Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze

Abteilung für Elektrotechnik Abteilung für Informatik

Sommersemester 2001

Prof. A. Kündig _________________________________________________________________________________________

Intelligente Kommunikationsnetze Vorwort Inhaltsübersicht Kapitel 1: Der Lebenszyklus von Kommunikationsnetzen

© beim Autor

25.4.2001

Intelligente Kommunikationsnetze

SS 2001

Kapitel 1, Seite 2

Vorwort

Im Rahmen dieser Vorlesung beschäftigen wir uns schwergewichtig mit öffentlichen Kommunikationsnetzen, deren Dienste mindestens regional, wenn nicht sogar weltweit zur Verfügung stehen. Dabei beschränken wir uns bewusst auf 3 technische Konzepte wie folgt: • ISDN, als moderner (digitaler) Version eines für die Bedürfnisse der Sprachkommunikation (Telefonie) geprägten Netzes. • Internet, als heute allgegenwärtigem Netz für die computergestützte Kommunikation. • B-ISDN mit dem sogenannten ATM-Übermittlungsmodus (Asynchronous Transfer Mode) als Ansatz, der die Vorteile des ISDN und des Internet zu vereinen sucht, und gleichzeitig deren Nachteile vermeiden möchte. Heute kann man davon ausgehen, dass sich die Funktionen der OSI-Schichten 2 und 3 aller drei genannten Netze letztlich auf ein digitales Übertragungsnetz (OSI-Schicht 1) nach den SDHNormen (USA: SONET) abstützt, wobei in einzelnen Ländern auch noch Übertragungsnetze vom PDH-Typ existieren mögen. Wir setzen Grundkenntnisse bezüglich Aufbau und Funktionsweise dieser Netze voraus1 , wobei eine gewisse Übersicht noch einmal in Kapitel 2 gegeben wird. Die Vorlesung konzentriert sich dann aber auf verschiedene Aspekte der Steuerung dieser Netze aus der Sicht des ganzen Lebenszyklus; sie setzt deshalb bei der Verbindungssteuerung (bzw. bei den äquivalenten Aufgaben in verbindungslosen Netzen) ein, behandelt Fragen des Netzwerk-Management mit einer kurz- und mittelfristigen Sicht (z.B. Fehlerlokalisierung und –maskierung) und endet bei den langfristigen Aspekten der bedarfsgerechten Planung und dem Ausbau dieser Netze. Anschliessend wird diskutiert, ob die verschiedenen genannten Netze wie auch die verschiedenen Funktionsbereiche (z.B. Verbindungssteuerung und Netzwerk-Management) konvergieren könnten, und wenn ja, wie. Dazu wird vorgängig eine Einführung in die Techniken des Anschlussnetzes gegeben, da Konvergenzfragen ohne Einbezug des Anschlussnetzes (einschliesslich drahtloser bzw. mobiler Anschlüsse) kaum ernsthaft diskutiert werden können. Schliesslich werden in einem Ausblick die oben gemachten Annahmen verlassen und der Einfluss neuer Technologien wie WDM (Wavelength Division Multiplexing), optische Vermittler und neue Entwicklungen in der drahtlosen Nachrichtentechnik auf die Steuerung und das Management von Kommunikationsnetzen kurz diskutiert.

1

Entsprechend etwa der Vorlesung "Kommunikationsnetze: Konzepte, Entwurf und Modellierung" und dem in jener Vorlesung verwendeten Fachbuch [1.1] (siehe Literaturhinweise unter Kapitel 1 dieses Skripts).

Intelligente Kommunikationsnetze

SS 2001

Kapitel 1, Seite 3

Inhaltsübersicht 1

Der Lebenszyklus von Kommunikationsnetzen 1.1 1.2 1.2

2

Einführung: Die Zeit als wichtiger Gesichtspunkt bei der Betrachtung von Kommunikationsnetzen Die Lebensdauer von Kommunikationsnetzen Literaturhinweise

Die Steuerung von Netzen: Vergleich verschiedener Netzkonzepte 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

3

Einführung, Begriffe, Taxonomie ISDN B-ISDN Internet Quervergleich Literaturhinweise

Das Signalisiersystem Nr. 7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

4

Einführung, Vorgeschichte, Anforderungen Architektur Signalisierung im Schmalband-ISDN Signalisierung im Breitband-ISDN Ausblick Literaturhinweise

Intelligente Netze 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

5

Zielsetzungen, Begriffe Konzepte und Architektur Ausbaustufen Mobilkommunikation als Anwendung der IN IN in der Schweiz und im Ausland Literaturhinweise

Netzwerkmanagement 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

6

Zielsetzungen, Begriffe Konzepte und Architekturen Management des Übertragungsnetzes Management des ISDN und B-ISDN Entwicklungstendenzen Literaturhinweise

Der Anschlussbereich 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Problemstellung Systemtechnische Alternativen Verwendung der bestehenden Telefon- bzw. ISDN-Ortsnetze Verwendung der bestehenden Breitband-Verteilnetze Neue Netzwerkkonzepte Literaturhinweise

7

Konvergenz der Netze

8

Ausblick

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Kapitel 1, Seite 4

1

Der Lebenszyklus von Kommunikationsnetzen

Abkürzungen AK ATM B-ISDN CL CO CS FIFO IN IP ISDN ISO ITU-T NM NNI NS MPEG NPDU NSAP ONI OSI PBX PCM PDH PDU POTS PS PVN TCP TK TPDU UDP UNI QoS SDH SM SONET SS7 STM WDM

Anschlussknoten asynchronous transfer mode broadband ISDN connectionless connection-oriented circuit switched first in, first out (Warteschlange; auch FCFS: first come, first served) intelligent network, intelligentes Netz Internet protocol integrated services digital network International Standards Organization International Telecommunications Union - Telecommunications Standards Bureau network management network-network interface network service Moving Pictures Expert Group network-protocol data unit network service access point operator-network interface open system interconnection private branch exchange (deutsch: TVA) pulse code modulation plesiochronous digital hierarchy protocol data unit plain old telephone system packet switched private virtual network telecommunications control protocol Transitknoten transport protocol data unit user datagram protocol user-network interface quality of service synchronous digital hierarchy service management synchronous optical network signalling system no. 7 (auch: SS #7) standard transport module wavelength division multiplexing

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Kapitel 1, Seite 5

1.1

Einführung: Die Zeit als wichtiger Gesichtspunkt bei der Betrachtung von Kommunikationsnetzen

Bei der Betrachtung der Vorgänge in und um Telekommunikationsnetzen wird die Zeit als entscheidendes Element oft vernachlässigt, obschon mit den verschiedenen Sichtweisen auf die Netze in der Regel auch bestimmte Zeitmassstäbe verknüpft sind. 1 . 1 . 1 Die Zeitverhältnisse auf verschiedenen Protokollschichten Naheliegend ist zunächst, die Zeitverhältnisse aufgrund der Gliederung des OSI-Modells zu betrachten, etwa wie folgt: • Schicht 1: Übertragung eines isochronen Bitstroms. Die zeitliche Granularität ist hier gegeben durch die Übertragungszeit für ein Bit, die typischerweise folgende Werte annimmt: ca. 7 µs auf einer ISDN-Anschlussleitung (mit gegen 200 kbit/s); 0,5 µs bei einem 2Mbit/s Primärmultiplexsystem; 6,4 ns bei der STM-1-Stufe in SDHÜbertragungsnetzen (155,52 Mbit/s). • Schicht 3: Vermittlung auf der Basis von Daten-"Grundeinheiten". Je nach dem im Vorwort genannten Netztyp unterscheiden wir folgende Granularitätsstufen: • ISDN: 1 Oktett (Byte). Für den Benutzer des ISDN-Netzwerkdienstes ist allerdings nicht das einzelne Oktett speziell wichtig, sondern ein Bytestrom von 8 kB/s (64 kbit/s). Das Netz verhält sich im wesentlichen wie eine FIFO-Warteschlange mit äusserst kleiner, praktisch nur durch die Signallaufzeiten gegebenen Verzögerung, und garantierter Einhaltung der Reihenfolge der Datenelemente. Das ISDN ist ein leitungsvermitteltes (circuit switched) Netz mit verbindungsorientiertem (connectionoriented, CO) Netzwerkdienst. • Internet: 1 IP-Datagramm variabler Länge (in der Regel IP-Paket genannt), mit einer maximalen Länge von 65'535 bytes. Wenn ein Endsystem eine Folge von IP-Paketen mit der gleichen Destination generiert, so werden diese Pakete dennoch individuell durch das Netz geroutet; die Einhaltung der ursprünglichen Reihenfolge kann auf dieser Ebene nicht garantiert werden (d.h. sie muss auf einer höheren Protokollschicht wiederghergestellt werden). Mit dem Internet wird ein verbindungsloser, paketvermittelter Netzwerkdienst verwirklicht (CL = connectionless, PS = packet switched). • ATM: 1 Zelle von brutto 53 Byte mit 48 Byte Nutzlast (payload). ATM entspricht einem ein verbindungsorientierten, paketvermittelten Netzwerkdienst (CO = connection oriented, PS = packet switched). • Schicht 4: End- zu-End Transport von Dateneinheiten. Je nach Netztyp unterscheiden wir wieder: • ISDN: Die Ausgestaltung dieser Schicht hängt im Prinzip von der daüberliegenden Applikation ab. Bei der Telefonie ist sie leer, d.h. der von der Netzwerkschicht offerierte Bytestrom von 8 kB/s wird "nach oben weitergereicht" und von der Applikation als PCM-codiertes Sprachsignal interpretiert. Im Prinzip können aber auch andere Protokolle wie z.B. TCP eingesetzt werden, wobei allerdings deren Funktionalität (siehe unten) kaum benötigt wird (entscheidend ist in diesem Falle jedoch, dass eine bekannte Schnittstelle verwendet werden kann – also ein softwaretechnischer Vorteil). • Internet: Auf der Transportschicht des Internet kommen die Protokolle TCP (verbindungsorientiert, fehlerkorrigierend, Wiederherstellung der Reihenfolge) oder Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 1, Seite 6

UDP (verbindungslos) zum Einsatz. Die entsprechenden Protokoll-Dateneinheiten (PDU = protocol data units) werden in beiden Fällen Segmente genannt; deren Länge ist variabel und entspricht im wesentlichen derjenigen der unterliegenden IPDatagramme. • B-ISDN: Beim Breitband-ISDN sind verschiedene Protokolle für die sogennante ATM-Adaptationsschicht definiert worden (AAL = ATM adaptation layer). Sie reichen von der bei AAL1 vorgesehenen Möglichkeit, einen synchronen Bitstrom in einer Folge von ATM-Zellen unterzubringen (eine Art Emulation des Dienstes, wie er im ISDN existiert), bis hin zu Diensten, die TCP und UDP ähnlich sind. Die entsprechenden Nutzdatenfelder haben im letzten Fall deshalb praktisch die gleiche Länge wie bei TCP und UDP. • Schichten 5-7: Session, Präsentation und Applikation (im Internet einfach unter dem Begriff application layer zusammengefasst): Auf dieser Ebene sind die Datenstrukturen letztlich durch die Applikation und ihre Charakteristiken gegeben, sowie durch Aspekte im Zusammenhang mit der Quellencodierung, der Übermittlungsverzögerung und der Übermittlungsqualität. Dazu eine Illustration an einem Beispiel: Videosignale werden durch zeilenweise Abtastung aufeinanderfolgender Bilder erzeugt. Falls keine Redundanzreduktion über mehrere Bilder hinweg erfolgt (wie z.B. bei den MPEG-Normen), so wären "natürliche" Datenelemente z.B. eine Zeile, ein Teilbild (z.B. 16*16 pixel bei DCT-Transformation), oder ein ganzes Bild (Rahmen, frame). Je grösser ein derartiges Datenelement ist, desto kleiner der Protokoll-Overhead, desto grösser aber andererseits die Paketisierungsverzögerung und die Wahrscheinlichkeit, dass Übermittlungsfehler gravierende Konsequenzen haben (Bildstörungen, zusätzliche Verzögerungen). Auf dieser Ebene sind nun verschiedenartigste Zeitmassstäbe relevant, z.B.: • bei der Sprachübertragung die Dauer eines Lauts (im Bereich von 10 ...etwa 200ms), einer zusammenhängenden Äusserung (im Bereich Sekunden), einer Aussage (bis mehrere Sekunden), nach deren Ende der Gesprächspartner seinerseits eine Aussage macht, bis hin zur mittleren Dauer einer ganzen Gesprächs (Verbindungsdauer in der Telefonie, etwa 3 min). • bei E-Mail: die Zeit für die Übertragung einer ganzen Meldung. • bei der Verwendung von WWW-Diensten: die Zeiten für das Transferieren einzelner Datenelemente oder ganzer Files bis hin zur Dauer einer WWW-"Sitzung" (u.U. Stunden!). Zur Illustration einiger bisher berührter Zusammenhänge dient Figur 1.1, in der für verschiedene Paketgrössen die Verzögerung aufgezeigt wird, die sich bei der Paketisierung eines kontinuierlichen Datenstroms ergibt. Mit Hilfe dieser Figur können wir zum Beispiel folgende Überlegungen anstellen: • PCM-codierte Sprache erleidet bei der Übermittlung mit ATM-Zellen eine Paketisierungsverzögerung von 6 ms. Diese Verzögerung ist im Vergleich zu der in den Vermittlungsknoten auftretenden Verzögerung zwar recht gross, aber vom Menschen nicht wahrnehmbar (Wahrnehmbarkeitsgrenze bei etwa 30-50 ms). Bei sehr grossen Übermittlungsdistanzen dominiert hingdemgegenüberegen die reine Signallaufzeit; diese beträgt im Extremfall bei terrestrischer Übertragung (20'000 km) 100 ms, bei Übertragung via Synchronsatellit (Annahme: ein up-Link, ein down-link, zwei terrestrische Enden zu je 1000 km) sogar 250 ms. Falls für die Sprachübertragung UDP-Pakete maximaler Länge benützt würden, ergäbe sich andererseits eine Paketisierungsverzögerung in der Grössenordnung von 10 s; ein spontaner Dialog wäre gar nicht möglich!

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Kapitel 1, Seite 7

Man beachte, dass eine stärkere Kompression der Sprachsignale die Situation in zweierlei Hinsicht verschärft: Die Kompression selber benötigt mehr Zeit als die simple Digitalisierung auf PCM-Basis, und die Paketisierungsverzögerung steigt umgekehrt proportional zur Bitrate an. Zum Beispiel wäre bei einer Sprachübertragung mit 4 kbit/s bereits an der Quelle mit einer Verzögerung von über 100 ms zu rechnen! 100M 100ns 1µs 10M 10µs average source rate [byte/s]

100µs 1M 1ms 10ms 100k 100ms 1S 10k 10S

PCM 64kbit/s

100S 1k

100 1

10

100

1k

10k

100k

1M

network transfer grain size [byte]

Figur 1.1

Paketisierungsverzögerung

{6244}

Ähnliche Überlegungen können selbstverständlich auch für die Videoübertragung angestellt werden. Bei multimedialer Kommunikation entstehen zusätzliche Probleme, wenn die Übermittlungszeiten für die verschiedenen medialen Komponenten unterschiedlich sind (z.B. bei der sog. Lippensynchronisation). • Wenn wir ein ganzes Vorlesungsskript von z.B. 1 MByte Grösse in 10 s übertragen wollen, so entspricht dies einer Netto-Datenrate von 100 kB/s. Die Paketisierungsverzögerung beträgt in diesem Falle bei einer Nutzlast von 1kByte je Paket lediglich 10 ms, ist also gegenüber der gesamten Transferzeit völlig vernachlässigbar. Übrigens würde die Netto-Datenrate von 100kB/s wohl eine Brutto-Trägerbitrate von signifikant über 1 Mbit/s bedingen. Die beiden Beispiele illustrieren natürlich auch den Umstand, dass die Internet-Konzepte seinerzeit primär auf die Bedürfnisse der Computer-Computer- und Computer-MenschKommunikation ausgerichtet wurden, während die ISDN- und B-ISDN-Konzepte die Anforderungen von Echtzeit-Dialogdiensten stark widerspiegeln. 1.1.2

Die Zeitverhältnisse bei der Steuerung und beim Management von Netzwerken Im Sinne des OSI-Modells können wir die Steuerung wie auch das Management von Netzwerken als spezielle Applikationen betrachten. Dies hat z.B. beim ISDN wie auch beim B-ISDN dazu Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 1, Seite 8

geführt, die Funtionalität der Netze mit drei nebeneinanderstehenden Protokollstapeln zu beschreiben, wie Figur 1.2 zeigt.

Management Plane

User Plane

Higher Layers

Higher Layers Adaptation Layer

Plane Management Layer Management

Control Plane

ATM Layer Physical Layer

Figur 1.2

Protokoll-Referenzmodell unter Einschluss von Signalisierung und Management {6244}

Die Unterscheidung in die beiden Bereiche Steuerung (bzw. Signalisierung) und Management erfolgte seinerzeit nicht zuletzt, weil in diesen Bereichen ursprünglichsignifikant unterschiedliche Zeitmassstäbe galten: • mit der Automatisierung des Telefonnetzes (seit über 100 Jahren) sind alle Vorgänge der Verbindungssteuerung mechanisiert und damit technologiebedingt auch immer schneller geworden. Während die alte Wählscheibe noch Verbindungsaufbauzeiten von vielen Sekunden als durchaus natürlich erscheinen liess, misst sich die (wünschbare) Verbindungsaufbauzeit im ISDN einerseits an der Fertigkeit des Menschen, über eine Tastatur eine z.B. 10-stellige Nummer einzugeben (ca. 3 s), vor allem aber an der Forderung, kurze Datenverbindungen vom Computer rasch herzustellen zu können. Für das ISDN können daher Verbindungsaufbauzeiten im Bereich von z.B. einigen 100 ms angenommen werden. Diese kurze Verbindungsaufbauzeit würde z.B. nur einen Bruchteil der Übertragungszeit eines einzigen maximal grossen IP-Paketes über einen Basiskanal des ISDN ausmachen (ca. 8 s ohne weitere Protokoll-Overheads). In der Tat ist denn auch vor einiger Zeit ein fast circuit switching-Ansatz diskutiert worden, bei dem die Verbindungsaufbauzeitnoch einmal wesentlich reduziert wird. • demgegenüber sind noch bis weit in die 70er-Jahre hinein viele NetzwerkManagementfunktionen manuell abgewickelt worden, mit den entsprechenden Zeitkonstanten im Minuten- bis Stundenbereich (z.B. bei der Störungsbehebung) oder gar im Bereich von Wochen bis Monaten (z.B. bei der Verkehrserfassung und der darauf abgestützten Planung und dem Netzausbau). Ein besonders grosses Volumen an manuell gestützter Datenerfassung fiel insbesondere bei der Aufarbeitung der (automatisch erfassten) Taxierungsdaten für die (wiederum computergestützte) Fakturierung an, wo die Zeitkonstanten im Bereich von einigen Sekunden (Erfassen eines Taxierungsrecords) bis zu einem Monat (Periodizität des Festhaltens der akkumulierten Taxdaten mittels Mikrofilm) liegen. • besonders interessant ist der Aspekt der Dienstqualität, welche ein Benutzer mit dem Netzbetreiber vereinbart. Bis vor kurzem handelte es sich dabei um einen Akt, der zusammen mit dem Abschluss eines Abonnementsvertrags verknüpft war – neue Verträge Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 1, Seite 9

werden in der Regel nicht einmal jedes Jahr neu ausgehandelt. Bereits das ISDN bringt nun – mindestens vom Konzept her – die Möglichkeit, für jede einzelne Verbindung eine bestimmte Dienstqualität zu spezifizieren (in der Regel mit entsprechenden Kostenfolgen). Wiederum technologiebedingt ändern auch hier die Zeitmasstäbe signifikant – in diesem Falle um mehrere Grössenordnungen. Wie bereits in den vorstehenden Beispielen angetönt wurde, überlappen die für bestimmte Abläufe charakteristischen Zeiten immer mehr, und so wird es auch zunehmend schwieriger, die klassischen Unterscheidungen zwischen Bereichen wie Signalisierung, Verbindungssteuerung und Netzwerk-Management aufrecht zu erhalten. Dazu kommt, dass den Benutzern zunehmend auch Möglichkeiten gegeben werden, die vom Netz bezogenen Dienstleistungen selber "masszuschneidern"; die Schnittstelle zwischen Benutzer und Netz (UNI = user network interface) ist deshalb immer mehr nicht nur eine Schnittstelle für die gegenseitige Übergabe von Daten, sondern auch eine Art Programmierschnittstelle – und das Netz sozusagen eine weltweit verteilte Maschine.

1.2

Die Lebensdauer von Kommunikationsnetzen

Kommunikationsnetze und die von ihnen angebotenen Übermittlungsdienste müssen ausserordentlich hohen Verfügbarkeitsanforderungen genügen: • die kumulierte Nicht-Verfügbarkeitszeit für einen einzelnen (Festnetz-)Anschluss sollte im Bereich von wenigen Stunden pro Jahr liegen • die entsprechende Zeit für ganze Netzbereiche, bei denen mehrere 10'000 Anschlüsse gleichzeitig betroffen sind, sollte bei wenigen Stunden über z.B. 25 Jahre liegen • trotz der genannten ausserordentlich hohen Verfügbarkeitsanforderungen müssen Netze ständig unterbruchsfrei weiter ausgebaut werden können, und es wird erwartet, dass ihre Leistungen immer wieder den Möglichkeiten neuer Technologien folgen, bei gleichzeitig sinkenden Kosten (sowohl für die Nutzer wie die Betreiber) • die Benutzer erwarten, dass bestimmte Kenngrössen und Funktionen über viele Jahre hinweg stabil bleiben, damit keine Anpassungen bei ihren Applikationen und ihren Geräten (Endsystemen) notwendig werden. Solange nun die Funktionalität eines Kommunikationsnetzes weitgehend hardwaremässig festgelegt war - zum Beispiel das Routing bei elektromechanischen Direktwahlsystemen durch die Verdrahtung der Wähler -, konnte eine weitgehende Übereinstimmung der Lebensdauer der grundsätzlichen Konzepte und ihrer Implementierung festgestellt werden. Charakteristisch für diese (ab der Erfindung des Telegrafen etwa 130 Jahre dauernde) Periode war lediglich eine allmähliche Verkürzung der technologischen Zyklen, und damit eine stetige Abnahme der Lebensdauer der Vermittlungssysteme. Mit der zunehmenden Verlagerung der Funktionalität in die Software stellen wir nun aber in den letzten 30-40 Jahren eine zunehmende Divergenz der Lebensdauer n fest: • grundlegende Konzepte wie Adressierung, Multiplexhierarchien, Protokolle, Programmierschnittstellen usw. können Jahrzehnte überleben. Dazu gehören auch Festlegungen, die sozusagen aus "Bequemlichkeit" immer weiter übernommen werden, wie z.B. das Framing bei HDLC-basierten Protokollen. • die Datenbasen komplexer Systeme müssen u.U. über 20 und mehr Jahre konsistent nachgeführt werden. Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 1, Seite 10

• •

1.3 [1.1]

die Applikationssoftware muss über viele Jahre einsatzfähig sein. die unterliegende Hardware wird u.U. mit Zyklen von wenigen Jahren erneuert (Endgeräte wenige Jahre, Vermittlungsknoten und Multiplexausrüstungen z.B. 10 Jahre, Kabel etwas länger)

Literaturhinweise Keshav S.: An Engineering Approach to Computer Networking. ATM Networks, the Internet, and the Telephone Network. Addison-Wesley, Reading Mass., 1997.

