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VIOLA-AntragV2.02-DLR-Fassung.doc 1/33 23. März 2004

VIOLA

Vertically Integrated Optical Testbed for Large Applications in DFN

Projektantrag des Konsortiums

DFN-Verein, FhG, FZ Jülich, Alcatel, Siemens, TSI, Stiftung Caesar,RWTH Aachen, Universität Bonn, FH Rhein-Sieg,

Konsortialpartner:

1. DFN-VereinStresemannstr. 78, 10963 Berlin

2. Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG)Hansastraße 27c, 80686 München- Fraunhofer Institut für Medienkommunikation (IMK)- Fraunhofer Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen (SCAI)

3. Forschungszentrum Jülich GmbH (FZ Jülich)52425 Jülich

4. Alcatel SEL AGLorenzstraße 10, 70435 Stuttgart

5. Siemens AGHofmannstraße 51, 81379 München

6. T-Systems International GmbH (TSI)Hahnstraße 43d, 60528 Frankfurt am Main

7. Stiftung caesar (center of advanced european studies and research)Ludwig-Erhard Allee 2, 53175 Bonn

8. Rheinisch-Westfaelischen Technischen Hochschule AachenTemplergraben 55, 52062 Aachen

9. Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität BonnRegina-Pacis-Weg 3, 53113 Bonn

10. Fachhochschule Bonn-Rhein-SiegGrantham-Allee 20, 53754 Sankt Augustin


Inhaltsverzeichnis0 Strategische Gesamtaufgaben des Vorhabens ...................................................................... 3

I Beschreibung der Ziele........................................................................................................... 4I.1 Wissenschaftlich - technische Arbeitsziele des Vorhabens ...................................................... 4

I.2 Wirtschaftliche Ziele und Verwertungsinteressen.................................................................... 5

I.3 Verwertungsziele.......................................................................................................................... 7I.3.1 DFN-Verein ........................................................................................................................................... 7I.3.2 Fraunhofer-Gesellschaft......................................................................................................................... 7I.3.3 FZ Jülich ................................................................................................................................................ 9I.3.4 Alcatel SEL AG ..................................................................................................................................... 9I.3.5 Siemens AG ......................................................................................................................................... 10I.3.6 T-Systems International GmbH ........................................................................................................... 10I.3.7 Caesar................................................................................................................................................... 11I.3.8 RWTH Aachen..................................................................................................................................... 11I.3.9 Universität Bonn .................................................................................................................................. 12I.3.10 Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg ..................................................................................................... 13

II Bezug des Vorhabens zu Programmen im In- und Ausland ............................................. 13II.1 Förderpolitische Ziele des Bundes .......................................................................................... 13

II.2 Bezug zu NGN-Aufgaben und zu anderen nationalen Projekten/Programmen................. 14

II.3 Einordnung in internationale F & E-Aktivitäten.................................................................. 15

III Stand der Wissenschaft und Technik................................................................................ 17

IV Beschreibung der Arbeitsbereiche..................................................................................... 20IV.1 Projektmanagement................................................................................................................ 21

IV.2 Netztechnische Aufgaben in VIOLA ..................................................................................... 22IV.2.1: Teilaufgabe NT-1: Aufbau und Installation der Netzumgebung...................................................... 24IV.2.2: Teilaufgabe NT-2: Betrieb des Netzes ............................................................................................. 24IV.2.3: Teilaufgabe NT-3: Netzseitige Anwendungsunterstützung ............................................................. 24IV.2.4: Teilaufgabe NT-4: Entwicklungsarbeiten im Bereich Signalisierung und Reservierung................. 24IV.2.5: Teilaufgabe NT-5: Netztechnische Untersuchungen und Tests – VIOLA-Lab ............................... 25

IV.3 Anwendungen zur Netzerprobung ........................................................................................ 26IV.3.1 Teilaufgabe AW-0: VIOLA-Support, Aufbau und Betrieb eines Compute-Grid in VIOLA ............ 26IV.3.2 Teilaufgabe AW-1: MetaTrace, Simulation von Schadstoffausbreitung auf vert. SMP-Clustern..... 27IV.3.3 Teilaufgabe AW-2: TechSim, Verteilte Simulation komplexer technologischer Systeme ............... 27IV.3.4 Teilaufgabe AW-3: AMG-OPT, Optimale hierarchisch-algebraische Löser .................................... 28IV.3.5 Teilaufgabe AW-4: KoDaVis, Kollaborative Visualisierung großer atmosphärischer Datensätze inheterogenen Umgebungen............................................................................................................................ 29

IV.4 Kooperation mit anderen Projekten und Dissemination..................................................... 30

V Finanzen .............................................................................................................................. 31

VI Beschreibung der Teilaufgaben – Langfassungen........................................................... 33VI.1 Teilaufgabe PM: Projektmanagement ............................................................................................. 33VI.2 Teilaufgabe NT: Netztechnische Aufgaben in VIOLA................................................................... 33VI.3 Teilaufgabe AW-0: VIOLA-Support, Aufbau und Betrieb eines Compute-Grid in VIOLA .......... 33VI.4 Teilaufgabe AW-1: MetaTrace, Simulation von Schadstoffausbreitung auf vert. SMP-Clustern... 33VI.5 Teilaufgabe AW-2: TechSim, Verteilte Simulation komplexer technologischer Systeme ............. 33VI.6 Teilaufgabe AW-3: AMG-OPT, Optimale hierarchisch-algebraische Löser .................................. 33VI.7 Teilaufgabe AW-4: KoDaVis, Kollaborative Visualisierung großer atmosphärischer Datensätze inheterogenen Umgebungen............................................................................................................................ 33VI.8 Teilaufgabe KD: Kooperation mit anderen Projekten und Dissemination ...................................... 33


0 Strategische Gesamtaufgaben des VorhabensNeben dem bekannten stetigen Wachstum der Bandbreitenanforderungen im Internet entstehen zurZeit in Forschung und Lehre neue zukunftsweisende Anwendungen, z.B. in den Bereichen „VirtualReality“ (VR) oder „Verteiltes Hochleistungsrechnen“ (allgemeiner: Grid-Computing) mit sehr hohenDatenübertragungsraten, die kurzfristig und flexibel bereitgestellt werden müssen. Solche Anforde-rungen lassen sich mit den heutigen Datennetzen jedoch nicht zufriedenstellend erfüllen.

Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit einer ständigen Erneuerung der eingesetzten Kommunikations-technik und -protokolle. Ein wichtiger Schritt vor der Einführung neuer Techniken und Produkte inden Produktionsbetrieb ist die Erprobung unter betriebsnahen Bedingungen. Um dabei alle wichtigenAspekte abzudecken, muss eine enge Zusammenarbeit zwischen Carriern, Geräteherstellern, Providernund Anwendern etabliert werden. Wissenschaft und Forschung sind dabei ideale Anwender, da zumeinen ihre Anforderungen an Datennetze durch innovative Anwendungen kommerziellen Anwendernhäufig um einige Jahre voraus sind und sie zum anderen über die notwendige Kompetenz und Motiva-tion verfügen, um frühzeitig in neue Techniken zu investieren.

Im Projekt VIOLA plant ein Konsortium aus industriellen Partnern, Großforschungseinrichtungen,Universitäten, wissenschaftlichen Anwendern und dem DFN-Verein ein nationales optisches Testbedin der Region Aachen–Köln–Bonn sowie einer Erweiterung nach Bayern aufzubauen, in dem folgendeTeilaufgaben durchgeführt werden sollen:

• Erprobung neuer Netzkomponenten und Netzarchitekturen,• Entwicklung und Erprobung von Software für dynamische Bandbreitensteuerung,• Interworking von Netztechnik verschiedener Hersteller,• Entwicklung und Erprobung neuer Anwendungen (Grid, VR),• Vernetzung mit ähnlichen Projekten auf europäischer und internationaler Ebene.Damit werden folgende strategische Ziele verfolgt:

• Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie (Next Generation Internet),• Umsetzung der Ergebnisse im G-WiN Nachfolger (X-WiN) und damit Stärkung der Wettbewerbs-

fähigkeit von Einrichtungen der deutschen Wissenschafts- und Forschungslandschaft.

Die Ziele sollen durch Integration von netztechnischen und anwendungsorientierten Arbeiten in einemmöglichst praxisnahen Testbed erreicht werden. Mit der Anwendungsintegration wird eine realistischeUmgebung zur betriebsnahen Untersuchung der neuen Systemtechnik geschaffen. Die Ergebnisse desVorhabens sollen dem DFN-Verein, den teilnehmenden Anwendergruppen und den industriellen Part-nern zu Gute kommen:

• Der DFN-Verein soll in Vorbereitung auf das X-WiN mit Know-How über entsprechende Sys-temtechnik versorgt werden. Dazu gehören der Umgang mit neuer Netztechnik, das Sammeln vonBetriebserfahrungen mit dieser Technik, Schaffung von Herstellerkontakten und die stetige Fort-entwicklung des Überblicks über verfügbare Technik.

• Anwendergruppen aus den Bereichen „Verteiltes Hochleistungsrechnen“ und „Virtual Reality“erhalten eine hochwertige innovative Netzumgebung, um leistungsfähige Weiterentwicklungen ih-rer Anwendungen durchzuführen. Beide Gebiete sind von wachsendem Interesse. Das verteilteHochleistungsrechnen spielt im Grid-Konzept eine zentrale Rolle und „Virtual Reality“ wird invielen wissenschaftlichen und kommerziellen Bereichen (Architektur, KFZ-Industrie, Wetter-dienst, ...) von großer Bedeutung für Planung und Analyse sein.

• Die industriellen Partner erhalten die Möglichkeit, neue Systemtechnik in einer belastbaren undbetriebsnahen Nutzerumgebung einzuführen und Aussagen über Stabilität, Bedienfreundlichkeitund Leistungsfähigkeit zu gewinnen. Die Verwertung der Erfahrungen im Projekt VIOLA wird


bei der Weiterentwicklung der Produkte und Dienstleistungen zum Tragen kommen und somit dieKonkurrenzfähigkeit verbessern.

I Beschreibung der Ziele

I.1 Wissenschaftlich - technische Arbeitsziele des VorhabensAusbau und Weiterentwicklung der Netztechnologie für das X-WiN mit weitgehend flexibel verfügba-ren Anschluss- und Kernnetzbandbreiten bis zu 10 bzw. 40 Gbit/s stellen in den nächsten Jahren einewesentliche Aufgabe des DFN-Vereins dar. Neben der reinen Erhöhung der Kapazität für Zugangs-und Kernnetzleitungen steht vor allem die Erhöhung der Netzintelligenz im Vordergrund. Der Aus-und Umbau des jetzigen IP-basierten Netzes steht dabei an zentraler Stelle. Um dies anwendungsnahzu konkretisieren, besteht Bedarf für die experimentelleUntersuchung neuer Netzkomponenten, die ineiner Testumgebung mit eigenen Netzstrukturen durchgeführt werden sollen. Zu den wichtigsten neu-en Netzaspekten gehören die dynamische Zuteilung von Bandbreiten (mittels Nutzung von WDM-oder SDH-Kanälen) und die Implementierung neuer Netzwerkarchitekturen (z.B. IP oder Gigabit-Ethernet auf WDM) mit hohen Bandbreiten (z.B. 10Gigabit-Ethernet).

Das Projekt VIOLA soll sich daher vor allem mit folgenden Fragestellungen befassen:• Welche Vermittlungs- und Managementfähigkeiten haben zukünftige Gerätegenerationen? Wie

wird die dynamische Bereitstellung von Bandbreiten implementiert? Wie werden optische und IP-Ebene miteinander verknüpft?

• Welche Eigenschaften ergeben sich durch verschiedene Architekturen von Netzprotokollen (z.B.IP, Gigabit-Ethernet auf WDM-Kanälen, ohne und mit Nutzung einer SDH-Schicht) und durchhöhere Bandbreiten?

• Wie sind die Betriebsfunktionen der Gerätetechnik im Hinblick auf Einfachheit, Stabilität, Fehler-behebung, etc. zu bewerten?

