OTN auf dem Weg zum Transportmedium der Zukunft · der LAN-Welt kennt keine Netzwerkmanagement-Funktion, OTN nach ITU-T Rec. G.709 mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen für die optischen

OTN auf dem Weg zum Transportmedium der Zukunft und Anforderungen an die MesstechnikWritten by: Peter Winterling Senior Solution Specialist Optical Products, Viavi Solutions

White Paper

Welcher Übertragungsstandard wird in den Telekommunikationsnetzen von Morgen eingesetzt? Die altbewährte SDH scheint zu unflexibel und ist sehr komplex bei paketorientierter Übertragung, Das Ethernet der LAN-Welt kennt keine Netzwerkmanagement-Funktion, OTN nach ITU-T Rec. G.709 mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen für die optischen Netze integriert bis heute nur die SDH-Hierarchie. Die Herausforderung für einen Übertragungsstandard ist es, bestehende und mögliche zukünftige Übertragungsraten in einem hochkomplexen Telekommunikationsnetz möglichst effizient strukturiert und flexibel zu übertragen und gleichzeitig die hohen Anforderungen eines Netzwerkmangements zu erfüllen (Bild 1).

Bild 1. Messungen an Übertragungssystemen gemäß ITU Standard G.709

2 OTN auf dem Weg zum Transportmedium der Zukunft und Anforderungen an die Messtechnik

Optical Transmission Unit

Optical Multiplex Unit

OCh PayloadOChOH

OpticalChannelCarriers

Opt

ical

Tra

nspo

rt M

odul

es

Optical ChannelTransport Lanes

OTM

Ove

rhea

d

OpticalMultiplexSection

Opt

ical

Cha

nnel

OTU

k Se

ctio

nO

DU

k TC

OD

Uk

Path

OTM-n.m OTM-nr.m OTM-0.m n * OTM-0.m(e.g. Ribbon Cable)

OTM-0.mvn(e.g. 100GBASE-LR4)

Layers Information Structure

OSC

OChr PayloadOChr

PayloadOChr

PayloadOChr

Payload

OTLk.n OTLk.n OTLk.n OTLk.n

OChr-n

n: number of wavelenghts; m: list of supported bit rates in the OTM

OTL type OTL nominal bit rate

OTL3.4 255/236 x 9 953 280 kb/s= 10 754 603.390 kb/s

OTL4.4 255/227 x 24 883 200 kb/s= 27 952 493.392 kb/s

OTL4.10 255/227 x 9 953 280 kb/s= 11 180 997.357 kb/s

OTLk.n allows multiplexing an OTUk signal onto n lanes. Each lane will be transmitted via one lambda on a single fiber or an individual fiber.

ODUkOH

OPUkOH

Client

FEC

OTUkOH

Non

-ass

ocia

ted

OH

OpticalTransmission

Section

FASOTU

k: supported bit rate (1: 2.7 Gb/s; 2: 11 Gb/s; 3: 43 Gb/s; 4: 112 Gb/s)n: number of wavelenghtsr: reduced functionality, i.e. no non-associated overhead is used

Bild 2. OTN-Signalstruktur nach ITU-T-Empfehlung G.709

Die Einführung der 100 Gigabit Ethernet-(GbE-)Technologie ist wohl das Highlight in 2009 und wird mit Spannung erwartet. Die im vergangen Jahr flächendeckend installierte Übertragungstechnik mit 40/43 GBit/s scheint aus Sichtweise der Netzplanung nur ein kurzer Zwischenschritt für die „richtige“ Übertragungskapazität zu sein.

Wesentlich unspektakulärer werden zeitgleich aber nicht unabhängig davon die Weichen für das zukünftige Übertragungsmedium gestellt. Die 40/43 Gbit/s-Schnittstelle gehört zu der SDH-/OTN- Hierarchie der ITU-Standardisierung und 100 Gbit/s definiert sich über die IEEE Standardisierung. Die SDH (Synchrone Digitale Hierarchy), entwickelt vor ca. 20 Jahren dient im Transportnetz als zuverlässiges und auf höchste Übertragungsqualität optimiertes Übertragungsmedium. Die spätere Einführung der optischen Übertragungstechnik ermöglicht zum einen Übertragung von Mehrkanalsystemen über sehr lange

Strecken ohne elektrische Regeneration und im nächsten Schritt das Routen einzelner Wellenlängen in einem vermaschtem Netz. Das Telekommunikationsnetz wird zum photonischen Netz. Der Standard OTN (Optical Transport Network) gemäß ITU-T Rec. G.709, trug dieser Entwicklung Rechnung mit zusätzlichen Signalisierungs-Leistungsmerkmalen der optischen Kanäle. In der Hierarchiebildung folgt OTN zunächst strikt der SDH-Hierarchie. OTN wurde immer mehr als zukünftiger Übertragungsstandard gesehen, auch wenn aus unterschiedlichen Gründen die Ablösung nur sehr zäh ablief. Währenddessen wurde der Standard SDH dahingehend erweitert, auch paketorientierte Übertragungsraten aus der IEEE-Welt als Nutzlast (Client-Signal) im SDH-Rahmen zu übertragen. Mit GFP, VCAT und LCAS wurde nun für die SDH als Transportmedium eine hohe Flexibilität erzielt, wenngleich für die Signalisierung im optischen Netz nach wie vor immer noch der OTN Rahmen benötigt wird.