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Kapitel 1, Seite 11

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Intelligente Kommunikationsnetze Kapitel 3: Das Signalisiersystem Nr. 7

© beim Autor

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Swiss Federal Institute of Technology Zurich

26.4.2001

Ecole polytechnique fédérale de Zurich Politecnico federale di Zurigo

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Kapitel 3, Seite 2

3

Das Signalisiersystem Nr. 7

Abkürzungen ARQ ASE ATM B-ISDN B-ISUP CCITT CCS CCIS CIC CRC DPC DSS1 FISU HDLC IN ISDN ISUP ITU LAP-D LSSU MIB MSU MTP N-ISDN NSDU NSP OMAP OPC PCI PCR PDU POTS

QoS SCCP

Automatic Repeat Request Application Service Element Asynchronous Transfer Mode Broadband ISDN Broadband ISDN Signaling User Part Comité Consultatif International pour la Télégraphie et la Téléphonie (innerhalb ITU) Common Channel Signalling Common Channel Interoffice Signalling Circuit Identification Code Cyclic Redundancy Check Destination Point Code Digital Subscriber Signalling System No. 1 Fill-in Signal Unit High Level Data Link Control Intelligent Network Integrated Services Digital Network ISDN Signaling User Part International Telecommunications Union Link Access Protocol D Link Status Signal Unit Management Information Base Message Signal Unit Message Transfer Part Narrowband ISDN Networ Service Data Unit Network Services Part Operations Maintenance and Administration Part Origination Point Code Protocol Control Information Preventive Cyclic Retransmission Protocol Data Unit Plain Old Telephone Service

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SCP SEP SKn SLS SP SS7 SSP STP SU TCAP TMN TSL TUP UKn UNI UUI

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Quality of Service Signalling Connection Control Part Service Control Point Signaling End Point Signalisier-Knoten (=SP) Signaling Link Selection Signaling Point Signaling System No. 7 Service Switching Point Signaling Transfer Point Signal Unit Transaction Capabilities Application Part Telecommunications Management Network Transaction Sublayer Telephone User Part Übermittlungsknoten User Network Interface User-to-User Information

Kapitel 3, Seite 3

3.1

Einführung, Vorgeschichte

Unter Signalisierung versteht man traditionellerweise jene Formen der Informationsübermittlung in Kommunikationsnetzen, welche für den Auf- und Abbau von Verkehrsbeziehungen notwendig sind. Bei den ersten "handvermittelten" Telefonnetzen erfolgte der Nachrichtenaustausch zwischen den Teilnehmern und der Bedienungsperson (Teilnehmer-Netz-Signalisierung) wie auch zwischen den Bedienungspersonen verschiedener Zentralen (interzentrale Signalisierung) auf zwei verschiedene Arten: • die Belegung einer Leitung (und damit die Äusserung eines Verbindungswunsches) wie auch deren Freigabe wurde bereits elektrisch signalisiert, indem mittels Einschalten eines Stromes eine geeignete Anzeige (Relais mit Klappe, Lampe, etc.) zum Ansprechen gebracht wurde. In der OSI-Terminologie handelt es sich hier um Steuerinformation (PCI=Protocol Control Information) der Schicht 2, gegebenenfalls auch 1. In der klassischen Telefonie nennt man diese Art von Signalisierung Leitungssignalisierung. • die gewünschte Destination wurde "inband" mit gesprochener Sprache übermittelt und von der Bedienungsperson in entsprechende Aktionen (Stecken einer Verbindungsschnur) umgesetzt. Gemäss OSI-Vereinbarungen handelt es sich hier um PCI der Schicht 3; in der klassischen Telefonie spricht man von Registersignalisierung. In der Vorlesung KKEM haben wir bereits verschiedene Konzepte für die Signalisierung vorgestellt, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelt haben. Insbesondere haben wir darauf hingewiesen, dass aufgrund der technologischen Entwicklung eine immer weitergehende Trennung der Übermittlung und Verarbeitung von Nutz- und Steuerinformation möglich wurde, eine Entwicklung, die im Zusammenhang mit der Einführung erster rechnergesteuerter Vermittlungsysteme zu den sogenannten Verfahren mit separatem Signalisierkanal geführt hat im englischen Sprachbereich dem sogenannten Common Channel Signalling (CCS) bzw. dem CCIS (Common Channel Interoffice Signalling). Die Normierungsgremien der internationalen Fernmeldeunion (ITU) - damals das CCITT, heute in ITU-T umbenannt - reagierten recht rasch (bereits in den Sechziger Jahren) auf diese neuen Gegebenheiten und definierten das sogenannte Signalisiersystem CCITT No. 6 - ein System mit meldungsorientierter Rechner-RechnerKommunikation [3.1]. Allerdings konnte man sich damals noch nicht auf Erkenntnisse aus dem Gebiet der Computernetze abstützen, wie sie sich erst einige Jahre später im Zusammenhang mit der Entwicklung des Arpanet (heute Internet) und der OSI-Konzepte herauskristallisierten. So ist es eigentlich auch nicht verwunderlich, dass dieses System keine wirklich grosse Verbreitung fand und sozusagen von der Entwicklung der Computer und Computernetze "überrollt" wurde. Noch bevor das System Nr. 6 wirklich ausgereift war, wandte sich das CCITT Mitte der 70erJahre bereits der Entwicklung eines neuen Signalisierverfahrens zu, welches speziell auf die Bedürfnisse des kommenden ISDN ausgerichtet sein sollte. Dieses Signalisiersystem - das sogenannte Signalisiersystem No. 7 - wurde in erster Linie durch die CCITT-Kommission XI definiert; die entsprechenden Empfehlungen finden sich in der Serie Q (erste Empfehlungen erschienen 1980). Wir werden der Einfachheit halber als Bezeichnung des Signalisiersystems Nr. 7 das international eingebürgerte Kürzel SS7 verwenden.

3.2

Architektur

3 . 2 . 1 Elemente und Struktur des Signalisiernetzes Als erstes gehen wir von der wichtigen Annahme aus, dass aus konzeptioneller Sicht zwei getrennte, aber physisch und funktionell ineinander verwobene Netze bestehen:

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Kapitel 4, Seite 4

•

Das Übermittlungsnetz (Englisch oft auch Transport Network genannt) besorgt den eigentlichen Datentransport zwischen den angeschlossenen Endsystemen. Es besteht aus Übermittlungsknoten UKn, die durch Übertragungslinks miteinander verbunden sind. Übermittlungsknoten werden z.B. von Durchschaltenetzwerken in Vermittlungseinrichtungen oder von Verteilern (Cross Connects) verkörpert. • Das Signalisiernetz ist für die Steuerung des Übermittlungsnetzes verantwortlich; dementsprechend ist es mit dem Übermittlungsnetz überall dort verbunden, wo mittels Steuerbefehlen dessen Funktionalität verändert werden kann (z.B. Auf- und Abbau von Verbindungen, Rekonfiguration, Überbrückung, usw.). Figur 3.1 illustriert dieses Konzept.

(2)

(4)

Signalisiernetz (1)

(1)

(3)

(5)

Übermittlungsnetz

Signalisierknoten SKn

Übermittlungsknoten UKn

Endsystem

Figur 3.1 Übermittlungsnetz und Signalisiernetz

{4398}

Die Zahlen in Klammern (n) verweisen auf Aussagen in Abschnitt 4.2.4.

Beim Signalisiersystem Nr. 7 geht man zunächst grob von zwei verschiedenen Funktionsschichten aus: • Einer unteren Schicht, dem sogenannten Network Services Part NSP, welche für die gesicherte Übermittlung von Signalisiermeldungen zwischen Signalisierknoten SKn (Signaling Points SP) verantwortlich ist. • Einer oberen Schicht - der Benutzerschicht (User Part UP) -, welche die eigentlichen Steuerfunktionen umfasst. Im vorliegenden Kapitel geht es in erster Linie um die untere der beiden Schichten. Aus der Sicht der entsprechenden Übermittlung von Signalisiermeldungen unterscheidet man zwei Typen von Signalisierknoten SP:

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•

Signaling End Points (SEP), den Quellen und Senken von Signalisiermeldungen. Selbstverständlich beinhalten solche Knoten auf der Benutzerschicht auch die entsprechenden Funktionen zur Generierung von Meldungen bzw. zur Verarbeitung empfangener Meldungen und ggfs. der Umsetzung in Steuerbefehle (z.B. an ein Durchschaltenetzwerk). • Signaling Transfer Points (STP) erlauben es - über die Funktionalität von SEPs hinaus -, Signalisermeldungen von einem Signalisierlink zu einem andern weiterzureichen. Signalisierknoten werden mit Signalisierlinks (Signaling Links SL) verbunden. In der Regel werden mehrere derartige Links zwischen zwei benachbarten Konoten installiert, damit die Verfügbarkeitsanforderungen des Betreibers eingehalten werden können. Im Normalbetrieb wird der Verkehr auf die verschiedenen Links aufgeteilt (in SS7-Terminologie: Load Sharing); ein derartiges Bündel von Links wird als Link Set bezeichnet, wie Figur 3.2 zeigt. Der Verkehr kann auch über mehrere Link Sets verteilt werden; man spricht dann von einem Combined Link Set. 1 m

p

SPA

SPB q 1 n

SPA, SPB 1.. m, 1..n p, q

Signaling Points Signaling Links Link Sets Combined Link Set

Figur 3.2 Links und Link Sets

{4399}

3 . 2 . 2 Anforderungen an den Network Services Part des SS7 Der Network Services Part (NSP) des Signalisiersystems Nr.7 entspricht - wie bereits erwähnt ungefähr den unteren 3 OSI - Schichten, wobei es zum vorneherein klar ist, dass als (Netzwerk-) Dienst die sichere Übertragung von Signalisiermeldungen angeboten werden muss. Übermittlungssicherheit und Verfügbarkeit Sicher ist hier in einem umfassenden Sinne zu verstehen; wir fordern: (1) Eine sichere Übertragung der Meldungen trotz sporadischer Störungen auf einem Link. Dieser Forderung muss mit der Definition geeigneter Protokolle entsprochen werden. Wir Intelligente Kommunikationsnetze

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werden auf die getroffenen Methoden unter Abschnitt 3.2.3 zurückkommen, hier aber die Verlässlichkeits-Parameter vorwegnehmen: Kenngrösse Unentdeckte Fehler (je Signalisiereinheit)

(2)

Grenzwert ≤ 10-10

Verlorene Meldungen

≤ 10-7

Duplizierte oder ausser der Reihe empfangene Meldungen

≤ 10-10

Bitfehlerrate je Link

≤ 10-6

Falsch interpretierte Signalisiereinheiten

≤ 10-8

Fehlerhaft oder nicht aufgebaute ISDN-Verbindungen

≤ 10-5

Eine hohe Verfügbarkeit einer Signalisier-Route; bei Ausfall eines Links oder eines Transferknotens (STP) sollen andere Links bzw. andere STP deren Verkehrslast übernehmen. Die Empfehlungen sehen eine Nicht-Verfügbarkeit (MTTR/(MTTR+MTTF)) von höchstens 1.9*10-5 vor, entsprechend einer kumulierten Ausfallzeit von weniger als 10 Minuten je Jahr! Dieser Wert zeigt einmal mehr, dass bei der Gestaltung kommerzieller Netze und beim Bau von Ausrüstungen ausserordentlich strenge Forderungen gestellt werden. Eine häufig anzutreffende Architektur der Signalisiernetze arbeitet deshalb mit duplizierten, abschnittsweise vollvermaschten STP, wie Figur 3.3 entnommen werden kann. Signalisierfunktionen in der Vermittlung

Zugang zum Signalisiernetz

3 min

2 min

Rückgratnetz

Zugang zum Signalisiernetz

Signalisierfunktionen in der Vermittlung

2 min

3 min

~ 0 min STP

STP

Vermittlungsknoten

Vermittlungsknoten A-Links

A-Links B-Links STP

STP

Nicht-Verfügbarkeit ≤ 10 min/Jahr

Figur 3.3 Signalisierroute mit redundanten STP; Aufschlüsselung der Nicht-Verfügbarkeitswerte {4062}

Das Netz gemäss Figur 4.3 weist eine 100%ige Redundanz auf: Bei irgendeinem Ausfall (eines Links oder eines STPs) gibt es immer noch eine alternative Route mit gleich vielen Abschnitten. Verzögerungen Im Rahmen der Normen wurde eine Fülle von Forderungen aufgestellt; wir verweisen auf die entsprechenden Dokumente und Arbeitspapiere. Es geht dabei einerseits um Anforderungen an die Transferzeiten über ganze Signalisierrouten hinweg, und andererseits um die Aufschlüsselung dieser Werte auf die verschiedenen Komponenten. Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 7

schon vor und damit unabhängig von der Entwicklung des SS7 Leistungskennwerte für das Telefonnetz festgelegt wurden, insbesondere Verbindungsaufbauzeiten für das POTS. Diese setzen sich nun im wesentlichen zusammen aus den Verarbeitungszeiten innerhalb eines Knotens sowie den bei der Übermittlung im Signalisiernetz erlittenen Verzögerungen. Stellvertretend zeigen wir nachfolgend die maximalen Transferzeiten (für beliebige Meldungen) für einen STP gemäss ITU-T: Transfer-Zeiten (ms) Last normal (100%) 115% 130%

im Mittel ≤20 ≤40 ≤100

in 95% der Fälle ≤40 ≤80 ≤200

Adressierung Aus historischen Gründen sind zwei Versionen entwickelt worden: • Für das konventionelle Telefonnetz (POTS) und für die meisten ISDN-Anwendungen genügt eine Grundversion, bei der nur Signalisierknoten als Ganzes adressiert werden können. • Für komplexere Anwendungen wird eine erweiterte Version mit einer Adressierung gefordert, die das Ansprechen von Subsystemen innerhalb eines Knotens erlaubt. Wir werden im Abschnitt 3.2.3 auf die Implementierung dieser beiden Versionen zurückkommen. Übertragungsverfahren Auch hier ist die eben beschriebene Grundversion und eine erweiterte Version zu unterscheiden; bei der Grundversion geht es lediglich um einen verbindungslosen Meldungstransport. Bezüglich Varianten bei der erweiterten Version verweisen auf den folgenden Abschnitt. 3 . 2 . 3 Protokoll-Architektur Figur 3.4 illustriert den SS7-Protokollstapel und seine Beziehung zum OSI-Referenzmodell. Diese Figur lässt folgendes erkennen: • Die Protokollarchitektur des SS7 ist den OSI-Ansätzen zwar ähnlich, ab OSI-Schicht 3 sind aber andere Funktionsaufteilungen definiert worden. • Grob unterscheidet das SS7 zwei übereinanderliegende funktionelle Schichten, und zwar als untere Schicht den sogenannten Network Services Part (NSP) und als obere Schicht je nach Anwendung verschieden ausgestaltete - User Parts (UP). • Der bereits in Abschnitt 3.2.1 eingeführte NSP besteht entweder nur aus dem sogenannten Message Transfer Part MTP, oder zusätzlich einer überlagerten SCCP-Schicht. Wenn sich der UP direkt auf den MTP abstützt, so entspricht dies der im letzten Abschnitt beschriebenen Grundversion; die SCCP-Zwischenschicht stellt jene Fuktionen zur Verfügung, die der ebenfalls bereits erwähnten erweiterten Version entsprechen. Der MTP ist seinerseits in die drei Schichten MTP1, MTP2 und MTP3 gegliedert, mit den folgenden Funktionen:

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Kapitel 4, Seite 8

MTP1:

Signaling Data Link Functions. Enstspricht weitgehend der OSI-Schicht 1 (heute SDH; könnte aber im Prinzip auch eine Modem-Verbindung sein mit ≥4,8 kbit/s). MTP2: Signaling Link Functions. Entspricht der OSI-Schicht 2, spezifiziert in Anlehnung an die HDLC-Protokollfamilie. Es werden PDUs variabler Länge verwendet, die man signal units nennt. MTP3: Signaling Network Functions. Entspricht einer rudimentären Netzwerkschicht mit netzweiter, verbindungsloser Übermittlung von Meldungen als Träger der Signalisierdaten. Der von der MTP3-Schicht angebotene Dienst ist zwar verbindungslos, aber sicher. Die SCCP-Schicht schliesslich bietet wahlweise einen verbindungslosen oder einen verbindungsorientierten Dienst an. OSI Reference

Signaling System No. 7 OMAP

ASE

Application TCAP ISUP

Presentation Session

TUP

NULL

Transport

SCCP Network MTP 3 Data Link

MTP2

Physical

MTP1

ISUP TCAP ASE OMAP SCCP MTP TUP NSP

NSP

= ISDN Signaling User Part = Transaction Capabilities Application Part = Application Service Element = Operations Maintenance and Adminstration Part = Signaling Connection Control Part = Message Transfer Part = Telephone User Part = Network Services Part

Figur 3.4 Protokollstapel des Signalisiersystems Nr. 7

{4062}

3 . 2 . 4 Architektur des Signalisiernetzes Erste Aussagen zur Architektur machten wir bereits mit Figur 3.1, wo verschiedene Fälle der Zuordnung von Signalisier- und Übermittlungsknoten gezeigt wurden. Bei den Signalisierknoten unterscheidet man im Prinzip zwei "Funktionspakete":

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Kapitel 4, Seite 9

•

Signaling Point SP: Produktion und Konsumation von Signalisiermeldungen, mit oder ohne Verarbeitung der Meldungen in höheren (Anwendungs-) Schichten. Eine solche Verarbeitung kann z.B. im Bereich des Netzwerk-Managements bedeuten, dass eine Transaktion mit einer Datenbank erfolgt. Sicher handelt es sich bei den SP vom Typ 1 (Zahlen in Figur 3.1) um solche Knoten ohne Verarbeitungsfunktionen, gehören sie doch zu Endsystemen; man nennt solche Knoten deshalb auch Signaling End Points SEP. Auch beim Knoten 2 handelt es sich um einen SEP, da er einerseits Meldungen von den benachbarten Knoten 3 und 4 empfängt, diese interpretiert und den zugehörigen Übermittlungsknoten steuert; andererseits generiert er Meldungen aufgrund der Protokolle der Anwendungsschicht (z.B. eine Bestätigungs- oder Belegungsmeldung). Man nennt solche Knoten gelegentlich auch Service Switching Points (SSP). Beim Knoten vom Typ 5 könnte es sich um einen sogenannten Service Control Point SCP handeln, mit Datenbankfunktionen z.B. im Rahmen eines Intelligente Netzes IN. • Signaling Transfer Points STP: Spezielle Paketvermittlungsknoten zur Weiterleitung von Signalisiermeldungen. In Figur 3.1 sind die Knoten 3 und 4 von diesem Typ. Selbstverständlich können diese beiden Funktionspakete örtlich kombiniert implementiert werden. Bei der Gestaltung eines Signalisiernetzes besitzt der Planer sehr viele Freiheitsgrade, ist doch das SS7 bewusst so definiert worden, dass die NSP-Funktionen nicht von der Netzarchitektur abhangen. Die Architektur des Signalisiernetzes wird jedoch in hohem Masse von den Verfügbarkeitsanforderungen bestimmt, kommt doch bei einer Zentralisierung der Steuer- und Signalisierfunktionen der Verlässlichkeit des "Nervensystems" eine zentrale Rolle zu. Auch zu diesem Punkt haben wir mit der Figur 3.3 bereits Aussagen gemacht. Zu dieser Figur wäre noch anzumerken, dass die Einführung redundanter STP zu besonderen Problemen beim Routing der Signalisiermeldungen führt (siehe z.B. [3.2]. Ein weiterer wichtiger Begriff bei SS7 ist die Signalisierrelation - eine Abstraktion vom physisch geprägten Signalisierpfad, indem eine Relation die Zuordnung zweier SPs bezeichnet, welche Meldungen austauschen. Es sind drei verschiedene Modes für die Signalisierung definiert worden, je nachdem, wie Relation und Pfad zueinander stehen: • assoziiert: Es besteht ein direkter Signalisierpfad (signaling link set) zwischen den beiden SPs. • nicht-assoziiert: Signalisiermeldungen werden über zwei oder mehr Linksets und einen oder mehrere STPs ausgetauscht. • quasi-assoziiert: Wie beim nicht-assoziierten Mode, aber mit fest vorbestimmter Route (ausser bei Fehlerfällen, bei denen eine Rekonfiguration erfolgt). Figur 3.5 zeigt als Beispiel einen Netzausschnitt, bei dem in der Regel mit assoziierter Signalisierung gearbeitet wird, und im Fehlerfall mit quasi-assoziierter Signalisierung. Ein weiteres Beispiel eines Signalisiernetzes wird in Figur 3.6 gezeigt; in diesem Falle wird ein voll vermaschtes "Rückgratnetz" gebildet, mit Neuverteilung des Verkehrs bei Unterbrüchen. Wenn z.B. STP1 ausfällt, so wird je 1/4 seiner Last auf die STPs 2, 3, 5 und 6 verteilt. Bei dieser Lösung wird also mit nur 25% Reserve gearbeitet (vgl. Fig. 3.3).

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STP 2

A

B

STP 1

Associated

Associated

C

Figur 3.5 Ausschnitt aus Signalisiernetz mit assoziierter und quasi-assoziierter Signalisierung {4404}

Cluster (1,3) Cluster (2,3)

Cluster (1,2) STP 2 Cluster (2,6)

Cluster (2,4) STP 3

STP 1

Cluster (3,4)

Cluster (1,6)

STP 6 Cluster (1,5)

STP 4 Cluster (3,5)

STP 5 Cluster (5,6)

Cluster (4,5) Cluster (4,6)

Figur 3.6 Signalisiernetz mit "Rückgratteil"

3.2.5

{4404}

Protokolle und Datenformate des NSP (Meldungs-Übermittlungsschicht)

MTP 1: Signaling Data Link Functions Diese Schicht entspricht vollständig der OSI-Schicht 1. Es wird ein bidirektionaler, symmetrischer Kanal vorausgesetzt. In der Regel geht man davon aus, dass bereits auf diesem Niveau Rekonfigurationsmöglichkeiten bestehen, indem z.B. Cross Connects (elektronische Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 11

Verteiler) zur Verfügung stehen. Es ist auch denkbar, Signaling Data Links in der Form geschalteter digitaler Kanäle (z.B. 64 kbit/s-Kanäle im ISDN, später auch 2.048 Mbit/s) zu benutzen. In diesem Falle muss aber das Signalisiernetz in zwei Phasen installiert werden: In einer ersten Phase muss ein Initialnetz manuell "hochgefahren" werden; in einer zweiten Phase können dann mit der bereits vorhandenen Signalisierung weitere Pfade installiert werden. MTP 2: Signaling Link Functions Unter Abstützung auf MTP 1 erbringt diese Schicht den Dienst eines zuverlässigen Transfers von Signalisiermeldungen zwischen zwie direkt benachbarten SP. Sie entspricht der OSI-Schicht 2; man bezeichnet aber die PDUs nicht als "Rahmen", sondern als Signal Units SU. SUs sind Meldungen mit variabler Länge, wie aus Figur 3.7 hervorgeht. Die Figur zeigt, dass unterschieden aufgrund des Length Indicator (LI) - Feldes - drei SU-Typen existieren, auf deren Anwendung wir zurückkommen werden.

