s, - zentrale Verbindungsnetzwerke (Backbones) für herkömmliche LANs (Ethernet, Token- Ring, FDDI) - vs. Gigabit-Ethernet (1 / 10 / 40 /... Gbit/s). LAN-Emulation (LANE) ~> diese Betriebsart von ATM-Schalteinheiten gestattet die problemlose Migration bestehender LAN zu ATM-Technologien sowie MAC-Ebene von Ethernet (IEEE 802.3) und Token-Ring (IEEE 802.5) zu simulieren. Somit bestehende Netzknoten ohne Änderung der SW-Applikationen direkt an ATM-Technologie anschließbar Standardisierung ATM und B-ISDN Standardisierungsgremien für B-ISDN und ATM Standardisierung ATM insbesondere durch ITU (vormals CCITT) und ATM-Forum. ITU (International Telecommunications Union): 1932: Gründung CCITT (International Telegraph and Telephone Consultative Commitee) 1993: Umbenennung in ITU, z.zt. 164 Mitgliedsländer Standards (Auswahl): 1984: I-Serie für ISDN 1990: Entwurf für B-ISDN (ITU-Studiengruppe XVIII) 1991: Standards (I-, F-, Q- Serien für B-ISDN) ATM-Forum: 1991: Gründung durch CISCO-Systems, NET/Adaptive, Northern Telekom und US-Sprint Ziele: - TM-Standardisierung nicht allein ITU überlassen - Einfließen von Industrievorschlägen - Schaffung von Industriestandards für Bereiche, in denen keine Standards definiert sind (Quasistandards, kein langfristiges Warten auf Beschlussprozeduren der ITU) Aktivitäten Juni 1992: Entwicklung von UNI 2.0 (erweiterte Spezifikation des ITU-UNI-Standards) - ITU: zunächst lediglich SDH-basierende Übertragungsschnittstellen für ATM - UNI 2.0 definiert diese für ATM-Zellenübertragung * auf bestehenden PDH-Leitungen (34 / 45 Mbit/s) * sowie die 100 Mbit/s-TAXI-Schnittstellen für LAN 1994: wesentlich erweiterte Spezifikation UNI 3.0 und UNI : UNI 4.0 (darin erstmalig Übertragungs-Standards für lokale ATM-Netzwerke) 15

16 19.3 B-ISDN (Breitband-ISDN) Referenzmodell B-ISDN Referenzmodell B-ISDN Logische Architektur von B-ISDN Netzwerken (in Anlehnung an OSI-RM, ITU X.200, 7 Schichten) bestehend aus: 4 Schichten: - Höhere Schichten - ATM-Anpassungsschicht (AAL) - ATM-Schicht - Physikalische Schicht Diese 4 Schichten werden über 3 Ebenen verbunden: - Benutzerebene (User Plane) - Steuerebene (Control Plane) - Managementebene (Management Plane) Abbildung 19.11: Referenzmodell B-ISDN Benutzerebene (User Plane): Innerhalb Benutzerebene erfolgt Informationsfluss über alle Schichten hinweg. Funktionen: u.a. Korrektur von Übertragungsfehlern, Überwachung des Datenflusses. Steuerebene (Control Plane): Funktionen: Auf- und Abbau von Verbindungen, Überwachung von Verbindungen. ATM ist verbindungsorientiert --> jeder Verbindung innerhalb ATM-Schicht muss deshalb über das Signalisierungsverfahren der Steuerebene eine eindeutige Identifikationsnummer zugeordnet werden. Diese ID-Nr. ist je nach Hierarchie der Verbindung: - Pfadidentifikation (VPI: Virtual Path Identifier) - Kanalidentifikation (VCI: Virtual Channel Identifier) Managementebene (Management Plane): 2 Funktionen * Ebenenmanagement (Plane Management) Koordination der Funktionen und Abläufe der Management-Ebene mit den beiden anderen Ebenen. * Schichtenmanagement (Layer Management) - Meta-Signalisierung: Eigener Informationskanal zur Steuerung der verschiedenen Signalisierungsabläufe (sog. Meta-Signalisierung). Meta-Signalisierung erforderlich, weil Signalisierung in B- ISDN wesentlich komplexer als die D-Kanal - Signalisierung im S-ISDN ist. - OAM-Informationsfluss (OAM: Operation And Maintenance): OAM-Informationen dienen zur Überwachung der NW-Leistungsfähigkeit und zum Fehlermanagement auf ATM-Ebene --> dazu spezielle Zellen, sog. OAM-Zellen. 16

