Neben der Computertechnik wandelte sich in den letzten Jahren auch die Technik der Datenübertragung. Vor wenigen Jahren, gelang es einem Team der Bell Labs, eine Übertragungsgeschwindigkeit von über einer Trillion Bits pro Sekunde über Lichtwellenleiter zu erreichen. Das entspricht einer Zahl von 1.000.000.000.000 Bits pro Sekunde. Bemerkenswert ist dabei auch die Entfernung, die das Signal zurücklegte. Bei 253 Meilen ist es nicht verwunderlich, daß sich das Unternehmen viel von diesem Experiment erhofft.

Zur kontrollierten Datenübertragung sind leistungsfähige Chips notwendig. Große Fortschritte in der Weiterentwicklung im Bereich des Wave Division Multiplexing (WDM) ermöglichen Ingenieuren mehr Daten in einem Datenstrom zu verpacken. WDM ist eine Technologie, die mehrere optische Signale gleichzeitig in einer einzigen Glasfaser übertragen kann, wobei unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden.

Glasfaser wird als Übertragungsmedium besonders durch spezielle Eigenschaften geschätzt. So zeichnet es sich durch Immunität gegen Rauschen aus, weist sehr geringe Fehlerraten aus, kann (fast) nicht abgehört werden und kann extrem hohe Datenmengen transportieren. Die Steigerung der Datenraten durch WDM zog einen rasanten Ausbau optischer Datennetzwerke in aller Welt nach sich.

Vor WDM war die etablierte breitbandige Weitverkehrsübertragung als Plesichronous Telecommunications Hierarchy bekannt. Doch diese Technologie genügte nicht den modernen Ansprüchen an eine Breitbandtechnologie:

• Unterstützung hoher Datenraten
• Einfache Skalierung auf noch höhere Datenraten
• Multiplexing und Demultiplexing von Signalen ohne viel Rechenaufwand
• Integration in traditionelle Plesichrone Signalumgebungen zur Unterstützung bestehender Strukturen

In den 80er Jahren entwickelte Bellcore ein Übertragungssystem mit der Bezeichnung Synchronous Optical Network (SONET), das die Anforderungen an ein modernes Breitbandnetzwerk erfüllen sollte. Schnell wurde es durch die ANSI in Nordamerika standardisiert und durch das T1X1-Kommittee verwaltet. Die ANSI faßt unter der Bezeichnung SONET das gesamte System zusammen: die Geschwindigkeiten, das Übertragungsformat, das Übertragungsmedium und andere physikalische Eigenschaften wie etwa Steckverbindungen.

Die ITU-T veröffentlichte kurz darauf ihre eigene Version des SONET-Übertragungssystem mit dem Namen SDH (synchronous digital hierarchy). Zu Beginn unterschieden sich beide Standards geringfügig, wurden jedoch durch eine engere Zusammenarbeit der beiden Institutionen angeglichen. Allgemein könnte man sagen, daß SONET eine nordamerikanische Technologie ist und SDH in Europa eingesetzt wird. Durch die starke Ähnlichkeit beider Techniken, wird oftmals von SONET/SDH gesprochen, obwohl der Term SONET nicht in ITU-Standards auftaucht.

Überblick über SONET und SDH

Mit den beiden Standards geht eine Spezifikation unterschiedlicher Übertragungsgeschwindigkeiten einher. Die ANSI spricht von Optical Carriers und bezeichnet die eigentliche Bitrate, während die ITU-T einfach nur SDH-Bitraten kennt. So wie es im traditionellen T-Übertragungssystem bestimmte Signalisierungsmechanismen (wie etwa DS1) gibt, wurden auch für die neuen Hierarchien Signalisierungsmechansimen spezifiziert. Hier unterscheiden sich ANSI und ITU-T erneut. Erstere spricht von STS (synchronous transfer signals), letztere von STM (synchronous transfer modes). Folgende Tabelle listet die unterschiedlichen Bezeichnungen beider Systeme auf.

Obwohl die Bezeichnungen unterschiedlich sind, unterstützen sie die gleichen Geschwindigkeiten. Es existieren elektrische Medien, die in der Lage sind, STS-1 mit 51,84 und STS-3 mit 155,52 Mbps zu übertragen. Höhere Geschwindigkeiten müssen allerdings mit Hilfe von Switches und Routern erzeugt und anschließend über optische Systeme übertragen werden.

