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ATM-Hochgeschwindigkeitsnetz für die Hamburger Region

(Dr. Hans-Joachim Mück: Rede zur Weiterführung des HHR am 6. Februar 1998)

Elektronische Kommunikationsmedien sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie sind zu einem integralen Bestandteil unseres Informationsaustausches geworden. Studiert man die neuesten Statistiken (Februar 1998) über die Nutzung des weltweit größten öffentlichen Datennetzes, so nähert sich die Zahl der Internet-Nutzer bereits der 100-Millionen-Marke - 54,6 Millionen in den USA und 5,8 Millionen in Deutschland. Begriffe, wie Internet-Surfen, Chatting, T-Online-Banking, World Wide Web mit den Browsern "Netscape" und "Explorer", gehören inzwischen zum allgemeinen Wortschatz; und die E-mail als längst etabliertes elektronisches Äquivalent zur Briefpost hat die Kommunikation selbst zwischen den entferntesten Punkten der Erde zu einer Art Selbstverständlichkeit werden lassen.

Im Straßen- und Schienenverkehr ist es jederman vertraut, daß Verbindungsstrecken geschaffen werden müssen, die unterschiedliche Nutzungs- und Leistungserfordernisse berücksichtigen. Das Spektrum reicht vom Feldweg über die Schnellstraße bis hin zur Streckenführung für einen Transrapid. Nicht anders verhält es sich beim Aufbau elektroni-scher Kommunikationswege. Gebraucht werden Verbindungen mit unterschiedlichen Leitungskapazitäten für unterschiedliche Zwecke. Heute - 1998 - gehören Hochgeschwindigkeitsnetze zum "Normalen" in der Welt der Daten- und Kommunikationssysteme. Was also ist so spektakulär an der Weiterführung des "Hamburger-Hochgeschwindigkeits-Rechnernetzes", das eine Festveranstaltung unter dem Motto "Fünf erfolgreiche Jahre mit dem HHR für die Forschungseinrichtungen der Hamburger Region und seine Weiterführung" rechtfertigt? Wie so oft ist auch hier die Antwort in der Historie begründet, das heißt in der Erinnerung an eine Idee, die ihren Weg der Realisierung in den Unwägbarkeiten alles Neuen suchen mußte - und fand. Man schrieb das Jahr 1989; das WWW stand noch in den sprichwörtlichen Sternen.

Ausgangssituation 1989

Der DFN-Verein (Verein zur Förderung eines Deutschen Forschungsnetzes) - gegründet im Jahr 1984 - hatte sich zum Ziel gesetzt, die notwendige Infrastruktur für ein flächendeckendes Datenkommunikationsnetz in Deutschland mit dem Namen WiN (Wissenschaftsnetz) aufzubauen. Die Basis dafür war ein privates X.25-Netz mit Anschlüssen von maximal 64 Kbit/s-Übertragungsleistung. Die hohe Akzeptanz dieses Wissenschaftsnetzes mit seiner intensiven Nutzung durch die Hochschulen und Forschungseinrichtungen führte bald zu Engpässen bei den Übertragungskapazitäten, so daß der DFN-Verein darüber nachzudenken begann, wie das damalige WiN in ein wesentlich leistungsfähigeres nationales Breitband-Kommunikationsnetz (B-WiN) überführt werden konnte. Für die Planungen eines solchen Wide-Area-Networks (WAN) boten sich damals zwei Technologien an: das ATM (Asynchron Transfer Mode) oder das DQDB (Distributed Queue Dual Bus) - Techniken, die Glasfasern als Übertragungsmedium voraussetzen. Wie wir heute wissen, verzögerte sich zwar der Aufbau des Breitband-Wissenschaftsnetzes um mehrere Jahre bis in das Jahr 1996 wegen fehlender Finanzmittel, jedoch konnten die zwischenzeitlich aufgetretenen Kapazitätsengpässe im WiN durch einen weiteren Ausbau des WiN-Kernnetzes durch modernere Komponenten mit nun 2 Mbit/s-Anschlüssen gemildert werden.

