Entwicklungen zum Next Generation Network (NGN)

In den letzten Jahrzehnten haben sich zwei wesentlich verschiedene Netztechnologien herausgebildet: Telekommunikationsund Mobilkommunikationsnetze sowie Rechnerund Datennetze. Der Beitrag skizziert die sich gegenwärtig vollziehende Entwicklung einer Integration beider Technologien. Wesentliche Merkmale dieses Integrationsprozesses sind das Aufsetzen auf eingeführte Anschlussnetzund Kernnetz-Infrastrukturen sowie der Übergang zu einer einheitlichen, auf dem Internet-Protokoll basierten Transporttechnik als Basis einer Plattform für ein sehr breites Spektrum von Diensten und Anwendungen. Diese Entwicklungen werden häufig unter dem Begriff „Next Generation Network“ (NGN) zusammengefasst, sind jedoch vielgestaltig und weisen eine größere Menge von Einzelaspekten auf. Nach einem kurzen Überblick über die wichtigsten Netztechnologien und Dienste wird eine Reihe von Herausforderungen an Netzkomponenten, Architekturen und Plattformen, Sicherheit, Netzmanagement und Netzorganisation diskutiert; auf den Aspekt der Dienstund Netzgüte und dem damit einhergehenden Traffic Engineering wird etwas detaillierter eingegangen. DFN Tagungsband 2006 / Seite 2 1 Entwicklungslinien von Netzen und Diensten 1.1 Entwicklung der Netztechnologien Die Entwicklung der Kommunikationsnetze ist im Wesentlichen geprägt durch die Fernsprechund Telekommunikationsnetze, welche auf der Kanalvermittlung durch Reservierung eines durchgehenden Übertragungskanals fester Bandbreite / Bitrate für die Dauer einer Verbindung beruhen (Fernsprechnetze, dienstintegrierende Digitalnetze (ISDN), Zelluläre Mobilkommunikationsnetze), sowie Datenund Rechnernetze, welche auf der Paketvermittlung beruhen und verbindungsorientiert oder gänzlich verbindungslos (Einzelpaketvermittlung) arbeiten. Bild 1 zeigt die Verbreitungsphasen der verschiedenen Netztechniken. Gegenwärtig umfasst das weltweite Telekommunikationsnetz etwa 1,3 Milliarden Festnetzteilnehmer und 1,5 Milliarden Teilnehmer in den Mobilkommunikationsnetzen für die Hauptdienste Fernsprechen, Telefax sowie einfache Textund Bilddatendienste. Das weltweite Internet bewegt sich auf eine Milliarde von vernetzten Rechnern (Hosts) zu. Während die TK-Festnetze nur noch mäßig wachsen (abhängig vom Ausbauund Durchdringungsgrad), wachsen Mobilkommunikationsnetze und das Internet ungebrochen sowohl hinsichtlich Teilnehmerzahlen, vor allem aber hinsichtlich des Verkehrsvolumens. Die Anschlussnetze der Telekommunikation spielen derzeit noch eine wichtige Rolle für den digitalen Zugang zum Internet Die in Bild 1 skizzierten drei Hauptkategorien sind noch nach unterschiedlichen Technologien unterschieden (vgl. Legende zu Bild 1). Bild 1: Entwicklung der Netztechnologien EM Elektromechanik TDM Zeitmultiplextechnik ATM Asynchroner Tranfermodus ON Optische Netze xG x-te Generation (Mobilkommunikation) X.25 Paketnetzstandard, verbindungsorientiert IPvX Internet Protokoll, Version X LAN Local Area Network MAN Metropolitan Area Network WLAN Wireless LAN DFN Tagungsband 2006 / Seite 3 1.2 Telekommunikationsnetze Digitale TK-Netze beruhen auf der Technik des synchronen Zeitmultiplexes durch periodische Übermittlung von Abtastwerten, wodurch Kanäle konstanter Bitraten entstehen, welche in hierarchischer Ordnung nach Bitraten (64 kbit/s, 2.048 Mbit/s, ...) gegliedert sind. Übertragung und Vermittlung erfolgen im Zeitmultiplex, die Verbindungssteuerung durch eine i.d.R. gemischt zentrale / dezentrale Rechnersteuerung per