Neue Architekturen föur ein optisches Internet 1.1 - TKN

in Reihe Informatik aktuell
INFORMATIK '99 - Informatik uberwindet Grenzen
29. Jahrestagung der Gesellschaft fur Informatik;
Paderborn, 5.-9. Oktober 1999 Hrsg.: K.Beiersdorfer, G. Engels, W. Schafer
Springer Verlag Berlin Heidelberg 1999; Seiten 215-222
Neue Architekturen fur ein optisches Internet
Hagen Woesner
Technische Universitat Berlin
Fachgebiet Kommunikationsnetze
[email protected]
1 Das GK \Kommunikationsbasierte Systeme" Berlin
1.1
Zusammenfassung
Ein Arbeitskreis der beteiligten Professoren des Fachbereichs Informatik der TU
Berlin, des Instituts fur Informatik der FU Berlin, des Instituts fur Technische
Informatik der Humboldt-Universitat zu Berlin und der GMD FOKUS in Berlin
tragt das Graduiertenkolleg. Es deniert ein Programm zur Erforschung und zum
Studium von Systemen, deren Charakteristika Verteiltheit und Nebenlaugkeit
sind und deren Einbindung in die Anwendungsumgebungen die Realisierung von
Anforderungen wie Oenheit, Autonomie oder auch Echtzeitverhalten erfordern.
Neben der Forschung im Rahmen eines Projektes absolvieren die Kollegiaten
einen ihren Vorkenntnissen und ihrer Orientierung entsprechenden Studienplan.
1.2
Forschungsprogramm
Die Entwicklung nebenlauger und verteilter Systeme, deren hohe marktwirtschaftliche Bedeutung auer Zweifel steht, erfolgt derzeit im Rahmen von Kooperationen zwischen Industrie, Forschungseinrichtungen und Hochschulen und
wird in starkem Mae durch nationale (DFG/BMBF) und internationale (ESPRIT, RACE, IST) Forderprogramme unterstutzt. Fur wissenschaftliche Fragestellungen in diesem Bereich bieten die derzeitigen Forderprogramme nicht
genugend Raum. Das Graduiertenausbildungsprogramm schliet diese Lucke mit
einer forschungsorientierten wissenschaftlichen Ausbildung.
Bedingt durch die beteiligten Fachgebiete und deren Arbeitsrichtungen ergeben sich drei Orientierungsrichtungen fur die Arbeit im GK: Anwendungsorientierung, Systemorientierung und Konzeptorientierung. Die Integration dieser
drei Orientierungen in einem Forschungsprogramm soll dabei die oben genannte
allgemeine Zielsetzung einer Verbindung von technologischer und wissenschaftlicher
Entwicklung stutzen und zur gegenseitigen Befruchtung von Theorie und Praxis
beitragen.
1.3
Anwendungsorientierung
Verteilte Betriebssysteme, verteilte Datenbanken, oene Netze, verteilte Informations- und Kommunikationssysteme und verteilte Echtzeitsysteme werden heute

weniger auf der Grundlage allgemeiner Uberlegungen
entwickelt, sondern zumeist
aus konkreten Anwendungssituationen heraus und auf der Basis neuer technischer Moglichkeiten. Durch vielfaltige Kooperation mit anderen Forschungsinstituten, mit der Industrie und mit Kliniken besteht fur das Forschungs- und
Studienprogramm des Graduiertenkollegs ein direkter Bezug zu solchen Anwendungen und zu neuen Techniken vornehmlich im Kommunikationsbereich.
