Kriterien für Auswahl und Bewertung marktüblicher, aktiver Komponenten zur Übertragung von Sprache in ATM-Netzen


Diplomarbeit, 1998

120 Seiten, Note: 1


Leseprobe


Inhaltsverzeichnis 3

1 EINLEITUNG
1.1 Moderne Kommunikation
1.2 Aufgabenstellung

2 ANFORDERUNGEN AN MODERNE DATENKOMMUNIKATION
2.1 Die Sprachübertragung
2.1.1 Das Abtasttheorem
2.1.2 Die Quantisierung
2.1.3 Die Codierung
2.2 Ende - zu - Ende Verzögerungen
2.3 Multimedia - Anwendungen
2.3.1 Anforderungen
2.3.2 Der Bandbreitenbedarf
2.4 Typische Anwendungen

3 ATM FÜR DIE SPRACHÜBERTRAGUNG?
3.1 Echtzeitverfahren
3.2 Quality of Service (QoS)
3.3 Bandbreitenbedarf für gleichzeitige Sprach/Daten - Übertragung

4 ARCHITEKTUR VON ATM - NETZEN
4.1 Das B-ISDN Schichtenmodell
4.1.1 Die Physikalische Schicht
4.1.1.1 Das Übertragungsmedium
4.1.1.2 Die Schnittstelle
4.1.1.3 Die Übertragungsreichweiten
4.1.2 Die ATM Schicht
4.1.2.1 Die ATM Zelle
4.1.2.2 ATM Zelltypen
4.1.2.3 Funktionen der Benutzerebene
4.1.2.4 Funktionen der Managementebene
4.1.3 Die Anpassungsschicht
4.1.3.1 Die Segmentierungs/Reassemblierungsteilschicht (SAR)
4.1.3.2 Die Konvergenzteilschicht (CS)
4.1.3.3 AAL - Typ
4.1.3.4 AAL - Typ
4.1.3.5 AAL - Typ
4.1.3.6 AAL - Typ3/
4.1.3.7 AAL - Typ
4.1.3.8 Die Unterschiede der verschiedenen Anpassungsschichten
4.2 B - ISDN Signalisierung
4.2.1 Der Verbindungsaufbau
4.2.2 Der Verbindungsabbau
4.2.3 Die Signalisierung des ATM Forums
4.2.3.1 UNI
4.2.3.2 UNI
4.2.3.3 UNI
4.2.4 Die PNNI - Signalisierung V

5 AKTUELLER STAND DER ATM SPEZIFIKATIONEN

6 ATM SCHALTEINHEITEN
6.1 Grundfunktionen von ATM Schalteinheiten
6.1.1 ATM Pfadvermittlung
6.1.2 ATM Kanalvermittlung
6.2 Auswahlkriterien für Netzwerkarchitekturen
6.3 Leistungsparameter für ATM Schalteinheiten
6.3.1 Zellendurchsatz (Kapazität)
6.3.2 Durchschnittliche Zellenverzögerung
6.3.3 Zellenverlustwahrscheinlichkeit
6.3.4 Toleranz für Zellenverzögerungsschwankungen

7 LEISTUNGSPARAMETER IN ATM - NETZWERKEN
7.1 Leistungsparameter der physikalischen Schicht
7.1.1 Rate der Zellen mit korrigiertem Header
7.1.2 Rate der verworfenen Zellen
7.1.3 Häufigkeit der Zellensynchronisationsverluste
7.1.4 Demultiplex Fehlerrate
7.2 Leistungsparameter der ATM Schicht
7.2.1 Zellenfehlerrate
7.2.2 Zellenblockfehlerrate
7.2.3 Zellenverlustrate
7.2.4 Falschzellenrate
7.2.5 Durchschnittliche Zellenübertragungszeit

8 AUSWAHLKRITERIEN FÜR DIE SPRACHÜBERTRAGUNG

9 LÖSUNGEN ZUR SPRACHÜBERTRAGUNG IN ATM NETZEN
9.1 3Com
9.1.1 Netzwerkarchitektur
9.1.2 Produkte
9.1.3 Bewertung
9.2 IBM
9.2.1 Netzwerkarchitektur
9.2.2 Produkte
9.2.3 Projekt der IBM an der UNI Frankfurt
9.2.4 Bewertung
9.3 Cisco
9.3.1 Netzwerkarchitektur
9.3.2 Produkte
9.3.3 Bewertung
9.4 Newbridge
9.4.1 Netzwerkarchitektur
9.4.2 Produkte
9.4.3 Bewertung

10 ZUSAMMENFASSUNG

11 DISKUSSION

12 LITERATURHINWEIS

13 ABKÜRZUNGEN, GLOSSAR

14 ANHANG

An dieser Stelle möchte ich mich für die freundliche Unterstützung zur Erstellung dieser Arbeit bei der Firma ADA Das SystemHaus GmbH bedanken. Hier ins- besondere bei der Abteilung SVIS in der Niederlassung Münster. Sie hat mir die technischen Mittel zur Verfügung gestellt, welche ich zur Anfertigung der Arbeit benötigte. Desweiteren möchte ich mich besonders bedanken bei Herrn H. Heng, Mitarbeiter des Rechenzentrums der Johann Wolfgang Goehte Universität Frankfurt. Er ermöglichte mir einen praktischen Einblick in die ATM Technik, ins- besondere der Sprachdatenübertragung. Auch für das kritische Korrekturlesen und den vielen Anregungen für meine Diplomarbeit danke ich sehr. Weiterhin bedanke ich mich auch bei meinem Professor Dr. G. Franke, der es mir ermöglichte meine Arbeit im Vorfeld einem größeren Teilnehmerkreis vorzustellen. Desweiteren möchte ich mich bei Frau S.Wollberg, Herrn M. Ostendarp, Herrn M. Meyners und Herrn G. Kaczun bedanken, welche mich in den letzten Semestern meines Studiums sowohl fachlich als auch privat begleitet haben. Ich bedanke mich auch bei meinen Eltern, vor allem bei meiner Mutter, welche mich in der Zeit der Diplomarbeit sehr gut verpflegt hat.

