Metro-Ethernet-Transport am günstigsten:
Mobile-Backhaul-Services mit Metro-Netzwerkarchitekturen umsetzen

von Werner Veith (werner.veith@networkcomputing.de), Hanno Viehweger

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03.12.2009

Ethernet-Mobile-Backhaul-Services (EBMS) bieten gegenüber E1-Anbindungen einige Vorteile. Hilfen für den Wechsel geben Vorgaben des Metro-Ethernet-Forums. Dabei gibt es verschiedene Metro-Netzwerkarchitekturen, um EBMS zu übertragen.

Nach Angaben von Infonetics Research [1] hat die Anzahl der Mobilfunkteilnehmer 2008 weltweit 3,9 Milliarden erreicht. Dies entspricht einem jährlichen Wachstum von 17 Prozent gegenüber dem vorherigen Jahr. Die Marktforscher erwarten zudem, dass diese Zahl bis zum Jahr 2013 6 Milliarden übersteigt. Die zunehmende Nachfrage nach Wireless-Services wird auf der Konsumentenseite durch eine Kombination von Nutzen und Erschwinglichkeit vorangetrieben.

MEF 22 des Metro Ethernet Forums bildet die Grundlage für eine EMBS-Implementierung (Ethernet-Mobile-Backhaul-Services) mit Carrier-Ethernet zwischen den Radio-Network-Controllern (RNCs) und den Radio-Access-Networks-Base-Stations (RAN-BSs).

Ein erheblicher Anteil der Nachfrage stammt dabei aus Brasilien, China, Indien und Russland, wobei China und Indien jedes Jahr über 150 Millionen neue Mobilfunkteilnehmer verzeichnen. In diesen Ländern wird die Nachfrage durch den Bedarf an Basis-Sprachdiensten gesteuert. In erschlossenen Ländern lösen bandbreitenintensive Applikationen wie Streaming-Video die Nachfrage aus. Rund um den Erdball können Konsumenten aus einer Vielfalt an technisch ausgereiften Endnutzergeräten wie iPhones, Blackberries und anderen Smartphones wählen. Diese Smartphones transportieren bedeutend mehr Verkehr über das Mobile-Backhaul-Netzwerk. Gemeinsam erhöhen die steigende Anzahl von Teilnehmern und der wachsende Bedarf an datenintensiven Diensten die Nachfrage nach Mobile-Backhaul-Kapazität.

In der Vergangenheit waren Mobile-Backhaul-Services auf E1-Verbindungen angewiesen. Diese wurden über ein auf Kupfer basierendes Zugangsnetz geliefert, um Mobilfunkstationen mit den Controllern der Basisstationen zu verbinden. E1-Services stellen von sich aus eine End-to-End-Clock-Synchronisierung zur Verfügung. Dies ist wichtig, wenn ein Dienst von einer Mobilfunkstation an eine andere übergeben wird, da sich der Endbenutzer von einer Funkzelle in eine andere bewegt (Roaming). E1-Dienste im mobilen Backhaul-Bereich weisen verschiedene Nachteile auf. Dazu gehören die Kosten, die Kapazität und die Anfälligkeit gegenüber Blitzschlag.

Obwohl der Wettbewerb im Allgemeinen zu einer niedrigeren E1-Preisgestaltung geführt hat, sind E1-Verbindungen in ländlichen Gebieten noch immer relativ teuer. Und da jede E1-Leitung lediglich 1,5 MBit/s an Bandbreite liefert, dauert es nicht lange, bis ein Wireless-Operator einer Mobilfunkstation mehrere E1-Leitungen bereitstellen muss. Dabei zieht jede zusätzliche E1-Leitung erhebliche Fixkosten für einen relativ geringen Zuwachs an Bandbreite nach sich. Mit der Verlagerung in Richtung LTE (Long-Term-Evolution) und Wimax für drahtlose Netze der nächsten Generation, wächst der Bedarf, um von E1-Altsystemen zu wechseln.

Achtung: Blitzschlag

E1-Mobile-Backhaul basiert auf Kupfer und ist anfälliger für Blitzschlag als Ethernet-Mobile-Backhaul, das Lichtwellenleiter verwendet. So kann ein Blitzschlag eine Unterbrechung von zwei bis drei Sekunden in der E1-Mobile-Backhaul-Kommunikation auslösen. Dies führt dazu, dass eine Basisstation sämtliche Gespräche verwirft und einen Resynchronisierungsprozess mit dem Controller einleitet. Dieser kann in einigen Fällen bis zu 45 Minuten dauern.