Der Hauptunterschied zwischen SONET und SDH liegt darin, daß STS-1 nicht Teil von SDH ist. Dennoch wurde STM-0 eingeführt, das die gleiche Geschwindigkeit unterstützt und absolut identisch mit dem STS-1 Format ist.

Multiplexing mit SONET

In der alten plesichronen Übertragung war das Multiplexing sehr kompliziert. STS dagegen ist sehr einfach: STS-N entspricht dem Aussetzen interleaving von N Bytes von STS-1. Soll heißen, daß es sehr einfach ist, mehrere STS-Ströme zu einem STS-Strom zusammenzufassen, da immer eine Dateneinheit eines Streams eingefügt wird, bis je eine Dateneinheit aller Streams eingefügt wurde und das ganze von vorn beginnt. Bei einer Anzahl von N Streams, werden also immer N Dateneinheiten für jeden Stream eingefügt. Das könnte dann etwa so aussehen wie in folgender Abbildung:

Nach dem gleichen Verfahren können auch mehrere Hierarchien zu einer übergeordneten codiert werden. Beispielsweise könnten zwei STS-3-Ströme zu einem STS-9-Strom gebündelt werden. Das funktioniert auch mit komplexeren Varianten, was in folgender Abbilung zu sehen ist.

Wie aus den beiden Illustrationen hervorgeht, kann es auch auf alle anderen Hierarchien übertragen werden. Beispielsweise könnten auch mehrere STS-3-Streams zu einem STS-9-Stream, welcher wiederum mit anderen STS-9-Streams zu einem STS-36-Stream codiert werden kann.

Geräte und Komponenten für SONET

SONET kann für einzelne Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder als Grundlage für größere Verbundnetzwerke eingesetzt werden. Heutzutage werden SONET-Geräte verwendet, um das traditionelle Telekommunikationsnetzwerk vollständig zu erneuern.

Wir unterscheiden zwischen verschiedenen Geräten und Komponenten, die den jeweiligen Ansprüchen des Einsatzgebietes entsprechen:

• Terminals beschreiben die Grenzen von SONET-Netzwerken. Sie bündeln Dateneinheiten (meist Bytes) um sie auf SONET umzulegen und liefern sie gleichermaßen auf angrenzende Netzwerke aus.
• Sogenannte Regeneratoren erneuern das Signal, so daß es großere Distanzen überbrücken kann.
• Add/Drop Multiplexer codieren oder decodieren Byte-Ströme.
• Cross-Connect Switches leiten den Verkehr weiter und ermöglichen den Aufbau komplexer, robuster Netzwerke mit Redundanz.

Die Funktion der jeweiligen Geräte wird in den folgenden Abschnitten besprochen.

Terminals

Der Endpunkt einer SONET-Transmission wird als Terminal oder Terminal Multiplexer bezeichnet. Ein Terminal ist einfach nur eine Quelle oder das Ziel eine SONET-Verbindung. Dieses Gerät operiert als Verteilerpunkt zwischen einem optischen und einem elektrischen Netzwerks. Solch ein Terminal Multiplexer injiziert Signale einer plesichronen Hierarchie in ein ausgehendes SONET-Netzwerks und extrahiert sie aus SONET.

Die Funktion von SONET-Terminals wird in folgender Abbildung illustriert.

Regeneratoren

Die Rolle von Regeneratoren ist sehr einfach. Sie nehmen ein Signal eines SONET-Netzwerkes auf, verstärken es und setzen es neu ab. Somit können größere Distanzen überwunden werden, denn auch optische Signal unterliegen physikalischen Einflüssen, die zu ungenauen Signalen führen können. Die Aufgabe von Regeneratoren entspricht der von Repeatern klassischer LANs und werden daher auch als solche in SONET bezeichnet. Abbildung 4 zeigt die Anwendung von Repeatern.