• Wie wirkt sich das Zusammenspiel von Netztechnik unterschiedlicher Hersteller im praktischenBetrieb aus?

• Welche zusätzlichen Komponenten (Middleware) sind zu entwickeln, damit die Anwendungendavon profitieren können?

• Welchen zusätzlichen Nutzen können Anwender aus neuen Funktionen (z.B. Anforderung einerschaltbaren Punkt-zu-Punkt-Verbindung) ziehen?

Ein wichtiges Ziel von VIOLA ist es, die neuen Konzepte, Technologien und Produkte unter diesenGesichtspunkten auch auf die Verwendbarkeit im X-WiN zu untersuchen. Zu diesem Zweck sollen inVIOLA Geräte eingesetzt werden, deren technische Eigenschaften entsprechend weit entwickelt sind.Die Ergebnisse aus VIOLA werden Beiträge für die Markterkundung und zur Spezifikation im Vor-feld der neuen Generation des Wissenschaftsnetzes liefern.

Für die Lösung der dargestellten Kernaufgaben des Projektes VIOLA ist das Zusammenspiel vonNetztechniken mit Anwendungsprojekten notwendig. Netzspezialisten erhalten dadurch die Möglich-keit, neue technische Komponenten unter vorbetrieblichen Randbedingungen kennenzulernen und zutesten. Die Anforderungen der Anwender gewährleisten dabei eine betriebsnahe Arbeitsweise, die aufden späteren Einsatz im Wissenschaftsnetz vorbereitet.

Umgekehrt wird Anwendungs- und Middleware-Entwicklern sowie Nutzern eine Netzumgebung zurVerfügung gestellt, die mit ihren Übertragungs- und Leistungsparametern sowie Funktionen des dy-namischen Bandbreitenmanagements in Deutschland und Europa bisher einmalig ist. Das soll in VIO-LA genutzt werden, um exemplarisch eine Reihe von Anwendungen zu entwickeln und zu demonstrie-ren, die aufgrund ihrer Ansprüche an Transferleistung und Übertragungsqualität in der heutigen Gene-ration von Betriebsnetzen nicht realisierbar wären. Solche Anwendungen findet man hauptsächlich inden Bereichen:

• Grid-Computing,• Tele-Kollaboration mit 3D-Visualisierung und virtuelle immersive Umgebungen,


• medizinische Bildübertragung,• Medienproduktion.• Wetterdienste.

VIOLA wird sich zunächst auf die beiden ersten, im technisch-wissenschaftlichen Umfeld besondersrelevanten Anwendungsfelder konzentrieren. Grid-Computing mit seinem Fokus auf der verteiltenNutzung verteilter Ressourcen (Höchstleistungsrechner, Großexperimente, Datenbanken, ...) stelltbesonders hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Kommunikationsnetze. Angesichts derstürmischen Entwicklung in diesem Bereich ist zu erwarten, dass Grid-Anwendungen im zukünftigenWissenschaftsnetz eine wichtige Rolle spielen. Ziel der Grid-Aktivitäten in VIOLA ist es, auf Basisdes in verschiedenen BMBF- und EU-geförderten Projekten zur Produktionsreife entwickelten Grid-Systems UNICORE ein Compute Grid aufzubauen, das Rechner-Cluster der Projektpartner unter be-triebsnahen Bedingungen für verteilte wissenschaftlich-technische Simulationen (Metacomputing)verfügbar macht. Hierbei sollen insbesondere Möglichkeiten erprobt werden, die sich aus der Fähig-keit des Testbeds ergeben, Anwendungen durch dynamisches Bandbreitenmanagement auf Anforde-rung Netzwerkleistung zur Verfügung zu stellen.

Indem dieses VIOLA-Grid von einer Reihe von Anwendungen aus verschiedenen Bereichen genutztwird, ergeben sich weitere Synergien. Zum einen ist – in ähnlicher Weise wie für die Netzwerktechnik– eine hinreichende Anzahl unterschiedlicher Anwendungen erforderlich, um die eingesetzte Grid-Middleware zu erproben und weiterzuentwickeln. Zum anderen können die Anwender das VIOLA-Grid nutzen, um ihre Anwendungen frühzeitig für zukünftige Grid-Umgebungen nutzbar zu machen.

Ein zweiter Schwerpunkt der Anwendungen in VIOLA liegt bei der „Virtual Reality“ bzw. Teleim-mersion. Anwendungen dieser Art ermöglichen das Hineinversetzen in eine Problemwelt und/oder die„plastische“ Telekooperation zwischen mehreren räumlich getrennten Personen. Für die Netzanforde-rungen sind Burstanforderungen und Qualitätsmerkmale (Echtzeitverhalten) von Bedeutung.

Über die in diesem Vorhaben zunächst geplanten Anwendungen hinaus ist vorgesehen, die Infra-struktur von VIOLA auch anderen, nicht notwendigerweise geförderten Anwendungen zugänglich zumachen. Weiterhin ist nach dem Start von VIOLA eine neue Ausschreibung für Anwendungsprojektezur Nutzung von VIOLA geplant. Als Folge dieser Ausschreibung kann es auch noch zu einer räumli-chen Erweiterung von VIOLA auf weitere Standorte kommen.

VIOLA bietet insgesamt eine praxisnahe Umgebung für Feldtests mit neuen Techniken. Angeschlos-sene DFN-Einrichtungen können mit der hohen Leistungsfähigkeit des Testbeds systemtechnischeErfahrungen sammeln und neue Anwendungen testen. Damit bildet das Projekt VIOLA einen wichti-gen Zwischenschritt auf dem Weg von Entwicklungsumgebungen mit Laborcharakter zu produktions-reifen Wirknetzen und knüpft an die erfolgreiche Methodik der Regionalen Testbeds und der Gigabit-Testbeds an.

I.2 Wirtschaftliche Ziele und VerwertungsinteressenVIOLA wird als betriebsnahes Testbed implementiert, das in der Entwicklungskette von• Grundlagenforschung, -entwicklung;• Komponentenentwicklung;• Labortests;• Testumgebung;• Betriebsumgebung;im Testbereich angesiedelt ist und den vorkommerziellen Einsatz neuer Gerätetechnik beinhaltet.


Für die industriellen Teilnehmer besteht dadurch die Möglichkeit, ihre Geräte- und Systementwick-lungen in einer realitätsnahen Testumgebung zu erproben, die durch anspruchsvolle Anwendungspro-jekte hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit (Durchsatz, Realzeitverhalten, Verfügbarkeit etc.)des Systems stellt. Im Testbed werden verschiedene Technologien und Entwicklungen unterschiedli-cher Hersteller und ihr Zusammenspiel getestet. Durch das Feedback kompetenter Testpartner kommtes in enger Zusammenarbeit mit den Herstellern zur Ausreifung der Produkte, wodurch nachfolgendeAbsatzchancen verbessert werden.Der DFN-Verein ist durch die im Projekt erworbene Kompetenz in der Lage, ein hohen Ansprüchengenügendes X-WiN zu konzipieren und aufzubauen, das der Wissenschaft in Deutschland Standort-vorteile gegenüber anderen Ländern bringt. Es hat sich in der Vergangenheit bei den Vorläufertestbedsgezeigt, dass zunächst die Wissenschaft in Deutschland von den Testbeds des DFN-Vereins profitiert,und daran anschließend die nicht wissenschaftlichen Netze von den Kenntnissen und Erfahrungen ausdem Wissenschaftsbereich Nutzen ziehen konnten. Auch der Ausbildungsaspekt spielt eine bedeuten-de Rolle. Im Wissenschaftsbereich werden in Forschungsprojekten ständig neue Mitarbeiter qualifi-ziert, die von der Wirtschaft übernommen werden und dort Impulse für Weiterentwicklungen geben.Besonders in einem so innovativen Gebiet wie den optischen Übertragungsverfahren ist diese Qualifi-zierung von enormer Wichtigkeit für die weitere Dynamisierung der Informations- und Kommunikati-onstechnologien. Auch trägt diese Entwicklung in der Informations- und Kommunikationstechnikdazu bei, Deutschland zu einem interessanten Standort für die Produktion und Forschung werden zulassen und dadurch weitere international führende Unternehmen nach Deutschland zu ziehen.

Das Projekt VIOLA wird als Konsortium mit Unterauftragnehmern organisiert. Die Teilnehmer undFunktionen sind in Abb. 1 dargestellt.

Abb.1: Die organisatorische Struktur von VIOLA

DLR Projektträger BMBFBMBF

Einzelverträge unter den

Bedingungen desKooperationsvertrages

VIOLA-Konsortium VIOLA-KonsortiumKonsortialführer DFN-VereinKonsortial- RWTH-Aachen, Uni-Bonn,mitglieder FH-BRS

FhG, FZJ, CAESARAlcatel, Siemens, T-Systems

Unteraufträge anHersteller, Carrier

AZA = Antrag für eine Zuwendung auf AusgabenbasisAZK = Antrag für eine Zuwendung auf Kostenbasis

AZA AZK AZK

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und

Drit

ter


I.3 Verwertungsziele

I.3.1 DFN-VereinDas Wissenschaftsnetz orientiert sich am jeweiligen Spitzenstand der Technik. Die Weiterentwicklungerfolgt dabei in Phasen, die jeweils mit einem Technologiewechsel verbunden sind. Innerhalb dieserPhasen findet ein inkrementelles Wachstum statt. Der gegenwärtig erreichte Leistungsstand im G-WiNkann vertragsgemäß ohne grundlegenden Technologiewechsel durch Erhöhung der Kapazität im Zu-gangs- und im Kernnetz noch einige Zeit weiter wachsen. Ein zukünftiger Technologiewechsel wirdvoraussichtlich mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden sein, da die technische Plattformdann komplett oder mindestens in großen Teilen ausgetauscht werden muss. Dieser Vorgang erfordertdaher eine umfassende technische und wirtschaftliche Planung. Während die grundsätzliche wirt-schaftliche Anforderung, dass sich das Netz finanziell durch die Einnahmen tragen muss, bestehenbleibt, gibt es für die Gestaltung der technischen Basis verschiedene Möglichkeiten.

Gegenwärtig wird die komplette Faser/WDM/SDH-Plattform des G-WiN-Kernnetzes „eingekauft“.Zukünftig ist die (andernorts bereits praktizierte) Einbringung eigener Glasfaserstrukturen in das WiNeine mögliche Alternative zu diesem bisherigen Ansatz (bzw. eine Kombination beider Varianten).Die Analyse der finanziellen, technischen und betrieblichen Aspekte wird bestimmen, welche Kombi-nation aus „Dark Fiber“ und Mehrwertdienst in einer neuen WiN-Generation implementiert wird.

Das Projekt VIOLA ist auf die Erkundung technischer Alternativen ausgerichtet. Die dynamische Be-reitstellung von Bandbreiten, wie sie im Grid-Umfeld genannt werden (1 bis 10 Gbit/s über GE, STM-16, STM-64), ist mit dem jetzigen Netzausbau nicht realisierbar. In VIOLA werden dazu entsprechen-de Ansätze geprüft, Betriebserfahrungen gesammelt und Einsatzvarianten getestet. Nach jetziger Ter-minplanung ist 2005 mit der Vorbereitung der Ausschreibung für das X-WiN zu rechnen. Zu diesemZeitpunkt sollten erste Ergebnisse aus dem Projekt VIOLA vorliegen und in die Ausschreibung ein-fließen.

Die technischen Fragestellungen enthalten u.a. folgende Punkte:- Welche Konflikte ergeben sich bei der dynamischen Verwaltung von Bandbreiten (z.B. mittels

mehrerer „Wellenlängen“ oder SDH-Kanäle) in nicht-trivialen Topologien?- Benötigt man eine zentrale Instanz (Managementsystem, Bandbreitenverwaltung)?- Wie organisiert man die standardgerechte Signalisierung (GMPLS, OIF-Schnittstellen)?- Wie schnell und wie stabil funktioniert das Gesamtsystem?