Planungsphase für das HHR von 1989 bis 1992

Kehren wir zum HHR und zu seiner Entstehungsgeschichte zurück. Der Bedarf für ein Hamburger Großstadtnetz, welcher sich allein schon aus regionalen Gründen für einen Datenaustausch zwischen den Hochschulen und den Großforschungseinrichtungen ergab, wurde immer größer und dringlicher. Zudem beflügelte der Plan des DFN-Vereins, ein nationales Breitband-Wissenschaftsnetz aufzubauen, auch die konzeptionellen Überlegungen für das Hamburger Landesnetz. Außerdem könnten dann alle bisher genutzten WiN-Einzelanschlüsse der Forschungseinrichtungen und der Hochschulen entfallen und durch einen Gemeinschaftsanschluß an das B-WiN ersetzt werden.

Unter der Initiative von Mitgliedern der Universität Hamburg - Prof. Dr. Karl Kaiser und Dr. Hans-Joachim Mück - sowie vom DESY - Dr. Hans Falk Hoffmann - wurde ein erstes Zusammentreffen organisiert, auf dem für einen erfolgreichen Aufbau eines Hamburger Höchstleistungs-Rechnernetzes Wege und Realisierungsmöglichkeiten diskutiert wurden.

Aus dem Kreis der Teilnehmer etablierte sich der Initiativkreis für ein HHR mit der Aufgabe, ein Memorandum  zu erarbeiten, in dem die "Essentials" für ein solches Netz in einer prägnanten Form zusammengestellt werden sollten. Um die Dringlichkeit für ein solches Hamburger Wissenschaftsnetz zu unterstreichen, war eine Unterzeichnung des Thesenpapiers durch die Präsidenten der beteiligten Hochschulen, durch die technischen Geschäftsführer des DKRZ und des GKSS sowie durch das DESY-Direktorium vorgesehen, um es dann an die zuständige Behörde für Wissenschaft und Forschung weiterzuleiten. Die Hoffnung auf entsprechende Unterstützung erfüllte sich. Der damalige Wissenschaftssenator und Bürgermeister, Ingo von Münch, begrüßte das vom Initiativkreis entwickelte Ziel und sagte Förderung bei der Realisierung des Hochleistungs-Rechnernetzes zu. Teilnehmer der Gründungsphase des HHR waren die Hamburger Hochschulen Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), die Universität der Bundeswehr Hamburg (UniBwH) und die Universität Hamburg (UniHH) sowie die Forschungseinrichtungen DESY (Deutsches Elektronensynchrotron), DKRZ (Deutsches Klima Rechenzentrum) und GKSS (Forschungszentrum Geesthacht GmbH).

Ein neues Kapitel Hamburger Wissenschaftsgeschichte und - wenn man so will - ein Stück Universitätsgeschichte begann. Viele Fragen waren zu beantworten und viele Probleme zu analysieren und zu lösen. Die Hauptkomplexe möchte ich nennen:

Das vorrangige Interesse des Initiativkreises war natürlich zunächst auf den Fragenkomplex 1 gerichtet. So war es für seine Mitglieder sehr interessant und spannend, die Konzepte und Grenzen der in Frage kommenden Technologien zu studieren und kennenzulernen. Gleichzeitig wurden aufmerksam die Aktivitäten des DFN-Vereins für den Aufbau eines nationalen Hochgeschwindigkeitsdatennetzes beobachtet, um von vornherein eine Insellösung durch falsche Auswahl der technischen Komponenten für das Hamburger Großstadtnetz zu verhindern.

Es stellte sich bald heraus, daß die Deutsche Telekom als der Hauptplayer im Kreis der Anbieter zu betrachten war; denn nur sie verfügte damals über das notwendige Know-how und war außerdem in der Lage, die erforderlichen Glasfaserstrecken kurzfristig für ein Hamburger Landesnetz bereitzustellen. Im Rahmen von zwei Projekten, die im Fachbereich Informatik in den Jahren 1988 und 1989 durchgeführt wurden, konnten zudem gute Kontakte zu Mitarbeitern aus der Abteilung "Glasfaser" bei der Deutschen Telekom Hamburg aufgebaut werden. Dadurch vereinfachten sich, wie sich noch später herausstellte, die Verhandlungen zwischen dem Initiativkreis und der Telekom in vielen Punkten beträchtlich.

