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30.06.1989 - 

Der CircuitPacket-Switch-Ring überträgt Daten per Paket- oder Leitungsvermittlung:

Dem 100-Megabit-Backbone gehört die Cantus-Zukunft

SAARBRÜCKEN - Mit Cantus - dem Campus-Netz der Universität des Saarlandes - hat die Hochschule in Saarbrücken mehrere Fliegen mit einer Klappe geschlagen. Neben Diensten wie E-Mail wurde zum Beispiel ein Zugang an das Datex-P-Netz über einen BS2000-Rechner von Siemens geschaffen. Nachdem in CW Nr. 19 die Cantus-Realisierung beschrieben wurde, befaßt sich folgender Artikel mit der Struktur des Circuit/Packet-Switch-Ringes. darauf aufbauenden Pilotprojekten sowie dem zukünftigen Ausbau des Hochschulnetzes.

"Grundvoraussetzung für moderne Telekommunikation an und zwischen den Hochschulen sind leistungsfähige, hochschulinterne Rechnernetze, die von nun an ebenso zur Grundversorgung einer Hochschule gehören müssen, wie das Wasser, Energie- und Telefonnetz . . ." So lautet die Forderung der Kommission für Rechenanlagen der Deutschen Forschungsgemeinschaft in ihrem Netzmemorandum zu Notwendigkeit und Kosten der modernen Telekommunikationstechnik im Hochschulbereich.

An der Universität des Saarlandes wurde schon relativ früh mit der Konzeptionierung und Realisierung einer Infrastruktur zur Datenkommunikation begonnen. Der Weg führte von einem sternförmigen Terminalnetz zu dem heute installierten vermaschten Knotennetz Cantus.

Netzevolution ist jedoch ein Dauerthema; heute mehr denn je. Hierbei gilt die Glasfasertechnik als eine der Schlüsseltechnologien. Technisch gesehen hat man die Glasfasertechnik heute sicherlich im Griff und - ein sehr wichtiger Punkt ist - sie ist mittlerweile finanzierbar. Die Vorteile der Lichtwellenleiter-Technik (LWL), wie die hohe Bandbreite, die qrößere Reichweite, die elektromagnetische Immunität und die Vereinfachung des Kabelverlegens (kleinere Abmessungen, geringes Gewicht) machen den Einsatz eines solchen Mediums gerade als Backbone-Netz zur schnellen Kommunikation innerhalb eines ganzen Campus besonders interessant.Um mit der rasanten Entwicklung Schritt halten zu können, wurde innerhalb des I.I.I-Projektes (Innovative Informations-Infrastrukturen) einem Gemeinschaftsprojekt der Universität des Saarlandes und der Siemens AG, München, in einem Teilprojekt ein optisches CSMA/CD-Netz in einem Pilotversuch getestet. Darüber hinaus wurden Arbeiten mit und um den optischen CP-Ring (Circuit/Packet-Switch-Ring) durchgeführt .

Der CP-Ring, in seiner derzeitigen Variante als CP-16-Ring mit einer Übertragungsrate von 32 Megabit pro Sekunde, ist der Schritt in Richtung FDDI 2 (Fiber-Distributed-Data-Interface). FDDI 2 ist die Erweiterung von FDDI 1, einem nach dem Token-Ring-Prinzip arbeitenden Glasfasernetz mit der Übertragungsrate von 100 Megabit pro Sekunde. Derzeit sind die Standardisierungsbemühungen für FDDI 1 voll im Gange. Der ANSI X3T9.5-Ausschuß, der mit der Erarbeitung der FDDI-Standards beschäftigt ist, rechnet mit einem Abschluß zum Ende des Jahres 1989.

Interessant bei der Entwicklung des CP-Rings ist die Möglichkeit, sowohl paketvermittelnd als auch leitungsvermittelnd zu arbeiten. Die Beschäftigung mit diesem Ring innerhalb des Kooperationsprojektes und einem sich daran anschließenden Folgeprojekt bot die Möglichkeit, erste Erfahrungen in dieser neuen Technologie zu sammeln.