Einige Betriebsgesichtspunkte sind ebenfalls aus VIOLA herauszuziehen und von Wert für die Pla-nung des Nachfolgenetzes:- Ist eine auf dynamischer Bandbreitenzuordnung beruhende Infrastruktur aus Betriebssicht zu ver-

walten und zu beherrschen? Welcher Aufwand ist abschätzbar (Personal, Spezialgeräte etc.)?- Sind heterogene Umgebungen der Netztechnik in ein Managementsystem integrierbar?

Diese Punkte tragen Beispielcharakter. Je nach Ergebnis können die Verfahren dann für das X-WiNausgewählt oder verworfen werden. Das gilt sowohl für die technischen Erkenntnisse als auch für dieErkenntnisse zum Betriebsmodell. Eine weitere zu untersuchende Fragestellung besteht darin, zu er-kunden, ob die in VIOLA erprobte Lösung eine zum jetzigen G-WiN zusätzliche Architektur bedeutet,die nur für entsprechende Anforderungen eingesetzt wird oder ob diese Plattform auch für die „nor-malen“ Dienstangebote verwendet werden soll. Diese Frage ist in der vollen Komplexität nicht in VI-OLA darstellbar und soll verdeutlichen, dass das Projekt VIOLA ein wichtiger, aber kein allumfassen-der Ansatz für die Gestaltung des X-WiN sein wird.

I.3.2 Fraunhofer-GesellschaftDie Fraunhofer-Gesellschaft betreibt anwendungsorientierte Forschung zum unmittelbaren Nutzen fürUnternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner und Auftraggeber sind Industrie- undDienstleistungsunternehmen sowie die öffentliche Hand. Im Auftrag und mit Förderung durch Minis-terien und Behörden des Bundes und der Länder werden zukunftsrelevante Forschungsprojekte durch-geführt, die zu Innovationen im öffentlichen Nachfragebereich und in der Wirtschaft beitragen.


Institut für Medienkommunikation (IMK), Sankt AugustinDas Institut für Medienkommunikation betreibt Forschung und Entwicklung im Bereich der neuenMedien in all ihren Facetten der Inhaltsgestaltung, Produktion, Distribution und Interaktion. Ziel desInstituts ist, Einsatzrahmen und Möglichkeiten der neuen Medien zu erweitern, ihr kreatives und sozi-ales Potential zu erforschen, innovative Lösungen zu entwickeln sowie neue Anwendungsfelder zuerschließen. Zu den Schlüsselthemen des Instituts gehören Virtuelle Umgebungen, Interaktives Fern-sehen, Interface Technologien, Digital Storytelling, Management und Verteilung von Multimedia-Inhalten, webbasierte Lösungen und Wissensmanagement. Die Forschungsgruppe Content Deliveryverfügt über langjährige Erfahrung im Aufbau, Betrieb und Analyse von Hochgeschwindigkeitsnetzen.Für den DFN-Verein wurden im Rahmen von Testbeds neueste Netztechnologien für Hochgeschwin-digkeitskommunikation eingesetzt und untersucht. Unterschiedliche Protokolle wie ATM, Gigabit-Ethernet und IP im heterogenen Umfeld wurden in anwendungsorientierter Umgebung getestet undauf Interoperabilität und Performance analysiert. Für den Aufbau eines Testbeds für optische Netz-komponenten wurden umfangreiche Voruntersuchungen durchgeführt.

Die in VIOLA eingesetzte Übertragungstechnik, wie z.B. die dynamische Anforderung von Band-breiten mittels Signalisierung, und die dabei gewonnenen Erfahrungen können bei zukünftigen Pro-jekten von IMK verwertet werden, um bandbreitenintensive verteilte Anwendungen im Multimedia-Bereich zu realisieren. Die gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen können außerdem bei Konzep-tion X-WiN eingebracht werden.

Die Forschungsgruppe Virtual Environments (VE) betreibt angewandte Spitzenforschung im BereichVirtual Reality (VR)/Augmented Reality (AR) und VE. Ein interdisziplinäres Team arbeitet an intelli-genten virtuellen Umgebungen für alle fünf Sinne und entwickelt effiziente Visualisierungsalgorith-men, Interaktionsgeräte und -paradigmen sowie verteilte und kooperative immersive Systeme. In denVE-Labs werden Anwendungen in den Bereichen Architektur/Ingenieurwesen/Konstruktion, Kultu-relles Erbe, Digital Storytelling und Authoring, Spiele/Edutainment, Geowissenschaften / Astronomieund Medizin erarbeitet.

Die mit der VIOLA-Anwendung „KoDaVis" gewonnenen Erfahrungen bezüglich verteilter Arbeits-und Visualisierungstechniken, können sowohl in zukünftigen Projekten des IMK als auch in der In-dustrie eingesetzt werden. Dabei sind insbesondere Erfahrungen hinsichtlich der Interoperabilität hete-rogener Softwaresysteme zur Visualisierung besonders wertvoll. Mit diesen Erfahrungen können wei-tere technische Lösungen erarbeitet und im Anschluss für die Industrie angepasst und evaluiert wer-den.

Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen (SCAI), Sankt AugustinDas Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen (SCAI) entwickelt mathematische undinformatische Methoden für Anwendungsprobleme der Industrie sowie für Probleme der Natur- undIngenieurwissenschaften. Die Abteilung Web-basierte Anwendungen (WEB) verfügt über langjährigepraktische Erfahrungen mit Web-Technologien und Grids und ist an nationalen und internationalenProjekten beteiligt. Insbesondere durch die aktive Beteiligung am Global Grid Forum ist die Abteilungan der Weiterentwicklung und Standardisierung der Grid-Technologie in Richtung einer industriellnutzbaren Basistechnologie beteiligt. WEB betreibt ein Grid-Testbed das von verschiedenen Projektengenutzt wird und Partnern sowie Interessierten für Experimente zur Verfügung steht. Ein Schwerpunktder Forschung und Entwicklung der Abteilung sind Softwaresysteme für das Management von Res-sourcen. Im Rahmen von VIOLA wird diese Technologie erweitert, um das Management von Band-breiten im optischen Netz zu integrieren.

Die Ergebnisse des VIOLA-Projektes werden in den zukünftigen, geplanten Projekten weiterverwen-det. Besondere Bedeutung kommt dabei den europäischen Großprojekten CoreGrid und SimDat zu, andenen SCAI federführend beteiligt ist. Auch im Rahmen des existierenden Fraunhofer Resource Gridkönnen Ergebnisse des VIOLA-Projektes unmittelbar weiterverwendet werden. Darüber hinaus wer-den Resultate und Erfahrungen in die relevanten Arbeits- und Forschungsgruppen des Global GridForums eingebracht werden.


I.3.3 FZ JülichDas Zentralinstitut für Angewandte Mathematik (ZAM) ist eines von 39 wissenschaftlichen Institutendes Forschungszentrums Jülich, einem multidisziplinären Zentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft,dessen Forschungsschwerpunkte in den Informations-, Lebens- und Umweltwissenschaften sowie denBereichen Materie und Energie liegen. Das ZAM ist für die Höchstleistungsrechner und zentralenServer sowie die Datenkommunikation im Forschungszentrum verantwortlich und betreibt im Rahmenden John von Neumann-Instituts für Computing (NIC) ein nationales Supercomputer-Zentrum. AlsKompetenzzentrum für Wissenschaftliches Rechnen betreibt es Forschung und Entwicklung und bietetAusbildung in Mathematik, Informatik und der Anwendung von Informationstechnik. Die Schwer-punkte der Aktivitäten: Algorithmen, Software und Tools für Simulationen und deren Visualisierungsowie Grid-Computing und Hochleistungskommunikation orientieren sich dabei an den Aufgabeneines wissenschaftlichen Höchstleistungsrechenzentrums.

Die in diesem Projekt aufgegriffenen Fragestellungen dienen der Weiterentwicklung des ZAM alsHöchstleistungsrechenzentrum und fügen sich daher nahtlos in seine Forschungs- und Entwicklungs-aktivitäten ein. Fortgeschrittene Breitbandnetze sind eine notwendige Voraussetzung für ein Zentrumwie das NIC, das Anwendergruppen in ganz Deutschland besitzt und mit anderen Rechenzentren aufnationaler und Europäischer Ebene kooperiert. Das Grid-Computing mit seinem Fokus auf verteilterNutzung verteilter Ressourcen verstärkt noch den Bedarf an Netzwerkkapazität und neuen Dienstenwie dynamisches Bandbreitenmanagement und Dienstgütegarantien (QoS). Das ZAM hat sich daher inder Vergangenheit u.a. in einer Reihe von Testbeds und anderen Projekten des DFN engagiert, in de-nen jeweils neue Kommunikationstechniken untersucht wurden (Regionales Testbed-NRW, GigabitTestbed West, DFN-PAB) und wird in ähnlicher Weise von den Entwicklungen in VIOLA in diesemBereich profitieren.

Das ZAM ist seit vielen Jahren im Grid-Computing mit dem Schwerpunkt auf „stoßkantenfreiem Zu-gang zu Supercomputern“ aktiv und hat im Rahmen nationaler und Europäischen Projekte (UNICO-RE, UNICORE Plus, EUROGRID, GRIP, OpenMolGRID, GRIDSTART) das Grid-System UNICO-RE bis zur Produktionsreife entwickelt. Die im Rahmen von VIOLA geplanten Weiterentwicklungenund Betriebserfahrungen in einem UNICORE-basierten Compute-Grid mit einem breiten Spektrumunterschiedlicher Anwendungen werden wichtige Erkenntnisse für eine Umsetzung in größerem Maß-stab wie etwa dem Deutschen HPC-Grid oder analogen Europäischen Vorhaben (z.B. im geplantenEU-Projekt DEISA) liefern. Im gleichen Zusammenhang sind auch die geplanten Arbeiten im Bereichder kollaborativen Visualisierung wissenschaftlicher Daten zu sehen, die für die verteilten Nutzer-gruppen des NIC neue und effektivere Möglichkeiten der Zusammenarbeit eröffnen werden.

I.3.4 Alcatel SEL AGAlcatel wendet als ein weltweit führendes Unternehmen der Telekommunikationsbranche nicht nur13,2 Prozent seines Umsatzes für Forschung und Entwicklung auf, sondern ist auch bei der Standardi-sierung neuer Technologien in allen wesentlichen Gremien aktiv. Alcatel arbeitet in Deutschland z. B.im Rahmen der Initiative D21 als auch in enger Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen anSchlüsseltechnologien mit, um Breitbandtechnologien in Deutschland und Europa als auch weltweitfür Endverbraucher und Netzbetreiber zur Verfügung zu stellen. Die Netze der Zukunft müssen aufder einen Seite einen kostengünstigen Zugang zum Endkunden gewährleisten und gleichzeitig eineeffektive Nutzung aller vorhandenen Netzressourcen sicherstellen.

Das Projekt VIOLA bietet in Deutschland erstmalig die Möglichkeit, in einem praxisorientierten, hete-rogenen Netz zu testen, ob Technologien wie GMPLS, d.h. die dynamische Steuerung der Bandbreitein einem WDM-basierten Backbone Netz, für hochbitratige IP Anwendungen ausreichende Kapazitätund Flexibilität zur Verfügung stellen können. VIOLA wird hier alle benötigten Netzbausteine in ei-nem Netz zusammenfassen und die unterschiedlichen Bedürfnisse für breitbandige Anwendungenbedienen. Auch die Synergie von Bandbreite und flexibler, intelligenter Verschaltung ist eine Heraus-forderung für das Projekt VIOLA, insbesondere im Hinblick auf die Betreibbarkeit und Praktikabilität


von dynamisch geschalteten optischen und IP basierten Netzen. Des weiteren werden im Rahmen desProjektes u.a. die Möglichkeiten von GMPLS untersucht, um auch im Ethernetbereich dynamischesBandbreitenmanagement nutzen zu können.

Somit stellt VIOLA eine wichtige Möglichkeit für Alcatel dar, neueste Technologie auf diesem Gebietpraxisnah zu erproben und so wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Produkte zu ge-winnen. Insbesondere die Einbindung realer Anwendungen versprechen wesentliche und neue Er-kenntnisse für zukünftige Netzarchitekturen in Deutschland und vielen anderen Ländern, in denenAlcatel ebenfalls aktiv an neuen Netzarchitekturen arbeitet.