Nicht zufällig wird in der Standardisierungsgruppe bei ITU parallel zur Markteinführung der 100-Gigabit-Ethernet-Technik an einer Erweiterung des OTN-Standards über alle Hierarchieebenen gearbeitet, die diesen als Transportmedium als klaren Favorit für die Übertragungstechnik in Position bringen wird. Bild 2 zeigt die Erweiterungen.

OTN nach ITU-T Rec. G.709 als TransportmediumDie asynchrone paketorientierte Ethernet-Welt nach IEEE und die Digitale Synchrone Hierarchie SDH wetteifern schon seit langem, welcher Standard in der Telekommunikation besser geeignet ist. Die SDH als globales Übertragungsmedium wurde für die digitale Sprachübertragung von 2-Mbit/s- bzw. 1,5-Mbit/s Signalen aus dem amerikanischen Raum (Sonet, Synchronous Optical Network) entwickelt. STM-1 (Synchronous Transport Module der Stufe 1) mit einer maximalen Nutzlast von 150 Mbit/s kann 63 VC-12-Container (Virtual Container) mit je einem 2-Mbit/s-Rahmen zusammenfassen. Die SDH-Hierarchie wird jeweils durch eine Vervierfachung bis STM-256 fortgesetzt.

Ethernet nach dem IEEE-Standard, ursprünglich entwickelt für LAN-Netze, gilt als sehr preisgünstige Technologie und dehnte seinen Einflussbereich auch in die Übertragungsnetze aus. Der rasante Anstieg des Datenaufkommens in der Rechnerwelt und die stark ansteigende Nutzung des Internets festigen den Ethernet-Standard. Selbst extrem zeitkritische Signale wie die Telefonie oder die Live-Videoübertragung werden mit komplexen Verfahren in das nicht Echtzeittaugliche Übertragungsmedium Ethernet eingepasst (beispielsweise Voice over IP, VoIP). Das paketorientierte Ethernet steht heute für eine äußerst flexible, vielseitige und dennoch preisgünstige Datenübertragung im Telekommunikationsnetz und ist heute der klare Favorit zur Übertragung unterschiedlicher Quellensignale. In einem Transportnetz wird zusätzliche Signalisierungsinformation des Übertragungskanals benötigt, um ein großes Netz strukturiert und effizient mit Hilfe eines Netzmangementsystems betreiben zu können. Eine wesentliche Grundvoraussetzung für den SDH-Standard war eben diese Funktion. Ausgestattet mit leistungsfähigen Signalisierungsmechanismen bis hin zur automatischen Ersatzschaltung von gestörten Übertragungseinrichtungen bildet dieser Standard den Grundstein für ein zentralisiertes Netzmangement selbst von flächenmäßig großen und stark vermaschten Netzen. Unglücklicherweise deckt der SDH-Standard, ursprünglich entwickelt als Übertragungsmedium von einem Vermittlungsknotenpunkt (Crossconnect) über einen oder mehrere Regeneratoren zum nächsten nicht die Belange der heutigen optischen Netze ab.

Die zum damaligen Zeitpunkt noch nicht absehbare Entwicklung der optischen Technologie stellte zehn Jahre nach Einführung von SDH Komponenten für die Grundlage von photonischen Netzen zur Verfügung. DWDM-Übertragung mit rein optischer Verstärkung, optische Add/Drop-Funktionen und Schalten von einzelnen optischen Kanälen in Vermittlungsknotenpunkten und Zugangspunkten wandelten die SDH-Welt in eine photonische Architektur. Die Pfadinformation, wichtig für das Netzmanagement ist im SDH-Rahmen so nicht verfügbar.

Folgerichtig standardisierte ITU ein neues asynchrones Transportmedium, ausgerichtet an den neuen möglichen Netzarchitekturen. Die Rahmenstruktur des Optical Transport Network Module OTM nach ITU-T-Empfehlung G.709 ist verwandt zur SDH, orientiert sich aber jetzt an dem optischen Übertragungskanal – losgelöst von der hardwareseitigen Implementation.

Erstmals wurde für eine leitungsgebundene Übertragung eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC, Forward Error Correction) zur Behebung von Übertragungsfehler integriert. Dies erhöht die Übertragungsrate um ca. 7%. Mit der ausschließlichen Ausrichtung auf das Transportnetz ergeben sich die Übertragungsraten von 2,7 Gbit/s für OTU1 Optical Transport Unit der ersten Stufe), 10,7 Gbit/s für OTU2 und 43 Gbit/s für OTU3. Die Nutzlast besteht vorerst aus den SDH-Signalen STM-16, STM-64 und STM-256.

