Highspeed

1
Highspeed Netze

• Steffen Otto
• 2INF02

2
Begleitmaterial

• Diesen Vortrag sowie Begleitmaterial dazu kann
  man unter
• http//www.fh-merseburg.de/sotto/
• herunterladen.

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Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
• 2 Highspeed Netze
• 2.1 Highspeed wozu?
• 2.2 Kommunikationsprinzipien
• 2.2.1 Geschichte
• 2.2.2 Sprach- und Datenkommunikation
• 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung

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Inhaltsverzeichnis

• 2.3 Datennetze
• 2.3.1 Das ideale Netzwerk
• 2.3.2 Highspeed Datennetze
• 2.3.3 Integrierte Highspeed Datennetze
• 2.4 Verbindungstechnologien

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Inhaltsverzeichnis

• 3 SONET - Synchronous Optical Network
• 3.1 Geschichte
• 3.2 Ziele des Designs
• 3.3 Funktionsweise
• 3.4 Multiplexing- Hierarchie von SONET
• 3.5 Beispiel
• 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs. SONET
• 3.5.2 Transportverfahren
• 3.5.3 Datenrate und Management
• 3.5.4 Anwendungsbeispiel

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1 Einleitung

• Hochgeschwindigkeitsnetz stellt eine sehr hohe
  Datenrate zur Verfügung
• Untergrenze für lokale Netze bei 100Mbit/s
• Hochgeschwindigkeitsnetz ist ein Netz dessen
  Übertragungsgeschwindigkeit im oberen Bereich der
  für diese Netzwerkklasse möglichen Bitraten
  arbeitet
• ATM (Asynchronous Transfer Mode) kann z.B. in
  jeder Systemklasse für Hochgeschwindigkeit sorgen
• Entwicklung auf Basis von Lichtwellenleitern hat
  große Fortschritte gemacht genauso wie neue
  Steuer- und Kommunikationselektroniken auf
  LSI-Basis(Large Scale Integration) entwickelt
  wurden

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1 Einleitung

• Gesamtübertragungsgeschwindigkeit der Netze
  steigen dadurch immer mehr an
• Begriff "Hochgeschwindigkeitsnetz bezieht sich
  nicht auf Übertragungsgeschwindigkeit im
  physikalischen Sinne wie etwa die
  Signalgeschwindigkeit in einem Übertragungsmedium,
  sondern auf die bereitgestellte Bandbreite des
  Netzes

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• 2 Highspeed Netze
• 2.1 Highspeed wozu?
• 2.2 Kommunikationsprinzipien
• 2.2.1 Geschichte
• 2.2.2 Sprach- und Datenkommunikation
• 2.2.3 Leitungs- und Paketvermittlung
• 2.3 Datennetze
• 2.3.1 Das ideale Netzwerk
• 2.3.2 Highspeed Datennetze
• 2.3.3 Integrierte Highspeed Datennetze
• 2.4 Verbindungstechnologien

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2.1 Highspeed wozu?

• steigende Bandbreitenbedarf in vernetzten Systemen

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2.1 Highspeed wozu?

• Hauptanwendung war Backbone- Bereich wo auch die
  ersten Technologien wie z.B. FDDI (Fiber
  Distributed Data Interface) entstanden
• Bedarf auch im privaten Bereich gestiegen
  heutzutage
• Computer werden immer leistungsfähiger und
  dadurch massive Verbreitung neuer
  Multimediaanwendungen (Video, Grafik, Spiele
  usw.)
• Anwendungen benötigen auch immer mehr Bandbreite
  was zu einem höheren Bedarf an Highspeed- Netzen
  führt

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.1 Geschichte

• war lange Zeit zweigeteilt (Telekommunikation und
  Datenkommunikation)
• Datenkommunikation entstand erst in den 40er
  Jahren des 20. Jahrhunderts als die elektronische
  Datenverarbeitung und die Notwendigkeit der
  Datenkommunikation aufkam
• Grenzen zwischen Telekommunikation und
  Datenkommunikation (Sprach- Daten- Integration)
  verwischen heute
• Suche nach idealer Lösung für beide
  Kommunikationen
• Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist z.B. der
  Schwenk der
• Telekommunikation zur paketorientierten Technik
• Realtime Transport Protocol (RTP) berücksichtigt
  in der Datenkommunikation die Echtzeitanforderunge
  n