Ganz besonders möchte ich mich bei Frau S. Kunze bedanken. Sie hat mich in den letzten Jahren mit Rat und Tat begleitet und hat mir in vielen schwierigen Situationen mit viel Geduld zur Seite gestanden.

Münster, im Januar 1998

1 Einleitung

1.1 Moderne Kommunikation

Heute werden Sprach-, Daten- und Bildanwendungen in voneinander getrennten Netzinfrastrukturen übertragen. Dabei ist jeder Netztyp auf die unterschiedlichen Verkehrscharakteristika des jeweiligen Informationstyps zugeschnitten. Durch das Aufkommen von Multimediaapplikationen werden die unterschiedlichen Netze sukzessive in eine Netzinfrastruktur übergehen, die alle Verkehrstypen, d.h. Sprache, Daten und Bilder, übertragen kann, und die gleichzeitig höhere Bandbreiten bei entsprechender Übertragungsqualität (Quality of Service, QoS) bereitstellt.

Die notwendige Vereinheitlichung der applikationsspezifischen Spezialnetze wurde zuerst von den internationalen Telekommunikationsgesellschaften erkannt und diskutiert. Das Ergebnis war die Standardisierung des B-ISDN - Dienstes (1990) durch die International Telecommunication Union (ITU), dem als Übertragungsverfahren Asynchronous Transfer Mode (ATM) zugrunde liegt. Es wurde sehr bald erkannt, daß auch für private dienstübergreifende Netze das ATM-Übertragungsverfahren gut geeignet ist. Daraufhin entstand das ATM-Forum welches begann ATM für private Netze zu standardisieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.1 : ATM Vision

1.2 Aufgabenstellung

Im Rahmen der Diplomarbeit bei der Firma ADA-Das SystemHaus GmbH in 48157 Münster sollen Auswahlkriterien zur Übertragung von Sprache in heutigen ATM-Netzen erstellt werden.

Anhand dieser Kriterien werden verschiedene aktive Komponenten von Herstellern betrachtet und anschließend eine Bewertung durchgeführt. Ziel der Diplomarbeit ist es, dem Endanwender von Kommunikationsnetzen kritische Richtlinien aufzuzeigen, wie sich eine Sprachübertragung in ATM-Netze einbinden läßt.

Hierzu sollen zunächst die Anforderungen an die heutige Datenkommunikation, insbesondere der Sprachübertragung, betrachtet werden; warum ATM-Netze die geeignete Netztopologie darstellen, wird anhand einiger Kriterien erläutert. Zum besseren Verständnis soll danach auf die Architektur von ATM-Netzen eingegangen werden. Betrachtet werden hierbei die physikalische Schicht, die ATM Schicht und die Anpassungsschicht sowie die B-ISDN Signalisierung. Bei der physikalischen Schicht werden die verschiedenen Schnittstellen und das Übertragungsmedium, wie z.B. eine Kupferverkabelung oder eine Glasfaserverkabelung, und deren Problematik bei der Sprachübertragung betrachtet. In der ATM Schicht wird auf die ATM Zelle mit ihren verschiedenen Zellköpfen und deren Aufgaben eingegangen. Die verschiedenen, bei der Anpassungsschicht vorhandenen, ATM Adaption Layer Typen werden erläutert und miteinander verglichen. Hierbei wird verstärkt auf den AAL-Typ 1 eingegangen, da er für die Sprachübertragung ausgelegt ist. Die B-ISDN Signalisierung und deren Standards werden danach betrachtet und ein aktueller Stand der ATM Standards wird aufgezeigt.

Um Auswahlkriterien für aktive Komponenten zu erstellen, müssen vorher die Grundfunktionen und Leistungsparameter für ATM Schalteinheiten und die Leistungsparameter in ATM-Netzwerken näher betrachtet werden. Anhand der erstellten Auswahlkriterien werden anschließend verschiedene aktive Komponenten getestet und bewertet.

2 Anforderungen an moderne Datenkommunikation

In diesem Abschnitt werden die allgemeinen Anforderungen an die moderne Datenkommunikation erläutert. Als erstes soll auf die Sprachdatenübertragung näher eingegangen werden. Danach wird eine der wichtigsten Anforderungen der Datenkommunikation, die „Ende-zu-Ende Verzögerung“ beleuchtet. Weiterhin werden Anforderungen und Bandbreiten von Multimediaanwendungen betrachtet und danach typische Anwendungen aufgezeigt.

2.1 Die Sprachübertragung

[nach /Zitt 95/]

Ein richtungsweisender Schritt für die digitale Kommunikation war die Entwicklung der Puls Code Modulation (PCM) im Jahre 1960. Auf deren Grundlage können analoge Signale digital übertragen werden. Die Pulscodemodulation ermöglicht das Zeitmultiplexen digitaler Signale.