Im Rahmen des ersten Pilotprojektes mit dem Titel " Teleconferencing an Universitäten" - geplante Laufzeit von Januar bis September 1988 - war zu untersuchen, inwieweit das Einrichten von Videokonferenz-Studios an Universitäten, am Beispiel der Hamburger Universität, technisch machbar und finanzierbar wäre und ob die Funktionalität der zu beschaffenden Studio-Ausstattung den Vorstellungen eines universellen und mobilen Einsatzes gerecht werden könnte. Die Untersuchung führte damals zu dem Ergebnis, Videokonferenz-Studios nicht an der Universität Hamburg einzurichten. Das Ergebnis wurde damals nicht gerade mit großer Begeisterung aufgenommen. Inzwischen hat die technische Entwicklung der letzten Jahre eindeutig die Richtigkeit der Empfehlung bestätigt.

Der Fachbereich Informatik war Anfang 1989 auf vier Standorte verteilt. Beim Ersatz der damaligen Rechnerausstattung war unter anderem auch ein lokales Informatiknetz zu planen. An den einzelnen Informatik-Standorten waren lokal Ethernet-Netze aufgebaut, und es wurde geplant, diese über anzumietende Leitungsstrecken zu koppeln. Zu dieser Zeit kamen die ersten aktiven Komponenten für monomodale Glasfaserstrecken auf den Markt; ihr Einsatz erlaubte eine transparente Kopplung der Gebäude-LANs untereinander. Daher lag es auf der Hand, Verhandlungen mit der Telekom über den Aufbau eines privaten Glasfasernetzes für die Informatik aufzunehmen. Nach längeren intensiven Verhandlungen bot die Telekom im Rahmen eines Privatvertrags eine Schaltung der erforderlichen Glasfaserstrecken an. Dieser Privatvertrag zwischen der Telekom und der Universität wurde vom damaligen Universitätspräsidenten Fischer-Appelt im Februar 1990 unterzeichnet.

Die vierjährige Planungsphase für das HHR läßt sich mit den folgenden Kerndaten skizzieren:

1989:
Diskussion über den Aufbau eines HHR in DQDB- oder FDDI-Technologie.
1990:
Angebot im Juni / Angebot wurde im August zurückgezogen. Die Telekom tat sich damals schwer, neben München und Stuttgart noch ein weiteres DQDB-Projekt in Hamburg zu starten.
1991:
Konkretes Angebot für FDDI im August; die am HHR beteiligten Institutionen versuchten die Einstellung der erforderlichen Haushaltsmittel zu erreichen.
1992:
Angebot wird im August erneut zurückgezogen; im September wieder aktiviert; Vertragsabschlüsse erfolgten im Dezember dieses Jahres.

Noch heute ist mit Freude festzuhalten, daß die Deutsche Telekom sich damals bereit erklärte und darauf einließ, für das gemeinsame Projekt HHR Einzelverträge mit den Institutionen zu schließen. Beim Ausscheiden eines oder mehrerer Partner während der Projektdauer hätte sich die Deutsche Telekom AG viele unangenehme Probleme eingehandelt. Ein weiterer Grund zur Freude muß auch an dieser Stelle betont werden: Während der gesamten Laufzeit des Vertrags sind keinerlei verwaltungstechnische oder rechtliche Probleme irgendwelcher Art zwischen den verschiedenen Partnern aufgetreten. Ein Fazit, daß - in jedem Fall bei mir - nahezu ein hohes Maß an Begeisterung auslöst.

Betriebsphase des HHR von 1993 bis 1997

HHR-Struktur des Netzes

Das HHR wurde in FDDI-Technik als Pilotprojekt mit einer Laufzeit von fünf Jahren durch die Deutsche Telekom realisiert und ging im Januar 1993 in Betrieb. Wegen der großen Entfernungen zwischen den einzelnen Institutionen konnte das HHR nicht durch einen Ring, sondern mußte in drei Ringen aufgebaut werden. Abbildung 1 zeigt den Stand des HHR Ende 1997.