F

CK

8

16

SIF

SIO

n, n > 2

8

LI

2

6

BSN

1

7

FSN

F

7

8

1

First Bit Transmitted

(a) Basic format of a MSU

F

CK

8

16

SF

8 or 16

LI

2

6

BSN

1

7

1

FSN

F

7

8

First Bit Transmitted

8

First Bit Transmitted

(b) Format of a link status signal unit (LSSU)

F

CK

8

16

LI

2

6

BSN

1

7

FSN

1

7

F

(c) Format of FISU

BIB: BSN: CK: F: FIB:

Back ward indicator bit Backward sequence number Check bits Flag Forward indicator bit

FNS: LI: N: SF: SIO:

Figur 3.7 Meldungsformate des Signalisiersystems Nr. 7

Forward sequence number Length indicator MNumber of octets in the SIF Staus field Service information octet

{4400}

Zunächst können wir festhalten, dass das SS7-Verfahren auf dieser Ebene insofern grosse Ähnlichkeiten mit der HDLC-Protokollfamilie aufweist, als die folgenden Merkmale übereinstimmen: • Bit-orientiertes Protokoll mit Fehlererkennung und Wiederholung (ARQ) • Rahmenerkennung über eine Flag (01111110), Bit-Insertionstechnik Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 12

•

Fehlererkennung mittels Standard-CCITT CRC-Prüfung (CRC-Feld 2 Byte, x16+x12+x5+1) Allerdings geht der Aufwand für die Fehlerbehandlung beim SS7-Verfahren bedeutend weiter als bei HDLC. Insbesondere werden bei Abwesenheit von Nutzinformation nicht nur kontinuierliche Flags gesendet, sondern sogenannte Fill-In Signal Units FISU (Teil c in Figur 3.7). Damit ist eine kontinuierliche Überwachung der Qualität von Signalisierlinks möglich. Für die Fehlerkorrektur stehen zwei Verfahren zur Verfügung (Details siehe z.B. [3.2]): • Basic Method: ARQ-Verfahren ("go-back-n") mit positiven und negativen Bestätigungen ohne Zwangslauf. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nur bei Verzögerungen ≤50ms. • Preventive Cyclic Retransmission PCR: ARQ-Verfahren mit nur positiven Bestätigungen ohne Zwangslauf; zusätzlich zyklische Wiederholungen und Vorwärts-Fehlerkorrektur. Dieses Verfahren wird bei grossen Laufzeiten (z.B. bei Satellitenlinks) angewendet, da in solchen Fällen die einfachere Methode versagt. PCR ist aber bedeutend weniger effizient. Korrigiert werden nur die Meldungen vom Typ MSU und LSSU. Fehler in FISU-Meldungen werden nur detektiert. Auch für die Fehlerratenmessung werden zwei verschiedene Verfahren eingesetzt (Details siehe z.B. [3.2]): • Signal Unit Error Rate, als Indikator im Hinblick auf die Ausserbetriebnahme eines Links. Es kommt der von der ATM-Technik bekannte Leaky Bucket Algorithmus zur Anwendung. • Alignment Error Rate, als Grundlage für den Entscheid, ob ein Link nach einer Reparatur wieder in den Normalbetrieb übergeführt werden kann (sog. Proving State). Für die Fluss-Steuerung gelangt eine einfache Methode nach der Art des bekannten XON/XOFFVerfahrens zur Anwendung: Bei Überlastung sendet der Empfänger eine spezielle LSSUMeldung aus. Wenn allerdings die Überlastung länger (z.B. 3 .. 6 s) andauert, wird der Link ausser Betrieb genommen. MTP 3: Signaling Network Functions Diese Schicht entspricht der unteren Hälfte der OSI-Netzwerkschicht. Ihre funktionelle Gliederung zeigt Figur 3.8. Die Schicht MTP 3 stellt Dienste zur Verfügung, welche den gesicherten, verbindungslosen Transfer von Meldungen zwischen SPs bezwecken. Gemäss Figur 3.8 unterscheidet man dabei: • Signaling Message Handling: Weiterleitung einer Meldung zur richtigen Destination, einerseits aufgrund des Service Indication Octet SIO (Figur 3.7) und des Routing Label gemäss Figur 3.9.

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Kapitel 4, Seite 13

Level 4 User Parts

Level 2 Message Transfer Part

Level 3 MTP

Signaling Network Functions Signaling Message Handling Message Distribution

Message Discrimination

Message Routing

Signaling Network Management Signaling Traffic Management

Signaling Route Management

Signaling Link Management

Signaling Message Flow Testing and Maintenance (MTP)

Indications and Controls

Figur 3.8 Architektur der Schicht 3 beim SS7

SLS

Length (Bit)

0/3

4/5

{4401}

OPC

DPC

14/24

14/24

First Bit Transmitted

Routing Label Label k/l: K is value for CCITT l is value for ANSI

Figur 3.9 Routing Label des SS7

{4402}

SLS: Signaling Link Selection, OPC: Origination Point Code, DPC: Destination Point Code

Das SLS-Feld wird verwendet, um bei zusammengehörigen, aufeinaderfolgenden Meldungen die richtige Reihenfolge zu gewährleisten, indem die Verwendung des gleichen Links erzwungen wird. Der Typ der OPC- und DPC-Felder wird ISPC = International Signaling Point Code genannt. Die ersten 3 Bit bezeichnen eine Signaling Area (SA), die folgenden 8 Bit sind für den sogenannten Network Code NC reserviert. Für die Schweiz gilt z.B. SA=2 (Europa) und NC=056.

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•

Signaling Network Management: Massnahmen zur Erhaltung der Verfügbarkeit und Kapazität des Signalisiernetzwerks wie Rekonfigurationen im Fehlerfall oder Änderungen der Verkehrsführung im Falle von Überlast und Blockierungen.

SCCP: Signaling Connection Control Part Wie bereits erwähnt besitzt die MTP 3 - Schicht nicht die Mächtigkeit der OSI-Netzwerkschicht. SCCP bietet deshalb zwei Arten von Eweiterungen an: • Erweiterung des Adressraumes, indem Subsysteme in einem Knoten mittels einer Subsystem Number SSN angesprochen werden können (siehe [3.2]). • Definition von 4 Protokollen mit erweiterter Funktionalität: - Class 0: Basic connectionless class; die Reihenfolge der NSDUs ist nicht garantiert. - Class 1: Sequenced (MTP) connectionless class. Ein "Strom" von NSDUs wird mit gleichbleibendem SLS-Code (Figur 3.9) charakterisiert. Das Protokoll garantiert die Einhaltung der Reihenfolge. - Class 2: Basic connection-oriented class. Definition von temporären oder permanenten virtuellen, bidirektionalen Verbindungen mit Einhaltung der NSDUReihenfolge. Diese Klasse stellt auch eine Segmentation/Reassembly-Funktion zur Verfügung (NSDUs auf 255 Oktette begrenzt). - Class 3: Flow control connection-oriented class. Zusätzlich zur Klasse 2 wird eine Fluss-Steuerung angeboten; darüber hinaus werden verlorene oder ausserhalb der Reihenfolge empfangene Meldungen detektiert. Die Gliederung der SCCP-Schicht wird mit Figur 3.10 illustriert.

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MTP

SCCP

SCCP Users N-Connect Request N-Connect Respons N-Data Request N-Exped. Data Request N-Data Acknowledgment Request N-Disconnect Request N-Reset Request N-Reset Response N-Inform Request

CO Message

N-Connect Indication N-Connect Confirmation N-Data Indication N-Exped. Data Indication N-Data Acknowledgment Indication N-Disconnect Indication N-Reset Indication N-Reset Confirmation N-Inform Indication

SCCP ConnectionOriented Control (SCOC)

CO Message

Routing Failure SCCP Routing Control (SCRC)

MTP-Transfer Indication

MTP-Transfer Request

Request Type 1 Request Type 2 Reply CL Message SCCP Connectionless Control (SCLC)

N-Unidata Request N-Unidata Indication N-Notice Indication

CL Message Routing Failure

S O R

S O G

S S A

S S P

S S T

N-Cordination Request N-Cordination Response N-State Request

N-Cordination Indication N-Cordination Confirmation N-State Indication N-PC -State Indication

Figur 3.10

MTP-Pause Indication SCCP Management (SCMG)

Gliederung der SCCP-Schicht

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Message Received for Unavailable Local SS

MTP-Resume Indication MTP-Staus Indication

{4403}

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3.3

Die Anwender-Teile des Signalisiersystems Nr. 7

3 . 3 . 1 Einleitung Gemäss Figur 3.4 können auf den Network Services Part NSP können verschiedene AnwenderTeile (User Parts UP) aufsetzen. Wir werden in diesem Kapitel nur kurz auf diese UP eingehen, kommen wir doch im Zusammenhang mit den Intelligenten Netzen und dem Network Management auf diesen Bereich zurück, u.a. auf die Schichten TCAP, OMAP und die Bedeutung der ASEs. Die gleiche Figur zeigt auch, dass bereits für das konventionelle Telephonnetz (POTS) ein Anwenderteil definiert worden war - der Telephony User Part TUP. 3 . 3 . 2 Signalisierung im Schmalband-ISDN Wie schon Figur 3.4 zeigte, wird der Anwenderteil für das Schmalband-ISDN ISDN User Part ISUP genannt. Von der ITU ist der ISUP in den Empfehlungen Q.761 ... Q.766 spezifiziert worden. Figur 3.11 zeigt den Aufbau von ISUP-Meldungen. Solche Meldungen besitzen eine variable Länge bis zu einem Maximum von 272 Oktetten (einschliesslich MTP3-Header). Order of Bit Transmission

~ ~

Routing Label

~ ~

Order of Octet Transmission

Circuit Identification Code Message Type Code Mandatory Parameter A

Mandatory Fixed Part

Mandatory Parameter F Mandatory Parameter M Pointer to Parameter P Pointer to Start of Optional Part Length Indicator of Parameter M

~ ~

Parameter M

~ ~

Mandatory Variable Part

Length Indicator of Parameter P Parameter P Parameter Name = X Length Indicator of Parameter X Parameter X

Parameter Name = Z Length Indicator of Parameter Z

Optional Part

Parameter Z ~ ~ ~ ~ End of Optional Parameter Field

Figur 3.11

Meldungsformat des ISUP

{4064}

Im ISDN wird zwischen einem sogenannten Basic Bearer Service (leitungsvermittelter 64 kbit/sKanal) und den Supplementary Services unterschieden. Beim Verbindungs- Auf- und Abbau der 64 kbit/s-Kanäle muss selbstverständlich im Kontext einer Ortsvermittlungsstelle das SS7 mit der Intelligente Kommunikationsnetze

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Teilnehmersignalisierung des ISDN (Digital Subscriber Signaling System No.1 DSS1, ITU-TEmpfehlung Q.931) zusammenarbeiten. Figur 3.12 zeigt ein entsprechendes Verbindungsaufbau-Diagramm. Originating Exchange

-

----

-----

---- ----- -------- -------

----

------ --------- ----

---------------

------ ----

-------------

IAM1

--

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

Destination Exchange

-

g

eedin

C

roc all P

----

-----

---- ----- -------- -------

----

--

----------------------------------------------------

------ ----

----------------------------------------------------

------ ----

---------------

------ ----

-------------

IAM2 SET-UP

eding roce P l l Ca ng Alerti t ec Conn

ing Alert ect Conn B-Channel Discon

nect

'a'

Trunk Connection 'b'

B-Channel

REL1 REL2 Discon

nect

RLC1 RLC1

REL

RLC

REL RLC

Figur 3.12

Verbindungsaufbau im Rahmen des ISUP und des DSS1

{4184}

Während die Funktionen der MTP-Schichten für die Signalisierung zugunsten des Basic Bearer Service ausreichen, stützt sich der ISUP bei den Supplementary Services des ISDN zum Teil auch auf die SCCP-Schicht ab. Typische Supplementary Services sind: • User-to-User Signaling: Es sind drei verschiedene Methoden der Benutzer-BenutzerDatenübertragung via D-Kanal definiert worden; bei den Diensten 1 und 2 beschränkt man sich auf den Transfer von sog. User-to-User Information UUI auf die Verbindungsaufbauphase, während die Übermittlung von UUI beim Dienst 3 während allen Phasen möglich ist. • Closed-User Group • Calling Line Identification Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 18

• Call Forwarding Weitere Informationen zu diesen Zusatzdiensten finden sich z.B. in [3.2]; man beachte, dass die Zahl der Zusatzdienste und die Art ihrer Implementierung von Land zu Land verschieden sind und auch im Laufe der Zeit ändern. 3 . 3 . 3 Signalisierung im Breitband-ISDN Da die Entwicklung entsprechender Protokolle noch immer im Gange ist, verzichten wir vorläufig auf eine Beschreibung an dieser Stelle. Immerhin können wir festhalten, dass der BISDN-Benutzerteil nicht mehr wie der ISUP monolithisch aufgebaut sein wird, sondern modular. Es wird versucht, dabei objektorientierte Konzepte zu verwenden. Angestrebt wird u.a. die Untersützung von Mehrpunkt-Diensten, Multimedia, IN-Funktionen sowie neuartigen Zusatzdiensten. Vor allem ist auch beabsichtigt, die Teilnehmer-Signalisierung und die interzentrale Signalisierung so weit wie möglich einheitlich zu gestalten. 3 . 3 . 4 Betriebs-, Unterhalts- und Verwaltungsapplikationen Figur 3.13 zeigt den für Betriebs-, Unterhalts- und Verwaltungsapplikationen vorgesehenen Protokollstapel.

OMAP (process)

⊃ SMAP

OMAP-ASE TC-PRIM

LMI

SMSI OM-PRIM LME

SMAE

LME

NULL

LME

NULL

LME

NULL

TCAP Component SL TCAP CSL

TCAP Transition SL

MIB

SCCP (Layer 3) MTP (Layer 3)

SMAE: System Management Application Entity

LME

MTP (Layer 2)

SMSI: System Management Service Interface

LME

MTP (Layer 1)

LME

Figur 3.13

Protokollstapel im Bereich OMAP

LME: Layer Managemment Entity

{4185}

Wir werden auf die Entwicklungen in diesem Bereich im Kapitel über Netzwerk-Management zurückkommen. 3 . 3 . 5 Konsequenzen neuartiger Applikationen von SS7 Die Anwenderstapel INAP, MAP, OMAP usw. haben z.T. ganz andere Lastprofile als TUP und ISUP. Es sind deshalb Anpassungen notwendig, um adäquate Congestion- und Flow ControlVerfahren einsetzen zu können (siehe z.B.Artikel Zepf/Rufa in [3.6]).

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Kapitel 4, Seite 19

3.4 [3.1] [3.2] [3.3] [3.4] [3.5]

[3.6]

Literaturhinweise Chapuis R.J., Joel A.E.: Electronics, Computers and Telephone Switching, S. 462-476. Vol. 2 of "100 Years of Telephone Switching". North-Holland Publ. Co., Amsterdam, 1990. Modaressi A.R., Skoog R.A.: Signaling System No. 7: A Tutorial. IEEE Communications Magazine 28(1990)7, Juli 1990, S. 19-35. Modaressi A.R., Skoog R.A.: An Overview of Signaling System No. 7: Proc. IEEE 80(1992)4, April 1992, S. 590-606. Russell T.: Signaling System #7. McGraw-Hill, New York, 1995. ITU-T: Recommendations for Signalling System No. 7 (Recommendations Q.700 Q.787). ITU-T, Geneva, 1989-1993. Über den Stand der Normierung orientiert man sich am besten über das WWW (www.itu.ch). Speziell zu erwähnen sind: Q.700 Übersicht Signalisiersystem No. 7 Q.701-710 Message Transfer Part Q.711-716 SCCP Q.721-725 TUP Q.761-768 ISUP Q.771-775 TCAP Q.2721.1-2764 BISUP (User Part für B-ISDN) Eine Fülle von Informationen findet sich ferner im IEEE Journal on Selected Areas in Communications 12(1994)3 zum Thema Common Channel Signaling Networks: Performance, Engineering, Protocols, and Capacity Management; mit den Beiträgen: Bafutto M. Bolotin V.A.

Capacity and Performance Analysis of Signaling Networks in Multivendor Environment Modeling Call Holding Time Distributions for CCS Network Design and Performance Analysis Duffy D.E. Statistical Ananlysis of CCSN/SS7 Traffic Data from Working CCS Subnetworks Franz R. ATM-Based Signaling Network Topics on Reliability and Performance Fujioka M. Consideration on Common Channel Signaling Evolution for Global Intelligent Networking Hou V.T. Error Monitoring Issues for Common Channel Signaling Hung N.L. Alternatives to Achieve Software Diversity in Common Channel Signaling Networks Karmarkar V.V. Assuring SS7 Dependability: A Robustness Characterization of Signaling Network Elements Kosal H. A Control Mechanism to Prevent Correlated Message Arrivals from Degrading Signaling No.7 Network Performance Krauss L. On the Design of a Hierarchical SS7 Network: A Graph Theoretical Approach Kühn P.J. Common Channel Signalin Networks: Past, Present, Future Lazar A.A. A Scalable and Reusable Emulator for Evaluating the Performance of SS7 Networks Leung A.T. Deployment Issues of CCS Links on Self-Healing Rings Manfield D.R. Performance Analysis of SS7 Congestion Controls Under Substained Overload Mostrel M.M. Issues on the Design of Survivable Common Channel Signaling Networks Rumsewicz M. On the Efficacy of Using the Transfer-Controlled Procedure During Periods of STP Processor Overload in SS7 Networks Schmidt D.C. Safe and Effective Error Rate Monitors for SS7 Signaling Links Smith D.E. Effects of Feedback Delay on the Performance of the Transfer-Controlled Procedure in Controlling CCS Network Overload Zepf J., Rufa G. Congestion and Flow Control in Signaling System No.7 - Impacts of Intelligent Networks and New Services

[3.7]

Keshav S.: An Engineering Approach to Computer Networking - ATM Networks, the Internet and the Telephone Network. Addison-Wesley, Reading Mass., 1997.

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Kapitel 4, Seite 20

Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze

Studiengang Elektrotechnik Studiengang Informatik

Sommersemester 2001

Prof. A. Kündig _________________________________________________________________________________________

Intelligente Kommunikationsnetze Kapitel 4: Intelligente Netze

© beim Autor

10.4.2001

Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 2

4

Intelligente Netze

Abkürzungen PBX AIN ASN ASP BCM BCP BCSM CCAF CCF CCS CID CS DFP DP DPE EDP ETSI FC FE FEA FN GFP GSL IN INA INAP INCM ISDN ITU-T LTA MVI NID NPDU NRM NS NSAP

advanced intelligent network abstract syntax notation (ITU-T Rec.X.208: ASN.1) adjunct service point basic call manager basic call process basic call state model call control agent function call control function common channel signalling call instance data capability set (CSn = capability set n) distributed functional plane detection point distributed processing environment event detection point European Telecommunications Standards Institute functional component functional entity functional entity action feature node global functional plane global service logic intelligent network, intelligentes Netz information networking architecture IN application protocol IN conceptual model integrated services digital network International Telecommunications Union - Telecommunications Standards Bureau long term architecture multivendor interaction forum network information database network-protocol data unit network resource manager network service network service access point

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PE POI POR POTS PVN QoS SCCP SCEF SCF SCP SDF SDP SIB SL SLI SLP SMAF SMF SMS SPC SRF SS7 SSCP SSF SSP STP TCAP TDP TINA TMN UMTS WSF

private branch exchange (deutsch: TVA) physical entity point of initiation point of return plain old telephone system private virtual network quality of service signalling connection control part service creation environment function service control function service control point service data function service data point service independent building block service logic service logic interpreter service logic program service management agent function service management function service management system stored program control specialized resource function signalling system no. 7 (auch: SS #7) service switching and control point service switching function service switching point signal transfer point transaction capabilities application protocol trigger detection point telecommunications information networking architecture telecommunications management network universal mobile telecommunication system workstation function

Kapitel 4, Seite 3

4.1

Zielsetzungen, Begriffe

4 . 1 . 1 Einführung, erste Begriffe Der Begriff intelligentes Netz (IN, intelligent network) wird in diesem Kapitel in einer engen Auslegung seiner Bedeutung verwendet - so, wie sie vor einigen Jahren durch die internationale Fernmeldeunion (ITU-T) für alle Aspekte der Verbindungssteuerung des ISDN bzw. B-ISDN erfolgte. Er wird in der Regel auf weiträumige Netze angewendet, die folgende Merkmale aufweisen: • die Funktionen der Verbindungssteuerung werden im Sinne einer Weiterführung der bereits für das SS7 vorgestellten Ideen (Figur 3.1) auf zwei verschiedene Ebenen aufgeteilt: auf einer "tieferen" Netzebene sind jene Funktionen (Englisch: basic telephone switching functions) zu finden, die unmittelbar an die eigentlichen Vermittlungsmechanismen gebunden sind (z.B. Suche eines freien abgehenden Kanals, Wegesuche im Durchschaltenetzwerk). Diese Funktionen werden zweckmässigerweise in jedem Vermittlungsknoten selbst implementiert; sie sind direkt (physisch) an diese Knoten gebunden. auf einer "höheren" Netzebene finden sich jene Funktionen (Englisch: service logic SL), die zur Implementierung bestimmter Verbindungskonfigurationen dienen, abhängig von den Wünschen der Benutzer und den für diese festgehaltenen Dienstmerkmalen. Es geht also in erster Linie um Funktionen, bei denen mehrere Vermittlungsknoten involviert sind und die gewünschten Dienstmerkmale in Datenbasen verwaltet werden. Diese Datenbasen können physisch vom Vermittlungsknoten getrennt sein und räumlich verteilt werden. • es kommen Signalisierverfahren mit gemeinsamem (zentralem) Signalisierkanal zur Anwendung; in der Regel wird das CCITT-Signalisiersystem No. 7 als gegeben angenommen. • das Netz bietet Funktionen an, welche die Mobilität der Benutzer unterstützen. Dies bedeutet, dass bei leitergebundenen Netzen zwischen der Identität des Benutzers selbst, seinem Namen sowie der Adresse eines (physischen) Netz-Anschlusspunktes unterschieden werden muss. Bei drahtlosen Endgeräten soll es möglich sein, dass sich Benutzer frei in dem durch das Netz abgedeckten Raum bewegen können (Englisch: roaming), unabhängig von bestimmten Antennenstandorten. Mit dem IN möchte man auch eine flexible Verrechnung der Übermittlungskosten anbieten (z.B. Belastung des gerufenen Teilnehmers u. dgl.). Das IN ist seit einigen Jahren Gegenstand von Normierungsanstrengungen der ITU-T; die entsprechenden Hinweise finden sich in Abschnitt 4.6 unter [4.1]. 4.1.2

