Transportprotokolle für den Datenverkehr entwickeln sich traditionell über lange Zeiträume. Dabei erbt jede neue Generation zahlreiche Attribute und Verhaltensweisen seiner Vorgänger. SDH (Synchrone Digitale Hierarchie) war ursprünglich dazu vorgesehen, DS1-, DS3- und E1-Dienste effizient zu übertragen, und zwar in Containern mit 1,5 MBit/s, 2 MBit/s und 50 MBit/s. Diese feine Granularität passte gut zu den typischen Client-Bandbreiten der damaligen Zeit, sprich analoge Telefonie und ISDN. Jedoch verhinderte sie das Skalieren von SDH auf die effiziente Übertragung größerer Datenmengen wie sie etwa im 10-GBit/s-Ethernet anfallen.

Anfangs wurden die SDH-Netzelemente direkt über Glasfaserkabel verbunden und fungierten als die optischen and physikalischen Schichten im OSI-Stack (Open Systems Interconnection). Später führte die Nachfrage nach größeren Bandbreiten über einzelne Fasern zum Einsatz der WDM-Technologie (Wavelength Division Multiplexing). Das sollte ein Transportnetz als Grundlage der existierenden SDH-Infrastruktur bereitstellen. Mit dem Ergebnis, dass die Service-Provider Netze mit zwei getrennten Transport-Layern parallel betreiben mussten.

Abkürzungen

  • ADM: Add/Drop Multiplexer
  • AMP: Asynchronous Mapping Procedure
  • ATM: Asynchronous Transfer Mode
  • BIP: Bit Interleaved Parity
  • DWDM: Dense Wavelength Division Multiplex
  • FEC: Forward Error Correction
  • GMP: Generic Mapping Procedure
  • MSPP: Multi-Service Provisioning Platform
  • MSTP: Multi-Service Transport Platform
  • OADM: Optical Add/Drop Multiplexer
  • ODU: Optical channel Data Unit
  • OSI: Open Systems Interconnection
  • OTN: Optical Transport Network
  • PDH: Plesiochrone Digitale Hierarchie
  • P-OTS: Packet Optical Transport System
  • ROADM: Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer
  • SDH: Synchrone Digitale Hierarchie
  • STM: Synchronous Transport Module
  • TCM: Tandem Connection Monitoring
  • TDM: Time Division Multiplex
  • VC: Virtual Container
  • WDM: Wavelength Division Multiplexing

Eine attraktive Eigenschaft von DWDM-Netzen (Dense Wavelength Division Multiplex) ist die transparente Übertragung der Client-Daten. Auch die SDH-Technologie überträgt PDH-Signale (Plesiochrone Digitale Hierarchie) transparent. Doch das erfordert die Adaptierung oder partielle Terminierung der Datensignale und Multiplexen von SDH-Signalen mit geringeren Datenraten. Das führt zu Problemen, wenn die SDH-Signale eines Providers über das Netzwerk eines anderen Providers transportiert werden. Der Grund: fehlende Overhead-Transparenz.

Die Definition von OTN (Optical Transport Network) kam zu einer Zeit, als man sich dieser Probleme wohl bewusst war. Als Konsequenz lag bei OTN der Fokus ausdrücklich auf dem Transport von Signalen mit größeren Bandbreiten. OTN sollte sowohl DWDM-, als auch TDM-Transport-Netzwerkschichten umfassen (Time Division Multiplex) und transparenten Transport von Client-Signalen ermöglichen.

OTN im Vergleich mit SDH

Es überrascht kaum, dass OTN viele Ähnlichkeiten mit SDH hat. Denn viele seiner Charakteristiken wurden von früheren Technologien zur Zeit der Entstehung von SDH übernommen. Diese Ähnlichkeiten liegen bei:

  • Framing und Scrambling
  • Schichtstruktur (path, segment)
  • BIP-8-Fehlerüberwachung (Bit Interleaved Parity)
  • Vorwärts- und Rückwärtsfehler, Alarm
  • Kommunikationskanäle
  • APS-Protection
  • Byte-Multiplexing

Trotz aller offensichtlichen Ähnlichkeiten gibt es signifikante Unterschiede. Sie resultieren aus den über viele Jahre beim Einsatz von SDH-Equipment gemachten Erfahrungen

Schichtstruktur: SDH wurde als dreischichtiges Modell definiert: Regenerator-Strecke, Multiplex-Strecke und Pfad. OTN hingegen kennt nur Strecke und Pfad. Bei SDH dient die Multiplexer-Section als Fehlerlokalisierung und Fehlerschutz (Protection). Im OTN bietet die TCM-Funktionalität (Tandem Connection Monitoring) ungleich flexiblere Fehlerüberwachung und Fehlerschutz. Das macht den Line-Layer überflüssig.

Rahmenstruktur und Bitraten: Wie SDH hat auch OTN Zeilen- und Spalten-orientierte Rahmenstrukturen, mit Framing-Bytes, Overhead-Bytes und Payload-Segmenten. Anders als die feste Frame-Rate und die unterschiedlichen Rahmengrößen der diversen SDH-Signale haben OTN-Signale feste Rahmengrößen und unterschiedliche Frame-Raten.

