Virtualisierte Bandbreiten
Flexibilität auf der Datenautobahn
Der IP-gestützte Datenverkehr wächst ungebremst. Die jährlichen Steigerungsraten schätzen anerkannte Stellen auf 75 bis 125 Prozent. Daraus ergeben sich zahlreiche Herausforderungen für Betreiber moderner Netzwerke. Längst geht es nicht mehr allein darum, mit den hohen Datenvolumen Schritt zu halten.Das Volumen der zu übertragenden Daten schwankt immer mehr. Der Anteil dieses vorübergehenden Bedarfs nimmt im Vergleich zum statischen Bedarf zu. Dafür sind die verschiedensten Datentypen verantwortlich, wie on-demand abrufbare zentral gespeicherte Daten oder auch wichtige außergewöhnliche bandbreitenintensive Ereignisse innerhalb der Cloud, wie etwa die Migration einer oder mehrerer Datenbanken. Bei der Planung, Einrichtung und beim späteren Wachstum des Netzwerks steigen daher die Anforderungen an die Flexibilität der Infrastruktur. Notwendig ist daher die Loslösung von klassischen Netzwerkinfrastrukturen, die Datenübertragungskapazität starr zuweisen. Gefordert ist die flexible Zuteilung von Bandbreite aus dem Gesamtpool der zur Verfügung stehenden Wellenlängen je nach Bedarf - eine Virtualisierung der Ressource "Bandbreite". WDM und ROADM Die bisher starre Zuteilung von Wellenlängen und damit von Bandbreitenkapazitäten in Standardtechniken wie WDM und ROADM sind für solche dynamischen Aufgaben nicht ausgelegt. Flexibilität ist hier ein teures Gut. In einem konventionellen transponderbasierenden WDM-Netzwerk macht etwa ein neuer Service eines Netzbetreibers die Verbindung der Kundenschnittstelle - zum Beispiel eines 10GBit/s-Ports eines IP Routers - an einen Transponder nötig, der den Dienst auf einer festen Wellenlänge im optischen Netzwerk überträgt (Bild 1). Jeder Dienst ist also fest auf einer spezifischen Wellenlänge lokalisiert. Analoge optische Netzwerkeinrichtung und die notwendige Einrichtung von Hardware für eine erfolgreiche End-to-End-Datenübertragung verlangsamen die zusätzliche Einrichtung neuer Bandbreitenkapazität. Die Anpassung der Bandbreite an die dynamische Übertragungsnachfrage im Netz bedingt bei starrer Zuteilung von Wellenlängen komplexe Management-Prozesse. Dazu gehören Festlegung und Garantie der Verfügbarkeit einer End-to-End-Wellenlänge ohne Blockierung der Wellenlängen. Bei einer Blockade muss eine Umwandlung der Wellenlänge vorgesehen sein. Außerdem von Bedeutung ist die Validierung geeigneter Parameter optischer Verbindungen: Die Optical-Signal-to-Noise-Ratio (OSNR), chromatische Dispersion und Polarisationsmodusdispersion (PMD) müssen sich an die vorgegebenen Spezifikationen halten. Andernfalls werden zusätzliche Kompensatoren oder Regeneratoren nötig. Erforderlich sind zudem eine komplexe Planung und Einrichtung von Multiplex-Diensten mit niedriger Übertragungsrate auf einer Wellenlänge unter Verwendung von Muxpondern, die Einplanung von Lieferzeiten und Verfügbarkeit von Transpondern und Filtern beim Zulieferer. Außerdem gibt es komplexe Umwandlungsprozesse, eine Auswahl der Wellenlängen und die Überprüfung der Zuverlässigkeit und der Übertragungsleistung. Klassische Techniken mit fester Zuordnung der Wellenlänge gestalten aber nicht nur die Zuteilung neu benötigter Übertragungskapazitäten sehr aufwändig. Sie beeinträchtigen auch die Flexibilität und Entwicklung neuer Service-Schnittstellen und die Steigerung der Datenraten. Netzwerkdienstleister, deren traditionelles WDM-System sich im 10GBit/s-, 40 GBit/s- oder 100 GBit/s-Bereich bewegt, müssen entweder komplett neue Systeme aufsetzen oder die bestehenden Systeme upgraden - was Zeit und Geld kostet. Dank der Technik der Netzwerkausrüster können Netzwerkbetreiber durch eine flexible Zuweisung der Bandbreite schnell neue zusätzliche Kapazitäten allokieren und so neue Dienste unterstützen, wobei der Eingriff in die Netzstrukturen vor Ort, die Einrichtung der Hardware und der sich daraus ergebende Konfigurationsaufwand so gering wie möglich bleiben. In diesem Fall wird die bestehende Netzwerkinfrastruktur softwarebasierend flexibel rekonfiguriert. Ein programmierbares optisches Netzwerk (Bild 2) passt sich flexibel dem tatsächlichen Bedarf an Datenübertragung an. Ein solches frei programmierbares optisches Netzwerk ist durch die Netzwerkarchitektur der Bandbreitenvirtualisierung möglich. Das Konzept der "Bandwidth Virtualization" etwa eines Anwenders wie Infinera erlaubt es, End-to-End-Dienste abgekoppelt von der