WANs: Wide Area Networks

WANs:
Wide Area Networks
Nachtrag: das angegebene Buch von Cisco ist auch
online verfügbar unter:
http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/ito_doc/
WANs
Ziel: Überbrückung beliebig großer Distanzen.
• Meist zur Abdeckung eines Landes oder eines Kontinents.
• Topologie fast immer irregulär, weil bedarfsorientiert. Daher steht hier
nicht der gemeinsame Zugriff auf ein Medium im Vordergrund,
sondern der Gedanke „Wie schaffe ich es, möglichst viele Daten über
eine Leitung zu bekommen“.
• Meist recht komplexe Zusammenschaltung von Teilnetzen,
die im Besitz von unterschiedlichen Betreibern sind.
• Geringere Datenraten als bei LANs, aber deutliche Steigerung
(Beispiel ATM: 622 Mbit/s, SDH: Gigabit-Bereich).
• Reichweite: 1000 km - 10000 km
• Angesiedelt auf den Schichten 1 und 2, teilweise auch auf Schicht 3
Beispiele:
• Asynchronous Transfer Mode, ATM
• Synchronous Digital Hierarchy, SDH
1
WAN - Techniken
Point-to-Point Links
• Bereitstellung eines einzelnen WAN-Kommunikationspfades vom Kunden zu
einem entfernten Netzwerk
• Beispiel: Telefongesellschaft. Oft erfolgt ein Leasing von
Kommunikationsressourcen bei dem Anbieter
• Die Abrechnung der Ressourcen basiert auf der benötigten Bandbreite und
der Entfernung zum Empfänger
Circuit Switching
• Eine Datenverbindung wird bei Bedarf aufgebaut, nach Beendigung der
Kommunikation werden die Ressourcen wieder freigegeben
• Beispiel: Integrated Services Digital Network, ISDN
Packet Switching
• gemeinsame Nutzung von Ressourcen eines Anbieters durch mehrere Nutzer
• preisgünstiger als die anderen Methoden
Packet Switching
Packet Switching ist die gebräuchlichste Technik zur Kommunikation in einem
WAN. Der Anbieter der Kommunikationsressourcen erstellt virtuelle Verbindungen
(Virtual Circuits) zwischen den entfernten Stationen, die Daten werden in Form von
Datenpaketen übertragen.
Beispiele: ATM, Frame Relay, Switched Multimegabit Data Services (SMDS), X.25
Zwei Arten von Virtual Circuits:
• Switched Virtual Circuits (SVCs)
Geeignet bei sporadisch auftretendem Bedarf nach Datenübertragung. Eine
virtuelle Verbindung wird aufgebaut, die Daten werden übertragen, nach der
Übertragung werden die Ressourcen wieder freigegeben.
• Permanent Virtual Circuits (PVCs)
Geeignet bei permanent benötigten Kommunikationsressourcen. Die Verbindung
besteht dauerhaft, es gibt nur die Phase der Datenübertragung.
2
Frame Relay
Entwicklung von Frame Relay
• Basiert auf Packet Switching
• Ursprünglich gedacht für den Gebrauch zwischen ISDN-Geräten, inzwischen
aber weiter verbreitet
• Die Pakete können variable Länge haben
• statistisches Multiplexing zur Kontrolle des Netzwerkszugriffs. Die ermöglicht
eine flexible, effiziente Nutzung der verfügbaren Bandbreite
• Eine erste Standardisierung erfolgte 1984 durch die CCITT. Allerdings lieferte
sie keine vollständige Spezifikation, zusätzlich gab es bei der Interoperabilität
Probleme.
• Daher bildeten Cisco, DEC, Northern Telecom und StrataCom 1990 ein
Konsortium, daß auf der unvollständigen Spezifikation aufbaute und
Erweiterungen zu Frame Relay entwickelte, die einen Einsatz in komplexen
Internet-Umgebungen ermöglichen sollten. Diese Erweiterungen wurden Local
Management Interface (LMI) genannt. Da sie breiten Anklang fanden,
standardisierten ANSI und CCITT eigene LMI-Varianten.
• International wurde Frame Relay schließlich durch die ITU-T, in der USA durch
ANSI standardisiert.
LAN-Kopplung mit Frame Relay
• Übertragungsraten von 56 KB/s bis 45 Mb/s können gemietet werden
• Dienst der OSI-Schicht 2 (geringer Overhead, hohe Übertragungsraten)
• Wird meist für virtuelle Festverbindungen genutzt, bei denen keine Signalisierung
für den Verbindungsaufbau erforderlich ist
• Hauptverwendungszweck: Verbindung innerhalb eines standortübergreifenden
Netzes
DNAE
DNAE
LAN
DNAE
Datennetzabschlußeinrichtung
LAN
3
Aufbau von Frame Relay
Zweck: einfache, verbindungsorientierte Möglichkeit zur kostengünstigen
Versendung von Daten mit akzeptabler Geschwindigkeit (56 Kb/s bis 45 Mb/s).