Token-Ring stand beim Cantus-Netz Pate

Der CP-Ring (Circuit/Packet Switch) ist ein fehlertolerantes breitbandiges Glasfasernetz mit Ringtopologie, das nach einem hybriden Zugriffsprotokoll arbeitet. Informationen können sowohl per Leitungsvermittlung als auch per Paketvermittlung übertragen werden. Daten, die mittels Paketvermittlung versandt werden, bezeichnet man als P-Daten (Burst), solche, die per Leitungsvermittlung gesendet werden,

als C-Daten (Stream). Dabei ist es unerheblich, ob es sich um die Übertragung von Sprache, Text oder Bildern handelt .

Als Übertragungsmedium werden Lichtwellenleiter verwendet. Vorzugsweise werden GradientenfaserLWL mit Kerndurchmessern von 62,5Ám und einem Manteldurchmesser von 125Ám (G62,5/125) eingesetzt. Die Eigenschaften der LWL bestimmen den Entwurf und die Bemessung von Übertragungsstrecken, kurz den Verkabelungsplan. Maßgeblich ist einmal die Dämpfung der Lichtwellen, zum anderen aber auch die Verzerrung des Signals, das dem Licht als Intensitätsänderung aufgeprägt wird. Ein Anschluß an den Ring erfolgt grundsätzlich über bypassfähige Anschalteinheiten (Ring Coupler and ypass: RCB). Durch die Bypass-Funktion werden nicht betriebsbereite Ringstationen (defekte Station,Ausfall der Stromversorgung, etc.)vom Ring abgetrennt, wobei gleichzeitig ein durchgehender Lichtpfad eschaltet wird. Damit ist gewährleistet, daß der Ring optisch nicht unterbrochen wird. Der Abstand zwischen zwei RCBs kann maximal zwei Kilometer betragen. Die Anzahl der RCBs sollte wegen Jitterakkumulation, die sich besonders störend auf die Übertragung von C-Daten auswirkt, je Ring die Zahl 50 nicht übersteigen. Der gesamte Ringumfang ist auf maximal 100 Kilometer festgelegt.

Der RCB und die abgesetzte Ringsteuereinheit bilden zusammen den eigentlichen Ringknoten; beide sind durch ein sogenanntes Dropcable miteinander verbunden. Die Ringsteuereinheit (UCB Universal-Controller-Board) enthält einmal die Schnittstelle zum Ring, ferner eine Busschnittstelle zur Übergabe der P-Daten sowie eine Schnittstelle für C-Daten.

Die nominelle Übertragungsrate des CP-Rings in der Form des CP- 16-Rings beträgt 32 Megabit pro Sekunde, die sich in je 16 Megabit für die C- und P-Daten aufteilt. Auf dem CP- 16-Ring werden die C- und P-Daten byteweise und abwechselnd in einem 125Ás dauernden Synchronrahmen transportiert. Der Synchronrahmen enthält 512 Zeitschlitze, die sich aufteilen in ein Rahmensynchronwort (2 Byte), 255 Byte C-Daten und 255 Byte P-Daten.

C-Teil: Die Dauer des Synchronrahmens (125Ás) orientiert sich an den Sprachverbindungen. Ordnet man je einem C-Zeitschlitz eine Sprachverbindung zu, so muß sich dieser Zeitschlitz alle 125Ás wiederholen, damit eine Übertragungsrate von 64 Kilobit pro Sekunde relaisiert wird. Wird die Sprache abstrahiert und die Anzahl der Zeitschlitze je Verbindung erreicht, erhält man damit eine schnellere Verbindung mit der entsprechend höheren Übertragungsrate. Die Zuordnung der C-Zeitschlitze zu den Verbindungen ist für die Dauer der Verbindung fest eingestellt; insofern spricht man hier von Leitungs- oder Kanalvermittlung. Bevor nun ein Datentransfer stattfinden kann, muß diese Einstellung vorgenommen werden. Die Kanäle werden beim Ring-Hochlauf reserviert und festgehalten (statisches Routing). Der Zugang zum leitungsvermittelnden C-Teil erfolgt über die PCM30-Schnittstelle (CCITT G703 ,2,048MBit/s).

P-Teil: Bei der Übertragung der P-Daten verfährt man zumindest ab Schicht 2 des ISO-Referenzmodells konform zum Token-Ring-Protokoll (IEE802.5). Es werden Datenpakete gebildet, die das Token-Ring-Format besitzen, und diese werden dann in die P-Zeitschlitze abgelegt. An welcher Stelle die Datenpakete im Synchronrahmen beginnen, ist unerheblich. Datenpakete können sich also auf zwei oder mehrere Synchronrahmen aufteilen.