Beweggründe für die Entwicklung intelligenter Netze

Erste Dienste, die man heute im Rahmen des IN verwirklichen würde, sind bereits Mitte der 60erJahre in den USA von AT&T in der Form der sogenannten Custom Calling Services [4.2] eingeführt worden. Dazu gehörten Dienste wie Speed Calling, Call Waiting, Call Forwarding und Three-Way Calling. Deren Implementierung stützte sich auf die Möglichkeiten der kurz vorher eingesetzten neuen Generation rechnergesteuerter halbelektronischer Zentralen (System ESS-1, [4.3]) ab, insbesondere auf die neuen separaten Signalisierkanäle (CCS). 1967 wurde dann im Bell System die Fernkennzahl (Area Code) 800 für sogenannte Toll Free-Anrufe reserviert [4.2], ein Dienst, der heute in den Normen der ITU-T als Freephone bezeichnet wird. Beim FreephoneDienst können Anrufe landesweit zu bestimmten Anschlüssen geleitet werden, mit Verrechnung der Kosten beim Gerufenen. Die Umleitung kann abhängig von der Tageszeit oder vom Wochentag Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 4

gemacht werden, oder auch von der Herkunft, sodass sich dieser Dienst ausgezeichnet eignet für Anwendungen wie Bestelldienste von Warenhäusern, bei Wartungsorganisationen, usw. (sog. call centers). Ursprünglich ist der Freephone-Dienst realisiert worden, indem die notwendigen AdressUmwandlungen in ausgewählten Vermittlungsknoten des Fernnetzes vorgenommen wurden. 1981 stellte man dann auf eine zentralisierte, Datenbank-gestützte Architektur um - ein erster Vorläufer des späteren IN. Diese Entwicklung beleuchtet zwei der wichtigsten Beweggründe für die Einführung des IN-Konzeptes: (1) Wenn komplexe Dienste direkt in allen Vermittlungsknoten implementiert werden, muss bei Änderungen - bei der Funktionalität und bei den Daten - eine grosse Zahl von Knoten gleichzeitig angepasst werden. In den USA müsste man dabei mit einigen Tausend Knoten rechnen, in der Schweiz mit mehr als Hundert Knotenzentralen. (2) Da in der Regel Vermittlungseinrichtungen verschiedener Hersteller und aus verschiedenen Generationen im Einsatz stehen, stellt die konsistente Implementierung komplexer Dienste ein grosses Problem dar. Aus heutiger Sicht ist das Konzept des Intelligenten Netzes IN aus drei miteinander verflochtenen Prozessen hervorgegangen (Figur 4.1): • Den steigenden Benutzeranforderungen bzw. dem Bestreben der Dienstanbieter, den Kunden möglichst attraktive Produkte zur Verfügung zu stellen. • Der Entwicklung der Anforderungen der Netzbetreiber, namentlich in Richtung Minimierung des Betriebs- und Verwaltungsaufwandes. • Der technologischen Entwicklung mit bestimmten neuen sog. enabling technologies, wie sie in Abschnitt 4.1.3 beschrieben werden. BenutzerAnforderungen

Intelligente Netze

IN Entwicklung der Technologie

TINA NetzwerkManagement

TMN Anforderungen der Netzbetreiber

Figur 4.1

Anstösse zur Entwicklung des IN sowie des TMN

{4422}

Die gleichen Prozesse haben auch zur Entwicklung neuer Ansätze für das Netzwerk-Management in der Form des Telecommunication Management Network TMN geführt (Gegenstand des Kapitels 5), und schliesslich werden heute Anstrengungen unternommen, um die beiden Konzepte in der Form der sogenannten Telecommunication Information Networking Architecture TINA zu vereinen. Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 5

4 . 1 . 3 Zielsetzungen für das Intelligente Netz Netzbenutzer und Netzbetreiber verfolgen naturgemäss Ziele, die sich nicht vollständig überdecken. Für den Netzbenutzer stehen unter anderem die folgenden Ziele im Vordergrund: (1) Berücksichtigung neuer Arbeitsformen mit Unterstützung durch leistungsfähige Rechner am Arbeitsplatz und als Server (quasiparallele Arbeit mit mehreren gleichzeitig offenen Fenstern und entsprechend mehreren offenen Verbindungen, Multimedia, Hypermedia wie WWW, usw.). (2) Vermehrte Mobilität. (3) Unabhängigkeit von den Herstellern von Endgeräten und Anwendungsprogrammen. (4) Möglichkeiten der Mitgestaltung des Paketes von Kommunikationsdienstleistungen (z.B. Konfigurierung einer geschlossenen Benutzergruppe); Möglichkeit von Änderungen u.U. sehr kurzfristig (z.B. tageszeitabhängig). (5) Optimale Nutzung der eigenen personellen und materiellen Ressourcen. (6) Transparente und detaillierte Rechnungslegung. Der Netzbetreiber sieht dagegen in erster Linie die folgenden Zielsetzungen: (a) Gewährleistung eines attraktiven, zeitgemässen Dienstleistungsangebotes; rasche Einführung neuer Produkte (Time-to-Market möglichst kurz); marktkonforme, rasch änderbare Tarife. (b) Unabhängigkeit von Hardware- und Software-Herstellern bei der Entwicklung neuer Dienste. (c) Optimale Nutzung der vorhandenen Ressourcen (Übermittlungseinrichtungen, Personal, Datenbestände). Diesen Forderungen kommen heute im Sinne von Figur 3.1 technologische Entwicklungen entgegen, so unter anderem: • Objektorientierte Konzepte und Implementierungstechniken. • Besseres Verständnis von verteilten Systemen bzw. Anwendungen; neue Lösungsansätze dazu. • Fortschritte bei der Hardwaretechnologie (z.B. billige Speicher- und Übertragungsmedien). Mit dem IN-Konzept soll nun nicht ein neues Netz erstellt werden; vielmehr geht es darum, durch eine überlagerte "Schicht von Intelligenz" die Nutzung der technischen und menschlichen Ressourcen zu optimieren und den zum Teil rasch ändernden Anforderungen flexibel anzupassen. Dieser Ansatz stimmt völlig überein mit der Sicht der Figur 4.1, die wir bei der Diskussion des Signalisiersystems Nr. 7 verwendeten: • Übertragungs- und Vermittlungsfunktionen finden sich auf der Ebene des Übermittlungsnetzes (Englisch: Transport Network). • Die Dienstlogik (service logic) andererseits - also primär die Definition von entsprechenden Abläufen - und die Daten (über Dienste, Benutzer und Netzelemente) finden sich auf der Signalisier- oder Steuerebene. Im folgenden Abschnitt geht es darum, diese überlagerte "Schicht von Intelligenz" besser zu verstehen und zu strukturieren. Zusammenfassend können die Zielsetzungen für das IN wie folgt umschrieben werden: • •

Die IN-Konzepte sollen auf alle Telekommunikationsnetze - z.B. das Telefonnetz, das NISDN, B-ISDN, sowie Mobilnetze - anwendbar sein. Das IN soll den Dienstanbietern erlauben, Dienste unabhängig von den dienstspezifischen Produkten der Anlagehersteller zu definieren, entwickeln, konfigurieren und zu verwalten.

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•

Das IN soll den Netzbetreibern erlauben, Funktionalität und Ressourcen im Netz zweckmässig zu allozieren, das Dienstangebot effizient zu verwalten und dessen Funktionalität zu ergänzen, unabhängig von den netzspezifischen Entwicklungen der Anlagehersteller. • Das IN soll den Netzbenützern erlauben, die von ihnen bezogenen Dienstpakete zu definieren und rasch den sich verändernden Bedürfnissen anzupassen. • IN-basierte Dienste sollen schrittweise eingeführt und ausgebaut werden, ausgehend von bestehenden Netzen und ITU-T-Empfehlungen, unter Berücksichtigung von Erfahrungen bei der Einführung, neuen technischen Möglichkeiten sowie aufgrund der Marktentwicklung. Man beachte, dass in den eben gemachten Punkten auch eine politische Aussage steckt: Bewusst wurde zwischen Netzbetreiber und Dienstanbieter unterschieden; es ist durchaus denkbar, dass im Zuge der Fernmeldeliberalisierung dafür verschiedene Träger definiert werden. Das IN kann dafür eine wichtige Voraussetzung schaffen. 4 . 1 . 4 Bemerkungen zum Skript und den Literaturhinweisen Als ergänzende Einführung der IN-Konzepte wird eine Kopie des Artikels [4.4] abgegeben. Ausführlichere Darstellungen findet man in [4.5] und [4.6]. Allerdings muss beachtet werden, dass Lehrbücher in den meisten von uns behandelten Gebieten den letzten Stand der Normierung nicht wiedergeben können; wir verweisen daher auf [4.1]. Das Thema IN ist auch Gegenstand verschiedener spezialisierter technisch/wissenschaftlicher Konferenzen, so namentlich: • Intelligent Network Workshops des IEEE (Angaben über WWW: http://www.comsoc. org/confs/in/ • International Conference on Intelligence in Networks, organisiert durch die ITU (Angaben über WWW: http://www.itu.ch/

4.2

Konzepte und Architektur

4 . 2 . 1 Anforderungsbereiche Bei der Entwicklung der IN-Konzepte sind folgende Bereiche im zu unterscheiden: • service creation: Dienstspezifikation und -implementation. Komposition von Diensten aus geeigneten Elementen (features), entsprechende Implementation und Installation im Netz. • service management: Dienste-Management. Anpassung des Dienstangebots anhand von tages, wochen- und jahreszeitabhängigen Plänen sowie aufgrund von Mutationen. • service interaction: Sicherstellung einer reibungslosen Zusammenarbeit und Kompatibilität verschiedener Dienste. • service processing: Zugriffsmöglichkeiten für Endbenutzer zu call/service processing sowie service invocation and control via call control agent function (CCAF). • network interworking: Zusammenarbeit verschiedenartiger Netze. Dabei war man sich im vorneherein klar, dass die IN-Konzepte in verschiedenen Schritten eingeführt werden müssen. Die Menge der zu einem Entwicklungsschritt gehörenden Leistungsmerkmale (capabilities) werden als capability set CS bezeichnet; aufeinanderfolgende Schritte mit CS-1, CS-2, usw., wie in Abschnitt 4.2.3 noch erläutert wird. 4 . 2 . 2 Konzeptionelles Modell Von der ITU ist ein konzeptioneller Rahmen und eine Terminologie definiert worden, auf den sich alle Diskussionen der IN-Lösungsansätze und der aufeinanderfolgenden CS abstützen können. Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 7

Ähnlich wie beim OSI-Modell sind dabei verschiedene Ebenen definiert worden, wie Figur 4 . 2 zeigt. Service 2

Service 1

Service plane

SF 1

SF 2

SF 1

SIB 1

POI

GSL A

SIB 2

Basic Call Process

Global functional plane

SF 3

POR

GSL B SIB n

FE 2 Distributed functional plane

IF1

FE 1

FEA 3 FEA 4

SLP 1

FE 3

IF2

FEA 1 FEA 5

FEA 1 FEA 2

SLP 2

IF3

p1 Physical plane

SF SIB GSL SLP BCP Figur 4.2

p2

PE 1 FE 1 FE 2

Service feature Service-independent building block Global service logic Service logic program Basic call process

PE 2 FE 3

p3

FE FEA IF PE pn

Functional entity FE action Information flow N Physical entity Protocol N

Konzeptionelles Modell für das IN (INCM) Zu POI (Point of Initiation) and POR (Point of Return): Siehe Fig. 4.4

{3816}

Es geht beim sogenannten IN conceptual model INCM um eine schrittweise Abbildung der vom Benutzer gesehenen Funktionen auf die im Netz vorhandenen physischen Ressourcen in der Form von Übermittlungsknoten, Datenbanken, Dienststeuerzentren, usw. Im INCM unterscheidet man gemäss Figur 4.2 die folgenden 4 Ebenen: • Service Plane: Beschreibung der vom Benutzer gesehehenen Dienste (Service 1, Service 2, ...) und Zusammensetzung eines Dienstes aus verschiedenen Dienstelementen (Service Features SF) als kleinste vom Benutzer wahrnehmbare Einheit. Auf dieser Ebene geht es um eine generische Beschreibung der Dienste ohne jeden Bezug auf einen bestimmten Benutzer und ohne Bindung an irgendwelche physischen Ressourcen. • Global Functional Plane: Auch auf dieser Ebene wird das Netz noch immer als monolitische programmierbare Einheit gesehen, ohne jede räumliche Gliederung. Diese Ebene dient beim Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 8

•

•

Entwurf von Diensten zur geeigneten Gliederung der Funktionalität. Zu diesem Zweck unterscheidet man Funktionselemente in der Form von sogenannten Service Independent Building Blocks SIB, welche aufgrund einer Art "Skript" - in der Form der sogenannten Global Service Logic GSL - für die Realisierung eines bestimmten Dienstes angesprochen werden müssen. Ziel wäre die Definition möglichst kontextfreier SIB, um einen möglichst hohen Grad der Wiederverwendbarkeit zu gewährleisten. Beim Durchlaufen eines "Skripts" werden insbesondere die Interaktionen mit einem speziellen SIB, dem sogenannten Basic Call Process BCP beschrieben. Man beachte, dass hier der Begriff Call nicht etwa mit Connection gleichzusetzen ist; unter call versteht man vielmehr die temporäre engere Assoziation von zwei oder mehr Benutzern während welcher zwischen diesen Benutzern Informationen ausgetauscht werden; ein Call kann durchaus aus mehreren Verbindungen (Connections) bestehen, deren Zahl zudem schwanken kann (Beispiele: Konferenzen, Multimedia). Ein Call hat also eine ähnliche Bedeutung wie eine Session im OSI-Modell. Eine lose Beziehung besteht aufgrund des Gesagten zwischen den Diensten auf der service plane und den Dienstlogiken SL auf der global functional plane und ebenso zwischen den SF und den SIB. Distributed Functional Plane: Auf dieser Ebene geht es nun bereits um eine geeignete Gruppierung von Funktionspaketen, die räumlich verteilt werden könnten. Mithin ist diese Ebene sowohl für den Netzarchitekten wie auch für den N e t z a n b i e t e r interessant. Die Funtionspakete werden Functional Entities FE genannt, die ihrerseits aus sogenannten Functional Enty Actions FEA bestehen. Jeder SIB auf der überliegenden Ebene wird als eine Folge von FEA realisiert. Das Zusammenspiel verschiedener FE wird durch den Informationsfluss (Meldungsaustausch) in der Form sogenannter Information Flows I F beschrieben. Man beachte, dass vor allem bei der Beschreibung dieser Ebene eine objektorientierte Denkweise die Überlegungen geleitet hat. Bewusst spricht man aber nicht von Objekten, sondern von Entitäten, um jede Verwechslung mit konkreten Implementierungstechniken zu vermeiden. Physical Plane: Diese Ebene zeigt die eigentlichen Hardwareblöcke (Physical Entities PE), welche räumlich separiert sein können, wo aber durchaus auch eine Aufstellung im gleichen Raum oder Gebäude (Englisch: co-location) möglich ist. Diese Sicht des IN ist in erster Linie für den Anlagehersteller und den N e t z b e t r e i b e r relevant. Die verschiedenen PE's kommunizieren über Protokolle vom Typ IN Application Protocol INAP (ITU-T Rec. Q.1218); diese Protokollfamilie wurde aufgrund von OSI-Ansätzen gestaltet. Die möglichen Beziehungen zwischen FEs und PEs werden wir später diskutieren.

4 . 2 . 3 Ausbaustufen Von der ITU werden - wie bereits erwähnt - verschiedene Ausbaustufen vorgesehen. In einer ersten Stufe soll der sogenannte Capability Set 1 (CS-1) verwirklicht werden. Dabei hat man sich folgende Einschränkungen auferlegt: • Implementierung soweit wie möglich unter Benutzung bestehender Netz-Infrastrukturen. • Beschränkung auf Funktionen, die beim Verbindungsauf- oder -abbau invoziert werden (keine Beanspruchung von IN-Funktionen während eines Calls). Man spricht auch von single point of control, da zu jedem beliebigen Zeitpunkt eines Calls ein und nur ein Service Logic Program aktiv ist. Dies führt zu einfachen und gut überschaubaren Relationen zwischen den Vermittlungsknoten und der Steuerebene.

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Kapitel 4, Seite 9

•

Beschränkung auf sogenannte single ended calls; IN-Funktionen werden also nur entweder vom Anrufenden oder Angerufenen invoziert. Die folgenden Beschreibungen der verschiedenen Ebenen werden sich in erster Linie auf das CS-1 beziehen. 4 . 2 . 4 Service Plane Mit dem CS1 ist es möglich, die Dienste gemäss Figur 4.3 zu definieren. AAB ABD

Automatic Alternative Billing Abbreviated Dialling

MCI OCS

Malicious Call Identification Originating Call Screening

ACC

Account Card Calling

PRM

Premium Rate

CCBS

Completion of Call to Busy Subscriber

SCF

Selective Call Forward on Busy

CCC

Credit Card Calling

SEC

Security Screening

CD

Call Distribution

SPL

Split Charging

CF

Call Forwarding

TCS

Terminating Call Screening

CON

Conference Calling

UAN

Universal Access Number

CRD

Call Rerouting Distribution

UDR

User-defined Routing

DCR

Destination Call Routing

UPT

Universal Personal Telecommunications

FMD

Follow-me Diversion

VOT

Televoting

FPH

Freephone

VPN

Virtual Private Network

MAS

Mass Calling

Figur 4.3

Im Capability Set 1 vorgesehene Dienste

Die erwähnten Dienste werden nun aus elementaren Komponenten - den bereits erwähnten Service Features SF zusammengesetzt. Wir beschränken uns auf eine kurze Beschreibung einiger typischer Beispiele solcher SF: • mit call forwarding wird ein ankommender Anruf zu einer neuen Destination weitergeleitet • reverse charging führt dazu, dass die Gebühren dem Gerufenen auferlegt werden • call queueing wird eingesetzt, wenn Anrufer bei besetzter Destination vorübergehend in eine Warteschlange eingereiht werden sollen. Diese Beispiele wurden bewusst ausgewählt, da diese SF - neben anderen - zur Komposition eines Dienstes für einen Gratis-Bestellservice verwendet werden könnten. Ein bisher noch nicht befriedigend gelöstes Problem stellen die sogenannten Feature Interactions dar, also die ungewollte gegenseitige Beeinflussung verschiedener Features bei der Komposition eines Dienstes. Wir werden auf dieses Problem kurz in Abschnitt 4.3.3 eingehen. Im Sinne einer Illustration werden wir in Abschnitt 4.4 noch näher auf die Dienste Freephone, Universal Personal Telecommunications und Virtual Private Network eingehen. Eine bedeutend ausführlichere Beschreibung aller Dienste und Service Features des CS-1 findet sich z.B. in [4.5]. 4 . 2 . 5 Global Functional Plane GFP Diese Ebene stellt die Domäne des Dienstentwicklers dar; er bedient sich für seine Tätigkeit eines sogenannten Service Creation Environment SCE, mit dem er Service Logic Programs SLPs entwickelt. Wesentliches Element sind dabei die bereits erwähnten Service Independent Building Blocks SIBs, die standardisierte wiederverwendbare Bausteine darstellen. Dabei erscheint das Netz als eine virtuelle, programmierbare Maschine. Die Verwendung mehrerer derartiger Bausteine bei

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Kapitel 4, Seite 10

der Implementierung eines Service Features geschieht in algorithmischer Weise durch Verkettung; das Prinzip dazu wird in Figur 4.4 illustriert. Global Service Logic SIB 1

SIB 2

SIB 3 SIB 4

SIB 5 SIB 6

POR POR

POI

Basic Call Process

Figur 4.4

Verkettung von SIB zur Implementierung eines Service Feature POI = Point of Initiation POR = Point of Return

{5046}

Im Rahmen des CS-1 sind von der ITU-T neben dem Basic Call Process BCP - auf den wir noch eingehen werden - insgesamt 14 SIBs identifiziert worden; darüber hinaus hat das ETSI 7 weitere Blöcke definiert. Wir beschränken uns auf wenige Beispiele, die in Zusammenhang mit den obigen Beispielen für SFs gebracht werden können (man beachte aber, dass keine 1:1 - Beziehung besteht!): • Distribution erlaubt die Weiterleitung einer Verbindung auf verschiedene Ausgänge des SIB, abhängig von bestimmten Benutzerdaten. • Charge wird zur Implementierung spezieller Verrechnungsmodi verwendet. • Queue stellt Grundfunktionen für die Einreihung von Verbindungen in eine Warteschlange dar sowie deren weitere Verwaltung. SIBs können mit einem grafischen Symbol gemäss Figur 4.5 beschrieben werden. SSD Service Support Data

Logical End Points Logical Start Point

SIB

CID Call Instance Data

Figur 4.5

Grafische Darstellung von SIB

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{5047}

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Kapitel 4, Seite 11

Bei den Call Instance Data CID handelt es sich um dynamische, von Anruf zu Anruf wechselnde Daten wie z.B. die Identifikation des Rufenden. 4 . 2 . 6 Distributed functional plane Für den CS-1 hat sich eine Architektur gemäss Figur 4.6 ergeben.

SCF

SDF

SRF CCAF

SSF CCF

CCA CCF SSF

Figur 4.6

SSF

CCAF

CCF

Call control agent function call control function Service switching function

CCF

SCF Service control function SRF Specialized resource function SDF Service data function

Architektur der distributed functional plane

{3817}

In dieser Figur sind allerdings bestimmte wichtige Bereiche wie • Diensterstellung (service creation) • Dienstverwaltung (service management) • Netzverwaltung (network management) noch nicht enthalten. In Figur 4.7 zeigen wir einen Teil der entsprechenden - in der Praxis unabdingbaren - Erweiterungen. Zu den verschiedenen in den beiden Figuren gezeigten Entitäten lässt sich folgendes sagen: • Die CCAF ist für den Zugriff des Endbenutzers auf die IN-Funktionen zuständig (Details siehe [4.1]. • In der CCF ist eine Anrufsteuerung entsprechend einem sogenannten basic call state model BCSM implementiert. Das BCSM wird in den Figuren 4.8 und 4.9 gezeigt. Die "detection points" in diesen Modellen zeigen, wo IN Diensteanforderungen (service requests) erfolgen. • Wenn IN-Funktionen beansprucht werden, so dienen dazu zunächst die Funktionen der SSF. Dort wird entschieden, ob weitere Funktionsblöcke zum Zug kommen müssen. • Die IN-"Dienstelogik" (IN service logic) residiert in der Funktionseinheit SCF, die ihrerseits auf Daten in der Funktionseinheit SDF zugreifen kann.

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Kapitel 4, Seite 12

•

Die Einheit SRF enthält spezielle Ressourcen, z.B. Ansagetexte; entsprechende Daten oder Signale können nach Aufruf der Einheit CCF zugeleitet werden.

