CC BY
166
УДК 621.39
Повышение помехозащищенности оптических каналов для резервирования данных
Т.С. Аббасова
Рассмотрены технологии синхронного зеркального копирования данных для протяженных магистралей; для приложений с высокими требованиями к пропускной способности (10 Гбит/с) предложена технология высокого мультиплексирования по длине волны DWDM (от англ. Dense Wavelength Division Multiplexing); показано, какие нелинейные эффекты на распространение сигнала по оптическому волокну следует учитывать при внедрении технологии DWDM; особое внимание уделено эффекту четырехволнового смешения.
Technologies of synchronous mirror copying of data for протяженных highways are considered; for appendices with high requirements to throughput (10 G-Base-T) the technology of high multiplexing on length of a wave DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing,) is offered; it is shown, what nonlinear effects on distribution of a signal on an optical fibre should be considered at introduction of technology DWDM; the special attention is given effect of four-wave mixture.
На примере основных и резервных вычислительных центров рассмотрим меры по разгрузке трафика резервных оптических каналов передачи данных путем его перераспределения с учетом защищенности каналов на различных оптических длинах волн на примере основных и резервных вычислительных центров данных.
В вычислительных центрах и сетях хранения SAN (от англ. Storage Area Network) применяются разные протоколы передачи данных. В случае больших компьютеров серверы и устройства хранения, как правило, работают с соединениями для корпоративных систем ESCON (от англ. Enterprise Systems Connection,). ESCON обладает емкостью соединения до 200 Мбит/с, поэтому высокая скорость передачи требует поддержки множества соединений в каждом филиале. Вариант с волоконно-оптическим соединением FICON (от англ. Fibre Connection,) повышает ее до 1 Гбит/с. Дисковые массивы, серверы и коммутаторы SAN используют протокол Fibre Channel на 1 или 2 Гбит/с. В будущем скорость должна вырасти до 10 Гбит/с [1].
Увеличение скорости передачи через порты Fibre Channel дает дополнительные преимущества при подключении в пределах вычислительного центра, однако в случае соединения основного и резервного центров, разделенных большим расстоянием, ведет к повышению затрат. Правда, приложения для тиражирования данных пока еще не задействуют всю скорость передачи. Обычному приложению для синхронного зеркального копирования данных достаточно менее половины доступной пропускной способности порта Fibre Channel. Благодаря этому появляется возможность
обмена данными между несколькими вычислительными центрами.
Для соединения удаленных вычислительных центров или сетей хранения данных предлагается несколько вариантов:
♦ синхронная цифровая иерархия SDH (от англ. Synchronous Digital Hierarchy) /синхронная оптическая сеть SONET (от англ. Synchronous Optical Network) - широко распространенная служба операторов или провайдеров услуг сочетает высокую производительность и малое время задержки; при этом исключается потеря данных и обеспечивается безопасность на уровне выделенной линии;
♦ асинхронный режим передачи ATM (от англ. Asynchronous Transfer Mode) - технология для передачи приложений данных по инфраструктуре SDH/SONET предлагает функцию обеспечения качества услуг QoS (от англ. Quality of Service) для управления ограниченной пропускной способностью;
♦ Ethernet/IP - виртуальные частные сети IP позволяют передавать данные по совместно используемой архитектуре; передача происходит даже при потере отдельных пакетов;
♦ мультиплексирование по длине волны WDM (от англ. Wavelength Division Multiplexing) - в этом случае независимые друг от друга протоколы делят между собой пару «темных волокон».
Технология SDH/SONET изначально задумывалась для транспортировки объединенного голосового трафика между далеко находящимися друг от друга абонентами. SDH имеет наибольшее
распространение по сравнению с любой другой технологией передачи. Малое время задержки, отсутствие потерь пакетов и надежность не хуже, чем у выделенных линий, делают ее пригодной для восстановления данных. Проблема же SDH заключается в том, что стоимость передачи базируется на доступной для голосового трафика пропускной способности. Для многих предприятий передача со скоростью более 150 Мбит/с требует непосильных затрат.