Folgende Schwerpunkte der anwendungsorientierten Seite des Forschungs- und
Studienprogramms wurden gesetzt:
{
{
{
{
{
1.4
Modellierung und Bewertung fehlertoleranter, verteilter Echtzeitsysteme
Einsatz von Spezikations- und Implementierungstechniken fur verteilte und
parallele Systeme
Responsive Systeme zur Transportsystem- und Prozesteuerung
Kommunikationsstrukturen und Transportsysteme
Erbringung von geforderten Kommunikationsdienstqualitaten
Systemorientierung
Fur die Entwicklung verteilter Anwendungssoftware stellen sich vielfaltige Fragen, die sich auf Art und Qualitat von Programmiersprachen, auf Struktur und
Eigenschaften von Systemarchitekturen, auf Modelle der Interaktion zwischen
kooperierenden autonomen Einheiten, auf Mittel der Spezikation und auf den
Prototypentwurf und schlielich auf die Methodik und Werkzeuge der Spezikation, Validierung, Verikation und Entwicklung dieser Software beziehen. Eine
Beantwortung dieser Fragen kann sich nur vereinzelt auf fundierte Vorarbeit
stutzen, wie etwa auf objektorientierte Sprach- und Architekturkonzepte oder
auf theoretische Konzepte nichtsequentieller kooperierender Prozesse. Systematisierende und fundierende Arbeiten zu diesen Fragen bilden das grundlegende
Thema des Forschungs- und Studienprogramms. Folgende Schwerpunkte sind
hier gesetzt worden:
{
{
{
{
{
{
{
1.5
Entwicklung und Verwaltung verteilter Objektsysteme
Fehlertolerante und verteilte Architekturen und Netze
Integration von Sprachkonzepten fur interaktive Systeme
Grundlagen verteilter Systeme
Systemunterstutzung fur Multimedia-Strukturen
Konguration und Rekonguration Verteilter Systeme
Strukturen und Protokolle fur Heterogene Kommunikationsnetze
Konzeptorientierung
Die Entwicklung kommunikationsbasierter Systeme mu sich auf Modelle, Kalkule
und Spezikationsmethoden stutzen, durch die ein gesicherter Entwurf, Verikation, Analyse und Verstandnis moglich werden. Hierzu gehoren Netz- und
Graphkalkule, basierend auf Petri-Netzen und Graphgrammatiken, Kalkule wie
CSP, CCS, modale und temporale Logik, oder auch stream-processing-functions,
Modul-Spezikationen, Proze-Algebren und Projektionsspezikationen. Die Schwerpunkte fur das Forschungs- und Studienprogramm lauten:
{
{
{
{
{
{
{
{
1.6
Integration von Datentyp,- und Prozespezikationsmethoden
Mathematische Modellierung von nebenlaugen und verteilten Prozessen
Integration und Fundierung unterschiedlicher Konstruktionstechniken fur
verteilte und parallele Systeme
Architekturstile und Interaktionsmuster bei verteilten Objektsystemen
Grundlagen von responsiven Systemen
Entwicklung deklarativer semantischer Modelle und syntaktischer Reprasentationen fur Nebenlaugkeit und Parallelitat
Architektur Verteilter Systeme
Unterstutzung der Leistungsanalyse und der Entwicklung von Prototypen
durch Formale Methoden
Studienprogramm
Das Studienprogramm hat zum Ziel, die vertiefte und spezialisierte Forschungsarbeit der Kollegiaten in einem der Projekte durch die Teilnahme an Vorlesungen, Seminaren und Workshops einerseits zu unterstutzen und andererseits um
eine breitere Beschaftigung mit dem Themenbereich zu erganzen. Zu den verschiedenen Orientierungsrichtungen und den Schwerpunkten des Forschungsprogramms werden von den beteiligten Hochschullehrern, von Gastwissenschaftlern
und spater Senior-Kollegiaten bzw. Postgraduierten Lehrveranstaltungen angeboten. Zusatzlich nehmen die Kollegiaten an Vortragen und Kompaktkursen von
Gastwissenschaftlern teil. Halbjahrlich berichten die Kollegiaten im Graduiertenkolleg uber ihre Arbeit und es werden ihnen Studienaufenthalte bei Kooperationspartnern ermoglicht.
2 Neue Architekturen f
ur ein optisches Internet
2.1
Einf
uhrung
Seit zu Beginn der 80-er Jahre der Grundstein fur das gelegt wurde, was heute als
INTERNET ein weltumspannendes Computernetz ist, hat sich die Technologie in
fast allen Bereichen entscheidend gewandelt: Auf der Ebene der Bitubertragung

haben Glasfaser und Funk das herkommliche Ubertragungsmedium
Kupfer ver
drangt und die Ubertragungsraten sind um mehrere Groenordnungen gestiegen.