Der Erfolg dieser neuen Übertragungstechnik blieb anfänglich bescheiden, da optische Crossconnects mit großer Verzögerung erst seit kurzem in neuen Netzen verbaut werden und die Investition für den Ersatz der zum damaligen Zeitpunkt erst kurz vorher installierten SDH Leitungseinrichtung nicht ökonomisch rechtfertigbar war. Der Weg der Integration der asynchronen Ethernet-Übertragungsraten über GFP in SDH, die dann wiederum den OTN-Transportrahmen nutzt, ist technisch genial, aber komplex. Wenn OTN entsprechende Mapping-Prozeduren für die von den Datenraten deutlich abweichenden Ethernet-Raten definieren würde, entfiele der der technisch aufwendige und teuere Weg über die SDH. Damit wäre die OTN das neue universelle Übertragungsmedium für die Telekommunikationsnetze. Genau diesen Weg verfolgt die ergänzende Standardisierung bei ITU.


Etwas holprig geht es schon zu auf dem Weg zum generellen Übertragungsmedium. In der 10-Gbit/s-Ebene gibt es einige Übertragungsraten, die den Nutzlastbereich der OTN überschreiten. Mit OTN, dem eine nichtsynchrone Netzstruktur zu Grunde liegt, kann die Integration dieser Signale durch eine Erhöhung der Taktfrequenz bewältigt werden. Es entstehen die so genannten „overclocked rates“ Übertaktete Datenraten). Die Tabelle zeigt die bereits festgelegten Bitraten und Mappings bei OTN. Für OTU1 und OTU2 werden unterschiedliche Mapping-Schemata angewendet, siehe Bild 3. Beide werden für die Integration der neuen Quellensignale angewendet.

Bei OTU2 wird zusätzlich ein konstanter Stopfbereich (Stuffing) eingefügt, weshalb bei gleicher Nutzinformation der Rahmen schneller getaktet werden muss. Für 10-Gigabit-Ethernet- LAN mit einer Übertragungsrate von 10,3125 Gbit/s entsteht nun mit dem Mapping-Schema OTU1 das übertragungseitige OTU1e und mit Mapping-Schema OTU2 das Signal OTU2e. Für das Mapping von Fibre-Channel-Verbindungen entstehen nach dem gleichen Schema zwei weitere Bitraten OTU1f und OTU2f, da 10 Gigabit-FC eine etwas höhere Übertragungsrate als 10Gbit-Ethernet-LAN hat. Immerhin können diese Übertragungsraten heute im Allgemeinen von einem einzigen Transponder werden. Zumindest auf der physikalischen Ebene und somit hardwareseitig ist daher nur eine Schnittstelle notwendig.

Bild 3. Variantenbei 10 Gbit/s und Multiplex-Schemata

OTN-Typ Nominale OTU-Bitrate ODU-Typ Nutzdatenrate (Client)– – ODU0 1-Gigabit-Ethernet (LAN)OTU1 255/238 · 2,488 320 Gbit/s = 2,666 057 Gbit/s ODU1 STS-48/STM-16OTU1e 255/238 · 10,312 500 Gbit/s = 11,049 107 Gbit/s ODU1e 10-Gigabit-Ethernet (LAN)OTU1f 255/238 · 10,518 750 Gbit/s = 11,270 089 Gbit/s ODU1f 10-Gigabit-Fibre-ChannelOTU2 255/237 · 9,953 280 Gbit/s = 10,709 255 Gbit/s ODU2 STS-192/STM-64 (WAN)OTU2e 255/237 · 10,312 500 Gbit/s = 11,095 730 Gbit/s ODU2e 10-Gigabit-Ethernet (LAN)OTU2f 255/237 · 10,518 750Gbit/s = 11,317 642 Gbit/s ODU2f 10-Gigabit-Fibre-ChannelOTU3 255/236 · 39,813 120 Gbit/s = 43,018 414 Gbit/s ODU3 STS-768/STM-256OTU3e1 255/236 · 4 · 10,312 500 Gbit/s = 44,570 974 576 Gbit/s ODU3e1 4 · ODU2eOTU3e2 243/217 · 16 · 2,488 320 Gbit/s = 44,583 356 Gbit/s ODU3e2 4 · ODU2eOTU4 255/227 · 99,532 800 Gbit/s = 111,809 973 Gbit/s ODU4 100-Gigabit-Ethernet