Недавно разработанные платформы для расширения возможностей хранения данных SEP (от англ. Storage Extension Platform) снижают стоимость восстановления за счет более эффективного использования пропускной способности SDH: эти платформы удаляют пустые кадры и сжимают данные при помощи методов снижения времени задержки. Такие методы, как динамическое выделение пропускной способности DBA (от англ. Dynamic Bandwidth Assignment) и управление трафиком посредством буферных кредитов, повышают эффективность использования пропускной способности устройствами SDH. С соответствующими платформами расширения SDH может использоваться в приложениях для восстановления после катастроф, если решения WDM оказываются слишком дорогими по причине больших расстояний.
До сих пор технология АТМ использовалась для передачи бизнес-приложений по инфраструктурам SDH/SONET, когда не предъявлялось особых требований к QoS, а путь передачи не был слишком длинным. Из-за относительно длительного времени задержки и низкой скорости передачи данных платформы расширенного хранения на базе АТМ не подходят для приложений, имеющих высокие требования, к которым относится зеркальное копирование данных на большие расстояния. Платформы на базе АТМ ограничивают трафик и упаковывают такие протоколы, как ESCON, в ячейки АТМ, чтобы потом передавать их по линиям DS3, а значит, полная пропускная способность не доступна для использования. В свою очередь, это увеличивает время задержки и сокращает радиус действия. Дополнительными ограничениями являются занимаемая площадь и высокая стоимость оборудования. Благодаря последним разработкам в области платформ расширенного хранения на базе SDH решения АТМ уже не соответствуют требованиям настоящего времени.
Ethernet и IP упаковывают данные Fibre Channel для передачи по глобальным сетям.
Поскольку в сетях IP данные постоянно теряются, они подходят лишь для таких сравнительно медленных технологий, как сохранение данных на ленты. Только эти приложения терпимы к низкой скорости передачи, непредсказуемой задержке и повторной передаче утерянных пакетов данных. Поэтому маршрутизируемый трафик IP не рекомендуется для большинства приложений восстановления после катастроф: зеркальное копирование дисков с многократной передачей данных TCP/IP или с меняющимся временем задержки, как в маршрутизируемой сети, недопустимо. Технологии Ethernet/IP для глобальной сети оказываются эффективны при восстановлении данных, когда они используются в широкополосных частных сетях при прямом двухточечном соединении без потери данных [2].
Технология WDM очень эффективна, поскольку по одной паре оптических волокон передается несколько независимых сигналов (рис. 1). Это обеспечивается путем распределения света по различным длинам волн: каждую из них можно добавлять, удалять или транспортировать через узлы WDM. Таким образом, по одному и тому же оптическому волокну можно передавать сразу несколько высокоскоростных протоколов без их преобразования или сжатия. WDM поддерживает протоколы с полной пропускной способностью -без преобразования протокола или задержки при выполнении приложений. Технология идеально подходит для использования в городских сетях, с программным обеспечением для баз данных или копирования и сохранения данных на ленту. Всем перечисленным приложениям требуются высокая пропускная способность и минимальное время задержки. Для синхронного зеркального копирования данных WDM представляется наилучшим выбором.
Рис. 1. Спектральное мультиплексирование методом WDM
Методы WDM объединяют несколько сигналов для более эффективного использования пропускной способности.
Технология имеет две разновидности: мультиплексирование по длине волны низкой CWDM (от англ. Coarse WDM,) и высокой DWDM (от англ. Dense WDM) плотности. CWDM позволяет увеличить пропускную способность сети между филиалами, одновременно минимизируя количество используемых оптических волокон. Она поддерживает расстояния до 80 км при 16 длинах волн. Каждая длина волны способна переносить данные со скоростью 2,5 Гбит/с при любой комбинации протоколов, в том числе Fibre Channel, FICON, ESCON и Gigabit Ethernet, а также услуги SDH/SONET. Мощные платформы CWDM обеспечивают мультиплексирование (совместную передачу различных услуг) и таким образом полностью задействуют длины волн.