gespeichertem Programm. Zum Aufbau von Netzverbindungen werden Steuerinformationen zwischen Endgerät und Netzknoten bzw. innerhalb des Netzes zwischen den Netzknoten im Paketmodus ausgetauscht (Signalisierung). ATM (Asynchroner Transfermodus) ist eine verbindungsorientierte Zellvermittlung und erlaubt das Multiplexen beliebiger Datenströme mit konstanter oder variabler Zellrate. Das virtuelle Pfadund Verbindungskonzept erlaubt ein ökonomisches Bandbreitenmanagement sowie die Beherrschung der Dienstgüte. Durch die Verbindungsorientierung und die damit verbundene aufwändige Signalisierung ist ATM für schnell wechselnde Ziele (wie bei Web-Anwendungen) ungeeignet. ATM spielt heute als Transporttechnologie eine wichtige Zwischenrolle auf dem Weg zum NGN. Optische Netze (ON) sind im Kernnetz (Core) und z.T. in den Zugangsnetzen Standard der Übertragung. Zum Aufbau von konfigurierbaren Übertragungsnetzen können optische Fasern oder einzelne Lichtwellenkanäle im Wellenlängenmultiplex (WDM) über optische Raumschalter und Wellenlängenkonverter in Optischen Cross Connects (OXC) zusammengeschaltet werden. Mit Übertragungsraten von 10 – 40 Gbit/s je Wellenlänge und 100 und mehr Wellenlängenkanälen pro Faser stehen bereits heute Tbit/s-Kapazitäten zur Verfügung. Für sehr breitbandige, stromförmige Einzelanwendungen kann im Prinzip per Kanalvermittlung im rein optischen Bereich übermittelt werden. Die optische Paketvermittlung wird dagegen infolge der Schwierigkeiten der optischen Pufferung noch länger Zukunftstraum bleiben. Eine interessante Zwischenlösung könnte jedoch die Optische Büschelvermittlung (Optical Burst Switching, OBS) spielen, bei der größere Paketgruppen zu einem Burst assembliert und per Kanalvermittlung mittels einer vorauseilenden ReservierungsAnforderung über das Kernnetz hinweg übermittelt werden, um am anderen Ende deassembliert und an die Endsysteme weitergeleitet zu werden. Im Anschlussbzw. Netzzugangsbereich spielen optische Netze in Ringform mit Add/Drop-Multiplexern bzw. als Zubringer bis in die Teilnehmernähe heute schon eine wichtige Rolle. Mit der Synchronen Digitalen Hierarchie (SDH) und der Wellenlängenmultiplextechnik (WDM) stehen heute breitbandige Basistechnologien für die ökonomische Übermittlung großer Datenströme in den Kernnetzen und innerhalb des Netzzugangsbereiches zur Verfügung. 1.3 Mobilkommunikationsnetze Die Mobilkommunikation hat mit der Einführung der digitalen, zellulären Netze Anfang der 90er Jahre eine phänomenale Entwicklung genommen, welche auf den Erfolg der Standards GSM und IS-95, die Vielfalt der weiteren Funktionen wie etwa des Kurznachrichtendienstes SMS (Short Message Service), die Mobilitätsunterstützung (Roaming) und eine Vielzahl von Dienstund Leistungsmerkmalen zurückzuführen ist. Mobilkommunikationsnetze der 2. Generation (2G), wie das bekannteste System GSM (Global Standard for Mobile Communication), unterteilen den Netzzugangsbereich in Funkzellen, innerhalb derer mobile Terminals (MT) über Funkkanäle Zugang zu Basisstationen haben. Von dort verläuft die weitere Übertragung im Festnetz (Richtfunk) zu den Mobilvermittlungsstellen, die den Übergang zu den vermittelnden Festnetzen darstellen. Der momentane Aufenthaltsort (Location Area) ist in einem Paar von Datenbanken (Home bzw. Visitor Location Registers) eingetragen, so dass ankommende Verbindungswünsche schließlich in die momentane Funkzelle des MT geleitet werden können. Bewegt sich ein MT während einer Verbindung in eine Nachbarzelle, wird die Verbindung