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03.02.1995

Der sanfte Weg zu mehr Durchsatz im LAN Endstation ATM: Langsam den alten Flaschenhals entkorken

Marktkenner sind sich einig, dass ATM die Zukunft gehoert. Zu ueberzeugend sind die Vorteile dieser Uebertragungstechnik: hohe Bandbreiten, schneller Switch-interner Durchsatz, gleichzeitige Uebermittlung von Daten, Sprache und Video sowie ein zeitsynchroner Kommunikationsfluss fuer die Video- und Sprachausgabe. Dennoch kann es sich kaum ein Unternehmen leisten, auch und gerade im LAN- Bereich den Wechsel zu ATM von heute auf morgen zu vollziehen. Joerg Bonarius* beschreibt einige Wege zu einer schrittweisen Migration.

Die Situation ist eindeutig: Noch bestimmen zu 98 Prozent die Anfang der 80er Jahre definierten LAN-Techniken Ethernet und Token Ring das Kommunikationsgeschehen. Zwar hat die weitere Segmentierung von Ethernet- und Token-Ring-LANs in kleinere Netzwerkeinheiten kurzzeitig auf den Verbindungen fuer Entlastung gesorgt (lag die mittlere Teilnehmeranzahl eines Ethernet-Segments vor wenigen Jahren noch bei zirka 300, sind dort heute im Schnitt nur noch 25 bis 30 Teilnehmer angeschlossen), unabhaengig davon zeichnet sich jedoch bereits jetzt ein Bandbreitenengpass auf den LAN-Verbindungen ab. Dies erfordert auf Dauer unweigerlich andere Konzepte fuer einen beschleunigten Datendurchsatz.

GAU im Netz scheint in vielen Faellen unvermeidbar

Besonders die verteilte Verarbeitung im Netz nach dem Client- Server-Prinzip, komplexere Bild- und Grafikdaten sowie aufwendigere Applikationen, die immer groessere Datenmengen durchs Netz bewegen, lassen die bekannten Flaschenhaelse entstehen. Und der spaetere GAU im Netz ist bereits vorgezeichnet, denn spaetestens mit der simultanen Uebertragung von Daten, Sprache und Video wird das Potential konventioneller LAN-Techniken ausgereizt sein - zumindest solange viele Stationen ueber einen gemeinsamen Bus beziehungsweise Ring miteinander verbunden sind.

Ein Weg, um aus diesem Dilemma herauszufinden, koennte das sogenannte Ethernet-Switching sein. Doch Vorsicht: Switching ist nicht gleich Switching. Die einen meinen damit Port-Switching, andere denken dabei an Paket-Switching oder eine Kombination von Paket-Switching und Router-Technik. Port-Switching erlaubt es zwar, bei einem Ortswechsel der Mitarbeiter Endgeraeteverbindungen flexibel und ohne grossen Konfigurationsaufwand ueber das jeweilige Netz-Management-System zuzuweisen, weshalb es auch als Konfigurations-Switching bezeichnet wird. Zu mehr Bandbreite traegt diese Technik jedoch nicht bei, weil in der Regel viele Stationen einer Arbeitsgruppe mit einem Hub-internen Bus verbunden sind. Anders sieht es indes bei virtuellen LANs aus, die ueber Paket- Switch-Systeme oder in der Kombination von Paket-Switch-System mit Ebene-3-Funktionalitaet und Router realisiert werden. Hier haelt der Switch jedem Benutzer die komplette 10-Mbit/s-Bandbreite vor (vgl. Abbildung 1).

Diese Bandbreite reicht beispielsweise durchaus dazu aus, zukuenftig auch Videokonferenzen ueber den jeweiligen Arbeitsplatzrechner abzuwickeln. Voraussetzung ist jedoch, dass anstatt mit 24 Bit mit 8 Bit Farbtiefe gearbeitet wird. Zusaetzlich sollten Komprimierungs- und Kodierungsverfahren wie JPEG (Joint Photographic Expert Group), YCC-Photo-CD-Standard oder MPEG (Motion Picture Expert Group) zum Einsatz kommen. Darueber hinaus koennen mit der virtuellen LAN-Technik Mitarbeiter flexibel beliebigen Arbeitsplatzrechnern zugewiesen werden.

