Was beinhaltet die Überwachung von Glasfasern?

Unter Glasfaser-Überwachung versteht man die kontinuierliche Bewertung der Faserqualität mit Hilfe von Softwaretools und Geräten, die ein integriertes Glasfaser-Überwachungs- und -Managementsystem bilden. Diese Komponenten ermöglichen in ihrer Gesamtheit, Fehlerstellen und schleichende Verschlechterungen an der Glasfaser sowie unberechtigte Zugriffe zu erkennen und den Systemadministrator bei einer Gefährdung der Integrität des optischen Netzes in Echtzeit zu alarmieren.  

Ein optisches Fernüberwachungssystem (RFTS) besteht aus Glasfaser-Testköpfen (Fiber Test Head, FTH), die ein OTDR, einen optischen Schalter und Prozessoren enthalten, um die gewonnenen Messergebnisse zu erfassen und zur weitergehenden Analyse zu übertragen. Ein RFTS kann einen einzigen FTH, der eigenständig im optischen Netz an einem Kabelstandort Tests ausführt, oder mehrere FTH umfassen, die in Verbindung mit einem Management-Server aufeinander abgestimmt Tests durchführen, um netzwerkweite Analysen und Alarme zu gewährleisten sowie den Zugang der Nutzer zu den Netzwerkdomänen, Regionen oder Teams zu steuern. Der Zugriff auf die verschiedenen Testbefehle, Ergebnisse und Analysen erfolgt zumeist über einen Webbrowser und einen Laptop oder eine Mobile App. 

Überwachungssysteme bieten sich auch an, um die optische Dämpfung und andere Leistungsparameter im Zeitverlauf zu analysieren und Trends zu ermitteln.

Ein RFTS ist ein optisches Fernüberwachungssystem, das in allen Lebenszyklus-Phasen der Glasfaser einsetzbar ist. Bereits vor der Inbetriebnahme des optischen Netzes bietet sich ein RFTS an, um die Glasfasern sowie den Netzaufbau in den späteren PON-, DWDM- oder CWDM-Systemen vollständig zu testen. Hierfür wird das RFTS an der Vermittlungsstelle des PON-Netzes oder am Ende eines Hauptkabels angeschlossen, um alle Fehlerstellen auf dem Glasfaserkabel zu erkennen und exakt zu lokalisieren. Darüber hinaus kann das System ein Bestandsverzeichnis des geplanten Netzes führen und dieses bei der späteren Testausführung mit dem tatsächlichen Bestand vergleichen. Nach der Inbetriebnahme bietet sich das RFTS an, um die angebotenen Dienste freizuschalten und zu überwachen. Die Produktfamilie ONMS (Optical Network Management Solutions) von VIAVI ist mühelos auf alle Arten von optischen Netzen skalierbar. Diese reichen von einzelnen Glasfasern bis zu netzwerkweiten Systemen, die jeden Tag Millionen von Tests auf Anforderung ausführen, Dienste zertifizieren und Transaktionen automatisch überwachen können. 

Notwendigkeit der Überwachung von Glasfasern 

Die Kommunikationsinfrastruktur unseres gesamten Planeten ist auf funktionierende Glasfasernetze angewiesen. Die naturgemäß empfindlichen Glasfasern sind zahlreichen Risiken ausgesetzt. Dazu zählen unter anderem Wassereinbruch, falsch durchgeführte Schachtarbeiten, Nagerbefall sowie Sicherheitsverletzungen durch unberechtigte Zugriffe. Um einen optimalen Zustand und maximale Leistungsparameter der Glasfasern zu gewährleisten, sind Überwachungsverfahren zur schnellen Identifizierung und Behebung von Störungen unverzichtbar. 

