Sicheres IP-Mediennetzwerk ohne Paketverluste

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Autor: Norbert Bolewski

 


Der Mediendatenverkehr stellt völlig andere Anforderungen an Netzwerke als herkömmliche IT. Traditionelle IP/Ethernet-Technik wird diesen Anforderungen im Medienumfeld nicht gerecht. Am 27. Januar 2015 stellte Xavier Rouschop von der belgischen Firma SDNsquare NV vor der FKTG-Regionalgruppe Leipzig nun ein nach seinen Worten perfektes Mediennetzwerk vor, das die Lösung zur Berechenbarkeit und Realisierung auch kritischer Medienflows bietet.

Xavier Rouschop, Sales Director SDNsquare, Gent, Belgien, bei seinem Referat „Berechenbarkeit von Produktionsnetzwerken“ am 27. Januar 2015 vor der FKTG-Regionalgruppe Leipzig (Foto: N. Bolewski)

Heutige Anforderungen an ein Mediennetzwerk

Kann man die heutigen Anforderungen im Medienbereich über klassische IP-Netze erfüllen? Tatsächlich wachsen im Medienbereich die Dateigrößen, demzufolge auch die Speichermengen, und das Netz wird unübersichtlich und nimmt beträchtliche Ausmaße an. In der Zukunft, wenn wir mit 4K und später sogar mit 8K aufzeichnen, wachsen die Bandbreiten und die zu steuernden Datenmengen, zum Beispiel bei 4K um das 16-fache gegenüber dem heutigen HD-Betrieb. Wachstum bedeutet vor allem auch mehr Komplexität.

Bild 1 zeigt die heutigen Netzwerke in einer Rundfunkanstalt. Die Anforderungen der einzelnen Netzwerktypen sind dabei sehr unterschiedlich: verlustfrei oder synchron ohne Latenz oder zeitkritische Quality auf Service oder Best Effort und anderes mehr. Anforderungen und die Netzstruktur passen oft nicht zusammen.

 

Bild 1. Typische Netzwerke in einer Rundfunkanstalt und deren unterschiedlichen Anforderungen

Bild 1. Typische Netzwerke in einer Rundfunkanstalt und deren unterschiedlichen Anforderungen

Mediendaten sind keine Office-Daten

Mediendaten unterscheiden sich von Office- Daten deutlich, denn mehrere Server kommunizieren untereinander, es erfolgt ein Austausch von denselben Daten mit demselben Ziel und es muss auf den Empfangsservern Speicherplatz vorgehalten werden, der nicht immer erforderlich ist. Typisch sind Geschwindigkeitsfehlanpassungen. So tauscht ein 10-Gbit/s-Server beispielsweise Medien mit einem 1-Gbit/s-Client aus, was einem Geschwindigkeits-Missverhältnis von 10:1 entspricht.

Ist IP/Ethernet wirklich immer besser? Ja, in den meisten Bereichen, aber immer dann, wenn große zeitlich sensible Datenmengen stoßweise durch das Netz geführt werden müssen, wird es schwierig. Mit der heutigen IP-Struktur Filetransfer oder gar 4K-Editing oder HiRes-Transcoding realisieren zu wollen, ist überhaupt nicht möglich.

Wäre Überversorgung die Lösung?

Für das Hinzufügen von Kapazitäten und Bandbreiten wären kontinuierlich steigende Investitionskosten für das Netzwerk, für Speicher und Server nötig, und es ergäbe sich eine sehr ineffiziente Nutzung von Ressourcen. Die Überversorgung ist keine Lösung für die geforderte Leistung, Zuverlässigkeit und Berechenbarkeit einer Netzwerkinfrastruktur für das Medienumfeld.

Selbst bei einer Überversorgung gibt es keine Vorhersagemöglichkeit, also keine Predictability, wie sich das Netz verhalten wird. Man wählt für die Berechnung typischerweise die Summe der durchschnittlichen Bandbreiten, was nicht korrekt ist. Es gibt manchmal Mikrobursts, die das Signal verfälschen. Es gibt Delays und zusätzlich Latenz. Alles das führt dazu, dass die Übertragung verlangsamt wird, es möglicherweise zu Paketverlusten führt und zu anderen Problemen.

Quality of Service

Mit der IP-Technik gibt es nach den Ausführungen des Referenten nur dann eine Quality of Service wenn man diesen Geltungsbereich auf den gesamten End-to-End-Flow, also von der Quelle bis zur Senke, ausweitet und alle (!) Switches mit einbezieht.

Software Defined Networking

Software Defined Networking (SDN) ist ein neuer Ansatz zum Design, Konfigurieren und dem Management von Netzwerken von SDNsquare. Er bietet virtualisiert einen zentralen Überblick über das gesamte Netzwerk, und Applikationen können dabei direkt auf dem Netzwerk ausgeführt werden. Die Grundidee ist eigentlich, dass man alle Intelligenz aus den Switches heraus zieht und alles extern über die Software steuert. Bild 2 zeigt den Ansatz dafür. Es entscheiden also nicht mehr Switches und Router sondern allein die Kontroll-Software.