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.2 Sprach- und
Datenkommunikation

• beide nutzen heute gleichermaßen die vorhandenen
  weltweiten Netze
• Trennung zwischen Sprach- und Datenkommunikation
  auf grundsätzlich unterschiedlichen
  Übermittlungsprinzipien
• Sprachkommunikation arbeitet leitungsvermittelt
  und verbindungsorientiert
• Datenkommunikation arbeitet paketvermittelt und
  verbindungslos

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und
Paketvermittlung

• Leitungsvermittlung (a)
• Vermittlungseinrichtung im Telefonsystem sucht
  einen physikalisch durchgehenden Pfad von
  Teilnehmer A zu Teilnehmer B

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und
Paketvermittlung

• Leitungsvermittlung (a)
• Ende- zu Ende- Pfad muss eingerichtet werden
  bevor Daten gesendet werden können (kann eine
  Weile dauern)

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und
Paketvermittlung

• Leitungsvermittlung (a)
• nach Verbindungseinrichtung fällt als einzige
  Datenverzögerung die Ausbreitung des elektrischen
  Signals an (ca. 5ms je 1000km)

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und
Paketvermittlung

• Paketvermittlung (b)
• einzelne Pakete werden bei Bedarf gesendet

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und
Paketvermittlung

• Paketvermittlung (b)
• es gibt keine dedizierte Pfadvorgabe

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und
Paketvermittlung

• Paketvermittlung (b)
• jedes Paket muss seinen
• Weg zum Ziel alleine finden

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2.2 Kommunikationsprinzipien 2.2.3 Leitungs- und
Paketvermittlung
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2.3 Datennetze 2.3.1 Das ideale Netzwerk

• komplett transparent für kommunizierende
  Anwendungen
• verbindet es Anwendungen mit unbegrenzter
  Bandbreite (R8) und ohne Latenzzeit (D0)
• Anwendungen können nicht den Unterschied
  feststellen ob sie auf dem gleichen Host oder auf
  anderen Hosts ausgeführt werden
• sicherlich unerreichbar, aber je schneller die
  Netze werden und desto besser man sie aufbaut
  umso näher kann man dem Ideal kommen

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2.3 Datennetze 2.3.2 Highspeed Datennetze

• wurden im Hinblick auf den sicheren Transport der
  Daten entwickelt
• wesentliche Eigenschaft die semantische
  Transparenz der Netze
• d.h. die Anzahl der Übertragungsfehler muss unter
  einer gewissen Schwelle liegen
• geringere Rolle spielte die Verzögerung (delay,
  delay jitter) bei diesem Design
• FDDI (Fiber Distributed Data Interface) ist einer
  der wichtigsten Vertreter der Highspeed Datennetze

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2.3 Datennetze 2.3.2 Highspeed Datennetze

• Geschwindigkeits- Ausdehnungsdiagramm für einige
  bekannte Datennetze

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2.3 Datennetze 2.3.3 Integrierte Highspeed
Datennetze

• integrierten Netze kombinieren Bilder- Sprach-
  und Daten- Anwendungen in einem Netz
• Zeittransparenz spielt eine wesentliche Rolle

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2.3 Datennetze 2.3.3 Integrierte Highspeed
Datennetze

• Geschwindigkeits- Ausdehnungsdiagramm für einige
  bekannte Integrierte Datennetze

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2.4 Verbindungstechnologien
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• 3 SONET - Synchronous Optical Network
• 3.1 Geschichte
• 3.2 Ziele des Designs
• 3.3 Funktionsweise
• 3.4 Multiplexing- Hierarchie von SONET
• 3.5 Beispiel
• 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs. SONET
• 3.5.2 Transportverfahren
• 3.5.3 Datenrate und Management
• 3.5.4 Anwendungsbeispiel