Neue Technologien und der immer weitere Ausbau der optischen Netze führen dazu, dass sich die Möglichkeiten zur Glasfaser-Überwachung stetig weiterentwickeln. Seekabel werden als extrem lange Kabelstrecken in Gräben auf dem Boden der Ozeane geführt. Spezialschiffe verlegen 200 Kilometer und mehr pro Tag. Auch wenn der praktische Nutzen dieser optischen Übertragungsstrecken auf der Hand liegt, können für deren Installation und Wartung doch erhebliche Kosten anfallen. Beim Auftreten von Störungen werden möglicherweise Taucher oder ferngesteuerte Unterwasserroboter benötigt, um eventuelle Schäden zu untersuchen und zu reparieren. Hier kann eine robuste Fernüberwachung der Glasfasern dazu beitragen, Defekte eher zu erkennen und auch präzise zu lokalisieren. Dadurch ist es möglich, schneller zu reagieren und den Zeitaufwand für die Reparatur zu verringern.

Auch dringen Glasfaserkabel zunehmend in Bereiche vor, die einst konventionellen Koaxialkabeln und Telefonleitungen vorbehalten waren. Heute findet Fiber-To-The-Home (FTTH) zunehmend Verbreitung. In diesem Anwendungsfall werden Glasfaserkabel bis in die Wohnung („Home“) verlegt, was die Bandbreite erhöht und für die Nutzer die Integrität der Daten verbessert. Da die Ausbaustufen der Glasfaserkabel immer weiter reichen, müssen die optischen Überwachungssysteme heute in der Lage sein, alle Störungen auf der Faser von der Quelle bis zum Teilnehmer zuverlässig zu erkennen. 

Alle Glasfasern bleiben dunkel, wenn sie nicht für die Übertragung des Live-Verkehrs genutzt und daher keine Lichtpulse eingespeist werden. Möglicherweise enthält ein Glasfaserkabel nicht genutzte Reservefasern oder ein Serviceprovider hat in einem Wohngebiet ein passives optisches Netz (PON) installiert, von dem noch nicht alle verfügbaren Fasern von Kunden gebucht wurden. In diesem Fall bleibt ein Zweig des optischen Netzes dunkel (englisch: „dark“), wird also so lange nicht genutzt, bis ein bestellter Internetdienst darüber übertragen wird. Natürlich ist der Internet-Serviceprovider (ISP) oder Wholesale-Netzbetreiber daran interessiert, auch diesen Abschnitt der unbeschalteten „dunklen“ Faser in regelmäßigen Abständen mit einem Testimpuls auf seine Einsatzbereitschaft zur Übertragung von Diensten zu überprüfen.&

In der Telekommunikation hat der Begriff „Dark-Fiber“ früher bedeutet, dass die Glasfaser zwar bereits verlegt wurde, aber noch nicht genutzt wird, also unbeschaltet ist. Heute jedoch wird damit ausgedrückt, dass der Besitzer die Glasfaser nicht für die Datenübertragung nutzt, sondern sie stattdessen an einen anderen Serviceprovider, Infrastruktur-Anbieter oder Nutzer vermietet. Dieses „Dark-Fiber-Geschäft“ verzeichnet deutliche Zuwachsraten. Ein solcher Anbieter baut ein physisches Glasfasernetz möglicherweise zum Vermieten auf, während das mietende Unternehmen die Glasfaser in Betrieb nimmt und die optische Übertragung kontrolliert. Diese erfolgt zumeist über DWDM-Kanäle, um die Kapazität zu erhöhen.  

Unabhängig davon, ob die Glasfaser im Boden oder als Freileitung verlegt wurde, ist sie den gleichen Beschädigungsrisiken durch Wetter, Tiere, menschliches Fehlverhalten und Bauarbeiten (Baggerhieb) ausgesetzt. Daher muss die Glasfaser in regelmäßigen Abständen getestet oder überwacht werden, damit sie zum Vermietungszeitpunkt einsatzbereit ist und die in der Dienstgütevereinbarung (SLA) festgelegten Anforderungen in Bezug auf Leistung, Latenz und andere Kennwerte erfüllt.

