7 Vermittlungstechniken: Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung

7.1 Grundlagen der Vermittlungstechniken

In Kommunikationsnetzen besteht die fundamentale Aufgabe darin, Informationen von einer Quelle zu einem oder mehreren Zielen zu übertragen. In komplexen Netzwerken mit vielen Teilnehmern ist es weder praktikabel noch ökonomisch sinnvoll, direkte physische Verbindungen zwischen allen möglichen Kommunikationspartnern zu etablieren. Stattdessen werden Vermittlungstechniken eingesetzt, die die vorhandenen Übertragungsressourcen dynamisch zuweisen und so eine effiziente Kommunikation ermöglichen.

Die beiden grundlegenden Vermittlungstechniken – Leitungsvermittlung und Paketvermittlung – repräsentieren fundamental unterschiedliche Konzepte zur Organisation von Datenströmen in Netzwerken. Diese Konzepte haben die Entwicklung der Kommunikationstechnologie maßgeblich geprägt und bilden bis heute die Basis moderner Telekommunikations- und Datennetzwerke.

7.1.1 Definition und Grundprinzipien

Vermittlung bezeichnet im Kontext von Netzwerken den Prozess, durch den eine Kommunikationsverbindung zwischen zwei oder mehr Teilnehmern über ein gemeinsam genutztes Netzwerk hergestellt wird. Dabei muss das Netzwerk entscheiden, wie Übertragungsressourcen zugewiesen und wie Daten durch das Netz geleitet werden.

Die fundamentalen Unterschiede zwischen den beiden Hauptvermittlungstechniken lassen sich wie folgt charakterisieren:

Leitungsvermittlung (Circuit Switching): - Aufbau einer dedizierten physischen oder logischen Verbindung zwischen den Kommunikationspartnern - Reservierung der vollen Übertragungskapazität für die gesamte Dauer der Verbindung - Ende-zu-Ende-Pfad wird vor der Datenübertragung etabliert - Gleichbleibende Übertragungsqualität während der gesamten Verbindung

Paketvermittlung (Packet Switching): - Aufteilung der zu übertragenden Informationen in diskrete Pakete - Unabhängige Übertragung und Vermittlung jedes einzelnen Pakets - Dynamische Ressourcenzuweisung je nach aktueller Netzlast - Pakete können verschiedene Wege durch das Netz nehmen und müssen am Ziel wieder zusammengesetzt werden

Diese grundlegenden Unterschiede führen zu erheblichen Unterschieden in Leistungsmerkmalen, Effizienz, Anwendungseignung und Implementierungskomplexität der jeweiligen Netze.

7.2 Leitungsvermittlung

Die Leitungsvermittlung stellt das ältere der beiden Paradigmen dar und wurde zuerst umfassend in Telefonnetzen implementiert. Sie basiert auf dem Konzept einer dedizierten Verbindung zwischen Kommunikationspartnern.

7.2.1 Funktionsprinzip

Der Prozess der Leitungsvermittlung folgt typischerweise drei Phasen:

  1. Verbindungsaufbau: In dieser Phase wird ein physischer oder logischer Pfad zwischen Quelle und Ziel etabliert. Dies geschieht durch sequenzielle Schaltung von Verbindungen entlang des Pfades durch das Netzwerk. Ressourcen werden entlang dieses Pfades für die gesamte Dauer der Kommunikation reserviert.

  2. Datenübertragung: Nach erfolgreicher Etablierung des Pfades können Daten übertragen werden. Die Übertragung erfolgt mit garantierter Bandbreite und ohne Konkurrenzsituationen mit anderen Datenströmen auf dem reservierten Pfad.

  3. Verbindungsabbau: Nach Abschluss der Kommunikation werden die reservierten Ressourcen freigegeben und können für andere Verbindungen genutzt werden.

7.2.2 Technische Implementierungen

Klassische Telefonnetze (PSTN): In traditionellen Telefonnetzen wurden physische Schaltungen durch elektromechanische Vermittlungsstellen (später elektronische Vermittlungsstellen) hergestellt. Bei einem Anruf wurde eine dedizierte 64 kbit/s-Verbindung zwischen den Gesprächspartnern etabliert und für die gesamte Gesprächsdauer aufrechterhalten.

