Bandbreite als frei verfügbare Ressource in Cloud-Netzwerken Bessere Netzwerkeffizienz durch elastische optische Bandbreiten

Autor / Redakteur: Chris Liou / Peter Schmitz

So wie die Cloud die nötigen Ressourcen aus einem gemeinsamen Pool bei Bedarf abruft, können optische Netzwerke eine elastische Bandbreite bieten und bedarfsgerecht die benötigte Bandbreite sofort zur Verfügung stellen.

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Die Verbesserung der Effizienz von Ressourcen und Investitionen durch das Bündeln physischer IT-Ressourcen ist der Grund für den Erfolg der Cloud. Virtualisierung ermöglicht die dynamische Allokation und die Bereitstellung von Anwendungen oder Diensten, ohne dass im Übermaß angeschaffte Ressourcen brach liegen.

So wie die Cloud die nötigen Ressourcen aus einem gemeinsamen Pool bei Bedarf abruft, so können optische Netzwerke eine elastische Bandbreite bieten und bedarfsgerecht die benötigte Bandbreite sofort zur Verfügung stellen. Netzwerkbetreiber bauen so auf eine wirtschaftlich optimale und flexible Netzwerkstruktur.

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Netzwerkinfrastrukturen in der Cloud müssen sich anpassen. Sie müssen „Platz“ und Strukturen für die Virtualisierung und für die neuen Muster des Datenverkehrs, die sich aus der zunehmend dynamischen und sich oft ändernden Bandbreitennachfrage ergeben, schaffen.

Ökonomisch und technisch optimierte Netzwerke müssen in höchstem Maße flexibel jederzeit neu konfigurierbar sein. Sie stellen aus dem Gesamtpool verfügbarer Übertragungskapazitäten die nötigen Ressourcen bereit und bauen Leerkapazitäten in der Bandbreite ab – ohne Leistungseinbußen und mit hoher Skalierbarkeit.

Neue Leistungskriterien in Cloud-Netzwerken

Verbindungen zwischen Datenzentren ermöglichen Anbietern von Cloud-Diensten nicht nur die flexible Verteilung von gemeinsamen Ressourcen. Sie übernehmen auch zahlreiche Cloud-typische Operationen wie Datenreplikation oder die Migration virtueller Maschinen. Die elastische und dynamische Natur von Cloud-Diensten und Operationen sowie die Virtualisierung von Netzwerken führen zu neuen Anforderungen.

Hauptkriterien für eine solche moderne Cloud-Infrastruktur sind Leistungsfähigkeit, Ausfalltoleranz, Flexibilität sowie eine schnelle Bereitstellung von Bandbreite. Niedrige Latenz und Jitter sind wichtige Leistungsmerkmale der Cloud-Anwendungen as auch die Quality of Service (QoS) für die Unterscheidung verschiedener Anwendungsbandbreiten.

Die Ausfalltoleranz im Fall eines Netzweksfehlers wird zunehmend wichtiger bei zeit- und unternehmenskritischern Anwendungen, aber mit dem Schalten von Ersatzpfaden müssen Anwendungslatenz und QoS brücksichtigt werden. In solchen Netzwerken mit einem unvorhersehbaren und sich ständig ändernden Transportbedarf wird die Fähigkeit, schnell die notwendige Bandbreite - wo und wann auch immer sie benötigt wird - zur Verfügung zu stellen, immer wichtiger.

Netzwerkprovider möchten den Datentransport über den gesamten Lebenszyklus ihres Netzwerks ökonomisch optimal gestalten. Dazu müssen bestehende Ressourcen bei geringen operationalen Kosten bestmöglichst genutzt werden. Je mehr Ressourcen zentralisiert, konsolidiert und dabei gleichzeitig in ihrer Virtualisierung unterstützt werden, umso geringer ist die Gefahr, Übertragungspotentiale nicht auszuschöpfen oder gar nicht zu benutzen. Dies gilt auch für Netzwerk-Ressourcen wie die Bandbreite für den WAN-Datenverkehr zwischen Netzwerken.