Die betreffenden Verantwortlichkeiten, ob der Dark-Fiber-Anbeiter die Glasfaser selbst oder der Kunde sie überwacht, sind in dem Mietvertrag festgelegt. Allerdings hat der Kunde häufig mehr zu verlieren, wenn die Glasfaser ausfällt. Daher wird er sie auf Problemstellen überwachen, um die Dienstgütevereinbarung (SLA) durchsetzen zu können. Obgleich das Unternehmen, das die Dark-Fiber nutzt, die Kontrolle über die Übertragungen hat, kann die Glasfaser selbst immer noch unterbrochen werden. Da der Besitzer weiter die Wartung der Glasfasern für seine verschiedenen Kunden übernimmt, kann es vorkommen, dass ein Techniker an einem Verteilerschrank arbeitet und die Verbindung trennt oder die Glasfaser zu stark gebogen wird. 

Demarkation: Die Dark-Fiber-Strecken werden als gemischte Konfigurationen von Inhabern und Mietern  verwaltet. Für den Mieter bietet die Dark-Fiber den Vorteil, dass er ein bereits installiertes Glasfasernetz nutzen kann, dessen Aufbau ansonsten vielleicht Jahre in Anspruch genommen hätte. Diese Glasfasern müssen bei der Inbetriebnahme jedoch qualifiziert werden, um sicherzugehen, dass sie die geforderten Standards einhalten. Nehmen wir als Beispiel eine Konfiguration, bei der ein Unternehmen seine Rechenzentren über Bundesländer hinweg mit gemieteten und eigenen DCI-Glasfasertrecken koppelt. Hier kommt es darauf an, den Netzabschnitt, in dem sich eine Störung entwickelt, abzugrenzen und sicherzustellen, dass das richtige Team zur vorbeugenden Wartung zur Fehlerstelle ausgeschickt wird. Sollte das Netzwerk aufgrund eines Faserbruchs ausfallen, muss man in der Lage sein, die Stelle präzise zu lokalisieren und die Durchsetzung der Dienstgütevereinbarung (SLA) zur Wiederherstellung der Strecke zu erzwingen. Bei einem Ausfall einer Dark-Fiber- oder Ethernet-Strecke werden sehr hohe Vertragsstrafen fällig, die jedes Jahr mehrere Millionen Euro betragen können. Daher bietet die Glasfaser-Überwachung sowohl für den Anbieter als auch für den Mieter einer Dark-Fiber die Möglichkeit, die Investitionsrendite (RoI) zu steigern. 

Physikalische Grundlagen des Testens von Dark-Fiber und von aktiven Faserstrecken 

1. Wodurch unterscheiden sich die Vorgehensweisen beim Testen von Glasfasern, die Live-Verkehr (beschaltete Faser) bzw. keinen Verkehr (Dark-Fiber) übertragen? Beim Einspeisen eines Lichtpulses in ein unbenutztes, dunkles Glasfasernetz können keine anderen Lichtsignale, wie der Live-Verkehr einer aktiven Glasfaser, gestört werden. Das heißt, die Tests sind risikolos bei jeder beliebigen Wellenlänge ausführbar. Bei einem optischen Netz, in dem jedoch Live-Verkehr über beschaltete Glasfasern übertragen wird, muss ein Testpuls bei einer anderen Wellenlänge als der Übertragungswellenlänge eingekoppelt werden. Das ist zum einen erforderlich, um die für die laufende Kommunikation benötigte Bandbreite nicht zu verringern, und zum anderen, um Verzögerungen oder Überlastungen bei der Verkehrswellenlänge zu vermeiden. Bei passiven optischen Punkt-zu-Mehrpunkt-Netzen (PON P2MP) und bei aktiven Punkt-zu-Punkt DWDM-Netzen (DWDM P2P) kommen zumeist die Testwellenlängen von 1625 nm und 1650 nm zum Einsatz, um eventuelle Störungen des laufenden Verkehrs oder aktiver Geräte, wie von Empfängern oder Verstärkern, zu vermeiden. 