17 Funktionen und Schichten im B-ISDN Schichten im B-ISDN Anwendungsschicht, ATM-Adaptionsschicht (AAL), ATM-Schicht, Physikalische Schicht Abbildung 19.12: Schichten und Funktionen im B-ISDN Physikalische Schicht 2 Teilschichten: Physikalisches Medium (PM), Übertragungsanpassungsschicht (TC). Physikalisches Medium (PM) - Koaxial- und Twisted-Pair-Kabel der Plesiochronen Digitalen Hierarchie (PDH) (75 Ohm Koaxialkabel, 120 Ohm Twisted Pair Kabel). - Glasfasern der Synchronen Digitalen Hierarchie (SDH). - ATM-Forum: für LAN auch kostengünstigere Übertragungsmedien für ATM definiert, u.a. geschirmte und ungeschirmte verdrillte Kupferkabel (UTP / STP), Multimode-Glasfasern. B-ISDN-Standard erlaubt beliebiges physikalisches Medium, sobald entsprechende Übertragungsanpassung spezifiziert ist. Maximale Leistung: - Kupferkabel (kurze Entfernungen): MHz - Glasfaser: mehrere THz (Tera-Hertz) Übertragungssystem: - im LAN: hier auch elektrische Übertragungs-Methoden - im WAN: Orientierung auf optische Übertragungsmethoden (kostengünstiger) Übertragungsanpassung (Transmission Convergence TC) Funktion der TC: Einbetten der Zellen der ATM-Schicht in die Übertragungsrahmen des jeweiligen Transportmediums. Aufgaben: - Erzeugung / Entfernen von Übertragungsrahmen (SDH, PDH) und Anpassung ATM- Zellen auf Übertragungsformat Beispiele: * ATM-Zellen über 34 Mbit/s-E3-Strecke: Anpassen der Zelle in Informationsfelder für E3-Rahmen, oder in SDH-Rahmen, oder in PDH-Rahmen (DS1, DS3 oder E4). * Für direkte Zellenübertragung (ohne Zwischenschritt eines Übertragungsrahmens) ist keine Anpassung erforderlich. Zelleninhalt wird verschlüsselt und direkt auf das Übertragungsmedium ausgegeben. - Übertragungsanpassung (Transmission Convergence TC) - Zellencodierung (Cell Delineation) 17

18 Um Zelleninhalt vom Header zu unterscheiden, wird Zelleninhalt (Payload) verschlüsselt (scrambled) übertragen --> sichert eindeutige Erkennung des Headers gegenüber Informationsfeld bei beliebigen Bitkombinationen der ATM-Zelle. - Entkoppeln von Zellen- und Übertragungsrate HEC - Generierung - Erzeugen und Prüfen der Prüfsumme über die Headerinformationen der Zelle (Prüfsumme: HEC - Header Error Control; wird als 5. Byte der Zelle übertragen). ATM - Schicht Funktionen der ATM-Schicht: Die von der übergeordneten Anpassungsschicht (AAL) übergebenen Daten sind an Bestimmungsort zu übertragen. ATM ist der Transportmechanismus von B-ISDN-Netzwerken. Funktion der ATM-Schicht unabhängig von darunterliegender physikalischen Schicht. Informationseinheit der ATM-Schicht 53 Bytes lange Zelle: Zellenheader, Payload Zellenheader enthält Identifikationsnummer --> damit Zuordnung zu einer bestimmten Verbindung. Abbildung 19.13: Format einer ATM-Zelle Aufgaben der ATM-Schicht 1. Multiplexen / Demultiplexen der ATM-Zellen - Zellen von verschiedenen Verbindungen werden in Übertragungsrichtung in einen nichtkontinuierlichen Zellenfluss gemultiplext. Zellenströme werden in 2 logische Hierarchien unterteilt: ATM-Kanäle (Virtual Channel), ATM-Pfade (Virtual Path). - Ein physikalisches Übertragungsmedium (z.b. LWL) kann mehrere virtuelle Verbindungspfade übertragen. - Ein virtueller Verbindungspfad kann mehrere virtuelle Verbindungskanäle enthalten. - Jede Zelle kann eindeutig über ihre Header-Informationen und den darin enthaltenen Pfad- bzw. Kanalidentifikations-Nr. n (VCI, VPI) einem bestimmten Pfad bzw. Kanal zugeordnet werden: VCI: Virtual Channel Identifier, VPI: Virtual Path Identifier 2. VPI / VCI - Umwandlung (Auswertung / Übersetzung) Bei Zellenvermittlung über Schaltanlagen (Switches, Cross-Connects) sind die bis dahin gültigen VCI/VPI in neue VPI/VCI umzuwandeln, die das neue Ziel der Zelle beschreiben. 