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ATM-Switches garantieren flexible Bandbreite Fruehes Vertrauen in ATM gibt Budget- und Planungssicherheit

01.04.1994

ATM zumindest auf dem Backbone. So lautet die zentrale Forderung von Hadi Stiel* an kuenftige Internetworking-Strukturen, die der Autor auch jedem Anwender ins Stammbuch schreibt, der vor der Neukonzeption oder Erweiterung eines unternehmensweiten Netzes steht. Dabei lassen sich, so Stiel, zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: die Realisierung von mehr Bandbreite fuer kuenftige Multimedia-Anwendungen sowie die Integration bereits vorhandener Techniken.

Dass die momentanen Bandbreiten in LANs kuenftig nicht mehr ausreichen, ist eine nur schwer wegzudiskutierende Tatsache. Allein die in den vergangenen zehn Jahren um den Faktor 100 angestiegene Prozessorleistung sowie immer komplexere Anwendungen erfordern einen betraechtlich hoeheren Datendurchsatz. Zudem schrauben neue IT-Strukturen oder -Philosophien, etwa die verteilte Verarbeitung, den Bandbreitenbedarf zusaetzlich in die Hoehe.

Shared-Media-Technik begrenzt die Bandbreite

Hinzu kommt, dass an neuen, bahnbrechenden und somit letztlich durchsatzstaerkeren LAN-Techniken seit Beginn der 80er Jahre nicht viel hinzugekommen ist, sieht man von der 100-Mbit/s-FDDI-Technik (Fiber Distributed Data Interface) einmal ab, deren Verbreitungsgrad bis heute jedoch unter einem Prozent liegt. Zudem sind all diese LAN-Technologien sogenannte Shared-Media-Techniken, dass heisst, alle angeschlossenen Systeme muessen sich die zur Verfuegung stehende Bandbreite teilen.

Dieses Konzept zeitigt bei zunehmender Stationsanzahl insbesondere im Ethernet-LAN drastische Auswirkungen. Nicht nur, dass sich in einem solchen Anwendungsszenario alle angeschlossenen Endgeraete die 10-Mbit/s-Bandbreite quasi partnerschaftlich teilen muessen - das spezifische Zugriffsverfahren Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection (CSMA/ CD), das den konkurrierenden Zugriff auf den gemeinsamen Ethernet-Bus regelt, kostet mit steigender Endgeraetezahl auch zusaetzliche Bandbreite, da die Kollisionswahrscheinlichkeit beim Sendeaufruf drastisch zunimmt.

Um die Datenlast weitgehend in den einzelnen Subnetzen zu halten, muss ein Netz durch den Einsatz von Bruecken und Routern segmentiert werden. Waren noch vor fuenf Jahren Netzsegmente mit 300 Endgeraeten keine Seltenheit, wurde die Zahl der "Endknoten" durch den Einsatz von Internetworking-Komponenten drastisch auf heute durchschnittlich 30 bis 40 reduziert. Via Ethernet-Switching lediglich zwei Stationen zu verbinden und beiden die komplette 10- Mbit/s-Bandbreite bereitzustellen, das charakterisiert derzeit den letzten Segmentierungsschritt, womit gleichzeitig auch das Ende der Fahnenstange erreicht ist.

Was also tun, wenn es darum geht, dem Netz mehr Bandbreitenpolster zu verschaffen? Vor allem, wenn kuenftig parallel neben den LAN- Daten auch Sprache und Bilder zu uebertragen sind. Um welche multimediale Dimensionen es dabei sehr schnell gehen wird, verdeutlichen folgende Beispiele: So werden fuer die Uebertragung von Sprache mit einer Bandbreite von vier Kilohertz 64 Kbit/s benoetigt, waehrend bereits ein herkoemmliches Video - abhaengig von der Bildaufloesung und vom angewandten Kompressionsverfahren - zwischen 10 und 90 Mbit/s an Bandbreite benoetigt. Beim hochaufloesenden Fernsehen (HTDV) mit Bildschirminhalten von 1000 bis 1200 Zeilen sind sogar bis zu 900 Mbit/s an verfuegbarer Bandbreite erforderlich.

Noch bestimmen in 99 Prozent aller Faelle die zu Beginn der 80er Jahre definierten LAN-Techniken wie Ethernet und Token Ring das Kommunikationsgeschehen in den Unternehmen. Um so dringender ist es, fuer den erhoehten Bandbreitenbedarf bereits heute die Weichen zu stellen, wenn nicht schon morgen betraechtliche Investitionen auf dem Spiel stehen sollen, die vor allem aus kostenintensiven Veraenderungen der Netzinfrastruktur resultieren. Anders formuliert: Wer heute noch meint, die kombinierte Uebertragung von Daten, Sprache und Video sei fuer sein Unternehmen kein Thema, den koennte die Realitaet schon morgen einholen.