I.3.5 Siemens AGDie Siemens AG ist ein führendes deutsches Industrieunternehmen, mit ca. 420.000 Mitarbeiternweltweit, wovon 41 % in Deutschland arbeiten. Innovation, Forschung und Entwicklung haben traditi-onell einen hohen Stellenwert bei Siemens. Darunter fällt unter anderem die aktive Mitarbeit bei Inno-vationsprojekten. In diesem Zusammenhang hat der Leiter des Siemens-Unternehmensbereiches In-formations- und Kommunikationsnetze, Herr Thomas Ganswindt, kürzlich den Vorsitz der InitiativeD21 übernommen.

Als eine der großen netztechnischen Herausforderungen in der nahen Zukunft sehen wir das Zusam-menspiel („interworking“) unterschiedlicher Netzdomänen mit verschiedenen Herstellern. Für diesesMulti-Domain- und Multi-Vendor-Interworking eignet sich vor allem der Automatic-Switched-Transport-Network-Ansatz (ASTN) mit GMPLS, der sich gerade in der Standardisierung befindet.Hiermit wird auch dynamische Bandbreitenzuweisung einfacher, durch die Netzschnittstellen UNI undNNI. Das Projekt VIOLA wird es ermöglichen, diese Technik unter Praxisbedingungen zu testen,unter Einbeziehung realer Anwendungen. Desweiteren ist zu erwarten, dass hierdurch Beiträge zurStandardisierung geleistet werden können. Ein weiteres wesentliches Arbeitsgebiet ist das Thema E-thernetvernetzung. Hier bietet VIOLA die Möglichkeit, neben dem Zusammenspiel von Technik un-terschiedlicher Hersteller, auch verteilte Layer-2-Techniken und deren Auswirkungen auf die Anwen-dungen zu untersuchen.

Für Siemens haben sowohl die Entwicklungsleistungen, die in VIOLA durchgeführt werden, als auchdie Erkenntnisse aus dem Zusammenspiel mit anderen Herstellern, z. B. im Hinblick auf die Standar-disierung, einen hohen Stellenwert. Dazu kommt, dass die VIOLA-Netzinfrastruktur für innovativeAnwendungen genutzt werden wird. Die Mitarbeit im Projekt VIOLA wird die Wettbewerbsfähigkeitder in Deutschland entwickelten und hergestellten Produkte von Siemens weiter steigern.

I.3.6 T-Systems International GmbHDie T-Systems International GmbH ist ein hundertprozentiges Tochterunternehmen der DeutschenTelekom und verantwortet für definierte Großkunden das Systemlösungsgeschäft des Konzerns. Überzielgerichtete Organisationsstrukturen adressiert die T-Systems seit vielen Jahren das Segment For-schung und Lehre sowohl in Deutschland als auch im internationalen Bereich. Als Komplettanbieterkann damit bei den jeweiligen Entwicklungsstufen der Wissenschaftsnetze das vorhandene KnowHow des Konzerns gesamtheitlich eingebracht und beim Einsatz neuer innovativer Techniken einmaßgeblicher Beitrag zur Weiterentwicklung gestaltet werden. Die Bewertung der Leistungsfähigkeitkonnte über europaweite Ausschreibungen erbracht werden.

Die zukunftsweisenden Anforderungen neuer Anwendungen wie z. B. Simulationen, Virtual Realityauf Basis von Grid-Computing verlangen weit mehr als hohe Bandbreiten mit kurzen Schaltzeiten. T-Systems hat sich dabei auf Technologien mit hoher Flexibilität und somit einem Höchstmaß an Inves-titionsschutz fokussiert. Als Hersteller-unabhängiger Lösungsanbieter kann sich T-Systems zudemausschließlich am Kundenbedarf orientieren. Sämtliche Entwicklungsaktivitäten bei der DeutschenTelekom AG sind in der T-Systems Nova als integraler Bestandteil der T-Systems gebündelt.


Zielsetzungen der T-Systems in VIOLA:

a) Gewinnung von Erfahrung mit neuer Technologie

• Entwicklung automatisierter Prozesse für die Signalisierung von anwendungsgetriebenen Band-breitenanforderungen

• Austesten neuer Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus der Protokolltransparenz ergeben• Untersuchungen zu zukunftsweisenden Übertragungstechnologien bis 40 Gbit/s• Aktive Unterstützung der Standardisierung und Implementierung von Signalisierungsfunktionen

wie GMPLS.

• Gemeinsam abgestimmte Testszenarien zur Gewinnung von Erkenntnissen für den Betrieb bzw.von QoS-Parametern innovativer Netzplattformen, geeignet für ein künftiges Wissenschaftsnetz.

b) Unternehmenspolitische Motivation

• Enge Zusammenarbeit zwischen Projektträger, Betreiber und Ausrüster von TK-Netzen• Gemeinsame Marketingaktionen (z.B. öffentlichkeitswirksame offizielle Inbetriebnahme, Messe-

präsentationen, Presseveröffentlichungen etc.).

• Festigung und Ausbau der langjährigen Partnerschaft der T-Systems International GmbH bei in-novativen Projekten für die Wissenschaft in Deutschland.

• Gewinnung von Erkenntnissen zur Gestaltung künftiger Netzplattformen im Konzern DeutschenTelekom AG sowie zukunftsweisender neuer Dienste (z.B. All Optical Switching, Grid, 40-Gbit/s-Übertragung, Gigabit-Ethernet-Anwendungen etc.).

I.3.7 CaesarDie Simulationsergebnisse die mit Hilfe des Compute Grids in VIOLA erstellt werden, dienen direktder materialwissenschaftlichen Forschung im Bereich der Kristallzüchtung bzw. der Entwicklung vonBiosensoren zur schnellen medizinischen Diagnostik. Das Compute Grid in VIOLA und die in demProjekt aufgesetzte gekoppelten Anwendungen werden auch nach der Projektlaufzeit für Simulatio-nen im Bereich der Kristallzüchtung bzw. dem Sensordesign eingesetzt, um die kristallzüchtende In-dustrie in ihren F&E Vorhaben bzw. die Entwicklungen bei caesar zu unterstützen. Neben diesen an-wendungs-bezogenen Ergebnissen, die nur durch die geschaffene Infrastruktur des Compute Grids inVIOLA möglich werden, wird eine Plattform geschaffen, die gekoppelte Anwendungen in hoherKomplexität möglich macht. Die Erfahrungen des Projektes im Bereich der Volumenkopplung bzw.Oberflächenkopplung zwischen verschiedenen Clustern lassen sich auf verschiedenste Anwendungs-felder übertragen.Durch eine aktive Beteiligung von caesar an VIOLA sehen die Arbeitsgruppen „Crystal Growth“ und„Modellierung und Simulation“ eine Erweiterung der Kompetenzen im Bereich wissenschaftlichesRechnen hin zu dem zukunftsträchtigen GRID-Computing. Sowohl die Erfahrungen mit UNICOREals auch die Ergebnisse einer Kopplung mit MpCCI werden in weiteren Projekten bei der Simulationvon Materialherstellungsprozessen eingesetzt.

I.3.8 RWTH AachenDie RWTH Aachen ist sich als technische Hochschule der Wichtigkeit der Simulation als drittesStandbein der Wissenschaft neben Theorie und Experiment bewusst. Mit der zunehmenden Komple-xität der durchgeführten Simulationen, wie sie auf dem vor kurzem beschafften Hochleistungsrechneram Rechen- und Kommunikationszentrum (RZ) der RWTH möglich sind, steigen aber auch die An-forderungen an die Methoden, mit denen die Ergebnisse solcher Simulationen dargestellt werden. Auf2D-Techniken (Monitor und Maus) und Animationen beruhende Visualisierungsmethoden reichenallein nicht mehr aus, um die in aktuellen Forschungsprojekten durchgeführten Simulationen in ihrer


vollen Komplexität zu erfassen. Ingenieurswissenschaftler fordern die Möglichkeit einer interaktivenExploration von Simulationsdaten im dreidimensionalen Raum (Virtual Reality, VR), um kompliziertedynamische System- und Prozesszusammenhänge interpretieren zu können.

Zur organisatorischen Bündelung der verschiedenen interdisziplinären Aktivitäten in den BereichenVR und Visualisierung sowie für einen strukturierten Ausbau der VR-Kompetenz in den GebietenHardware, Software und Methodik hat die RWTH Aachen im April 2000 das Virtual Reality CenterAachen als Arbeitsgemeinschaft des Forum Informatik gegründet. Über das VRCA, in dem derzeit 34RWTH-Institute sowie Firmen aus der Region Aachen organisiert sind, konnte bereits eine deutlicheSteigerung der Qualität in der VR-Methodenforschung und in der Entwicklung von VR-Anwendungenerreicht werden. 14 Mitglieder des VRCA sind mit der Analyse strömungsmechanischer Problemebefasst und können insbesondere von den Ergebnissen des Teilprojekts KoDaVis profitieren, welchesin die Aktivitäten des VRCA eingebettet werden soll.

Als zentrale Einrichtung der RWTH Aachen bietet das Rechen- und Kommunikationszentrum Res-sourcen und Dienstleistungen für Institute, Angehörige und Studierende der Hochschule an. Hauptauf-gaben des RZ sind die Planung, der Betrieb und die Bereitstellung von zentralen Daten-, Rechen-,Visualisierungs- und Kommunikationsanlagen und der darauf aufbauenden Dienste. Insbesondereleistet das RZ methodische Unterstützung und Projektunterstützung im Bereich desHochleistungsrechnens in Fragen der Optimierung und Parallelisierung sowie im Bereich Virtual Rea-lity.

Am RZ arbeitet eine Gruppe von derzeit 10 Wissenschaftlern an der Entwicklung von VR-Methodikund der Integration von VR-Techniken in konkrete, anwendungsorientierte Forschungsprojekte. InKooperation mit Lehrstühlen und Instituten der RWTH entwickelt das RZ Software und Methoden zurmultimodalen Interaktion mit virtuellen Umgebungen, welche unter anderem die Einbeziehung vonKraftrückkopplungsmechanismen erlauben. Die bislang durchgeführten Arbeiten stammen aus demBereich der Ingenieurswissenschaften (Robotik, Strömungssimulation, Umformprozesse, Montagesi-mulation), Medizin und Architektur. Zur Realisierung der Projekte wird am RZ die plattformunabhän-gige VR-Software ViSTA entwickelt, welche sich durch die Verwendung offener Standards auszeich-net. Zur Realisierung von VR-Projekten ist am RZ eine moderne VR-Infrastruktur installiert. Zurräumlichen Visualisierung virtueller Umgebungen stehen mehrere Projektionstische mit einer bzw.zwei Projektionsflächen sowie ab Sommer 2004 eine fünfseitige CAVE zur Verfügung.

Zur Unterstützung der vielen mit numerischen Simulationen befassten RWTH-Institute sowie derenindustrieller Partner hat das RZ einen auf ViSTA aufbauenden Visualisierungsservice zur interaktivenAnalyse numerischer Simulationen in virtuellen Umgebungen entwickelt, welcher über das Teilvorha-ben KoDaVis signifikant erweitert werden kann. Zur Analyse sehr großer Datensätze beinhaltet derVisualisierungsservice derzeit ein – vor dem Hintergrund geringer Netzwerkbandbreiten auf dieVersendung graphischer Primitive beschränktes – Konzept, in dem dedizierte Parallelrechner in belie-biger Kombination mit Graphik-Workstations zu einem gemeinsamen VR-System verknüpft werdenkönnen. Über VIOLA kann dieses Konzept unter anderem um die direkte Visualisierung entfernt ab-gespeicherter umfangreicher Daten sowie die Unterstützung verteilter Arbeitsgruppen wesentlich er-weitert werden.