Integrated Services Digital Network (ISDN): ISDN erweiterte das Konzept der Leitungsvermittlung um digitale Dienste. ISDN-Basisanschlüsse boten zwei 64 kbit/s-Kanäle (B-Kanäle) für Sprache oder Daten sowie einen 16 kbit/s-Kanal (D-Kanal) für Signalisierung. Primärmultiplexanschlüsse (PMX) stellten 30 B-Kanäle zur Verfügung.

Synchronous Optical Networking (SONET) / Synchronous Digital Hierarchy (SDH): Diese Standards für optische Übertragungsnetze implementieren leitungsvermittelte Verbindungen auf höheren Netzwerkebenen. Durch Time Division Multiplexing (TDM) werden virtuelle Container mit garantierter Bandbreite bereitgestellt.

Optische Kreuzverteiler (Optical Cross-Connects, OXC): In modernen optischen Netzen können dedizierte Wellenlängen (Lambda-Switching) zwischen Endpunkten geschaltet werden, was eine Form der Leitungsvermittlung auf optischer Ebene darstellt.

7.2.3 Vor- und Nachteile

Vorteile der Leitungsvermittlung:

Nachteile der Leitungsvermittlung:

7.3 Paketvermittlung

Die Paketvermittlung wurde in den 1960er Jahren als Alternative zur Leitungsvermittlung entwickelt, um eine effizientere Nutzung von Netzwerkressourcen zu ermöglichen. Sie bildet heute die Grundlage des Internets und der meisten modernen Datennetzwerke.

7.3.1 Funktionsprinzip

Die Paketvermittlung basiert auf folgenden Grundprinzipien:

  1. Segmentierung: Die zu übertragenden Daten werden in kleinere Einheiten (Pakete) zerlegt. Jedes Paket enthält neben den Nutzdaten auch Kontrollinformationen wie Quell- und Zieladresse.

  2. Unabhängige Vermittlung: Jedes Paket wird unabhängig von anderen Paketen durch das Netzwerk vermittelt. Vermittlungsknoten (Router) treffen für jedes eingehende Paket individuelle Weiterleitungsentscheidungen.

  3. Dynamische Pfadfindung: Pakete können unterschiedliche Wege durch das Netz nehmen, abhängig von aktuellen Lastsituationen, Verfügbarkeit von Verbindungen oder Routingprotokollen.

  4. Reassemblierung: Am Ziel werden die Pakete anhand von Sequenznummern in die richtige Reihenfolge gebracht und zu den ursprünglichen Daten zusammengesetzt.

7.3.2 Varianten der Paketvermittlung

Es existieren zwei Hauptvarianten der Paketvermittlung, die sich in ihrer Implementierung und ihren Charakteristika unterscheiden:

Datagramm-Vermittlung (Connectionless Packet Switching): - Jedes Paket wird vollkommen unabhängig behandelt - Keine Verbindungsinformationen in den Vermittlungsknoten - Einfache Implementierung, aber keine Garantien für Zustellung oder Reihenfolge - Beispiel: Internet Protocol (IP)

Virtuelle Verbindungen (Connection-Oriented Packet Switching): - Etablierung einer logischen Verbindung vor der Datenübertragung - Vermittlungsknoten speichern Zustandsinformationen für jede Verbindung - Pakete folgen demselben Pfad durch das Netzwerk - Bessere Kontrolle über Dienstqualität und Fehlerbehandlung - Beispiele: X.25, Frame Relay, ATM (Asynchronous Transfer Mode)

7.3.3 Technische Implementierungen

Internet Protocol (IP): Als fundamentales Protokoll des Internets implementiert IP die Datagramm-Vermittlung. Jedes IP-Paket wird unabhängig durch das Netzwerk geroutet, ohne Garantie für Zustellung oder Reihenfolge. Höhere Protokollschichten (wie TCP) müssen ggf. für Zuverlässigkeit sorgen.

X.25: Eines der frühen Protokolle für öffentliche Datennetze, das virtuelle Verbindungen mit umfangreicher Fehlerkorrektur implementierte. X.25 war für unzuverlässige Übertragungsmedien konzipiert und enthielt entsprechend umfangreiche Fehlerkorrekturfunktionen.