Mit dem Einsatz des Asynchronous Transfer Mode (ATM) sind jedenfalls heute die Weichen fuer zukuenftige bandbreitenaufwendige Applikationen gestellt. Im Gegensatz zu anderen LAN-Techniken wurde hier ein gemeinsamer und weltweit verbindlicher Rahmen sowohl fuer den LAN- als auch fuer den WAN-Bereich abgesteckt, der Investitionen in diese Technologien schon heute absichert. Alle massgebenden TK-Anbieter haben sich mittlerweile auf den Einsatz der ATM-Technik geeinigt.

Auch der Standardisierungsprozess ist weit vorangeschritten. So hat die International Telecommunications Union (ITU) bereits Empfehlungen fuer das B-ISDN-Modell, die sogenannte I-Serie, definiert. Insbesondere fuer ATM im lokalen Bereich macht sich auch das ATM-Forum stark, dem mittlerweile mehr als 100 DV-Unternehmen angehoeren. Die Aufgabe, die sich das Herstellerkonsortium gesetzt hat, lautet: Festlegung gemeinsamer und verbindlicher Richtlinien, die die Standardisierung von ATM vorantreiben sollen - und zwar sowohl im WAN- als auch im LAN-Bereich.

Mit der Einfuehrung neuer Applikationen wird vor allem der zentrale Backbone schnell in den Mittelpunkt des Informationsgeschehens geraten. Hier gilt es zuerst neues Bandbreitenpotential fuer kuenftige Netzentwicklungen zu schaffen. Parallel sollen sich die daran angeschlossenen Segmente wenn moeglich aber auch in konventioneller Technik weiterbetreiben lassen. Auf den ersten Blick keine leichte Aufgabe. ATM arbeitet hier verbindungsorientiert, das heisst, zwischen zwei benachbarten ATM- Switches wird eine feste virtuelle Verbindung aufgebaut, bevor die Informationen denn transferiert werden.

Alle anderen ATM-Schalteinheiten und -Verbindungen sind an diesem Kommunikationsschritt nicht beteiligt. Dies ist in Ethernet-, Token-Ring- und FDDI-Installationen anders, bei denen ein gemeinsames Medium (Bus oder Ring) fuer die Kommunikation genutzt wird und Broadcast-Nachrichten fuer die Verstaendigung der Systeme untereinander erforderlich sind. ATM und herkoemmliche LAN- Techniken koennen also nur koexistieren, wenn der ATM-Switch Broadcast-Nachrichten erkennt, kopiert und ueber alle Kanaele und Anschluesse des ATM-Netzes an die anderen Switches verteilt - eine Funktionalitaet, die entsprechende Management-Systeme im Zusammenspiel mit ATM-Switches bereits beherrschen.

Vom Paket zur Zelle: ATM splittet die Daten

Damit aber Informationen beispielsweise von einer Station innerhalb eines Ethernet-Segments via ATM-Backbone an die Station des anderen Ethernet-Segmentes uebertragen werden koennen, muss ebenfalls ein sogenanntes Verbindungs-Management-System in Aktion treten. Es kennt alle Endknoten und Wege innerhalb des Netzes und sorgt dafuer, dass der jeweilige ATM-Switch weiss, ueber welchen Kanal und Anschluss er die Informationen weiterzuleiten hat. Gesteuert wird die Informationsweitergabe ueber den einen Byte langen VPI (Virtual Path Indentifier) und den zwei Byte langen VCI (Virtual Channel Identifier). Das Zusammenspiel zwischen den ATM-Switches und dem Verbindungs-Management-System wurde vom ATM-Forum im UNI 3.0 (User-to-Network-Interface) mit der Q.93B-Definition festgelegt.

Fuer die Konvertierung herkoemmlicher LAN-Dateien in ATM-Pakete und umgekehrt wurden auch durch den Aufbau der ATM-Zelle gute Voraussetzungen geschaffen. Deren Struktur mit einer festen Laenge von 53 Bytes, wobei die ersten 5 Bytes fuer den Header mit den Steuerinformationen reserviert ist, ermoeglicht es, Ethernet-, Token-Ring- und FDDI-Pakete in Zellen fixer Laenge aufzuteilen und ihnen den ATM-spezifischen Header voranzustellen. Jenseits des ATM-Backbones wird umgekehrt die ATM-Zelle wieder ins urspruengliche Paketformat gewandelt und an die Zielstation weitergereicht.