I.3.9 Universität BonnDie Arbeitsgruppe Prof. Dr. P. Martini am Institut für Informatik IV der Universität Bonn befasst sichseit Jahren intensiv in Forschung und Lehre mit Kommunikationsnetzwerken. Hier sind insbesonderedie Forschungsaktivitäten im Bereich der Reservierung von Ressourcen, die etwa zur Erbringung vonDienstgüte in multimedialen Anwendungen und Hochleistungsnetzen eingesetzt werden, sowie diesimulative Leistungsbewertung von Kommunikationsprotokollen hervorzuheben. Ein weiterer Ar-beitsschwerpunkt liegt auf dem Gebiet der mobilen Kommunikation, hier vor allem bei Verfahren fürAd-Hoc Routing Protokolle, aus denen sich Querbezüge zu den in VIOLA untersuchten dynamischenBandbreitenregelungen erwarten lassen.

Für die Universität Bonn ergeben sich in wirtschaftlicher Hinsicht aus der Kombination der beteiligtenIndustriepartner und Forschungseinrichtungen mit der Entwicklung und praxisnahen Erprobung neuerVerfahren und Techniken wichtige Impulse für die Schaffung von Kernkompetenzen auf diesem


wichtigen Zukunftsfeld, die zur Einwerbung von Drittmitteln genutzt werden sollen. Wissenschaftlichgeprägtes Nutzungsziel ist in erster Linie das Erzielen von hochwertigen praktischen und theoretischenForschungsergebnissen. Nicht-vertrauliche Projektergebnisse sollen bei nationalen und internationalenKonferenzen oder in einschlägigen Journalen veröffentlicht werden. Ferner sollen die im Projekt er-zielten Erfahrungen die weiteren Forschungsaktivitäten und die Lehre der Arbeitsgruppe stärken sowiedie Qualität der Ausbildung durch den Einblick und die frühzeitige Auseinandersetzung mit modernenZukunftstechnologien erhöhen.

I.3.10 Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg

Die Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg betreibt innovative anwendungsorientierte Forschung und Ent-wicklung in enger Kooperation mit Unternehmen, Forschungsinstituten und Hochschulen. Der Fach-bereich Informatik am Standort Sankt Augustin als einer von sechs Fachbereichen hat – nicht zuletztaufgrund der regionalen Nähe zu wichtigen Unternehmen der Telekommunikationsbranche inDeutschland – in Forschung und Lehre einen Schwerpunkt Telekommunikation, in dem zukunftswei-sende Themen der Telekommunikation und verteilter Anwendungen aus unterschiedlichen Blickwin-keln adressiert werden. Die Forschung und Entwicklung am Labor für Parallele und Verteilte Systemebefasst sich dabei speziell mit effizienten parallelen und verteilten Softwaresystemen, Schlüsselthe-men sind hierbei Leistungsanalyse von und Middleware für solche Systeme.

Die wissenschaftlichen Ergebnisse und die praxisorientierten Erfahrungen mit neuen Technologien,die im Projekt VIOLA mit bandbreitenintensiven Anwendungen ebenso wie mit verteilten rechenauf-wendigen Grid-Anwendungen im VIOLA Compute Grid gewonnen werden, fließen in zukünftigeProjekte ein, ein Wissenstransfer in die Industrie wird dabei angestrebt. Das Labor für Parallele undVerteilte Systeme betreibt bereits ein Compute Cluster, das als Testbed von Partnern und Interessier-ten genutzt wird und das Teil des VIOLA Compute Grids wird. Die Erfahrungen, die mit einem räum-lich verteilten, über ein Netz hoher Bandbreite verbundenen Compute Grid gewonnen werden, sollenin zukünftigen Grids von Forschungsverbünden, in denen die Hochschule vertreten ist, eingebrachtwerden. Die am Labor entwickelte Middleware für parallele Anwendungen wird in VIOLA speziellfür rechenaufwändige Grid-Anwendungen angepasst und weiterentwickelt, die Fortführung dieserEntwicklung auch über das Projektende von VIOLA hinaus ist vorgesehen. Die Middleware wird Inte-ressierten auch außerhalb des Forschungsverbundes zur Verfügung gestellt werden. Unter forschungs-politischen Gesichtspunkten bietet die aktive Zusammenarbeit der maßgeblichen Forschungsinstituteder Region in einem Forschungsverbund neben der Vernetzung die Möglichkeit der umfassenden Be-handlung von Fragestellungen auf diesem zukunftsrelevanten Themengebiet.

II Bezug des Vorhabens zu Programmen im In- und Ausland

II.1 Förderpolitische Ziele des BundesDer Projektantrag bezieht sich auf das Förderprogramm des BMBF "IT Forschung 2006" (hier speziellKap. 4.4: Internet-Grundlagen und –Dienste sowie 4.2.2 Höchstleistungsrechnen und Grid-Computing).

Das heutige Internet wird vielen Anforderungen, wie Echtzeitanforderungen, der breitbandigen Über-tragung innerhalb von Anwendungen (z.B. Visualisierung hochwertiger Daten, Teleimmersion, ver-teilte Berechnung von Simulationsdaten etc.) nicht ausreichend gerecht, weil die erprobten und imEinsatz befindlichen Netztechnologien diese Anforderungen nicht bedienen können. Die digitale Re-volution ist also bei weitem noch nicht abgeschlossen. Deshalb ist es erforderlich, neue Netztechnolo-gien zu entwickeln und im Realbetrieb zu erproben, die den Herausforderungen im Anwendungsbe-


reich gerecht werden. In Initiativen wie Internet2 in den USA, CSTnet in China oder Netherlight inHolland werden solche Aufgaben bearbeitet.

Mit VIOLA werden neue Netztechnologien in enger Kooperation mit der Wirtschaft für den Aufbaueines innovativen X-WiN getestet. Das dabei erworbene Know-How kommt sowohl der Wissenschaft,die in Deutschland bereits über ein leistungsstarkes Wissenschaftsnetz verfügt, als auch der Wirt-schaft, die durch eine enge Zusammenarbeit beim Aufbau des Testbeds reiche Erfahrungen für dieWeiterentwicklung ihrer Produkte machen wird, zugute. Dies stärkt den TechnologiestandortDeutschland und bringt Standort- und Wettbewerbsvorteile sowohl für Wissenschaft als auch für dieWirtschaft mit sich. In den Projekten wird Personal in neuester Technologie ausgebildet und es wer-den dadurch Arbeitsplätze geschaffen, die häufig nach Projektende durch Ausgründungen dauerhafterhalten bleiben.

Im Umfeld moderner Rechnerarchitekturen wie z.B. SMP-Clustern, leistungsfähiger Datennetze undverteilter Arbeits- und Programmorganisation spielt das Grid Computing eine zunehmend wichtigeRolle für das Höchstleistungsrechnen. Obwohl bei der Entwicklung von Grid-Middleware in den letz-ten Jahren große Fortschritte erzielt wurden, ist ein breiter Einsatz dieser Technik durch Anwender zurZeit nicht zu erkennen. Um hier Impulse zu geben, das Leistungspotential des Grid Computing für dentäglichen Einsatz in Wissenschaft und Industrie zu erschließen, sind weitere Entwicklungen erforder-lich. Zum einen muss die Middleware-Unterstützung für wichtige Anwendungsgebiete vor allem imnatur- und ingenieurwissenschaftlich Bereich verbessert werden, zum anderen müssen wichtige An-wendungen aus diesen Bereichen Grid-fähig gemacht werden, um in ihrem jeweiligen Umfeld eineVorreiterrolle zu spielen. Die Middleware- und Anwendungsteilaufgaben in VIOLA zielen in dieseRichtung. Das Grid-System UNICORE wird um Komponenten zur Unterstützung von verteiltemHöchstleistungsrechnen (Meta-Computing) erweitert und in realen Anwendungsumgebungen einempraxisnahen Tauglichkeitstest unterworfen. Hierzu portieren Projektteilnehmer aus der Region Aa-chen-Jülich-Bonn, die zur internationalen Spitzenforschung gehören, exemplarisch wichtige Anwen-dungen aus Umweltforschung, Chemie und Ingenieurwissenschaft auf das VIOLA-Grid oder erwei-tern ihre VR-Anwendungen um Techniken zur verteilten Kooperation. Zusätzlich zu den oben ge-nannten Zielen dienen diese Anwendungen, die sich durch hohe Kommunikationsanforderungen aus-zeichnen, auch dazu, Last auf das Testnetz VIOLA zu bringen, um Erfahrungen im Realbetrieb zuerhalten.

Ebenso soll die internationale Vorreiterrolle des deutschen Wissenschaftsnetzes genutzt werden, umbeim Entwurf des Internet der nächsten Generation technisch und wirtschaftlich eine günstigere Aus-gangsposition zu erlangen.

II.2 Bezug zu NGN-Aufgaben und zu anderen nationalen Projekten/ProgrammenDas Zukunftsthema „Next Generation Network“ (NGN) enthält in den netztechnischen Teilen als gro-ße Arbeitsgebiete Optische Netze, IPv6 und Mobilität. Hinzu kommen wichtige Themen im Bereichder Middleware (Stichwort: Sicherheitsstrukturen) und schließlich die Entwicklung intelligenter An-wenderumgebungen (Stichworte: Grid, E-Science, Cyber-Infrastructure).

Das Projekt VIOLA ist vor allem dem Thema Optische Netze zuzuordnen, obgleich Teilziele sichauch mit solchen Gebieten wie Middleware und Anwendungen (Grid) befassen. Insofern beschreibtVIOLA eine vertikale Säule, die auf der Technik optischer Netze aufbaut, bis zur Anwendung reichtund das Zusammenwirken von moderner Netztechnologie und innovativen Anwendungen untersuchensoll. Im engeren Zusammenhang mit den vorrangigen Zielen von VIOLA findet man folgende natio-nale Programme:

a) MultiTeraNet: In diesem Programm (http.//www.multiteranet.de) werden Problemstellungen ausfolgenden Bereichen bearbeitet:• Flexible optische Netze, Modellierung, Planung, Konzeption,• bessere Ausnutzung der Faserkapazität,• Zugangstechniken,


• Entwicklung von Schlüsselkomponenten.Zu den Zielen der Teilprojekte gehört neben konzeptionellen Planungen die Entwicklung von bei-spielhaften Komponenten, die im Rahmen von Laborversuchen getestet werden können.

Gegenüber dem früheren KomNet mit seinen ausgedehnten Feldtests ist MultiTeraNet stärker an derEntwicklung von Komponentenlösungen orientiert, weniger an Betriebs- und Feldversuchen. DieseVorfeldentwicklungen werden (anders als in KomNet) aus Kostengründen nicht mehr zu betriebsfähi-gen Gesamtlösungen integriert. Nach Möglichkeit sollen Ergebnisse von Teilprojekten vom MultiTe-raNet in die Testumgebung von VIOLA übernommen werden.Das Programm MultiTeraNet hat eine Laufzeit bis September 2005.

b) TransiNet: In diesem Verbundprojekt (http://www.transinet.de) wurden vor allem neue Netz- undArchitekturkonzepte untersucht, die sich mit Protokoll- und Managementaspekten befassten. Für dieKonzeptentwicklungen und Untersuchungen wurden u.a. Simulationsrechnungen durchgeführt; expe-rimentelle Tests waren nicht vorgesehen. TransiNet lief Ende 2003 aus und ein Nachfolgevorhabenwird vorbereitet, in dem wichtige Aufgaben, insbesondere im Bereich der Managementkonzepte, wei-tergeführt werden sollen.

Man kann TransiNet als konzeptionelle Ergänzung zu den Hardwarentwicklungen auf der „Physik-ebene“ im Rahmen von MultiTeraNet ansehen.

Die einzelnen Projekte sollen sich thematisch und praktisch gegenseitig ergänzen und Möglichkeitenfür die Interaktion bieten, so dass in der Gesamtschau leistungsfähige und wirtschaftlich umsetzbareErgebnisse erzielt werden. Das vorgeschlagene Projekt VIOLA stellt daher eine betriebs- und an-wendungsbezogene Ergänzung zu den obigen Projekten dar, da eine stabile und dauerhafte Testum-gebung zur Verfügung gestellt wird, in der z.B. auch Ergebnisse aus MultiTeraNet einem Feldtest ineiner produktionsnahen Umgebung unterzogen werden könnten.