Tabelle OTU-Typen undderen Übertragungskapazität

IEEE Signals Need a Transport Layer

Structure of ODU1 and ODU2ODU1

ODU2

1

2

3

4

15 16 17 18 3824

D

D

D

D

D D

D D

D D

D

3805D

3805D

3805D

3805D

RES

RES

RES

PSI

NJO

JCJC

JCPJ

O

1

2

3

4

15 16 17 1904

3824

16FS

16FS

16FS

16FS

RES

RES

RES

PSI

NJO

JCJC

JCPJ

O

5904

1920

1921

118 × 16D

118 × 16D

118 × 16D

15D + 117 × 16D

119 × 16D

119 × 16D

119 × 16D

119 × 16D

10 Gb/s 11 Gb/s 11.5 Gb/s

9.953 Gb/s10 GbE WAN

STS-192c/VC-64c

11.049 Gb/s10.3125 Gb/s10 GbE LAN

10.518 Gb/s10G FC

10.709 Gb/sOTU2

11.095 Gb/s

11.270 Gb/s

11.318 Gb/s10.0000 Gb/s

Infiniband

10.664 Gb/sG.975


Multiplexing beim optischen TransportnetzOTN-Rahmen werden zunehmend auch als Client-(Nutz-)Signale anzutreffen sein. Das heißt, sie müssen ohne Veränderung übertragen werden. Im Übergang vom Metro- zum Weitverkehrsnetz werden Nutzsignale in höhere Hierarchiestufen gemultiplext, um die Effizienz der Weitverkehrsübertragung zu wahren – und mit der flächendeckenden Installation der 40/43-Gbit/s-Ebene ist eine weitere Hierarchiestufe möglich. Es ist nicht immer sinnvoll und oftmals nicht erlaubt, den OTN-Rahmen aufzulösen und auf das ursprüngliche Quellensignal zurückzugreifen (De-Wrapping). Die gleiche Situation besteht an Übergabepunkten von Netzhoheitsgebieten. Auch hier wird eine Weiterreichung des angelieferten Signals ohne Beeinträchtigung und Veränderung der Rahmenstruktur gefordert. Gewährleistet wird dies durch eines der wesentlichen Grundmerkmale der OTN, das „Optical Chanel Layer“-Modell (OCh). Im OTN-Rahmen findet sich dafür die Funktion „Tandem Connection“. Diese Funktion ist nur gewährleistet bei der Erhaltung des OTN-Rahmens. An diesen Übergabepunkten wird die Integration in die nächst höhere Hierarchiestufe gewünscht. Deshalb muss der Weg des OTN-Multiplexens geschaffen werden.

Mit SDH als Quellensignal wurde bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung erst durch Multiplexen die entsprechende SDH-Hierarchie gebildet, bevor für die Übertragung in optischen Netzen der OTN-Rahmen erzeugt wurde. OTN war nur auf der Übertragungsseite anzutreffen. Es ist wenig sinnvoll, nun von einem OTU1-Signal die Nutzlast STM-16 auszupacken, dann entsprechend der SDH in ein STM-64-Signal zu multiplexen und dann wieder einen OTN-Rahmen OTU2 zu bilden. Die Vorteile der OTN würden dadurch auf die Foreward Error Correction FEC auf der Übertragungsseite reduziert.

Der neue Weg des OTN-Multiplexing ist bereits prinzipiell in der ITU-T Rec. G.709 beschrieben und muss jetzt durch Erweiterungen detailliert spezifiziert werden. Bild 4 zeigt den Weg für das Multiplexen einer ODU1 bzw. ODU2 in eine OPU3. Eine ODU (Optical Data Unit) besteht aus dem Nutzsignal und dem dazu gehörenden Overhead. Die vorhandene Fehlerkorrektur braucht nicht mit einbezogen werden, die diese immer nur für eine Übertragungsstrecke verwendet wird. Für die darauf folgende Übertragung wird in der höheren Hierarchiestufe eine neue FEC über den neuen Rahmen generiert. Das Nutzsignal einer ODU1 besteht bis heute meist aus einem strukturierten STM-16-Rahmen.

OTU3 ODU3 OPU3 STM 256 VC4-256c

VC4-64c

VC4-16c

VC4

AU3/VC3

ODU2 STM-64 VC4-64c

VC4-16c

VC4

AU3/VC3

ODU1 STM-16

AU3/VC3

VC4-16c

VC4

async/sync

async/sync

async/sync

async/sync

async/sync async/sync

async/sync

async/sync

43G

VC4-4c

VC4-4c

VC4-4c

New Tab

async/sync

VC4-16c

ODU1

STM-16

OTU3

Pointer Operations

Stuffing

Stuffing

Frequency OffsetOTU3 ODU3 OPU3 STM 256 VC4-256c

VC4-64c

VC4-16c

VC4

AU3/VC3

ODU2 STM-64 VC4-64c

VC4-16c

VC4

AU3/VC3

ODU1 STM-16

AU3/VC3

VC4-16c

VC4

async/sync

async/sync

async/sync

async/sync

async/sync async/sync

async/sync

async/sync

43G

VC4-4c

VC4-4c

VC4-4c

New Tab

async/sync

VC4-16c

ODU1

STM-16

OTU3

Pointer Operations

Stuffing

Stuffing

Frequency Offset

Bild 4. OTN-Multiplexschema für ODU1 und ODU2 in OPU3


Daher ist die Mapping-Prozedur in eine OPU2 oder OPU3 Optical Payload Unit) verhältnismäßig unproblematisch. Wegen der übertakteten Bitraten („overclocked“) bei der ODU2 erfordert das Multiplexen in eine OPU3 deutlich mehr Toleranz für die verschiedenen Taktraten.