Es werden zwei generelle Kategorien von Geräten unterschieden:
• Data Terminal Equipment (DTE): typischerweise im Besitz des Endnutzers,
beispielweise PCs, Router, Brücken, ...
• Data Circuit-terminating Equipment (DCE): im Besitz eines Anbieters. DCEs bieten
im Netzwerk Switching Services an, d.h. sie realisieren die Datenübertragung.
Meist sind dies Packet Switches.
DTE
DTE
DTE
DCE
Packet
Switch
DTE
Kommunikation bei Frame Relay
Frame Relay bietet verbindungsorientierte Kommunikation auf der LLC-Schicht:
• zwischen jedem Paar von Geräten (DCE oder DTE) existiert ein fest definierter
Kommunikationspfad. Dieser wird mit einem eindeutigen Verbindungsbezeichner (Data-Link Connection Identifier, DLCI) assoziiert. Zwischen zwei
DTEs wird eine virtuelle Verbindung aufgebaut.
• Die virtuelle Verbindung bietet einen bidirektionalen Kommunikationspfad.
• Mehrere virtuelle Verbindungen können auf eine einzelne physikalische
Verbindung gemultiplext werden (Reduktion von Ausrüstung und
Netzwerkkomplexität).
• DLCIs werden durch den Anbieter vergeben. Sie sind im LAN eindeutig, nicht
aber notwendigerweise im WAN.
• Frame Relay bietet die Möglichkeit, sowohl SVCs als auch PVCs zu verwenden.
Zu Beginn wurden nur PVCs verwendet, da man dort keine Verbindung
aufzubauen braucht. Der Modus der temporären Verbindungen wurde kaum von
Herstellern unterstützt. Allerdings sind mittlerweile SVCs die Norm, da sie
preisgünstiger sind.
4
Flußkontrolle bei Frame Relay
• Frame Relay besitzt keinen eigenen Flußkontroll-Mechanismus zur Kontrolle des
Verkehrs jeder virtuellen Verbindung.
• Frame Relay wird typischerweise auf zuverlässigen Netzwerkmedien eingesetzt,
daher kann die Flußkontrolle an höhere Schichten abgegeben werden.
• Statt dessen: Notifikations-Mechanismus (Congestion Notification) zur
Meldung von Engpässen an höhere Protokollschichten und so zur Reduktion
des Netzverkehrs, falls ein Kontrollmechanismus auf einer höheren Schicht
implementiert wird.
Es gibt zwei Mechanismen zur Congestion Notification
• Forward-Explicit Congestion Notification (FECN)
¾wird initiiert, wenn eine DTE Rahmen ins Netz sendet
¾Bei Überlast setzen die DCEs im Netz das FECN-Bit auf 1
¾Wenn der Rahmen beim Empfänger ankommt, erkennt dieser, daß eine
Überlast auf der Übertragungsstrecke vorliegt
• Backward-Explicit Congestion Notification (BECN)
¾Analog zu FECN, aber das BECN-Bit wird gesetzt, wenn Rahmen in die
entgegengesetzte Richtung von Rahmen mit gesetztem FECN-Bit laufen
Der Rahmen-Header
8
2
Variabel, bis zu 16000 Byte
16
8
Flags
Adresse
Daten
FCS
Flags
6
1
1
DLCI
C/R
EA
4
1
1
1
DLCI FECN BECN DE
1
Länge in Byte
Bit
EA
Flags
• Kennzeichnung von Rahmenbeginn und -ende durch 01111110-Bytes
FCS:
• CRC-Checksumme
Adresse
• Das Feld ‘Adresse‘ setzt sich aus mehreren Bestandteilen zusammen:
¾DLCI (10 Bit). Rahmenadresse, kennzeichnet gleichzeitig die virtuelle
Verbindung. Nur lokal (d.h. auf dem jeweiligen physikalischen Medium
zwischen zwei Geräten) eindeutig. Kommunikationspartner können daher
unterschiedliche DLCIs für die gleiche virtuelle Verbindung haben.
¾C/R: Command/Respone. Es ist nicht definiert, was das bedeuten soll.
5
Der Header / LMI
¾Extended Address (EA): jedes 8te Bit des Adreßfeldes. Ist es auf 1
gesetzt, ist dies das letzte Byte, das zum Adreßfeld gehört. Gängige
Implementierungen nutzen zwei Byte zur Adressierung, allerdings können
zwei weitere hinzugezogen werden.