Um analoge Signale, welche zeit- und wertkontinuierlich sind, digital (also zeitund wertdiskret) zu übertragen sind drei Bearbeitungsschritte notwendig:

- Abtastung
- Quantisierung und
- Codierung

2.1.1 Das Abtasttheorem

Es erfolgt eine Abtastung, um aus einem zeitkontinuierlichen Signal ein zeitdiskretes Signal zu erzeugen. Als praktisch relevant hat sich dabei heute nur eine periodische Abtastung gezeigt. Die Qualität der Abtastung hängt direkt von der eingesetzten Frequenz ab. Die Grundlage für die Abtastung analoger Signale liefert das Ende der dreißiger Jahre etablierte Shannon-Theorem. Aus ihm geht hervor, daß eine periodische Abtastung eines Signals mit einer minimalen

Abtastfrequenz, welche mindestens der doppelten oberen Grenzfrequenz entspricht, genügend Informationen zur Verfügung stellt, um das Originalsignal beim Empfänger wieder rekonstruieren zu können. Die Grenzfrequenz ist die höchste bei einer Fourierzerlegung des Signals auftretende Frequenz. Für die Abtastfrequenz fA und die Grenzfrequenz fG gilt:

fA > 2 * fG

[aus /Zitt 95/; S.14]

Das Hauptziel der PCM-Technik ist die digitale Übertragung analoger Fernsprechsignale. Basis dazu ist der analoge CCITT-Fernsprechkanal mit einer Bandbreite von 3100 Hz (zwischen 300 Hz und 3400 Hz). Das Sprachsignal umfaßt zwar ein breiteres Frequenzspektrum, aber mit dem hier gewählten Ausschnitt ist bereits eine ausreichend gute Silbenverständlichkeit erzielbar. Bei einem CCITT-Fernsprechkanal resultiert aus dem Shannon-Theorem eine Abtastfrequenz fA von:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Technisch realisiert wurde eine erhöhte Abtastfrequenz von 8000 Hz. Diese Abtastfrequenz entspricht einer Abtastperiode tA von:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das analoge Sprachsignal wird somit alle 125µs abgetastet. Diese Abtastperiode zieht sich durch den Entwurf vieler aktueller Kommunikationssysteme, die von der Fernsprechtechnologie hergeleitet wurden. Ein bekanntes Beispiel hierfür stellt das ISDN-Netz dar. Aber auch in den synchronen Übertragungshierarchien SDH und SONET findet sich diese Abtastperiode als grundlegende Einheit wieder.

2.1.2 Die Quantisierung

Die Quantisierung dient dazu, aus einem wertkontinuierlichen Signal ein wertdiskretes Signal zu erzeugen. Hierzu wird der gesamte Wertebereich des analogen Signals in eine endliche Anzahl sogenannter Quantisierungsintervalle gegliedert. Jedes dieser Intervalle ist dann mit einem diskreten Wert assoziiert. Allen analogen Werten, die in ein einziges Intervall fallen, wird derselbe diskrete Wert zugewiesen. Der Empfänger leitet aus dem empfangenen diskreten Wert wieder einen analogen Wert her. Da dieser der Mitte des Quantisierungsintervalls entspricht, entsteht hierdurch ein sogenannter Quantisierungsfehler, dessen Höhe von der Größe der Intervalle abhängig ist. Kleinere Intervalle führen zu geringeren Fehlern. Bei einer Größe m des Intervalls ist der Quantisierungsfehler Qf folgendermaßen begrenzt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quantisierungsfehler machen sich beim Empfänger als Rauschen bemerkbar. Sie fallen um so stärker ins Gewicht, je kleiner der Signalwert ist. Für die digitale Sprachkommunikation wurde eine ungleichförmige Quantisierung gewählt, d.h mit unterschiedlichen Intervallgrößen. Für kleinere Signalwerte werden kleinere Intervalle eingesetzt. Bei der PCM-Technik ist eine Anzahl von 256 Quantisierungsintervallen festgelegt.

2.1.3 Die Codierung

Zusätzlich zur Quantisierung umfaßt die Pulscodemodulation eine Codierung. Die verschiedenen Quantisierungsintervalle werden durch die Zuordnung eines Codes gekennzeichnet. Der Signalwert an der Abtaststelle wird dann als Binärzahl übertragen. In der PCM-Technik sind jeweils 8 Bits für die Codierung eines Wertes notwendig. Dies ermöglicht eine ausreichende Auflösung von 256 verschiedenen Signalpegeln.

2 = 256

Insgesamt ergibt sich eine zur Realisierung eines digitalen Sprachsignals erforderliche Übertragungsgeschwindigkeit von:

fA * 8 bit = 8000 Hz * 8 bit = 64 Kbit/s

[aus /Zitt 95/; S.15]

Bild 2.1 Beispiel für die Codierung eines Signalpegels

Hier nochmals kurz aufgezeigt die Funktionweise der Puls Code Modulation bei digitaler Telefonie:

1. Amplitude in 256 Stufen unterteilt
2. 8 bit Abtastung
3. Analoge Bandbreite 4 kHz
4. Gesamte Datenrate von 8000 mal 8 gleich 64 Kbit/s

Die Übertragungsrate von 64 Kbit/s liegt beispielsweise den Kanälen im Schmalband ISDN zugrunde. Sie repräsentieren jeweils einen digitalen Sprachkanal. Darauf basierend wurde eine PCM-Hierarchie mit schnelleren Übertragungsraten definiert. PCM-30 beispielsweise besitzt 30 Sprachkanäle und zwei weitere Kanäle für die Rahmenerkennung und für die Signalisierungsinformationen.

30 * 64 Kbit/s + 2 * 64 Kbit/s = 2,048 Mbit/s

[aus /Zitt 95/; S.16]

2.2 Ende - zu - Ende Verzögerungen

Ein wichtiger Parameter bei der Übertragung von Multimediaapplikationen ist die maximal erlaubte Ende-zu-Ende Verzögerung. ITU-Studien haben ergeben, daß bei der Übertragung von Sprachdiensten minderer Qualität eine maximale Übertragungsverzögerung von 150 ms gerade noch akzeptabel ist. Bei der Arbeit an graphischen Visualisierungssystemen in Echtzeit liegt die Schwellenakzeptanz bei 30 ms.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2 Ende - zu - Ende Verzögerung [aus /Kyas 95/]

Im Allgemeinen sollte die Verzögerung für qualitativ hochwertige Multimediadienste im WAN nicht über 100 ms liegen, im lokalen Bereich nicht über 30 ms. Für eine LAN-Arbeitsgruppe bedeutet dies eine zulässige Verzögerung von max. 10 ms, wenn die zusätzlichen Verzögerungen durch ein Backbone-Netzwerk bzw. Weitverkehrsleitungen mit berücksichtigt werden sollen.