Ein zweistufiges Multiplexen ist bisher nicht vorgesehen. Gleichwohl kann eine ODU2 bereits vier ODU1-Rahmen enthalten. Entsprechende Takttoleranzen sind daher zu berücksichtigen, und entsprechend variantenreich gestaltet sich nun die Anpassung in die OPU3. Bild 5 zeigt die entsprechende Multiplexstruktur für eine ODU1 in eine OPU2. Generell sind folgende Anpassungen für eine Multiplexstruktur bei OTN nötig:

y Es sind die Pointer-Aktivitäten der synchronen Signalstruktur eines SDH-Signals auszugleichen;

y Taktangleichungen des STM-16-Signals an die OTU1 durch stuffing;

y Taktangleichungen des ODU1-Signals beim möglichen Multiplexen in OPU2;

y Ausgleich eines Taktfrequenz-Offsets bei ODU2 nach OPU3 beim Einsatz verschiedener Nutzlastsignale („overclocked“-Signale)

OTU2 OTU2FEC

Client Layer Signal(e.g. STM-16, ATM, GFP)

ODU1ODU1 OH

Alignm

ODU2

4x

OPU

1 O

H

Client Layer Signal(e.g. STM-16)ODU1 OH

Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H

Client Layer Signal(e.g. STM-16, ATM, GFP)ODU1 OH

Alignm

OPU

1 O

H

ODU2 OH

OPU

2 O

H

OPU2 PayloadODU2 OH

Alignm

OPU

2 O

H

OTU2OH


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

HOTU2 OTU2FEC

Client Layer Signal(e.g. STM-16, ATM, GFP)

ODU1ODU1 OH

Alignm

ODU2

4x

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H

ODU2 OH

OPU

2 O

H

OPU2 PayloadODU2 OH

Alignm

OPU

2 O

H

OTU2OH


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H


Alignm

OPU

1 O

H

Bild 5. Multiplexen von ODU1 in OPU2 und OTU2-Rahmen

Welche Quellsignale müssen noch integriert werden?Das Multiplexen ist ein Schritt der OTN auf dem Weg zum allgemeinen Transportmedium. Längst hat sich in der Übertragungstechnik bei 40/43 Gbit/s etabliert. Demnächst werden nach IEEE-Standard 100 Gigabit-Ethernet-Clientsignale zu übertragen sein.

Die ITU folgte bisher in der Hierarchiebildung streng der SDH mit dem Faktor 4. Mit OTU4 wird dieser Weg erstmalig verlassen. Die vervierfache Bitrate von STM-256, also 160 GBit/s plus FEC scheint wenig sinnvoll, da bereits 100 GBit/s einen extrem hohen technischen Aufwand für eine serielle Übertragung im vorhandenen Umfeld der Übertragungstechnik erfordert. Es gibt auch keinen sinnvollen Ansatz, SDH in die nächste Hierarchiestufe, also STM-1024 zu führen. Der Druck auf die Systemhersteller und Netzbetreiber, Infrastruktur für 40 Gbit/s zu schaffen, kam von Carrier-Routing Systemherstellern aus der IP-Welt. Wegen der fehlenden Ethernet-Standardisierung für Bitraten über 10 Gigabit-Ethernet wurde die SONET-Schnittstelle OC-768 gewählt, welche gleichbedeutend mit der europäischen Variante STM-256 ist. Der Bedarf für Übertragungsraten über 10 Gbit/s wird von der IP-Welt gefordert und definieren sich ausschließlich als paketorientierte Übertragung. SDH wird vermutlich bei 40 GBit/s enden. Deshalb folgt die ITU für die nächste Hierarchiestufe den IEEE-Bitraten und definiert eine OTU4 mit 112 Gbit/s um die Nutzlast 100-Gigabit-Ethernet übertragen zu können.

Um die bestehenden optischen Übertragungskanäle optimal zu nutzen würde die Netztechnik gern die sehr weit verbreiteten 10-Gigabit-Ethernet-Signale in die neue 40/43 Gbit/s-Übertragungstechnik integrieren. Ein Weg wäre, Die Ethernet-Signale über die Datenratenreduktion nach 10 Gigabit-Ethernet-WAN in den SDH-Rahmen zu mappen und diesen dann mit drei weiteren zu einem STM-256 zu multiplexen. Dieser Umweg über die SDH ist allerdings sehr komplex und erscheint wenig attraktiv.


Zweiter Weg wäre, die vier 10-Gigabit-Ethernet-Signale durch eine hohe Transkodierung im PCS-Layer (Physical Coding Sublayer) in der Übertragungsrate zu reduzieren und dann direkt in den Nutzlast-Bereich eines OTU3-Rahmen zu mappen. Die Ethernet-Welt tendiert dazu, die originären vier 10-Gigabit-Ethernet-Signale mit einer Übertragungsrate von 10,3125 Gbit/s in den OTU3-Rahmen zu multiplexen. Notwendigerweise folgt daraus ein übertakteter OTU-Rahmen OTU3e mit der Taktfrequenz 44,58 Gbit/s und einem Nutzlastbereich von 41,25 Gbit/s. Welcher Weg für die Weitverkehrsübertragung mit DWDM-Technik letztendlich Einzug in die Standardisierung findet, wird augenblicklich in den Arbeitsgruppen bei ITU diskutiert.

Über die Standardisierung der 100 Gigabit-Übertragung unter der Verwendung von Multi Lane Distribution (MLD) ergibt sich für die Rechenzentren und im Campus-Bereich eine weitere, sehr kostengünstige Möglichkeit der Übertragung. Dabei wird das 40 Gigabit-Ethernet-Signal über vier parallele Wellenlängen auf einer Multi- oder Singlemode-Faser übertragen.