Vor allem haelt mit der 1:1-Beziehung zwischen Endgeraet und Ethernet-Bus automatisch eine sternfoermige Verkabelungsstruktur im Unternehmensnetz Einzug. Damit sind beste Voraussetzungen dafuer geschaffen, die Ethernet-Switches spaeter durch ATM-Pendants zu ersetzen. Durch die zentralistische Verkabelungsstruktur ist es dann einfach, dem Benutzer an seinem PC dedizierte Kommunikationsleistungen wie Sprache, Video und Datenkommunikation zur Verfuegung zu stellen. Deshalb sollte auch dort, wo weiterhin der Bus oder Ring als "Medium fuer viele" dient, sukzessiv sternfoermig verkabelt werden, um den Weg fuer kuenftige ATM- Installationen zu ebnen.

Um eine flexible Migration in Richtung ATM zu gewaehrleisten, ist das ATM-Forum derzeit dabei, die Regeln fuer UTP-Kategorie-5-Kabel (Unshielded Twisted Pair) festzulegen. Erste ATM-Produkte, die eine solche Verkabelung unterstuetzen, beispielsweise der ATM- Switch "Lattiscell" von Bay Networks (vormals Synoptics und Wellfleet), sind bereits am Markt verfuegbar. Darueber hinaus stehen einige ATM- beziehungsweise UTP-Adapterkarten fuer die Anbindung von PCs und Workstations an ATM-Netze kurz vor der Freigabe.

Andererseits ist es aber auch moeglich, dass der Anwender im Arbeitsgruppenbereich von vornherein auf Lichtwellenleiterkabel baut. Hierfuer hat das ATM-Forum mit 100 Mbit/s (TAXI) auf 62,5-um- Multimode-Faser sowie 155 Mbit/s auf 62,5-um-Multimode-Faser beziehungsweise 50-um-Multimode-Faser bereits entsprechende Normen geschaffen. Im UNI 3.0 (User-to-Network-Interface) sind alle Spezifikationen etwa zur Signalisierung enthalten, die fuer die Realisierung standardkonformer ATM-Produkte notwendig sind.

Mit der Einfuehrung neuer Applikationen wird aber nicht nur die Arbeitsgruppe, sondern vor allem auch der zentrale Backbone in Zeiten verteilter Verarbeitungsschritte und kombinierter Daten- /Sprach-/Videouebertragung sehr schnell in den Brennpunkt des Networking-Geschehens geraten.

Wie sieht hier die Installation in den Unternehmen in der Regel aus? Viele Gebaeude sind heute ueber einen Collapsed oder einen Distributed Backbone vernetzt. Im ersten Fall werden alle Segmente des Gebaeudes ueber ein zentrales Router-System zusammengefasst. Der Router uebernimmt dabei die Funktion des Backbones und steuert die Kommunikation zwischen den einzelnen Segmenten. Beim Distributed Backbone hingegen sind die Funktionen auf mehrere Router verteilt. Das heisst, der Zugang zum Backbone wird ueber Router auf jeder Etage realisiert. In diesem Fall koordinieren alle Router gemeinsam die Kommunikation zwischen den einzelnen Etagen. Zudem kommen auf den jeweiligen Etagen Hub-Systeme zum Einsatz, die die einzelnen Benutzer mit dem Netzwerk verbinden.

Beide Backbone-Varianten bringen dem Anwender durchaus Vorteile. So laesst sich das Netzwerk skalieren, der Broadcast wirkungsvoll abblocken und last, but not least kann man den Problemen im Fehlerfall schnell auf die Spur kommen.

In den meisten Backbone-Systemen ist immer noch traditionelle Ethernet-Technik im Einsatz. Andererseits gewinnt hier FDDI zusehends an Bedeutung, weil es 100 Mbit/s an Bandbreite vorhaelt. Mittlerweile ist jedoch auch ATM zu einem heissen Aspiranten fuer den Backbone avanciert. Fuer den Anwender stellt sich bei dieser Technologiedebatte immer draengender die Frage, auf welche LAN- Technik er in Zukunft vertrauen soll (vgl. Abbildung 2).