Neue Bandbreitenprofile für Cloud-Netzwerke

Der Bedarf an Bandbreite in dynamischen Cloud-Netzwerken zwischen Datenzentren unterscheidet sich grundlegend von konventionellen Netzwerken: Cloud und Virtualisierung der Rechenzentren verwandeln Applikationen und Dienstleistungen in leicht abrufbare Utilities, die schnell skaliert zur Verfügung gestellt und je nach Inanspruchnahme inkrementell bezahlt werden können.

Zwei grundlegende Arten des Datenverkehrs zwischen Datenzentren sind daher zu unterscheiden:

  • Eine statische Bandbreitenkomponente ist konstant, kalkulierbar und übernimmt einen Großteil der Routine-Transaktionen innerhalb der Cloud wie auch in die Cloud hinein oder aus ihr heraus.
  • Eine veränderliche dynamische Bandbreitenkomponente ist unregelmäßig und weniger vorhersehbar bezüglich Quelle, Ziel, Dauer und Menge der Datenübertragung.

In großen Cloud-Netzwerken kann die dynamische Komponente größer sein als ihr statisches Pendant und stunden- oder tageweise variieren. Hauptgründe dafür sind etwa die Migration der Databanken in großem Maßstab, herausragende und bandbreitenintensive einmalige Ereignisse oder die Hinzunahme von neuen Kunden. Solche Clouds benötigen eine flexible Infrastruktur, die schnell auf solche Wechsel reagieren kann und kosteneffektiv elastische Bandbreite überall und jederzeit nach Bedarf bereitstellt.

Schlüsseltechnologien zur Bereitstellung elastischer Bandbreite

Die WAN-Infrastruktur von Clouds im großen Maßstab basiert weitgehend auf IP und WDM- Netzwerktechnologien. Konventionelle Netzwerke sind so ausgelegt, dass der IP Layer das Bandbreitenmanagement durch Switching und Routing des Paket-basierten Datenverkehrs und den Schutz vor Netzausfällen übernimmt. Hier bietet der optische Layer lediglich eine statische Punkt-zu-Punkt-Verbindung zur Paket-basierten Datenübertragung. IP Links werden möglicherweise geteilt. Optische Wellenlängen, die zwischen zwei Locations fest fixiert sind, werden als statische, ungeteilte Ressourcen behandelt. Sie können neue Nachfragen nach Bandbreite auf Netzwerkebene, die über die Fähigkeit der beiden Locations hinausgehen, normalerweise nicht bedienen.

Solche Netzstrukturen führen häufig zu einem Überhang an Kapazitäten. Darüber hinaus verschlechtert sich die Latenz von Cloud-Anwendungen in den höheren Ebenen, wenn Ausfallsicherheit und Flexibilität nur auf IP Ebene geregelt werden. Die häufig angewandte Methode, das Problem mit mehr Bandbreite zu lösen, führt zu unnötig hohen Kosten.

Cloud-Strukturen mit ihrem Bedarf an elastischer Bandbreite sind die bessere Lösung. Cloud-Anbieter können Bandbreite nun als eine frei verteilbare Ressource einplanen. Drei Kerntechnologien spielen dabei eine entscheidende Rolle:

1. Virtualisierung von Bandbreite: Sie koppelt die Ebene der optischen Datenübertragung von der Ebene der Bandbreitendienste ab. Optische Wellenlängen können so sofort dynamisch in der benötigten Menge zugeteilt werden, ohne dass das optische Netz neu aufgebaut werden müsste. (siehe Abbildung 1). Im Gegensatz dazu koppeln konventionelle WDM Technologie und auch Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer (ROADMs), welche die Rekonfigurierbarkeit auf Wellenlängenebene ermöglichen, immer noch Dienste eng an End-to-End-Wellenlängen, die so fragmentiert nicht flexibel zugeteilt werden können.

2. Konvergierte WDM und Layer 1 Switching: Die Entwicklung neuer konvergierter Systeme mit integrierter optischer WDM Datenübertragung und digitalem OTN Switching eröffnet neue Möglichkeiten: eine solche Switching Architektur betrachtet nicht nur die Granularität der Wellenlängen. Sie unterstützt zudem effizient flexible Datenübertragungsraten durch integriertes Wellenlängen-Grooming. So wird die Anzahl der belegten Wellenlängen nach Möglichkeit reduziert und Kapazitäten flexibel zur Verfügung gestellt. Ergebnis ist eine hochperformante, effiziente Infrastruktur für die Bereitstellung von Diensten (siehe Abbildung 2).