Auf dem Weg zur Verallgemeinerung des OTN-Übertragungsstandards muss nach weiteren Quellensignalen gefragt werden, die in einem Backbonenetz integriert werden müssen. Für viele wird der Weg über SDH mit GFP und VCAT gehen. Das wohl am meist verbreitete Übertragungssignal in Metronetzen als Kommunikationsverbindung zwischen Firmen und Banken ist Ethernet mit 1 Gbit/s. Für dieses Signal gibt es eine mehrheitliche Präferenz im ITU-Gremium, dies ebenso in

OTN zu integrieren. Hier ist eine kostengünstigere Lösung gewünscht als dies SDH mit GFP bieten könnte. In Anlehnung an OTU1-Rahmen wird für dieses Signal ein ODU0-Rahmen definiert. Mit einer Bruttobitrate von 1,25 Gbit/s passen volumenmäßig exakt zwei ODU0 in eine OPU1, Bild 6. Somit wären die Gigabit- Ethernet-Signale bestens integriert und können jederzeit mit wenig technischem Aufwand weiter vermittelt werden. Es eröffnet sich damit auch die Möglichkeit, ODU0-Rahmen in eine OPU2 oder OPU3 zu multiplexen. Dieser Weg wird in der jetzigen Runde der Arbeitsgruppe noch nicht in Betracht gezogen.

Client Layer SignalODU0ODU0 OH

ODU1

2x

OPU

0 O

H

Client Layer Signal(GFP-T encapsulated 1GE)ODU1 OH

Alignm

OPU

0 O

H

Client Layer SignalODU0 OH

Alignm

OPU

0 O

H

ODU1 OH

OPU

1 O

H

ODU1 OH

OPU

1 O

H

TS1

TS2

TS1

TS2

TS1

TS2

TS1

TS2

ODU1with OPU1 Tributary

Slots TS1, TS2

Client Layer SignalODU0ODU0 OH

ODU1

2x

OPU

0 O

H

Client Layer Signal(GFP-T encapsulated 1GE)ODU1 OH

Alignm

OPU

0 O

H

Client Layer SignalODU0 OH

Alignm

OPU

0 O

H

ODU1 OH

OPU

1 O

H

ODU1 OH

OPU

1 O

H

TS1

TS2

TS1

TS2

TS1

TS2

TS1

TS2

ODU1with OPU1 Tributary

Slots TS1, TS2

Bild 6. ODU0-Rahmen für 1-Gigabit-Ethernet-Quellensignal, gemultiplext in OPU1

Multiplexing

Mapping

OPU4 (L) ODU4 (L)

OTU4

100GE

Not yet fully standardized

2.5G SDH/SONET

2×1GE

10G SDH/SONET, 10G WANExternal ODU1(H), ODU1(L) (4x)ODU0(L) (8x)

10GE

40G SDH/SONET External ODU2(H), ODU2e(L) (3x), ODU2(L) (3x)External ODU1(H), ODU1(L) (16x),ODU0(L) (32x)

External ODU3(H), ODU3e(L) (2x), ODU3e1(L) (2x), ODU3e2(L) (2x)External ODU2(H), ODU2(L) (10x), ODU2e(L) (10x), External ODU1(H), ODU1(L) (40x), ODU0(L) (80x)

OTU3e2

10GE (4x) / OTU2eOTU3e1

10GE

10GE

OPU4 (H) ODU4 (H)

OTU1

OPU1 (L) ODU1 (L)

ODU0 (L) ODTUG1 OPU1 (H) ODU1 (H)

OTU2

ODTUG2 ODU2 (H)

ODU2 (L)

GFP-F

OTU3

OPU3 (H) ODU3 (H)

OPU3 (L) ODU3 (L)

ODTUG3

MUX stage OPU3e2 (H) ODU3e2 (H)

ODTUG3e1 OPU3e1 (H) ODU3e1 (H)

ODTUG4

OPU2e (L) ODU2e (L) OTU2e

OTU1eODU1e (L)

OPU2 (L)

OPU2 (H)

OPU1e (L)

OPU0 (L)GFP-T

Bild 7. OTN Mapping Übersicht


Im ITU-Dokument G.Sup43 [2] sind weitere vorhandene Verfahren als eine Art Bestandsaufnahme beschrieben. Welche davon in die Standardisierung einfließen werden, ist noch offen. Bild 7 zeigt die möglichen Mapping Strukturen bei OTN mit den verschieden Varianten von ODU Multiplexing. Nicht alle werden realisiert werden. Die Praxis wird zweigen, welche Möglichkeiten die größte Akzeptanz bei den Netzbetreibern finden.