SMAF SMF SCEF

SCF

SDF SRF

SSF CCAF

CCAF CCF SCEF SCF

CCF

SSF

Call Control Agent Function Call Controll Function Service Creation Environment Function Service Control Function

Figur 4.7

CCF

CCF

SDF SMAF SMF SRF SSF

CCAF

Service Data Function Service Management Access Fuction Service Management Function Special Resource Function Service Switching Function

Architektur der distributed functional plane, über CS-1 hinaus erweitert

{4058}

Die Figuren 4.6 und 4.7 illustrieren also neben der funktionellen Architektur auch die Datenflüsse. Figur 4.7 zeigt auserdem die drei folgenden Funktionsblöcke: • SMF: Service Management Function - Diensteverwaltung • SMAF: Service Management Access Function - Zugriff auf die Diensteverwaltung • SCEF: Service Creation Environment Function - Eine Entwicklungsumgebung zur Definition und Implementierung neuer Dienste. In dieser Umgebung muss auch das Problem der sogenannten Service Interaction bzw. Feature Interaction gelöst werden, d.h. des Sicherstellens der Konsistenz verschiedener Zusatzdienste.

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Kapitel 4, Seite 13

O_Calling_Party_Disc. &O_Abandon

21

1. O_Null

11. O_Exception

Orig. Attemp 1 2. Auth._Orig._ Att.

2 Orig._Denied

3

Orig. Attemp_Auth.

3. Collect_Info.

4 Collect_Timeout

5 Collected_Info. 4. Analyze_Info.

6 Invalid_Info

Analyzed_Info. 7 5. Select_Route

8 Route_Select_Failure

9 Route_Selected 6. Auth._Call_Setup

10 Auth._Failure

Orig._ Auth. 11 7. Call_Sent

12 Route_Failure 13

18 O_Mid_Call

14

O_Term_Seized 8. O_ Alerting

18

O_No_ Answer 15 O_Conn_Failure

16

O_Mid_Call

O_ Answer 9. O_ Active

17

18 O_Mid_Call

19

O_Disconnect

10. O_Disconnect

20 O_Disc_Complete

Key:

Figur 4.8

Transition Detection Point (DP) Point in Call (PIC)

Basic Call State Model, Anrufaufbau

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{4052}

Kapitel 4, Seite 14

T_Calling_Party_Disc. & T_Abandon 11. O_Exception

12. T_Null Term._Attempt 35

22 23

13. Auth._Term._Att

Term._Denied Term._Auth. 24 25 T_Called_Party_Busy

14. Select_Facility

26 Term._Res._Avail. 15. Present Call

27 Presentation_Failure

28 T_Term_Seized 16. T_Alerting

29 T_No_Answer

30

32

T_Mid_Call

32

T_Mid_Call

T_Answer

17. T-Active

31 T_Connection_Failure

33 T_Disconnect 18. T_Disconnect

34

T_Disconnect_Complete Key:

Figur 4.9

4.2.7

Basic Call State Model, Anrufabbau

Transition Detection Point (DP) Point in Call (PIC)

{4055}

Physical plane

Figur 4.10 zeigt schliesslich verschiedene Alternativen der Abbildung der Funktionseinheiten auf die physische Ebene. Daraus ergibt sich auch, dass das IN durchaus länderspezifische Implementierungen kennt.

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Kapitel 4, Seite 15

Transport Signaling Optinal FE SCF SCP

SDF SDF SDP

SS7 Network

SCF SDF AD

SRF IP SCF SRF SCF SSF CCF

PEs: AD: IP: NAP: SCP: SDP: SN: SSP:

4.3

NAP

SDF

CCF

CCAF

CCAF

SRF

SN

Figur 4.10

SDF

SSP

SSF CCF

FEs: CCF: CCAF: SCF: SDF: SRF: SSF:

adjunct intelligent peripheral network access point service control point service data point services node service switching point

call control function call control agent function service control function service data function special resource function service switching function

Abbildung der Funktionsblöcke auf die physische Ebene

{3818}

Implementierungsaspekte

4 . 3 . 1 IN-Plattformen Bei der Implementierung geht man heute im allgemeinen von Lösungen aus, wo die allen Applikationen gemeinsamen Funktionen in einer sogenannten Plattform zusammengefasst werden, wie Figur 4.11 zeigt. Spezifische Dienste werden dann dieser Plattform aufgesetzt. Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 16

Free- Calling Premium Telephone card rate voting

XYZ service

Intelligent network platform

Figur 4.11

Plattform-Konzept (aus [4.6])

{4380}

Beim Einsatz von OO-Softwareentwicklungsumgebungen entspricht dieser Ansatz der Verwendung von sogenannten OO-Applikationsrahmen. 4 . 3 . 2 Spezifikation und Entwurf Wie bei allen komplexen Entwicklungsaufgaben liegt auch beim IN der Einsatz mächtiger Methoden und entsprechender Werkzeuge nahe. Eine umfassende Lösung dieses Problems ist aber bisher nicht bekannt, vielmehr kommen in der Regel Entwicklungssysteme zum Einsatz, die sich in Teilbereichen auf formale und halbformale Methoden abstützen, so z.B.: • Verwendung von SDL zur Spezifikation von Abläufen in SIBs • Formale Beschreibung von Datenstrukturen mit ASN.1 gemäss ITU-T-Empfehlung X.208 • OO-Entwurfsmethoden wie z.B. OMT. Informationen über neuere Entwicklungen finden sich z.B. in [4.7]. 4 . 3 . 3 Das Feature Interaction - Problem Das IN Conceptual Model und seine verschiedenen Ebenen und deren Komponenten stützen sich leider nicht auf formal abgestützte Modelle mit definierter Semantik ab. So ist es denn auch nicht verwunderlich, dass der Dienstentwickler scheinbar eine grosse Freiheit bei der Komposition von Diensten aus Service Features geniesst, sich dabei aber ein grosses Problem in der Form möglicher unerwünschter gegenseitiger Beeinflussungen einhandelt. Dies rührt im Prinzip vom Umstand her, dass auf dieser Ebene das Netz als eine Art monolithische virtuelle Maschine betrachtet wird, mit Zugriff aller Prozesse zum ganzen Speicher dieser Maschine [4.5]. Diese Betrachtungsweise macht es klar, dass wegen Seiteneffekten unbeabsichtigte Kopplungen auftreten können,bis hin zu Verklemmungen oder völlig unerwartetem Verhalten, einschliesslich falscher Verrechnung der Übermittlungskosten. Ein neuartiger Ansatz zur Einschränkung dieses Problems findet sich in [4.8], wo auch auf Publikationen zu den eigentlichen Ursachen hingewiesen wird.

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Kapitel 4, Seite 17

4.4

Anwendungsbeispiele

4 . 4 . 1 Freephone Ein Benutzer lässt sich alle Anrufe auf seine freephone number auf einen oder mehrere Anschlüsse leiten und übernimmt dafür die Gebühren. Anrufe sind - nach der jeweiligen Spezifikation - aus bestimmten Gebieten (allenfalls weltweit) möglich. Da dieser Dienst vor allem bei Kundendiensten von Firmen eingesetzt wird, sind Kombinationen mit folgenden Zusatzdiensten zweckmässig: "Parkieren" von Anrufen, die noch nicht bedient werden können (call queueing) Umleiten von Anrufen auf alternative Anschlüsse wenn alle Bedienungspersonen belegt sind (alternate destination on busy) usw. Implementierungen dieses Dienstes sind - wie bereits erwähnt - schon vor der IN-Ära unter den Bezeichnungen "Service 800", "Grüne Nummer" oder "Toll Free Numbers" verwirklicht worden. Die Telecom PTT bietet in der Schweiz zwei Varianten dieses Dienstes an: • SwissFreecall: Verbindungen zu Anschlüssen, deren Nummern die Form 0800 xxx xxx aufweisen, sind für den Anrufer kostenlos. • SwissFirstline: Bei Anrufen auf Nummern mit der Form 0844 xxx xxx wird der Anrufende mit dem Tarif für die Nachbarzone belastet, während bei Nummern mit der Form 0848 xxx xxx der Tarif für die Fernzone 1 belastet wird. Die darüber hinaus anfallenden Kosten gehen zu Lasten des Gerufenen (bei diesem Dienst handelt es sich also um ein Gebührensplitting). 4 . 4 . 2 Universal Personal Telephone Service Unter einer eindeutigen persönlichen Nummer kann ein Benutzer von einem beliebigen Netzanschluss aus Gespräche führen und Anrufe empfangen. 4 . 4 . 3 Virtual Private Network Dieser Dienst erlaubt es einem Benutzer, ein logisches Netz zu definieren mit eigenem Nummerierungsplan und spezifischen Anrufbeschränkungen, ohne dass dafür ein physisch separates Mietleitungsnetz beansprucht werden muss. In den USA ist ein ähnlicher Dienst (Centrex) in der Form einer "logischen Teilnehmervermittlungsanlage" schon seit langem bekannt.

4.5

Stand der Einführung, Perspektiven

Eine Orientierung über den gegenwärtigen Stand der Einführung in der Schweiz und über die dazugehörigen technischen Lösungen erfolgt im Rahmen der bevorstehenden Exkursion. Über die Weiterentwicklung der IN-Konzepte unter Einbezug des Netzwerkmanagement wird in Kapitel 5 berichtet (siehe auch Figur 4.1).

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Kapitel 4, Seite 18

4.6 [4.1]

Literaturhinweise ITU-T: Recommendations for Intelligent Networks (Recommendations Q.1200 Q.1400). ITU-T, Geneva, 1989-1994. Über den Stand der Normierung orientiert man sich am besten über das WWW, Einstieg über URL=http://www.itu.ch/publications/itut/itutq73.htm. Es handelt sich um die folgenden Empfehlungen: Rec. ITU-T Q.1200 Q.1201 *)

Titel Q-series intelligent network Recommendation structure Principles of intelligent network architecture

Q.1202 *)

Intelligent network – Service plane architecture

Q.1203 *) Q.1204 Q.1205 Q.1208 Q.1210 Q.1211 Q.1213 Q.1214 Q.1215 Q.1218 Q.1219 Q.1290

Intelligent network – Global functional plane architecture Intelligent network distributed functional plane architecture Intelligent network physical plane architecture General aspects of the intelligent network application protocol Q.121x-series Intelligent network Recommendation structure Introduction to intelligent network capability set 1 Global functional plane for intelligent network CS-1 Distributed functional plane for intelligent network CS-1 Physical plane for intelligent network CS-1 Interface Recommendation for intelligent network CS-1 Intelligent network user's guide for capability set 1 Glossary of terms used in the definition of intelligent networks

*) Die Empfehlungen Q.1201, Q.1202 und

[4.2] [4.3] [4.4] [4.5] [4.6] [4.7] [4.8]

[4.7] [4.8]

Q.1203 sind auch in der I-Serie der ITU-TEmpfehlungen erschienen und enthalten dort mehr Details. Die entsprechenden Nummern sind I.312, I.328 und I.329. Robrock II R.B.: The Intelligent Network - Changing the Face of Telecommunications. Proc. IEEE 79(1991)1, pp. 7-20. verschiedene Autoren: No. 1 Electronic Switching System. Bell System Technical Journal XLIII(1964)5, part 1 and part 2. Garrahan J.J. u.a.: Intelligent Network Overview. IEEE Communications Magazine 31(1993)3, pp. 30 - 36 (wird in der Vorlesung abgegeben). Magedanz T., Popescu-Zeletin R.: Intelligent Networks. Basic Technology, Standards and Evolution. Intern. Thomson Computer Press, London, 1996. Thörner J.: Intelligent Networks. Artech House, Boston, 1994. Harju J., Karttunen T., Martikainen O. (eds.): Intelligent Networks. Proc. IFIP Workshop 1994 on Intelligent Networks. Chapman & Hall, London, 1994. Zibman I. et al.: An Architectural Approach to Minimizing Feature Interactions in Telecommunications. IEEE/ACM Transactions on Networking 4(1996)4, pp. 582596. Harju J., Karttunen T., Martikainen O. (eds.): Intelligent Networks. Proc. IFIP Workshop 1994 on Intelligent Networks. Chapman & Hall, London, 1994. Heer M.: Intelligent-Network-Plattformen: Das Time-to-Money Werkzeug für NetworkOperatoren. COMTEC 75(1997)3, S. 30-34.

Intelligente Kommunikationsnetze

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Kapitel 4, Seite 19

Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze

Studiengang Elektrotechnik Studiengang Informatik

Sommersemester 2001

Prof. A. Kündig _________________________________________________________________________________________

Intelligente Kommunikationsnetze Kapitel 5: Netzwerk-Management

© beim Autor

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Swiss Federal Institute of Technology Zurich

22.6.2001

Ecole polytechnique fédérale de Zurich Politecnico federale di Zurigo

SS 2001

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

Seite 2

5

Netzwerkmanagement

Abkürzungen ACSE ASN CCAF CCF CMIP CMIS CS DCN DFP DPE ER, ERM FC FE FTAM GFP IN INA INAP INCM LTA MCF MD MF MIB MO MSC MVI NE NEF NID NM NRM NS OAM&P ODP ODP-RM ONP OS, OSF

SS 2001

association control service element abstract syntax notation (spezifisch: ASN.1 gemäss CCITT X.208) call control agent function call control function common management information protocol common management information service capability set (CSn = capability set n) data communication network distributed functional plane distributed processing environment entity-relationship (model) functional component (IN) functional entity file transfer, access & management global functional plane intelligent network information networking architecture intelligent network application protocol intelligent network coceptual model (IN) long term architecture message communication function mediation device mediation function management information base manged object management service component multivendor interaction forum network element, Netzelement network element function network information database network management, NetzwerkManagement network resource manager network service operation, administration, maintenance & provisioning open distributed processing open distributed processing reference model open network provision operations system (function)

OSF-B OSF-S OSF-N OSF-NE QA, QAF QOS RFC ROSE SCCP SCEF SCF SCP SDF SGMP SIB SLI SLP SMAF SMASE SMF SMS SNMP SRF SS7 SSF SSP STP TCAP TINA TMN UDP WSF

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

operations system function for business management operations system function for service management operations system function for network management operations system function for element management Q-interface adaptor (function) quality of service request for comment remote operation service element signalling connection control part service creation environment function service control function service control point specialized data function simple gateway monitoring protocol service independent building block service logic interpreter service logic program service management access function systems mangement application service element service management function service management system simple network management protocol specialized rsource function signalling system no. 7 (auch: SS #7) service switching function service switching point signal transfer point transaction capabilities application part telecommunication information networking architecture telecommunications management network user datagram protocol workstation function

Seite 3

5.1

Zielsetzungen, Begriffe, Problemstellungen und Lösungsansätze

5 . 1 . 1 Zielsetzungen Mit dem Netzwerk-Management (NM) verfolgt der Anbieter von Netz-Dienstleistungen die folgenden Ziele: (1) Verbesserung der Effizienz im Sinne einer optimalen Nutzung aller personellen und materiellen Ressourcen. (2) Einhalten bestimmter Zuverlässigkeits- bzw. Verfügbarkeitsanforderungen. Zum Beispiel soll mit geeigneten Massnahmen rasch auf Störungen reagiert werden können, und zwar derart, dass die Beeinträchtigung der Kunden möglichst beschränkt werden kann. (3) Unterstützung bei der Planung und Erweiterung des Netzes entsprechend der Verkehrsentwicklung und den Kundenwünschen. (4) Beitrag zur Sicherstellung einer vorgegebenen Dienstqualität. (5) Beitrag zur Erhöhung des Komforts in der Benützung und beim Betrieb des Netzes. (6) Beitrag zur Gewährleistung einer angemessenen Sicherheit (im Sinne von Datenschutz und Datensicherheit). (7) Unabhängigkeit von den Herstellern der Übermittlungseinrichtungen in der Gestaltung und Optimierung des Netzbetriebs. Möglichkeit des Aufbaus übergeordneter Netzwerk-Managementsysteme (unabhängig von den herstellerspezifischen Management-Funktionen der Übertragungs- und Vermittlungssysteme). Portabilität der NM-Applikationen und Skalierbarkeit der NM-Systeme. 5 . 1 . 2 Definition [5.1] Mittels Netzwerk-Management wird sichergestellt, dass ein Netz korrekt und effizient arbeitet, entsprechend den Anforderungen des Betreibers bzw. der Nutzer. Es umfasst Aktivitäten wie Planung, Entwurf, Installation, Betrieb, Unterhalt, Verwaltung, Ausbau und Abbau. Betroffen sind alle Komponenten eines Netzes, von den physischen Medien bis zu den Applikationen, einschliesslich der Kommunikationssoftware in den Endsystemen. Obschon das NM viele Aspekte eines Netzes betrifft, zählen bestimmte Bereiche nicht dazu: Ausgenommen sind in der Regel Protokolle und Dienste, die mit Zeitkonstanten unterhalb einer Sekunde arbeiten wie Flusskontrolle, Vermeiden von Verkehrsengpässen und Blockierungen, oder die eigentliche Verkehrslenkung (Routing). Die meisten NM-Aktivitäten arbeiten innerhalb menschlicher Zeitmassstäbe (min oder grösser). 5 . 1 . 3 Zur Entwicklung des Netzwerk-Managements An sich war es schon bei den frühesten Fernmeldenetzen (Telegraphennetz ab ca. 1840, Telephonnetz ab ca. 1890) klar, dass bestimmte NM-Funktionen notwendig waren. Die oft bescheidene Ausdehnung der Netze, ihre beschränkte Funktionalität, eine Technologie mit "integrierten, primitiven, dezentralen Steuerfunktionen" (cf. Hebdrehwähler, Direktwahl) sowie die verglichen mit heute recht langsame technische Entwicklung liessen es aber über Jahrzehnte nicht SS 2001

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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als notwendig erscheinen, NM zu thematisieren und dafür umfassende Konzepte und Architekturen zu erarbeiten. Mit der ersten Welle des Rechnereinsatzes in den 60er-Jahren wurden auch für die öffentlichen Netze erste NM-Applikationen entwickelt, die sich auf Computer abstützten; zunächst ging es aber in erster Linie um die "Rationalisierung" bisher konventionell (manuell, Information auf Papier, ..) verwirklichter NM-Funktionen wie z.B. der Gebührenerfassung und -weiterverrechnung. Eines der hervorstechenden Merkmale dieser Applikationen war aus heutiger Sicht die lose Kopplung zwischen dem NM-System und den fernmeldetechnischen Anlagen, indem in der Regel die Datenerfassung einerseits und die Rückführung von "Steuersignalen" anderseits nach wie vor ohne direkte elektrische Kopplung erfolgte (z.B. erster Schritt: Ablesen der Taxzähler durch das Betriebspersonal, Eingabe der Zählerstände durch Datatypistinnen; zweiter Schritt: Blöcke von Taxzählern photographieren, Auswertung der Photos mittels computergestützter Zeichenerkennung, 3. Schritt: Rechnungserstellung und -versand, 4. Schritt: Auswertung der Taxdaten als Input für die Planung des Netzausbaus). In dieser ersten Phase des Einsatzes von Computern im NM wurde auch bereits erkannt, dass oft verschiedene Applikationen teilweise die gleichen Daten benutzen, und dass es daher ein Gebot der Ökonomie bzw. eine Frage der Konsistenz der Daten war, diese möglichst nur einmal zu erfassen und zu warten. So entstanden schon verhältnismässig früh "monumentale" NM-Projekte, die aber sehr oft scheiterten, weil ganz einfach die zur Meisterung der Komplexität notwendigen Konzepte (z.B. verteilte, föderative Datenbanksysteme) noch nicht vorhanden waren. Eine zweite Phase durchlief das NM bei den öffentlichen Netzen mit dem Aufkommen der sogenannten Minicomputer bzw. Prozessrechner Ende der 60er Jahre. Deren im Vergleich zu Grossrechnersystemen bescheidener Preis, aber auch ihre Überschaubarkeit machten sie zu Kandidaten für die Implementierung von Insellösungen, z.B. bei der Automatisierung des Störungsdienstes im Ortsnetzbereich oder der Erfassung von Gesprächsdaten bei internationalen Zentralen (für die punktuelle, das heisst auf den internationalen Verkehr beschränkte Einführung detaillierter Abrechnungen) oder Teilnehmer-Vermittlungsanlagen (TVA). Zum ersten Mal wurden jetzt Rechner direkt mit den Übertragungs- und Vermittlungseinrichtungen gekoppelt, und die Datenerfassung bzw. ggfs. die Rückwirkung auf die Übermittlungseinrichtungen erfolgte "on line", in Echtzeit. Es handelte sich also um eine spezielle, auf die besonderen Bedürfnisse der Technik öffentlicher Netze zugeschnittene Prozessautomatisierungstechnik. Die dabei entstehenden (Insel-) Lösungen waren aus der Sicht der Datenhaltung eigentlich nicht zu begrüssen, da oft mit replizierten Daten gearbeitet, deren Konsistenz aber nicht mit konzeptuellen bzw. technischen technischen Mitteln erzwungen wurde. Wie wir wissen, erfolgten sowohl die ersten Entwicklungen im Bereich der LAN-Technologie (z.B. Ethernet) wie auch die Entwicklung erster Computernetze praktisch losgelöst von der Technik der öffentlichen Fernmeldenetze; bezüglich NM waren die hervorstechenden Merkmale rudimentäre, oft herstellerspezifische Lösungen. Bei den ersten grösseren Netzen im WAN-Bereich (z.B. Reservationssysteme, Bankensysteme) hatte zwar das NM bereits eine grosse Bedeutung; zum Einsatz kamen aber ad hoc - Lösungen und herstellerspezifische Konzepte (z.B. im Rahmen von SNA bei Systemen mit IBM-Rechnern). Erst als in vielen Organisationen das mehr oder weniger unkontrollierte Zusammenwachsen lokaler Netze und deren Verbindung mit den neuen öffentlichen Datennetzen zu immer unübersichtlicheren und störungsanfälligen Situationen führte, wurden grössere Anstrengungen gemacht, um das NM unter Kontrolle zu bekommen; in einem zweiten Schritt wurde ausserdem versucht, herstellerunabhängige Konzepte zu definieren. Auf die wichtigsten Aktivitätsbereiche wird in Abschnitt 5.1.7 weiter eingegangen.