Mit ATM ist aber nicht nur die flexible Kombination unterschiedlicher LAN-Techniken moeglich. Das neue Uebertragungsverfahren wurde auch unabhaengig von den darueberliegenden Protokollen konzipiert. Konkret: Protokolle wie TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol), Decnet, LAT (Local Area Transport), Netware IPX (Internetwork Packet Exchange), Vines und Netbios lassen sich ebenso wie gebrueckte SNA- Pakete (Systems Network Architecture) problemlos transportieren. Die Unabhaengigkeit von den darueberliegenden Protokollen liegt auch darin begruendet, dass ATM hinsichtlich der Fehlerprozeduren weitgehend von diesen Varianten entkoppelt werden konnte, selbst also keine Fehlerwiederholungs- und Fehlerberichtigungs-Prozeduren vornimmt, die nur noch von den Protokollen der Ebene 3 und hoeher durchgefuehrt werden.

ATM ist unabhaengig von der physikalischen Schicht

Die Unabhaengigkeit der ATM-Uebertragungstechnik von der physikalischen Netzwerkschicht bietet dem Anwender noch einen weiteren Vorteil. Er kann flexibel auf unterschiedlichen physikalischen Uebertragungsmedien aufsetzen. Dementsprechend hat das Normierungsgremium ITU-CCITT (International Telegraph and Telephone Consultative Committee) mit CCITT I.432 und CCITT G.7xx fuer die Weitverkehrsuebertragung lediglich Empfehlungen ausgesprochen, ATM-Zellen ueber SDH-Netzwerke (Synchrone Digitale Hierarchie) mit Transferraten von 155 Mbit/s und 622 Mbit/s sowie ueber traditionelle PDH-Netzwerke (Plesiochrone Digitale Hierarchie) mit Schnittstellen wie E1, DS1, E3 und DS3 zu multiplexen.

In gleicher Weise hat das ATM-Forum mit UNI 3.0 im LAN-Bereich Zuordnungen zu unterschiedlichen Transportmedien und Uebertragungs- Geschwindigkeiten geschaffen. Im UNI 3.0 sind alle Spezifikationen wie zur Signalisierung nach Q.93B enthalten, die fuer die Realisierung standardkonformer ATM-Produkte notwendig sind. Dabei bieten drei Kabelarten gute Perspektiven, auf ATM-Basis im LAN auf bestehende Verkabelungssysteme aufzusetzen.

So wurde vom ATM-Forum fuer die direkte Zellenuebertragung im LAN im 155-Mbit/s-Takt ueber optischen Medien Multimode-Glasfaser mit einem Durchmesser von 62,5 +m und 50 +m empfohlen. Die Spezifikationen sind im UNI 3.0 definiert und orientieren sich darueber hinaus am SDH/SONET-Standard (Synchronous Optical Network) von ITU. Grund fuer die Orientierung an SDH/SONET ist es, einen nahtlosen Uebergang vom ATM-LAN zum -WAN zu ermoeglichen. Distanzen bis zu zwei Kilometern lassen sich dabei mit beiden Versionen im lokalen Netz ueberbruecken. Als Steckverbindungen wurden BFOC/2.5- (IEC86B)-Stecker spezifiziert.

Gleichzeitig ist das ATM-Forum gerade dabei, den Betrieb von ATM im LAN auf Unshielded-Twisted-Pair-Kabel zu spezifizieren, wobei 100-Ohm-Kategorie-5-Kabel und RJ-45-Stekker vorgesehen sind. Allerdings sollte die Entfernung bei diesem Kabeltyp nicht mehr als 100 Meter betragen. Die entsprechenden Definitionen wurden im UNI 3.0 hinterlegt. Auch ein anderer Vorschlag, ATM-Zellen ueber UTP-Kabel zu uebertragen, wird derzeit vom ATM-Forum (Arbeitsgruppe UTP-3) ins Auge gefasst. Der Vorschlag geht auf eine Initiative von IBM zurueck und sieht Geschwindigkeiten von 25,6 Mbit/s und 52 Mbit/s sowie eine maximale Entfernung von 100 Metern vor. Zudem hat das weltweite Herstellerkonsortium fuer den Wechsel von FDDI auf ATM bereits mit der TAXI-Schnittstelle Zeichen gesetzt. Deren Spezifikationen wurden ebenfalls im UNI 3.0 definiert.

Damit die bestehende Lichtwellenleiter-Verkabelung (LWL) weiter genutzt werden kann, hat man die FDDI-spezifischen Glasfaser- und Signalisierungs-Definitionen (62,5-+m-Multimode- Faser und 4B/5B- Codierung des Bit-Stroms) in die ATM-Definitionen uebernommen. Der Einsatz des FDDI-Chips fuer die 4B/5B-Codierung der Uebertragungsdaten eroeffnet zudem den Weg, auf die bestehende Technik aufsetzen und schnell mit kostenguenstigen ATM-Produkten auf den Markt kommen zu koennen.

Als Steckverbinder ist der ISO 9314-3 definierte MIC-Stecker (Media Interface Connector) vorgesehen.

