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Integrierte Daten- und Sprachanwendungen geplant

Deutsche Wetterfrösche jagen Vorhersagen durch das ATM-Netz

05.05.2000
Von den schnellen und exakten Informationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) hängen nicht nur die Medien, sondern auch die Luft- und Schifffahrt ab. Die Wetterfrösche haben deshalb nicht nur in modernste Rechenzentrumstechnik investiert, sondern richten auch ein bundesweites Netz auf Basis des Asynchronous Transfer Mode (ATM) über Festverbindungen ein. Natalie Amecke* beschreibt in diesem Beitrag die Struktur des ATM-Netzes.

Über drei Millionen verschlüsselte Wetterdaten aus aller Welt empfängt, verarbeitet, speichert und versendet der Deutsche Wetterdienst (DWD) in Offenbach täglich. Es sind nicht nur die halbstündlichen Satellitenbilder mit einem Umfang von je einem Megabyte, die Volumen erzeugen, sondern auch die Daten der weltweit verteilten Wetterstationen. Diese senden ihre Aufzeichnungen von Flugzeugen, Hochseeschiffen, Meeresbojen. Hinzu kommen die Informationen der Wetterradarnetze von europäischen Wetterdiensten und die der DWD-eigenen Stationen sowie von über 4000 weiteren Wetterhilfs- und Niederschlagsmeldestellen in Deutschland. Ergänzt wird der Informationsfluss mit den Werten der Radioaktivitätsmessungen von Luft und Niederschlag.

Die genannten Daten treffen in der Offenbacher Zentrale des DWD über den ganzen Tag hinweg zu festgesetzten Zeiten ein. Diese Rohdaten werden entschlüsselt, geprüft, abgespeichert und für die Analyse des Wetters sowie für die Vorhersagerechnungen genutzt. Für letztere sind besonders die weltweiten Werte von 12 Uhr nach der koordinierten Weltzeit Universal Coordinated Time (UTC), 18 Uhr UTC und 0 Uhr UTC wichtig. Mit den erhaltenen Informationen werden die Modellrechnungen angestellt.

Um diese riesigen Datenmengen zu bewältigen, betreibt die Organisation das Deutsche Meteorologische Rechenzentrum. In dessen zentralem Bereich stehen ein Massivparallelrechner Cray "T3E-1200" (816 Prozessoren), zwei Cray-Vektorrechner "C90" (acht Prozessoren) und "J90" (32 Prozessoren), zwei Fujitsu- "VPP-300"-Systeme (sechs und zwei Prozessoren) sowie acht Origin-"2000"-Systeme mit insgesamt 50 Prozessoren. Die Cray-Hochleistungsrechner sind über 800 Mbit/s schnelle Netzwerkverbindungen (HIPPI ) miteinander verknüpft und werden als Server für den operationellen Wettervorhersagebetrieb und die Modellierung genutzt.

Um Wetterdaten zu empfangen und die aufbereiteten Rohdaten von der Zentrale in Offenbach an die sechs Regionalzentralen weiterzuleiten, verfügt der DWD über ein deutsches Netzwerk. Bereits 1992 bereitete der DWD als technisch-wissenschaftlich orientierte Behörde ein IT-Vorhaben für den Aufbau einer einheitlichen, nationalen Kommunikationsinfrastruktur vor. Ziel war die Einrichtung lokaler Netze in den Kernbereichen der Dienststellen und deren Verbindung über ein Weitverkehrsnetz (WAN). Frühzeitig setzten die deutschen Wetterfrösche dabei auf das Internet Protocol (IP) als Kommunikationsprotokoll. Zwar existieren in Verbund derzeit vereinzelt noch Anwendungen, die andere Protokolle wie X.25 benötigen, sie werden jedoch ebenfalls in IP-Pakete eingepackt und im IP-Tunneling-Verfahren mit entsprechender Priorisierung übertragen. So ist IP im DWDNET das dominierende Protokoll, über das in Zukunft auch Sprach- und Multimedia-Anwendungen laufen können.