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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5 . 1 . 4 Gesichtspunkte Bei der Behandlung des Netzwerk-Managements kann nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgegangen werden (leider sind diese Gesichtspunkte nicht vollständig orthogonal!), so unter anderem: • Ausdehnung des Netzes: LAN - MAN - WAN • Verantwortlichkeit: private Netze vs. öffentliche Netze • Architektur: strukturelle Sicht, funktionelle Sicht, Protokolle und Schnittstellen, Anwendungsstruktur. Dazu gehört auch die Frage des Grades der Trennung der Managementfunktionen von den Basisfunktionen der Übermittlung sowie zur Netzsteuerung und Signalisierung • Algorithmen und Datenstrukturen • unterliegende Kommunikationsinfrastruktur für den Transport der ManagementInformation (z.B. TCP/IP vs. OSI-Protokollstapel vs. SS No.7) • Anwendungsbereiche (siehe 5.1.5) • Zeitverhältnisse: Reaktionszeit, Häufigkeit und Dauer von NM-Massnahmen • Benutzung gemeinsamer Daten und gemeinsamer Grundfunktionen durch verschiedene Applikationen • Normen (siehe 5.1.7) • System- und Softwaretechnik für die Implementierung (z.B. objektorientierte Modellierung und Programmierung, entity-relationship (ER)-Konzepte, usw.); entsprechende Hardware- und Software-Plattformen. 5 . 1 . 5 Anwendungsbereiche Zur Klassierung der Anwendungsarten beim NM werden im allgemeinen die folgenden funktionellen Bereiche definiert: Performance Management Gesamtheit der Massnahmen, die das angestrebte Leistungsverhalten eines Netzes durch entsprechende Ressourcenverwaltung sicherstellen. Es gehören dazu Verkehrsmessungen und entsprechende kurzfristige (z.B. Modifikation der Routing-Tabellen) und langfristige (z.B. Netzplanung) Massnahmen. Fault Management Massnahmen zur Erhöhung der Verfügbarkeit: Identifikation, Lokalisierung, ggfs. Maskierung und Behebung von Störungen; Diagnose von Alarmen; Korrelation von Ereignissen; präventiver Unterhalt. Configuration Management Installation, Konfigurierung, Rekonfigurierung, Verwaltung und Ausserbetriebnahme von Anlageteilen und Geräten (Teilnehmergeräte, Teilnehmer-Vermittlungsanlgen, Übertragungssysteme, Vermittlungssysteme, übergeordnete Steuereinrichtungen für das IN, usw.). Accounting Management Erfassung kostenrelevanter Parameter (z.B. Verbindungsdauer, Datenvolumen, beanspruchte Zusatzdienste) und Aufarbeitung zu Kostenwerten; Weiterverrechnung an die Kunden oder intern. Gewinnung statistischer Daten. SS 2001

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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Security Management Massnahmen zur Sicherstellung von Datenschutz und Datensicherheit (z.B. Buchführung über Zugriffsrechte, Schlüsselverwaltung, Schlüsselverteilung, u.ä.). Nicht zum eigentlichen NM wird - aus der Sicht der Normierung - vorderhand das Service Management gezählt, also die Definierung und Entwicklung neuer Dienste, deren Installation und deren Bewirtschaftung im Sinne der Intelligenten Netze (siehe vorangehendes Kapitel!). Es ist aber völlig klar, dass zwischen dem NM im engeren Sinne und dem Service Management enge Beziehungen bestehen, sowohl was die eingesetzten Techniken betrifft wie auch das offensichtlich notwendige enge Zusammenwirken, z.B. bei der Benutzung gemeinsamer Daten. Mehr und mehr strebt man deshalb integrale Konzepte für IN und NM an [5.2, 5.3], eine Thematik, auf die in Abschnitt 5.6 noch eingegangen wird. 5 . 1 . 6 Problemstellungen und grundsätzliche Konzepte Traditionell werden Netze mit Ausrüstungen wie Vermittlungsknoten (switching nodes), Verteiler (cross connect), Übertragungs-Endausrüstungen (line terminal, channel bank), Leitungsbündeln (circuit group), Zwischenverstärkern (repeater) und - auf der Teilnehmerseite - mit NetzAbschlussgeräten (DCE = data circuit terminating equipment im Falle von Modems, NT - network termination bei ISDN und B-ISDN) aufgebaut. Die "Intelligenz" in einem herkömmlichen Netz konzentriert sich auf die Steuerung der Vermittlungsknoten, die ihrerseits über die Signalisiersysteme untereinander und mit den Benutzern kommunizieren. Natürlich finden sich praktisch alle unter 5.1.5 erwähnten NM-Funktionsbereiche bereits in den herkömmlichen Netzen; allerdings sind sie entweder integraler Bestandteil der Steuer- bzw. Signalisiersysteme (z.B. Lenkung des Verkehrs auf sog. "Überlaufbündel" bei voller Belegung der normalerweise in den Routing-Tabellen vorgesehenen Kanäle), oder die NM-Funktionen werden von separaten Systemen wahrgenommen, die in der Regel über herstellerspezifische Schnittstellen Daten mit den Ausrüstungen austauschen können. Dieser Datenaustausch beschränkt sich allerdings bei konventionellen Systemen oft auf die Kommunikation mit dem Bedienungspersonal, welches - wie in Figur 5.1 illustriert - bei Problemen interveniert. z.B. Fernmelde -Rechnung

Bedienungspersonal EDV

Datennetz

direkter Datenaustausch, z.B. via Alarmlampen und manueller Intervention

NM-Funktionen KommunikationsKanäle

KommunikationsKanäle

Ausrüstung

Figur 5.1 SS 2001

Konventioneller Ansatz für das Netzwerk-Management IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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Figur 5.1 macht eigentlich bereits deutlich, dass beim Netzwerk-Management im Prinzip zwei Typen von Funktionen vorkommen: • Reine Gewinnung von Daten und Aufarbeitung zu statistischen oder administrativen Zwecken; ohne unmittelbare Rückwirkung auf die Ausrüstungen und deren Konfiguration • Funktionen, bei denen aus den gewonnenen Daten ein Handlungsbedarf hergeleitet wird und mit entsprechenden Massnahmen unmittelbar auf das Netz eingewirkt wird. Im Grunde genommen handelt es sich hier um ein Regelsystem, das allerdings in den wenigsten Fällen wie ein klassisches lineares Regelsystem funktioniert. Mit Figur 5.2 wird nun versucht, unsere Problemstellung auf einer höheren Abstraktionsstufe zu illustrieren. Wir treffen hier einen ersten wichtigen Begriff an: Das Netzwerk-Element NE zur Einkapselung und damit zur Abstraktion irgendwelcher Ausrüstungen.

Benutzer

Bedienungspersonal

NM-System

Einkapselung der Ausrüstung ergibt Netzwerkelement NE KommunikationsKanäle

KommunikationsKanäle

Ausrüstung

Figur 5.2

Ansatz zur Systematisierung des NM

Letztlich wird das Netz als rückgekoppeltes System im Sinne von Figur 5.3 betrachtet. Für dieses System gelten nun die bereits in Abschnitt 5.1.2 erwähnten Zeitkonstanten. Offen bleibt an dieser Stelle, wie weit der Mensch in die Entscheidungsfindung einbezogen wird, oder ob auch dafür mechanisierte Verfahren (z.B. KI-basierte Ansätze) zum Zuge kommen. Eine allgemeine Antwort gibt es nicht - der Entscheid hängt von der Anwendung und vom Stand der Technologie ab. Grundsätzlich ergibt sich aus der Figur 5.3 auch, dass NM-Systeme sich mit dem Problem der Stabilität auseinandersetzen müssen: Wenn zum Beispiel die regelnden Eingriffe zu spät erfolgen, können instabile Zustände bzw. Schwingungen auftreten.

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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Entscheidungsfindung

Steuerung

Auswertung

Steueraktionen Beobachtungsdaten gesteuertes System (Managed System)

Figur 5.3

Netzwerk als rückgekoppeltes System

{4440}

Zur Implementierung eines NM-Systems müssen die Netzwerkelemente mit zusätzlichen Schnittstellen ausgestattet werden, wie Figur 5.4 zeigt.

Management interface

Control commands Status requests Monitoring information

Managed object Operational interface

Figur 5.4

Information processing operations

Netzwerkelemente mit zusätzlicher Schnittstelle für das Management

{4441}

Bei den modernen NM-Ansätzen geht es nun darum, für die beiden bereits aus Figur 5.2 ersichtlichen Bereiche NM-System (Managing Domain) und das eigentliche Netzwerk (Managed

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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Domain) eine zweckmässige Architektur und die entsprechenden Protokolle zu definieren. Einen ersten groben Ansatz zeigt Figur 5.5 mit der Architektur der ITU.

TMN

OS Q3/F /X F

X

DCN -

Q3

----

---- -

- -- - - ---- ----- ---

---- ---

- -- ----- -- ----- ----- -- ----- ----- -- ----- ----- -- ----- -

- ---

--

- -- ---

----

- -- ----- -- ----- ----- -- ----- ----- -- ----- ----- -- ----- -

- -- ---

----

- -- ----- -- -----

- -- -- - ----

-- ----- ----- -

G

WS MD Qx

OS DCN MD WS TMN

DCN Q3

QA

Figur 5.5

Q3

Qx

NE

QA

Qx

NE

NE QA

Operations Systems Data Communication Network Mediation Device Workstations Telecommunications Management Network Network Element Q Adaptor

NM-Architektur der ITU

Bei der in Figur 5.5 gezeigten Architektur werden sog. Q-Adaptoren eingesetzt, um für bestehende Produkte mit herstellerspezifischen NM-Schnittstellen eine Abbildung auf die normierte TMNSchnittstelle Q3 vorzunehmen. Auf die weitere Bedeutung der verschiedenen Funktionsblöcke in Figur 5.5 werden wir in Abschnitt 5.5 zurückkommen. 5 . 1 . 7 Normen: Einführung und Übersicht Die Entwicklung von Normen im Bereich des Netzwerk-Managements wiederspiegelt weitgehend die Entwicklung der Telekommunikationsnetze an sich: Erste Anstrengungen wurden einerseits durch die Fernmelde-Betriebsgesellschaften im Rahmen der ITU gemacht, wobei sich diese Anstrengungen auf den grenzüberschreitenden Nachrichtenverkehr bezogen; andererseits setzten aber in den 70er-Jahren auch in jenen Gebieten Bemühungen ein, wo trotz der seinerzeit sehr weitgehenden Monopole der Fernmelde-Betriebsgesellschaften Freiräume bestanden, und zwar bei den Forschungs- und Hochschulnetzen sowie bei den lokalen Netzen (LAN). Erst später erwachte mit den Arbeiten Richtung offene Netze (OSI-Konzept) und unter dem Druck der Liberalisierung der grossen öffentlichen Netze das Bedürfnis, Netzwerk-ManagementFunktionen nicht nur für die grenzüberschreitende Kommunikation zu definieren, sondern auch für Telekommunikations-Anlagen und -Geräte derart, dass Netze mit Produkten verschiedener Hersteller aufgebaut werden können. Auch der Trend Richtung flexibler Gestaltung des Diensteangebotes, des raschen Reagierens auf neue Kundenwünsche und der Ausnützung neuer Technologien ruft natürlich zu einer Systematisierung des Netz-Managements, wenn die Betreiber ihre Netze überhaupt noch unter Kontrolle haben wollen. Die Träger entsprechender Normenanstrengungen sind vor allem: • das Internet Activity Board (IAB) mit seiner Internet Engineering Task Force (IETF): Wir werden auf diese Aktivitäten in Abschnitt 5.2 eingehen. • die internationale Normierungsorganisation ISO zusammen mit dem CEI: Siehe Abschnitt 5.3. SS 2001

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

Seite 10

• • •

das IEEE, namentlich im Rahmen der Standardisierung lokaler Netze (Arbeitskreis 802.1, siehe Abschnitt 5.4). verschiedene Kommissionen der internationalen Fernmeldeunion im Bereich ITU-T (früher CCITT): Siehe Abschnitt 5.5. die Working Group 5.6 on Network Management der IFIP, TC5.

5.2

Netzwerk-Management im Internet: SNMP

Schon früh erkannte man bei der Internet-Entwicklung (siehe z.B. [5.4] oder [5.5]), dass der Betrieb und die Verwaltung grosser Netze nur mit maschineller Unterstützung möglich ist. 1987 wurde deshalb zunächst das sogenannte Simple Gateway Monitoring Protocol (SGMP) entwickelt. Daraus entwickelte sich in den folgenden Jahren schrittweise das SNMP-Konzept. SNMP steht für Simple Network Management Protocol; SNMP im engeren Sinne deckt nur die Protokollaspekte des Internet-Netzwerk-Management ab; dazu kommen namentlich Festlegungen über die Datenstrukturen und die Datenhaltung, wie die folgenden für das NM relevanten InternetStandards zeigen: • RFC 1155: Structure and Identification of Management Information (SMI) for TCP/IP based Internets • RFC 1156: Management Information Base I (MIB I) for Network Management of TCP/IP based Internets • RFC 1157: Simple Network Management Protocol (SNMP) • RFC 1158 bzw. RFC 1213: Management Information Base II (MIB II) for Network Management of TCP/IP based Internets • RFC 1212: Concise MIB Definitions Figur 5.6 illustriert den SNMP-Protokollstapel. SNMP Management System

SNMP Managed System Managed Resources

Event

GetResponse

Set

Get SNMP Messages

SNMP Manager

Get-Next

SNMP Managed Objects

Application Manages Objects

Event

GetResponse

Set

Get

Get-Next

Management Application

SNMP Agent UDP

UDP IP

IP

Link

Link

Communications Network

Figur 5.6

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Protokollarchitektur des SNMP

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

{4442}

Seite 11

Die SMI-Spezifikationen definieren die Netzwerkvariablen und -objekte, regeln den Zugriff und beschreiben die Einbindung in die Management Information Base MIB. Bei der MIB handelt es sich um eine über die verschiedenen verwalteten Systeme verteilte Datenbank, deren Objekte Abbilder der verwalteten Geräte sowie ihrer Hardware- und Softwaresubsysteme darstellen - die eigentlichen Geräte sind im Sinne der Figur 5.2 aus der Sicht des NM abgekapselt worden. Typischerweise handelt es sich bei den Abbildern um Inhalte statistischer Natur wie z.B. Fehlerraten, Kollisionsraten, Zahl der verlorenen Pakete, Füllgrad von Warteschlangen usw., aber auch Zustandsinformation. Das Pendant zur MIB auf dem Management System ist die Network Statistics Database NSD, in welcher Auswerteresultate festgehalten werden und die z.B. zur Planung beigezogen werden kann. Mit SNMP wird also ein Protokoll definiert, das den Nachrichtenaustausch zwischen den in den dezentralen Geräten residierenden Agenten und dem zentralen Mangement System (z.B. auf einer Workstation installiert) regelt. Wie Figur 5.6 zeigt, stützt sich SNMP auf die verbindungslose Variante der Internet-Transportprotokolle - UDP (user datagram protocol) - ab. Dies deutet schon darauf hin, dass im Gegensatz zum später behandelten OSI-NM keine festen Verbindungen (sessions) zwischen dem Management System und dem Managed System verwendet werden, und dass das Management System mit einer einfachen Abfrage/Antwort-Prozedur (Polling) arbeitet. Dafür existieren (siehe Figur 5.6) insgesamt 4 Nachrichtentypen: • mit get -request wird auf eine Variable zugegriffen. • get-next -request entspricht dem Zugriff auf die in der MIB nächstfolgende Variable. • mit set -request wird der Wert einer Variablen oder eines Objektes in einer MIB verändert. • mit get -response wird der Management-Anwendung der vorher mit get bzw. get-next angeforderte Wert übergeben. Ausserdem können die Agenten unaufgefordert über spezielle Ereignisse (Alarme, z.B. bei Ausfall der Stromversorgung oder Ausfall einer Verbindung) orientieren; dazu dient ein fünfter Nachrichtentyp Event. Im Rahmen der Internet-Normen wurden 5 sogenannte trap-Bedingungen definiert, welche zur Auslösung eines Alarms führen. Darüber hinaus können produktspezifische traps von den Herstellern definiert werden. Man beachte, dass mit den eben skizzierten Normen noch nicht die eigentliche ManagementApplikation definiert wird, sondern nur die Datenstrukturen und Protokolle, auf welche sich eine Management-Applikation abstützt. Figur 5.7 gibt eine Idee vom Aufbau eines SNMP-Management-Systems. Insbesondere wird darin ein Beispiel einer Datenstruktur gezeigt, wie sie typischerweise in einem Agenten vorhanden ist. An den Blättern des Baumes finden sich die eigentlichen Management-Daten; unterhalb der internen Knoten des Baumes gruppiert man Daten, die der gleichen Kategorie angehören. Figur 5.7 zeigt links oben auch noch einmal die Dienstprimitiven, welche für den Datenaustausch zwischen Manager und Agenten verwendet werden. Für diesen Datenaustausch müssen im Rahmen von SNMP bestimmte Protokoll-Dateneinheiten (PDUs) definiert werden. Diese SNMP-PDUs sind im Prinzip unabhängig vom unterliegenden Transportmechanismus; allerdings ist man zunächst davon ausgegangen, dass dazu UDP (User Datagram Protocol) verwendet wird, wie auch Figur 5.6 zeigt. Inzwischen ist aber das SNMP-Protokoll auch für andere Mechanismen implementiert worden, z.B. für Appletalk. Im Prinzip kommen dafür irgendwelche Datagram-orientierte Transportnetze in Frage; es sind aber die spezifischen Restriktionen bezüglich Adressierung, PDU-Länge usw. zu beachten.

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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internet(1)

[ 1.3.6.1...]

directory(1)

mgmt(2)...................private(4) mib(1)

system(1)

Get Get Next Set Trap

sysDesc(1)

Interfaces(2)............tcp(6)...........

SysObjectId(2)...........tcpConnTabl(13)....... (0)

tcpConn State(1)

(0)

tcpConnLocal Adress (2)

tcpConnRemote Port(5)

Agent Agent

Agent Agent

.. ..

Figur 5.7

Übersicht eines SNMP-Systems; Datenstrukturen

{4796}

Aufgrund der Erfahrungen mit SNMP ist inzwischen eine neue Version SNMPv.2 entwickelt worden. Es wurde darauf geachtet, dass in diesem Fall eine noch bessere Entflechtung von den unterliegenden Transportmechanismen besteht. Da SNMP wie gesagt auf einen verbindungslosen, ungesicherten Datentransport aufsetzt (Datagramme), sind Massnahmen zur Datensicherung notwendig. SNMP delegiert diese Aufgabe im wesentlichen den Applikationsprotokollen - eigentlich ganz im Sinne des Prinzips, auf den tieferen Funktionsschichten nur das unbedingt notwendige vorzukehren, sodass gezielte und auch effiziente Sicherungsmassnahmen spezifisch für bestimmte Anwendungen getroffen werden können. Ein besonderes Problem stellen die Trap-Meldungen dar; würde eine solche verloren gehen, so bemerkte dies der Manager nicht. Trap-Meldungen müssen daher von den Agenten ggfs. mehrfach wiederholt

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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werden. Es sind aber andererseits Massnahmen notwendig, um ein Überfluten des Managers mit solchen Meldungen zu verhindern. Entsprechend Figur 5.7 wird ein SNMP-Agent eindeutig durch die Kombination einer IP-Adresse und einer UDP-Portnumber bestimmt. Somit ist nur ein einziger Agent an einer bestimmten IPAdresse möglich, was eine kritische Einschränkung bei komplexeren Systemen sein kann. Im Rahmen der Weiterentwicklung zu SNMPv.2 wird deshalb vorgesehen, dass ein Agent als "Stellvertreter" oder "Treuhänder" (Englisch: Proxy) für mehrere Subagenten wirken kann, die je ihre spezifischen MIB kapseln. Die Management Information Base MIB von SNMP wiederspiegelt eine hierarchische Datenbankorganisation. Als Directory wird der ISO-Registrierungsbaum gemäss Figur 5 . 8 verwendet [5.6]. Root ccitt (0)

Recommendation (0)

Joint-iso-ccitt (2)

Network-operator Question (1) Administration (2)

Standard (0)

RegistrationAuthoprity (1)

iso (1) MemberBody (2)

Ftam (8751)

IdentifiedOrganization (3) dod (6)

Internet (1)

Directory (1)

mgmt (2)

Experimental (3)

mib (1)

Figur 5.8

ISO-Registrierungsbaum

Private (4) Enterprise (1)

{4119}

In diesem Baum werden Knoten sowohl mit einem Namen als globalem Identifier bezeichnet, wie auch mit einer Nummer als relativem Bezeichner. Ein Knoten kann auf diese Weise mit einer Folge von Nummern, ausgehend von der Wurzel, eindeutig spezifiziert werden. So bezeichnet der Pfad 1.3.5.1. eindeutig den Internet-Unterbaum. Figur 5.9 zeigt, darauf aufbauend, ein Beispiel eines MIB-Baums [5.6]. Es ist zu beachten, dass die Struktur (aber natürlich nicht der Inhalt) der Internet-MIB-Bäume statisch ist. Aus Figur 5.9 ist ersichtlich, dass alle Informationen zu einem bestimmten Internet-System im Unterbaum 1.3.5.1.2.1.1. zu finden sind. Insgesamt können 11 Unterbäume identifiziert werden, unter denen die Variablen einer bestimmten Managed Entity gruppiert sind. SNMP bietet auch die Möglichkeit - wie Figur 5.9 ebenfalls zeigt -, an den Blättern des Baumes Tabellen anzufügen. Deren Zeilenzahl kann zur Laufzeit variiert werden, sodass wenigstens eine begrenzte Erweiterbarkeit der MIB besteht.

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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internet (1) [1.3.6.1.....]

directory (1)

mgmt (2)

private (4) experimental (3) (4)

iso (1) system (1)

Snmp (11)

at (3)

interfaces (2)

ip (4) SysObjectid (2)

icmp (5) udp (7) cmot (9)

trans (10)

ifTable (2) tcp (6)

sysDes (1)

egp (8)

(0) ifEntry (1)

tcp Conn Table (13)

tcp Conn Table (13)

tcpConn State (1)

Figur 5.9

tcpConnLocal Address (2)

tcpConnLocal Port (3)

tcpConnRenote Port (4)

Internet MIB II - Baum

tcpConnRenote Port (5)

{4120}

SNMP kann in einem gewissen Sinne als Abfragesprache (Query Language) der MIB-Datenbank verstanden werden. Die beiden Primitiven zur Abfrage sind GET und GET-NEXT, die beide in einer GET-RESPONSE-Antwort resultieren. Mit GET-RESPONSE können tabellarische Daten traversiert werden, wobei eine lexikographische Reihenfolge eingehalten wird. Details zu den Abfragemechanismen finden sich z.B. in [5.6]. Zur formalen Beschreibung der eigentlichen Daten wird bei SNMP die von der ISO standardisierte Beschreibungssprache ASN.1 verwendet (siehe z.B. [5.7]). Dabei werden mit SMI 6 verschiedene Datentypen eingeführt: Counter, Gauge, Time-Ticks, Network Address, IP-Address sowie Opaque. Der letztgenannte Typ dient z.B. für beliebige Oktett-Folgen. Neben diesen 6 Typen können auch die primitiven Universaltypen aus ASN.1 wie Integer, Octet String und Object Identifier verwendet werden. Weitere Details finden sich z.B. in [5.6] oder natürlich in den entsprechenden RFC-Dokumenten. SS 2001

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

Seite 15

Ferner verweisen wir auf die beiden Bücher [5.11] und [5.12] zum Thema SNMP, welche von 2 (Mit-) Entwicklern der Internet-Konzepte publiziert wurden.