¾Congestion Control: umfaßt 3 Bits: FECN, BECN, DE. DE bedeutet
Discard Eligibility. Kennzeichnet weniger wichtigen Verkehr, der bei
Überlast verworfen werden kann. Es kann von der sendenden DTE gesetzt
werden. Damit kann verhindert werden, daß kritische Daten zu früh
verworfen werden.
Local Management Interface (LMI)
• globale Adressierung: Verallgemeinerung der DLCIs auf globale Bedeutung. Damit
können Standardmethoden, z.B. zur Adreßauflösung, verwendet werden.
• Statusnachrichten über virtuelle Verbindungen: Die Statusnachrichten können zur
Kommunikation und Synchronisation zwischen DTEs und DCEs verwendet
werden.
• Multicast
¾Dazu: eigener Rahmentyp für Kontrollnachrichten
Asynchronous Transfer Mode (ATM)
6
ATM zur Integration von Datenund Telekommunikation
7HOHNRPPXQLNDWLRQ
3ULPÕUHV=LHO7HOHIRQLH
'DWHQNRPPXQLNDWLRQ
3ULPÕUHV=LHO'DWHQWUDQVIHU
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
YHUELQGXQJVRULHQWLHUW
IHVWH=XWHLOXQJYRQ5HVVRXUFHQ
/HLVWXQJVJDUDQWLHQ
XQJHQXW]WH5HVVRXUFHQYHUIDOOHQ
JHULQJH(QGH]X(QGH9HU]çJHUXQJ
YHUELQGXQJVORV
IOH[LEOH=XWHLOXQJYRQ5HVVRXUFHQ
NHLQH/HLVWXQJVJDUDQWLHQ
HIIL]LHQWH1XW]XQJYRQ5HVVRXUFHQ
YDULDEOH(QGH]X(QGH9HU]çJHUXQJ
Time Division Multiplexing
Statistical Multiplexing
bandwidth allocation
bandwidth allocation
t
t
Eigenschaften von ATM
¾ ITU-T-Standard (bzw. ATM-Forum) für Zellübertragung
¾ Integration von Daten-, Sprach- und Videoübertragungen
¾ zellbasierte Multiplexing- und Switchingtechnik
¾ Verbindungsorientierte Kommunikation
¾ Zusicherung von Qualitätsmerkmalen für die gewünschte Verbindung
¾ Skalierbarkeit der benötigten Bandbreite
¾ kombiniert Vorteile von:
- Circuit Switching (garantierte Bandbreite, konstante Verzögerung)
- Packet Switching (flexible und effiziente Übertragung)
¾ nahtloser Übergang von lokalen Netzen zum Weitverkehrsbereich
¾ Unterstützt PVCs, SVCs und verbindungslose Übertragung
¾ Datenraten: 34, 155 oder 622 Mb/s
7
Asynchronous Transfer Mode
Asynchronous Transfer Mode (ATM)
• keine Leitungsvermittlung, sondern
Zellvermittlung
• feste Zellgröße: 53 Bytes
• konstante und variable Zellraten
Zellkopf
(Header)
Nutzinformation (Payload)
48 Bytes
• multicastfähig
• verbindungsorientiert
5 Bytes
Zellmultiplexing auf einer ATM-Verbindung:
• asynchrones Time-Division-Multiplex
• kontinuierlicher Zellstrom
• unbenutzte Zellen werden leer verschickt
1
2
1
2
3
3
2
3
2
3
leere Zelle
Zellgröße bei ATM
Amplitude des Eingangssignals
(z.B. abgetastetes Sprachsignal,
Puls-Code-Modulation, PCM)
Problem:
Verzögerung des Zellstroms beträgt bei Sprache 6ms:
48 Samples mal 8 Bit
= 48 Byte
= Payload für eine ATM-Zelle
t=125 µs
⇒ größere Zellen verursachen zu große
Verzögerungen bei Sprachübertragung
Kontinuierlicher Datenstrom mit Abtastrate 1/125 µs
⇒ kleinere Zellen erzeugen zu viel Overhead
(Header / Payload - Verhältnis)
d.h. 48 Byte ist ein Kompromiss.
TD = 6 ms
header
overhead
packetisation
delay
100%
10ms
50%
64+5
5ms
32+4
48+5
0
20
40
60
80
cell size [bytes]
8
ATM Network
2 Arten von Komponenten:
• ATM Switch
Versendung von Zellen durch das Netz. Dazu werden die Zellheader
eingehender Zellen gelesen und ein Update der Informationen vorgenommen.