3. Erzeugen / Entfernen des Zellenheaders Erhält ATM-Schicht von übergeordneter AAL-Schicht eine Informationseinheit, so muss sie den zugehörigen ATM-Header erzeugen (Ausnahme: HEC (Header-Error-Control-Feld) --> dieses von Übertragungsanpassung TC erzeugt). Header einer ATM-Zelle (an UNI- Schnittstelle): 4 Bits: zur Flusskontrolle (GFC Generic Flow Control) 20 Bits: zur Kanal- und Pfadidentifikation (VPI, VCI) 3 Bits: zur Bestimmung des Zelleninhalts (Playload - Type) 1 Bit: zum Setzen der Zellenpriorität (Cell Loss Priority) NNI-Zellen (Network-to-Network-Interface) haben im Gegensatz zu UNI-Zellen (User-to- Network-Interface) kein Feld zur Flusskontrolle --> dadurch größerer Wertebereich zur Pfadidentifikation (VPI). 18

19 Wichtige Aufgabe der ATM-Schicht: Umwandeln von Netzwerkadressen der höheren Schichten in entsprechende Werte für VPI s und VCI s. 4. Zellen-Fluss-Steuerung (Generic Flow Control GFC) GFC-Feld zur Flusskontrolle von ATM-Zellen kann zur Steuerung der Zellenübertragung beim Zugriff mehrerer Teilnehmer auf dasselbe physikalische Übertragungsmedium verwendet werden. Anpassungsschicht (AAL) Funktionen der AAL-Schicht (ATM Adaption Layer, Anpassungsschicht) - Segmentieren: Datenströme der höheren Anwendungsschichten sind in 48 Bytes lange Informationseinheiten zu zerteilen. - Reassemblieren (Umkehrung zu Segmentieren): aus den ATM-Zellen sind die ursprüng lichen Datenströme zusammenzusetzen. Funktionen sind von Charakteristik der übergeordneten Anwendungen abhängig. Teilschichten - Konvergenzteilschicht (CS Convergence Sublayer) - Segmentierungs- und Reassemblierungsteilschicht (SAR Segmentation and Reassembly Sublayer) Segmentierung: Datenstrom --> 48 Byte-Segmente (+ 5 Byte für Header in ATM-Schicht) Reassemblierung: Datenstrom <-- ATM-Zelle AAL-Typen Zur Begrenzung der AAL-Implementationen sind 4 Dienstklassen (Service-Klassen) für die AAL-Schicht definiert: AAL-1, AAL-2, AAL-3/4, AAL-5 Abbildung 19.14: AAL-Typen Definition basiert auf den 3 Parametern Echtzeitanforderungen, Bitrate (konstant / variabel), Verbindungskonzept (verbindungsorientiert/verbindungslos) Serviceklassen und AAL-Typen: Typen 3 und 4 zu Typ 3/4 zusammengefasst, da in AAL keine Unterscheidung zwischen verbindungsorientiert und verbindungslos notwendig ist ATM-Bitraten-Dienstklassen Ab Version 4.0 der ATM-Spezifikation sind 4 Dienstklassen bezüglich der Bitraten definiert: CBR (Constant Bit Rate): - Emuliert ein Kupfer- oder Glasfaserkabel (LWL mit wesentlich höheren Kosten) - Daten werden mit konstanter Bitrate übertragen, ohne Fehler- oder Flußkontrolle - CBR geeignet für Audio- und Videoströme in Echtzeit VBR (Variable Bit Rate): VBR (Variable Bit Rate): 2 Varianten * rt-vbr (real-time-vbr): Unterstützt Anwendungen mit strengen Echtzeitanforderungen (z.b. Videokonferenz); Übertragungsschwankungen (z.b. bei MPEG-Datenkompression) sind nur innerhalb eng definierter Grenzen erlaubt. 19