2.3 Multimedia - Anwendungen

2.3.1 Anforderungen

Mehr als ca. 95% der lokalen Netze basieren nach wie vor auf den Anfang der achtziger Jahre definierten Standards von Ethernet (1982) und Token-Ring (1985), mit Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 bzw. 16(4) Mbit/s. Die steigenden Prozessorleistungen und die aufwendigere Applikationssoftware der Netzteilnehmer konnte nur durch die Reduktion der Teilnehmerzahl in einem gemeinsamen Busabschnitt (Collision Domain) kompensiert werden. Noch vor wenigen Jahren waren Ethernet Netzwerke mit mehr als 300 Teilnehmern nichts Ungewöhnliches. Mittlerweile bewegt sich die typische Teilnehmerzahl zwischen

30 und 40, mit fallender Tendenz. [nach /Kyas 96/]

Ende der achtziger Jahre kam FDDI (Fiber Distributed Digital Interface) mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/s auf den Markt. Da es teure Hard- warekomponenten voraussetzt, setzte es sich jedoch nur zögernd durch. Die Übertragungsrate welche FDDI zur Verfügung stellt, reicht für Multimedia- anwendungen allerdings auch nur in eingeschränktem Maß aus. Bei einem minimalen Bandbreitenbedarf von 10 Mbit/s pro Netzknoten können maximal 10 Teilnehmer gleichzeitig aktiv sein. Ähnliches gilt auch für den 1994 eingeführten LAN Standard IEEE 802.3u (Fast Ethernet) mit dem herkömmliche Ethernet- Netzwerke bei Übertragungsraten von 100 Mbit/s betrieben werden können. Dieser Standard unterliegt zur Zeit allerdings einem starken Konkurrenzkampf, so daß hier die Preise pro Port stark sinken (ca. 100 Dollar/pro Port). Auch bei Fast Ethernet lassen sich multimediale Applikationen in beschränktem Ausmaß realisieren, aber die prinzipielle Beschränkung, die sich durch die Verteilung einer fest vorgegebenen Übertragungsbandbreite auf eine variierende Anzahl von Benutzern ergeben, bleiben dieselben. Die entscheidende Ursache der Unfähigkeit traditioneller Netzwerktopologien, den heutigen Multimedia- applikationen zu genügen, ist nicht die ausreichende Bandbreite, sondern das benötigte Echtzeitverhalten sowie die nicht verfügbaren Quality of Service Eigenschaften.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.3 Zusammenfassung typischer Dienstqualitätsanforderungen

[aus /Zitt 95/]

2.3.2 Der Bandbreitenbedarf

Der Bandbreitenbedarf für heutige Multimediaanwendungen variiert zwischen 1,5 Mbit/s (komprimiertes Video) und mehreren Gbit/s. Ein Röntgenbild kann zum Beispiel bis zu 256 Megabit an Informationen enthalten. Für eine Diagnose wird in der Regel ein Satz unterschiedlicher Bilder benötigt. Ein solcher Satz umfaßt oftmals 10 bis 50 Bilder, was zu einem Informationsaufkommen von 2 bis 10 Gigabit führt. Soll diese Datenmenge in einem relativ kurzen Zeitraum von typischerweise wenigen Sekunden übertragen werden, so sind sehr hohe Datenraten in den unterliegenden Kommunikationssystemen erforderlich.

Resourcenanforderungen von Bewegtbildern sind in Tabelle 2.4 an einigen repräsentativen Beispielen zusammengefaßt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.4 Resourcenanforderungen von Video [aus /Zitt 95/; S.34]

2.4 Typische Anwendungen

Einige Beispiele für fortgeschrittene Anwendungen, wie zum Beispiel :

- Medizinische Bildverarbeitung,
- Videokonferenzen,
- Virtuelle Realität,
- Video auf Abruf,
- Kooperative, rechnergestützte Gruppenarbeit und
- World Wide Webster

sind in /Zitt 95/; Seite 22-31 beschrieben.

Aus diesen Beispielen geht hervor, daß alle fortgeschrittenen Anwendungen ähnliche Anforderungen an die unterliegenden Kommunikationssysteme stellen. Hauptfaktor aller Anwendungen ist die Diensteintegration, das heißt, Sprache-, Video- und Datendienste in einem einzigen Kommunikationssystem zusammenzu- fassen. Weiterhin stellen sie erhöhte Anforderungen (hohe Bitraten, geringe Verzögerungen) bezüglich der Leistungsfähigkeit solcher Systeme gegenüber traditionellen Anforderungen.

3 ATM für die Sprachübertragung?

Warum ATM besonders gut für die Sprachübertragung geeignet ist wird in den nächsten drei Unterpunkten erläutert.

Wie in Kapitel 2.2 bereits erklärt, ist für die Sprachübertragung eine geringe Endezu-Ende Verzögerung ein wesentlicher Bestandteil. Durch sein Echtzeit-verhalten, dem Quality of Service und der ausreichenden Bandbreite bringt ATM die richtigen Voraussetzungen mit um Sprache zu übertragen.

3.1 Echtzeitverfahren

Einer der wesentlichen Vorteile der Sprachübertragung über ATM-Netze ist, daß ATM für eine Echtzeitübertragung ausgelegt ist. Ermöglichen tut dieses der in Abschnitt 3.2 ausgeführte Quality of Service. Mit den in Klasse 1 (CBR) enthaltenen Anforderungen, wie zum Beispiel der Echtzeitübertragung ist er besonders für die Sprachübertragung geeignet. Welche Techniken es ATM ermöglichen Sprache in Real Time , also in Echtzeit zu übertragen wird im weiteren Verlauf der Arbeit erläutert.