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3.1 Geschichte

• jede Telefongesellschaft hatte zu beginn der
  Glasfasertechnik ihr eigenes TDM- System (Time
  Division Multiplexing )
• bestand dringender Bedarf an Standardisierung
• Bellcore begann 1985 mit der Ausarbeitung eines
  Standards namens SONET (Synchronous Optical
  Network )
• CCITT (heute ITU - International
  Telecommunication Union) stieg mit ein
• 1989 SONET- Standard und einer Menge paralleler
  CCITT- Empfehlungen
• CCITT Empfehlungen werden als SDH (Synchronous
  Digital Hierarchy) bezeichnet

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3.1 Geschichte

• SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
  unterscheidet sich aber nur in Kleinigkeiten von
  SONET
• ist sozusagen das Europäische Äquivalent zu SONET
  
• gesamte Telefonverkehr in den USA und großen
  Teilen der Welt basiert heutzutage auf
  Verbindungsleitungen mit SONET auf der
  Bitübertragungsschicht

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3.2 Ziele des Designs

• Zusammenarbeit verschiedener Netzbetreiber
  ermöglichen
• Definition eines gemeinsamen Signalübertragungssta
  ndards in Bezug auf Wellenlänge, Zeitverhalten,
  Rahmenstruktur usw.
• Vereinheitlichung der digitalen Systeme der USA,
  Europas und Japans
• basierten alle auf 64kbit/s PCM- Kanälen die aber
  auf unterschiedliche/inkompatible Weise
  zusammengefasst wurden
• Multiplexen von mehreren digitalen Kanälen
• SONET sollte die Hierarchie auf Gbit/s fortsetzen
  und auch die Möglichkeit bieten langsamere Kanäle
  in einem SONET- Kanal zu multiplexen
• Unterstützung für Betrieb, Verwaltung und Wartung
  (OAM Operations, Administration and Management)
  bereitstellen

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3.3 Funktionsweise

• rein synchrones System
• Steuerung erfolgt über einen Taktgeber mit einer
  Genauigkeit von eins zu 109
• Taktgeber steuert die Zeitintervalle in denen die
  Bits über die SONET- Leitungen gesendet werden
• Sender und Empfänger sind somit bei SONET an
  einen gemeinsamen Takt gebunden
• Blöcke mit einer Größe von 810 Byte bilden den
  SONET- Basisrahmen
• werden alle 125µs gesendet unabhängig davon ob es
  Nutzdaten zu senden gibt oder nicht

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3.3 Funktionsweise

• 8000 Rahmen/Sek. werden somit gesendet
• Passt somit genau zur Abtastrate von PCM- Kanälen
  die in digitalen Telefonsystemen eingesetzt
  werden
• die 810Byte großen SONET- Rahmen kann man als
  Tabelle sehen die 90 Spalten breit und 9 Zeilen
  hoch ist
• somit werden pro Sekunde 8000 mal 8 x 810
  6.480Bit übertragen
• eine Datenübertragungsrate von 51,84 Mbit/s kann
  damit erreicht werden
• SONET- Basiskanal hat den Namen STS-1
  (Synchronous Transport Signal- 1)

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3.3 Funktionsweise

• Abschnitts- Overhead enthält Systemverwaltungsinfo
  rmationen und wird am Anfang und Ende eines jeden
  Abschnitts erzeugt und geprüft

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3.3 Funktionsweise

• Leitungs- Overhead wird am Anfang und Ende einer
  Leitung erzeugt und geprüft

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3.3 Funktionsweise

• Pfad- Overhead enthält z.B. den Header für das
  Ende- zu- Ende- Pfad- Teilschichtprotokoll und
  steht in der ersten Spalte des SPE- Blocks

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3.3 Funktionsweise

• Nutzdaten werden auch als SPE (Synchronous
  Payload Envelope) bezeichnet

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3.3 Funktionsweise

• SONET- Sender sendet unmittelbar nacheinander und
  ohne Abstand die Rahmen
• sind keine Daten vorhanden werden Leerdaten
  gesendet
• Empfänger sieht nur einen fortlaufenden
  Bitstrom
• Rahmen kann der Empfänger nur anhand eines festen
  Musters erkennen welches sich in den ersten
  beiden Byte eines jeden Rahmens befindet
• 87 Spalten fassen 50,112 Mbit/s die für Nutzdaten
  verwendet werden
• Nutzdaten beginnen aber nicht immer in Zeile 1
  Spalte 4
• können an beliebiger Stelle im Rahmen stehen