Danach werden die Zellen weiter zum Ziel geswitcht.
• ATM Endpoint
Enthält einen ATM Network Interface Adapter, verbindet also andere Netze mit
dem ATM-Netz.
Router
LAN Switch
ATM Network
Workstation
ATM Switch
ATM Endpoint
Aufbau von ATM-Zellen
Zwei Header-Formate:
• Kommunikation zwischen Switches und Endpoints: User-Network Interface (UNI)
• Kommunikation zwischen zwei Switches: Network-Network Interface (NNI)
*)& *HQHULF)ORZ&RQWURO
1XUEHL81,IíUORNDOH)XQNWLRQHQ7\SLVFKHUZHLVH
XQEHQXW]W%HL11,OÕQJHUHU93,
37,
3D\ORDG7\SH,GHQWLILHU
%LW
*)&93,
93,
1XW]HUGDWHQRGHU.RQWUROOGDWHQ&RQJHVWLRQ
H
\W% %HLOHW]WHUHPJLEWGDVQÕFKVWH%LWDQREÍEHUODVW
YRUOLHJW'DVOHW]WH%LW]HLJWDQREHLQH=HOOHGLH
OHW]WHHLQHV5DKPHQVLVW
&/3 &HOO/RVV3ULRULW\
93,
9&,
37,
&/3
+(&
3D\ORDG
,VWGDV%LWNDQQGLH=HOOHEHLÍEHUODVWYHUZRUIHQZHUGHQ
+(& +HDGHU(UURU&RQWURO
&5&íEHUGLHHUVWHQ%\WHNDQQHLQ]HOQH%LWIHKOHUNRUULJLHUHQ
9
Pfad- und Kanalkonzept von ATM
¾ Vor Beginn der Kommunikation muß eine virtuelle Verbindung aufgebaut
werden.
¾ Physikalische Verbindungen „enthalten“ Virtual Paths (VPs, Gruppe von
Verbindungen)
¾ VPs „enthalten“ Virtual Channels (VCs, logische Kanäle)
¾ ATM Zellen werden entlang ihrer virtuellen Verbindung mit Hilfe des Virtual
Channel Identifier (VCI) und des Virtual Path Identifier (VPI) „geswitcht“
¾ VPI und VCI haben nur lokale Bedeutung und können von den Switches
geändert werden.
Virtual Path Switching
Virtual Channel Switching
VP Switch
VC Switch
VCI 3
VCI 1
VCI 2
VPI 1
VPI 4
VCI 3
VCI 4
VPI 2
VPI 5
VCI 5
VCI 6
VPI 3
VPI 6
VCI 4
VCI 1
VCI 3
VCI 4
VCI 2
VCI 5
VCI 6
VPI 2
VCI 2
VPI 3
VCI 4
VCI 1
VCI 2
VPI 1
VP- und VC-Verbindungen
ATM-Kreuzverteiler
ATM-Vermittlungsstelle
ATM-Kreuzverteiler
VP - Cross Connect
(VC / VP -Switch)
VC / VP - Cross Connect
VCI=57
VCI=28
VCI 57 VCI 26
VPI 2
VPI 7
VCI 26
VPI 2
VPI 7
Virtual Path Connection (VPC)
VCI 28
VPI 4
VPI 1
Virtual Path Connection (VPC)
Virtual Channel Connection (VCC) - Ende-zu-Ende-Verbindung
10
ATM – Cross Connect
VCI 22
VCI 23
VCI 21
VCI 24
VC / VP Cross Connect
verbindet sowohl
verschiedene VCs als
auch verschiedene
VPs
VCI 21
VCI 24
VPI 4
VPI 1
VCI 22
VPI 3
VCI 23
VPI 1
VCI 21
VCI 22
VPI 5
VCI 22
VPI 5
VPI 6
VPI 6
VCI 25
VCI 29
VP - Cross Connect
VCI 22
VCI 21
VCI 22
VCI 25
VCI 29
verbindet
ausschliesslich
verschiedene VPs
VPI 7
(findet daher selten
Verwendung)
Multiplexing verschiedener
Verbindungen
• mehrere virtuelle Verbindungen sind gleichzeitig möglich
• es gibt einen kontinuierlichen Strom von Zellen
• leere Zellen sind durch eine Markierung im Zellkopf gekennzeichnet
• das Verhältnis von genutzten Zellen zu allen Zellen ist die Last einer ATMStrecke
• möglichst optimale Nutzung (kontinuierlicher Zellstrom) der ATM-Verbindung
durch ein oder mehrere Warteschlangen
• bei voller Warteschlange werden Zellen verworfen
1
1
ATM-Verbindung
1
2
3
2
3
2
2
3
leere Zelle
11
ATM-Referenzmodell
Management Plane
User Plane
Higher Layers
Plane Management
Control Plane
Higher Layers
ATM Adaptation Layer (Schicht 2)
• Control Plane: Generierung und
Mapping von Signalisierungsanfragen
ATM Layer (Schicht 2)
• User Plane: Management des
Datentransfers
Layer Management
Logisches Modell zur Beschreibung
der ATM-Funktionalität, meist
dargestellt als Würfel. Die Aufteilung
erfolgt einmal nach Schichten (Layer),
zum anderen nach Ebenen (Plane).