3.2 Quality of Service (QoS)

Eines der Merkmale von ATM ist die Bereitstellung von verschiedenen Dienstklassen, je nach Anforderungen der Client-Applikationen. Es werden Anforderungen wie zum Beispiel Bandbreite, Jitter und Verzögerungen unterstützt. So können ATM-Netze Sprache, Bilder und Daten verarbeiten, die per Multiplexverfahren über dieselben Anschlüsse übertragen werden. Die Dienstgüte oder Quality of Service, kurz QoS, wird sowohl für virtuelle Wählverbindungen, bei denen die QoS-Verkehrsparameter durch die Endstationen in den Signalisierungsnachrichten festgelegt werden, als auch für virtuelle Festverbindungen festgelegt. Die Einrichtung der Dienstgüte ist möglich, da, es sich bei ATM um ein verbindungsorientiertes Protokoll handelt. Zur Handhabung der unterschiedlichen Verkehrstypen hat das ATM-Forum vier QoS-Typen definiert. Einen Überblick gibt folgende Tabelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.1 Quality of Service Klassen [nach /HeVo 96/; S.251]

Constant Bit Rate (CBR) und Variable Bit Rate (VBR) eignen sich besonders gut für Anwendungen mit strengen Anforderungen an die Dienstgüte wie MultimediaÜbertragungen oder qualitativ hochwertige Viedeokonferenzschaltungen. Die QoS-Klassen bestimmen auch, wie sich Überlastkontrollmechanismen auf den Netzverkehr auswirken.

3.3 Bandbreitenbedarf für gleichzeitige Sprach/Daten - Übertragung

Der Bandbreitenbedarf für gleichzeitige Sprach/Daten-Übertragung wird hauptsächlich durch die Datenübertragung bestimmt. Bei z.B. einem standardisierten STM-1 Kanal (155,52 Mbit/s) fällt ein für die Sprachübertragung eingebundener DS1-Kanal (24*64 Kbit/s=1,544 Mbit/s) oder ein E1-Kanal (32*64Kbit/s=2,048 Mbit/s) nicht allzu sehr ins Gewicht. Das heißt, wenn man in einem festen STM-1 Kanal zwischen zwei Komponenten (z.B. Switche) einen PVC mit einer Bandbreite von 2,048 Mbit/s schalte, hat man für die Datenübertragung noch ca. 153 Mbit/s zur Verfügung.

4 Architektur von ATM - Netzen

Im folgenden Abschnitt wird auf das B-ISDN Schichtenmodell, welches auf der ATM-Technik basiert und auf die Signalisierung im B-ISDN eingegangen. Unter Kap. 4.1 werden dann die einzelnen Schichten des B-ISDN Schichtenmodells näher erläutert, wobei ein Fokus auf den ATM Adaptation Layer 1 (AAL 1) gelegt wird, da er für die Sprachübertragung in ATM-Netzen maßgeblich ist.

4.1 Das B-ISDN Schichtenmodell

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.1 B-ISDN Schichtenmodell [nach /Almu 97/]

-Nutzerebene ( User Plane )

Sie stellt die Applikationen, Protokolle und Dienste bereit, die auf Benutzerseite zum Transport von Informationen benötigt werden.

-Steuerebene ( Control Plane )

Sie ist Teil des Managementbereiches und ist verantwortlich für den Aufbau, die Unterhaltung und den Abbau von Verbindungen. Die ATM- Adaptionsschicht und die ATM Schichten benutzen eine Layer-Management-Einheit, um den ordnungsgemäßen Betrieb auf jeder einzelnen Schicht sicherzustellen.

-Managementebene ( Management Plane )

Die Managementebene übernimmt die Steuerung zwischen den Managementeinheiten der einzelnen Ebenen und den Transportschichten.

[aus /HeVo 96/]

Die beiden nachfolgenden Bilder zeigen die ATM Schichten Architektur:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.2 Struktur der Zellenübertragung in einem ATM-Netz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.3 Was steht hinter den ATM-Schichten

4.1.1 Die Physikalische Schicht

Die ATM Bitübertragungsschicht (s. Bild 4.1), auch physikalische Schicht genannt, ist für die Übertragung der Signale auf dem physikalischen Medium zuständig. Sie besteht aus zwei Teilschichten, dem Physical Medium Dependent Sublayer und dem Transmission Convergence Sublayer.

Der Transmission Convergence Sublayer ist für die Implementation des Übertragungsprotokolls (Physical Layer Convergence Protocol / PLCP) verantwortlich, das die fehlerfreie Übertragung und den fehlerfreien Erhalt von Informationen über das physikalische Medium sicherstellt.

Der Physical Media Dependent (PMD) Sublayer spezifiziert das zur Übertragung verwendete Kabel, das entweder ein Kupfer- oder Lichtwellenleiterkabel sein kann, und ist für die Bitsynchronisierung und Leitungskodierung zuständig.

4.1.1.1 Das Übertragungsmedium

Für ATM LANs stehen die gleichen Übertragungsmedien zur Verfügung wie generell für die Nachrichtenübertragung: Verdrillte Kabel in verschiedenen Ausführungen, Koaxialkabel und Lichtwellenleiter.

Verdrillte Kabel (Twisted Pair) sind in der einfachsten Ausführung Telefonleitungen, die für die schnelle Übertragung von Daten, wie sie in einem LAN verlangt wird, ungeeignet sind. Man muß jedoch zwischen mindestens drei Grundtypen des „Twisted Pair“ unterscheiden:

- Sternvierer, die normale Telefonverkabelung, bei der vier Adern um sich selbst gemeinsam verdrillt sind und die üblicherweise nur eine sehr geringe Übertragungskapazität haben.
- Unshielded Twisted Pair (UTP), bei dem zwei Adernpaare jeweils verdrillt sind. Sie entsprechen nicht dem Telefonkabel, sondern weisen eine höhere Qualität auf.
- Shielded Twisted Pair (STP), das wie UTP aufgebaut ist, jedoch pro Adernpaar geschirmt.