Eine Außenseiterposition hat bis heute das Über-tragungsprotokoll FibreChannel (FC). Hauptsächliche Verwendung findet das Ethernetverwandte Protokoll in Storage Area Network-(SAN-)Applikationen, bei der mit großen Datenpaketen ein möglichst hoher Durchsatz erzielt wird. Wegen der zeitkritischen Bestätigungsmeldungen dieses Protokolls ist die Integration in übergeordnete Übertragungsrahmen problematisch. Die Übertragung erfolgt daher häufig als Punkt-zu-Punkt Verbindung und in DWDM-Systemen auf einer separaten Wellenlänge. Eine Einbindung in eine Netzwerkmanagementfunktionen ist nicht möglich. Bei der Standardisierung von Übertragungsraten wird bei FibreChannel streng eine Verdoppelung der Netto-Bitrate verfolgt: 1GFC, 2GFC, 4GFC, 8GFC, 16GFC, 32GFC. Eine Ausnahme dieser Regel bildet das bis heute als höchste Übertragungs¬rate existierende 10GFC-Signal, weil damit erstmalig das Multiplexen in OTN durch die sogenannten „overclocked“ Rahmen ermöglicht wurde. Trotzdem wird heute eher 8GFC bevorzugt.

Der OTN Standard ermöglicht auch dafür einen Weg: Nur für FibreChannel entwickelt, gibt es die Möglichkeit einer Integration mit GFP-T („T“ steht für Transparent). Allerdings muss noch zusätzlich eine Rahmungsprozedur GFP-F („F“ steht für framed) nachgeschaltet werden, da nur so „Idle“-Rahmen dem Nutzsignal zugefügt werden können, um auf die OTN Übertragungsrate zu kommen. Dadurch erhöht sich die Signallaufzeit für die Übertragung und es erscheint fragwürdig, ob bei FibreChannel die Übertragung mit sehr zeitkritischen Bestätigungsmeldungen noch im Limit liegt. Die geforderten niedrigen Signallaufzeiten (Round Trip Delay) sind übrigens der wesentliche Grund, warum der Ethernet-Standard für die SAN-Übertragung ungeeignet ist. 16GFC und 32GFC sind beim Standardisierungsgremium in der Evaluation. Diese Weiterentwicklung wäre ein großer Schritt weg von allen bereits standardisierten Übertragungsrahmen, die eine einfache Integration ermöglichen. Damit verbliebe FibreChannel immer in einem Parallel-Universum der Übertragungstechnik.

Messtechnik für optische TransportnetzeFür eine Ende-zu-Ende-Messung ändert sich zunächst an der Anforderung für die Messtechnik nichts. Selbstverständlich müssen die entsprechenden Schnittstellen und das entsprechende Protokoll adressiert werden können, also z. B. SDH, OTN oder Gigabit-Ethernet. Deutlich komplexer wird es dann, wenn Netzelemente der neuen Generation auf ihre Funktion überprüft werden sollen – vor allem, ob das Mapping richtig ausgeführt wird und ob die Signalisierungen entsprechend gesetzt und ausgewertet werden. Selbstverständlich muss ein Messgerät auch alle in die Systemtechnik integrierten Funktionen testen können. Um nur eine Funktion zu nennen, im ODU Rahmen wird im „Genaral Communication Channel“ GCC Management Informationen des Netzwerkes übertragen GCC1 und GCC2 sind im ODU-Rahmen (Bild 8), GCC0 befindet sich im OTU-Rahmen. Ein Tester muss in der Lage sein, diese Übertragung für einen längeren Zeitraum aufzuzeichnen, um wichtige Signalisierungsinformation auswerten zu können. Hier sind auch wichtige OTN-Funktionen wie Path Monitoring (PM), Tandem Connection Monitoring (TCM) und Automatic Protection Switching (APS) zu finden.

Column #

RES ACT

TCM3

GCC1 GCC2

1 2 3 4

2

3

4

TCM2

TCM6 TCM5TCM

TCM1

APS/PCC RES

5 6 7 8 9 10 11

PM

TCM4 FTFL

EXP

12 13 14

Row

#

ODU Overhead

Bild 8. ODU overhead

Alle beschriebenen Erweiterungen des OTN-Standards fordern daher eine Messtechnik, mit der man diese auch prüfen kann. Bild 9 zeigt die prinzipiellen Anordnungen, die ein Messgerät abdecken muss. „Terminate“ ist das oben angesprochene Ende-zu-Ende-Messprogramm. Das OTN-Multiplexing wird funktionell mit einem zusätzlichen ODU-Layer abgebildet.


DUT

PHYS PHYS

OTN

ODU

TX RX

SONET

OTN

ODU

SONET

OTN Multiplexing

DUT

PHYS PHYS

OTN

PCS

TX RX

MAC/IP

DUT

OTN

Through Mode

Wrapper/De-Wrapper

DUT

PHYS

PCS

MAC/IP

TX

PHYS

OTN

PCS

RX

MAC/IP

Terminate

DUT

PHYS

OTN

SDH

TX

PHYS

OTN

SDH

RX

Bild 9. Testprozeduren für die erweiterte Transportstruktur nach ITU-T-Standard G.709 mit dem Messgerät ONT-506 von Viavi

Mit der Wrapper/De-Wrapper- Funktion wird die Eigenschaft der Netzelemente, Client-Signale in den OTN Übertragungsrahmen zu multiplexen bzw. zu demultiplexen, getestet und verifiziert. Eine besondere Bedeutung kommt der „Trough-Mode“-Funktion zu. Damit kann auf der Übertragungsseite das OTNSignal mitsamt des Nutzsignals durch das Messgerät geschleift und gleichzeitig analysiert werden (non-intrusive). Im Intrusive-Modus kann auf die Signalisierungsinformation des OTN-Rahmens Einfluss genommen werden, um das entsprechende Verhalten des empfangenden Netzelements zu testen. Die Komplexität eines Messgeräts erhöht sich gleichzeitig mit der Implementierung der OTN-Erweiterung deutlich und unterscheidet sich gravierend von den Testfunktionen eines einfachen Ende-zu-Ende-Testers (Bild 10).

