Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 46 SONET-Netzelemente (Sychronous Optical Network ) und ihre Konfiguration

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

In der letzten Folge haben wir die grundsätzlichen Merkmale und Formate von SONET (Sychronous Optical Network) kennengelernt. Heute geht es mit den Netzelementen und deren Konfiguration sowie dem Multiplexing weiter. Außerdem klären wir, was SDH ist.

Der Hauptvorteil der Ringtopologie bei SONET-Netzen ist ihre Überlebensfähigkeit; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Der Hauptvorteil der Ringtopologie bei SONET-Netzen ist ihre Überlebensfähigkeit; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
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SONET verfügt über vier grundsätzliche Multiplexing-Prinzipien.

Mapping wird benutzt, wenn ankommende Daten durch die Hinzufügung von POH Information auf VTs gebracht werden.

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Ausrichtung wird benutzt wenn ein Pointer im STS Path oder im VT POH steht, der das erste Byte des VTs lokalisieren kann.

Multiplexing wird benutzt wenn verschiedene Signale einer geringeren Ordnung aus dem Path Layer in ein Signal höherer Ordnung des Path Layers gebracht werden sollen oder wenn die Path Signale der höheren Ordnung in den Line Overhead eingepasst werden.

Stuffing: SONET kann mit einer Vielzahl von Eingangs-Signalraten aus asynchronen Quellen umgehen. Werden diese Eingangssignale gemultiplext und ausgerichtet, gibt es im SONET Frame eine Art Reservekapazität damit man genug Platz für all diese unterschiedlichen Datenraten hat. Diese Ersatzkapazität muss an verschiedenen Stufen der Multiplexhierarchie systematisch mit Leerzeichen aufgefüllt werden.

Einer der Vorteile von SONET ist die Verwendbarkeit für Signale weit jenseits der 50 Megabit/s. Für den Investitionsschutz ist es aber auch wichtig, wenn Signale kleinerer Datenraten aus existierenden Lösungen berücksichtigt werden können. Um das zu unterstützen, kann der SONET Frame in die Untereinheiten VTs unterteilt werden und so Daten mit einer geringeren Datenrate als die STS-1 Rate transportieren.

Alle Services unterhalb der DS-3-Rate werden in der VT-Struktur transportiert. Jeder Typ von Dienstleistungen, von der Sprachübertragung bis hin zur Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, kann durch verschiedene Typen von Service Adaptern realisiert werden. Neue Services können dazukommen, wenn man an den Kanten des SONET-Systems neue Service Adapter hinzufügt.

Außer im Fall konkatenierter Signale werden alle Inputs auf das STS-1 Rahmenformat gebracht, wenn es von der Datenrate her möglich ist. Datenströme geringerer Geschwindigkeit wie DS-1 werden erst mit Bit- oder Byte-Multiplexing auf die VTs gebracht. Verschiedene synchrone STS-1 werden dann in einem ein- oder zweistufigen Prozess auf das elektrische STS-N-Signal gebracht. Das STS Multiplexing wird in einem Byte-überlappenden synchronen Multiplexer durchgeführt. Die Bytes werden so überlappt, dass die Signale geringerer Geschwindigkeit sichtbar bleiben. Außer einer direkten elektrooptischen Konversion geschieht nichts weiter, um hieraus ein OC-N-Signal zu machen.

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SONET-Netzelemente

Die Funktionen von SONET werden systematisch durch die SONET-Netzelemente implementiert, die zusammen ein SONET Netzwerk bilden. Die Teilnahme an einem SONET-Netzwerk bedeutet die Implementierung eines Teils dieser Elemente. Das sieht man z.B. im Zusammenhang mit der 10 Gigabit Ethernet WAN-PHY.

Terminal Multiplexer

Das Path Terminating Equipment (PTE) ist ein Terminal-Multiplexer auf Eintrittsniveau, der den Path anschließt und als Konzentrator für DS-1-Schaltkreise sowie andere einkommende Signale dient. Seine einfachste Anwendungsform wären zwei Terminal-Multiplexer, die mit oder ohne zwischenliegendem Regenerator mit einer Glasfaser untereinander verbunden sind. Diese Implementierung verkörpert den einfachsten SONET-Link.

