Von Heiko Gentzsch, Verantwortlicher für den Netzwerkbereich beim WDR in Köln

Der Westdeutsche Rundfunk will mit Hilfe eines Datenreduktionsverfahrens die Übertragungskapazitäten in seinem WAN (Wide Area Network) erhöhen. Ein erster Test dieser Technologie unter realistischen Bedingungen fand bei der Fußball-Europameisterschaft in Portugal statt. Mit Hilfe des IT-Lösungsanbieters NK Networks & Services wurden mehrere „Sequence Reducer“ des amerikanischen Herstellers Peribit Networks installiert, die eine durchschnittliche Datenreduktion zwischen 50 und 60 Prozent ermöglichten.

Deutschlands TV-Zuschauer waren an den ersten Tagen der Fußball-Europameisterschaft 2004 in Portugal besser dran, als die meisten Fans des runden Leders im Gastgeberland. Denn zu Beginn des Großereignisses gab es dort Tonausfälle und andere Probleme, während in Deutschland die Übertragungen in gewohnter technischer Qualität abliefen. Der Westdeutsche Rundfunk (WDR) in Köln, der im Auftrag der ARD für die gesamte Infrastruktur verantwortlich war, hatte dafür die optimalen Voraussetzungen geschaffen.

Die knapp 150 Techniker, die vor Ort in Portugal für den reibungslosen Ablauf der insgesamt 75 Stunden Fußball-Übertragungen der ARD-TV-Sender sorgten, verlegten dazu in Stadien, Studios und im deutschen Mannschafts-Quartier in Almancil über 50 Kilometer Kamerakabel, 54 Kilometer Videokabel und 26 Kilometer Audiokabel. Herzstück aber war das Sende- und Redaktionszentrum im Pavilhao Atlantico von Lissabon, mitten im ehemaligen Expo-Gelände. Auf 1.200 Quadratmeter im International Broadcasting Center (IBC) – davon entfielen alleine rund 250 auf ARD und ZDF– liefen alle Fäden zusammen.

Test unter realistischen Bedingungen

Die Übertragung der Sendungen nach Deutschland fand über eine angemietete ATM-Strecke (Asynchronous Transfer Mode) mit einer Bandbreite von 45 Mbit/s statt. Davon wurde jeweilseine Bandbreite von 2 Mbit/s für die Datenkommunikation und die Telefonie sowie die Übertragung von Rundfunkbeiträgen ausgekoppelt.

Während der Live-Übertragungen konnten die Redakteure so von Lissabon aus auf den Rechercheserver in der Domstadt zugreifen, um in Datenbanken Statistiken abzufragen oder bestimmte vorbereitete Sequenzen oder „Konserven“ aus dem Archiv in der Zentrale ohne Zeitverzug einzuspielen. Auch der Zugriff auf Agenturmeldungen, Recherchen im Internet, Groupware-, Office- und SAP-Anwendungen sowie der gesamte E-Mail-Verkehr liefen über diese Datenleitungen.

Erstmals wurden während der Fußball-Europameisterschaft mehrere „Sequence Reducer“ im WDR-Weitverkehrsnetz getestet. Mit Hilfe dieser Geräte des amerikanischen Herstellers Peribit Networks kann die Übertragungskapazität in einem Wide Area Network (WAN) deutlich erhöht werden, ohne die Infrastruktur entsprechend ausbauen zu müssen. Auch wenn es auf Grund der hohen Bandbreite, die während der EM zwischen Lissabon und Köln zur Verfügung stand, keine wirklichen Kapazitätsprobleme bei der Übertragung gab, sollte die Gelegenheit zur Erprobung der Datenreduktionstechnologie unter realen Bedingungen genutzt werden.

Fehlende Übertragungsbandbreite

Denn das Thema Bandbreitenoptimierung ist für den WDR hochaktuell. Die Auslandsstudios sind meist nur mit einer Leitung von maximal 2 Mbit/s, über die sämtliche Aufgaben abgewickelt werden müssen, an die Sendezentrale in der Kölner Innenstadt angebunden. Dabei kommt es zu bestimmten Spitzen schon einmal zu längeren Antwortzeiten. Und eine Erhöhung der Bandbreiten geht meist richtig ins Geld.

Zusätzliche Übertragungskapazitäten müssen dauerhaft eingekauft und bezahlt werden, während sie eigentlich nur für relativ kurze Peaks nötig sind. Häufig ist eine Erweiterung der Bandbreiten auch technisch gar nicht durchführbar, z.B. bei Standorten in Entwicklungsländern in Süd-Amerika, Afrika oder Asien. Hier ist die Datenreduktion der einzig machbare Weg, um die Informationen im heute angemessenem Umfang austauschen zu können. Bei WDR-Studios, die über schmalbandigere Satellitenverbindungen angebunden sind, ist dieses Problem ebenfalls gravierend. Insbesondere wenn – wie etwa mit Moskau oder Nairobi – zusätzlich die Sprachkommunikation über das Datennetz per Voice over IP abgewickelt werden soll.

