Wo stößt die Netztechnologie des Internet an ihre Grenzen?

Hoogendoorn: Das Internet ist in seiner heutigen Beschaffenheit ein Best-Effort-Netz. Es ist darauf ausgerichtet, Datenpakete möglichst schnell zu übertragen, gewährleistet jedoch nicht, dass die Daten auch an der Zieladresse ankommen. Bei Engpässen im Netz werden Datenpakete nicht übertragen, während der Netzknoten funktionsfähig bleibt. Fällt eine Verbindung im IP-Netz aus, gehen Datenpakete so lange verloren, bis die Routing-Protokolle neue Wege gefunden haben, um sie an die jeweiligen Zieladressen weiterzuleiten. End-to-End-Protokolle wie etwa TCP helfen mittlerweile, einen solchen Verlust zu vermeiden, indem sie die Übertragung verlorener Pakete wiederholen. Dieses einfache und robuste Verhalten hat das Internet zu einer erfolgreichen Technologie für verbindungslose Dienste gemacht. Bei verbindungsorientierten Echtzeitanwendungen, wie Sprach- oder Video-Daten, führt Paketverlust jedoch zu deutlich wahrnehmbaren Qualitätseinbußen oder sogar zum kompletten Ausfall des Dienstes. Den Datenversand zu einem späteren Zeitpunkt zu wiederholen, ist hier natürlich keine gangbare Lösung.

Welche Visionen existieren heute, diese technischen Barrieren zu überwinden, und an welchen Lösungen von morgen wird derzeit weltweit gearbeitet?

Hoogendoorn: Die aktuelle Situation lässt sich mit einer Reihe von Techniken verbessern. Einige davon sind bereits verfügbar, andere werden in Kürze in die Netzinfrastruktur integriert sein. Um beispielsweise Dienstgüte (Quality of Service, QoS) bereitstellen zu können, kann anhand von Prioritäten entschieden werden, welche Datenpakete bei einem Engpass als erste verworfen werden sollen. Auf diesem Prinzip beruht DiffServ (Differentiated Services). Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Multi Protocol Label Switching (MPLS). Mit dieser Technologie wird ein reservierter Pfad von der Start- bis zur Zieladresse zur Verfügung gestellt. Das ist natürlich noch keine Garantie für QoS, aber zumindest ist nur noch sicherzustellen, dass das Verkehrsangebot zu einem speziellen Ziel nicht die dorthin reservierte Kapazität überschreitet. Dennoch, die Anzahl der Pfade zu einem Ziel und der damit verbundene Konfigurationsaufwand steigt proportional mit der Anzahl der verbundenen Quellen im Netz.

Abgesehen von der Dienstgüte muss auch gewährleistet sein, dass Ausfälle schneller erkannt und behoben werden. Derzeit berät die Internet Engineering Task Force (IETF), das Standardisierungsgremium für das Internet, über das “Protocol Liveliness Protocol” – ein Protokoll, das dazu in der Lage sein wird, einen Linkausfall innerhalb einiger Hunderstel Sekunden zu erkennen. Zusätzlich ist noch eine schnelle Reaktion notwendig, um den Ausfall zu überbrücken. Doch die Reaktionsgeschwindigkeit von Routing-Protokollen wie etwa OSPF ist begrenzt. Daher sind neue Techniken für eine lokale Reaktion bei Ausfällen gefragt. Bestehende Techniken wie etwa Equal Cost MultiPath (ECMP) oder MPLS fast reroute ermöglichen es zwar, den Datenfluss rasch auf die restlichen, noch verfügbaren Verbindungen umzuleiten. Diese Techniken erfordern jedoch ein komplexes Engineering, damit alle Ausfälle im Netz behandelt werden können und beim Ausfall einer Verbindung genügend Kapazitäten auf alternativen Wegen verfügbar sind.

Wodurch wird das “Internet der nächsten Generation” geprägt sein?

Hoogendoorn: Meine Vision ist ein universelles Netz, das in der Lage sein wird, alle Dienste anzubieten. Diese Dienste reichen von anspruchsvollen Echtzeitkommunikationsdiensten, die eine sehr hohe Bandbreite benötigen, bis hin zu Best-Effort-Diensten ohne Garantien. Es gibt mehrere Gründe, die für ein solch universelles Netz und damit gegen mehrere Einzelnetze sprechen. Ein wichtiger Grund ist die Kosteneinsparung, die sich aus der gemeinsamen Nutzung von Netzkapazität durch eine Vielzahl von Diensten ergibt. Wird etwa die Kapazität des Netzes zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht für hoch-qualitative Dienste benötigt, steht sie automatisch den Best-Effort-Diensten zur Verfügung. Wer darüber hinaus alle grundlegenden Dienste in ein und demselben Netz bereitstellt, sorgt für Flexibilität – denn wer kann heute schon sagen, welche Kombinationen von Diensten bei künftigen Anwendungen gefragt sein werden. Zuletzt sind bei nur einem universellen Netz die Betriebskosten niedriger.

Welchen Ansatz verfolgt Siemens zu diesem Zweck im KING-Projekt?