Als Routing-Protokoll kam das damals neue Routing-Protokoll OSPF (Open Shortest Path First) zum Einsatz. Dieses Protokoll erfüllte alle darauf gesetzten Erwartungen voll. Die Regelung, das Netzwerkmanagement des HHR sowohl der Deutschen Telekom als auch dem Informatik-Rechenzentrum zu übertragen, erwies sich für den laufenden Betrieb als optimal. So erfolgte die Überwachung des Betriebes an zwei unabhängigen Stellen mit verschiedenen Schwerpunkten - die Telekom war für die Hardware/Software-Funktionalität, die Informatik für Managementaufgaben verantwortlich. Weiterhin konnte die Forderung der einzelnen Institutionen, die Eigenständigkeit ihrer LANs zu gewährleisten, über die gesamte Laufzeit des HHR garantiert werden.

Eine durch das HHR-Kuratorium verabschiedete "Vereinbarung zur Zusammenarbeit" schrieb die Pflichten und Rechte der beteiligten Partner fest. Rückblickend ist festzustellen, daß die Zusammenarbeit zwischen allen Partnern des HHR harmonisch und ohne jegliche Probleme verlief. Eine selten gute Bilanz!

Wie allgemein bekannt, ist die Entwicklung technischer Komponenten für Datenkommunikationsnetze in den letzten Jahren recht stürmisch verlaufen, und ein Stillstand ist noch lange nicht in Sicht. Hersteller von Netzwerkkomponenten werden in der Regel gezwungen, diese permanent weiter zu entwickeln oder einfach durch neue Produkte ersetzen zu müssen. Parallel zur Erneuerung der Hardware werden auch entsprechende Anpassungen und Weiterentwicklungen an den Kommunikationsprotokollen häufig erforderlich, die zwangsläufig zu häufigen Release-Wechseln bei der Kommunikationssoftware führen. Mit dieser Situation wurde das HHR schon kurz nach Aufnahme seines Betriebs konfrontiert. Nach kürzester Zeit waren die eingesetzten Netzwerkkomponenten veraltet; die neuen Software-Releases der Kommunikationssoftware konnten nicht mehr eingespielt werden, da diese modernere Hardware voraussetzten. Die Gründe für ein solches Vorgehen seitens der Hersteller ist zwar nachvollziehbar und verständlich, jedoch für ein Projekt mit mehrjähriger Laufzeit wie das HHR ziemlich ärgerlich. Trotz dieser Einschränkungen ist es gelungen, über die gesamte Laufzeit des Projektes hinweg den Durchsatz und die Zuverlässigkeit im HHR in einem sehr hohen Maße zu gewährleisten.

Die Kapazitätsauslastung des HHR in der gesamten Projektphase stellt die Abbildung 2 dar. Wie erwartet steigen die transportierten Datenvolumina kontinuierlich über die Jahre hinweg an.

HHR: Datenvolumen

Der größere Sprung nach oben in der Auslastung des HHR im April 1996 erklärt sich dadurch, daß ab diesem Zeitpunkt die WiN-Einzelanschlüsse bei allen am HHR beteiligten Institutionen abgemeldet wurden und der gesamte nationale und internationale Internet-Verkehr nun über das HHR und einen 34 Mbit/s-Gemeinschaftsanschluß beim DKRZ erfolgte. Eine Ausnahme bildete DESY, da bei DESY der WiN-Einzelanschluß durch einen eigenen 34 Mbit/s-B-WiN-Einzelanschluß ersetzt wurde.

Verbindliche Aussagen über Kapazitätanforderungen von Datenkommunikationsanschlüssen können nicht allein über das zeitlich gemittelte transportierte Datenvolumen gemacht werden. Vielmehr ist darauf zu achten, daß die vorgehaltenen Kapazitätsleistungen erforderliche "Burstraten"-Übertragungsanforderungen ohne Verluste befriedigen können. Diese Anforderungen nehmen gerade in heutiger Zeit durch viele breitbandintensive Anwendungen in verstärktem Maße zu, wie z.B. Videoconferencing, Zugriffe auf Echtzeit-Bilddatenbanken, Animationen und Informationsdienste wie das WWW.

Die Zuverlässigkeit des HHR über die gesamte Laufzeit zeigt die Abbildung 3. Die Ausfallstatistik unterscheidet drei verschiedene Klassen von Ausfallzeiten:

HHR: Ausfallzeiten

Wertet man die Grafik aus, so ergibt sich folgendes Bild:

Die Addition aller Ausfallzeiten über die gesamte Projektlaufzeit liefert eine Gesamtausfallrate von 1,3%, wobei die Ausfallzeiten an Einzelinstitutionen mit 1,1% am stärksten zu Buche schlagen. Die Ausfallzeiten wurden in der Regel an der Managementstation in der Informatik gemessen, und zwar durch ein periodisches Abfragen der HHR-Router bei den einzelnen HHR-Partnern.