Regenerator

Ein Regenerator wird dann benötigt, wenn der Signal-Level in der Glasfaser aufgrund der Distanz zwischen zwei Multiplexern zu groß wird. Der Regenerator taktet sich selbst aus dem Empfangssignal und ersetzt die Secion Overhead Bytes bevor er das Signal weiterleitet. Line Overhead, Payload und POH werden hingegen nicht verändert.

Add/Drop Multiplexer (ADM)

Netzelemente können auf dem OC-N-Level kompatibel sein, und dennoch von Hersteller zu Hersteller in bestimmten Eigenschaften differieren. SONET schränkt die Hersteller nicht auf einen bestimmten Produkttyp ein und verlangt auch nicht, dass ein Hersteller alle Typen von Equipment herstellt. Ein Multiplexer/Demultiplexer mit einer Stufe kann verschiedene Inputs auf ein OC-N Signal mutiplexen.

An der Stelle, wo Add/Drop-Funktionalität ausgeübt wird, werden nur diejenigen Signale benötigt, die gedropt oder hinzugefügt werden. Der verbleibende Verkehr läuft weiter durch das Netzelement ohne spezielle Durchlaufeinheiten oder eine andere Form der Signalverarbeitung zu benötigen.

Es gibt unterschiedliche Konfigurationsmöglichkeiten für ADMs. In ländlichen Gebieten kann man einen ADM an der Terminal Site oder an irgendeiner Zwischenstation aufbauen, um den Verkehr aus weit auseinanderliegenden Lokationen zu konsolidieren. Eine Reihe von ADMs kann auch als Ring mit erhöhter Überlebensfähigkeit konfiguriert werden.

SONET ermöglicht das Hinzufügen von Informationen und damit letztlich auch Diensten im laufenden Betrieb, was nicht nur bei Daten- sondern auch bei anderen Kommunikationsnetzen wie Telefon oder Kabel-TV von Nutzen ist. Außerdem gibt es die „Drop & Repeat“-Fähigkeit, die man auch in allen Broadcast-orientierten Netzen brauchen kann: ein Signal terminiert in einem Knoten, wird dupliziert und dann an die nächsten und folgenden Knoten verschickt. In Anwendungen zur Steigerung der Überlebensfähigkeit von Ringsystemen liefert Drop & Repeat die Möglichkeit für alternatives Routing.

Wenn eine Verbindung nicht durch einen der Knoten gemacht werden kann, z.B. weil dieser ganz oder teilweise ausgefallen ist, kann das Signal auf einer alternativen Route zum Ziel geschickt werden. Bei Verteilapplikationen mit vielen Knoten kann ein Transportkanal Verkehr zwischen unterschiedlichen Knoten effektiv übertragen. Beim Transport von Video z.B. wird jeder Programmkanal an einem Knoten gedropt und gleichzeitig für die Auslieferung an den nächsten und diesen folgenden Knoten repeated.

Nicht an allen Knoten muss die gesamte Bandbreite (alle Programme) terminiert werden. Programme, die an bestimmten Knoten weiterlaufen sollen, werden einfach nicht gedropt, sondern ohne physikalische Intervention weitergeleitet.

Der Add/Drop-Multiplexer liefert Schnittstellen zwischen den verschiedenen Netzwerk-Signalen und den SONET-Signalen. Multiplexen/Demultiplexen in einer Stufe kann ein oder mehrere Eingangssignale, z.B. DS-1, auf ein STS-1-Signal legen und von einem STS-1-Signal nehmen. Dies kann in Endstellen (Terminal Sites) benutzt werden, aber auch in Zwischenstellen (Add/Drop Sites) oder bei Hub-Konfigurationen. An der Add/Drop-Seite können Datensignale niedriger Bitrate für den Abtransport auf verschiedenen Wegen herausgezogen oder von diesen Wegen auf das STS-N-Signal gebracht werden. Der Rest des Verkehrs läuft einfach durch.