Технология DWDM ушла на шаг дальше: она усиливает свет для передачи на расстояние до 600 км и предлагает 66 длин волн в двухточечных или кольцевых топологиях. Каждая длина волны поддерживает скорость передачи в 2,5 или 10 Гбит/с при любой комбинации протоколов. Обычно DWDM используется для приложений с высокими требованиями к пропускной способности. Как и оборудование CWDM, платформы DWDM осуществляют объединение услуг. Технически доступная и экономически выгодная технология WDM рекомендуется для передачи данных на большие расстояния [3].
Однако при внедрении технологии DWDM стедует учитывать влияние нелинейных эффектов на распространение сигнала по оптическому волокну. Особое внимание уделяется эффекту четырехволнового смешения, как наиболее вредному для систем DWDM. При смешении сигналов, передаваемых на разных длинах волн, в волокне возникают паразитные сигналы, которые попадают в рабочие каналы системы, приводя к возникновению перекрестных помех. Производятся расчеты защищенности каждого канала системы при использовании в качестве среды передачи различных видов волокон. В спектральных каналах системы DWDM передаются цифровые потоки. Требуется определение качества передачи информации в телекоммуникационных системах с плотным волновым мультиплексированием.
Технология DWDM предполагает плотное расположение оптических каналов в системе. В рекомендации ITU-T G.692 приводится частотный
план для систем DWDM с частотным интервалом 100 ГГц (интервал по длине волны 0,8 нм). В соответствии с этим планом в третьем окне прозрачности оптического волокна (1530...1560 нм) возможно организовать 40 оптических каналов.
При таком плотном расположении оптических каналов в волокне могут возникать разного рода нелинейные эффекты. Такие явления обусловлены нелинейным откликом оптически прозрачного вещества на увеличение интенсивности светового потока, приходящегося на единицу площади поперечного сечения сердцевины волокна. Требуется оценка защищенности оптических каналов от влияния нелинейных эффектов.
Существует несколько различных видов нелинейных эффектов, каждый из которых в разной степени влияет на распространение сигналов по волокну. Самым существенным нелинейным явлением для систем с плотным волновым мультиплексированием является четырехволновое смешение ЧВС, или FWM (от англ. Four Wave Mixing). ЧВС приводит к появлению новых гармоник, часть из них попадает в каналы системы DWDM и вызывает перекрестные помехи, которые оказывают мешающее влияние на передачу основного сигнала. Появление таких мешающих гармоник происходит по следующему закону [1]
wIjk=w,+Wj-Wk, (1)
где ¡фк; j^k - частоты несущих, на которых появились гармоники нелинейного взаимодействия; Wj - волновое смешение из-за нелинейного взаимодействия трех волн со схемами формирования гармоник w*, Wj, wk .
При m несущих в системе действуют две схемы формирования новых гармоник: вырожденное (i=j) и невырожденное ^j) ЧВС. В таком случае в системе генерируется большое количество гармоник, соответствующих изменению i, j и k от 1 до m. Общее число гармоник N можно оценить по формуле [1,2]
N =
m 2(m -1)
(2)
где m - номер несущей частоты.
При увеличении числа каналов в системе DWDM число мешающих гармоник резко возрастает. Однако не все из появившихся гармоник попадают в каналы системы. Многие из них выходят за пределы ее частотного диапазона. Получены зависимости, по которым можно оценить число влияющих гармоник в каждом канале оптической системы. Например, для системы DWDM с 40 ка-
налами число мешающих гармоник составит от 740 в крайних каналах системы до 1120 в центральных каналах (рис. 2).
P — n
1 ijk ijk
3cS
PPP e
-aL
(3)
и G.655 максимальное значение Рф приходится на длину линии 4.. .10 км.
Общую мощность помехи Рп можно оценить по формуле
(4)
Рис. 2. Зависимость числа мешающих гармоник от номера канала в системе DWDM с 40 каналами
За каждым номером канала закреплена определенная частота в соответствии с частотным планом ITU-T G.692. Можно сделать вывод о меньшей защищенности центральных каналов системы по сравнению с крайними.