Physical Layer (Schicht 1)
• Management Plane:
¾Layer-Management verwaltet
Layer-spezifische
Funktionalitäten, z.B.
Fehlererkennung
¾Plane-Management verwaltet und
koordiniert Funktionalitäten, die
das gesamte System betreffen.
• Physical Layer
• ATM Layer: verantwortlich für das
Multiplexing und das Versenden von
Zellen durch das ATM-Netzwerk. Diese
Schicht benötigt die VPIs und die VCIs.
• ATM Adaptation Layer: verantwortlich
für das Verpacken von Daten in Zellen.
Diensteigenschaften von ATM
Kriterium
Anwendungsklassen
A
B
C
D
Dynamische
Maximale und
Maximale
Übertragungsrate ausgehandelte Durchschnitts- Ratenanpassung „Best Effort“
an freie
werte
Zellrate
Ressourcen
Synchronisation
Nein
Ja
(Quelle-Ziel)
Bitrate
konstant
VerbindungsModus
Anwendungen:
Adaptation Layer (AAL):
variabel
verbindungsorientiert
•Bewegtbildkommunikation
•Telefonie
•Videokonferenzen
AAL 1
AAL 2
verbindungslos
•Datenkommunikation
•Dateitransfer
•Mail
AAL 3
AAL 4
AAL 5
AAL 3/4 haben einen hohen Overhead, AAL 5 stellt einen einfachen Datenübertragungsdienst bereit
12
Verkehrsklassen
Last
AAL 1: CBR - Constant Bit Rate, deterministischer
Dienst
PCR
• Charakterisiert durch garantierte feste Bitrate
• Parameter: Peak Cell Rate (PCR)
AAL 2: VBR - Variable Bit Rate (rt/nrt), statistischer
Dienst
• Charakterisiert durch garantierte durchschnittliche
Bitrate. Somit auch geeignet für burst-artigen Verkehr.
• Parameter: Peak Cell Rate (PCR), Sustainable Cell Rate
(SCR), Maximum Burst Size (MBS)
Last
Zeit
PCR
SCR
AAL 3:ABR - Available Bit Rate, lastabhängiger Dienst
• Charakterisiert durch garantierte minimale Bitrate +
lastabhängige, zusätzliche Bitrate (adaptive Anpassung)
• Parameter: Peak Cell Rate (PCR), Minimum Cell Rate
(MCR)
AAL 4: UBR - Unspecified Bit Rate, Best-Effort
Dienst
• Charakterisiert durch keine garantierte Bitrate
• Parameter: Peak Cell Rate (PCR)
Zeit
Last
ABR/
UBR
andere
Verbindungen
Zeit
Traffic Management
Connection Admission Control (CAC)
Reservierung von Ressourcen während des Verbindungsaufbaus (Signalisierung)
Vergleich zwischen Verbindungsparameter und verfügbaren Ressourcen
Verkehrsvertrag zwischen Nutzer und ATM-Netzwerk
Usage Parameter Control (UPC) / Network Parameter Control (NPC)
Test auf Konformität des Zellstroms gemäß den Parametern des Verkehrsvertrags
am User Network Interface (UNI) oder Network Network Interface (NNI)
Generic Cell Rate Algorithmus (CGRA) / Leaky Bucket Algorithmus
Switch Congestion Control (primär für UBR)
Selektives Löschen von Zellen (Early/Partial Packet Discard, EPD/PPD) zur
Einhaltung von Leistungsgarantien im Fall von Überlast
Flußkontrolle für ABR
Rückmeldung des Netzzustandes über Ressource Management Zellen an die
ABR-Quelle zur Anpassung der Senderate und faire Zuteilung der Bandbreite
13
IP over ATM
Zwei Beispiele:
IP
IP
Classical IP over ATM
ARP
ARP
encaps. Signaling
LAN Emulation
LANE
GHILQLHUWGXUFK,(7)5)&
GHILQLHUWGXUFK$70)RUXP
VSH]LHOOH/çVXQJ
DOOJHPHLQH/çVXQJ
QXUIíU,3JHHLJQHW
IíUYHUVFKLHGHQH3URWRNROOH
HLQIDFKH,PSOHPHQWLHUXQJ
Signaling
AAL 5
ATM
PHY
AAL 5
ATM
PHY
9HUELQGXQJHQ]XP/$1(
6HUYHU$GUHÐXPVHW]XQJ
NHLQ,3%URDG 0XOWLFDVW