Frame Relay: Eine optimierte Weiterentwicklung von X.25 für zuverlässigere Übertragungsmedien. Frame Relay reduzierte den Overhead durch Verzicht auf umfangreiche Fehlerkorrektur und führte das Konzept der Committed Information Rate (CIR) ein – eine garantierte Mindestbandbreite.

Asynchronous Transfer Mode (ATM): ATM verwendet Zellen fester Länge (53 Bytes) und implementiert virtuelle Verbindungen mit verschiedenen Dienstklassen. Es wurde entwickelt, um sowohl Sprach- als auch Datenverkehr effizient zu übertragen und bildete die Grundlage vieler Breitband-ISDN-Implementierungen.

MultiProtocol Label Switching (MPLS): MPLS kombiniert Elemente der Leitungs- und Paketvermittlung, indem es Label-Switching-Pfade (LSPs) durch das Netzwerk etabliert. Dies ermöglicht effizientes Routing und unterstützt Traffic Engineering sowie differenzierte Dienstqualität.

7.3.4 Vor- und Nachteile

Vorteile der Paketvermittlung:

Nachteile der Paketvermittlung:

7.4 Vergleichende Analyse

Um die charakteristischen Unterschiede der beiden Vermittlungstechniken zu verdeutlichen, betrachten wir einen direkten Vergleich verschiedener Leistungsaspekte.

7.4.1 Ressourcennutzung und Effizienz

Leitungsvermittlung: - Dedizierte Zuweisung von Ressourcen unabhängig von der tatsächlichen Nutzung - Typische Auslastung in Sprachnetzen: 30-40% der reservierten Kapazität - Keine Möglichkeit, kurzzeitig nicht genutzte Kapazitäten anderen Verbindungen zuzuweisen

Paketvermittlung: - Dynamische Ressourcenzuweisung basierend auf aktuellem Bedarf - Statistisches Multiplexing ermöglicht Überbuchen von Kapazitäten (Overbooking) - Effiziente Handhabung von “Burst”-artigem Datenverkehr - Typische Auslastung: 70-90% der verfügbaren Kapazität

In der Praxis können paketvermittelte Netze bei gleichem Durchsatz deutlich mehr Nutzer bedienen als leitungsvermittelte Netze. Dies erklärt sich durch die statistische Natur des Datenverkehrs: Selten benötigen alle Nutzer gleichzeitig ihre maximale Bandbreite.

7.4.2 Latenz und Jitter

Leitungsvermittlung: - Höhere initiale Latenz durch Verbindungsaufbau (typischerweise 100ms-500ms) - Minimale und konstante Latenz während der Datenübertragung - Praktisch kein Jitter (Schwankung der Verzögerungszeit) - Deterministisches Verhalten, ideal für zeitkritische Anwendungen

Paketvermittlung: - Keine Verzögerung durch Verbindungsaufbau (bei Datagramm-Vermittlung) - Variable Latenz abhängig von Netzwerklast und gewählten Routen - Jitter durch unterschiedliche Verarbeitungszeiten und Warteschlangen in Routern - Zusätzliche Verzögerung durch Paketreassemblierung am Ziel

Für latenzempfindliche Anwendungen wie Sprachtelefonie oder Echtzeit-Steuerungssysteme kann die deterministische Natur der Leitungsvermittlung vorteilhaft sein. Moderne paketvermittelte Netze implementieren jedoch zunehmend Mechanismen zur Priorisierung zeitkritischen Verkehrs (QoS).

7.4.3 Zuverlässigkeit und Fehlerresilienz

Leitungsvermittlung: - Garantierte Ende-zu-Ende-Verbindung nach erfolgreichem Verbindungsaufbau - Höhere Anfälligkeit für Verbindungsunterbrechungen (bei Ausfall eines Knotens auf dem Pfad) - Neuaufbau der Verbindung erforderlich bei Netzwerkstörungen - Keine inhärenten Mechanismen zur Fehlererkennung und -korrektur

Paketvermittlung: - Keine Garantie für erfolgreiche Paketzustellung (bei Datagramm-Vermittlung) - Höhere Resilienz durch dynamisches Routing und alternative Pfade - Teilweise oder vollständige Wiederholung der Übertragung bei Paketverlusten möglich - Protokolle höherer Schichten (z.B. TCP) können Zuverlässigkeit implementieren

Moderne kritische Infrastrukturen setzen zunehmend auf paketvermittelte Technologien mit zusätzlichen Redundanz- und Resilienzfunktionen, da diese flexibler auf Netzwerkstörungen reagieren können.