Мощность одной гармоники на частоте fijk вычисляется по формуле [2]
Г 2fK djkL ^2
V У
где - коэффициент эффективности ЧВС, который учитывает влияние дисперсионных характеристик волокна и величину частотного интервала; кн — коэффициент нелинейности показателя преломления; dijk - коэффициент вырождения ЧВС; Рі - мощность і-й гармоники; Р} - мощность }-й гармоники; Рк - мощность к-й гармоники; L - длина линии; а - затухание волокна; с - скорость света; - площадь поперечного сечения волоконнооптического кабеля.
Мощность мешающей гармоники по мере распространения по волокну меняет свое значение (рис. 3). Расчеты показали, что для волокон G.652
где суммирование по мощности производится по 7, j и k от 1 до т.
Зная мощность полезного сигнала и мощность помехи, можно оценить защищенность определенного оптического канала f7jk как отношение мощности основной несущей к суммарной мощности генерируемых несущих частот
Р = 10lg pf. (5)
п
где Рс - мощность полезного сигнала, Рп - мощность помехи.
При расчете защищенности следует учитывать ослабление мощности основного сигнала Pc по мере распространения по волокну.
Защищенность рассчитывалась для трех видов оптического волокна: стандартное одномодовое волокно SMF (G.652), волокно со смещенной дисперсией DSF (G.653) и волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (G.655). В результате расчетов получены зависимости защищенности каналов системы от длины линии и длины волны (рис. 4 - 6). Для каждого типа волокна определены критические значения длины линии, на которой наблюдается наименьшая защищенность оптических каналов. Для волокна G.652 это 7.. .10 км, для волокна G.653 - 7.14 км, для волокна G.655 - 4.14 км.
Расчеты показали, что наименьшей защищенностью от нелинейного эффекта ЧВС обладают волокна G.653, где область нулевой дисперсии находится в пределах 1550 нм. Здесь защищенность принимает наименьшее значение (—17 18 дБ).
Рис. 3. Мощность гармоник четырехволнового смешения Рис. 4. Зависимость защищенности каналов от длины линии
для волокна NZDSF волокна SMF
О 10 20 ¡0 60 70 80
Длина линии, км
Рис. 5. Зависимость защищенности каналов от длины линии волокна DSF
о ю :о 40 50
Длина линии, км
Рис. 6. Зависимость защищенности каналов от длины волокна NZDSF
Дисперсия эффективно подавляет нелинейные эффекты, поэтому использовать волокна G.653 для систем DWDM не рекомендуется. ЧВС менее критично в волокнах G.655, особенно в волокнах с большой эффективной площадью. Еще менее оно опасно в системах DWDM, использующих стандартное волокно G.652. В этом случае расчеты показали наибольшую защищенность (>46 дБ).
Однако использование волокна G.652 в системах DWDM нецелесообразно, так как большая дисперсия ограничивает длину регенерационного
участка (без компенсации дисперсии). Дисперсия, с одной стороны, должна быть достаточно малой, такой, чтобы не вызывать уширения импульсов. С другой стороны, для подавления перекрестных помех, возникающих из-за нелинейных эффектов, дисперсия должна быть достаточно большой. Оптимальной для применения в системах DWDM следует признать волокна с ненулевой смещенной дисперсией G.655.
Воздействие ЧВС резко увеличивается при уменьшении частотного интервала до 50 ГГц, а также при увеличении мощности, вводимой в волокно.
Для нейтрализации эффекта ЧВС можно использовать неравномерные промежутки между каналами DWDM, однако это вносит ограничения на использование длин волн из частотного плана ITU-Т. Необходимо также ограничить суммарную мощность, вводимую в волокно. Рекомендация G.662 устанавливает уровень мощности в 23 дБ. При распределении трафика по каналам следует учитывать тот факт, что защищенность каналов различна на разных длинах волн.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Syrns Systems,
1999.
2. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и связь,
2000.
3. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: пер. с англ. под ред. П.В.Мамышева. - М.: Мир, 1996.
4. Казанский Н.А., Ереминский Д.Е. Оценка качества передачи информации в оптических сетях связи с плотным волновым мультиплексированием DWDM.- Тр. РНТОРЭС им. А.С. Попова, т.1, LIX-я научная сессия, посвященная Дню радио, 2004.
Поступила 01.09.2008 г.