1996 legte die Berliner Beratungsfirma Condat ein Grobkonzept zum Aufbau einer Kommunikationsinfrastruktur vor, das die Grundlage des schließlich realisierten DWD-Primärnetzes zwischen der Zentrale und den sechs Regionalzentren darstellt. Dabei stand die Anpassung und Einbeziehung der vorhandenen heterogenen Datenübertragungsstrukturen im Vordergrund, um auf diesem Wege Haushaltsmittel effizienter zu nutzen. Dazu Hans Janßen, Leiter des Referates Kommunikation beim DWD: "Zu Beginn hatte jede Anwendung ihre eigene Infrastruktur." Heute, so der Fachmann, besitzt der DWD ein Highspeed-Netzwerk mit schlanker Struktur.

Nach dem Muster des Grobkonzeptes und der Aufhebung des Netzmonopols 1996 entschied der DWD, ein eigenes ATM-Netz über Festverbindungen einzurichten. Hierfür sprachen vor allem finanzielle und strategische Gründe. Der DWD überträgt demnächst im WAN-Primärnetz rund um die Uhr 12 GB Daten pro Stunde an jede seiner sechs Regionalzentralen.

Ohne Mietleitung und bei Nutzung öffentlicher, direkt ATM-basierter Netze würden der Institution je nach Carrier ein Vielfaches an Kosten entstehen. So fiel die Entscheidung zugunsten eines eigenen ATM-Netzes über Festverbindungen. Wichtige Gründe für die Wahl der ATM-Technologie waren deren Möglichkeit der Bandbreitenkontrolle, Leistungsfähigkeit sowie die Option, eine Dienstegüte für wichtige Daten- und später auch Sprach- und Multimedia-Verbindungen festlegen zu können.

Als Topologie für das ATM-Primärnetz wurde aufgrund ihrer Ausfallsicherheit bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit eine Ringstruktur gewählt. Zudem wird der überwiegende Teil der Daten von Offenbach gleichartig an jede der sechs Niederlassungen gesendet. Für die Datenübertragung ist geplant, demnächst IP-Multicast einzusetzen, womit einzelne Daten an eine beliebige Gruppe von Empfängern übertragen werden können. Die Netzknoten vervielfältigen die Datenpakete automatisch und leiten sie an die lokalen Server und an den nächsten Standort weiter. Dabei werden sie über jede Weitverkehrsverbindung nur einmal übertragen.

Ohne Wetterinfo ruht der FlugbetriebEin weiteres wesentliches Kriterium für die Verwendung von ATM-Technologie war die Möglichkeit, virtuelle LANs (VLANs) einzurichten. In einem solchen Verbund befinden sich zum Beispiel die meteorologisch-operationellen Rechner der einzelnen Standorte. Auch alle aktiven Netzkomponenten sind aus Gründen der Vereinfachung des Netzwerk-Managements in einem VLAN zusammengefasst. Weitere VLANs sind standortintern angeordnet. Die ATM LANE-Server-Funktion (LANE = LAN Emulation in der Zentrale erfüllen redundant ausgelegte Ethernet-Switches der Marke "Catalyst 5500" von Cisco.

An den Schnittstellen der lokalen Netze zum Primärnetz (WAN) werden ATM-Switches eingesetzt, wobei die Schnittstelle in der Zentrale in Offenbach redundant ausgelegt ist. Dort befinden zwei "LS 1010"-ATM-Switches ebenfalls von Cisco, die über zwei 622 Mbit/s-Verbindungen miteinander gekoppelt und über ein doppelt ausgelegtes Router-System verbunden sind. Bei den Routern handelt es sich um die Serie "7206" des amerikanischen Herstellers. Diese Kopplung wird transparent für die Anwendung über das proprietäre Hot Standby Router Protocol (HSRP) realisiert. In den Dienststellen, die sternförmig über das Sekundärnetz mit dem Primärnetzknoten verbunden sind, sind an den Knoten die Router-Typen der Reihe 2500 bis 4000 im Einsatz.