EMBS-Referenz-Architektur (Ethernet-Mobile-Backhaul-Services), die den Metro-Ethernet-Transport-Ansatz darstellt

Die Trends bei mobilen Netzwerken veranlassen Wireless-Network-Operators, sich nach kostengünstigen Möglichkeiten für E1-Mobile-Backhaul mit höherer Kapazität umzusehen. Um diesen Bedarf zu adressieren, setzen Metro-Netzbetreiber neue Mobile-Backhaul-Services ein, die bestehenden, auf Kupfer basierenden E1-Verbindungen durch auf Paketen basierende Netze über Lichtwellenleiter-Einrichtungen ersetzen.

Hilfen vom Metro Ethernet Forum

Bei dem Metro Ethernet Forum [2] (MEF) handelt es sich um ein Industriekonsortium, das Ethernet-Service-Definitionen standardisiert. Es stellt Carriern sowie Equipment-Anbietern einen Prozessablauf zur Verfügung, mit dem diese eine standardkonforme Zertifizierung erreichen. Die Migration von bestehenden E1-Services auf Ethernet-Mobile-Backhaul-Services (EMBS) wird durch Service-Definitionen erleichtert, die das MEF vor kurzem entworfen hat. Im Februar 2009 wurde das »MEF 22 Implementation Agreement« angekündigt. MEF 22 bildet die Grundlage für eine EMBS-Implementierung mit Carrier-Ethernet zwischen den Radio-Network-Controllern (RNCs) und den Radio-Access-Networks-Base-Stations (RAN-BSs).

MEF 22 adressiert die EMBS-Anforderungen an Synchronisierung, Legacy-mobile-Backhaul-Migration, Traffic-Separation und »Ethernet-Operation, Administration and Management« (OA&M). Es präzisiert aber nicht, wie das zu Grunde liegende Carrier-Ethernet-Transport-Netzwerk aufgebaut ist. Um EMBS zur Verfügung zu stellen, gibt es verschiedene alternative Metro-Packet-Architekturen, denen einige Elemente gemeinsam sind.

Synchronisierung ist zentral für ein richtiges Timing

Synchronisierung ist ein Schlüsselelement für EMBS. Die Standardisierungsarbeiten des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE [3]) und der International Telecommunications Union (ITU [4]) sind daran, die Anforderungen an das Timing für EMBS zu adressieren. Dazu versehen sie auf Paketen basierende Netze mit der notwendigen Synchronisierung für zeitkritische Applikationen wie mobiles digitales Video.

Das »IEEE 1588 Precision Time Protocol« wurde 2002 standardisiert und stellt eine Synchronisierung im Sub-Mikrosekundenbereich zwischen den über Ethernet angebundenen Geräten bereit. Auf Mobile-Backhaul angewandt, hat IEEE-1588 den Vorteil, dass es nicht auf jedem Intermediate-Node im Netzwerk eingesetzt werden muss.

Nachteilig wirkt sich aus, dass variable Paketverzögerungen über das Netz die Synchronisierungs-Performance beeinflussen. G.8261/G.8262/G.8264 der ITU beschreiben Synchronous-Ethernet (SyncE). Dieses definiert eine physikalisch verbundene Timing-Infrastruktur, ähnlich derjenigen in SONET-/SDH-Einsatzbereichen.

Da SyncE keine auf Paketen basierende Technologie ist, wird die Synchronisierungs-Performance nicht durch hohes Netzwerkverkehrsaufkommen auf dem auf Paketen basierenden Netz beeinträchtigt. Der Nachteil dabei ist, dass jeder Zwischenknoten im Backhaul-Pfad SyncE unterstützen muss.

Die Migration von bestehenden Mobile-Backhaul-Systemen adressiert die Konsolidierung mehrerer Mobile-Backhaul-Generationen, inklusive 2G, 3G und den aktuellsten 4G-Netzen in ein einziges auf Paketen basierendes Metro-Netzwerk. Richtlinien für die Unterstützung unterschiedlicher Wireless-Technologien wie etwa LTE (Long-Term-Evolution) und Wimax werden auch vom MEF 22 zur Verfügung gestellt.

Wenn eine Migration von bestehenden E1-Services nach EMBS erfolgt, haben Carrier die Wahl, sofort auf eine Ethernet-Backhaul-Komplettlösung zu wechseln oder dies schrittweise zu tun. Bei Letzterem erhalten Carrier zunächst ihre bestehenden E1-Verbindungen für den Sprachverkehr aufrecht, während sie gleichzeitig EMBS-Verbindungen für den Datenverkehr unterstützen. Das »MEF 8 Implementation Agreement for the Emulation of PDH Circuits over Metro Ethernet Network« beschreibt die Anforderungen an Metro-Carrier, um E1-Services anzubieten und gleichzeitig von Ethernet-Mobile-Backhaul zu profitieren.