anhand eines Signalenergiekriteriums weitergeleitet (Handover, Handoff). Der Funkkanal (Sprachkanal) ist schmalbandig und wird kanal-vermittelt. DFN Tagungsband 2006 / Seite 4 Die Weiterentwicklung führte zur Zwischen-Generation (2.5G), auch bekannt als General Packet Radio Service (GPRS), wo breitbandigere Kanäle neben der Kanalvermittlung auch eine paketvermittelte Kommunikation erlauben für weitere Datendienste mit z.B. 50-70 kbit/s. GPRS erlaubt die Aggregation freier Übertragungskanalkapazität über die Luftschnittstelle für paketorientierte Kommunikation sowie den Zugang ins Internet, so dass mit GPRS die IP-basierte Kommunikation bis ins MT und somit auch im Prinzip schon ein Großteil der Dienste des UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ermöglicht wird. Seit Anfang dieses Jahrzehnts läuft die Einführung der breitbandigen zellulären Mobilkommunikation auf Basis des Standards UMTS (3G), der eigentlichen dritten Generation der Mobilkommunikation, welche Bitraten bis zu 2 Mbit/s bereitstellt und somit das Tor zur Bewegtbild-Kommunikation, zu komfortableren Web-Anwendungen und Multimedia Messaging Services (MMS) öffnet. Im Forschungsbereich sind Entwicklungen in Gange für die Ausweitung auf erheblich höhere Bitraten („Beyond“ 3G, 4G). 1.4 Rechnerund Datennetze Von wenigen Ausnahmen abgesehen basieren Rechnerund Datennetze auf der Technik der Paketvermittlung. Hierbei werden die Nutzdaten (Payload) zu Blöcken beschränkter Länge mit jeweils einem Steuerteil (Header) zusammengefasst und nach dem Prinzip „store and forward“ abschnittsweise vom Ursprungsknoten über vermittelnde Netzknoten zum Zielknoten übermittelt. Paketnetze wurden zunächst nur im Forschungsbereich eingesetzt (ARPANET, 1968). Kommerzielle private und öffentliche Paketnetze wurden in den 70er Jahren aufgebaut, wobei im öffentlichen Bereich Paketnetze vorwiegend auf dem CTITT (ITU-) Standard X.25 über 2-3 Jahrzehnte betrieben wurden. X.25 arbeitet verbindungsorientiert nach dem Prinzip der virtuellen Verbindung. In den 90er Jahren wurde die X.25 Paket-kommunikation weitgehendst durch das Internet abgelöst. Die darin angewandte Protokoll-Suite TCP/IP mit dem InternetProtokoll IPv4 arbeitet auf der Vermittlungsschicht verbindungslos und bietet zwei Transportprotokoll-Varianten TCP (verbindungsorientiert, geeignet für Datendienste wie File Transfer, Mail, Web) und UDP (verbindungslos, ungesicherter Transfer, vornehmlich eingesetzt für Echtzeitdienste wie Voice over IP (VoIP) und MulitmediaDienste). Durch den rasanten Ausbau des Internet stellte sich u.a. das Problem eines Engpasses der 32-bit langen IP-Adressen, welches jedoch durch dynamische Adressvergabe und private Adressräume zwischenzeitlich gelöst werden konnte. Dennoch wird sich nach Meinung des Autors längerfristig die erweiterte IP-ProtokollVersion 6 (IPv6) durchsetzen, da sich die Adressräume mit Einführung des Ubiquitous Computing stark erweitern. Neben dem Weitverkehrsbereich spielt die Paketvermittlung eine zentrale Rolle im Nahbereich bzw. im Metro-Bereich in Form von Local Area Networks (LAN) und von Metropolitan Area Networks (MAN). Diese Systeme beruhen auf breitbandiger Übertragungstechnik mit Übertragungsraten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s, wobei das breitbandige Übertragungsmedium unter allen Nutzern im asynchronen Rahmenmultiplex aufgeteilt wird. Die Kanalzugriffssteuerung (Media Access Control, MAC) erfolgt i.d.R. dezentral, wofür eine Reihe von MAC-Verfahren entwickelt wurden