2. Bei einem aktiven P2P-Langstreckennetz werden Verstärker und Router genutzt, um die den Verkehr übertragenen Lichtsignale stabil zu halten und den natürlichen Signalverlust (Dämpfung) über lange Strecken zu kompensieren. Häufig ist es erforderlich, das Testsignal um diese aktiven Geräte herumzuführen, um Verkehrsunterbrechungen, Testfehler und Störungen an den aktiven Geräten zu vermeiden. Hierfür kommen Filter zum Einsatz, die das Testsignal entnehmen und es mit Hilfe eines Jumperkabels um das aktive Gerät herumführen oder vollständig entfernen. 

Überwachung aktiver Glasfasern auf Sicherheitsverletzungen

Da Jahr für Jahr eine steigende Anzahl von unberechtigten Zugriffen und Datendiebstählen gemeldet wird, spielen Sicherheitsaspekte eine immer größere Rolle. Obgleich Glasfaserkabel im Allgemeinen sicherer als konventionelle Kupferkabel gelten, stellen Glasfaser-Abhörversuche die Behörden und die optischen Überwachungssysteme weiter vor große Herausforderungen. 

Dabei werden die bei diesen unberechtigten Zugriffen verwendeten Methoden, wie zusätzliche optische Splitter oder Biegekoppler, immer raffinierter, um diese Abhörversuche zu verschleiern. An erster Stelle zur Abwehr solcher Angriffe ist sicherlich die Verschlüsselung der übertragenen Daten zu nennen. Aber auch die Glasfaser-Überwachung erlaubt, Veränderungen in der Ausbreitung der optischen Signale, die die Angreifer verbergen möchten, zu erkennen. 

Ein innovatives Konzept der Glasfaser-Überwachung, das die Sicherheit mit minimalem Aufwand an zusätzlichen Geräten verbessern kann, ist das Aktive Faser-Monitoring (AFM). Dieses Verfahren erkennt kleinste Veränderungen in der Übertragung der Lichtsignale auf aktiven Glasfaserstrecken und löst Alarme aus, sodass angemessene Abwehrmaßnahmen ergriffen werden können. Mit AFM müssen keine zusätzlichen Glasfasern mehr für die Überwachung reserviert werden, da die aktiven Fasern, die sensible Daten übertragen, strategisch für die Beobachtung auswählbar sind. 

Ein Glasfaser-Fernüberwachungssystem (RFTS) vermittelt von einem zentralen Standort aus einen aussagekräftigen Überblick über das gesamte optische Netzwerk, einschließlich über Dark-Fiber-Strecken. Diese umfassende Methode erlaubt, die Leistungsparameter des optisches Netzes kontinuierlich zu bewerten und die mittlere Reparaturdauer (Mean Time to Repair, MTTR) weitestgehend zu verringern. 

Die MTTR ist ein Kennwert, der die Gesamteffektivität eines Überwachungs- und Managementsystems für Glasfasern am besten beschreibt. Sie definiert den mittleren Zeitaufwand, der benötigt wird, um eine Störung zu beheben und das System wieder in einen funktionsfähigen Zustand zu versetzen. Ein wichtiger Teil des Reparaturprozesses ist das Auffinden (Lokalisierung) der Fehlerstelle. Bei einem schwerwiegenden Faserbruch oder einer starken Faserbiegung müssen vier bis fünf Techniker häufig 4–5 Stunden lang suchen, bevor man überhaupt mit der Reparatur beginnen kann. Die Fernüberwachung verringert diesen Lokalisierungsaufwand auf unter fünf Minuten. Zudem wird die Fehlerstelle aus der Ferne („Remote“) und automatisch lokalisiert. Das entspricht für gewöhnlich 30–40 % der gesamten für den Reparaturprozess verfügbaren Zeit. Aus diesem Grund ist die Genauigkeit, mit der die Glasfaser-Fernüberwachung mit Hilfe der OTDR-Technologie eine Fehlerstelle auf der optischen Übertragungsstrecke lokalisieren kann, eine Voraussetzung zur Verringerung der MTTR und zur Verbesserung der Kundenzufriedenzeit. 

