CC BY
446
К вопросу построения оптических сетей
Ершова Э. Б., Вакс Э. М., МТУСИ
Введение
В последние годы четко прослеживается тенденция быстрого роста объемов трафика данных на телекоммуникационных сетях. Постепенно трафик данньх становится доминирующим на сетях, что требует создания сетей связи с высокой пропускной способностью на базе коммутации пакетов. Одним из подходов к созданию таких сетей являются полностью оптические сети — AON (All-optical Networks).
AON представляют собой класс сетей, функционирование которых при коммутации, мультиплексировании и ретрансляции основано на применении оптических технологий [1] в отличие от стандартных решений на базе электронных (в том числе оптоэлектронных) технологий.
Появление принципиальной возможности создания полностью оптической сети обещает множество преимуществ. В соответствии со своим основным свойством, полностью оптическая сеть исключает преобразования сигнала из оптической формы в электрическую и обратно.
Также очень полезным свойством таких сетей является независимость от формата и скорости передачи: оно позволяет передавать любую комбинацию типов трафика (синхронного, асинхронного, STM-16, STM-64 и т. п.) по одному и тому же волокну одновременно. Иными словами такая транспортная сеть способна перемещать любой груз [1].
Учитывая перспективы создания концепции NGN, основным принципом которой является разделение функций транспорта и предоставления услуг, такие транспортные сети должны стать одним из ключевых элементов в построении сетей следующего поколения.
1. Классификация полностью оптических сетей
Все AON можно разбить на три основные категории: сети, использующие многоволновые (мультиплексные) линии связи, сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов (табл. 1).
Первые две категории AON имеют одну важную характеристику — прозрачность сети по отношению к используемому приложению. Главным фактором прозрачной AON выступает гибкость по отношению к используемым конечными узлами приложениям (АТМ, FDDI и т.д.). Оптическая прозрачность (передача оптического сигнала в формате приложения — код, частота модуляции) достигается по любому из оптических WDM каналов от узла-источника до узла-назначения без использования оптоэлектронных устройств преобразования сигнала. Сигнальный формат в пределах каждого WDM канала может быть виртуально произвольным, обеспечивая экономичность и гигантский потенциал наращивания. Кроме чисто пассивных компонентов (мультиплексоров, демультиплексоров, ответвителей), прозрачные AON могут содержать активные элементы, такие как конфигурируемые волновые маршрутизаторы, волновые конвертеры, оптические коммутаторы. Даже если управление этими устройствами электронное, весь путь распространения самого сигнала остается оптическим. Электронный контроль требует меньшей полосы (допустимо под управление выделение специального отдельного канала) и используется, главным образом, для реконфигурирования узлов сети, WDM каналов, изменения структуры потоков, удовлетворяя различным требованиям пользователей. Оптическое терминальное оборудование в прозрачной AON в наиболее общем случае представляют: перестраиваемые лазерные передатчики (turn-able-laser transmitters) и/или перестраиваемые поворотные фильтры (turnable filters или heterodynes). Два оконечных узла сети могут установить канал связи через такую сеть посредством настройки на определенные две волны (для приема и передачи), которые им предоставляет сетевой контроллер оптического терминала, обработав соответствующий предварительный запрос. После установления соединения магистральный канал становится прозрачным по отношению к используемому приложению. Допускается более интересная возможность, когда любая группа пользователей может получить соответствующий набор длин волн от прозрачной AON и организовать свою собственную виртуальную сеть. Каждый пользователь в этой сети способен открыть одновременно несколько сессий. Таким образом, прозрачная AON потенциально обладает очень богатыми возможностями объединения пользователей на локальном или глобальном масштабах расстояний [1].