Die geografische Struktur des Hochgeschwindigkeitsnetzes über die gesamte Bundesrepublik macht es möglich, kleinere Standorte des DWD sowie Radarstandorte, Flughäfen, Observatorien oder Beratungsstellen kostengünstig über digitale Standard-Festverbindungen mit Bandbreiten von 64 Kbit/s bis 2 Mbit/s an die Knotenpunkte des Kernnetzes anzubinden.

Wetterbeobachtungs-, Niederschlags- und Windmess-Stationen sowie andere Mess-Stellen senden ihre Daten ebenfalls regelmäßig an die Zentrale des DWD in Offenbach. Dies geschieht über Router, Modem oder ISDN-Karte sowie ISDN-Wählverbindungen. Sie wählen sich in die Zentrale über Access-Router ein. Da die Übertragung der Messwerte zumeist stündlich erfolgt, reichen die Wählverbindungen im öffentlichen Netz aus. Die auszutauschenden Meldungen über Wetterbeobachtungen werden im Idealfall innerhalb einer Einheit des ISDN-Netzes übertragen.

Doch was geschieht im Fall einer Panne im Netzwerk? Falls Fehler auftreten, existiert ein WAN-Ausfallsicherungskonzept, das in den drei Hierarchieebenen des WAN getrennt realisiert wird. Auf der Stufe des Primärnetzes ist es möglich, das Netz bei Ausfall einer Verbindungsstrecke in der Gegenrichtung zu nutzen. Darüber hinaus besteht ein ISDN-Backup-System für Datenmaterial reduzierten Umfangs. Insbesondere kann jedoch bei Ausfällen das vom DWD genutzte Satelliten-Broadcast-System "FAX-Europa" eingesetzt werden. Bedenkt man, dass zum Beispiel Flughäfen auf Wettermeldungen angewiesen sind, ist ein ausgereiftes Backup-System wesentlich. "Ohne Wetterinformation startet kein Flugzeug", unterstreicht Administrator Janßen die Brisanz der Informationen.

*Natalie Amecke ist freie Journalistin in Wiesbaden.

Deutscher WetterdienstDer Deutsche Wetterdienst ist eine Bundesbehörde im Geschäftsbereich der Bundesverwaltung für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen. Seine gesetzlich begründete Aufgabe besteht unter anderem darin, Messwerte zu Atmosphäre und Klima zu erfassen. Meteorologische Daten und Wettervorhersagen sowie Warnungen, Gutachten und andere Auskünfte werden an Abnehmer wie Behörden, Rundfunk und Fernsehen oder an die Landwirtschaft, Luft- und Seeschifffahrt weitergeleitet. Da die einzelnen Niederlassungen des DWD mit ihren Regionalzentralen einen Großteil der Dienstleistungen erbringen, müssen die Niederlassungen mit den Datenbeständen aus dem Rechenzentrum der Zentrale über das DWDNET versorgt werden. Mess- und Beobachtungsdaten kommen aus dem Messnetz mit mehr als 200 hauptamtlichen Mess- und Beobachtungsstationen, über 4000 nebenamtlichen Klima- und Niederschlagsstationen, 2100 phänologischen Beobachtungsstellen sowie Wetterradar-, Strahlungs-, Ozon- und aerologischen Mess-Stationen. Zudem überwacht der DWD Luft und Niederschlag auf radioaktive Beimengungen. Unterstützt von einer neuen Server-Generation mit 210 Workstations und 2600 PCs arbeiten die Mitarbeiter des DWD an Dienstleistungen und Produkten rund ums Wetter. Der DWD ist organisatorisch in verschiedene Geschäftsbereiche unterteilt: "Vorhersagekunde und Medien", "Klima und Landwirtschaft", "Technische Infrastruktur", "Forschung und Entwicklung" sowie "Personal und Betriebswirtschaft".