Verkehrstrennung wegen der vielen parallelen Dienste

Traffic-Separation gibt - wie in MEF 22 definiert - Richtlinien hinsichtlich der Anzahl der notwendigen Class-of-Services (COS) vor. Hinzu kommt ein Framework, um Verkehrs-Typen in einer begrenzten Anzahl von COS-Typen zu bündeln sowie die Anforderungen an die Leistungsmerkmale für jede dieser Klassen. Traffic-Separation ist wichtig auf Grund der großen Bandbreite an Diensten, die das Metro-Netzwerk transportiert. Sie setzt auch Verkehrs-Priorisierung durch, die notwendig ist, um Synchronisierungsanforderungen zwischen den RAN-BS (Radio-Access-Network-Base-Station) und den RAN-NC (RAN-Network-Controller) zu erfüllen.

»Ethernet-Operation, Administration and Maintenance«-Standards (EOAM) adressieren Fehlererkennung, Service-Management und Performance-Monitoring. Entsprechende existierende Standards umfassen das Connectivity-Fault-Management (CFM) nach IEEE 802.1ag. Es ermöglicht dem Service-Provider zu bestimmen, ob ein spezieller Service an einen Kunden geliefert wird. Hinzu kommt ein exakt definierbarer Grad an Granularität, als lediglich nur einen fehlerhaften Link im Netzwerk zu erkennen. Performance-Monitoring gemäß ITU Y.1731 versetzt die Service-Provider in die Lage, Paketverlust oder -verzögerung zu analysieren, um die Service-Performance zu ermitteln.

Es existieren mehrere verschiedene Metro-Netzwerkarchitekturen, die in der Lage sind, EMBS zu übertragen. Im Allgemeinen sind diese Methoden als Metro-Virtual-Private-LAN-Services (VPLS), Metro-Multi-Protocol-Label-Switching (MPLS) und Metro-Ethernet-Transport klassifiziert. Jeder dieser Ansätze erlaubt es, den Service-Providern EMBS anzubieten, ebenso Dienste wie E-FTTX für Unternehmen und stationäre Triple-Play-Aggregation.

MPLS ist im Core von IP-Netzen weit verbreitet, wo es komplexe Routing-Mechanismen ermöglicht. Der Metro-MPLS-Ansatz dehnt dieses komplexe Set an IP-Routing-Einsatzmöglichkeiten auf den Metro-Bereich aus. VPLS wurde eingeführt, um ein stabiles Set von Ethernet-Private-LAN-Services am Rand von MPLS-Core-Netzwerk-Services hinzuzufügen. Der Metro-VPLS-Ansatz weitet diese Services bis zum Rand des Metro-Bereichs aus, indem Router mit VPLS-angepassten Chips in der zuständigen Zentralniederlassung sowie im Metro-Core eingesetzt werden.

Der Metro-Ethernet-Transport-Ansatz stützt sich vor allem auf Ethernet im Stadtnetzbereich. Dies schließt VLAN-Übersetzung, Provider-Bridging (PB, 802.1ad), Provider-Backbone-Bridges (PBB, 802.1ah) und Provider-Backbone-Bridges-Traffic-Engineering (PBB-TE, 802.1Qay) ein. Unabhängig von der Herangehensweise erhält das Metro-Netzwerk Anschluss an ein MPLS-Carrier-Core-Netzwerk, was EMBS über den Stadtnetzbereich hinaus ausdehnt, etwa für global operierende Wireless-Netzbetreiber.

Kosten-/Nutzenbetrachtungen

Jeder der Metro-Ansätze stellt Funktionen bereit, um EMBS und andere Dienste zu liefern. Allerdings gehören zur Auswahl einer bestimmten Metro-Netzwerk-Architektur auch Kosten-Nutzen-Abwägungen, die die Total-Cost-of-Ownership (TCO) über die Lebensdauer des Netzwerks beeinflussen. Network Strategy Partners (NSP), ein Management-Consulting-Unternehmen für die Telekommunikationsindustrie, hat ein Whitepaper veröffentlicht: In diesem stellt NSP ausführlich ihre Untersuchungen bezüglich der TCO von Metro-VPLS-, Metro-MPLS- und Metro-Ethernet-Transport-Methoden vor. Dabei berücksichtigt NSP Residential-Triple-Play, Business-Ethernet und Wireless-Backhaul-Services. Das Papier [5] zeigt, dass der TCO für Ethernet-Transport um 61 Prozent beziehungsweise 63 Prozent niedriger liegt als für die Metro-VPLS- und Metro-MPLS-Alternativen.