20 * nrt-vbr (non-real-time-vbr): Erlaubt größere zeitliche Verzögerungen (Jitter). Einsatz z.b. bei multimedialen s. ABR (Available Bit Rate): - Nutzung bei nicht genau vorhersagbarer Netzlasten bzw. zum Abfangen von Spitzen lasten. - Somit optimal zusätzlich Kapazitäten vertraglich vorbestellbar (statt teurer Standleitungen). - Als einziger Dienst wird dem Benutzer eine Überlastung mitgeteilt. UBR (Unspecified Bit Rate) - Bestimmte Bandbreite oder erfolgreiche Zustellung von Datenpaketen wird nicht garantiert (entspricht IP, best effort). - Geeignet zur Übertragung von IP-Paketen (werden ebenfalls ohne Gewähr verschickt). - Weitere Anwendungen: , Dateitransfer, Peer-to-Peer. ATM-Dienstequalität (QoS: Quality of Service) QoS wird vertraglich ausgehandelt (z.b. um Zellverlust auszuschließen). Vertrag (negotiation) umfasst Verkehrsbeschreibung (d.h. Anforderungen / Wünsche des Kunden), akzeptierte Dienstqualität, Parameter des vereinbarten QoS. QoS umfasst maximale / minimale Zellrate, langfristige durchschnittliche Zellrate, Dauer der Zustellung, erlaubte zeitliche Abweichung bei der Zustellung, Handhabung und Zustellung von Bruchteilen von Zellen oder Zellblöcken. Anpassungsschicht für Signalisierung (SAAL) Funktion: Innerhalb B-ISDN werden spezielle Kanäle zur Übertragung von Signalisierungsinformationen verwendet (analog zum D-Kanal bei S-ISDN). SAAL bezeichnet dabei die AAL- Schicht dieser Signalisierungskanäle. Aufgaben: Umsetzen der sich auf Anwendungsschicht befindenden Signalisierungsprotokolle (z.b. Q.2931, B-ISUP) auf die ATM-Ebene. Dazu wird die AAL vom Typ 3/4 oder Typ 5 (AAL-3/4, AAL-5) mit der servicespezifischen Teilschicht SSCOP verwendet. Das dabei auf AAL-Ebene angewandte Verfahren muss hohe Übertragungssicherheit garantieren.die darüber liegenden Signalisierungsprotokolle (z.b. Q.2931) setzen voraus, dass ihre Datenpakete auf jeden Fall übertragen werden. Sie haben keine Funktionen zur Übertragungswiederholung. Höhere Schichten des Referenzmodells Applikationen für B-ISDN-Anwendungen: Cell Relay (für existierende ATM-basierende Netzwerk-Infrastrukturen) Frame Relay - Emulation CLNAP / SMDS / CBDS (für verbindungslose Protokolle in WAN über ATM) B-ISDN - Signalisierung (Q.2931) Netzwerkmanagement für B-ISDN LAN über ATM * LLC-Enkapsulierung (RFC 1483) * IP-Enkapsulierung (RFC 1577) * LAN-Emulation (ATM-Forum) Verschiedene Videodienste * Video- und Fernsehübertragung * Audio/Videokonferenzen und interaktives Fernsehen * Computerbasierte Multimedia-Applikationen (z.b. Audio/Video-Mail, Kollaborationssysteme) 20

21 20 Photonische Netze 20.1 Laser und Lichtwellenleiter Schlüsseltechnologien optischer Übertragung Laser und Lichtwellenleiter Seit 2000 verstärkt optische Übertragung in Telekommunikation. Nachfolgend einige ausgewählte Technologien als Schlüsselbausteine optischer Netzwerke. Mehrere technologische Entwicklungen haben zur Entstehung der optischen Netzwerke beigetragen; Entscheidend sind Laser und Lichtwellenleiter. Bahnbrechend die Erfindung des Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 1958). Mit dem Laser ist erstmals eine wirtschaftlich vertretbare und praktische Lösung für die Erzeugung von hochfokussierten, monochromatischen und kohärenten Lichtstrahlen entstanden. Infolge vieler Anwendungsmöglichkeiten des Lichtstrahls mit hoher Energiedichte wird Lasertechnologie heute in verschiedensten Bereichen eingesetzt, von der Metallurgie über Medizin, Messtechnik, Telekommunikation und Militär bis hin zu Konsumgütern. Obwohl Prinzip des elektromagnetischen Wellenleiters bereits 1934 erfunden, konnten die ersten Lichtwellenleiter (LWL) erst 1966 produziert werden. Sie hatten eine hohe Dämpfung von mehr als 1 db pro Meter oder 1000 db pro Kilometer. Aber bereits 1970 konnten verbesserte Glasfasern produziert werden, mit denen über eine Strecke von 1 km ohne Zwischenverstärkung noch 1% der Lichtenergie die