Add/Drop Multiplexer

Wie bereits in Abschnitt 2.1 erwähnt, lassen sich verschiedene Streams leicht zu einem anderen zusammenfassen oder wieder aufgliedern. SONET Add/Drop Multiplexer machen sich diese Tatsache zu nutze, indem Sie einzelne STS-1- durch andere STS-1-Streams ersetzen oder codierte Streams in andere STS-N-Streams eingliedern.

Ein Add/Drop Multiplexer führt folgende Aktionen durch und erledigt folgende Aufgaben:

• Leitet Signale weiter, wobei Bit für Bit auf das SONET-Medium umgelegt wird, ähnlich einem Repeater.
• Nimmt neue Signale auf und kombiniert (adds) sie in den Datenstrom des angrenzenden Mediums.
• Extrahiert bestimmte Signale und gibt (drops) sie direkt aus.
• Bei Bedarf wird ein Signal geklont und an mehrere Ziele weitergeleitet. Das betreffende Signal wird lokal abgeworfen und gleichzeitig auf ein neues Medium übertragen.

Viele Multiplexer sind in der Lage, das optische Signal direkt ohne vorherige Konvertierung in elektrische Signale zu manipulieren, während andere sie zuerst konvertieren, anschließend verarbeiten und letztendlich wieder auf das optische Medium ausgeben.

Cross-Connect Switches

Ein Add/Drop Multiplexer ist ein relativ einfaches Gerät, das bestimmte Ströme codiert und decodiert. Ein Cross-Connect Switch hingegen leistet weit mehr. Es ist mit komplexer Intelligenz ausgestattet und erlaubt, empfangene Ströme auf mehreren Ports auszugeben, Signale zu decodieren, selbständig einen Ausgabeport zu wählen und Signale erneut auf bestimmte Ports zu codieren.

Hersteller bezeichnen Geräte mit Multiplexing-Fähigkeiten als Breitband Cross-Connect Switches um dieses Merkmal herauszustellen. Sie sind meist in der Lage, auch elektrische Datenströme, wie etwa DS1 oder E1 zu verarbeiten und in STS-N-Ströme zu kodieren.

Von Sektionen, Linien und Pfaden

Die oben genannten Geräte (Terminals, Regeneratoren und Cross-Connect Switches) fungieren alle als SONET-Nodes (Knoten). Miteinander verbundene Nodes (sog. Peer-Nodes) kommunizieren über Sektionen, Linien und Pfade:

• Sektionen (section) beschreiben die Verbindung von einem Knoten zu einem anderen.
• Linien (line) sind alle Verbindungen bei denen kein Endpunkt ein Regenerator ist. Eine Linie kann sich über mehrere Sektionen erstrecken.
• Pfade (paths) sind Verbindungen von Terminal zu Terminal. Ein Pfad kann sich über mehrere Sektionen erstrecken und dabei eine oder mehrere Linien kreuzen.

Die Terminologie wird in Abbildung 6 dargestellt.

Aus der Abbildung geht hervor, daß die Verbindung zwischen einem Add/Drop Multiplexer und einem Repeater als Sektion bezeichnet wird. Die vollständige Verbindung zwischen beiden Add/Drop Multiplexern ist eine Linie und die Verbindung zwischen zwei Terminals, die sich über mehrere Sektionen und Linien erstrecken kann, wie am rechten Rand der Illustration der Abbildung gezeigt, wird als Pfad bezeichnet.

SONET-Ebenen

Die Knoten eines SONET-Netzwerks arbeiten auf verschiedenen Ebenen (layer). Sie teilt sich in folgende Teilbereiche auf:

• Jeder Knoten führt bestimmte Aufgaben auf der untersten Ebene durch, z.B. das Absetzen von Signalen. Sie sind auf dem sogenannten Section Layer angelegt.
• Intelligente Knoten, die beispielsweise Multiplexing durchführen, arbeiten zusätzlich auch auf dem Line Layer.
• Terminals arbeiten auf der höchsten Ebene (path layer) und führen Konvertierungen von Signalen in das SONET-Format durch.

Jede Ebene führt zusätzliche Operationen aus, die zur Netzwerkoperation, -administration und -verwaltung notwendig sind. Demnach sind den eigentlichen Daten von SONET-Paketen auch zusätzliche Kontrollstrukturen zugeordnet, die für die Einteilung von Rahmen, Fehlererkennung usw. notwendig sind. Jede Ebene verarbeitet ihre eigenen Kontrollstrukturen. Die aufgegliederten SONET-Ebenen sind in Abbildung 7 schematisch dargestellt.