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3.3 Funktionsweise

• Leitungs- Overhead enthält einen Zeiger auf das
  erste Byte
• die Tatsache, dass die Nutzerdaten an einer
  beliebigen Stelle im SONET- Rahmen stehen können
  erhöht sich auch die Flexibilität des Systems
• Nutzdaten müssen also nicht zurückgehalten werden
  
• wird z.B. gerade ein Leerrahmen gebildet wird
  sondern können direkt in den Rahmen eingefügt
  werden

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3.4 Multiplexing - Hierarchie von SONET

• optische Träger OC- n (Optical Carrier) ist Bit
  für Bit gleich dem STS- n bis auf eine geringe
  Neuordnung der Bits die für die Synchronisation
  notwendig sind

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3.4 Multiplexing - Hierarchie von SONET

• CCITT- basierte Systeme keine Übertragungsrate
  nahe der 51,84 Mbit/s aufweisen beginnen die SDH
  (Synchronous Digital Hierarchy) erst bei OC- 3
• OC- 18 und OC- 36 wird z.B. in Japan verwendet

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3.4 Multiplexing - Hierarchie von SONET

• wie z.B. OC- 3 muss aber nicht gemultiplext
  werden, sondern kann auch nur Daten von einer
  Quelle befördern
• der Buchstabe c (Abkürzung für concatenated,
  verkettet) wird angehängt
• OC- 3 bezeichnet eigentlich einen Träger der aus
  drei getrennten OC- 1 Trägern besteht
• OC- 3c hingegen bezeichnet hingegen einen
  Datenstrom der von einer einzigen Quelle mit
  155,52 Mbit/s stammt
• 3 OC- 1 Ströme werden hierbei nach Spalten in
  einem OC- 3c Strom verschachtelt
• 1. Spalte von Strom 1
• 1. Spalte von Strom 2
• 1. Spalte von Strom 3
• 2. Spalte von Strom 1
• usw.
• Am Ende erhält man damit einen Rahmen von 270
  Spalten und 9 Zeilen

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3.5 Beispiel

• 10-Gigabit-Ethernet mit SONET/SDH
• 10GBASE-SW seriell 850 nm mit WAN- Anpassung
• 10GBASE-LW seriell 1310 nm mit WAN- Anpassung
• 10GBASE-EW seriell 1550 nm mit WAN- Anpassung
• 10GBASE - beschreibt Datenrate 10GBit/s auf
  Basisband
• W - steht für serielle WAN- Codierung bei der der
  Datenstrom in das Frameformat gepackt wird, das
  zu SDH und SONET kompatibel ist
• drei Wellenlängen
• S für 850 nm
• L für 1310 nm
• E für 1550 nm

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3.5 Beispiel 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs.
SONET/SDH

• 10-Gigabit-Ethernet-Task-Force hat optionale
  Schnittstelle definiert
• lehnt sich an die Datenraten und Protokolle des
  SONET OC-192 (SDH STM-64) an

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3.5 Beispiel 3.5.1 10-Gigabit-Ethernet vs.
SONET/SDH

• 10-Gigabit-Ethernet ist im Gegensatz zu SONET ein
  asynchrones Übertragungsprotokoll
• Timing- und Synchronisationsbedingungen jeweils
  nur für ein übertragenes Zeichen gelten
• 10 Gigabit- Ethernet- Komponenten zur physischen
  Übertragung mit viel geringeren Kosten
  implementieren als ihre SDH- Gegenstücke
• Übertragungsrate für den LAN-Bereich beträgt 10
  Gbit/s, die für die Weitverkehrsnetze 9,584640
  Gbit/s, sie entspricht damit der SONET OC-192c

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3.5 Beispiel 3.5.2 Transportverfahren