5.3

ISO/OSI - Netzwerkmanagement-Konzepte

Wie wir heute wissen, haben aus verschiedenen Gründen - trotz enormer Anstrengungen - die Arbeiten der ISO zur Definition eines umfassenden Konzeptes für offene Systeme (OSI) nicht zum erhofften Erfolg geführt. Gewisse Ergebnisse sind aber nach wie vor von Bedeutung; mit der ASN.1-Notation haben wir ein solches Element bereits im vorherigen Abschnitt kennengelernt. Im Rahmen der OSI-Standardisierung hat sich die ISO auch mit dem Problemkreis des Managements offener Systeme auseinandergesetzt. Den dabei erarbeiteten Standards ist mit dem Scheitern des OSIAnsatzes zwar der Boden entzogen worden; dennoch müssen wir kurz darauf eingehen, sind doch verschiedene Lösungen in das TMN-Konzept der ITU für das Management grosser öffentlicher Netze eingeflossen (Abschnitt 5.5). Die Arbeiten der ISO sind denn auch stark mit der ITU koordiniert worden, und die grundlegenden Standards wurden zunächst - weitgehend übereinstimmend - von beiden Gremien gemäss Figur 5.10 publiziert: ISO-Standard ITU-TEmpfehlung

Titel

7498-4

X.700

OSI Reference Model, Addendum 4: Network Management Framework

10040

X.701

Systems Management Overview

9595

X.710

Common Management Information Service (CMIS) Definition

9596

X.711

Common Management Information Protocol (CMIP) Definition

10164-x, z.B.:

X.73x-X.74x:

Systems Management Functions, z.B.:

•

10164-1

X.730

•

Object Management

•

10164-2

X.731

•

State Management

•

10164-4

X.733

•

Alarm Reporting

•

10164-10

X.742

•

Accounting Metering

10165-x:

X.72x:

Structure of Management Information;

•

10165-1

X.720

Part 1: Management Information Model

•

10165-2

X.721

Part 2: Definition of Management Information

•

10165-4

X.722

Part 4: Guidelines for the Definition of Managed Objects

Figur 5.10

SS 2001

ISO/OSI-Standards und ITU-T-Empfehlungen für das Management offener Systeme

IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

Seite 16

Die von der ISO entworfene Architektur entspricht in ihren Grundzügen dem Bild von Figur 5.7; wir gehen also ebenfalls von einem Manager/Agenten-Konzept aus. Es sind aber die folgenden Unterschiede zu beachten: • Im OSI-Management-Modell werden sehr weitgehend objektorientierte Konzepte verwendet wie z.B. Vererbung. Managed Objects können deshalb nicht nur Datenattribute, sondern auch Methoden (Operationen) enthalten. • Es wird nicht von einer zentralisierten Lösung mit einem einzigen Manager und mehreren abhängigen Agenten ausgegangen; Agenten können z:B. Managerfunktionen gegenüber weiteren untergeordneten Agenten übernehmen. Es existieren Konstrukte zur Synchronisation von Transaktionen mehrfacher Manager. • Die Gesamtheit der zu allen Managed Objects gehörenden Daten ist in der Management Information Base MIB vereinigt. Zur Lokalisierung bestimmter Elemente wird ein Suchbaum in der Form des Management Information Tree MIT verwendet. Mittels sogenanntem Scoping kann eine Untermenge innerhalb dieses Baumes spezifiziert werden - z.B. alle Elemente von der Wurzel (Tiefe 0) bis zur Tiefe m. Die Struktur des Baumes kann zur Laufzeit verändert werden; es sind keine Tabellen vorgesehen. Daten können nicht nur in den Blättern des Baumes gespeichert werden, sondern auch in den Knoten. Sogenannte Filter stellen ein wesentliches weiteres Element der OSI-Konzepte dar: Mit Hilfe eines Filters wird bestimmt, unter welchen Bedingungen (assertions) durch einen Agenten über bestimmte Ereignisse (z.B. das Erreichen eines bestimmten Füllgrades bei einer Warteschlange) berichtet werden soll. Damit kann u.a. verhindert werden, dass der Manager mit irrelevanten Informationen überschwemmt wird. Ein Filter wird auf jene Datenelemente angewendet, welche mittels Scoping bestimmt wurden; Scoping und Filtering erlauben also sozusagen "den Blick auf das Wesentliche". • Anstelle des Protokolls SNMP wurde das Protokoll CMIP - Common Management Information Protocol - definiert, dem das Dienstelement CMISE - Common Management Information Service Element - entspricht. CMISE weist die Dienstprimitiven gemäss Figur 5.11 auf. Dienstprimitiven M-EVENT-REPORT

*) Modus c, uc

kurze Beschreibung

M-GET

c

Anforderung (Retrieval) von Information

M-CANCEL-GET

c

Rückgängigmachen eines M-GET, bevor die Information ausgegeben wurde

M-SET

c, uc

Modifikation bestimmter Attributwerte von Managed Objects

M-ACTION

c, uc

Aufforderung zur Ausführung einer bestimmten Operation

M-CREATE

c

Aufforderung zur Instanziierung eines Managed Objects

M-DELETE

c

Aufforderung zur Löschung eines Objekts

Figur 5.11

Meldung eines Ereignisses, mit Auftretens- und Berichtzeitpunkt

CMISE-Dienstprimitiven. *) c = confirmed (bestätigter Dienst); uc = unconfirmed (unbestätigter Dienst)

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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•

Die eigentlichen Management-Anwendungen stützen sich auf die OSI-Normen für die Applikationsschicht ab wie vor allem auf das Association Control Service Element ACSE und das Remote Operations Service Element ROSE. Unter Association versteht man eine Art Verbindung auf Anwendungsebene; dabei wird nicht nur eine blosse Verbindung hergestellt, vielmehr wird die Zusammenarbeit von Applikations-Entitäten im Detail definiert. Das Modell geht daher von einer verbindungsorientierten unterliegenden Transport-Infrastruktur aus. In dieser besteht ein fundamentaler Unterschied zum Management-Paradigma des Internet, das sich - getreu den ursprünglichen Entwurfsentscheiden für das Internet (siehe Vorlesung VTKN1, Kapitel 4) - auf verbindungslose Kommunikation abstützt. Dieser Unterschied hat denn auch zu einer massiven Kritik der OSI-Ansätze durch die Internet-Architekten geführt, wie z.B. das folgende Zitat aus [5.17] zeigt: "At the heart of the matter are issues dealing with the ease of scaling and behavior during times of network instability. The SNMP camp has always believed that network management must tend towards ubiquity; that is, the technology must have a minimal impact in order to achieve the widest possible deployment. Furthermore, the SNMP camp has always believed that networks are inherently unreliable, and, as such, the design of the network mangement framework must be ever mindful of this. So, in a nutshell, the SNMP philosophy is that the network mangement technology must be widely implemented, must scale well, must not interfere with normal operations, and must operate during time of network stress. (It is left as an excercise for the reader to discover what principles, if any, are held by the CMIP camp. Certainly, their design choices seem to ignore any of these considerations; for example, the choice of using a connection-oriented transport is provably fatal for managemnet operations, and yet that is exactly what CMIP uses!). .... SNMP is based on a remote debugging paradigm, taking the best parts of object-oriented concepts (e.g., defining types or classes and identifying instances of those types, along with support for method routines), but leaves out the questionable aspects (e.g., inheritance and containment hierarchies). ...". Es sind kaum bedeutende direkte Implementierungen des OSI-Mangement-Modells bekannt. Seine Bedeutung liegt vielmehr im Umstand, dass es das TMN-Modell gemäss Abschnitt 5.5 stark beeinflusst hat. Wir verzichten daher auf eine ausführlichere Beschreibung und verweisen z.B. auf [5.6], [5.9] oder [5.13].

5.4

Netzwerkmanagement bei lokalen Netzen (LAN)

Bei der Normierung von LAN und MAN hat das IEEE seit jeher eine führende Rolle gespielt. Bezüglich NM ist der Standard IEEE 802.1 unter der Bezeichnung High Level Interface and Management relevant, der neben Festlegungen zum NM auch Themen wie Bridges und Adressierung behandelt. Vom IEEE ist im Rahmen von 802.1 ein NM-Konzept definiert worden, das sich stark an das OSI-Konzept anlehnt. In der Praxis hat sich aber die Verwendung von SNMP sehr stark durchgesetzt.

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

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5.5

Netzwerkmanagement öffentlicher Netze nach ITU-T: TMN

Wir verweisen auf die separat abgegebenen Artikel [5.15] und [5.16]. Die entsprechenden Empfehlungen der ITU werden in der Serie M.30xx publiziert; eine Übersicht zeigt Figur 5.12. Informationen über den letzten Stand können überdas WWW mit URL=http://www.itu.ch/publications/itu-t/itutm13.htm erfragt werden; über diesen Weg können auch Dokumente bei der ITU bestellt werden (im Rahmen von Studien- und Diplomarbeiten besteht eine direkte Zugriffsmöglichkeit auf die CD-ROMs des TIK).

Rec. ITU-T Titel

Figur 5.12

5.6

M.3000

Overview of TMN Recommendations

M.3010

Principles for a Telecommunications management network

M.3020

TMN interface specification methodology

M.3100

Generic network information model

M.3101

Managed object conformance statements for the generic network information model

M.3180

Catalogue of TMN management information

M.3200

TMN management services: overview

M.3207.1

TMN management service: maintenance aspects of B-ISDN management

M.3211.1

TMN management service: Fault and performance management of the ISDN access

M.3300

TMN management facilities presented at the F interface

M.3400

TMN management functions

TMN-Empfehlungen der ITU-T

Integration von IN und TMN: TINA

Ein Konsortium von ca. 40 Firmen und Netzwerkbetreibern unter der Führung von Bellcore erarbeitet im Zeitraum 1993-97 eine einheitliche Architektur, in der letztlich die Funktionsbereiche von IN und TMN vereinigt werden sollen. Dabei werden neue Erkenntnisse aus dem Bereich verteilter Systeme und des OO-Entwurfs genutzt. Wir verweisen auf die in der Vorlesung abgegebene Kopie des Artikels [5.18] für eine erste Einführung.

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IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

Seite 19

5.7

TMN-Anwendungen

Besonders weit fortgeschritten ist die Anwendung der TMN-Konzepte im Bereich der SDHbasierten Übertragungsnetze. Eine Übersicht des letzten Standes findet sich in dem ebenfalls abgegebenen Artikel [5.19].

5.7

Literaturhinweise

[5.1]

Lazar A.A. u.a.: Network Management and Control (Guest Editorial). IEEE Selected Areas on Communications 11(1993)9, S. 1333-1334. Magedanz Th.: IN and TMN: The Basis for Future Information Networking Architectures. Computer Communications 16(1993)5, pp. 267-275. Pontailler C.: TMN and New Network Architectures. IEEE Comunications Magazine 31(1993)4, pp. 84-88. Comer D.E.: Internetworking with TCP/IP. Prentice-Hall, Englewood Cliffs N.J., 1991. Halsall F.: Data Communications, Computer Networks and Open Systems. 3rd. ed., Addison-Wesley Publ. Co., Wokingham, 1992. Aidarous S., Plevyak Th.: Telecommunications Network Management into the 21st Century. Techniques, Standards, Technologies, and Applications. IEEE Press, New York, 1994. Tanenbaum A.S.: Computer Networks. 3rd edition, Prentice-Hall Int., London, 1995. Case J.D. u.a.: Introduction to the Simple Gateway Monitoring Protocol. IEEE Network Mag. 2(1988)2, S. 43-49. Black U.: Network Management Standards. McGraw-Hill, New York, 1995. Mansouri-Samani M., Sloman M.: Monitoring Distributed Systems. IEEE Network Mag. 7(1993)6, S. 20-30. Rose M.T.: The Simple Book. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1994. Rose M.T., McCloghrie K.: How to Manage Your Network Using SNMP. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1995. Seitz J.: Netzwerkmanagement. Int. Thomson Publ., Bonn, 1994. IEEE Standard 802.1: LAN High-Level Interface and Management, and MAC Bridges.

[5.2] [5.3] [5.4] [5.5] [5.6]

[5.7| [5.8] [5.9] [5.10] [5.11] [5.12] [5.13] [5.14] [5.15] [5.16] [5.17] [5.18] [5.19] SS 2001

Glitho R.H., Hayes S.: Telecommunications Management Network: Vision vs. Reality. IEEE Communications Mag. 33(1995)3, S. 47-52. Sidor D.J.: Managing Telecommunications Networks Using TMN Interface Standards. IEEE Communications Mag. 33(1995)3, S. 54-60. Rose M.T.: Challenges in Network Management. IEEE Network Magazine 7(1993)6, S. 16-19. Horrer M. u.a.: TINA: eine Software-Architektur für Telekommunikationsdienste. Elektrisches Nachrichtenwesen 3. Quartal 1994, S. 260-267. Fatato M.: Modeling Telecommunications Network's Transmission Systems. IEEE Communications Magazine 34(1996)3, pp. 40-47. IKN, Kapitel 5: Netzwerkmanagement

Seite 20

6

Der Anschlussbereich moderner Kommunikationsnetze

Abkürzungen ITU ADSL AN AM-VSB AON APON ATM AV B-ISDN BNT CAP CATV CDMA CO CPE DECT DLC DMT DSL DV ET FDM FDMA FEXT FITL FSAN FTTB FTTC FTTCa FTTH GSM HDSL HFC HV ISDN

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asymmetric digital subscriber line access network, Anschlussnetz AM vestigial sideband active optical network ATM PON asynchronous transfer mode analog video broadband ISDN broadband NT carrierless AM-PM community access (urspr.: antenna) TV code division multiple access central office customer premises equipment digital enhanced cordless telecommunications digital loop carrier discrete multitone modulation digital subscriber line (loop) digital video exchange termination frequency division multiplex frequency division multiple access far-end crosstalk fibre in the loop full service access network fibre to the building fibre to the curb fibre to the cabinet fibre to the home global system for mobile communication high bit rate digital subscriber line hybrid fibre coax Hauptverteiler (engl.: MDF) integrated services digital network

LAN LT MAC MDF NEXT NT NVOD OLT ONT OSI PBX PCS PON POTS QAM QOS QPR RITL SDM SOHO STP TDM TDMA TV TVA UMTS UNI UTP VDSL VOD WLL WDM

Intelligente Kommunikationsnetze

International Telecommunications Union local area network line termination media access control main distribution frame (dt.: HV) near-end crosstalk network termination near video on demand optical LT optical NT open systems interconnection private branch exchange (deutsch: TVA) personal communication system passive optical network plain old (analog) telephone service quadrature amplitude modulation quality of service quaternary partial-response radio in the loop space division multiplex small office, home office shielded twisted pair time division multiplex time division multiple access television Teilnehmer-Vermittlungsanlage (engl.: PBX) universal mobile telecommunications system user network interface unshielded twisted pair very high rate DSL video on demand wireless local loop wavelength division multiplex

Kapitel 6, Seite 1

6.1

Einführung, Problemstellung

6.1.1

Begriffe, thematische Abgrenzung

In diesem Kapitel wird jener Bereich von Fernmeldenetzen behandelt, der in den klassischen Telefonnetzen als Ortsnetz bezeichnet wird. Er umfasst in diesen Netzen die Übertragungseinrichtungen (Kabel, Verteiler sowie ggfs. Zwischenverstärker und Multiplexer) zwischen dem Hauptverteiler (HV) in der Ortszentrale (engl.: central office CO) und dem Netzabschluss beim Teilnehmer bzw. bei der Teilnehmervermittlungsanlage (TVA). Im Englischen spricht man auch ab und zu von der Outside Plant. Die hausinternen Netze werden im juristischen Sinne nicht zum Ortsnetz gezählt; deren Technik muss aber bei der Diskussion der systemtechnischen Alternativen für neuartige Ortsnetze mitberücksichtigt werden. Als Alternative zum Begriff Ortsnetz werden wir die allgemeineren Bezeichnungen Anschlussbereich oder Anschlussnetz (AN) verwenden; häufig trifft man im Deutschen auch den Begriff des Zugangsnetzes als direkte Übersetzung des englischen access network an. Bei der Erschliessung eines Gebietes mit einem leitergebundenen Netz wäre es selbstverständlich völlig unwirtschaftlich, jedes neue Endsystem über eine individuell neu verlegte Leitung mit dem lokalen Netzknoten zu verbinden. Vielmehr versucht man, mit den folgenden Ansätzen - die in Figur 6.1 illustriert werden - eine möglichst hohe Nutzung der baulichen und apparativen Investitionen zu erreichen:

Vermittlungsknoten

Kunde

Flexibilitätspunkte

lokaler Netzknoten

B

C

Endsystem

HV NT

LT

A

Cabinet

primäres Anschlussnetz

Figur 6.1

(1)

(2)

(3)

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Curb

sekundäres Anschlussnetz

D

peripheres Verteilsnetz

Sternförmig hierarchisch aufgebautes Anschlussnetz

{5021}

Je näher man zum lokalen Netzknoten gelangt, desto mehr wird der Verkehr mehrerer Anschlüsse über das selbe Kabel (mit mehreren Aderpaaren oder Glasfasern) geleitet; im Zentrum eines Anschlussnetzes dient ein Kabeltrassee sogar häufig mehreren Kabeln. Man könnte demnach auch von einer "Raummultiplex-Übertragungstechnik" sprechen. Um einer zunehmenden Zahl der Anschlüsse und Verlagerungen im Verkehrsaufkommen rasch begegnen zu können, werden bewusst Reservekapazitäten angelegt (z.B. in der Form überdimensionierter Kabelkanäle, freier Aderpaare, usw.). Damit die Reservekapazitäten rasch und flexibel alloziert werden können, wird das Anschlussnetz vom lokalen Netzknoten Richtung Peripherie in mehrere Abschnitte aufgeteilt, Intelligente Kommunikationsnetze

Kapitel 6, Seite 2

die über Verteiler untereinander verbunden sind. Diese Verteiler erlauben eine flexible Beschaltung der vorhanden Leitungen und werden daher auch Flexibilitätspunkte (flexibility points) genannt. In der Regel trifft man 2-3 derartige Flexibiliträtspunkte an; dazu kommen oft mehrere feste Kabelverzweigungen in der Form von Spleissungen. Die Ortsnetze der klassischen analogen Telefonie wie auch die ISDN-Ortsnetze haben 1:1 diese baumförmige Struktur. Die Nutzung bestehender Telefonie-Ortsnetze mit digitaler Übertragung (Basisanschluss: 144 kbit/s netto in beiden Übertragungsrichtungen) hat dabei mit dem Problem fertig zu werden, dass die Kabelanlagen seinerzeit nicht für die Übertragung höherfrequenter Signale gebaut wurden: Spleissungen und Übergänge zwischen verschiedenen Aderdurchmessern müssen deshalb als mögliche Stossstellen bei der Übertragung berücksichtigt werden.

6.1.2

Problemstellung

Dem Zugangsnetz kam schon immer eine grosse Bedeutung zu, hat doch die Erfahrung gezeigt, dass ein signifikanter Teil der bei einem Kommunikationsnetz zu tätigenden Investitionen im Anschlussbereich gemacht werden müssen. Der Grund dafür liegt in der Natur der Sache: • Je peripherer die Einrichtungen in einem Nachrichtennetz sind, desto weniger Möglichkeiten zur Mehrfachausnutzung der Übertragungsmedien und der Trassen (Kabelgraben, Kabelkanäle, Rohrleitungen, usw.) bestehen. In unmittelbarer Nähe des Kunden kommt man um benutzerindividuelle und damit in der Regel schlecht ausgenutzte Einrichtungen nicht herum. • Im Gegensatz zu den eigentlichen Endsystemen (Telefone, PCs, Workstations, usw.) und Netzabschlussgeräten - die ebenfalls anschlussindividuell auftreten - handelt es sich bei einem Teil der Einrichtungen des Zugangsnetzes nicht um Massenprodukte: Die baulichen Massnahmen zur Erstellung des Anschlussnetzes müssen sich z.B. den Gegebenheiten des Geländes und der bestehenden Überbauung anpassen. Mit dem Aufkommen neuer Übermittlungstechniken in den regionalen Netzen und im Weitverkehr (z.B. ATM, IP, MPLS), mit dem Trend zu neuen Anwendungen und Diensten (z.B. WWW, Multimedia), miot der Forderung nach erhöhter Mobilität, und schliesslich auch im Zuge der Liberalisierung des Fernmeldewesens, wachsen die Anforderungen an das Zugangsnetz. Dabei möchte man aber bestehende Investitionen in zweierlei Hinsicht noch möglichst lange nutzen: • Es wird angestrebt, vorhandene Übertragungsmedien und die unterliegenden Trassen neu zu nutzen, z.B. mittels neuartiger Übertragungs- und Multiplexverfahren. • Hohe Investitionen sind in der Vergangenheit auch in die Produktion von Nachrichteninhalten (Filme, Video, Audio, Datenbanken, usw.) getätigt worden. Es ist naheliegend, diese über bestehende oder neuartige Nachrichtennetze zugänglich zu machen. Diesen Beweggründen entspricht die heute aktuelle Annäherung der Telekommunikation und der Medienindustrie, mit Konsequenzen für das Anschlussnetz: Man möchte dieses sowohl für die klassische Zweiwegkommunikation (Telefon, Datenkommunikation) wie auch für die Verteilkommunikation nutzen. Ob sich dabei die traditionellen Ortsnetze der Telefonie und ihre moderneren Formen im Zeitalter des ISDN, INTERNET und ggfs. B-ISDN zu solchen Mehrzwecknetzen emanzipieren, oder ob interaktive Telefon- und Datendienste neu auch auf den bestehenden und weiterentwickelten Breitbandverteilnetzen angeboten werden, ist heute noch keineswegs entschieden. Sicher ist, dass beide Ansätze technisch möglich sind, und dass neue Technologien laufend neue Randbedingungen schaffen. Am wahrscheinlichsten ist wohl ein lange dauerndes Nebeneinander verschiedener Techniken.

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Kapitel 6, Seite 3

Wir werden im folgenden Abschnitt auf einige grundsätzliche Alternativen bei der Gestaltung der Anschlussnetze eingehen. Die Abschnitte 6.3 und 6.4 sind dann den beiden eben erwähnten Alternativen (Nutzung des Telefonnetzes bzw. des Kabelfernsehnetzes) gewidmet. Abschliessend werden wir in Abschnitt 6.5 auf neue Netzwerkkonzepte eingehen.

6.2

Systemtechnische Alternativen

6.2.1

Komponenten systemtechnischer Alternativen

Die folgende Systematik zeigt, dass eine riesige Zahl von systemtechnischen Alternativen für den Aufbau von Anschlussnetzen besteht. Zunächst einmal stehen verschiedenste Optionen für die Übertragung zwischen den verschiedenen Flexibilitätspunkten von Figur 6.1 zur Verfügung: • Topologie: Stern bzw. hierarchischer Stern, Bus, Ring • Übertragungsmedien: paarsymmetrische Kabel: unabgeschrimt (UTP) oder abgeschirmt (STP) Koaxialkabel (neu oder Mitbenutzung bestehender Kabelfernsehanlagen) Glasfaser: Multimode oder Monomode; verschiedene Wellenlängen drahtloses Spektrum bestehende Kabel der Energieversorgung (220/380V-Netz) • Modulations-, Codierungs- und Übertragungsverfahren: AM, FM, PM Basisband und Breitband • Multiplex- und Mehrfachzugriffsverfahren: SDM, FDMA, TDMA, CDMA, WDM Wettbewerbsverfahren (contention), Reservationsverfahren • Symmetrische vs. asymmetrische Anschlusstechnik: Wenn neben interaktiven Diensten auch Breitband-Verteildienste angeboten werden, ist es denkbar, in den beiden Übertragungsrichtungen mit verschieden grossen Datenraten zu arbeiten: Vom lokalen Knoten Richtung Kunde (Englisch: downstream) wird eine höhere Rate angeboten (z.B. 2 Mbit/s), während in umgekehrter Richtung (Englisch: upstream) eine tiefere Rate verwendet wird (z.B. 144 kbit/s). Darüber hinaus ist es natürlich denkbar, dass die Flexibilitätspunkte nicht nur reine Verteiler- und ggfs. Multiplexerfunktionen enthalten, sondern Einrichtungen zur Verkehrskonzentration also vorgeschobene Vermittlungseinrichtungen oder Konzentratoren. Als zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Anschlussnetzes stehen damit der Grad der Verkehrskonzentration sowie der Entscheid, ob peripherer Verkehr direkt peripher abgewickelt wird, zur Verfügung. Grundsätzlich geht es darum, ob bestimmte Vermittlungsfunktionen oder gar anwendungsorientierte Funktionen (wie z.B. Web-Caches) in das Anschlussnetz ausgelagert werden sollen. Letztlich stehen wir auch hier wieder vor dem Problem: "welche Intelligenz wird wo im Netz plaziert?".