7.4.4 Kostenstrukturen

Leitungsvermittlung: - Höhere Kosten pro übertragener Datenmenge aufgrund ineffizienter Ressourcennutzung - Traditionell zeitbasierte Abrechnung (Minutenpreise) - Vorhersehbare Kosten bei konstanter Nutzung - Höhere Infrastrukturkosten pro unterstütztem Nutzer

Paketvermittlung: - Geringere Kosten pro übertragener Datenmenge durch Ressourcensharing - Typischerweise volumenbasierte oder Flatrate-Abrechnung - Skaleneffekte bei steigender Nutzerzahl - Niedrigere Infrastrukturkosten pro unterstütztem Nutzer bei Overprovisioning

Die Kosteneffizienz paketvermittelter Netze hat maßgeblich zur Migration von traditionellen Telefondiensten zu VoIP (Voice over IP) beigetragen und die Wirtschaftlichkeit von Breitband-Internetdiensten ermöglicht.

7.5 Konvergenz und hybride Ansätze

Die strikte Trennung zwischen Leitungs- und Paketvermittlung hat sich mit der technologischen Evolution zunehmend aufgelöst. Moderne Kommunikationsnetze implementieren häufig hybride Ansätze, die Elemente beider Paradigmen kombinieren.

7.5.1 Emulation von Leitungsvermittlung in paketvermittelten Netzen

Pseudowire-Technologien: Mechanismen wie Pseudowire Emulation Edge-to-Edge (PWE3) ermöglichen die Emulation dedizierter Leitungen über paketvermittelte Infrastrukturen. Dies erlaubt die Migration von Altanwendungen, die leitungsvermittelte Verbindungen erwarten, in moderne IP-Netze.

Circuit Emulation Service (CES): Speziell für die Emulation von TDM-Diensten (wie E1/T1-Leitungen) über paketvermittelte Netze entwickelt. CES implementiert präzise Timing-Mechanismen, um die Taktung der ursprünglichen TDM-Dienste beizubehalten.

Deterministic Networking: Neue Standards wie IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) und IETF Deterministic Networking (DetNet) führen deterministische Eigenschaften in paketvermittelte Netze ein, um garantierte Latenz und Jitter-Freiheit zu erreichen.

7.5.2 Qualitätssicherung in paketvermittelten Netzen

Quality of Service (QoS): Mechanismen zur Priorisierung bestimmter Verkehrsarten in paketvermittelten Netzen. Implementierungen umfassen: - Differentiated Services (DiffServ): Markierung und Priorisierung von Paketen basierend auf Verkehrsklassen - Integrated Services (IntServ): Reservierung von Ressourcen entlang des gesamten Pfades - Traffic Engineering: Gezielte Steuerung von Verkehrsflüssen durch das Netzwerk

Resource Reservation Protocol (RSVP): Ermöglicht die explizite Reservierung von Netzwerkressourcen für spezifische Datenströme, ähnlich wie bei der Leitungsvermittlung, jedoch mit der Flexibilität paketvermittelter Netze.

7.5.3 Next Generation Networks (NGN)

Modern Telekommunikationsnetze haben eine umfassende Transformation durchlaufen:

IP Multimedia Subsystem (IMS): Eine Architektur für die Bereitstellung multimedialer Dienste über paketvermittelte Netze. IMS implementiert session-basierte Kommunikation mit QoS-Garantien und ermöglicht so die Migration klassischer Telefondienste in die IP-Welt.

Software Defined Networking (SDN): Durch die Trennung von Steuerungs- und Datenebene ermöglicht SDN die dynamische Konfiguration von Netzwerkpfaden mit definierten Eigenschaften. Dies kann zur Emulation leitungsvermittelter Charakteristika oder zur optimierten Paketvermittlung eingesetzt werden.