Wie aus dem Whitepaper weiter hervorgeht »kommt der Kostenunterschied dadurch zu Stande, dass die VPLS- und MPLS-Varianten spezielle IP/MPLS-Funktionen in ihren Linecards benötigen. Dagegen kann Metro-Ethernet-Transport auf die weit verbreiteten Ethernet-L2-/L3-Funktionen von Ethernet-Transport-Linecards zurückgreifen. Das Produktionsvolumen von Ethernet-Linecards ist um das Zweifache größer als das von VPLS- und MPLS-Linecards. Folglich können Anbieter von Ethernet-Transport ihre Produkte zu rund der Hälfte des Preises im Vergleich zu den hoch spezialisierten und in geringeren Stückzahlen gefertigten VPSL- und MPLS-Linecards anbieten.«

Des Weiteren legen die Analysten von NSP dar, dass VPLS- und MPLS-Switches über eine niedrigere 10GE-Port-Dichte verfügen. Für Netzbetreiber heißt das, dass sie mehr Switches benötigen, um dieselbe Menge an Metro-Verkehr zu transportieren.

Der NSP-Report zeigt zudem, dass zu den wichtigsten Faktoren, die zu den Betriebskosten (Operational-Expenditure, OpEx) beitragen, Ausgaben für Service-Verträge, Aufwendungen für Entwicklung/Betriebsanlagen/Installation sowie Kosten für die Netzwerkbetreuung zählen. Letzteres umfasst die Ausgaben für die Provisionierung, Monitoring und Wartung des Netzwerks. Hinzu kommen Ausgaben für Trainings und Tests/Zertifizierungen. Dabei machen Serviceverträge den größten Bestandteil der Betriebskosten aus und liegen in der Regel bei 10 bis 15 Prozent des Investitionsaufwands. Weiteres Sparpotenzial bei den Betriebskosten hat Carrier-Ethernet durch einen niedrigeren Stromverbrauch und die daraus folgende Einsparung bei Heizung, Belüftung und Klimatisierung.

Referenz-Architektur für Metro-Ethernet

Die EMBS-Referenz-Architektur, die den Metro-Ethernet-Transport-Ansatz darstellt, besteht aus einem Ethernet-Distributions-Netzwerk. Es bindet verschiedene Ring-Aggregation-Points-of-Presences (PoPs) über mehrere 10GE-Links an den Metro-Core-PoP an. Das Ethernet-Access-Netzwerk verbindet die RAN-BSs mit den Ring-Aggregation-PoPs über mehrere 1-GBit- und/oder 10-GBit-Ethernet-Access-Ringe.

Dabei werden Ethernet-Transport-Switches in der RAN-BS platziert und bilden den ersten Aggregation-Level im Metro-Netzwerk. Die nächste Stufe der Aggregation-Switches kommt am Ring-Aggregation-PoP zum Einsatz und sammelt dort Verkehr von den verschiedenen Access-Switches. Diese Architektur lässt sich in feinen Stufen von mehreren Hundert bis hin zu Zehntausenden von Ethernet-UNIs pro Metro-Core-PoP ausbauen.

Diese Topologie erlaubt die Konfiguration der logischen Ethernet-Access-Protection-Switching-Ringe (EAPS, RFC 3619) vom Metro-Core-PoP über die Ring-Aggregation-PoPs bis zu den Ethernet-Transport-Switches, die der RAN-BS zur Verfügung stehen. Dies ermöglicht eine Recovery-Zeit von 50 ms bei Fehlern zwischen der RAN-BS und dem Metro-Core-PoP.

Fazit

Da der Bedarf an Wireless-Services wächst, bieten sich Metro-Netzbetreiber zunehmend Gelegenheiten für den Einsatz von EMBS. Metro-Netzwerk-Architekturen der nächsten Generation erlauben es, Stadtnetzbetreibern eine große Anzahl auf Paketen basierende Dienste über eine normale Metro-Packet-Infrastruktur anzubieten und so den Return-on-Investment zu maximieren.

Hanno Viehweger ist Global-Systems-Engineer bei Extreme Networks.

[1] http://www.infonetics.com/
[2] http://metroethernetforum.org/
[3] http://www.ieee.org/
[4] http://www.itu.int/
[5] http://0299d3f.netsolhost.com/NewPages/EXT.pdf

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