Alle Vierdrahtleitungen können für echte Duplexverbindungen eingesetzt werden. Der Sternvierer und das UTP sind vereinfachend gesagt deshalb ungeeignet, weil durch die enge Nachbarschaft aller Adern die Mitkopplung von Signalen durch induktive Wechselwirkung sehr hoch ist. Neben der reinen Bauform spielen natürlich auch das Leitermaterial und der physikalische Aufbau der einzelnen Adern eine gewichtige Rolle bei der Übertragungskapazität. Häufig ist jedoch nicht die Übertragungskapazität einer Leitung das Problem, sondern eher die elektromagnetischen Wechselwirkungen mit der Umwelt.

Die symmetrische Kupferverkabelung wird nach neuesten Stand in 6 Anwendungsklassen unterschieden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.4 Anwendungsklassen symmetrischer Kupferverkabelungen

Bei Verwendung von bandbreiteneffizienten Kodierungen wie z.B. CAP (Carrierless Amplitude Modulation/Phase Modulation Codierung) sind Datenraten weit über 1 Gbit/s vorstellbar. Mit diesem Ansatz deckt das „Kupfer“ Geschwindig- keitsbereiche ab, die bisher der „Glasfaser“ vorbehalten waren, ohne Verlust der Universalität.

Im Rahmen der 23. Sitzung der Working Group 3 des ISO/IEC JTC 1/SC 25 wurde die Einführung von zwei neuen Klassen und Kategorien für die strukturierte Kupferverkabelung beschlossen. Sie werden Bestandteil der geplanten zweiten Ausgabe der ISO/IEC IS 11801.

Ausgangspunkt für den international getragenen Beschluß waren die sich immer deutlicher abzeichnenden Bandbreitenengpässe für die Hochgeschwindig- keitsprotokolle ATM 155/622 Mbit/s und Gigabit Ethernet mit 1000 Mbit/s. Neben der bereits normierten Klasse D / Kategorie 5 für 100 MHz soll die Klasse E / Kategorie 6 eine Bandbreite von 200 MHz und die Klasse F / Kategorie 7 von 600 MHz aufweisen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.5 Klasse E/Kat.6 und Klasse F/Kat.7 für strukturierte Kupferverkabelung.

[aus /Enge 97/]

Für die Kategorie 6 sollen verbesserte RJ 45 Stecker und Buchsen auf Basis von EN 60603-7 zum Einsatz gelangen. Bei der Kategorie 7 kommt die RJ 45 Steckverbindertechnik wohl nicht weiter zum Einsatz, da bei ihr nur durch die PINBelegung 1/2-7/8 die hohen Anforderungen gewährleistet werden. Hierbei geht allerdings die Universalität verloren.

[nach /Enge 97/]

Das früher am häufigsten verwendete Medium ist Koaxialkabel, wie es aus der HF- und Antennentechnik bekannt ist. Sein für hohe Frequenzen optimierter Aufbau macht es zum Favoriten unter den metallischen Leitern. Eine Über- tragungskapazität von mehreren hundert Mbit/s ist durchaus realisierbar. Es eignet sich in seinen vielfältigen Bauformen für fast alle LAN Konzepte. Der Hauptteil von Koaxialkabel im LAN Bereich geht hauptsächlich dadurch zurück, daß Ethernet Systeme, die früher größtenteils mit Koaxialkabel aufgebaut wurden, heute eher mit einem Gemisch aus Twisted Pair und Glasfaser installiert werden. Im WAN Bereich wird Koaxialkabel aber weiterhin genutzt und es sind eine Reihe von ATM Schnittstellen dafür spezifiziert.

Das Medium der Zukunft ist der Lichtwellenleiter. Auf der Basis von Glasfasern können Übertragungsgeschwindigkeiten im Gbit/s-Bereich erreicht werden. Lichtwellenleiterkabel bietet viele Vorteile. Leichte Verlegbarkeit, hohe Redundanz, Abstrahlsicherheit und gleichzeitig auch Unbeeinflußbarkeit durch äußere Störfelder geben ihm besondere Qualitäten hinsichtlich Datenschutz und Datensicherheit.

Eine weitere Variante des Lichtwellenleiters ist die sogenannte Plastic Fiber, die heute Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu etwa 5 Mbit/s auf einigen Hundert Metern zuläßt. Die Plastic Fiber steht am Beginn ihrer Entwicklung und wird sich sicherlich bei größerer Produktreife zu einer ernsthaften Konkurrenz zu Twisted Pair entwickeln, da die grundsätzlichen Vorteile der Lichtwellenleitertechnik mit den Kostenvorteilen des Plastik-Mediums vereint werden. Es ist zur Zeit noch keine ATM Standardschnittstelle für Plastic Fiber definiert.

Die Verkabelungsdiskussion orientiert sich heute an den Standards EIA/TIA 568, ISO/IEC 11801 und EN 50173.

4.1.1.2 Die Schnittstelle

Um ATM Zellen physikalisch übertragen zu können müssen sie den Definitionen der Teilschicht: „Übertragungsanpassung (Transmission Convergence)“ entsprechen. Die Transmission Convergence ist auf drei Arten möglich:

1. direkte Zellenübertragung
2. mittels Zellenanpassung auf Übertragungsrahmen
3. Übertragung mittels PLCP-Rahmen

- Direkte Zellen ü bertragung :

Bei der direkten Zellenübertragung werden Bit für Bit unmittelbar in die entsprechenden optischen bzw. elektrischen Signale des jeweiligen Über- tragungsmediums umgewandelt und übertragen. Lediglich das Informationsfeld (Payload) der Zelle wird verschlüsselt übertragen, um eine eindeutige Identifizierung von Beginn und Ende der jeweiligen Zellenheaderinformation sicherzustellen. Im Fall der direkten Zellenübertragung wird durch das Senden einer OAM - Zelle (Operation and Maintenance) nach jeweils 26 gewöhnlichen Zellen eine Überwachungs- und Management Funktionalität zur Verfügung gestellt.