/RJLVFKHV,36XEQHW]íEHU$70
%URDGFDVW8QNQRZQ6HUYHU
,3%URDG0XOWLFDVWPçJOLFK%86
Ethernet und ATM
Fast/Gigabit Ethernet :
Primäres Ziel: Bandbreite
/ keine QoS-Garantien
/ Isolation von Verkehrsströmen
durch physikalische Trennung
(Hubs, Links)
/ keine Priorisierung von Strömen
ATM :
Primäres Ziel: Integration, QoS
& feste QoS-Garantien
& Isolation von Verkehrsströmen
durch logische Trennung (VCC)
& Priorisierung von real-time
Strömen
/ kein Schutz gegen konkurrierenden
Verkehr
& CAC schützt aktive Verbindungen
& geringer Preis
& sehr hohe Bandbreite
/ hoher Preis
. skalierbare Bandbreite
14
Zukunft von ATM
ATM im LAN-Bereich:
• zu hohe Kosten für die Hardware
• zu starke Konkurrenz durch etablierte Techniken wie (Fast) Ethernet etc.
ATM im WAN-Bereich:
• oft zwischen Firmenstandorten implementiert (Quasi-Standard)
• große TK-Netzbetreiber (Telcos) bevorzugen jedoch SDH als Transportbzw. Kernnetz (bessere Performance im TK-Bereich, Weltstandard)
• ATM-Zellen werden in SDH-Container an Übergangspunkten verpackt
(encapsulation) bzw. wieder entpackt.
Hat ATM noch eine Zukunft?
• vermutlich: Nein!
• Neueste Forschung geht von einer
unmittelbaren Nutzung der Faser durch
höhere Protokolle aus (Stichwort: Dense
Wavelength Division Multiplex, DWDM).
• ATM wird Teilnehmern lediglich als Dienst
angeboten, um vorhandene Geräte und
Einrichtungen weiter nutzen zu können.
Bisher:
Jetzt:
Künftig:
„IP over ATM“
„IP over SDH“
„IP over WDM“
Synchronous Digital Hierarchy (SDH)
¾ alle modernen neuen Netze im öffentlichen Bereich
bauen auf der SDH-Technik auf
Beispiel: das B-WIN ist abgelöst worden durch das
G-WIN (Gigabit-Wissenschaftsnetz)
15
Verbindungen zwischen digitalen
Vermittlungszentren
140 – 565 Mb/s
Glasfaser oder
Richtfunkstrecken
8 – 140 Mb/s
Regionale
Netze
Zugangsnetze
Glasfaser
2 - 34 Mb/s
Kupferkabel
64 kb/s - 2 Mb/s
D
A
D
A
D
A
A
D
Glasfaser
64 kb/s – 2 Mb/s
Modem
64 kb/s - 2 Mb/s
Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH)
Glasfaser oder
Richtfunkstrecken
WeitverkehrsNetz
¾ Hierarchische Bündelung von Datenströmen
¾ Hierarchien bezüglich der Netztypen (grob: LAN, MAN, WAN)
Plesiochronous Digital Hierarchy
(PDH)
2 Mb/s
Twisted Pair,
Koax
8.5 Mb/s
Koax,
Glasfaser
34 Mb/s
Glasfaser,
Richtfunk
139 Mb/s
Glasfaser,
Richtfunk
565 Mb/s
Glasfaser,
Richtfunk
256 KB/s
576 KB/s
1.8 MB/s
7.9 MB/s
für zusätzliche für zusätzliche für zusätzliche für zusätzliche
Signalisierung Signalisierung Signalisierung Signalisierung
Secondary
Multiplex
System
34Mbit/s
System
140Mbit/s
System
565Mbit/s
System
16
Von PDH nach SDH
Plesiochronous Digital Hierarchy
• Synchronisation mittels Rahmenkennung
• kein gemeinsamer Takt
PCM-30
• bitweises Multiplexing
PCM-30
PCM-30
• bitweises Stopfen
PCM-30
Probleme
• unterschiedliche Multiplex-Schemata (US, Europa)
• Signale müssen über alle Schichten schrittweise demultiplexed und identifiziert
werden
• Keine Reserve für z.B. Netzmanagement, Dienstkontrolle und zusätzliche
Leitungen
• weltweit unterschiedliche und nicht-standardisierte Bitraten
seit 1990
Europa:
USA:
Synchronous Digital Hierarchy (SDH)
Synchronous Optical Network (SONET)