Die von einem Fernüberwachungssystem erzeugten Alarmmeldungen können als E-Mail-, SMS- oder SNMP-Nachrichten übermittelt werden.SMS-Nachrichten sind Außerband-Textmitteilungen, die im Alarmfall automatisch an die vorgesehenen Nutzer gesendet werden. Damit ist es nicht mehr unbedingt erforderlich, die Überwachungsschnittstellen ständig im Blick zu haben. Das Simple Network Management Protocol (SNMP) ist ein Netzwerkprotokoll, das häufig verwendet wird, um vernetzte Geräte online zu überwachen und Alarme an einen zentralen Standort (Host) zu übermitteln. 

Probleme bei der Glasfaser-Überwachung

Obwohl die OTDR-Technologie sehr effektiv ist, können Totzonen auf den optischen Übertragungsstrecken die Zuverlässigkeit der Überwachung beeinträchtigen. Bei OTDR-Messungen beschreibt eine Totzone den Teil der Glasfaser, auf dem ein stark reflektierendes Ereignis eine genaue Messung unmöglich macht. Ursachen können ein Luftspalt, ein Spleiß oder ein Steckverbinder sein, die eine so starke Reflexion einfügen, dass der Detektor des OTDRs vorübergehend gesättigt („geblendet“) wird. 

Während dieser Zeit, in der der Detektor sich von der Sättigung erholen muss, kann das OTDR andere Ereignisse in der Nähe nicht mehr präzise unterscheiden. Das ist dann wichtig, wenn sich die neue, zu lokalisierende Fehlerstelle so dicht an einem Spleiß oder einer Steckverbindung befindet, dass sie von einer vorhandenen Reflexionsquelle überdeckt wird. 

Eine Dark-Fiber ist eine weitere häufige Komponente in optischen Netzen, die sowohl Vorteile als auch Nachteile bietet. Dieser häufig verwendete englische Begriff beschreibt lediglich eine dunkle (englisch: „dark“), also nicht beleuchtete oder nicht beschaltete Glasfaser im optischen Netzwerk. Gelegentlich wird damit auch ein Glasfaserkabel bezeichnet, das vom ursprünglichen Netzbetreiber unbeschaltet an einen anderen Anbieter vermietet wird. 

Auch diese Dark-Fiber muss jedoch getestet und überwacht werden, um deren Integrität sicherzustellen. Das gilt vor allem, wenn sie für den zukünftigen Netzausbau vorgehalten wird. Gelegentlich kann es sogar von Vorteil sein, unbeschaltete, aber abgeschlossene Glasfasern zu überwachen. Da Fehlerstellen zumeist alle Fasern in einem Kabel betreffen, stellt die Überwachung einer ausgewählten Dark-Fiber eine effektive Möglichkeit dar, um die Unversehrtheit des gesamten Kabels nachzuprüfen, ohne die übertragenen Dienste auf den aktiven Glasfasern zu stören.

Die Zukunft der Glasfaser-Überwachung

Mit der weiteren Verbreitung von Glasfaserinstallationen sowie der wachsenden Bandbreite erhöht sich auch die Notwendigkeit präziser und umfassender Glasfaser-Überwachungssysteme. Innovative P2MP-Netzarchitekturen, darunter passive optische Netze (PON), ermöglichen den weiteren Ausbau von FTTH-Netzen mit einem geringeren Stromverbrauch und einer größeren Festigkeit gegenüber elektrischen Störeinflüssen. Aufgrund der erwarteten höheren Komplexität optischer Netze wird die Glasfaser-Überwachung zudem wichtiger als je zuvor. 

Innovationen, die die Messgenauigkeit und Leistungsparameter der OTDRs auf kurzen Kabelstrecken verbessern, begünstigen Glasfaser-Überwachungssysteme, da sie die Auswirkungen von Totzonen und anderer Artefakte, die von Angreifern ausgenutzt werden können, verringern. Da es keine Alternative zur Gewährleistung der Sicherheit von optischen Netzen gibt, muss sich die Überwachungstechnologie der Zukunft stetig weiterentwickeln, um diesen Herausforderungen immer einen Schritt voraus zu sein.