Network Function Virtualization (NFV): Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen ermöglicht flexible Implementierungen verschiedener Vermittlungstechniken auf Standard-Hardware, was die Konvergenz unterschiedlicher Netztypen erleichtert.

7.6 Anwendungsszenarien und Auswahlkriterien

Die Wahl der geeigneten Vermittlungstechnik hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Im Folgenden werden typische Anwendungsszenarien und relevante Auswahlkriterien diskutiert.

7.6.1 Geeignete Szenarien für Leitungsvermittlung

Echtzeit-Sprachkommunikation: Klassische Telefonie profitiert von der konstanten Latenz und garantierten Bandbreite leitungsvermittelter Verbindungen. In modernen Netzen wird dies jedoch zunehmend durch QoS-gesicherte paketvermittelte Dienste ersetzt.

Industrielle Steuerungssysteme: Anwendungen mit strikten Echtzeit- und Determinismusanforderungen, wie beispielsweise Fabrikautomation oder Energienetzsteuerung, können von den vorhersagbaren Eigenschaften leitungsvermittelter Verbindungen profitieren.

Spezielle Finanzanwendungen: Hochfrequenzhandel und andere zeitkritische Finanzanwendungen nutzen teilweise dedizierte Verbindungen, um minimale und konstante Latenz zu gewährleisten.

Spezialisierte militärische oder medizinische Anwendungen: In Szenarien, wo absolute Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit kritisch sind, können leitungsvermittelte oder hybride Ansätze bevorzugt werden.

7.6.2 Geeignete Szenarien für Paketvermittlung

Allgemeine Internetkommunikation: Die überwiegende Mehrheit des Internetverkehrs (Web, E-Mail, Social Media) ist gut für Paketvermittlung geeignet, da diese Anwendungen tolerant gegenüber variablen Verzögerungen sind und von der Effizienz profitieren.

Dateientransfer und Multimedia-Streaming: Bei diesen Anwendungen überwiegt der Vorteil der effizienten Bandbreitennutzung. Moderne Streaming-Technologien können Schwankungen durch adaptive Bitrates und Pufferung kompensieren.

Internet of Things (IoT): Die meisten IoT-Anwendungen generieren sporadischen Datenverkehr und profitieren von der Effizienz und Skalierbarkeit paketvermittelter Netze.

Cloud Computing und verteilte Anwendungen: Die Flexibilität und Skalierbarkeit paketvermittelter Netze ist ideal für dynamische Cloud-Umgebungen mit variablen Verkehrsmustern.

7.6.3 Auswahlkriterien

Bei der Entscheidung für eine Vermittlungstechnik oder einen hybriden Ansatz sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Anforderungen an die Dienstqualität: - Wie kritisch sind konstante Latenz und garantierte Bandbreite? - Welche Toleranz besteht gegenüber Paketverlusten oder variablen Verzögerungen? - Sind Echtzeit-Garantien erforderlich?

Verkehrscharakteristika: - Kontinuierlicher Datenstrom oder Burst-artige Übertragung? - Symmetrische oder asymmetrische Kommunikation? - Vorhersagbare oder stark schwankende Datenraten?

Wirtschaftliche Aspekte: - Verfügbares Budget für Kommunikationskosten - Erforderliche Skalierbarkeit bei wachsender Nutzerzahl - Kosten-Nutzen-Analyse für spezielle QoS-Anforderungen

Kompatibilität mit existierenden Systemen: - Anforderungen von Altanwendungen - Interoperabilität mit anderen Netzwerken - Migrationspfade für zukünftige Technologien

7.7 Entwicklungstrends und Zukunftsperspektiven

Die Evolution der Vermittlungstechniken ist eng mit allgemeinen Trends in der Kommunikationstechnologie verknüpft. Folgende Entwicklungen prägen die Zukunft dieses Bereichs:

7.7.1 5G und Beyond

Die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie implementiert ein hochflexibles paketvermitteltes Kernnetz, das verschiedene Verkehrsklassen unterschiedlich behandeln kann:

Network Slicing: Ermöglicht die Erstellung virtueller Netzwerksegmente mit spezifischen Charakteristika auf gemeinsamer physischer Infrastruktur. Bestimmte Slices können quasi-leitungsvermittelte Eigenschaften aufweisen.

Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC): Ein 5G-Dienst, der extrem niedrige Latenz (1ms) und sehr hohe Zuverlässigkeit für kritische Anwendungen bietet, wodurch einige der traditionellen Vorteile der Leitungsvermittlung in paketvermittelte Netze integriert werden.

Massive Machine Type Communication (mMTC): Optimiert für IoT-Szenarien mit einer Vielzahl von Geräten, die sporadisch kleine Datenmengen senden – ein ideales Szenario für effiziente Paketvermittlung.

7.7.2 Time-Sensitive Networking

Die IEEE 802.1 TSN-Standards und verwandte Entwicklungen zielen darauf ab, deterministische Eigenschaften in Ethernet-basierte Netzwerke zu bringen:

Zeitsynchronisation: Präzise Synchronisation aller Netzwerkkomponenten ermöglicht deterministische Paketübertragung.

Scheduled Traffic: Vorab geplante Übertragungszeitfenster für kritischen Verkehr, ähnlich dem Prinzip der Leitungsvermittlung.

Frame Preemption: Unterbrechung laufender Übertragungen zugunsten zeitkritischer Pakete, um deterministische Latenz zu gewährleisten.

Diese Technologien ermöglichen deterministische Kommunikation über Standard-Ethernet und bilden die Grundlage für Industrie 4.0 und industrielles IoT.

7.7.3 Quantenkommunikation

Aufkommende Quantenkommunikationstechnologien könnten neue Anforderungen an Vermittlungstechniken stellen:

Quantenschlüsselaustausch (QKD): Erfordert dedizierte optische Pfade und könnte von leitungsvermittelten oder hybriden Ansätzen profitieren.

Quantenrepeater-Netzwerke: Zukünftige Quanteninternet-Architekturen könnten spezielle Vermittlungsmechanismen für den Umgang mit Quantenverschränkung benötigen.

7.7.4 Autonome Netzwerke

Die zunehmende Komplexität moderner Netze treibt die Entwicklung autonomer Steuerungsmechanismen voran:

Intent-Based Networking: Statt detaillierter Konfigurationen definieren Administratoren Ziele und Richtlinien; das Netzwerk bestimmt selbstständig die optimale Vermittlungsstrategie.

KI-gestützte Verkehrsoptimierung: Maschinelles Lernen ermöglicht die Vorhersage von Verkehrsmustern und proaktive Anpassung der Vermittlungsparameter.

Self-Driving Networks: Vollständig autonome Netzwerke, die sich selbst konfigurieren, optimieren und heilen, könnten dynamisch zwischen verschiedenen Vermittlungsmodi wechseln, je nach aktuellen Anforderungen.

7.8 Koexistenz und Spezialisierung

Die historische Entwicklung von Vermittlungstechniken zeigt eine klare Tendenz zur Dominanz der Paketvermittlung in modernen Kommunikationsnetzen. Dennoch bleiben die grundlegenden Konzepte der Leitungsvermittlung relevant und finden in spezialisierten Anwendungen oder als emulierte Dienste in konvergenten Netzen weiterhin Anwendung.

Die Zukunft liegt weniger in der strikten Dichotomie zwischen den beiden Paradigmen, sondern vielmehr in hochflexiblen, adaptiven Netzwerkarchitekturen, die je nach Anwendungsanforderungen unterschiedliche Vermittlungscharakteristika implementieren können. Moderne Software-Defined Networks, 5G-Slicing und deterministische Netzwerktechnologien veranschaulichen diesen Trend zur kontextabhängigen Spezialisierung auf gemeinsamer Infrastruktur.

Für Netzwerkspezialisten bleibt das grundlegende Verständnis beider Vermittlungsparadigmen essentiell, um fundierte Entscheidungen bei der Planung, Implementierung und Optimierung von Kommunikationsnetzen treffen zu können. Die Fähigkeit, Anwendungsanforderungen zu analysieren und in geeignete Netzw