Schicht 1 ist nicht mit Standard-LAN-Lösungen vergleichbar. Unterschiede ergeben sich einmal aus der höheren Übertragungsrate, insbesondere aber durch das Multiplexen von C- und P-Daten. Verwendet man beispielsweise den CP-16-Ring ausschließlich im Paketmodus, so entspricht dies einem Ring-Netz mit der vierfachen Übertragungsrate des standardisierten Token-Rings.

Bild 1 gibt eine zusammenfassende Darstellung der eben genannten Protokollschichten, woraus deutlich zu ersehen ist, daß der CP-16-Ring zwei verschiedene Vermittlungsverfahren auf einem Medium integriert. Derzeit ist der CP-16-Ring als Backbone-Netz zur Verbindung von LAN-Bus-Segmenten (Ethernet) unter Ausnutzung des Paketmodus und zur Verbindung von digitalen Vermittlungssystemen (zum Beispiel ISDN-Nebenstellenanlagen) unter Ausnutzung der C-Kanäle einsetzbar.

Im Rahmen des I.I.I.-Projekts wurde zunächst ein CP-Ring Pilotnetz aufgebaut, das zwei lokale Netze miteinander verbindet. Der CP-Ring übernimmt dabei Backbone-Funktion. Es entsteht ein zweistufiges Netz, bei dem über die verschiedenen Einstellmodi der Brücken (RIU: Ring-Interface-Unit) zwischen Ring und Ethernet-Segment das Netz bedarfsorientiert konfiguriert werden kann. Die RIU setzt sich zusammen aus dem bereits beschriebenen UCB für den Ringanschluß und aus einer entsprechenden Hardware für den Zugang zum Ethernet-Bus.

Die Funktionen der Einstellmodi sind:

- Repeat-Mode: Transferiert alle Datenpakete vom Ring zum Bus und umgekehrt.

- Blocked-Mode: Sperrt den Übergang zwischen Ring und Bus vollständig.

--- Refuse-Mode: Verweigert den Buspaketen mit den angegebenen Zieladressen den Zugang zum Ring.

- Rooting-Mode: Nur die Buspakete mit den angegebenen Zieladressen haben Zugang zum Ring; sie werden ausschließlich an die Brücke zum Zielbus weitergeleitet.

---Coombined-Mode: Kombination aus Refuse- und Rooting-Mode mit Priorität für Rooting-Mode.

Neben der Pilotierung des CP-Ringes als Backbone wurden Implementierungsarbeiten für den Direktanschluß am Ring mit Datenübertragung im P-Teil durchgeführt. Derzeit sind der Direktanschluß für Sinix-Rechner und der Direktanschluß für BS2000-Rechner in Bearbeitung (I.I.I.-Folgeprojekt in Saarbrücken). Diese Anschlußformen nutzen das Token-Ring-Protokoll 802.5 ohne Zwischenumsetzung auf 802.3.

Die Direktanschlüsse eignen sich zum Beispiel für die folgenden Einsatzfälle:

- Es läßt sich ein schnelles lokales Ringnetz aufbauen. Im Vergleich zu Ethernet gelten als Vorteil: die höhere Übertragungsrate, das deterministische Zugriffsverfahren (mittelschnelle Realzeitaufgaben sind realisierbar) sowie die größeren Entfernungen, die überbrückbar sind.

- Auf einem Gelände mit mehreren Gebäuden, in denen jeweils bereits kleinere lokale Netze vorhanden sind, dient der CP-Ring zur Kopplung dieser Gebäudenetze (Backbone-Funktion). Ist außerdem ein zentrales Rechenzentrum eingerichtet, in dem sich die Großrechenanlagen befinden, deren Dienste (zentrale Dienste) von allen Netzteilnehmern beansprucht werden, so ist es sinnvoll, um einen unnötigen Engpaß (hervorgerufen durch ein Gateway oder eine Bridge) zu vermeiden, die Großrechner direkt an den Ring anzukoppeln. Das Netz erhält dadurch eine hierarchische Struktur (Bild 2), die Netzlast ist besser verteilt, der Zugriff auf zentrale Dienste ist gerechter geregelt.