Synchronous Digital Hierarchy
•
•
•
•
•
•
•
•
weltweit standardisierte Bitraten
byteweises Multiplexen
direkter Zugriff auf Signale ohne mehrfaches Demultiplexen
zusätzliche Bytes für Netzmanagement, Dienst- und Qualitätskontrolle,
zusätzliche Leitungen
vereinfachtes Multiplexschema
synchronisiertes, zentral getaktetes Netzwerk
kurze Verzögerungen beim Launching und Decoupling (add/drop) von Signalen
Wesentliches Merkmal: Container zum Transport von Nutzsignalen
Vermittlungsstelle
34 Mb/s
622 Mb/s
2 Mb/s
Vermittlungsstelle
2 Mb/s
622 Mb/s
SDH Cross Connect
155 Mb/s
17
Erste Schritte hin zu SDH
SDH als Overlay Network auf existierenden PDH-Netzen aufbauen:
SDH-Cross Connect
• add / drop Signale
• Hochgeschwindigkeits-SDH
• hohe Kapazität
2.5 Gb/s
SDHOverlay Network
SDH - Add/Drop-Multiplex
• add / drop Signale
• niedrigere Kapazität
155 Mb/s
2 Mb/s
155 Mb/s
PDH
FMUX
2 Mb/s
Vermittlungsstellen für
regionale und lokale Netze
SDH - Flexible Multiplex
• verteilt Bandbreite direkt
an Kunden oder
Vermittlungsstellen
Kunden mit hohen
Bandbreitenanforderungen
SDH-Transportmodule (Rahmen)
Synchronous Transport
Modul (STM-N, N=1,4,16)
STM-1-Struktur:
• 9 Zeilen mit jeweils 270
Bytes.
• Rahmendauer 125 µs
• Basisrate 155 Mb/s.
9 x N Spalten (Bytes)
1
3
4
5
261 x N Spalten (Bytes)
Regenerator Section
Overhead (RSOH)
Administrative Unit Pointers
Multiplex Section
Overhead
(MSOH)
Payload
9
Zeilen
(125 µs)
9
Administrative Unit Pointers
• erlauben den direkten Zugriff auf
Bestandteile vom Payload
Payload:
• Enthält Nutzdaten in Form von Containern
(C-n), Tributary Units (TU-n) oder Gruppen
von Tributary Units (TUG-n,
Transportgruppen).
Section Overhead:
• RSOH: Enthält Informationen bezüglich der Route zwischen zwei Repeatern oder
einem Repeater und einem Multiplexer
• MSOH: Enthält Informationen bezüglich der Route zwischen zwei Multiplexern
ohne Berücksichtigung der zwischenliegenden Repeater.
18
Erstellung eines STM
• Nutzdaten werden in einen Container verpackt.
• Eine Unterscheidung der Container wird nach Größe vorgenommen: C-1 bis C-4
• Nutzlastdaten werden ggfs. durch Fülloktetts auf die Containergröße angepaßt
• Die Steuerung des Datenflusses eines Containers erfolgt durch weitere Bytes zur
Steuerung einer gesamten Strecke über mehrere Multiplexer:
Path Overhead (POH)
¾ Steuerung der einzelnen Abschnitte des Übertragungsweges
¾ Umschaltung auf Ersatzwege im Fehlerfall
¾ Erkennung und Erfassung der Übertragungsqualität
¾ Realisierung von Wartungs-Kommunikationskanälen
• Durch Hinzufügen der POH-Bytes wird aus einem Container ein Virtual Container
Erstellung eines STM
• Werden in einem Payload mehrere Container übertragen, werden diese durch
byteweises multiplexen in Tributary Unit Groups
• Durch Hinzufügen eines AU-Pointers wird die Tributary Unit Group zu einer
Administrative Unit
• Dann werden die SOH-Bytes ergänzt, der SDH-Rahmen ist komplett. RSOH und
MSOH enthalten beispielsweise Bits für
¾ Rahmensynchronisation
¾ Fehlererkennung (Parity Bit)
¾ STM-1-Kennung in größeren Transportmodulen
¾ Steuerung von Ersatzschaltungen
¾ Dienstkanäle
¾ ... und natürlich Bits für späteren Gebrauch.