Vollig neue Anwendungen wie WWW sind entstanden (WWW-Verkehr macht
im Backbone heute weit uber 90% des gesamten Verkehrs aus). Nur das Internet
Protokoll (IP) ist nahezu unverandert geblieben. Wesentliche Eigenschaften von
IP sind hierbei:
{
{
{
unterschiedliche Lange der Datagramme
unterschiedliche Wege der Datagramme zwischen Sender und Empfanger
unterschiedliche Reihenfolge der Datagramme beim Empfanger
Die dargestellten Eigenschaften von IP-Datagrammen sind eher hinderlich,
wenn es darum geht, Dienstqualitaten zuzusichern. Dennoch hat sich IP gegen
andere Ansatze wie ATM (Asynchronous Transfer Mode) durchgesetzt, haupt
sachlich aufgrund der groen Ubermacht
der Web- bzw. TCP/IP-basierten Anwendungssoftware und der Schwachen des ATM-Standardisierungsprozesses.
Optisches IP bedeutet heute im allgemeinen IP uber WDM (Wave Division Mul
tiplexing) in Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Das heit, da die Ubertragungskapazitat der vorhandenen Glasfasern schrittweise durch die Installation weiterer
Laser vervielfacht wird. Das Problem dabei sind die IP-Router, die einen AdressLookup fur jedes Packet durchzufuhren haben. Dieser dauert eine gewisse Zeit
und begrenzt somit die Anzahl der weitergeleiteten Pakete auf derzeit einige
Millionen pro Sekunde [1], was abhangig von der zugrundegelegten mittleren
Paketgroe bis zu einigen 10 Gbit/s pro Ausgang des Routers entspricht. Trotz
beeindruckender Verbesserungen in der jungsten Zeit werden die IP-Router der
Engpa bleiben. Es ist aus diesem Grunde unumganglich, die Router zu entlasten und einen Teil der Wegewahl in der Optik durchzufuhren. Bevor wir jedoch
zu einer Diskussion der Moglichkeiten dafur kommen, soll im folgenden kurz der
Transport von IP beschrieben werden, wie er heute stattndet.
2.2
IP in klassischen Glasfasernetzen
Um die vorhandene ATM-Infrastruktur zu nutzen und dennoch IP-Packete zu transportieren, sind verschiedene Anpassungen notig. Einerseits mussen IP-Packete in das ATM-Zellformat von 48+5 byte zerhackt werden, was einen Overhead von etwa 10 bis 25% bedeutet, andererseits mussen in
der ATM-Wolke Virtual Circuits (meist PVC-Permanent VC) geschaltet werden, um die IP-Router zu verbinden. MPLS (Multiprotocol Label Switching)
sieht einen dynamischen Aufbau von VCs vor (SVC- Switched VC), um die
Routing-Entscheidung nur einmal pro IP-Flu zu treen und ansonsten innerhalb der ATM-Wolke die IP-Packetfragmente zu switchen, also die billigeren
und schnelleren ATM-Schaltmatrizen zu nutzen [8]. Aufgrund des Fehlens von
ATM-basierten Anwendungen und des immanenten Overheads ist die Entwicklung schneller ATM-Switches zum Transport von IP allerdings fast eingestellt. In
diesem Jahr werden zum ersten Mal IP-Router mit hoheren Linkgeschwindigkeiten
(STM-6410 Gbit/s) als ATM-Switches (STM-162,5 Gbit/s) angeboten.
IP u
 ber ATM
Ein erster Schritt
zur Beschleunigung des IP-Transports ist der Verzicht auf ATM. [4] Allerdings
mussen Funktionen, die ATM bisher erfullt hat, durch andere Protokolle ubernommen werden. Diese Funktionen umfassen:
IP u
 ber SDH/SONET (Packet over SONET - POS)
{
{
die Begrenzung des IP-Datagramms
Fehlerkontrolle
Die derzeit meist verwandte Methode, IP-Datagramme uber SONET/SDH zu
ubertragen, benutzt das Point-to-Point-Protocol (PPP) [5]. Das Verpacken der
PPP-(eigentlich: HDLC-ahnlichen) Rahmen in SONET-Container (Synchronous
Payload Envelope - SPE) geschieht wie folgt: Ein HDLC-Rahmen beginnt direkt hinter dem Path-Overhead (POH) des SONET-SPE und wird zeilenweise
eingeschrieben. Mehrere Rahmen werden also in einem SPE ubetragen. Ein
groer Teil der SONET/SDH-Funktionalitat wird allerdings gar nicht benotigt,
da kein Multiplexing verschiedener Strome auf SDH-Ebene mehr stattndet und
somit die zeitlichen Anforderungen viel geringer sind. Der nachstfolgende Schritt
ist daher der Verzicht auf SONET/SDH.