3. Intelligente GMPLS Netzwerke: So wie Netze skalieren, muss auch deren Betrieb skaliert werden. Das betrifft vor allem zeitaufwändige Aufgaben wie die korrekte Überwachung der Netzwerktopologie oder die Bereitstellung optischer Schaltkreise.

Automatisierung ist unumgänglich, wenn Bandbreite eine Utility sein soll. Eine intelligente GMPLS Control-Plane ermöglicht auf dem optischen Layer integriertes digitales Switching und damit skalierbar die dynamische Zuteilung und Wiederherstellung von Verbindungen in Echtzeit. Mit der vollständigen Programmierbarkeit über alle GMPLS hinweg können Netzbetreiber ihre SDN Architekturen einfach und effektiv verwalten.

Die Bedeutung von WDM/OTN und PICs

Wavelength Division Multiplexing (WDM) Technologien ermöglichen optische Netze mit hoher Leistungsfähigkeit. Optische Transportnetze (OTNs) packen ihrerseits einfache, transparente und verwaltbare Nutzlasten auf jeden WDM Kanal.

Kombinierte WDM/OTN Transportnetzwerke bieten daher im Verbund effiziente, transparente und geschaltete Bandbreiten mit niedriger Latenz. Außerdem können Schaltkreise zur Unterstützung von IP-Verbindungen schnell zugeteilt oder an den Pool der virtualisierten Bandbreite zurück gegeben werden – unabhängig von der verwendeten Wellenlänge. Durch diese Echtzeit-Bereitstellung und digitale Rekonfigurierbarkeit von Transport-Layer Diensten verwandeln konvergierte Systeme optische Bandbreite in eine flexible, aufteilbare On-Demand-Größe, die Bandbreite je nach Bedarf zur Verfügung stellt.

Für die Kosteneffizienz solcher Lösungen sorgt die Integrationen auf System- und Komponentenlevel. Getrennte WDM- und Switching-Systeme verursachen dagegen hohe Kosten durch Interkonnektivität und übermäßigen Bedarf an Raum und Energie. Eine echte Konvergenz, die zugleich die Systemdichte nicht allzu sehr erhöhen soll, bieten integrierte photonischer Schaltkreise (PICs), die die Funktionen vielfacher Einzelkomponenten auf einem einzigen Chip vereinen – analog zu digitalen ASICs.

Solche PICs sparen Raum, Strom und damit Geld. Sie verbessern außerdem signifikant die Zuverlässigkeit der Netze durch die Ausschaltung aller Glasfaserkomponenten, die normalerweise diskrete Bauelemente verbinden und eine häufige Ausfallursache darstellen. Durch die PICs erreichen Systeme neue Level in Sachen Dichte und Preis/Leistungsverhältnis.

Zusammenfassung

In Cloud Umgebungen verändern sich Verbindungsmuster und Datenübertragungsvolumen zwischen virtuellen Maschinen dynamisch und unvorhersehbar. Hier bietet ein optisches Netzwerk, welches WDM Technologien mit digitalem OTN Switching integriert, kosteneffizient ein vorher nicht erreichbares Niveau an Bandbreitenflexibilität und Geschwindigkeit. Dies erhöht die Effizienz des investierten Netzwerkkapitals, denn die elastische Natur von Cloud-Netzen verlangt eine flexible Bereitstellung von Ressourcen in Datenzentren und von Bandbreiten für die Übertragung.

In der Kombination mit der GMPLS Control-Plane Technologie bieten solche integrierte OTN/WDM Lösungen Cloud-Netzwerke mit wirklich elastischer Bandbreite und der Möglichkeit, Bandbreite bei Bedarf zur Verfügung zu stellen. Fortgeschrittene optische Technologien wie PICs sind dazu unerlässlich.

Über den Autor

Chris Liou ist Vice President Network Strategy bei Infinera.

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