Eine weitere Arbeit hatte zum Ziel beide Vermittlungsprinzipien in einem Gerät zu nutzen. Dabei sollte geklärt werden, welche Auswirkungen ein Verfahren, das kurze Datenpakete im P-Modus und lange Datenpakete im C-Modus übermittelt, auf den Ringdurchsatz hat und welche Verzögerungszeiten zu erwarten sind. Derzeit existieren jedoch noch keine standardisierten Netze dieser Art ,was den innovativen Charakter dieses Einsatzfalles betont. Es fehlen insbesondere die Protokollelemente zur Steuerung der C-Kanäle. Einige von ihnen, insbesondere für die Signalisierung über den P-Teil zum Aufbau beziehungsweise Abbau von Verbindungen zwischen Stationen die eine leitungsvermittelnde Übertragung von Informationen erfordern, wurden hier entworfen. Erste Überlegungen zu einer hybriden Nutzung des CP-16-Rings zeigten, daß in dieser Betriebsart kürzere Systemaufenthaltszeiten erreichbar sind, und somit der Durchsatz auf diese Weise verbessert werden kann.

Bessere Rechner erlauben mehr Dienste

Die Durchführung der oben erwähnten Pilotprojekte diente unter anderem dazu, erste Erfahrungen auf dem Gebiet der LWL-Technik zu sammeln und auch zu eruieren, wie es zukünftig in Saarbrücken bezüglich der Kommunikationsnetze weitergehen könnte. Obwohl Cantus in seiner derzeitigen Form sicher noch einige Jahre fortbestehen wird und auch den Erfordernissen im wesentlichen gerecht wird, ist es jetzt schon notwendig, sich über zukünftige Entwicklungen Gedanken zu machen.

Aus diesem Grund wird derzeit innerhalb des Rechenzentrums an einem Konzept für ein Cantus-Nachfolgenetz gearbeitet, das die kommunikationstechnischen Bedürfnisse in den 90er Jahren sicherstellen soll. Die Struktur von zukünftigen Campus-Netzen wird die gleiche sein, wie bei Cantus: ein High-Speed-LAN als Backbone, der die einzelnen Gebäude miteinander verbindet, und in den Gebäuden ein Ethernet-LAN, aufgeteilt in entsprechende Segmente.

Durch den Einsatz immer leistungsfähigerer PCs und Workstations, insbesondere auch durch grafische Arbeitsplätze rücken Anforderungen nach Diensten, wie schneller Textund Grafikkommunikation und Bewegtbildübertagung (wie Computeranimation) immer mehr in den Vordergrund. Wie schnell in diesem Bereich hohes Datenaufkommen entstehen kann, sieht man daran, daß zum Beispiel bei der Übertragung einer DIN-A4-Faksimile-Seite mit verschiedenen Farben zirka 50 bis 100 Megabit Nutzinformationen anfallen. Als weitere Dienste wären die Echtzeitverarbeitung und die integrierte Sprach- und Datenkommunikation zu nennen. Im Gegensatz Cantus wird ein zukünftiges Netz auf internationalen Standards beruhen. So ist daran gedacht, in einer ersten Phase einen 100 Megabit-FDDI-Ring als Backbone aufzubauen, der - bis es zur wirklichen Realisierung kommt - international genormt sein wird.

In einer zweiten Phase werden Gebäude, in denen heute noch kein Ethernet-LAN vorhanden ist, damit ausgestattet. Die sternförmigen Cantus-Inhouse-Netze können in einer Übergangsphase auch über einen FDDI-Backbone betrieben werden, indem diese mittels eines Cantus-Ethernet-Gateways an ein lokales Ethernet-Segment angeschlossen werden. Ein solches Gateway existiert bereits seit Jahren. Damit ist die Nutzung der derzeitigen Cantus-Hardware und der Dienste in Cantus auch für eine längere Übergangsphase möglich.

Die Einführung völlig neuer Dienste und der damit verbundene Reiz sich mit diesen neuen Technologien zu beschäftigen, sind die eine Seite zukünftiger Planungen, der konkrete Bedarf einer Universität für den Einsatz einer solchen, eine andere, hier zeigt allerdings die Erfahrung daß eine wirklich meßbare Nachfrage erst nach Bereitstellung einer entsprechenden Infrastruktur und den Diensten entsteht.