Betrachten wir nun die einzelnen Layer und besprechen wir die Aufgaben und Funktionen. Jedes Gerät führt Operationen auf dem Section Layer durch:

• Vorbereitung des Signals auf die Rahmenbildung und Einfügen von Kontrollstrukturen in den Rahmen.
• Durchführung von Berechnungen (scrambling) für ausgehende STS-Ströme, um die Signaldichte von 1 Bit zu erreichen.
• Umwandlung der verdichteten STS-Ströme in die ursprüngliche Signaldichte.
• Auswertung der Kontrollstrukturen eingehender STS-Ströme und Fehlerbehandlung.

Funktionen des Line Layer werden durch die jeweiligen Linienendpunkte ausgeführt:

• Hinzufügen von Kontrollstrukturen zu einem ausgehenden STS-Strom.
• Aufschaltung (multiplexing) und Ausgliederung (demultiplexing) von Signalen.
• Schaltung des Verkehrs (switching) von einer Verbindung auf eine intakte Verbindung.
• Auswertung der Kontrollstrukturen eingehender STS-Ströme und Fehlerbehandlung.

Die Funktionen auf Pfadebene wie sie von einem Terminal durchgeführt werden sind folgende:

• Vorbereitung der Daten auf die Übertragung. Dazu zählt auch die Einbettung von “älteren” Formaten, wie beispielsweise die des plesichronen Übertragungsmodus, so daß sie über SONET gesendet werden können.
• Hinzufügen von Kontrollstrukturen zu einem ausgehenden STS-Strom.
• Auswertung der Kontrollstrukturen eingehender STS-Ströme und Fehlerbehandlung.

Aus Abbildung 7 geht hervor, daß Terminals Operationen auf allen Ebenen dürchführen, während Add/Drop Multiplexer nur auf Line Layer und Section Layer, und Regeneratoren schließlich nur auf der Sektionsebene arbeiten.

SONET und STM Rahmenformate

Um den Geschwindigkeitscharakter der SONET/SDH-Architektur zu unterstreichen, wurde das Design der SONET/STM-Rahmen auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit optimiert. Die SONET/STM-Formate haben folgende Eigenschaften:

• Sie vereinfachen das Aufschalten (multiplexing) und Ausgliedern (demultiplexing) von Signalen als Trägerdaten (payload) von SONET-Rahmen.
• Sie sind leicht skalierbar und auf höhere Geschwindigkeiten übertragbar.
• Teil der Daten sind für Administration, Operationen und Verwalungsaufgaben vorgsehen.

Die Formate beinhalten einen beträchtlichen Anteil an Overhead, doch aufgrund der hohen Bandbreiten ist dieser Anteil zu verschmerzen.

Das STS-1 Rahmenformat

Der Grundbaustein der SONET-Hierachie ist ein STS-1 Rahmen. Er ist wie ein Array von Bytes mit 90 Spalten und neun Reihen aufgebaut. Folgende Abbildung illustriert den grundsätzlichen Aufbau. Die ersten drei Spalten sind für den sogenannten Transport Overhead reserviert und beinhalten den Section Overhead (drei Reihen) sowie den Line-Overhead (sechs Reihen). Die übrigen 87 Spalten nehmen die eigentlichen Transportdaten auf.

Die STS-1 Rahmen werden alle 125µs übertragen (also 8.000 mal pro Sekunde). Der Rahmen hat 9 x 90 = 8.100 Bytes oder auch 64.800 Bits. Bei 8.000 Rahmen pro Sekunde ergibt sich so eine Datenrate von 51.85 Mbps.

In den Umschlag und los damit

Die Daten eines STS-1 Rahmens werden in einem sogenannten “synchronen Transportumschlag” (SPE, synchronous payload envelope) transportiert. Er besteht – wie verwunderlich – aus 87 Spalten, von denen eine Spalte für den Pfad reserviert ist. Die Größe eines SPEs stimmt genau mit der Größe des Daten