Hoogendoorn: Unser Ansatz beruht auf den grundlegenden Prinzipien der verbindungslosen Paketvermittlung. Schließlich sind vor allem die Einfachheit und Robustheit dieser Prinzipien für den überwältigenden Erfolg heutiger IP-Netze verantwortlich. Das bedeutet, dass wir keine Lösungen verfolgen, die eine Überlagerung einer Pfadstruktur mit dem verbindungslosen Netz erfordern. Zu den Elementen unseres Lösungsansatzes gehören Verkehrsverteilung und eine Mehrfach-Leitwegbestimung (Multipath-Routing), die im Gegensatz zu ECMP auch Pfade zulässt, die unterschiedliche Längencharakteristiken besitzen. Diese Wahl ermöglicht es, einzelne Ausfälle rasch zu erkennen und lokal zu beheben. Außerdem untersuchen wir die Regeln für das Engineering solcher Netze, beispielsweise um die Verkehrsverteilungsgewichte (traffic distribution weights) oder die Budgets für die Steuerung des Netzzugangs festzulegen. Es ist unser Ziel, diese Aufgaben größtenteils zu automatisieren, um damit die Netzbetreiber von mühsamen und kostspieligen Arbeiten zu entlasten.

Wer ist an dem Projekt beteiligt?

Hoogendoorn: Siemens ist gemeinsam mit folgenden fünf deutschen Hochschulen und zwei Fraunhofer-Instituten an dem Projekt beteiligt: Der Universität Essen, der Universität Karlsruhe, der Technischen Universität München, der Universität Stuttgart, der Universität Würzburg, dem Fraunhofer Institut ESK in München und dem Fraunhofer Institut FOKUS in Berlin.

Wie soll die Lösung einmal aussehen?

Hoogendoorn: Wir wollen keine spezifische Siemens-Lösung entwickeln. Vielmehr arbeiten wir an einer Lösung für Carrier-grade Netze der nächste Generation, die in der gesamten Telekommunikationsindustrie auf große Akzeptanz stoßen soll. Aus diesem Grund werden wir die Ergebnisse unserer Arbeit dazu verwenden, die Industriestandards in diese Richtung zu lenken. Die Lösung, die wir anstreben, umfasst drei Schlüsselelemente: Erstens ein zustandsloses IP-Kernnetz mit Verkehrsverteilung und Multipath-Routing, zweitens für hoch-qualitativen Verkehr eine Ressourcenverwaltung, die nur am Rande des Kernnetzes stattfindet, und drittens eine autonome Netzsteuerung.

Wie funktioniert die autonome Netzsteuerung?

Hoogendoorn: Unter der autonomen Netzsteuerung verstehen wir einen Server zur Netzsteuerung, den Network Control Server (NCS). Der NCS kennt die Netzwerktopologie und die Mehrweg-Routen, er holt sich statistische Informationen zum Netzverkehr, beispielsweise die Auslastung der einzelnen Verbindungen, aus dem Netz. Diese Informationen werden in regelmäßigen Abständen, etwa alle 5 bis 15 Minuten, ausgewertet, um daraus jeweils Verkehrsverteilungsgewichte und die Parameter der Zugangsteuerung für einen effizienten Netzbetrieb zu bestimmen., Diese Gewichte und Parameter werden so berechnet, dass auch mögliche Ausfälle berücksichtigt werden. Man könnte sagen, dieser Server fungiert als eine Art Steuereinheit für die automatisierte Verkehrsregelung und Netzverwaltung.

Wie ist der derzeitige Stand Ihrer Forschung?

Hoogendoorn: Wir haben große Fortschritte bei der Analyse der Grundkonzepte gemacht. Es wurden beispielsweise effiziente Algorithmen für schleifenfreies Multipath-Routing sowie Formeln für die Berechnung der Zugangssteuerung und der Verkehrsverteilung entwickelt. Gleichzeitig führen wir im Rahmen erster Demos einige KING-Prinzipien vor. Im Rahmen dieser Präsentationen werden heutige Router- und Netzwerktechnik verwendet. Auch wenn hier noch nicht alle Aspekte unseres Lösungsansatzes berücksichtigt werden konnten, ist es uns doch gelungen, den Nutzen des KING-Konzepts unter Beweis zu stellen. Übrigens wurde das Konzept kürzlich auch auf der CEBIT 2003 vorgestellt. Das Projekt befindet sich nun im zweiten Jahr – unser Hauptaugenmerk richtet sich aktuell auf Aspekte der Implementierung, wie der des Network Control Server. Gleichzeitig entwickeln wir die theoretischen Grundlagen unserer Arbeit weiter.

Welche Vorteile bringt KING in Bezug auf Schnelligkeit, Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit?

Hoogendoorn: Die Ergebnisse aus KING werden Carrier-grade Netze auf effektive Art und Weise unterstützen. Dies bedeutet zusammenfassend Quality of Service für hochwertige Dienste verbunden mit Ausfallsicherheit, effizienter Zuteilung der Netzressourcen sowie verringerten Betriebskosten. Alles in allem ist das der Schlüssel, das Potenzial der Netze der nächsten Generation voll auszuschöpfen.

Was ist Ihr persönliches Motto?

Hoogendoorn: Immer nach vorne schauen. Aus der Vergangenheit lernen, dort aber nicht verweilen.