Vom Preis und dem Stand der Normierung aus betrachtet, muesste die Antwort FDDI lauten. So wurden fuer FDDI die entsprechenden Normen im ANSI-Standard X3T9.5 festgelegt, gleichzeitig sind die entsprechenden Produkte mittlerweile so weit ausgereift, dass sie problemlos "ans Netz" gehen koennen - ein Tatbestand, wofuer im uebrigen auch das mittlerweile vielfaeltige Produktangebot spricht. Darueber hinaus kann der Anwender jetzt auch mit FDDI auf UTP- Kategorie-5-Kabel aufsetzen - mit der Codierung MLT-3. Vorteil dieser Verkabelung: Sie ermoeglicht 100 Mbit/s ueber das im Vergleich zum Lichtwellenleiter kostenguenstigere Kupferkabel. Allerdings muss der Anwender hier beruecksichtigen, dass nur die Ueberbrueckung von Distanzen bis maximal 100 Meter moeglich sind.

Mit dem Einsatz von UTP-Kategorie-5-Kabel beziehungsweise Lichtwellenleiter hat er zudem die richtige Wahl fuer eine spaetere Migration zu ATM getroffen. Auch hier hat das ATM-Forum mit UNI 3.0 den Weg geebnet. Vor allem die Alternative 100 Mbit/s (TAXI) auf 62,5-um-Multimode-Faser und FDDI-spezifischer 4B/5B-Codierung des Bit-Stroms bietet beste Voraussetzungen, spaeter nahtlos mit ATM auf der vorhandenen Topologie aufzusetzen. Gleichzeitig verfuegt man aber noch ueber die Perspektive 155 Mbit/s auf Multimode-Faser (62,5-um und 50-um), sofern man vorher auf das richtige Kabel - 62,5-um-Multimode-Faser - gesetzt hat.

Dabei laesst die Multimode-Faser maximal zwei Kilometer Ueberbrueckungsdistanz zu. Muessen groessere Entfernungen bewaeltigt werden, steht Monomode-Faser zur Verfuegung, die Reichweiten bis zu 40 Kilometer ermoeglicht. Mit der Kombination von Monomode- und Multimode-Faser in einem ATM-Switch-System lassen sich so zwei oder mehrere Standorte mit lokalem ATM-Netzwerk via ATM verbinden. Darueber hinaus beschaeftigt sich das ATM-Forum aber auch mit dem Thema "ATM auf UTP-Kategorie-5-Kabel". Auch hier duerfte mit einem entsprechenden Standard noch im Laufe dieses Jahres zu rechnen sein.

Ethernet-Switching und FDDI als Lueckenbuesser

Noch einmal kurz zurueck zu den anderen "Hoffnungstraegern". Spaetestens wenn hochaufloesendes Video in Fernsehqualitaet oder noch hoehere Datenbestaende zusammen mit Sprache und Bildern im Netz transportiert werden muessen, ist auch beim Ethernet-Switching oder FDDI das Ende jeglicher Bandbreite erreicht. Das folgende Beispiel verdeutlicht die Bandbreitenanforderungen: Benoetigt man zur Uebertragung von Sprache mit einer Bandbreite von 4 Kilohertz lediglich 64 Kbit/s, sind bei einem Video in guter Qualitaet bereits zwischen zehn und 90 Mbit/s Durchsatz erforderlich. Beim hochaufloesenden Fernsehen (HDTV) mit Bildschirminhalten von 1000 bis 1200 Zeilen sind sogar bis zu 900 Mbit/s Bandbreite notwendig.

ATM ist also in diesem Zusammenhang sicherlich die Technik der Zukunft, indem dem jeweiligen Endgeraet Bandbreite gezielt zugewiesen wird und - wenn die Uebertragung abgeschlossen ist -, die Netzkapazitaet sofort wieder einem anderen Kommunikationsprozess zur Verfuegung steht. Mit anderen Worten: ATM ist eine vorzueglich geeignete Uebertragungstechnik fuer die in LANs typischen, nur sporadisch auftretenden Uebertragungslasten. Da es zudem enorme Bandbreiten vorhaelt, kommt es selbst zu Zeiten hoechsten Datenaufkommens zu keinerlei Engpaessen im Netz.