• Ethernet- und IP- Pakete wurden auch bisher schon
  über SONET- Systeme transportiert
• paketorientierte Übertragung über SONET- Systeme
  (Packet- Over- SONET - POS) kommt dafür zum
  Einsatz
• Frames werden dabei in POS- Pakete verpackt
• High- Level Data Link Layer Control (HDLC) sowie
  das Point- to- Point Protocol (PPP) werden unter
  anderen als Protokolle verwendet
• IEEE hat zur Anbindung der Ethernet-Netzwerke das
  WAN-PHY(Wide Area Network Physical Layer)
  definiert um die zur Verfügung stehende
  Bandbreite besser nutzen zu können

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3.5 Beispiel 3.5.2 Transportverfahren

• damit können paketbasierte IP/Ethernet- Switches
  auch die SONET- Infrastruktur verwenden
• werden für die physische Übertragung auf Schicht
  1 eingesetzt
• sind unkomplizierter und vor allem preiswerter
  als SONET- Komponenten
• 10-Gigabit-Ethernet Komponenten lassen sich nicht
  direkt an die SONET- Infrastruktur anbinden
• müssen mit aktiven Komponenten der Schicht 1 (LTE
  Line Terminating Equipment) verbunden werden

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3.5 Beispiel 3.5.3 Datenrate und Management

• MAC- Layer fügt zusätzliche Zeichen zwischen den
  Ethernet-Paketen ein (IPG - Inter Packet Gap)
  beim Anschluss an ein WAN-PHY
• Idle Characters sorgen bei reduzierter
  Nettodatenrate für eine Bruttodatenrate von 10
  GBit/s
• 64B/66B-Kodierung werden die zusätzlichen Bytes
  entfernt, sodass nur die an SONET angepasste
  Nettodatenrate übertragen werden muss
• die WAN-PHY der 10-Gigabit-Ethernet-Komponenten
  auch die nötigen SONET- Management- Informationen
  bereitstellen
• Aufgabe übernimmt der WAN Interface Sublayer
  (WIS), der zudem das Umpacken der Frames zwischen
  den SONET- und Ethernet-Formaten besorgt

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3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel

• Aufbau, bei dem paketorientierter Verkehr mittels
  eines 10-Gigabit-Ethernet-Routers mit WAN-
  PHYs(Wide Area Network Physical Layer) via SONET
  übertragen wird
• Pakete werden von der IP- Schicht des Routers A
  an den 10-Gigabit-Ethernet-Controller übergeben

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3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel

• MAC- Layer stellt dort die Ethernet- Frames
  zusammen und übergibt diese an den PCS- Sublayer
  (Physical Coding Sublayer) zur 64B/66B-Kodierung
  
• daraus resultieren 66-Bit-Worte
• kontinuierlicher Datenstrom weiter in den WIS-
  Sublayer (WAN Interface Sublayer) gehen.
• Diese übergibt die Pakete nun als 16-Bit-Worte an
  den PMD- Sublayer (Physical Medium Dependent)

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3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel

• optische Übertragung mittels eines SONET- LTEs
  (Line Terminating Equipment)
• Datenbits werden vom LTE für die synchrone
  Übertragung ausgeglichen
• Ausgleich durch so genannten Jitter Elimination
  Buffer (Zwischenspeicher)
• das LTE stellt die Management- Informationen
  zusammen und speist danach den Datenstrom in das
  Netz

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3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel

• LTE auf der Empfängerseite übernimmt nun den
  Datenstrom und verarbeitet die Management-Informat
  ionen
• Daten werden nun direkt vom Empfänger- LTE an den
  PMD- Sublayer(Physical Medium Dependent) des
  Routers B übergeben
• Router B setzt nun die optischen Signale wieder
  in elektrische um

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3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel

• WIS- Sublayer überprüft und speichert die
  Management- Information
• 66-Bit-Worte an den PCS (Physical Coding
  Sublayer) übergeben welcher die Dekodierung
  vornimmt und den MAC- Layer aufruft
• MAC- Layer prüft nun die CRC- Bits
• packt Ethernet- Frames aus und übergibt das Paket
  an die IP- Schicht des Routers B

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3.5 Beispiel 3.5.4 Anwendungsbeispiel
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ENDE?!?