wie z.B. CSMA/CD („Ethernet“), Token-Passing (Token-Ring, FDDI), Slotted Ring oder DQDB, welche zum größten Teil auch standardisiert wurden und für die HardwareBausteinkonzepte verfügbar sind. Insbesondere die schnelle Ethernet-Technologie (FastEthernet mit 100 Mbit/s und Gigabit-Ethernet mit 1,10 und zukünftig sogar 100 Gbit/s breitet sich im lokalen und Metro-Bereich stark aus, über die die breitbandige InternetPaketvermittlung bis in die Endrechner hinein erfolgt. DFN Tagungsband 2006 / Seite 5 Mit der Technik des Wireless LAN (WLAN) schließlich, welche auf ganz ähnlichen Vielfachzugriffsverfahren beruht wie die LAN/MAN-Technik, wird die Mobilität für tragbare Kleincomputer (Laptop, Notebook, PDAs) im lokalen Bereich unterstützt. Sie eignet sich ferner zum Aufbau von breitbandigen Zugangspunkten zum Internet (sog. „Hotspots“), welche sich gegenwärtig schnell verbreiten (Hotels, Lounges, CampusVernetzungen, etc.); sie stellen eine höchst ökonomische Alternative zur 3. Generation der zellulären Mobilfunknetze dar und werden oft schon als Grundlage einer 4Goder „beyond 3G“-Mobilfunktechnologie angesehen. Die zugehörigen Verfahren wurden in der IEEE 802.11-Serie bzw. ETSI-Hiperlan-Serie standardisiert. Spezielle Formen der WLAN-Technologie sind Raumnetze und Körpernahe Netze (Personal Area Networks bzw. Body Area Networks), mit welchen sich tragbare Computer und Peripheriegeräte (Drucker, PDAs, Headsets, etc.) automatisch vernetzen. Sie erlauben darüber hinaus die infrastrukturlose sog. ad hoc-Vernetzung, mit der die Verbindung entfernterer Geräte untereinander oder die Anbindung an das Internet über andere Geräte als Relay-Stationen hinweg ermöglicht wird. Die rein netztechnologischen Entwicklungen ab ca. 2010, vergl. Bild 1, können dem NGN zugerechnet werden. Einheitlich dabei ist die gemeinsame, IP-basierte Netzplattform, welche allen Diensten und Anwendungen dient. Unterhalb der IPbasierten Vermittlungsschicht koexistieren unterschiedliche Medien und Netzinfrastrukturen; oberhalb der transportorientierten IP-basierten Netzplattform und den Ende-zu-Ende operierenden Transportprotokoll-Varianten TCP, UDP (und andere) bilden sich dienstorientierte Plattformen und Schnittstellen aus, welche eine netzunabhängige und schnelle Einführung neuer Dienste ermöglichen sollen. 1.5 Konvergenz von Festund Mobilfunknetzen Der Weg zu einem NGN vollzieht sich in evolutionärer Weise. Gegenwärtig findet vor allem eine Konvergenz von Festnetzen und Mobilfunknetzen statt, welche durch die zunehmende Mobilität und das Zusammenwachsen der Bereiche Telekommunikation, Informationstechnik, Entertainment und Medien ausgelöst wurde und sich in Merkmalen wie universelle Rufnummern, virtuelle Privatnetze und vielen weiteren ergänzenden Dienstmerkmalen ausdrückt [6]. Ein weiterer Trend ist die rasche Zunahme von mobilen Internetdiensten, welche in breitbandigeren Mobilkommunikationsnetzen unterstützt werden. 1.6 Entwicklung der Dienste Mit der Zunahme der Bandbreite und Flexibilität der Netze einerseits und der Prozessor-, Speicherund Ein-/Ausgabefähigkeit der Endgeräte andererseits hat sich das Dienstespektrum stark erweitert. Bild 2 zeigt eine Übersicht über Dienste und Anwendungsbereiche, welche nach den übergeordneten Kategorien Telekommunikation Datenkommunikation Information Unterhaltung Geschäftsprozesse Kontextbezug geordnet sind. Ein Großteil der Dienste fällt in Querschnittsbereiche mehrerer Kategorien. Die einzelnen Dienste weisen z.T. sehr unterschiedliche Merkmale auf