Wurde ein Ausfall registriert, konnte der Grund dafür jedoch nicht automatisch ermittelt werden. Wie sich später häufig durch Nachfragen herausstellte, war die größte Zahl dieser Ausfälle hausgemacht, das heißt, entweder lag ein zentraler Stromausfall vor oder eine Stillegung der Anlagen war geplant worden, weil z.B. ein Umzug von Rechenanlagen oder Netzkomponenten bei dem betreffenden HHR-Partner durchgeführt werden mußte.

HHR-Ausfallzeiten, die bei mehreren HHR-Partnern gleichzeitig auftraten, summieren sich auf knapp 0,2%, und gerechterweise sollten nur diese als "echte" Netzausfallzeiten gewertet werden.

Es ist schon überraschend, daß ein so exzellent gutes Ergebnis - 99,8% Verfügbarkeit des Netzes - trotz vertraglich sehr großzügig geregelten Bedingungen für den Störfall erzielt werden konnte:

Perspektiven für die Zukunft

Wegen der zeitlichen Begrenzung des HHR-Projektes und wegen des Zieles, das aufgebaute FDDI-HHR am Ende ohne Unterbrechung kontinuierlich fortführen zu wollen, wurden frühzeitig Überlegungen über eine Weiterführung des HHR mit einer zukunftsweisenden Technologie angestellt. Diese Gedanken waren bestimmt durch die Zielvorstellung, für eine zukünftige Realisierung die ATM-Technologie mit einem leistungsstarken Gemeinschaftsanschluß an das B-WiN einzusetzen. Folgende Lösungsansätze boten sich damals an:

Die verschiedenen Varianten wiesen jeweils Vor- und Nachteile auf:

Wichtige Aktivitäten während der Pilotphase

Im Frühjahr 1995 konnten durch Beginn eines Pilotprojektes mit der Telekom AG Hamburg die Voraussetzungen geschaffen werden, das bestehende FDDI-HHR mit einem ATM-Anschluß auszustatten, der eine Nutzung durch alle Partner am HHR ermöglichte.

Aufgabe des Projektes war es, für die Nutzung des zusätzlichen ATM-Anschlusses ein Abrechnungs- und ein Management-System zu entwickeln und zu erstellen. Dadurch wurde den Netzwerkadministratoren an den einzelnen HHR-Institutionen ein leistungsfähiges Werkzeug für eine gezielte Kostenkontrolle und Übersicht an die Hand gegeben. Mit Abschluß des Projektes im September 1996 konnte gezeigt werden, daß es möglich ist, die FDDI- und ATM-Technik in einer Weise zusammenführen, daß die Voraussetzungen geschaffen wurden, gegebenenfalls das HHR weiter in FDDI-Technik zu betreiben und gleichzeitig über einen kontigentierbaren Gemeinschaftsanschluß das B-WiN nutzen zu können.

Die frühzeitige Teilnahme mit 34 Mbits/s-Anschlüssen am B-WiN-Netz durch Institutionen am HHR ermöglichte es, dem gewachsenen Bedarf nach höheren Bandbreiten für den Anschluß an nationale/internationale Netze nachzukommen.

So konnte der Einzelanschluß für DESY im Februar 1996 und der Gemeinschaftsanschluß am DKRZ im April 1996 geschaltet werden und in Betrieb gehen, wobei die vereinbarten Bandbreitenanteile am B-WiN-Anschluß den einzelnen HHR-Partnern über das FDDI-HHR bereitgestellt wurden.

Fortführung des HHR als ATM-Netz mit HH GAP-Anschluß

Seit Juni 1996 liefen die Planungen für ein ATM-HHR auf vollen Touren. Viele Versuche, realistische Angebote für den Aufbau eines solchen HHR zu erhalten, scheiterten zunächst. Im März 1997 legte der DFN-Verein zusammen mit der DeTeSystem überraschend ein Angebot vor, das - bezogen auf die einzelnen Budgets der beteiligten HHR-Partner - die Chance der Finanzierung auf eine realistische Grundlage stellte.