Bild 2. Software Defined Network für Medien

Bild 2. Software Defined Network für Medien

Ziel ist Berechenbarkeit

Diese Überlegung ist nicht so ganz neu. Die Lösung von  SDNsquare geht aber darüber hinaus noch einen Schritt weiter. Ziel ist dabei die Berechenbarkeit, also bereits vorher sagen zu können, was wo wann im Netz läuft bzw. laufen soll. Die Applikation entscheidet dann und sorgt für eine garantierte Bereitstellung der erforderlichen Bandbreite und eine effiziente Bandbreitennutzung. Mit dieser Methode lässt sich ein Netzwerk sogar ganz ohne Paketverlust realisieren, denn es wird selbsttätig eine intelligente Lastverteilung über alle vorhandenen Wege vorgenommen. Die Skalierbarkeit ist steuerbar, sodass man auch bereits vorher beurteilen kann, ob ein gewünschter Netzpfad zu dem gewünschten Zeitpunkt zur Verfügung steht oder nicht. Und es lassen sich durch die softwaregesteuerte Lösung auch Interferenzen zwischen den verschiedenen Datenströmen vermeiden.

Der perfekte Pfad

Die Doppelfunktion der SDN-Anwendung für Medien bietet die Möglichkeit einer Auswahl des perfekten Pfades, denn alle physikalisch verfügbaren Pfade sind in der Verwaltung, es erfolgt die Auswahl der richtigen Warteschlange und die intelligente Lastverteilung. Vor allem aber, und dass ist der schwierigere Teil, lässt sich so eine 100-prozentige Quality of Service von der Quelle bis zur Senke bereitstellen und den erforderlichen Datendurchsatz ständig garantieren. Die Kontrolle über eine mögliche Geschwindigkeitsfehlanpassung und über Subskription (gewissermaßen das Vorhalten einer passenden Pfad-Bereitstellung) wird durch ein sogenanntes Bitmap-Shaping realisiert, das der Referent als einzigartig bezeichnete.

Standardisierte Konzepte als Basis

Die von SDNsquare als SDN2-Technik bezeichnete Lösung basiert auf standardisierten Konzepten für den Quality of Service von IP/Ethernet. Bild 3 zeigt die Standards. Durch eine Kombination aller dieser Standards kann 100 % Quality of Service erreicht werden. Die Clients werden zum Beispiel über eine bildlich gesprochen Rot-Grün-Ampel gesteuert, basierend auf dem Standard IEEE 802.3. Tritt also ein Problem auf, so wird nur der eine Client gestoppt, ohne dass das gesamte Netz oder größere Teile davon dadurch instabil werden.

Bild 3. Kombination von Standards für den Quality of Service von IP/Ethernet (rechts) und grafische Darstellung aller Netzwerkwege (links)

Bild 3. Kombination von Standards für den Quality of Service von IP/Ethernet (rechts) und grafische Darstellung aller Netzwerkwege (links)

Das Unternehmen spricht bei den realisierten Netzwerken von einem sogenannten SDNsquare-Grid. Es ist bis zu über 8000 Flows skalierbar und übersetzt gewissermaßen die Flows in Netzwerkverhalten in Echtzeit. Das bedeutet, es wird keine Bandbreite reserviert sondern wie provisioniert, soll heißen, wenn der eine Vorgang beendet ist und dafür keine Bandbreite mehr gebraucht wird steht sie sofort für andere Anwendungen bereit. Man weiß jederzeit, welche Bandbreite in Echtzeit gerade über das Netz läuft. Die Flows sind auch nicht fixiert auf bestimmte Geräte, sondern sie können über unterschiedliche Geräte gelegt werden.

Will man die SDN-Technologie in bestehende Netze integrieren, so lassen sich innerhalb des bestehenden Netzes SDN-Inseln erstellen, die innerhalb dieser Inseln eine bestimmte Performance garantieren.

Realisierungen

Es wurde für den Belgischen Rundfunk SBS eine solche Rechnerplattform für Mediendaten von SDNsquare realisiert. Dieses Netz zeigt keinerlei Paketverluste und bietet eine stabile Performance mit 99 % Fillingfaktor. Es lässt sich ein Durchsatz bis zu 1 TB/s durchführen. Durch die Möglichkeit einer 100 % Bandbreitenausnutzung stieg die Netzwerkeffizienz um den Faktor 6 bis 8. Es ist dreifach unabhängig linear skalierbar: über die Kapazität, über den Durchsatz und die Rechenleistung. Bild 4 zeigt eine Übersicht über das realisierte Netzwerk und die angeschlossenen Anlagen.

Bild 4. Übersicht über das realisierte Netzwerk des Belgischen Fernsehens und den angeschlossenen Anlagen

Bild 4. Übersicht über das realisierte Netzwerk des Belgischen Fernsehens und den angeschlossenen Anlagen

Insgesamt sollen weltweit bereits über 25 entsprechende Netze realisiert sein. Weiterführende englische Informationen zur Technik und möglichen Realisierung finden sich auf den Internetseiten des Unternehmens www.sdnsquare.com

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