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Medienengineering / Netzwerke
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Optische Weitverkehrsnetzwerke
Gerrit Kalkbrenner
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2
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Gliederung
• Einleitung• Veränderte Verkehrsbedingungen• Schichten• IP über ATM über Sonet über WDM• IP über WDM: Gigabit Ethernet framing• Beispiel DPT, CA*net 3• Mechanismen für QoS• Recovery in optischen Netzwerken• Schlußfolgerung
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3
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Bandbreiten und Moors‘s Law
0
200
400
600
800
1000
1200
1995 2000 2005 2010
CPU
Bandbreite1
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4
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Änderungen der Verkehrscharakteristik
• Verkehrszunahme• Neue Anwendungen• Fraktale Charakteristik• Asymetrie• Stauungen an WEB-Punkten
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5
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Verkehrszunahme
0
50
100
150
200
250
300
350
1990 1995 2000 2005
Daten
Telephonie
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6
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Vorhersagen
• Internet-Volumen doppelt alle 6 Monate
• die aggregierte Bandbreite für das Internet in den USA: 35 TB/sec
• Weitverkehrsnetze werden zu 75% ausgelastet, auch 2,4 Gbit-Leitungen
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7
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Neue Anwendungen
• Mensch zu Mensch– Telephonie, Videokonferenzen,
immersive-/ Virtuelle Realität, Internetspiele
• Mensch zu Computer– WWW, Sprach- und Videoabruf
• Computer zu Computer– WWW-Caching, Multicast Einspeisungen, Batch-
Verarbeitung, Datenbanken, email-Vermittlung, Voice-Mail, Tauschbörsen
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8
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Anforderungen
• Mensch zu Mensch– Auge und Ohr weisen sehr kurze Pufferzeiten auf,
daher untolerant gegenüber delay und jitter
• Mensch zu Computer– Kann mit „best effort“ übertragen werden, da Puffer
vorgesehen werden können
• Computer zu Computer– „best effort“ auf IP-Netzwerken
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9
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Aussage
• Wenn zukünftige Netzwerke lediglich für „Computer zu Computer“ oder „Mensch zu Computer“ eingesetzt werden, können die Anforderungen mit hohen Bandbreiten (big Pipe) und „best effort“ erfüllt werden.
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10
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Fraktale Charakteristik
1 Benutzer
100 Benutzer
1 mio Benutzer
Internet Telefonie
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Verkehrsasymetrie
Regionales Netzwerk
Backbone Netzwerk
Ser-ver
MS Ser-ver
Netscape
6:1
3:1
20:1
AndereRegionen
2:1
4:1
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12
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Verkehrsasymetrie
• Beobachtung:aktuelle WAN wurden für den symetrischen Gesprächsverkehr entwickelt
• Schlußfolgerung:Ein Teil der verfügbaren Bandbreite bleibt ungenutzt, die andere Seite ist überlastet.
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13
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Stauungen in Netzwerken
Netzwerk
Server
DNS
Connect
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Serverbasierte Stauungen
• Schlechte Nachricht:Nutzern des Internet wird das Netzwerk vermutlich immer verstopft vorkommen. (Provider können eine Entlastung ausschließlich durch Spiegelung und Caching begegnen)
• Gute Nachricht:von einem Ausfall (Bagger oder Verlust eines WDM-Kanales) nimmt der Nutzer keine Notiz.