2.3
Wie k
onnte ein optisches Internet aussehen?
Wenn von einem rein-optischen Netz (all-optical network) die Rede ist, dann bedeutet das einen Transport von Daten zwischen Eingangs- und Ausgangsrouter,
ohne da eine Umwandlung der optischen in elektrische Signale geschieht. Sicher
ist, da fur eine achendeckende Einfuhrung die optischen Bauelemente billig
und robust sein mussen. Zusatzlich wird jede Wellenlange als shared-medium benutzt werden, d.h. zwischen verschiedenen Routern aufgeteilt. Drittens mussen
die verwendeten Bausteine ein packetbezogenes Schalten (moglichst, aber nicht
unbedingt auf IP-Packetebene) ermoglichen, also innerhalb von Nanosekunden
schalten. Viertens sollte das Netz bezuglich Datenrate und Kanalkodierung transparent sein. Diese Eigenschaft ist wunschenswert, um bei einer Weiterentwicklung der Technologie die bestehende Infrastruktur nicht andern zu mussen.
Wie bereits erwahnt, wird WDM heutzutage vor allem im parallelen Punktzu-Punkt-Betrieb eingesetzt. Der Grund hierfur liegt in der relativen Unausgereiftheit optischer Wellenlangenschalter oder -konverter. Generell kann man
feststellen, da die Schaltzeiten dieser Konverter eine schnelle Packetvermittlung
heute noch nicht zulassen. Wenn also aktive Bauelemente zu langsam und/oder
zu teuer sind, dann kann es nur das Ziel sein, diese zu vermeiden. Stattdessen
bieten sich passive Wellenlangenrouter an, die billig und robust sind, aber nicht
rekongurierbar. Ein Teil der Wegewahl verlagert sich also an den Rand des
Netzes, wo entschieden wird, auf welcher Wellenlange das Packet am schnellsten
zu seiner Bestimmung ndet.
Nach Mukherjee[2],[3] kann man WDM-Netze
im lokalen und Metro-Bereich in Single-Hop und Multihopnetze unterteilen. In
Single-Hop-Netzen erreicht ein Datenpacket den Empfanger in genau einem Hop.
Dazu mussen die Stationen entweder uber (N-1) Empfanger und einen festen
Sender verfugen (jede Station benotigt dann eine Wellenlange), oder die Sender
und Empfanger mussen sich mit Hilfe eines Zugrisprotokolls verstandigen, auf

welcher Wellenlange die Ubertragung
stattnden soll. In Multihop-Netzen besitzt jede Station nur wenige (z.B. 2) feste Sender und Empfanger, dafur durchlaufen die Datenpackete aber eine Anzahl zwischenliegender Stationen auf dem
Weg zum Empfanger. In diesen Stationen wird die Wellenlange gewechselt, und
zwar meist durch eine opto-elektrische Umwandlung, eine Routing-Entscheidung
in der Elektronik und eine elektro-optische Umwandlung.
Wave Division Multiplexing
2.4
Arrayed Waveguide Grating Multiplexer (AWGM)
Ein AWGM, auch Waveguide Grating Router (WGR) oder Dragone Router
(nach C. Dragone, einem der Ernder), ist ein optischer Spektrograph, der
in planaren Lichtwellenleitern realisiert ist.[7] Dieses Gitter besteht aus bogenformig angeordneten Monomode-Lichtwellenleitern, deren Langendierenz
L = m c=nc betragt, wobei c die zentrale Wellenlange ist, nc der effektive Index der Lichtwellenleiter und m eine ganze Zahl, die die Ordnung
des AWGM beschreibt. Der freie Spektralbereich (free spectral range - FSR)
eines AWGM betragt FSR = c =m. Kanale der benachbarten Ordnungen (m1, m+1,m+2...) erscheinen periodisch an den Ausgangen des AWGMs. Logisch
Fig. 1.