Garant fuer den hohen Durchsatz sind bekanntlich die Zellen fester Laenge (53 Byte), die eine weitgehend hardwaretechnische Umsetzung im ATM-Switch erlauben - und die Tatsache, dass ATM nahezu ohne Fehlerwiederholungs- und Fehlerberichtigungsprozeduren auskommt. Da die Daten der uebergeordneten Protokolle vom Endgeraet selbst in die ATM-Zellen verpackt werden, besteht die Aufgabe des ATM- Switches lediglich darin, den Header der eingehenden Zellen auf Richtigkeit zu ueberpruefen, bevor die die Zelle "weitergereicht" wird. Auf der anderen Seite - sprich: im Endgeraet - findet dann quasi die Entschluesselung der Zellinhalte im Rahmen des jeweiligen Protokolls statt. Nicht unter den Tisch fallen duerfen bei solch einer Schilderung natuerlich die - neben den mit Nutzdaten gefuellten Zellen a 48 Byte - in einem 5 Bytes langen Feld uebertragenen Steuerdaten, die eine Synchronisation der einzelnen ATM-Switches gewaehrleisten.

ATM-Einsatz keine Frage des Entweder-Oder

Unabhaengig davon muss die neue Uebertragungstechnik ATM - sollte man sich fuer sie entscheiden - nicht zwangslaeufig im gesamten LAN Einzug halten (vgl. Abbildungen 3). Die Koexistenz mit konventionellen LAN-Techniken ist naemlich nicht nur gefragt, sondern auch bereits moeglich. Allerdings musste dafuer eine wichtige Vorarbeit geleistet werden: die Entwicklung einer Methode, um den Broadcast bei ATM - wo im Gegensatz zu Token Ring, Ethernet oder FDDI mit dedizierten Bandbreiten gearbeitet wird - beziehungsweise die Steuerinformationen, ueber die sich die Endgeraete des Netzes "unterhalten", netzweit streuen zu koennen. Die Loesung bestand nun darin, die Broadcast-Nachrichten zu kopieren sowie ueber alle Kanaele und Anschluesse des ATM-Netzes an die anderen Switch-Systeme zu verteilen.

Auch eine andere Huerde, die Umwandlung traditioneller LAN-Pakete in ATM-Zellen, konnte ueberwunden werden, wobei der Charakter der ATM-Zelle mit fixer Laenge beste Voraussetzungen fuer diesen Konvertierungsschritt bot. Das Ethernet-, Token-Ring- oder FDDI- Paket wird also in 48 Byte lange Zellen aufgeteilt, denen je nach Kommunikationsform ein spezifischer Header vorangestellt oder ein Trailer angefuegt wird. Beim Verlassen des ATM-Netzes wird dann in umgekehrter Reihenfolge die Urform des LAN-Pakets wiederhergestellt und an das Zielsystem zurueck uebermittelt.

Was bleibt also festzuhalten? Wie es aussieht, muss der Anwender trotz der hochgelobten ATM-Technik nicht ad hoc auf das neue Hochgeschwindigkeitsverfahren setzen. Ein sanfte, wohlueberlegte Migration erlaubt es vielmehr, die Bandbreite dort, wo sie nicht mehr ausreicht, sukzessive zu erweitern. Dennoch sollte man dabei nie die Langzeitperspektive ATM aus den Augen verlieren.

Dass ATM auch spaeter nicht zwangslaeufig gleich im gesamten Netz zum Zuge kommen muss, liegt in der Natur der Sache. So wird es auch weiter Arbeitsplatzrechner geben, die durchaus mit konventionellen Bandbreiten oder dedizierter Ethernet-Bandbreite auskommen. Aber auch fuer dieses gemischte Szenario halten kluge Produktstrategen schon Konvertierungstechniken bereit. Aus dieser Situation heraus erklaert sich auch, dass Router-Systeme trotz einer kontroversen Diskussion um "Router kontra ATM-Switch" auch auf weitere Sicht eine wichtige Rolle in unternehmensweiten Netzen spielen werden.

Gruende dafuer gibt es genug. So ist nur der Router dazu in der Lage, im heterogenen Internetworking-Umfeld mit unterschiedlichen LAN-Techniken und Protokollen zu "vermitteln". Selbst bei grossen Niederlassungen wird der Anwender noch einige Zeit auf die ATM- WAN-Verbindung warten muessen - zumindest so lange, bis diese Technologie von den Netzbetreibern zu erschwinglichen Preisen angeboten wird. Auch hier wird man also noch lange auf die "Vermittlungsinstanz" Router setzen muessen - auch und gerade wenn es um die Anbindung an ISDN-, X.25-, Datex-M- oder Frame-Relay- Strecken geht.

* Diplomingenieur (FH) Joerg Bonarius ist Produktmanager LAN bei der Telemation Gesellschaft fuer Datenuebertragung mbH in Oberursel.