komplexen Link-to-Link-Zuteilung von Wellenlängen in WDM-Systemen frei zuzuweisen. Von so genannten Sub-Wavelength-Datenraten bis hin zu Super-Wavelength-Datenraten lassen sich Dienste einfach und schnell bereitstellen und über ein WDM-Netzwerk übertragen, dessen Gesamtdatenrate dabei immer für möglichst geringe Netzwerkkosten optimiert ist. Sub-Wavelength-Kapazitäten stellen einen Bruchteil einer Wellenlänge in einer WDM-Verbindung dar, während Super-Wavelength-Kapazitäten mehrere Wellenlängen benötigen. In der praktischen Umsetzung verwendet elektrisches oder "digital" programmiertes Multiplexing entweder verschiedene Sub-Wavelength-Dienste auf eine gemeinsame Wellenlänge oder bündelt mehrere Wellenlängen, um Super-Wavelength-Bandbreiten bereitzustellen. Physisch getrennte Wellenlängen und damit Bandbreiten agieren virtuell wie ein einziger Pool frei zuteilbarer und bündelbarer Bandbreiten. Dienste können sich so frei aus dem Bandbreitenpool bedienen. Dies beschleunigt die Bereitstellung von Diensten, erleichtert die Überwachung und den Ausbau der Verbindungen. Für die Realisierung dieser Bandbreitenvirtualisierung benötigen Netzwerkarchitekturen ein integriertes Bandbreiten-Management. Multi-Service/Protocol-Client-Schnittstellen müssen von den optischen WDM-Verbindungen abgekoppelt sein, damit sich jede beliebige Sub-Wavelength- oder Super-Wavelength-Kapazität frei zuordnen lässt. Eine intelligente GMPLS Control Plane stellt Datenkapazität automatisiert, im Fernzugriff kontrollierbar und stets rekonfigurierbar zur Verfügung und ermöglicht ein Routing. Eine zusätzliche händische Modifikation vor Ort entfällt nun. Derart programmierbare optische Netzwerke und die flexible Zuteilung von Bandbreite basieren auf zahlreichen Schlüsseltechniken. Dazu gehören photonische integrierte Schaltkreise (PICs), digitale optische Netzwerke und spezifische Übertragungsprotokolle. Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) sind eine wichtige Hardwarebasis für die Umsetzung der Bandbreitenvirtualisierung. Solche PICs integrieren mehrere Hunderte optische Komponenten wie Laser, Modulatoren, Detektoren, Dämpfer, Multiplexer/De-Multiplexer und optische Verstärker in ein einziges Gerät. Das Potenzial ist groß, der für die Virtualisierung zur Verfügung stehende Pool enorm. Die DTN-X-Plattform von Infinera bietet nach Aussagen der hauseigenen Techniker ein OTN-Koppelfeld mit einer Kapazität von 5 TBit/s. Zudem realisierten sie in Versuchen Übertragungsraten von bis zu 8 TBit/s pro Richtung. Die photonische Integration spielt eine Schlüsselrolle bei der Virtualisierung durch die Konsolidierung verschiedener Wellenlängenkanäle in ein "WDM-System on a Chip". Die Planer von Netzwerken profitieren außerdem von sinkendem Stromverbrauch, höherer Zuverlässigkeit und der effizienten Optical-Electrical-Optical-Umwandlung (OEO) an jedem Netzknotenpunkt. Dies macht den Einsatz digitaler Elektronik möglich, die im Vergleich zu analogen optischen Elementen erst Funktionen wie etwa das rekonfigurierbare digitale Hinzufügen und Entfernen von Sub-Wavelength, Multiplexing und Bandbreitenmanagement mit sich bringt. Ebenso wichtig ist der digitale Schutz der Verbindungen, die Überwachung der Leistung, die Unterstützung neuer Dienstmöglichkeiten wie GMPLS-Wiederherstellung sowie optische virtuelle private Netzwerke (O-VPNs) auf Layer 1. Erst dies ermöglicht die Digitalisierung optischer Netzwerke und ein granulares integrierte Bandbreiten-Management in einer nun hochgradig flexibilisierten WDM-Infrastruktur. Ein integriertes digitales Sub-Wavelength-Bandbreiten-Management ermöglicht die Einrichtung von PIC-basierender Spezielle Protokolle wie etwa Digital Virtual Concatenation runden den Werkzeugkasten ab und übernehmen das Mapping aller Dienste im Pool der PIC-basierenden WDM-Bandbreite (Bild 3). In diesem Fall ist ein 40-GBit/s-Signal mit einem so genannten Tributary Adapter Module (TAM) auf dem digitalen Transportnetz verbunden und mit DVC in vier 10 GBit/s Payloads (4 × ODU2) unterteilt. Diese vier ODU2s wandelt das System in vier OTU2Vs durch Hinzufügung einer so genannten High-Gain-FEC um. So erfolgt die Übertragung auf vier von zehn verfügbaren Wellenlängen, die der 100GBit/s-PIC zur Verfügung stellt. Auf der Empfängerseite werden die vier ODU2s wieder aus den vier OTU2Vs demapped und wieder in ein OC-768/STM-256-Signal umgewandelt.
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