Logische Konguration eines 3x3 AWG
ist dieses Gerat als eine Kombination von optischen Multiplexern und Demultiplexern vorstellbar. Diese sind so verschaltet, wie in Abbildung 1 zu sehen.
Eine Wellenlange auf einem Eingang 1 wird zu Ausgang 3 geroutet, dieselbe
Wellenlange wird wegen der Symmetrie des AWGMs von Eingang 3 auf Ausgang 1 geroutet. Auf diese Weise erscheint eine bestimmte Wellenlange immer nur an einem Ausgang und Kollisionen, wie sie bei passiven Sternkopplern auftreten, sind hier nicht moglich. AWGMs sind somit sowohl als Multiplexer als auch als Demultiplexer als auch als passiver Wellenlangenrouter einsetzbar. Die logischen Topologien, die auf AWGMs aufgebaut werden konnen,
sind vielfaltig und reichen von Multihop-Netzen wie Manhattan Street Network
(MSN) uber Ringe bis zur Vollvermaschung. In [9] ist ein Konzept fur ein WDMLAN beschrieben, das auf einer physikalischen Sterntopologie beruht. Die Stationen sind uber je zwei Fasern mit einem AWGM verbunden, und zwar jeweils so,
da eine Station an Eingang E1 und Ausgang A1, die nachste an E2 und A(N-1),
E3/A(N-2),..., EN/A2 verbunden ist. Es entstehen dadurch virtuelle Ringe auf
jeder Wellenlange. Unter der Voraussetzung, da die Anzahl der Stationen N
eine Primzahl ist, verbindet jeder dieser Ringe alle Stationen, ansonsten entstehen kleinere Ringe, die disjunkte Teilmengen von N umfassen. Die N-1 Ringe
verbinden die Stationen in unterschiedlicher Reihenfolge, so da je zwei dieser
Ringe eine entgegengesetzte Richtung haben. Eine Anzahl von 5 Stationen ist
also potentiell in 2 bidirektionale Ringe aufteilbar.
Aus Kostengrunden kann zunachst mit nur einem Laser pro Station ein unidirektionaler Ring aufgebaut werden, bei Bedarf kann durch die Installation weiterer Laser neue Bandbreite installiert werden. Hiermit wird auch die virtuelle
Topologie durch den Wechsel bzw. die Hinzunahme einer Wellenlange verandert.
Im vollen Ausbau, d.h. mit einer Bank von N-1 Lasern pro Station, wird eine Vollvermaschung, d.h. ein Single-Hop-Netz, erreicht. Vorgeschlagen ist, ein BuerInsertion-Protokoll auf den Doppelringen zu verwenden. Dadurch, da mit zunehmender Zahl der Wellenlangen die durchschnittliche Hop-Anzahl abnimmt,
ist ein Protokoll erforderlich, das eine Wiederverwendung von Bandbreite gestattet, das also ein Entfernen des Datenpackets vom Ring durch den Empfanger
vorsieht. Zu diesem Zweck mu das Datenpacket aber erkannt werden, bevor
die Entscheidung daruber getroen wird, ob es vom Ring genommen wird. Dazu
mussen die IP-Packete entsprechend markiert werden.