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Kapitel 6, Seite 4

6.2.2

Optionen, Zusatzfunktionen

Die Gestaltung des Anschlussnetzes kann durchaus durch bestimmte Forderungen wesentlich mitbestimmt werden, wie z.B.: • Fernspeisung: Häufig wird gefordert, dass dem Kunden ein reduziertes Dienstangebot auch bei Ausfall seiner 220/380V-Energieversorgung zur Verfügung steht. Beispielsweise soll beim ISDN mit einem NT2ab-Netzabschlussgerät noch eine ab-Schnittstelle in Betrieb bleiben, damit Arzt, Feuerwehr usw. weiterhin angerufen werden können. Dies ist nur möglich, wenn eine Fernspeisung ab Zentralenbatterie für das Netzabschlussgerät und das Endsystem zur Verfügung steht, in der Regel mit Pufferung durch Akku. Dies zu realisieren kann z.B. bei optischer Übertragung recht schwierig sein! • Verfügbarkeit: Abhängig von der Topologie müssen u.U. spezielle Massnahmen zur Erhöhung der Verfügbarkeit getroffen werden. Zum Beispiel kann bei einem Ring ein zweiter Ring verlegt werden, sodass bei Unterbrüchen vor und nach der Störstelle die beiden Kabel zu neuen Ringen geschlossen werden können. • Sicherheit: Sehr hohe Ansprüche bezüglich Vermeidens unerlaubter Zugriffe könnte z.B. dazu führen, dass Lösungen vom LAN-Typ (shared medium mit broadcast-Funktionalität) zum voraus ausgeschlossen werden. 6.2.3

Bewertung

Die Evaluation verschiedener Alternativen wird sich u.a. an den folgenden Beurteilungspunkten orientieren: Reichweite; Fläche des von einem lokalen Netzknoten aus erschliessbaren Bereichs Unterstützung der Mobilität der Benutzer Investitionskosten Lebensdauerkosten, unter Berücksichtigung differenzierter Abschreibungsdauern (z.B. lange Abschreibungsdauer für Kabelkanäle, kurze Abschreibungsdauer für elektronische Einrichtungen). Damit verbunden ist auch die sogenannte "payback period", also die Zeitspanne, die notwendig ist, um dank Nettoeinnahmen die getätigten Investitionen zurückzuzahlen. Flexibilität beim Ausbau des Netzes (neue Anschlüsse, grössere Verkehrskapazität) oder bei Einführung neuer Funktionen. Sicherheit: Schutz vor unerlaubtem Zugriff. Verfügbarkeit. Betriebsaufwand (Rekonfigurationen, Störungssuche und -behebung, usw.).

6.3

Verwendung der bestehenden Telefon- bzw. ISDN-Ortskabelnetze

Die Ausnutzung bestehender paarsymmetrischer Kabelnetze für ISDN-Basisanschlüsse kann heute als etablierte Technik betrachtet werden. Es hat sich nun in den letzten Jahren gezeigt, dass abhängig von der Übertragungsdistanz - die bestehenden paarsymmetrischen Kabel sehr wohl bei höheren Bitraten betrieben werden können. Im Sinne einer "Faustformel" soll mit Figur 6.2 im voraus aufgezeigt werden, welche Bitraten etwa auf solchen Leitungen möglich sind.

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Kapitel 6, Seite 5

Bitrate 150 Mbit/s

5 Mbit/s

150 kbit/s

100 m

Figur 6.2

1 km

10 km

Distanz

Übertragungskapazität typischer paarsymmetrischer Kabel

{5022}

Damit werden grundsätzlich die folgenden Lösungen möglich: • ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line In Richtung Endsystem werden z.B. Bitraten im Bereich von insgesamt 6.5 ... 8 Mbit/s verwendet, während "upstream" mit Geschwindigkeiten im Bereich von 144 ... 640 kbit/s gearbeitet wird (es handelt sich hier um die Summenbitraten für mehrere Teilkanäle). Diese Lösung kann für die überwiegende Zahl der existierenden Teilnehmerleitungen von deren Länge her gesehen verwendet werden. • HDSL: High Bitrate Digital Subscriber Line, VDSL: Very high Bitrate Digital Subscriber Line HDSL und VDSL sind Konzepte für symmetrische Anschlussleitungen mit Bitraten bis zu 155 Mbit/s. Wie Figur 6.2 impliziert, ist es aber in diesem Fall in der Regel nicht mehr möglich, die bestehenden Leitungen vom lokalen Knoten bis zum Hausanschluss durchgehend zu verwenden (A bis D in Figur 6.1); vielmehr ist es notwendig von A bis B (bei tieferen Bitraten) oder sogar von A bis C neue physische Medien einzulegen und darauf multiplexierte Übertragungssysteme zu betreiben. Im Vordergrund stehen z.B. SDHorientierte Lösungen auf Glasfasern, sodass an den Flexibilitätspunkten B und C nicht nur passive Verteiler, sondern aktive elektronische Einrichtungen zu stehen kommen. Es werden auch Lösungen erwogen, bei denen der Datenstrom auf mehrere Aderpaare verteilt wird. Figur 6.3 illustriert diese beiden Lösungen anhand von Beispielen. Die Wahl der Bitraten und geeigneter Übertragungsverfahren hängt in beiden Fällen von den folgenden Gesichtspunkten ab: (1) Statistische Verteilung der Länge der Anschlussleitungen (2) Übertragungstechnische Eigenschaften und Randbedingungen, d.h.: • Dämpfung • Nahend- und Fernend-Nebensprechen gleichartiger Systeme (engl.: NEXT = Near End Crosstalk bzw. FEXT = Far End Crosstalk) • Nahend- und Fernend-Nebensprechen von andersartigen, aber auf dem gleichen Kabel betriebenen Systemen • Externe Störungen (EMC) (3) Anzahl der für einen Teilnehmeranschluss verwendeten Aderpaare und Art des Betriebs (unidirektionale oder bidirektionale Übertragung) auf diesen Aderpaaren. In den Normierungsgremien werden unter anderem Lösungen mit Doppel- oder DreifachDuplexbetrieb diskutiert.

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Kapitel 6, Seite 6

ADSL

HDSL, VDSL

upstream

downstream

Netz

Kunde Steuerung und Signalisierung 64 kbit/s-Kanäle Breitbandkanäle

Figur 6.3

Illustrationen zu ADSL und HDSL/VDSL

{5023}

(4)

Ist eine Koexistenz mit andersartigen Systemen auf dem gleichen physischen Medium verlangt? (in erster Linie bestehende analoge Telefonie; berücksichtigt werden müssten aber auch Systeme wie z.B. zur Übertragung von Gebührenmelder-Impulsen u.ä.). Eine Darstellung der Situation zu den Punkten (1) und (2) findet sich zum Beispiel für die USA in [6.1], für Deutschland in [6.2] und für die Schweiz in [6.3]. Der Publikation [6.2] kann u.a. entnommen werden, dass ca. 1/3 aller Anschlussleitungen kürzer als 1 km sind, 2/3 kürzer als 2 km und 90% kürzer als 4 km. Das Heft [6.2] enthält ausserdem eine Diskussion der verschiedenen Alternativen für die Übertragung auf den bestehenden paarsymmetrischen Kabeln, die sich etwa wie folgt präsentieren: • Basisbandverfahren mit den beiden folgenden Typen: Redundanzfreie Leitungscodes: Es werden gleich grosse Blöcke von n aufeinanderfolgenden Bits als m-stufige Signale (Pulse) dargestellt, mit m = 2n. Der Leitungscode mit n=2 und m=4 wird beispielsweise als 2B1Q-Code bezeichnet. Redundante Leitungscodes: Es wird ebenfalls von Blöcken von jeweilen n Bits ausgegangen. Jeder derartige Block wird nun aber in eine Gruppe von N m-stufigen Signalen mit m≥2 umgewandelt. Dabei wird die Menge der möglichen Gruppen - also mN - auf jeden Fall grösser als die Menge der an sich erforderlichen Gruppen - nämlich 2n - gewählt: mN > 2n. Die entsprechende Redundanz kann derart ausgenutzt werden, dass das Leitungssignal besondere spektrale Eigenschaften aufweist. Ein besonders einfaches - allerdings für die Anschlussnetze nicht relevantes - Verfahren findet sich in der Form der sog. Dipulsübertragung, einem 1B2B-Code mit der Codierungsvorschrift 0 → -1+1, 1 → +1-6. Wie man leicht erkennen kann, ist der resultierende Übertragungscode gleichstromfrei, und dazu weist er ein hohes Mass an Taktinformation auf (ein Nulldurchgang nach spätestens zwei Schritten). •

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Bandpass-Übertragungsverfahren, wobei wie folgt unterschieden wird:

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Kapitel 6, Seite 7

-

Einträgerverfahren: Es wird ein Trägersignal mit einem Symbolstrom moduliert. Am verbreitetsten ist die Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM), bei der zwei orthogonale (Sinus, Cosinus) Träger mit gleicher Frequenz verwendet werden. Mehrträgerverfahren: Der Übertragungskanal wird in mehrere Teilkanäle aufgeteilt. Diese können maximal genutzt werden, wenn für jeden Kanal die dem jeweiligen Störpegel optimal entsprechende Stufenzahl für die im allgemeinen mehrwertigen Signale gewählt wird. Im Englischen bezeichnet man heute die Mehrträgerverfahren mit Discrete Multitone (DMT) Systems. Selbstverständlich werden bei all diesen Techniken moderne Verfahren für die adaptive Entzerrung, die Detektion sowie die Störungsprädiktion und Fehlerkorrektur (Trellis-Modulation) eingesetzt (siehe z.B. [6.2] für eine Übersicht). Es verbleibt noch, kurz auf die Technik für das primäre und ggfs. sekundäre Anschlussnetz (siehe Figur 6.1) bei HDSL und VDSL-Anschlüssen einzugehen. Im Vordergrund steht hier der Einsatz optischer Übertragungssysteme; man spricht deshalb im Englischen auch von FITL = Fibre-in the-Loop. Abhängig von der Ausdehnung dieser Technik spricht man von einem FTTCa = Fibreto-the-Cabinet - System (primäres Anschlussnetz) oder einem FTTC = Fibre-to-the-Curb System (primäres und sekundäres Anschlussnetz). Naheliegend ist dabei die Verwendung von SDH-orientierten Multiplexstrukturen. Die Technik all dieser Verfahren und die unterliegenden Technologien (VLSI, Optik!) befinden sich noch immer in rascher Entwicklung, sodass wir hier auf die Beschreibung konkreter Implementationen verzichten. Neuere Entwicklungen sind u.a. im Themenheft [6.4] und im Artikel [6.5] beschrieben worden, und Publikationen zu Produkten und Pilotversuchen finden sich z.B. in [6.6] und [6.7]. Trotz der raschen Entwicklung werden aber auch Versuche unternommen, bestimmte Verfahren zu standardisieren. So hat das ANSI (American National Standards Institute) ein DMT-Verfahren für ADSL gewählt, und ein quaternäres Basisbandverfahren für HDSL. Ähnliche Normierungsarbeiten laufen auch beim ETSI (European Telecommunications Standards Institute).

6.4

Verwendung der bestehenden Breitband-Verteilnetze

Neben der Nutzung der riesigen Investitionen in die bestehenden Telefonieanschlussnetze - wie sie in 6.3 beschrieben wurden - drängt sich auch auf, die Verwendung bestehender FernsehVerteilnetze zu studieren. Allerdings weisen diese in ihrer klassischen Form eine reine Verzweigungstopologie auf, und die eingesetzten Breitbandverstärker wurden über mehrere Jahrzehnte nur für die "downstream"-Übertragungsrichtung gebaut. Figur 6.4 zeigt z.B. den typischen Aufbau eines solchen Netzes in Deutschland [6.8], wo (im Gegensatz zu andern Ländern) weitgehend einheitliche Strukturen anzutreffen sind. Ohne weitreichende Änderungen an diesem Netz ist eine neue Nutzung kaum zu realisieren. Wir haben uns mit folgenden Problemkreisen auseinanderzusetzen: (1) Wenn möglich sollte, mindestens für eine gewisse Zeitspanne, die "klassische" analoge Verteilung von Fernsehkanälen aufrecht erhalten werden. Wir müssen also die dafür belegten Bänder gemäss Figur 6.5 respektieren.

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Kapitel 6, Seite 8

benutzerseitige Verstärkerstelle

A - Kabelline

B - Vr

B-Verstärker

A-Verstärker

von der Kopfstation A-Verstärker B - Kabellinien weitere A-Linien Netzebene 4

C-Verstärker

ÜP

ÜP

ÜP ÜP

B-Verstärker C - Kabellinie

ÜP

ÜP D - Kabellinie

ÜP

ÜP ÜP

Figur 6.4

Typisches Fernseh-Verteilnetz (ÜP = Übergabepunkt)

TVDaten Rückkanal Band I

6,8-9,6

16 23 47

68

Band II

erweiterter Sonderkanalbereich

Band III unterer

oberer

Sonderkanalbereich

Sonderkanalbereich 302

87,5 108 111

174

230

446 MHz

300

7 MHz

Figur 6.5

{5016}

Beispiel einer Kanalbelegung in Fernseh-Verteilnetzen

8MHz

{5016}

(2)

Für Applikationen vom Typ "Video on Demand" sollte jeder Kunde über einen individuellen Breitbandkanal in Vorwärtsrichtung (downstream) verfügen können. Wie Studien zeigen (siehe z.B. [6.8]), ist aber der Platz für zusätzliche Kanäle beschränkt - deren Zahl liegt z.B. unter gewissen Annahmen zwischen 90 und 360. Dies ist selbstverständlich für grössere Netze völlig ungenügend. (3) Schwierigkeiten macht auch die Unterbringung von Rückwärtskanälen (upstream), und zwar aus folgenden Gründen [6.8, 6.9]: Verstärker müssen umgebaut werden Es müssen geeignete Multiplex- oder Mehrfachzugriffsverfahren definiert werden Akkumulation von Rauschen in Richtung Kopfstation (sog. ingress noise). Grundsätzlich sucht man diesen Problemen wie folgt zu begegnen: • Ersatz der Kopfstations- nahen Teile des Anschlussnetzes durch optische Übertragungssysteme, ähnlich wie bei den im vorigen Abschnitt vorgestellten HDSL- und

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ADSL-Konzepten. Das Netz entwickelt sich damit zu einem sog. HFC- (Hybrid Fibre Coax) System. • Definition geeigneter Mehrfachzugriffsverfahren (TDMA, FDMA, CDMA) für den peripheren Teil des Netzes. Wir verweisen für eine detaillierte Diskussion verschiedener Alternativen auf die bereits erwähnte Studien [6.8, 6.9].

6.5

Weitere Netzwerkkonzepte

6.5.1

Drahtlose "letzte Meile"

Als Schlagwort wird für derartige Systeme der Begriff RITL (Radio in the Loop) verwendet, wobei in der Regel aber nur der periphere Teil des Anschlussnetzes abgedeckt wird. Die vorgeschobenen Sender/Empfänger- bzw. Antennenstandorte werden über Kupfer- oder Glasfaserkabel erschlossen. Im Vordergrund stehen gegenwärtig Lösungen, die sich auf den DECT-Standard (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) abstützen [6.10]. Allerdings sieht der DECT-Standard gegenwärtig nur eine Übertragungsrate von 32 kbit/s vor, sodass Erweiterungen notwendig sind, wenn auch ISDN-Basisanschlüsse auf diese Weise angeboten werden sollen. Selbstverständlich kann das leitergebundene Ortsnetz völlig umgangen werden durch den Einsatz von Mobilkommunikationssystemen wie GSM [6.15] oder UMTS [6.16]. 6.5.2

Homogene optische Netze

Homogene optische Netze - also mit optischer Übertragung bis zum Netzabschlussgerät (FTTH = Fibre to the Home, FTTB = Fibre to the Building) können vorläufig wegen der riesigen Investitionen nicht wirtschaftlich gebaut werden. Mögliche Techniken finden sich z.B. in [6.11] beschrieben. 6.5.3

Verwendung des Energieverteilnetzes

Die Verwendung des Niederspannungsnetzes ist auch unter dem Begriff Powerline Communication bekannt. Der äusserst kritischen Störumgebung und der variierenden Kanalcharakteristiken wegen kommen nur bestimmte Übertragungsverfahren in Frage, z.B. CDMA oder DMT. Zu den auf diesem Gebiet führenden Firmen gehört auch die schweizerische Ascom [6.17], welche gegenwärtig in einer Reihe von Feldversuchen Produkte testet. Bei diesem System werden die Teile "Outdoor" (letzte Meile) und "Indoor" unterschieden. Als Modulationsverfahren wird DSSSM (Direct Sequence Spread Spectrum Modulation) verwendet. Je Träger kann bei der Outdoor-Variante eine Bitrate von 1,5 Mbit/s realisiert werden; es sind 3 Träger möglich.

6.6

Vergleich verschiedener Konzepte

Im Rahmen von europäischen Forschungsprojekten sind eingehende Wirtschaftlichkeitsvergleiche für verschiedene Lösungen angestellt worden [6.12, 6.13. Auffallend sind die Unterschiede je nach Annahmen und Randbedingungen - z.B. spielt es eine grosse Rolle, ob auch die Baukosten berücksichtigt werden, und erhebliche Unterschiede bestehen für verschiedene Teilnehmerdichten und vor allem bezüglich Einschätzung der künftigen Entwicklung neuer Dienste. Figur 6.6 zeigt

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Kapitel 6, Seite 10

stellvertretend das Ergebnis einer derartigen Studie. Mögliche Entwicklungsszenarien werden auch in [6.14] vorgestellt.

Kostenaufteilung, normalisiert

1.6 1.4

OAM Optics Electronics Infrastructure

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Overlaid FTTB and HFC

Figur 6.6

HFC

FTTB

FTTH

Typisches Ergebnis einer Ortsnetz-Vergleichsstudie

Fazit: Es ist nicht möglich, generelle Aussagen über die beste Anschlusstechnik zu machen! Bei Vergleichen müssen die Randbedingungen klar definiert werden, und das Ergebnis kann sehr stark von bestimmten wirtschaftlichen Vorgaben, aber auch vom momentanen technologischen Stand abhangen.

6.7

Literaturhinweise

[6.1]

Ahamed S.V., Gruber P.L., Werner J.-J.: Digital Subscriber Line (HDSL and ADSL) Capacity of the Outside Loop Plant. IEEE J. on Selected Areas in Communications 13(1995)9, December 1995, pp. 1540-1549. Wellhausen H.-W., Heuser S.: Effiziente Nutzung vorhandener KupferOrtsanschlussleitungsnetze. Der Fernmeldeingenieur 47(1993)8+9, S. 1-70. Interner Bericht der Telecom PTT. Stephens W.E., Samueli H., Cherubini G. (Guest Editors): Copper Wire Access Technologies for High Performance Networks. IEEE J. on Selected Areas in Communications 13(1995)9, December 1995. Kyees P.J., McConnell R.C., Sistanzadeh K.: ADSL: A New Twisted-Pair Access to the Information Highway. IEEE Communications Magazine 33(1995)4, pp. 52-59. Versch. Autoren: Access: Delivering a World of Opportunities. Alcatel Telecommunications Review 3rd Q. 1996. Erzer R. u.a.: Transportwege für attraktive Dienstangebote zu den Kunden. Entwicklungsperspektiven der Anschlussnetze. ComTec 75(1997)2, S. 22-43. Hessenmüller H. u.a.: Zugangsnetzstrukturen für interaktive Videodienste. Teil1: Der Fernmeldeingenieur 48(1994)8, August 1994. Teil 2: Der Fernmeldeingenieur 48(1994)9, September 1994.

[6.2] [6.3] [6.4]

[6.5] [6.6] [6.7] [6.8]

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[6.9]

[6.10] [6.11] [6.12] [6.13] [6.14] [6.15] [6.16] [6.17]

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Eldering C.A., Himayat N., Gardner F.M.: CATV Return Path Characterization for Reliable Communications. IEEE Communications Magazine 33(1995)8, August 1995, pp. 62-69. Schilling M.: Drahtlos und kostengünstig zum Kunden. Planung von drahtlosen Anschlussnetzen in DECT-Technologie. ComTec 75(1997)2, S. 44-53. Brosio A. u.a.: Overview of Full Services Access Networks. CSELT Reports 24(1996)5, pp. 745-7756. Ferrero U. u.a.: Access network alternatives from RACE 2087/TITAN. CSELT Reports 22(1994)6, pp. 773-787. Luvison A., Napolitano A., Roso G.: Access network evolution: services and techniques. CSELT Reports 24(1996)2, pp. 179-193. Pugh W., Boyer G.: Broadband Access: Comparing Alternatives. IEEE Communications Magazine 33(1995)8, August 1995, pp. 34-46. Eberspächer J., Vögel H.-J.: GSM Switching, Services and Protocols. J.Wiley&Sons, Chichester, 1999. Berutto E. u.a.: Research Activities on UMTS Radio Interface, Network Architectures, and Planning. IEEE Comm. Mag. 36(1998)2, S. 82-96. Siehe z.B.: http://www.ascom.com/apps/WebObjects/ecore.woa/de/showNode/ siteNodeID_ 27992_contentID_125858_languageID_1.html

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7

Konvergenz der Netze

Literaturhinweise [7.1]

[7.2] [7.3] [7.4]

MIT Internet and Telecoms Convergence Consortium: http://itel.mit.edu/. Siehe dazu insbesondere folgenden Aufsatz: Clark D.D., Blumenthal M.S.: Rethinking the design of the Internet: The end to end arguments vs. the brave new world. Cattermole K.W..: Principles of Pulse Code Modulation. Iliffe Books Ltd., London, 1969.Communications Magazine Special Issue: Global Network Evolution: Convergence IEEE or Collision. IEEE Comm. Mag. 36(1998)1. Kalevi Kilkki: Diffrentiated Services for the Internet. Macmillan Technical Publishing, Indianopolis, 1999.

State of the Art Berichte zu verschiedenen Themen der aktuellen Entwicklung: IEEE J. on Selected Areas in Communication.

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