Empfangsseite erreichte (entspricht einer Dämpfung von 20 db/km). Heute können LWL derart präzise aus reinem Glas hergestellt werden, dass die Dämpfung im Bereich von 0,2 db/km liegt, was einer weiteren Verbesserung um den Faktor 100 entspricht Lichtwellenleiter und ihre Eigenschaften Aufbau LWL Die LWL bestehen aus zwei ineinander geschachtelten reinen Glaszylindern: dem Kern und einem ihn umfassenden Mantel (Cladding). Zum Schutz werden mehrere Schichten (Coating) nach innen aus weichem Kunststoff und nach außen aus härteren Materialien verwendet. Die Lichtenergie des Sende-Lasers wird an einem Ende des LWL in den Glaskern gestrahlt und dort durch Reflexion an der Wand des Kerns gehalten. Die Reflexion entsteht wegen der unterschiedlichen Brechindexe von Kern und Mantel. Zwei Grundkategorien von LWL: Multimode und Single Mode. Multimode LWL Als erstes wurden die technologisch weniger anspruchsvollen Multimode LWL eingeführt. Beim Multimode LWL, mit einem Kerndurchmesser von 50 oder 62,5 µm, breiten sich die Lichtstrahlen mit wiederholten Reflexionen an der Wand des Kerns aus. Da die Reflexionshäufigkeit vom Eintrittswinkel der Lichtstrahlen abhängig ist und die Eintrittswinkel der einzelnen Strahlkomponenten im Lichtbündel des Lasers verschieden sind, verbreiten sich auch die einzelnen Lichtstrahlen unterschiedlich. Deshalb die Bezeichnung Multimode LWL. 21

22 Abbildung 20.1: Multimode LWL Single Mode LWL (Monomode LWL) Der Kerndurchmesser der Single Mode LWL ist klein, so dass das Licht praktisch in der zentralen Achse des Glaskerns bleibt. Es gibt nur einen einzigen Verbreitungsmodus, ohne Reflexionen. Infolge des wesentlich kleineren Kerndurchmessers sind die Single Mode LWL für die Übertragung von größeren Informationsmengen auf längeren Distanzen besser geeignet als die Multimode LWL. Grund: Single Mode LWL verändern den zeitlichen Ablauf und die Intensität der optischen Signale wesentlich weniger als Multimode LWL. Abbildung 20.2: Single Mode LWL Dämpfung Die Lichtübertragungseigenschaften der LWL sind von der Wellenlänge abhängig. Auch in der besten Glasfaser gibt es leichte Inhomogenitäten und Verunreinigungen, da absolute perfekte amorphe Materialien nicht hergestellt werden können. Ein kleiner Teil der Energie des Lichtstrahls wird von den Unregelmäßigkeiten des Materials zerstreut. Abbildung 20.3: Dämpfungscharakteristik von Single Mode LWL Dieses Phänomen (sog. Raleigh Scattering ) tritt bei kürzeren Wellenlängen stärker auf. Bei längeren Wellenlängen macht sich die Infrarot-Absorption bemerkbar. Nach dem Addieren der verschiedenen Faktoren resultiert eine Kurve der Gesamtdämpfung, die ihr Minimum im Bereich der Wellenlängen von 1200 bis 1700 nm hat. In diesem Bereich wurden für die optische Übertragung sechs sog. Fenster (Windows) um 850, 1300, 1400, 22

23 1550,1575 und 1660 nm definiert (s. Abb. 20.4). Das Fenster um 850 nm liegt mit einer hohen theoretischen Dämpfung von ca. 2 db/km außerhalb des optimalen Bereichs und wird deshalb hauptsächlich für Verbindungen über kurze Strecken und mit kostengünstigeren Lasern oder auch mit LED verwendet. Abbildung 20.4: Optische Fenster Ausbreitung der Lichtsignale Die Lichtsignale erleiden während der Ausbreitung im LWL nicht nur eine Dämpfung, sondern auch eine Verzerrung. Rechteckig ausgesendete Lichtimpulse treffen beim Empfänger verschwommen ein. Die Ursache liegt in leicht unterschiedlichen Verzögerungen, welche die Lichtkomponenten des Signals für ihre Verbreitung benötigen. Die Streuung wächst mit der