Auch ist jede SDH-Signalrate das Vierfache der nächst niedrigeren Rate der Hierarchie (etwa: STM-16 = vier mal STM-4; STM = Synchronous Transport Module). In der OTN-Hierarchie wird jede höhere Rate so definiert, dass das Payload-Segment ein Mehrfaches (meist das 4-fache) der nächst-niedrigeren Signalrate plus den gesamten Overhead übertragen kann. Wird der Overhead zu dieser Payload hinzugerechnet, beträgt das resultierende Vielfache nicht genau 4.

Bitfehler-Detektion: Das BIP-8-Monitoring von SDH bleibt beim OTN größtenteils erhalten. Allerdings umgeht OTN wegen der unterschiedlichen Rahmenstruktur den nachteiligen Effekt, dass ein einziger BIP-8-Count progressiv größere Bytezahlen für größere Pfadsignale (zum Beispiel VC-4-4c oder VC-4-16c; VC = Virtual Container) abdeckt.

Transparenz: Eine der Schlüsseleigenschaften von DWDM-Netzen ist ihre Fähigkeit zur transparenten Übertragung der Clients, einschließlich OTN-Client-Signale. Das heißt, man kann OTN-Signale zu Signalen mit höheren Raten multiplexen, ohne die Transparenz für Daten, Overhead und Timing zu verlieren. SDH bietet transparenten Transport von PDH-Signalen, kann aber keine anderen Signale ohne Terminierung des Timing und eines gewissen Teils des Overheads übertragen.

Netze mit mehreren Betreibern: SDH hatte Einschränkungen beim Datenmanagement in Form geringer Datenintegrität und Fehlerdetektion in Netzen mit mehreren Betreibern. Wenn eine bestimmte Ende-zu-Ende-Verbindung durch Netzelemente (NE) in mehr als einem Betreibernetz verläuft, muss jeder Betreiber die Dienste zwischen den NEs in seinem eigenen Netz überwachen.

Bild 1: OTN bietet TCM (Tandem Connection Monitoring) für Multi-Operator-Netzwerke.

Bild 1: OTN bietet TCM (Tandem Connection Monitoring) für Multi-Operator-Netzwerke.Exar

TCM nach Bild 1 erlaubt die Definition von mehrfachen arbiträren Paaren bei der Verbindungsüberwachung der Endpunkte. Damit verfügen die Betreiber über einen einfachen Satz von Alarmen und Bitfehler-Counts, die mit jedem Teil ihrer Netze korrespondieren. Das Tandem-Connection-Prinzip wurde später auch in SDH eingeführt. Aber es war umständlich und deshalb nicht gerade weit verbreitet.

Einbeziehung von FEC: Forward Error Correction (FEC) dient in Transportnetzen zur Korrektur von Übertragungsfehlern, wie sie für lange faseroptische Stecken typisch sind. Es gibt SDH-Equipment, das mit proprietärer Vorwärts-Fehlerkorrektur (meist für STM-64) ausgestattet ist. Doch dessen Einsatz hält sich in Grenzen. Im Unterschied dazu ist FEC Bestandteil des OTN-Standards. Dazu gibt es mehrere proprietäre Varianten mit besserer Performanz als das im OTN-Standard spezifizierte Reed-Solomon FEC.

Mapping und Multiplexing: Beim Multiplexen von SDH-Containern in Signale höherer Rate werden die Nutzdaten aller Container in eine gemeinsame Zeitbasis gemappt, und ein Pointer-Mechanismus dient zur Lokalisierung der Frame-Boundary jeder Payload. Damit wird der Section-Overhead aller SDH-Container angeglichen, und die aktuellen Nutzdaten verschieben sich in Bezug aufeinander. Obwohl SDH mehrere Administrative-Group-Ebenen definiert, geschieht das Multiplexing im Endeffekt einstufig.

Bild 2: Die Multiplex-Hierarchie in OTN erlaubt auch Multi-Stage-Multiplexing.

Bild 2: Die Multiplex-Hierarchie in OTN erlaubt auch Multi-Stage-Multiplexing.Exar

Bei OTN wird das Signal niedriger Ordnung komplett, einschließlich Overhead und Payload, asynchron in die Payload des Signals höherer Ordnung gemappt. Dazu gibt es zwei Verfahren: Das erste ist AMP (Asynchronous Mapping Procedure). Es erlaubt geringe positive oder negative Frequenz-Offsets des Lower-Rate-Signals in Bezug zur höheren Rate. Das zweite Verfahren ist GMP (Generic Mapping Procedure). Damit sind nahezu unbegrenzte negative Frequenz-Offsets des Lower-Rate-Signals in Bezug auf die höhere Rate denkbar. Ursprünglich wurde für OTN einstufiges Multiplexen der Container empfohlen. Neuerdings ist auch Multi-Stage-Multiplexing erlaubt (Bild 2).