Bild 10. Multiplexen von ODU2 in OPU3 mit dem ONT-506 von Viavi

Die Komplexität eines Messgeräts erhöht sich gleichzeitig mit der Implementierung der OTN-Erweiterung deutlich und unterscheidet sich gravierend von den Testfunktionen eines einfachen Ende-zu-Ende-Testers.


AusblickDie Übertragungstechnik der Telekommunikation hat bereits viele Wege beschritten. Manche wurden hoch gelobt und waren genauso schnell wieder verschwunden. Andere haben sich kontinuierlich weiterentwickelt. SDH hatte als Transportmedium nun über 20 Jahre Bestand. Auf Grund der Möglichkeiten in der optischen Übertragung kann SDH allerdings nicht mehr mithalten. Die optischen Transportnetze gemäß der Standardisierung nach ITU G.709 haben in Fortführung von SDH die Bewährungsprobe bestanden und stellen ein belastungsfähiges Übertragungsmedium für Telekommunikationsnetze dar. Vieles ist auf dem Weg - es bleiben aber in fast allen Hierarchieebenen noch Aufgaben zu erledigen. Kontinuität in der Integration zukünftiger Übertragungsraten ist gefragt. Die Messtechnik hat dabei die Aufgabe, diesen Entwicklungen zu folgen, um die Funktionen der Netzelemente und der Übertragungstechnik zu gewährleisten. Deshalb arbeitet Viavi aktiv in den entsprechenden Standardisierungsgremien mit, um einerseits die Telekommunikationsnetze der Zukunft mitzugestalten, aber auch, um Messlösungen zeitnah dafür bereitzustellen.

AbkürzungenDWDM Dense Wavelength Division MultiplexingFC Fibre ChannelFEC Forward Error CorrectionGbE Gigabit-EthernetGFP Generic Frame ProcedureGFP-F Generic Frame Procedure, Frame mappedIEEE Institute of Electrical and Electronics EngineersITU-T International Telecommunication Union –

Telecommunication Standardization SectorLAN Local Area NetworkLCAS Link Capacity Adjustment ShemeOCh Optical ChannelODU Optical Data UnitOMS Optical Multiplex SectionOPU Optical Payload UnitOTM Optical Transport Network ModuleOTN Optical Transport NetworkOTS Optical Transport SectionOTU Optical Transport UnitPCS Physical Coding SublayerSDH Synchronous Digital HierarchySonet Synchronous Optical NetworkSTM Synchronous Transport ModuleTK TelekommunikationVC Virtual ContainerVCAT Virtual Concatination

N

T


Literatur1. Kiefer, R.; Winterling, P.: DWDM, SDH & Co. Technik und Troubleshooting in optischen Netzen. 2., neubearb. u. erw. Aufl., 2002, Bonn: VMI

Industriebuch

2. ITU-T-Dokument G.Sup43: Transport of IEEE 10GBase-R in optical transport networks (OTN)

3. ITU-T-Dokument Rec. G.709/Y.1331 (2003) Amendment 3 (04/2009)

4. Walker, T. P.: Optical Transport Network (OTN) Tutorial. www.itu.int/ITU-T/studygroups/com15/otn/OTNtutorial.pdf

5. Duelli, M. u. a.: Performance Evaluation of IP over Cost-Optimized Optical Multilayer Networks with SRLGs. 9. ITG-Fachtagung Photonische Netze, Leipzig, April 2008. In: Photonische Netze. ITG-Fachber. 207. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG, 2008

6. Winterling, P.: 43 Gbit/s – die nächste Generation für die Messtechnik. ntz Fachz. f. Inform.- und Kommunik.-tech. 60 (2007) H. 2, S. 18 – 22

7. Ziemann, O.: Wann kommt Terabit-Ethernet – oder die mathematische Spielerei der Extrapolation. ntz Fachz. f. Inform.- und Kommunik.- tech. 62 (2009) H. 5, S. 26 – 27

8. Raddatz, L. u. a.: DWDM Transmission of OTU3 (43 Gb/s) Data over 7000 km of Conventional Non-Zero Dispersion Shifted Fiber. 7. ITG-Fachtagung Photonische Netze, Leipzig, April 2006. In: Photonische Netze. ITGFachber. 193. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG, 2006 n

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OTN auf dem Weg zum Transportmedium der Zukunft · der LAN-Welt kennt keine Netzwerkmanagement-Funktion, OTN nach ITU-T Rec. G.709 mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen für die optischen