Aber auch an einigen anderen Auslandsstandorten – wie etwa Paris und Brüssel – bringt der rasante Zuwachs des Datenverkehrs in den letzten Jahren die vorhandene Infrastruktur zu bestimmten Zeiten an ihre Leistungsgrenzen. Die Folge: Die Redakteure müssen z.B. bei Internet- oder Datenbankenrecherchen relativ lange Antwortzeiten in Kauf nehmen und können nicht so zügig arbeiten, wie sie es gerne möchten.

Deshalb hat der WDR nach einer Möglichkeit gesucht, um die Übertragungsbandbreiten zwischen einigen Studios im Ausland und dem Rechenzentrum in Köln möglichst kostengünstig zu erweitern. Unterstützung bot der Kölner Systemintegrator NK Networks & Services, der sich schon seit einiger Zeit mit dem Thema Application Performance Management beschäftigt und dabei mit führenden Hard- und Softwareanbietern zusammenarbeitet.

In diesem Fall wurde die Peribit-Lösung empfohlen, da die vom WDR formulierte Zielstellung in erster Linie eine Datenreduktion erforderte und Peribit Networks dafür die weltweit führende Technologie anbietet. Andere Produkte wurden dafür nicht evaluiert und die einzige – allerdings erheblich teurere – Alternative zum Abfangen von Lastspitzen im Netz hätte in der Bereitstellung zusätzlicher Bandbreite bestanden.

Peribit bietet eine optimale Lösung für die drei großen Bottlenecks in einem WAN – Bandbreite, Quality of Service und Latenzzeit. Auch eine vom Netzwerkbereich des WDR durchgeführte Analyse des Return-on-Investment der vorgeschlagenen Lösung, bei der auch mögliche andere Wege zur Lösung der Bandbreitenprobleme betrachtet wurden, fiel zu Gunsten dieser Variante aus.

Komplexe Netzwerkinfrastruktur

Nach einem ersten Pilotversuch mit dem Auslandsstudio in Moskau und einem Vorabtest in Köln konnte eine durchschnittliche Datenreduktion von rund 60 Prozent nachgewiesen werden. Die anschließende „Generalprobe“ bei der Fußball-EM sollte zeigen, ob sich diese Laborwerte auch unter realen Bedingungen erreichen lassen. Gleichzeitig wollten die zuständigen Mitarbeiter, die für einige Zeit in Lissabon vor Ort waren, aber auch den praktischen Umgang mit den Geräten erproben, Erfahrungen mit dem Feintuning sammeln und die Benutzerfreundlichkeit beurteilen.

Sechs „Sequence Reducer“ von Peribit Networks – zwei SR 55 und zwei SR 20 im Kölner WDR-Rechenzentrum sowie zwei SR 20 in Lissabon – wurden installiert. Sie waren von NK Networks & Services entsprechend vorkonfiguriert worden, so dass sie nur noch ausgepackt und in das Weitverkehrsnetz eingebunden werden mussten. Was so einfach klingt, war allerdings mit einigem Aufwand verbunden. Denn die Netzwerkinfrastruktur des WDR ist sehr komplex und die neuen Geräte sollten darin keinesfalls als Störfaktor in Erscheinung treten. Außerdem musste eine redundante Schaltung gewählt werden, um die im Netzwerk des Fernseh- und Rundfunksenders prinzipiell vorgesehene Doppelung der Hardware-Komponenten zu realisieren.

Insgesamt kann nach dem Feldtest eine positive Bilanz gezogen werden. Im Durchschnitt haben die Geräte eine Datenreduktion zwischen 50 und 60 Prozent gebracht, jeweils in Abhängigkeit von den gerade genutzten Applikationen. Auch die Latenzzeiten auf der immerhin 2500 Kilometer langen Strecke zwischen Lissabon und der WDR-Zentrale am Kölner Dom konnten spürbar reduziert werden, was zu einer Qualitätsverbesserung bei der Übertragung führte.

Wenn man diese Ergebnisse auf die Datenkommunikation zwischen den Auslandsstudios und dem Kölner WDR-Rechenzentrum überträgt und die Kosten für zusätzliche Bandbreite in Rechnung stellt, macht sich die Anschaffung schon ziemlich schnell bezahlt. Konkret in Euro und Cent lässt sich die Ersparnis allerdings noch nicht ausdrücken, doch das Abfangen von Lastspitzen im Netz und die mit den kürzeren Antwortzeiten verbundene höhere Arbeitszufriedenheit der Mitarbeiter lohnen den Aufwand auf jeden Fall. Denn mit Hilfe der Datenreduktion kann das WAN des Westdeutschen Rundfunks – zumindest in Teilbereichen – auch noch in den nächsten Jahren den rasanten Anstieg des Datenaufkommens verkraften, ohne dass an eine grundlegende Veränderung der vorhandenen Infrastruktur herangegangen werden muss.