19
SDH-Containertypen
C-n
VC-n
TU-n
TUG-n
Container n
Virtual Container n
Tributary Unit n
Tributary Unit Group n
Tributary Unit, TU-n (n=1 bis 3)
Payload
• enthält VC-n und Tributary Unit
Pointer
C-4
TUG-3
VC-4
3
2
1
oder
H4
VC-3
VC-4 Path Overhead (POH)
Container, C-n (n=1 bis 4)
• definierte Einheit für PayloadKapazität (z.B. C-4 für ATM oder
IP, C-12 für ISDN oder 2 Mb/s)
• überträgt alle SDH-Bitraten
• kann Kapazität bereitstellen für
Transport von noch nicht
spezifizierten Breitbandsignalen
Virtual Container, VC-n (n=1 bis 4)
• besteht aus Container und POH
• niedriger VC (n=1,2): einzelner C-n plus Basis
Virtual Container Path Overhead (POH)
• höherer VC (n=3,4): einzelner C-n, Zusammenschluss
von TUG-2s /TU-3s, plus Basis Virtual Container POH
SDH-Containertypen
VC-3
TU-3
7
oder
6
5
C-3
4
3
C-n
VC-n
TU-n
TUG-n
AU-n
STM-N
Container-n
Virtual Container-n
Tributary Unit-n
Tributary Unit Group-n
Administrative Unit-n
Synchronous
Transport Module-N
2
1
VC-2
TUG-2
Administrative Unit-n (AU-n)
•stellt Adaptierung zwischen Higher-order
Path Layer und Multiplex-Einheit bereit
3
2
1
TUG-12
VC-12
C-12
•besteht aus Payload und
Administrative Unit Pointern
20
SDH-Hierarchie
155 Mbit/s
622 Mbit/s
STM-1
261
9
STM-4
STM-16
4x261=1044
4x1044=4176
4x9=36
4x36=144
zerlegbar in
Basistransportmodul für
155 Mb/s, enthält z.B.:
2,5 Gbit/s
zerlegbar in
4 x STM-1
• einen kontinuierlichen ATMZellenstrom (C-4 Container),
• eine Transportgruppe (TUG-3)
für drei 34 Mb/s PCM-Systeme
oder
• eine Transportgruppe (TUG-3)
für drei Container, die wiederum
TUG enthält
4 x STM-4
zerlegbar in
4 x STM-1
SDH-Hierarchie
• Höhere Hierarchiestufen werden durch Zusammenfassen von STM-1 Modulen
erreicht
• Höhere Übertragungsraten werden durch byteweises Multiplexen der
enthaltenen Signale zusammengebaut
• Jedes Byte hat eine Übertragungsrate von 64 kb/s, geeignet für die
Übertragung von Sprachdaten (Telefonie)
• außer bei STM-1 ist nur eine Übertragung über Glasfaser möglich
SOH (9 Spalten)
261 Byte
4 * 261 Byte
SOH (4 * 9 Spalten)
21
SDH-Multiplexstruktur
xN
STM-N
AUG
AU-4
C-4
139 264 kbit/s
C-3
44 736 kbit/s
34 368 kbit/s
VC-2
C-2
6312 kbit/s
TU-12
VC-12
C-12
2048 kbit/s
TU-11
VC-11
C-11
1544 kbit/s
VC-4
x3
TUG-3
x3
AU-3
TU-3
VC-3
VC-3
x7
x7
Zeigerverarbeitung
Multiplexen, Abbilden
C-n
VC-n
TU-n
TUG-n
AU-n
AUG
STM-N
TUG-2
TU-2
x3
Container-n
Virtual Container-n
Tributary Unit-n
Tributary Unit Group-n
Administrative Unit-n
Administrative Unit Group
Synchronous Transport Module-N
x4
SDH-Multiplexverfahren
Container-1
PTR
Logische Assoziation
Physikalische Assoziation
Zeiger
TU-1 PTR
TU-1 PTR
TU-1 PTR
VC-1
VC-3 POH
VC-1
TU-1
TUG-2
AUG
AU-3 PTR
VC-3
TUG-2
VC-3
AU-3
VC-3
AU-3 PTR
SOH
VC-1
VC-1
TUG-2
AU-3 PTR
VC-1 POH Container-1
VC-3
AUG
AUG
STM-N
22
SDH-Übertragungsnetzwerk
Regionale
Vermittlungsstellen
Zugangsnetze
SDH Local Loop
Synchronous Digital Hierarchy (SDH)
Überregionale
Vermittlung
• teilvermaschtes Netz
• hierarchielose
beliebige Topologie
(abgesehen von der
Vermittlungsstruktur)
• flexible Bandbreitennutzung
• hohe Skalierbarkeit
• hohe Zuverlässigkeit
Cross Connect Node
Add/Drop Multiplex (ADM)
Digital Switching Center
23