Nach der Unterzeichnung der GAP-Verträge zwischen den HHR-Partnern und dem DFN-Verein/DeTeSystem in den Monaten August und September 1997 konnten die Planungen für die Umstellung des FDDI-MAN in ein ATM-MAN im Oktober 1997 beginnen. Als Ergebnis wurde ein detaillierter Umschaltplan für die 49. bis 51. Kalenderwoche 1997 vorgelegt. Die Vorgabe, minimale Ausfallzeiten bei der Umstellung in allen beteiligten Institutionen anzustreben, ließ sich zufriedenstellend umsetzen. Am 12. Dezember 1997 war die gesamte Migration erfolgreich abgeschlossen.

HHR: Struktur des Netzes

Die Abbildung 4 zeigt die technische Gestaltung des ATM-HHR mit aktuellen Zahlen der in den einzelnen Institutionen angeschlossenen Rechner.

Aufruf zur künftigen Zusammenarbeit mit weiteren Partnern

Mit der Inbetriebnahme des ATM-HHR steht den Wissenschaftseinrichtungen der Hamburger Region ein modernes und leistungsfähiges ATM-Kommunikationsnetz mit hohen Übertragungskapazitäten zur Verfügung. Dieses Netz nimmt für die teilnehmenden Institutionen am HHR einerseits eine Verteilerfunktion für die vertraglich fest vereinbarten Anteile am B-WiN-Gemeinschaftsanschluß wahr und stellt andererseits freie Kapazität der Restbandbreitennutzung im ATM-Netz für lokale Belange zur Verfügung.

Darüber hinaus erhöht sich heute - nach Öffnung des Telekommunikationsmarktes - die Zahl der Dienste-Anbieter für Telekommunikationsleistungen kontinuierlich. Schon jetzt ist absehbar, daß in Zukunft spezielle Dienste, die auch für den Einsatz im Forschungs- und Ausbildungsbereich immer wichtiger werden, nur über spezielle Anbieter zu beziehen sein werden. Hier eröffnen sich bald Möglichkeiten einer intensiven Zusammenarbeit. Aber nicht nur Dienste-Anbieter sollte das ATM-HHR zu einer fruchtbaren Zusammenarbeit motivieren. Das HHR ist eine überaus geeignete Plattform für Kooperationen mit Behörden und für Wirtschaftsunternehmen in der Hamburger Region, um gemeinsam neue Kommunikationstechnologien sowie neue Einsatzfelder für Telekommunikationsdienste zu erproben. Hier ist zunächst an die Hersteller von Netzwerkkomponenten zu denken, die neue Techniken und Konzepte unter realistischen Lastbedingungen validieren möchten.

Zum Abschluß komme ich zurück auf meine Ausgangsfrage: Warum eine Festveranstaltung aus Anlaß der Weiterführung des HHR?

Ich meine aus folgenden Gründen:

  1. Wissenschaft muß sich auf Ideen zivilisierten Fortschritts richten.
  2. Ideen zivilisierten Fortschritts brauchen Partner, d.h. Verbündete zur Zukunft.
  3. Die gemeinsame Verwirklichung der Ideen setzt voraus, was bereits am Anfang des Memorandums vom Juni 1989 überzeugend formuliert worden ist: "Nur ein reger Informationsaustausch untereinander garantiert die Möglichkeit einer zukunftsweisenden Zusammenarbeit in aller Welt. Voraussetzung hierzu ist der Zugang zu leistungsfähigen Forschungsnetzen."

Hier liegt unsere gemeinsame Aufgabe, die Aufgabe von Wissenschaft, Politik und Wirtschaft. Und dafür ist die erfolgreiche Realisierung des HHR und seine heute im Mittelpunkt stehende Weiterführung in neuer zukunftsweisender Technologie ein überzeugendes Beispiel.

Ein besonderer Dank gilt all denen, die durch ihr Engagement zum Gelingen und zum erfolgreichen Betrieb des HHR beigetragen haben und auch in Zukunft die Fortführung des ATM-HHR mit Begeisterung und Engagement begleiten.