Distanz. Je höhere Frequenzen die Lichtimpulse haben, desto stärker fällt diese Streuung ins Gewicht. Die zeitliche Streuung limitiert das maximale erreichbare Produkt Signalbandbreite * Distanz. Bei Multimode LWL sind verschiedenen Reflexionswinkel und damit unterschiedlich lange Reisewege der Hauptgrund der zeitlichen Streuung. Auch die Single Mode LWL sind nicht ganz streuungsfrei. Die Streuungsursachen liegen in mehreren physikalischen Phänomenen Übertragung in optischen Netzen Einfaches optisches Netzwerk Für die Übertragung wird im einfachsten optischen Netzwerk sendeseitig ein von einem Laser generierter Lichtstrahl durch ein elektrisches Nutzsignal in der Amplitude moduliert. Nach Verstärkung wird der Strahl in den LWL geleitet. An der Empfangsseite verstärkt ein Vorverstärker zuerst die gedämpfte Energie des Lichtsignals, dann wird dieses zum Fotodedektor geführt, wo das Nutzsignal extrahiert wird. Abbildung 20.5: Einfache optische Übertragung Wave Division Multiplexing Die Kapazität des Systems lässt sich durch eine gleichzeitige Übertragung von mehreren modulierten Lichtstrahlen im gleichen LWL wesentlich erhöhen. Die Lichtstrahlen ( optische Träger ) mit unterschiedlicher Wellenlänge einer bestimmten Anzahl Sender (Tx) werden 23

24 optisch zusammenmultipliziert und in den LWL eingespeist. An der Empfangsseite werden die Lichtstrahlen zuerst durch selektive Farbfilter getrennt und dann zu den einzelnen Empfängern (Rx) weitergeleitet. Zugehörige Übertragungsmethode: Wellenlängenmultiplexing (Wave Division Multiplexing (WDM)). Abbildung 20.6: Wave Division Multiplexing Dense WDM Gesamtkapazität der WDM-Übertragung ist von der Anzahl verwendeter Wellenlängen und von der Bandbreite der auf einzelnen Trägern modulierten Nutzsignale abhängig. Der Unterschied zwischen den Wellenlängen einzelner Träger kann sehr gering sein. Er liegt zwischen 8,8 nm (gemäß ITU G.692-Empfehlung) und 20 nm oder mehr bei sog. Lowcost-Lösungen. Die Technologie Dense WDM (DWDM) arbeitet mit 8,8 nm. Sie muss Laser mit äußerst engem Frequenzspektrum und mit hoher Frequenzpräzision und -stabilität verwenden. An der Empfangsseite erfolgt die Trennung der Träger durch extrem selektive Farbfilter. Typische DWDM-Systeme arbeiten mit 40 bis 80 Kanälen (Träger), mit Bitraten von 1, 2,5 oder 10 Gbit/s per Kanal. Produkte mit 40 Gbit/s per Kanal sind in der Phase der kommerziellen Einführung (2004) Funktionen des DWDM-Knotens Generischer DWDM-Netzknoten Generischer DWDM-Netzknoten (Knoten 1), der mit drei anderen Netzknoten verbunden ist. Beim selben Knoten wird lokal auch ein Teil der optischen Verbindungen terminiert. Abbildung 20.7: Struktur eines generischen DWDM Netzknoten Grundfunktionen eines DWDM-Knoten: - Regenerierung der empfangenen und Verstärkung der zu sendenden optischen Träger - Optische Multiplexierung/Demultiplexierung für die Zusammenführung bzw. Trennung der einzelnen optischen Träger. - Einspeisung bzw. Herauskopplung der modulierten optischen Träger (Add/Drop- Funktion) - Schaltung im Lambda Switch der optischen Kanäle. Dieser besteht aus 2 Teilen: 24