Die Moeglichkeit, die installierten LAN-Techniken flexibel mit dem ATM-Backbone zu kombinieren und im Kernbereich beliebige Kommunikationsprotokolle zu transferieren sowie auf unterschiedlichen Kabeln aufzusetzen, bietet dem Anwender gute Voraussetzungen dafuer, ATM verhaeltnismaessig sanft in seinem Unternehmen einzufuehren und mit der Zeit flexibel auszubauen. Das ATM-Netz laesst sich jederzeit durch neue Schalteinheiten ergaenzen, deren Durchsatz als zusaetzliche und ungeteilte Kapazitaet neuen Netzwerkteilnehmern zur Verfuegung gestellt werden kann. Ein Engpass koennte kuenftig also nur noch im ATM-Switch selbst entstehen - die Entwickler von ATM-Schalteinheiten haben dieses Problem durch einen geraeteinternen Durchsatz von rund 10 Gbit/s jedoch bereits weitgehend entschaerft. Um die Migration zu ATM sanft zu gestalten, muss der Anwender sein ganzes Augenmerk auf die richtige Verkabelungsstruktur richten. So laesst die ATM-Technik grundsaetzlich nur eine Sternstruktur zu. Anders als bei Ethernet- Installationen, die als Stern ausgelegt sind, und bei Token-Ring- Installationen, die trotz der Ring-Technik in der Regel sternfoermig verkabelt sind, muss bei FDDI-Installationen die richtige Kabelstruktur von vornherein festgelegt werden.

Hier gilt es beispielsweise, jede Etage mit einem gesonderten Doppelring an das zentrale Patch-Feld heranzufuehren. Auf diese Weise wird im Backbone-Bereich eine Sternstruktur gelegt, die spaeter einen flexiblen Wechsel auf ATM auch in der FDDI-Umgebung erlaubt.

Wer heute auf FDDI bis in die Arbeitsgruppe setzen will, sollte ebenso sternfoermig verkabeln, damit einem Wechsel zu ATM kuenftig nichts im Wege steht. Realisiert wird die Stern-Infrastruktur, indem ein FDDI-Konzentrator im Single-Attached-Station-(SAS-)Modus mit dem FDDI-Backbone verbunden wird. Damit werden alle Arbeitsgruppen-PCs sowie FDDI-Work- stations sternfoermig an den Konzentrator herangefuehrt.

Sternverkabelung sichert den Migrationsweg zu ATM

Mit den fortschreitenden Standardisierungsmassnahmen und getragen durch die marktbestimmende Initiative des ATM-Forums wird ATM zusehends Realitaet in Form konkreter Produkte werden. So bietet beispielsweise der Hub-Hersteller Synoptics schon zwei ATM- Switches, mit 16 155-Mbit/s-SDH/Sonet- beziehungsweise 16 4B/5B- 100-Mbit/s-TAXI-Anschluessen an. Auch andere namhafte Hersteller in diesem Marktsegment, etwa Chipcom und Cabletron, werden im Verlauf dieses Jahres ATM-Schnittstellen fuer ihre Hub-Systeme ankuendigen.

Auch hinsichtlich der ATM-Schnittstellen fuer Endsysteme kommt Bewegung in die Szene. Sowohl Sun Microsystems als auch Network Peripherals entwickeln derzeit ATM-Endgeraete-Schnittstellen fuer SBus-Rechner. Die ATM-SBus-Schnittstelle von Sun Microsystems ist bereits erhaeltlich, die von Network Peripherals steht kurz vor der Freigabe. Darueber hinaus wird das Unternehmen zu einem spaeteren Zeitpunkt ATM-Schnittstellen fuer Mikrokanal- und EISA-Systeme auf den Markt bringen. Viele dieser Schnittstellen werden sowohl Multimode-Faser als auch UTP-Kabel unterstuetzen. Zudem haben einige Router-Hersteller ATM-Schnittstellen-Module fuer ihre Modelle angekuendigt, darunter auch Marktfuehrer Cisco Systems, der seine Loesung bereits im Oktober auf der Interop in Paris vorgestellt hat. Wellfleet und 3Com werden laut eigener Aussage folgen.

Der Trend geht also eindeutig hin zu ATM, stellt diese Technik doch das ideale Uebertragungsverfahren fuer alle Arten kuenftiger Anwendungen dar. Da ATM-Switches mehrere Zellen parallel verarbeiten koennen und fuer die Uebertragung das Potential aller Verbindungen im ATM-Netzwerk zur Verfuegung steht, sind damit erstmals beste Voraussetzungen dazu geschaffen, genuegend Bandbreite in Netzen auch im Hinblick auf eine laengerfristige Option sicherzustellen. Jeder Anwender, der heute ein Netz plant oder erweitert, sollte deshalb die Perspektive ATM im Auge behalten, um nicht morgen ploetzlich vor teuren und am Budget zehrenden Re-Investitionen zu stehen.