II.3 Einordnung in internationale F & E-AktivitätenIn vielen anderen Forschungsnetzen werden ebenfalls systematische Untersuchungen über die Eigen-schaften zukünftiger Netztechnik vorbereitet bzw. bereits durchgeführt. Insbesondere sind das kanadi-sche CANARIE, das tschechische CESNET (z.B. 10Gigabit-Ethernet im WAN-Bereich), das polni-sche PIONIER, das britische UKERNA und das niederländische SURFnet hervorzuheben.

In den USA ist Anfang 2003 ein Report der NSF veröffentlicht worden, der sich mit vielen Aufgaben-stellungen zum Aufbau einer zukünftigen „Cyberinfrastructure“ befasst. Das Hauptaugenmerk in die-sem Report liegt allerdings nicht bei der Fortentwicklung der Netztechnik, sondern bei den Nutzungs-formen (z.B. Gridanwendungen), der gesellschaftlichen Durchdringung mit netzgestützter Arbeitswei-se (z.B. in Lehre und Forschung) und der Weiterentwicklung von Konzepten und Fähigkeiten für ver-teiltes Rechnen und Speichern, also bei Aufgaben, die ein leistungsfähiges und flexibles Datennetz zurGrundlage haben.

Die Weiterentwicklung der Grid-Technologie und ihre Nutzung für eine zukünftige e-Science, derenVision es ist, neuartige Formen der Wissenschaftskollaborationen auf der Basis internetgestützterDienste zu ermöglichen, nimmt breiten Raum in nationalen und internationalen Forschungsinitiativenein. Wichtige Programme sind neben der Cyber-Infrastructure (USA), e-Science (UK), Virtual Lab(NL) und die D-Grid Initiative, die sich z.Z. in Deutschland formiert. Auch im 6. EU-Rahmenprogramm (FP6) bilden Grids einen Schwerpunkt innerhalb der thematischer Priorität IST(Information Society Technologies). Im Fokus steht ebenfalls die Anwendungsunterstützung durch"complex problem solving environments".

Die europäischen Forschungsnetze sind an der Vorbereitung mehrerer Projektvorschläge für FP6 be-teiligt, die die Weiterentwicklung der europäischen Datennetzstrukturen für die Zwecke der Wissen-


schaft zum Ziel haben. Insbesondere ist bereits im Frühsommer 2002 in der Vorbereitungsphase desFP6 von TERENA/Dante ein „expression of interest“ für die Weiterentwicklung optischer Netze for-muliert worden, das in die Strukturierung der FP6-Inhalte Eingang gefunden hat.

Im Anfang 2004 befinden sich u.a. die Projektvorschläge GEANT-2, GRANDE, GARDEN, MUP-PET, DEISA und EGEE in der Bewertungsphase. Zu den Teilnehmern der geplanten Projekte gehörenjeweils Nationale Forschungsnetze, wissenschaftliche Einrichtungen, Gerätehersteller und Netzanbie-ter/-betreiber.

Der Schwerpunkt im GEANT-2-Projekt liegt bei der Weiterentwicklung der paneuropäischen Vernet-zung der nationalen Wissenschaftsnetze, wobei neben der notwendigen Bandbreite Managementfähig-keiten und QoS-Aspekte eine wichtige Rolle spielen.

Der Schwerpunkt in GRANDE unter der Federführung der T-Systems besteht im internationalen Testneuer Netzgeräteeigenschaften, insbesondere der Verfügbarkeit von Bandwidth-on-Demand in einertechnisch und organisatorisch sehr heterogenen Umgebung.

GARDEN ist ein Vorschlag unter der Federführung von Cisco-Systems, der von einer sehr engen Ver-schmelzung der optischen Netztechnik mit dem IP-Layer ausgeht.

MUPPET ist ein Vorschlag unter der Federführung von Marconi, der die Integration und Validierungder ASON/GMPLS-Technologie im Rahmen weitskaliger nutzergesteuerter Testbeds bzw. For-schungs-Infrastrukturen untersuchen soll.

Der Schwerpunkt in den Projekten EGEE und DEISA liegt im Aufbau einer produktionsmäßig nutzba-ren Grid-Infrastruktur in Europa. Dabei spielen die Bereitstellung gemanagter Bandbreiten und dieImplementierung von Middlewarekomponenten für die Zwecke von hochwertigen Nutzerbedürfnissenaus dem Bereich der Gridanwendungen ebenfalls eine wichtige Rolle.

Das geplante Projekt VIOLA wird inhaltlich und mit seinem systematischen Ansatz, reale Anwendun-gen als „Nutzlast“ zu integrieren, international zur Spitzengruppe der betriebsnahen Testnetze gehö-ren. Es bildet außerdem den nationalen Unterbau für einschlägige EU-Projekte, die sinnvollerweiseauf nationale Testumgebungen aufsetzen müssen und sie ergänzen. Das Projekt VIOLA und europäi-sche Projekte bilden daher komplementäre Komponenten, wobei in VIOLA vertiefte technische Ana-lysen durchgeführt werden können, während in den europäischen Projekten v.a. ein Zugewinn an Er-fahrungen durch größere Heterogenität und Komplexität der technischen und organisatorischen Um-gebungen erreicht werden kann.

Ausgehend von VIOLA sollen daher im Rahmen von EU-Projekten weitere ergänzende Arbeitendurchgeführt werden. Voraussichtlich wird insbesondere die geplanten Projekte GRANDE und MUP-PET für diese internationale Dimension ein geeignetes Ergänzungsumfeld darstellen. Der DFN-Vereinist an den Vorbereitungen zu GÉANT-2, GRANDE, GARDEN und MUPPET beteiligt. Details dieserArbeiten können erst festgelegt werden, wenn Umfang und Zeitablauf für VIOLA entschieden sind.

Neben diesen betriebsnahen Untersuchungen gibt es weltweit „labornahe“ Projekte, in denen meistneue optische Netzkomponenten im Verbund mehrerer Firmen getestet werden. In Deutschland spieltedas inzwischen beendete KOMNET eine entsprechende Rolle. Solche Projekte liefern wichtige techni-sche Entwicklungsergebnisse, die dann in einem nächsten Schritt in anwenderbestimmten Umgebun-gen wie VIOLA auf ihre Leistungsfähigkeit geprüft werden müssen.


III Stand der Wissenschaft und TechnikWelche Netztechnologie wird das „Next Generation Network“ bestimmen? Bis vor kurzem lief dieAntwort nahezu einhellig auf ein rein optisches Netz mit dynamischer Schaltung von „Wellenlängen“hinaus. Mittlerweile rückt jedoch ein alternativer Ansatz in den Blickpunkt des Interesses, der unterder Schirmherrschaft der IETF Arbeitsgruppe „Provider Provisioned VPN“ entwickelt wird und einentransparenten, multi-point Ethernet LAN Service (Stichwort „VPLS“) an der Kundenschnittstelle (unddamit direkt dem Anwender) bereitstellt. Vor allem unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erscheintVPLS heute sehr attraktiv. Andererseits greifen beide Ansätze auf ähnliche Basistechnologien zurück,so etwa auf der Kontrollebene mit MPLS/GMPLS und auf der Signalisierungsebene mit RSVP-TE.Zudem werfen beide in vieler Hinsicht vergleichbare Fragestellungen auf, zu nennen wären hier ins-besondere die Aspekte Vermittlungs- und Managementfähigkeit, Skalierbarkeit und Bandbreitenreser-vierung.

Im Rahmen des Projektes VIOLA soll daher in einem praxisnahen Umfeld die Erprobung und Weiter-entwicklung beider Technologien parallel betrieben und deren Eignung für ein G-WiN Nachfolgenetzuntersucht werden. Aus dem direkten Vergleich beider Technologien lassen sich somit Erkenntnisseerzielen, die in dieser Form nirgendwo sonst möglich sind. Die geplanten Arbeiten werden sich gegen-seitig befruchten und es sind vielfache Synergien zu erwarten.

Optische Übertragungs- und Switching-Technik

Die Möglichkeiten zur Auslastung von Faserstrecken durch die Verwendung verschiedenerWellenlängen, je nach CWDM oder DWDM Technologie unterschiedlich dicht gepackt, sind weitergewachsen und reichen in den Übertragungsbereich von Tbit/s hinein. Immer neue Rekorde werden(meist im Labor) erzielt, immer höhere Datenraten werden über wachsende Entfernungen möglich.Der Vorsprung der Technologie vor den im Markt umsetzbaren Leistungen und den heutevorhandenen Anforderungen ist gewachsen. So sind derzeit weder 40Gbps-Interfaces für Serververfügbar noch könnten diese derzeit sinnvoll bedient werden; allerdings stehen solche Interfaces anHochleistungs-Routern bzw. Server kurz vor der Markteinführung. Im Kernnetzbereich können40Gbps in absehbarer Zeit eingesetzt werden, um diese Hochleistungs-Router zu bedienen oder auch10GE Verbindungen zu bündeln.

Die Entwicklung bei den optischen Komponenten geht trotz der anhaltenden Krise in der Kommuni-kationstechnik weiter. So haben z.B. im letzten Jahr tunable Laser die Marktreife erreicht. Erste Ex-emplare von dynamischen Filtern werden auch schon angeboten. Ziel dieser Entwicklungen ist es, inder DWDM-Technik (Übertragung mehrerer Wellenlängen über eine Glasfaser) von derzeit statischenKomponenten zu dynamischen Komponenten zu wechseln. Dynamische Komponenten sparen Ersatz-teile (z.B. kein dedizierter Laser für jede Wellenlänge) und Personalkosten (z.B. keine Mitarbeitermehr in den Schaltzentralen, um Karten zu tauschen).Auch bei der Switching-Technologie sind große Fortschritte erzielt worden, ohne diese in absatzfähigeProdukte einbringen zu können. Das Know-how wäre vorhanden, aber der Preis zu hoch. Viele Firmenhaben Entwicklungen zum optischen Switching, also ohne Umsetzung in die Elektronik, in derDringlichkeit herabgesetzt oder ganz auf Eis gelegt. Gefragt sind Multiservice-Lösungen mit variablenBandbreiten und Protokollen, die möglichst flexibel auf Kundenwünsche einrichtbar sind. Hier gibt essowohl SDH-basierte Switchingsysteme als auch protokolltransparente Systeme ohne SDH-Einsatz.Auch Lambda-Services, bei denen ein Netz auf der Basis gemieteter optischer Kanäle aufgebaut wird,sind in naher Zukunft zu erwarten.

Zunehmend attraktiv positioniert sich Gigabit-Ethernet Switching. Unter Ausnutzung direkt genutzteroptischer Kanäle zwischen den Switches lassen sich flexible Netzstrukturen aufbauen (VLANs), diemit Merkmalen wie erforderlichen Bandbreite und Dienstqualität konfigurierbar sind und vor allembei den Interfaces preisliche Vorteile aufweisen.


Ein interessanter Ansatz sind auch die sog. Multi-Service Provisioning Plattformen, die TDM-Verarbeitung auf Basis SDH, Ethernet-Verarbeitung mittels integriertem, verteilten Layer-2-Switchingund Verarbeitung transparener Dienste mit (D)WDM-Technik in einem Gerät vereinen. Diesverspricht sowohl bei den Investitionen als auch beim Betrieb deutliche Kosteneinsparungen.

Signalisierung und Steuerung

Der überwältigende Verkehrsanteil im Wissenschaftsumfeld nutzt auf der Netzwerkebene IP. Bei derIntegration mit der optischen Übertragung sind verschiedene Ansätze in der Diskussion. Hier findetderzeit eine Standardisierung der optischen Kontrollebene einerseits durch die ITU, andererseits durchdie IETF statt.

Seitens der ITU werden hierzu eine Vielzahl von Architekturkonzepten für optische Netze entworfen,namentlich G.709 für das optische NNI, G.8070, ehemals G.astn, in dem die konzeptionellen Anforde-rungen an ein optisches Transportnetz definiert werden und schließlich G.8080, ehemals G.ason, daseine Referenzarchitektur für die optische Kontrollebene definiert. Die Referenzarchitektur basiert da-bei auf einem Komponentenmodell, das eine klare Trennung zwischen verschiedenen Netzübergängendefiniert, insbesondere die UNI und NNI Schnittstellen. Bei diesem als Overlay Konzept beschriebe-nen Ansatz stellen IP-basierte Randsysteme (Router) per UNI Verbindungsanfragen an das optischeNetz, das diese dann transparent für die IP-Ebene auf der optischen Kontrollebene realisiert.