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Schichtungen in Weitverkehrsnetzen
• Varianten der Ausführung• Gigabit Ethernet• DPT
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Photonic NetworkWDM, OCS
IP Transport
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Optisch
IProuter
ATMswitch
SDHterminal
IProuter
Fast FrameRelay swich
SDHterminal
ATMtransport
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über ATM über SDH
IP
PAD+CRC
ATM-Cellen
AAL5Last
ATM-Cellen eingebettet in SDH
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über ATM über SDH über WDM
z.B. 32 Lichtfarben
OADM
OADM
OADM
OADM
STM 16cATM
ATMSTM 1/ATM
IPRouter
IPRouter
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19
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Nachteile ATM
• Signifikanter Overhead• Einrichtung von VCs• Zahl der VCs wächst exponentiell mit der Zahl
der IP Router• In der Regel Verwendung permanenter VCs• Aufwendige Unterstützung für IP
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Overhead von IP über ATM über SDH
Paketlänge Sum-me
Kommentar
IP 350 0%
LLC / SNAP
358 2% 8 octet
AAL5 390 10% Füllen der letzten Zelle
ATM 431 19% ATM OH, 5 je 48
SDH 447 22% SDH
STM1(155) bietet 121 MB/sec Kapazität
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Overhead von IP über ATM
Paketlänge Sum-me
Kommentar
IP 350 0%
LLC / SNAP
358 2% 8 octet
AAL5 390 10% Füllen der letzten Zelle
ATM 431 19% ATM OH, 5 je 48
OAM 432 19% OAM-Overhead
STM1 bietet 126 MB/sec Kapazität
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22
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über SDH über WDM
• SONET / SDH Framing• Point to Point Protocol (PPP)• PPP in HDLC- framing• PPP über Simple Data Link (SDL)
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23
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Vorteile: SONET / SDH
• Für Telefonie:– kein Jitter– Leitungsregeneration
• Netzwerkmanagement und Signalisierung• Für Telefonie: Restauration und Protection
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24
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Nachteile: SONET / SDH
• 8 KHz Sprachsynchronisation
• Synchroner Rahmen: Platzierung von Paketen im Frame oder über Frame-Grenzen hinweg
• Overhead durch Ausfallsicherung
• Teuer durch SDH-Regeneration
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25
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über SDH über WDM
IPRouter
SDH ADM
OLA WDMmux
STM
STM
IPRouter
IPRouter
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26
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über SDH
• Genauer: IP / PPP / HDLC (SDL) / SDH
• PPP bietet:– Multiprotocol-Encapsulation– Fehlerkorrektur– Link-Initialisierung
• HDLC (SDL) bietet:– Anpassung an den synchronen SDH-tranport-link
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
PPP
• Methode zur Kapselung beliebiger Protokolle
• Link Control Protocol (LCP) für Aufbau, Konfiguration und Test von Verbindungen
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28
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
PPP Kapselung
• erfordert „framing“, um den Beginn des Paketes zu kennzeichnen
• Protokoll: Kennzeichnung der Datagramme• Information: 0 oder mehr Byte Payload• Füllung: Anpassung an Framgröße
Protokoll8/16 bit
Information Füllung
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Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
PPP in HDLC
• Reservierung bestimmter Flags und Escape für Inhalte
• 01111110 codiert als 01111101 01011110
Flag01111110
Adresse11111111
Control00000011
Protokoll8/16 bit
Information Füllung
FCS16/32 bit
Füllung odernächste Adresse
Flag01111110
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30
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Overhead von IP über SDH
Paketlänge Sum-me
Kommentar
IP 350 0%
PPP /HDLC 358 2% 8 octet OH für Pakete, die kürzer als 1500 Byte sind
SDH 371 6% SDH OH: 10 je 270
STM1(155) bietet 146 MB/sec Kapazität
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31
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über PPP über Simple Data Link (SDL)
• HDLC framing hat im schlimmsten Fall 100 % OH für alle transportierte Daten
• SDL hat einen festen 8 Oktett Rahmen und keinen OH für Daten
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32
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
SDL Framing
• Header ist DC bereinigt durch x-or mit B6AB31E0
Paketlänge Header CRC
PPP Kontrollfelder
...