Fur das Markieren von IP-Packeten werden derzeit verschiedene Ansatze diskutiert, auf deren technologische Details hier nicht eingegangen werden kann (siehe an entsprechender Stelle auch die Literaturhinweise):
Optisches Labelling
{
{
{
{

Eine separate Wellenlange ausschlielich zur Ubertragung
der Markierungen
SCM (Subcarrier Modulation) [10]
Orthogonale Kodierungsmechanismen (DPSK fur die Labels, ASK fur Daten)

Spektrales CDMA zur Ubertragung
der Labels
Alle Ansatze haben gemeinsam, da keine Erkennung des Datenpackets notwendig ist, um eine Routingentscheidung zu treen. Desweiteren ist davon auszugehen, da die Datenrate der Labelubertragung wesentlich geringer als die der
Nutzdaten sein wird. Wahrend die erste Variante Probleme bei der Erhohung
der Anzahl der Wellenlangen aufwerfen kann, erfordern die anderen Varianten
eine Aufteilung des Signals (damit verbunden ist immer eine Dampfung). Wie

letztlich aber die Ubertragung
des Labels aussehen wird, sie wird im allgemeinen

parallel zum Datenpacket erfolgen. Eine Ubertragung
vor dem Datenpacket hatte
zur Folge, da das Packet gespeichert werden mu, um denselben Abstand zwischen Markierung und Paket auch an der nachsten Station zu halten. Diese Spe
icherung ist ebenso bei einer parallelen Ubertragung
notwendig. Ein mogliches
Funktionsprinzip eines optischen Labels ist in Abbildung 2 dargestellt. Ein ankommendes Datenpacket wird in einer Glasfaserschleife um die Zeit verzogert,
die benotigt wird, die Markierung zu erkennen, auszuwerten und die Entscheidung zu treen, ob das Packet vom Ring genommen werden kann. Danach wird
ein optischer 2x2-Schalter betatigt, der, wenn das Packet vom Ring genommen
wird, gleichzeitig den Weg freigibt fur das Senden eines Packetes von der Station.
Da das Label mit einer niedrigeren Datenrate als das Datenpacket ubertragen
wird (40 Mbit/s bei 10 Gbit/s), ist eine Mindestpacketgroe von z.B. 16 kbyte
vonnoten, wenn 64 byte Header-Informationen ubertragen werden sollen. Dies
entspricht einer Lange der Verzogerungsschleife von etwa 2,5 km. Nur wenn
die Verzogerungsschleife leer ist, darf die Station ein Datenpacket senden. Das
dargestellte Szenario ermoglicht die Anwendung bestehender Zugrisprotokolle,
Fig. 2.
Ein mogliches Stationsdesign fur Optisches Labelling
die auf Insertion-Buer-Techniken basieren. Ein mogliches MAC-Protokoll {
METARING { wurde in [6] vorgestellt. Die Kombination von passiven Wellenlangenroutern und optischer Packetmarkierung stellt eine kostengunstige und
dem derzeitigen Stand der Technologie entsprechende Variante dar, ein optisches INTERNET zu realisieren.
References
1. C.Guillemot, F.Clerot: Opticla Packet Switching for WDM IP Gigabit Routers
Proceedings of ECOC'98, 20.-24. September 1998, Madrid, Spain, 433f
2. B. Mukherjee: WDM-based Local Lightwave Networks- Part I: Single-Hop Systems
IEEE Network, vol. 6, May 1992; pp.12-27
3. B. Mukherjee: WDM-Based Local Lightwave Networks - Part II: Multihop Systems,
IEEE Network, vol. 6, No. 4, pp. 20-32, Juli 1992
4. J. Manchester, J. Anderson, B. Doshi, S. Dravida: IP over SONET IEEE Communications Magazine; May 1998; pp. 136-142
5. W. Simpson: PPP over SONET/SDH IETF RFC 1619; May 1994
6. I. Cidon, Y. Ofek: MetaRing - A full duplex ring with fairness and spatial reuse
IEEE Transactions on Communications, Vol. 41, no. 1, 1993; pp. 110-119
7. Y. Tachikawa, Y. Inoue, M. Ishii, T. Nozawa: Arrayed-Waveguide Grating Multiplexer with Loop-Back Optical Paths and Its Applications; Journal of Lightwave
Technology, Vol. 14, No. 6; June 1996; pp.977-984
8. A. Visvanathan et al.: Evolution of Multiprotocol Label Switching IEEE Communication Magazine, Mai 1998, Vol 36, No. 5 pp. 165-173
9. H. Woesner: All-optical LAN archtictures based on Arrayed Waveguide Grating
Multiplexers SPIE Conference on All-Optical Networking: Architecture, Control
and Management Issues, Boston, November 1998, SPIE Vol. 3531, pp. 158 - 163
10. M.D. Vaughn, D.J. Blumenthal: All-Opticla Updating of Subcarrier Encoded Packet
Headers with Simultaneous Wavelength Conversion of Baseband Payload in Semiconductor Optical Ampliers IEEE Photonics Technology Letters, 9 (6), pp 827829, June 1997