GMPLS (Generalized MPLS) ist die zur Zeit favorisierte Variante für die optische Kontrollebene.GMPLS erweitert das paketorientierte MPLS mit seinen Schnittstellen für das Layer-2 Switching umoptische Schnittstellen für TDM-, Lambda- und Fiber-Switching. Neben den bisherigen Signalisie-rungs- und Routingprotokollen wie RSVP-TE, CR-LDP, OSPF-TE, die um optische Kontrollelementeerweitert wurden, ist mit dem Link Management Protocol (LMP) ein Link Management neu hinzuge-kommen, das zentrale Funktionen für die automatische Bereitstellung von Verbindungen liefert.

GMPLS wird derzeit von der IETF spezifiziert. Im Gegensatz zur ITU verfolgt die IETF dabei eindurchgängiges Peer-to-Peer Modell, bei dem die Signalisierung von den Endsystemen ausgeht undsich über das gesamte Netz, einschließlich des optischen Kernnetzes, erstreckt. Um die konzeptionelleLücke zwischen ITU und IETF Ansatz zu schließen, wurde zwischenzeitlich von einem Herstellerkon-sortium (OIF) ein User Network Interface (UNI) spezifiziert, das in Verbindung mit GMPLS den Ü-bergang zwischen IP Router und dem optischen Netz realisiert. Diese UNI Schnittstelle wird heute innahezu allen optischen Switches unterstützt und bildet die Grundlage für die weitere Entwicklung imRahmen dieses Vorhabens. Die OIF Definition der NNI-Schnittstelle ist zurzeit in Arbeit wie auch dieVersion 2 der UNI. Bei verschiedenen Gelegenheiten wurden O-UNI Lösungen verschiedener Her-steller in Bezug auf Interoperabilität getestet (SuperComm).

Virtual Private LAN Services

Aus Sicht des Anwenders stellt VPLS eine auf Ethernet basierende Netzumgebung im Weitverkehrs-bereich dar, die (mit Ausnahme der physikalisch bedingten höheren Paketlaufzeiten) nahezu identischeLeistungs- und Dienstgüteparameter aufweist wie das lokale Intranet. Anwendungen, die im Intranetfunktionieren, lassen sich somit auch zwischen weit entfernten Standorten betreiben.Aus Sicht des Netzanbieters setzt VPLS auf eine etablierte IP/MPLS Infrastruktur im Kernnetz auf,verringert die Komplexität des Kernnetzes durch Verlagerung von Layer 3 Funktionen an den Randdes Netzwerkes, ermöglicht eine wirtschaftlichere Nutzung des Netzes und erlaubt das Angebot vonMehrwertdiensten.Bevor VPLS zum Einsatz kommen kann, müssen jedoch noch eine Vielzahl offener Fragen geklärtwerden. Sie stellen sich heute vor allem im Bereich der Signalisierung und Steuerung und führen zuähnlichen Lösungsansätzen wie im Bereich der optischen Netze. So findet beispielsweise die dort ge-führte Diskussion zwischen Overlay und Peer-to-Peer Ansätzen ihre Entsprechung in hierarchischen(E-HVPLS, VHLS) und IP basierten (IPLS, MVPLS, GVPLS) Lösungsmodellen. Eines der zentralenAnliegen des VIOLA Projektes wird es sein, diesen Lösungsraum zu durchleuchten und dazu unter-schiedliche Lösungsansätze zu implementieren und zu bewerten.

Viele der obigen Diskussionen und Konzeptideen sind eng mit der Frage verknüpft, in welcher Weisebestimmte Netzressourcen von den Anwendungen bzw. den Anwendern direkt in Anspruch genom-


men (reserviert) werden können, um den Bedarf neuer Anwendungsformen (z.B. Grid) zu erfüllen.Entsprechende netztechnische Konzepte für Routing und Signalisierung werden daher Auswirkungenauf Entwicklungen vor allem im Middlewarebereich, dem Unterbau der Anwendungen, haben.

Grid ComputingDie Grid-Landschaft ist heute durch eine Reihe zueinander inkompatibler Systeme geprägt, die z.T.unterschiedliche Ansätze verfolgen. Wichtige Beispiele sind das US-Amerikanische Globus-Toolkit,das eine Reihe von Werkzeugen und Diensten zur Verfügung stellt, mit denen sich Grids und Grid-Anwendungen implementieren lassen, das in Deutschland und Europa entwickelte UNICORE, daseinen vertikal integrierten Ansatz verfolgt und das kommerzielle Avaki, das sich auf den Aspekt desverteilten Datenzugriffs konzentriert. Das Global Grid Forum (GGF) ist ein informelles Gremium, indem die internationale Grid-Community zusammenarbeitet, um u.a. die Interoperabilität zwischensolch unterschiedlichen Grid-Systemen durch Definition von Standards in Form von "best practices"zu verbessern. Damit soll die gemeinsame Nutzung von Grid-Diensten und -Software ermöglicht undgefördert werden. Ein wichtiger Schritt auf diesem Weg ist die Open Grid Services Architecture (OG-SA), die eine Architektur und Protokolle für den Zugriff auf Grid-Dienste spezifiziert. Die nächstenVersionen von Globus und UNICORE werden OGSA-basiert sein. Um das Potential der Grid-Technologie durch einen breiten Einsatz in Wissenschaft und Industrie im Sinne von e-Science zunutzen, sind noch erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig. Bisher unge-löste Aufgaben sind die Integration und das verteilte Management und Scheduling von Grid-Ressourcen wie Netzwerke und Rechner, das Management von temporären virtuellen Organisationeneinschließlich Fragen des Accountings und der Billings von Grid-Diensten (Grid Economics) und derdamit verbundenen Sicherheitsfragen. Auch fehlen bisher weitgehend Werkzeuge und Umgebungenzur Anwendungsentwicklung, die auf die Anforderungen wichtiger Anwendungsbereiche zugeschnit-ten sind. Die Middleware- und Anwendungsteilaufgaben in VIOLA konzentrieren sich auf die beidenProblembereiche, die für den geplanten Betrieb eines Compute-Grids im Rahmen des Projektes unver-zichtbar sind: das Scheduling von Grid-Ressourcen und die Anwendungsunterstützung.


IV Beschreibung der Arbeitsbereiche

Die notwendigen Arbeiten in VIOLA lassen sich in die Teilbereiche

• Projektmanagement,• Netztechnik,• Anwendungen sowie• Kooperation und Dissemination

untergliedern (siehe Abb. 2).

Abb. 2: Darstellung der Arbeitsbereiche

Im folgenden werden jeweils die Arbeitsaufgaben der Teilbereiche dargestellt. Für die Bereiche Netz-technik und Anwendungen sind dabei Kurzfassungen der Teilprojekte beschrieben - die ausführlichenArbeitsbeschreibungen (Langfassungen) der Teilprojekte sind in Kapitel VI dargestellt.

ArbeitsbereicheAB1: Projektmanagement

• Koordination, Arbeitstreffen• Gesamtberichte, Teilaufgaben• Evaluierung• Verwertung der Erkenntnisse für X-WiN

AB2: Netztechnik

Bereiche•Installation•Betrieb•Anwendungssupport•Entwicklungen•VIOLA-Lab

Themen•OEO-Switching•GE-Switching•Signalisierung•SS: OIF UNI/NNI•Protokolle

AB3: Anwendungen

•VIOLA-Support (Unterstützung+Anpassungen)

•MetaTrace•TechSim•AMG-Opt

•KoDaVis

AB4: Kooperation

•MultiTeraNet•Grande•Garden•Muppet•G-WiN•GÉANT• Weitere Anwendungen

•Öffentlichkeits- arbeit


IV.1 ProjektmanagementDas primäre Ziel des Arbeitsbereiches ist es, die Qualität des Projektes sicherzustellen und die laufen-den Ergebnisse zu evaluieren. Wegen der verteilten Zuständigkeiten der Konsortialpartner für Netz-,Middleware- und Anwendungsprojekte ist die Zusammenführung der Teilaufgaben, die Prüfung derBerichte der Konsortialpartner auf Erfüllung der vereinbarten Aufgaben und deren Zusammenfassungzu projektübergreifenden Berichten, die Prüfung der Meilensteine und der Einhaltung des Zeitplanseine wesentliche Managementaufgabe.

Zum Informations- und Erfahrungsaustausch, sowie zur strategischen Planung (ggf. Abweichungenvon den anfänglichen Planungen) sind regelmäßig Treffen mit den Beteiligten der verschiedenen Teil-aufgaben notwendig, bzw. es müssen Gesamtkoordinationstreffen organisiert, durchgeführt und nach-bereitet werden. Ebenso muss der Informationsaustausch gegenüber dem BMBF/PT sowie gegenüberDritten durch das Projektmanagement koordiniert werden. Dazu werden technische Unterstützungs-werkzeuge bereitgestellt (WWW, Mailinglisten, Konferenzsysteme wie z.B. DFNVC oder BSCW).Durch das Projektmanagement müssen Mechanismen zum Risiko-, Krisen- und Informationsmanage-ment entwickelt und eingerichtet werden. Dafür werden Entscheidungs- und Informationsstrukturenim Projekt aufgebaut. Die Management-Strukturen reflektieren dabei auch die in Abbildung 2 darge-stellte Struktur der Arbeitsbereiche. So besteht zusätzlich zu dem übergreifenden Management auchKoordinierungsbedarf innerhalb der Bereiche Netztechnik und Middleware/Anwendungen. Ergebnisseund Erkenntnisse aus Netz-, Middleware- und Anwendungsprojekten werden durch das Projektmana-gement laufend evaluiert und bei der Planung, sowie dem Aufbau und Betrieb des X-WiN verwertet.

Im Einzelnen sind folgende Projektmanagement-Teilaufgaben (PM) vorgesehen:• PM-1: Koordination der Erstellung und Einhaltung der Kooperationsvereinbarung (DFN)• PM-2: Koordination der Durchführung der Teilaufgaben und der Einhaltung der Berichtspflicht

(DFN)• PM-3: Aufbau und Durchführung der Informationsstrukturen im Projekt (DFN)• PM-4: Evaluierung und Auswertung der Projektergebnisse für das X-WiN (DFN)• PM-5: Projektmanagement der netztechnischen Aufgaben (FhG, DFN)• PM-6: Projektmanagement der Anwendungen zur Netzerprobung (FZJ, DFN)


IV.2 Netztechnische Aufgaben in VIOLAIm Optischen Testbed in den Regionen Köln–Bonn–Aachen und in Bayern sollen die neuesten opti-schen Netzkomponenten in einem Netz für reale Anwendungen eingesetzt, getestet und bewertet wer-den. Ziel ist es, ein Netz aufzubauen, in dem Anwendungen Bandbreiten dynamisch anfordern können.Im Projekt sind verteilte Anwendungen aus den Bereichen „GRID Computing“ und „Virtuelle Reali-tät“ mit hohen Anforderungen an Kommunikations- und Datenaustausch geplant. Von den Projekt-partnern wurde festgelegt, welche Anwendungen an welchen Standorten miteinander kommunizierenund welche Bandbreite für die Kommunikation benötigt wird. Abb.3 gibt einen Überblick über die ausden Anwendungen abgeleiteten Bandbreitenanforderungen der teilnehmenden Einrichtungen. Detail-lierte Netzanforderungen der Anwendungen sind in Kapitel IV.4 beschrieben.

Abbildung 3: Bandbreitenanforderungen der Einrichtungen

Aufgabe des Transportnetzes ist es, die Gigabit-Ethernet-Switches bzw. Workstations dynamisch, inAbhängigkeit von den Anforderungen der Anwender, mit n mal 1 Gigabit-Ethernet (1 GE) oder n mal10 Gigabit-Ethernet (10 GE) untereinander zu verbinden.Entsprechend diesen Anforderungen wurde die Topologie für das optische Netz geplant. Abb. 4 gibteinen Überblick über die Standorte und die zwischen ihnen benötigten Bandbreiten.Es ist beabsichtigt, weitere Standorte im süddeutschen Raum, wie z.B. München, zu einem späterenZeitpunkt an das Testbed anzuschließen. Des Weiteren soll im Rahmen des Projektes eine Anbindungan das Testbed „Global Seamless Networks“ (GSN, GSN+) der deutschen Telekom realisiert werden.