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Digitale Weitband-Crossconnects

Ein SONET Weitband-Crossconnect akzeptiert unterschiedliche Datenraten von optischen Trägern, greift auf die STS-1 Signale zu und switched auf diesem Niveau. Er wird gerne als SONET-Hub benutzt.

Ein wichtiger Unterschied zwischen einem Crossconnect und einem Add/Drop-Multiplexer ist, dass ein Crossconnect zur Verbindung einer viel größeren Zahl von STS-1n benutzt werden kann. Ein Breitband-Crossconnect kann für die Konzentration und Konsolidierung von STS-1n oder für breitbandiges Verkehrsmanagement benutzt werden.

So könnte der Crossconnect z.B. Verkehr hoher Bandbreite von Verkehr niedriger Bandbreite trennen und diese Verkehrsarten zu unterschiedlichen Switches schicken. Er ist im Grunde genommen das Äquivalent zu einem LAN-Switch und unterstützt zentralisierte Netzwerkstrukturen.

Der Weitband Crossconnect ist in seinem Konzept dem Breitband Crossconnect ähnlich, nur dass das Switchen hier auf der Grundlage der VT-Level geschieht. Ein großer Vorteil der Weitband-Crossconnects ist es, dass das Multiplexen und Demultiplexen nicht so einen großen Raum einnimmt, da nur auf die Teilnehmerkanäle zugegriffen und deren Information geswitcht wird.

Ein digitaler Weitband Crossconnect W-DCS ist ein digitaler Crossconnect, der SONET und DS-3-Signale terminiert und die grundsätzliche Funktionalität von Crossconnects auf der Basis von VTs oder DS-1 Verbindungen hat. Er ist das SONET-Äquivalent zum DS-1/DS-3 Crossconnect und akzeptiert optische OC-N-Signale genauso wie STS-1n, DS-1n und DS-3n.

Da SONET synchron arbeitet, sind die Teilnehmerkanäle geringer Geschwindigkeit sichtbar und man kann auf sie im Rahmen des STS-1 Signals zugreifen. Daher kann man sie switchen ohne sie demultiplexen zu müssen. Außerdem verbindet der W-DCS DS-1n und DS-3 und vermittelt zwischen DS-3 und DS-1 Endpunkten. Die Eigenschaften des W-DCS machen es für verschiedene Anforderungen nutzbar. Da es VTs und DS-1n automatisch miteinander verbinden kann, kann es auch im Rahmen des Netzwerk-Managements benutzt werden.

Der Breitband Digital Crossconnect ist eine Schnittstelle zwischen SONET-Signalen und DS-3n. Er greift auf die STS-1-Signale zu und switcht auf diesem Niveau. Er ist das synchrone Äquivalent des DS-3 Digital Crossconnects außer dass der digitale Breitband Crossconnect optische Signale und Overhead für ein integriertes OAM&P System akzeptiert. Ein solches Gerät stellt bidirektionale Verbindungen auf den DS-3, STS-1 und STS-Nc-Leveln her. Man benutzt ihn am besten als SONET-Hub, wo er für die Versorgung der STS-1n, für Wiederherstellung von Breitbandleistung oder für das Routing benutzt werden kann.

Der Digital Loop Carrier kann als Konzentrator für Low-Speed Services betrachtet werden, bevor diese in das lokale Central Office kommen, um weiterverteilt zu werden. Würde man auf diese Konzentration verzichten, wäre die Anzahl von Teilnehmern, die ein CO bedienen könnte auf die Anzahl von Lines, die durch den CO realisiert werden, beschränkt. Der DLC ist ein System von Multiplexern und Switches, die dazu gemacht sind, diese Konzentration durchzuführen. Wo immer ein SONET Multiplexer im Kundenbereich aufgestellt wird, ist ein DLC empfehlenswert.