[nach /Kyas 96/]

- Zellenanpassung auf vorhandene Ü bertragungsrahmen :

Die Synchrone Digitale Hierarchie (SDH) soll im Weitverkehrsbereich der hauptsächliche Transportmechanismus für ATM Zellen sein.

Um ATM Zellen im Weitverkehrsbereich in der Übergangsphase bis zur Ein- führung von SDH über bestehende Datenleitungen senden zu können, wurde auch eine Übertragungsanpassung von Zellen auf bestehende Übertragungs- rahmen der Plesiochronen Digitalen Hierarchie (PDH) definiert. PDH-Über- tragungsrahmen sind für folgende Übertragungsraten definiert: 1,544 Mbit/s; 2,048 Mbit/s; 6,312 Mbit/s; 34,360 Mbit/s; 97,728 Mbit/s; 139,264 Mbit/s.

- Physical Layer Convergence Procedure (PLCP)-basierende Zellenanpassung :

Physical Layer Convergence Procedure ist die Übertragungsanpassung, die für die Übertragung der Datenpakete von Metropolitan Area Networks (MAN) auf PDH-Leitungen definiert wurde.

Der Vorteil der Verwendung von PLCP-Rahmen zur Übertragung von ATM Zellen besteht darin, daß bestehende Einrichtungen für MAN zur Benutzung von PDH- Strecken auch zur Übertragung von ATM Zellen genutzt werden können. Der Nachteil ist allerdings, daß zum Zellenoverhead von 5 Bytes nicht nur der Übertragungsrahmen-Overhead der PDH-Rahmen, sondern eben auch noch der Overhead des PLCP-Rahmens hinzu kommt. Dies reduziert die verfügbare

Nutzdatenbandbreite im Vergleich zur direkten Zellenanpassung auf vorhandene Übertragungsrahmen um weitere 9%.

SDH und SONET

Das Konzept der SDH (Synchrone Digitale Hierarchie) basiert im wesentlichen auf Forschungsarbeiten der amerikanischen Bell-Laboratories, die unter der Bezeichnung SONET (Synchronous Optical Network) eine den heutigen Bedürfnissen angepaßte Übertragungsarchitektur entwickelten. Unter Mitarbeit von europäischen und japanischen Standardisierungsgremien wurde daraus 1988 der ITU Standard SDH. Der ITU-SDH Standard unterscheidet zwei SDH-Derivate: das europäische ETSI-SDH und das nordamerikanische ANSI-SONET.

Die Unterschiede zwischen SDH und SONET sind in /Kyas 96/ beschrieben. Desweiteren findet man hier eine Beschreibung der Plesiochronen Digitalen Hierarchie.

Folgende Tabelle gibt einen kurzen Überblick über SONET und SDH Schnittstellen und der dazugehörigen Bandbreite.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4.6: Hierarchie Datenraten [nach /EnLe 96/]

Die physikalischen Interfaces für SDH sind in der ITU G. 957 definiert. Für die Übertragungsrate der ersten Hierarchie STM-1 sind sowohl optische als auch elektrische Schnittstellen vorgesehen. Alle höheren Hierarchien werden ausschließlich optisch realisiert.

Das ATM Forum sieht andere Spezifikationen für die physikalischen Interfaces für SDH-Rahmen im LAN Bereich vor. Für die Übertragung von in SDH Container enkapsulierten ATM Zellen im LAN-Bereich werden vom ATM Forum (UNI 3.1) anstelle der in den ITU-Spezifikationen vorgeschriebenen Monomode-Glasfasern auch Multimodeglasfaser bzw. Kupferkabel spezifiziert. Die damit maximal überbrückbaren Entfernungen sind dabei geringer als bei der Benutzung von Monomode-Glasfasern. Dies wirkt sich im LAN-Bereich jedoch nur bedingt störend aus. Dagegen können durch die Vermeidung der teuren Monomode-glasfasern und der dafür notwendigen hochwertigen Laserquellen die Kosten für die Übertragungsinfrastruktur signifikant gesenkt werden. Neben der Übertragung von ATM Zellen über die SDH-WAN Interfaces STM1, STM4, STM16 innerhalb von VC4 Containern, stehen für den LAN-Bereich so zusätzlich die Übertragungsstandards STM1, STS1 über die Medien UTP-3, UTP-5, Koaxialkabelpaare und Multimode-Glasfaser zur Verfügung.

Weitergehende Beschreibungen über die Multiplextechniken PDH und SDH sind in /Haaß 97/, Seite 104 - 114 nachzulesen.

4.1.1.3 Die Übertragungsreichweiten

Es sind derzeit eine ganze Reihe von Übertragungsschnittstellen für den WAN- als auch für den LAN-Bereich definiert, die einen großen Bandbreitenbereich ab- decken. Die Übertragungsraten reichen dabei von 1,544 Mbit/s bis zu 622 Mbit/s (die ersten Komponenten mit 2,4 Gbit/s kommen gerade auf den Markt). Die Unterschiede zwischen den LAN- und WAN-Spezifikationen liegen vor allem im Übertragungsmedium, wie in Kap. 4.1.1.1. und Kap. 4.1.1.2 beschrieben.

Die Übertragungsreichweite eines Systems ist grundsätzlich von der Leistungsfähigkeit der aktiven Komponenten: Ausgangsleistung des Senders, Eingangsempfindlichkeit des Empfängers; abhängig. Daraus ergibt sich ein Dämpfungsbudget, das für die dazwischen befindliche Verkabelung zur Verfügung steht. Die maximale Reichweite hängt nun von der Güte der Verkabelungstrecke (min. Dämpfung / max. Nebensprechdämpfung) in Abhängigkeit der zu übertragenden Frequenz ab.