Abbildung 4: NetztopologieDas Netz-Backbone wird in den Knoten Sankt Augustin, Jülich, Bonn, Nürnberg und Erlangen mitElektro-Optischen-Switchen (OEO) bestückt, die über Trunk-Leitungen gekoppelt sind. Zusätzlichwerden 10-GE-Transport-Switche in Sankt Augustin, Jülich und Bonn eingesetzt, die ebenfalls überdie Trunk-Leitungen gekoppelt werden. Die 7750 SR von Alcatel und die hiT7070 von Siemens kön-nen optional mit den anderen Switche am Standort oder über die Trunk-Leitung verbunden werden. Esist geplant, die Siemens SDH-Switche aus Bonn und Sankt Augustin in Phase 2 des Testbed in densüddeutschen Raum zu verlegen, um dort weitere Standorte an das Testbed anzubinden. Die restlichenForschungseinrichtungen sind über 10 GE oder 2 x GE an die Backbone-Knoten angeschlossen.

Der parallele Einsatz von OEO-Switches auf SDH-Basis und 10-GE-Switches im Backbone-Bereicherlaubt die Erprobung der zur Zeit fortschrittlichsten Methoden der dynamischen Bandbreiten Signali-sierung und Reservierung:

• Signalisierung mittels MPLS, VPLS bzw. H-VPLS auf den 10-GE-Transport-Switches• Signalisierung von dynamischen Bandbreiten mittels unterschiedlicher Protokolle (z.B.

GMPLS , UNI, I-NNI, E-NNI) auf den OEO-Transport-Switchen und den Routern unter-schiedlicher Hersteller.

Durch die Bereitstellung von Schnittstellen, der Weiterentwicklung und Implementierung neuesterSignalisierungsmechanismen und der Entwicklung eines Ressource-Managers sollen die Bandbreiten-Anforderungen der Anwendungen dynamisch erfüllt werden.Um möglichst umfangreiche Erfahrungen beim Einsatz von optischen Komponenten zu gewinnen,werden verschiedene Testszenarien aufgestellt und entsprechende Tests durchgeführt. Dafür bieten


sich Last-, Interoperabilitäts- und Verbindungstests an. Netzkomponenten, die die Hersteller für Testszur Verfügung stellen, werden in das Testbed integriert. Grundlage hierfür bildet eine Verfolgung vonVerfügbarkeit im Bereich optischer Komponenten.Es soll außerdem untersucht werden, in welche Richtung eine Weiterentwicklung der derzeit zur Ver-fügung stehenden Netztechnik sinnvoll und technisch möglich erscheint, um den Anforderungen mitsehr hoher Bandbreite (z.B. GRID- oder VR-Applikationen) zu genügen. Falls es die finanziellen undtechnischen Rahmenbedingungen erlauben, sollen weitere neue Techniken im Testbed erprobt undgetestet werden.Im Falle der Implementierung europäischer Testnetze soll VIOLA mit ihnen verknüpft werden, umgemeinsam interessierende Untersuchungen durchzuführen.

Die Arbeiten zur Netztechnik werden im Arbeitsbereich 2 des Projektes VIOLA durchgeführt. ImEinzelnen sind folgende Netztechnik-Teilaufgaben (NT) vorgesehen:

• NT-1: Aufbau und Installation der Netzumgebung• NT-2: Betrieb des Netzes• NT-3: Netzseitige Anwendungsunterstützung• NT-4: Entwicklungsarbeiten im Bereich Signalisierung und Reservierung• NT-5: Netztechnische Untersuchungen und Tests – VIOLA-Labor

IV.2.1: Teilaufgabe NT-1: Aufbau und Installation der NetzumgebungDer Aufbau des Testnetzes erfordert die abgestimmte Beschaffung, Installation und Inbetriebnahmealler nötigen Komponenten. Zu diesen Komponenten gehören Leitungen unterschiedlicher Anbieter,leitungsorientiertes Equipment (Verstärker, WDM-Geräte, ...) sowie die Vermittlungstechnik (Swit-ches, Router). Alle Teilelemente müssen zusammengefügt und in eine nutzungsfähige Gesamtkonfigu-ration integriert werden. Der Übergang in die Betriebsfähigkeit wird durch eine Abnahme vollzogen.Teile der Netzumgebung können in einer vorgezogenen Teilabnahme auf Funktionsfähigkeit überprüftwerden.Zur Teilaufgabe NT-1 gehören die Arbeitspakete Technisches Feinkonzept, Zeitplan und Rollout,Installation und Inbetriebnahme sowie Abnahme.

IV.2.2: Teilaufgabe NT-2: Betrieb des NetzesDiese Teilaufgabe enthält die Arbeitspakete Betriebskonzept, Störungsmanagement, Fehlermanage-ment, Logbuch und Berichterstattung, Konfigurationsmanagement, Changemanagement und Wartungund Support.

IV.2.3: Teilaufgabe NT-3: Netzseitige AnwendungsunterstützungDie Anwendungsprojekte werden bei der Nutzung des Testbed und beim Anschluss von neuen Netz-komponenten beraten. Darüber hinaus ist für eine effektive Nutzung des Testbed eine Optimierung derSchnittstelle zwischen Anwendung, anwendungsspezifischer Hardware und dem Netzzugang uner-lässlich. Diese Optimierung erfordert eine intensive Zusammenarbeit zwischen den Anwendungspro-jekten und diesem Projekt.Diese Teilaufgabe enthält die Arbeitspakete Anwenderberatung, Schalten von Verbindungen, Signali-sierungsschnittstellen für Anwendungen und Unterstützung weiterer Anwendungen.

IV.2.4: Teilaufgabe NT-4: Entwicklungsarbeiten im Bereich Signalisierung und Reser-vierungIn dieser Teilaufgabe werden Untersuchungen und Entwicklungen zur Steuerungs- und Signalisie-rungsebene (Control Plane) hochbitratiger Übertragungsnetze durchgeführt. Erst die Steuerungsebeneerlaubt es den Anwendungen, dynamisch Verbindungen mit unterschiedlicher Bandbreite anzufordern,die dann vom Übertragungsnetz aufgebaut werden, sofern ausreichend freie Netzkapazität verfügbarist.Diese Teilaufgabe enthält die Arbeitspakete Layer 2 Virtual Private Networks, dynamische Ethernet-End-to-End-Verbindungen über mehrere Hersteller hinweg mittels GFP und LCAS, GMPLS, OIF-UNI/E-NNI sowie I-NNI und Ende-zu-Ende-Signalisierung.


IV.2.5: Teilaufgabe NT-5: Netztechnische Untersuchungen und Tests – VIOLA-LabUm möglichst umfangreiche Erfahrungen beim Einsatz von optischen Komponenten zu gewinnen,werden verschiedene Testszenarien aufgestellt und entsprechende Tests durchgeführt. Dafür bietensich Last-, Interoperabilitäts- und Verbindungstests an. Netzkomponenten, die die Hersteller für Testszur Verfügung stellen, werden in das Testbed integriert. Grundlage hierfür bildet eine Marktverfol-gung im Bereich optischer Komponenten. Es soll außerdem untersucht werden, in welche Richtungeine Weiterentwicklung der derzeit zur Verfügung stehenden Netztechnik sinnvoll und technischmöglich erscheint, um den Anforderungen mit sehr hoher Bandbreite (z.B. GRID- oder VR-Applikationen) zu genügen. Diese neuen Techniken sollen auch getestet werden.Diese Teilaufgabe enthält die Arbeitspakete Markverfolgung, Übertragungstechnik, Entwicklung vonTestszenarien, Auswahl und Integration alternativer Netztechnik, Lastmessungen und Untersuchungenzur Skalierbarkeit.

Eine detaillierte Beschreibung der Teilaufgaben und Arbeitspakete folgt im Kapitel VI.


IV.3 Anwendungen zur Netzerprobung

Ein wesentlicher Bestandteil der gesamten Arbeiten in VIOLA ist die Durchführung der Anwen-dungsteilaufgaben. Wichtiges Ziel dieser Teilaufgaben ist es, hohe Last auf das Netz zu bringen (hoheDurchsatzanforderungen), sowie Latenzzeit- Echtzeit- und wechselnde Konfigurationsanforderungenan die Netztechnik zu stellen (dynamische Bandbreitenreservierung). Damit sollen sowohl Leistungs-bewertungen durchgeführt als auch Betriebserfahrungen (Managementfähigkeiten) mit der neuenNetztechnik gesammelt werden. Gleichzeitig soll die neue Netztechnologie in VIOLA ihre Vorteilefür anspruchsvolle Anwendungen zeigen.

Für diese Ziele werden Anwendungen aus dem Simulations- und Visualisierungsbereich (MetaTrace,TechSim und AMG-OPT), sowie Virtual Reality-Spektrum (KoDaVis) eingesetzt, die weitgehendentwickelt sind, d.h. in lokalen Umgebungen bereits genutzt werden und innerhalb des VIOLA-Projektes durch Anpassungsarbeiten netzfähig gemacht werden.

Die Simulationsprojekte sollen Grid-fähig gemacht werden und UNICORE nutzen. Dazu bedarf esnoch der Integration von in UNICORE bisher fehlenden Komponenten zur Unterstützung verteilterparalleler Anwendungen. Das Zusammenspiel eines leistungsfähigen Transportnetzes mit der Grid-Technologie ermöglicht dabei den effektiven Einsatz verteilter Ressourcen durch die Anwender, in-dem es sichere und permanente Kommunikationsmechanismen sowie Werkzeuge zur Verfügung stellt,die sowohl die Anwendungsentwicklung als auch die Nutzung der Anwendungen vereinfacht. ÜberPerformanceanalysen innerhalb der Anwendungsprojekte kann sowohl die Leistungsfähigkeit der An-wendungen als auch die Netztechnik getestet werden. Die Erfahrungen aus einem Betrieb mit unter-schiedlichen, konkurrierenden Anwendungen werden den Entwicklern des UNICORE-Systems zudemwichtige Informationen über typische Anforderungen der Anwender liefern, die dazu beitragen kön-nen, die Qualität der Software weiter zu verbessern..

Der Einsatz der Anwendungen auf dem Testbed ist für die Prüfung der Netztechnologie unter Realbe-dingungen unabdingbar und kann später in der neuen Generation des Wissenschaftsnetzes Verwen-dung finden. Anwender im Testbed und im späteren Wissenschaftsnetz erwarten dadurch spürbareVerbesserungen für ihre Arbeit. Die neue Netztechnik muss sich an diesen Bedürfnissen messen las-sen.

Im Folgenden werden die Ziele der Anwendungsteilaufgaben, das wissenschaftliche Eigeninteresseder Projektverantwortlichen und die netztechnische Relevanz für VIOLA beschrieben. Die ausführli-chen Langfassungen der Anwendungsteilaufgaben befinden sich in Kapitel VI.

IV.3.1 Teilaufgabe AW-0: VIOLA-Support, Aufbau und Betrieb eines Compute-Grid inVIOLA

Art des Projektes: Aufbau einer UNICORE-Infrastruktur

Beteiligte: FZ Jülich, FhG SCAI, FH Bonn-Rhein-Sieg, Caesar

Ziel des Support-Projektes:Aufbau und Betrieb eines Compute-Grids auf Basis von UNICORE, das alle notwendigen Funktionenfür die Grid-Anwendungen in VIOLA bereitstellt:- Entwicklung eines Meta-Schedulers für Rechner- und Netzwerk-Ressourcen auf Basis des Proto-

kollstandards GRAAP.- Portierung der MPI-Bibliothek MetaMPI auf die Plattformen von VIOLA, Entwicklung einer

MPI-IO Komponente für parallelen I/O auf im Netz verteilte Ressour

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