Verfahren aus der DNA-Analyse

Das von Peribit Networks entwickelte und mittlerweile patentierte Verfahren basiert auf Kerntechnologien aus den Bereichen der computergestützten Molekularbiologie und Bioinformatik. Peribit-Gründer Amit Singh entwickelte Ende der 90-er Jahre an der Stanford University einen Algorithmus, mit dem sich wiederkehrende Muster innerhalb des menschlichen Erbguts (DNA) erkennen lassen. Dieses Verfahren modifizierte er in einem zweiten Schritt so, dass es in der Datenübertragung auf Byte-Ebene angewendet werden kann. Im Ergebnis seiner Forschungsarbeit stellte sich heraus, dass bis zu 90 Prozent des Datenverkehrs in einem Netz redundant sind.

Die „Sequence Reducer“, die an beide Enden einer WAN-Verbindung angeschlossen werden, untersuchen den Datenstrom auf wiederholt auftretende Muster verschiedener Größe und erfassen sowie speichern diese kontinuierlich in einer Bibliothek. Dies geschieht über alle Datenpakete, Anwendungen und Sitzungen hinweg und betrifft beispielsweise Enterprise-Applikationen wie SAP und Oracle sowie E-Mail-Nachrichten, Datenbanktransaktionen, gemeinsam genutzte Kalkulationstabellen und HTTP-Sessions.

Die mit Hilfe der MSR-Technologie (Molecular Sequence Reduction) von Peribit erkannten sich wiederholenden Datenmuster werden anschließend durch ein eindeutiges Label, dessen Größe im Bit-Bereich liegt, ersetzt. Dieser Prozess erfolgt in Echtzeit mit hoher Geschwindigkeit, niedriger Latenz und bei beliebig großem Datenvolumen. Der MSR-Prozess läuft für das Netzwerk, die Router, Anwendungen, Server und Clients vollständig transparent ab. Auf der Empfängerseite wird dieser Prozess wieder umgekehrt. Die Sequence Reducer arbeiten bidirektional und können die Daten somit in jedem Device filtern und in die ursprüngliche Form zurückwandeln.

Zusätzlich können IT-Verantwortliche im Rahmen von Quality of Service (QoS) bis zu acht Prioritätsstufen vergeben und so umfangreiches Bandbreitenmanagement realisieren. Damit kann über den „Sequence Reducer“ festgelegt werden, welche Anwendungen vorrangig behandelt werden sollen und welche Bandbreite diesen zugewiesen werden soll. QoS bietet allerdings keine Lösung zur Gewinnung von mehr Bandbreite, sondern hilft lediglich, bestehende Kapazitäten effektiver zu nutzen. Die Kombination von Bandbreitenreduktions- und QoS-Verfahren trägt aber wesentlich zu einer Performancesteigerung bei.

Mit Hilfe der in den SR-Geräten ebenfalls eingesetzten Packet-Flow-Acceleration-Technologie (PFA) lässt sich die Zeitspanne zwischen Aktion und korrelierender Reaktion in einem WAN nochmals bis um den Faktor 5,5 verkürzen. Die Datenübertragung in Weitverkehrsnetzen wird demzufolge in nahezu der selben Zeit abgewickelt, wie es sonst nur im LAN möglich ist. Da diese Technologie nur bei Flows greift, die Einschränkungen durch Latenzzeit unterliegen, bedarf es hier keiner zusätzlichen Überlastkontrollen und Zuverlässigkeitsmechanismen.

Weitere Einsatzfelder

Nachdem die von NK Networks & Services geplante und realisierte Lösung beim WDR ihre Feuertaufe bestanden hat, sollen die in Lissabon eingesetzten Geräte künftig in den Studios in Brüssel und Paris zur Standard-Ausrüstung gehören und dort für eine optimalere Auslastung der vorhandenen Netzwerk-Verbindungen sorgen. Zu den nächsten Schritten nach der Generalprobe während der Fussball-EM zählt auch der Einsatz der „Sequence Reducer“ auf den Satellitenstrecken zwischen Köln und den Auslandsstudios in Moskau und Nairobi. Mit den neuen SR-100-Geräten hat Peribit Networks hierfür kürzlich eine optimierte Lösung vorgestellt, die beim WDR demnächst ebenfalls getestet werden soll.

Ein weiteres Einsatzfeld hat sich im Produktionsgelände des Senders in Köln-Bocklemünd gefunden. Dort müssen die Mitarbeiter in der Ü-Wagen-Disposition mit einer Applikation relativ oft kurzzeitig auf eine SQL-Datenbank im Rechenzentrum in der Innenstadt zugreifen und klagen über eine zu langsame Reaktion. Hier können mit dem Einsatz der Peribit-Geräte die Anfragen gebündelt werden, um so bessere Antwortzeiten zu erreichen.