Die folgenden beiden Tabellen zeigen eine Übersicht über die verschiedenen spezifizierten Interfaces und den dazugehörigen maximalen Entfernungen auf den verschiedenen Übertragungsmedien.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.7 ATM-Interfaces für den WAN Bereich [aus /Kyas 96/]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.8 ATM-Interfaces für den LAN Bereich [aus /Kyas 96/]

Eine Funktionsbeschreibung der einzelnen Leitungscodierungen findet man in /Haaß 97/, Seite 81 - 98.

4.1.2 Die ATM Schicht

Die Hauptaufgabe der ATM Schicht besteht darin, die von der übergeordneten Anpassungsschicht (AAL) übergebenen Daten an ihren Bestimmungsort zu transportieren. Die Informationseinheiten der ATM Schicht ist die ATM Zelle. Im Zellheader ist eine Identifikationsnummer, die sie einer bestimmten Verbindung zuordnet, enthalten. In Übertragungsrichtung werden die Zellen von verschiedenen Verbindungen in einen nicht kontinuierlichen Zellenfluß gemultiplext. Die Zellenströme unterteilt man in zwei logische Hierarchien. Die ATM Kanäle (Virtual Channel) und in ATM Pfade (Virtual Path).

Ein physikalisches Übertragungsmedium kann mehrere virtuelle Verbindungspfade übertragen. Diese Verbindungspfade enthalten wiederum mehrere virtuelle Verbindungskanäle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.9 Virtuelle Pfade und Kanäle

Jede Zelle kann über ihre Headerinformation und den darin enthaltenen Pfadbzw. Kanalidentifikationsnummern (VCIs, VPIs) eindeutig einem bestimmten Pfad bzw. Kanal zugeordnet werden.

Die ATM Schicht dient nicht nur zum Auf- bzw. Abbau von Verbindungen sondern auch zur Verhandlung von Service Parametern (Quality of Service, QoS) die für die Verbindung notwendig sind.

Außerdem laufen während der Verbindung kontinuierliche Überwachungs- und Kontrollmechanismen ab (Operation, Administration and Maintenance; OAM). Spezielle Zellen, die OAM Zellen genannt werden, sind dafür reserviert. Hier noch einmal die Funktionen der ATM Schicht kurz zusammengefaßt:

- Erzeugen und Bearbeiten von Zellköpfen,
- Festlegen und Bearbeiten von VCI und VPI,
- Vermitteln von Zellen,
- Multiplexen von Zellen,
- Überwachen des Zellstromes.

[aus /Haaß 97/]

4.1.2.1 Die ATM Zelle

ATM ist ein Übertragungsverfahren, welches auf asynchronem Zeit-Multiplexing unter der Verwendung von Datenpaketen fester Länge basiert. Diese Datenpakete werden Zellen genannt und haben eine Länge von 53 Bytes.

Fünf der 53 Bytes sind für den Zellen-Header reserviert, der unter anderem die Kanal- und Pfad- Adressierung enthält.

Folgendes Bild zeigt den Aufbau einer ATM-Zelle:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.10 Die ATM-Zelle

Alle Netzknoten sind über eine oder mehrere sogenannte ATM-Schalteinheiten (ATM-Switches) miteinander verbunden, welche die Zellen an ihren jeweiligen Bestimmungsort vermitteln.

Die Festlegung der Zellenlänge auf 53 Bytes (48 Bytes Payload + 5 Byte Header) ist das Resultat eines Kompromisses zwischen den Anforderungen von analoger Sprache und digitaler Datenübertragung. Die europäischen Länder, in denen der reine Datenverkehr noch nicht die Bedeutung erlangt hat wie in den USA, schlugen ursprünglich eine Zellenlänge von 32 Bytes Nutzlast vor. In Nordamerika, wo die Datenübertragung über WANs eine wesentliche Rolle spielt, versuchte man eine Zellenlänge von 64 Bytes Nutzlast durchzusetzen. Dies führte schließlich zum Kompromiß von 48 Bytes Nutzlast.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.11 Ursprung der 53 Byte Zelle

4.1.2.2 ATM Zelltypen

Es gibt zwei Arten von ATM-Zellen die sich durch die Belegung der Bits 5-8 des ersten Headerbytes voneinander unterscheiden.

1. Die UNI-Zelle (User-Network-Interface-Zellen), welche zur Kommunikation an Benutzer-Netzwerk-Schnittstellen verwendet werden.
2. Die NNI-Zellen (Network-Node-Interface-Zellen), welche zur Kommunikation an Internetzwerk-Schnittstellen verwendet werden.

Für alle Felder innerhalb der Zelle gilt, daß Bit 1 das höchstwertige Bit (MSB Most Significant Bit) ist. Die Bits innerhalb eines Zellenbytes werden, beginnend mit Bit 8, übertragen. Die Bytes selbst werden in aufsteigender Reihenfolge gesendet, also Bytes 1 zuerst.

[...]

Ende der Leseprobe aus 120 Seiten

Details

Titel
Kriterien für Auswahl und Bewertung marktüblicher, aktiver Komponenten zur Übertragung von Sprache in ATM-Netzen
Hochschule
Fachhochschule Düsseldorf
Note
1
Autor
Jahr
1998
Seiten
120
Katalognummer
V185521
ISBN (eBook)
9783656983019
ISBN (Buch)
9783867464093
Dateigröße
10802 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
kriterien, auswahl, bewertung, komponenten, übertragung, sprache, atm-netzen
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Ingo Benedens (Autor:in), 1998, Kriterien für Auswahl und Bewertung marktüblicher, aktiver Komponenten zur Übertragung von Sprache in ATM-Netzen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185521

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