Paket CRC
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33
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
SDL Framing
• Payload der Größe 65536 Oktett• Header der festen Größe von 4 Byte• Paketlänge ist ein 16 Bit Wert• Header CRC ist 16 Bit• PPP-Paket ohne Padding• Füllung zwischen Frames: leere Pakete
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34
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Overhead von IP über SDL über WDM
Paketlänge Sum-me
Kommentar
IP 350 0%
PPP 352 1% 2 Byte pro Frame
SDL 360 3% 8 Byte OH durch CRC
STM1(155) bietet 151 MB/sec Kapazität
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35
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über WDM, Gigabit Ethernet
• Architektur• Gigabit Ethernet Frame• Overhead Berechnung• Vor- und Nachteile
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36
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
IP über ATM über SDH über WDM
z.B. 32 Lichtfarben
OADM
OADM
OADM
OADM
IPRouter
IPRouter
GE Switch
IPRouter
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37
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Gigabit Ethernet Framing
Idle 12
Preamble 7
Start frame delimiter 1
Ziel-Adresse 6
Quell-Adresse 6
Frame Länge 2
Logic Link Control Feld
+ Payload
Maximal 1500 oktet
...
Frame Check Sequenz 4
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38
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Overhead von Gigabit Ethernet
Paketlänge Sum-me
Kommentar
IP 350 0%
GbE 388 10% GbE framing: 38 Byte /Paket
Line Code 485 28% 8B/10B gibt 1,25 GB/sec
Ein GbE-Link bietet 902 Mb/sec
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39
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Gigabit Ethernet Vorteile
• Frame-Größe gleich Paket Größe, daher Paket Switching ist einfacher
• Datenformat ist konsistent zum LAN-Format• Low Cost Gerätschaft (kein SDH)• Kommender Standard 10 Gigabit Ethernet
entspricht OC-192 (9,6 Gbit)• Management via MIP und SNMP• Standard für viele Hersteller
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40
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Gigabit Ethernet Nachteile
• 8B/10B Block Coding ist nicht sehr effizient• kommendes 10 Gb Ethernet verwendet
andere Codierung• Kein „Out Band“ Management oder Monitoring
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41
Universität Potsdam
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Neue Technik: DPT
• Dynbamic Packet Transport• Bandbreitenvertilung• Management• Kosten• CA*net3
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Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Dynamic Packet Transport
• Propritäre Technik von Cisco• Selbstheilende optische Ringe• Statistical Multiplexing• Nutzung beider Richtungen• Integriertes Netzwerk Managemet
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Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Dynamic Paket Transport
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Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Nutzung beider Ringe
• Spacial Reuse• Destination Stripping• FDDI und Token Ring: Source Stripping
• SRP Fairnes Algorithmus– Globale Fairnes– Lokale optimierung– Skalierbarkeit auf 128 Knoten
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logien und multimediale
Teledienste
Räumliche Nutzung
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Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Fehlerfall
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Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
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Hierarchische Ring-Architektur
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R
R
R
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R
R InternetBackbone
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Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
CA*net 3
• Erstes nationales optisches Netzwerk der Welt• Erstes Netzwerk von Grund auf für Internet• Partner
– Nortel, Newbridge, Cambrian, CISCO, Bell
• Individuelles DWDM direkt gekoppelt mit Router
• Selbstheilende Ringe ersetzen Mechanismen aus SDH oder ATM
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Institut für Informatik
Lehrstuhl für Netzwerktechno-
logien und multimediale
Teledienste
Quellen
• PPP, RFC 1661• PPP über SONET, RFC 1619• PPP über SONET, RFC 2615• PPP in HDLC Framing, RFC 1662• P. Bonenfant: Optical Data Networking“ IEEE
Communications, VOL 38 März 2000• N.Ghani „On IP-over-WDM Integration“ IEEE
Communications Vol 38, März 2000
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Teledienste
Quellen
• B.Doshi “Simple Data Link (SDL) Protocol: An efficient and Low comlexity Data link Protokol for High-speed Packet Networks
• Dynamic Packet Transport Technology and Application Overview“ White Paper Cisco
• T.W.Chung. „Architectural and Enginering Issues for Building an optical Inernet“ 1999, http:www.canet2.net