25 a) Der Cross Connect (oder Switching Matrix) ist das eigentliche Schaltelement der optischen Träger. b) Der Wellenlängenkonverter (oder Lamda Converter ) wird bei Bedarf für die Umsetzung der Qellenlängen der optischen Träger zugeschaltet Regenerierung der optischen Signale Signalregeneration Die Lichtsignale werden in langen LWL Strecken gedämpft und verzerrt. Für die Überbrückung größerer Distanzen müssen die Lichtsignale regeneriert werden. Es wird unter 3 Typen von Signalregenerationen unterschieden: - 1R - Reamplify - 2R - Reamplify, Reshape - 3R - Reamplify, Reshape, Retime Reshaping und Retiming erfolgen nach opto/elektrischer Umwandlung mittels elektronischer Schaltungen. Für die Verstärkung der optischen Signale gibt es auch reine optische Lösungen, u.a. - Erbium-dopierte Glasfaserverstärker, - Raman Verstärker und - Halbleiter optische Verstärker (SOA - Semiconductor Optical Amplifier). Abbildung 20.8: Typen der Signalgeneration Erbium-dopierte Glasfasern Verbreitet ist der rein optische Verstärker mit Erbium-dopierten Glasfasern (EDFA: Erbium doped Fiber Amplifier). Erbium, eine Seltene Erde, wird in den Siliziumkern einer Faser von einigen Metern Länge in kleiner Konzentration beigemischt. Die Erbium-Ionen werden durch eine externe Quelle, den Pumplaser, mit Energie geladen. Da der geladene Zustand instabil ist, lösen Photonen vom eintreffenden Lichtsignal die Entladung der Erbium-Ionen aus. Die Entladung ist in Lichtform und erfolgt für Erbium im Silizium mit der Wellenlänge des Eingangssignals, im Bereich von 1500 nm. Diese Energie summiert sich mit derjenigen des Eingangssignals und verstärkt es. Die Energie des Pumplasers kann an einem der beiden Enden des Erbium-dopierten Faserstücks eingeführt werden. Die Pumplaser arbeiten mit Wellenlängen von 980 oder 1475 nm. Optische Entkoppler beseitigen störende Strahlungen des Systems. Die EDFA-Technologie kann als Endverstärker, mit hoher Ausgangsleistung (15 dbm) und geringerem Verstärkungsfaktor, oder als Vorverstärker, mit hoher Empfindlichkeit für schwache Eingangssignale und hohem Verstärkerfaktor (30 db), implementiert werden. 25

26 Abbildung 20.9: Erbium-dopierte Glasfasern Ein Schlüsselmerkmal der optischen Verstärker ist die Linearität der Verstärkung mit der Wellenlänge bzw. Frequenz. Da der Verstärkungsmechanismus stark wellenlängenabhängig ist, war es eine technische Herausforderung, die für DWDM notwendige Frequenzlinearität zu erreichen. Innegalitäten stören insbesondere bei längeren Strecken, wo mehrere Verstärker kaskadiert sind. Eine zufrieden stellende Frequenzlinearität kann heute durch die Wahl und Dosierung der verwendeten Dopierungselemente sowie durch die Verwendung spezieller Korrekturfilter erreicht werden Optische Cross Connects Verbindungssteuerung im DWDM Die optischen Cross Connects sind das zentrale Element für die Steuerung der Verbindungen innerhalb des DWDM-Netzes. Die durch den Lambda-Demultiplexer getrennten Lichtstrahlen werden in kurzen LWL zum Cross Connect geführt, wo sie individuell oder in Bündeln auf die geforderten Ausgangs-LWL gelenkt und, nach Lambda Multiplexierung, an den nächsten DWDM-Knoten weitergesendet werden. Die räumliche Anordnung der optischen Schaltelemente ist 3- oder 2-dimensional, je nach verwendeter Technologie. Für die Ablenkung der Lichtstrahlen werden folgende Technologien eingesetzt: - Neigbare Mikrospiegel - Mikroblasen (Bubbles) - Flüssigkristalle - Thermooptische Elemente Neigbare Mikrospiegel Ein Anwendungsbeispiel dieser Technologie ist der WaveStarTM Lambda Router von Lucent Technologies. Funktionsprinzip: Die von der Fasergruppe links austretenden Lichtstrahlen, welche im Switch eintreffen, werden auf ein Feld von 256 mikroskopischen Spiegeln projiziert. Durch Neigung zweier Achsen der einzelnen Spiegel kann die Eintreffstelle der Lichtstrahlen auf das zweite Spiegelfeld und von dort auf die Ausgangsfaser eingestellt werden. Abbildung 20.10: Lambda Router 26