Typische Geräteplattformen

Anfangs bestand das verfügbare SDH-Netzwerk-Equipment primär aus einfachen Terminal-Multiplexern zum Abbilden und Multiplexen vieler PDH-Signale in STM-1-, STM-4- und STM-16-Transportsignale. Dann wurden die ADMs (Add/Drop Multiplexer) entwickelt. Sie ermöglichten Ring-Topologien und lineare Add/Drop-Chains für Arbeits- und Ersatzwege. MSPP (Multi-Service Provisioning Platform) schaffte zusätzlichen Raum für eine größere Zahl unterschiedlicher Client-Signale wie Ethernet und ATM (Asynchronous Transfer Mode). Schließlich evolvierten MSPP zu Multi-Service Transport Plattformen (MSTP), meist mit Einschluss von DWDM und/oder OTN.

Exar MXP2

Mitte Juli 2011 hat Exar eine Muxponder-Lösung zur Unterstützung der neuen OTN G.709-Funktionen wie ODU0/ODUflex und GMP-Mapping vorgestellt. Exars MXP2 (Bild 3) ist eine ASSP-Single-Chip-Lösung mit Low-Power (8 W) und 2x10G. MXP2 arbeitet an jedem Port mit beliebigem Mapping. Damit können OEMs ihre ROADM- oder Edge-Services-Produkte für Gigabit-Ethernet-, High-Definition-Video- und SAN-Protokolle ausrüsten.

Die dualen Netzwerk-Interfaces unterstützen geschützte Line-Cards in ROADM/DWDM-Equipment. ADM/Ring-Funktionalität wird durch internes Switching der ODU0/ODU1/ODU2/ODUflex Container unterstützt. SONET/SDH ADM/Ring-Funktionalität ist über internes STS-1/VC-4 Switching verfügbar. Der Baustein kommt mit Exars Device-Manager-Software zur schnellen Integration.

OTN-fähiges Equipment entwickelte sich aus den MSPPs des SDH-Netzes, und auch aus den Optical Add/Drop Multiplexern (OADM) im DWDM-Netz. Die ersten Equipment-Generationen implementierten eine digitale Wrapper-Funktion. Damit ließen sich Nicht-OTN-Signale vor der Übertragung einfach auf OTN abbilden, mit Nutzung der FEC im OTN-Protokoll.

In letzter Zeit hat sich OADM zu einer per Software rekonfigurierbaren Version weiterentwickelt, ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) genannt. Typische Systeme enthalten sowohl Transponderkarten (digitale Wrapper-Funktion), als auch Muxponder-Karten mit Multiplex-Stufe, um mehrere Signale niedrigerer Rate zu einem OTN-Signal zu kombinieren.

Die neueste Transport-Plattform P-OTS (Packet Optical Transport System) kombiniert die im ROADM enthaltenen Transponder- und Muxponder-Funktionen mit OTN-Container Switching (zum Beispiel ODUj). In vielen Fällen führen diese Systeme auch Packet Switching für Dienste wie Ethernet oder MPLS aus. Das ermöglicht eine flexiblere Transport-Plattform für native Verbindungs- und Paketvermittlung.

Zur Verbreitung von OTN

Bis heute dient OTN primär zur Übertragung von SDH- und 10GE-Signalen. Zahlreiche neuere Änderungen im OTN-Standard haben seine Funktionalität auf eine wesentlich breitere Basis gestellt. OTN unterstützt jetzt den Betrieb mit 40 GBit/s und 100 GBit/s. Auch die Übertragung von Gigabit-Ethernet und Protokollen wie Fibrechannel und Video wurde verbessert. Es gibt sicher einen Markt für Transport und Multiplex vieler Signale mit niedriger Rate unter 10 GBit/s. Doch der größte Teil der Implementierung von OTN dürfte im Kern des Transport-Netzwerks liegen und damit weiterhin auf große Bandbreiten fokussieren.

Bild 3: MXP2 ist eine ODU0/ODUflex-Muxponder-Lösung für die neuen OTN-Funktionen nach G.709.

Bild 3: MXP2 ist eine ODU0/ODUflex-Muxponder-Lösung für die neuen OTN-Funktionen nach G.709.Exar

Das Aufkommen von OTN-Switching mit P-OTS-Equipment liefert den echten Netzwerk-Aspekt von OTN. Damit ergeben sich breitere Einsatzszenarien und Protection-Optionen in den Netzen. Trotz der linearen und Ring-Charakteristik von SDH-Netzen richtet sich der Einsatz von OTN-Equipment wahrscheinlich mehr auf Meshed-Network-Ansätze. Die geplante Integration von Packet-Switching mit OTN-Switching im P-OTS-Equipment kann somit einen signifikanten Einfluss auf den Einsatz des OTN-Equipment haben.

Schlussfolgerung

OTN übernimmt viele Elemente früherer Netzwerk-Technologien wie PDH und SDH. Damit ist OTN ein wichtiger evolutionärer Schritt der Transport-Technologien. Service Provider rund um die Welt haben sich zum Einsatz von OTN verpflichtet und es zur Technologie ihrer Wahl erklärt. Viel Zeit und Energie geht derzeit in die Entwicklung neuer Geräte, um eine wesentlich verbreiterte Einführung von OTN in die Netze der Service Provider zu stützen.