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SONET-Netzkonfigurationen

Die SONET-Netzelemente müssen in systematischer Art und Weise zusammengeschaltet werden, wobei sich verschiedene Netzwerk-Konfigurationen ergeben, die auch nach gewissen Regeln, auf die wir hier nicht näher eingehen wollen, kombiniert werden können.

Punkt-zu-Punkt-Konfiguration

Der SONET-Multiplexer, ein pfadbegrenzender Terminal Multiplexer des Eintrittsniveaus, arbeitet als Konzentrator für DS-1n und andere Teilnehmer-Datenströme. Die einfachste Ausführungsform ist die Verbindung zwischen zwei PTEs mit Glasfasern mit oder ohne Regenerator. Diese Implementierung ist gleichermaßen die einfachste SONET-Konfiguration. In dieser Konfiguration sind der SONET Path und der Service Path für die DS-1 und DS-3 Links identisch und diese synchrone Insel kann innerhalb eines asynchronen Netzwerks existieren.

Punkt-zu-Vielpunkt-Konfiguration

Eine Punkt-zu-Vielpunkt-Architektur (lineares Add/Drop) umfasst das Hinzufügen und Wegnehmen von Schaltkreisen über den Weg. Der SONET-ADM ist ein einzigartiges Netzwerkelement, welches speziell für diese Aufgabe entworfen wurde. Es vermeidet die normalerweise aufwendige Netzwerk-Architektur mit Demultiplexen, Cross-Connect, Hinzufügen und Droppen von Kanälen und erneutem Multiplexen. Der ADM wird normalerweise mitten in einem SONET-Link platziert, um das Ein- und Auskoppeln von Informationen an beliebigen Stellen des Netzes zu erleichtern.

Die Hub-Netzstruktur erlaubt unerwartetes Wachstum und leichtere Änderungen als bei Punkt-zu-Punkt-Netzen. Ein Hub konzentriert Verkehr an einer zentralen Stelle und erlaubt leichtes Bereitstellen von Schaltkreisen. Es gibt zwei Alternativen, ein solches Netz aufzubauen, nämlich die Benutzung von zwei oder mehr ADMs mit einem Wideband Crossconnect, wo die Verbindungen auf dem Niveau der Teilnehmerverbindungen gemacht werden, oder die Verwendung eines Breitband Crossconnects, der es erlaubt, Crossconnects auf dem SONET-Niveau vorzunehmen.

Ringnetz

Der SONET Baustein für eine Ring Architektur ist der ADM. Viele ADMs können zu einem Ring zusammengeschaltet und entweder unidirektional oder bidirektional benutzt werden. Der Hauptvorteil der Ringtopologie ist ihre Überlebensfähigkeit. Wird ein Glasfaserkabel zerstört haben die Multiplexer die Intelligenz, die betroffenen Dienste über einen Ersatzweg zu schalten. Die Forderung nach überlebensfähigen Services, diversifiziertem Routing von Fiber-Facilities, Flexibilität bei der Zuordnung von Diensten zu dienstleistenden Knoten und die automatische Restauration in Bruchteilen von Sekunden haben Ringe zur populären SONET-Topologie gemacht.

Der SDH-Standard

Nachdem SONET durch ANSI standardisiert wurde, hat CCITT 1989 die Synchrone Digitale Hierarchie SDH entworfen, um die bisherigen Ansätze für die Standardisierung synchroner Systeme zu harmonisieren. SONET kann letztlich als Untermenge der SDH angesehen werden. ANSI TDM multiplext vierundzwanzig 64-kilobit/s-Kanäle (DS-0s) in einen 1,54 Megabit/s DS-1 Kanal. ITU TDM multiplext zweiunddreißig 64 kilobit/s.-Kanäle (E0s) in ein 2,048 Megabit/s. E1-Signal. Erst bei der einer Basisrate von 155 Mbps für SONET konvergieren diese Datenraten einigermaßen.