Таблица 1
Классификация полностью оптических сетей AON
Категория сети Подкатегория Характеристики
Многоволновая мультиплексная линия связи - Полностью прозрачная по отношению к оконечным узлам
Полностью оптическая с коммутацией каналов Широковещательная (пассивная)сеть Полностью прозрачная
Сеть с пассивной волновой маршрутизацией Полностью прозрачная
Сеть с активной волновой маршрутизацией Полностью прозрачная
Полностью оптическая с коммутацией пакетов Сеть с последовательной битовой коммутацией пакетов Прозрачная при использовании установленного протокола
Сеть с параллельной битовой коммутацией пакетов Прозрачная при использовании установленного протокола
ÄTM/STM-4 Gigabit Ethernet
STM-16
Простая многовопновая линия связи SMWL Этот тип сети представляет простейший способ организации архитектуры AON (для простоты указано только одно направление передачи данных, рис.1). Такой канал связи позволяет организовать множество соединений "точка-точка" между однотипными узлами, которые общаются на вполне определенных, предназначенных исключительно для них, длинах волн. Преимуществами данной сети являются: большая полоса пропускания, отводимая на каждую пару взаимодействующих между собой пользователей; высокая надежность связи вследствие гарантированной полосы пропускания (под каждый канал отводится отдельная длина волны); прозрачность каждого канала сети по отношению к выбору сетевого приложения (АТМ, Gigabit Ethernet, SDH/PDH и т.д.) между оконечными узлами. Недостатком является наличие жестко зафиксированных соединений по каналам.
Многоволновая линия связи не является полноценной сетью, поскольку не позволяет осуществлять соединения удаленных узлов по принципу "каждый с каждым". Она выполняет исключительно функции транспортной магистрали высокой емкости и подобно магистралям SDH обеспечивает статическое соединение "точка-точка", только с частотным мультиплексированием. Многоволновые линии связи могут находиться в составе более сложных архитектур полностью оптических сетей.
AON с коммутацией каналов Две первые подкатегории AON с коммутаций каналов (широковещательные сети и сети с пассивной волновой маршрутизацией) представляют собой пассивные сети PON (passive optical network). PON — это AON, использующая только пассивные оптические компоненты: волокна, направленные ответвители, разветвители, волновые мультиплексоры, и фильтры. Особенностью PON является низкая цена, низкие затраты на поддержку или полное ее отсутствие, а основные сферы приложения — это "волокно-в-дом" (fiber-to-the-home) или "волокно-по-кругу" (fiber-in-the-loop). Таким образом, экономичность и низкие затраты на поддержание сети (философия the "bury it and forget if1) — главные цели такой сети, даже при понижении ее производительности. При построении PON не исключается частичная, в основном для преодоления больших расстояний, возможность использования оптических усилителей EFDA, хотя последние и не являются чисто пассивными компонентами.
Широковещательная AON. Каждому удаленному узлу широко-
V
Оптические усилители
/
\
-► я.,
ATM/STM-4 Gigabit Ethernet
STM-16
DWDM
мультиплексор
Рис. 1. Простая многоволновая линия связи
DWDM
демультиплексор
вещательной AON обычно приписывается определенная длина волны, на которой узел ведет передачу. Сигналы со всех удаленных узлов собираются в оптическом звездообразном разветвителе, где они смешиваются и распределяются по выходным полюсам в волокна, идущие обратно к удаленным узлам, каждый узел получает мультиплексный сигнал, представленный всеми длинами волн (рис. 2).
Поскольку центральной узел широковещательной AON и все оптические сегменты являются чисто пассивными элементами, такая сеть имеет очень высокую надежность. В то же время широковещательную AON невозможно использовать в качестве магистралей для глобальных сетей по двум проблемам. Во-первых, энергия передатчика от каждого узла распределяется между всеми остальными узлами, в результате чего большая доля энергии тратится при разветвлении вхолостую. Эту проблему можно решить привлечением оптических усилителей, хотя при этом снижается надежность. Во-вторых, каждый узел широковещательной AON требует индивидуальной длины волны, так что полное число узлов в сети ограничивается максимальным числом каналов, которые можно мультиплексировать в одно волокно. Теоретический предел числа различных длин волн, которые можно мультиплексировать в отдельное волокно с использованием техники плотного волнового мультиплексирования DWDM составляет порядка 200. Далее, если даже допустить, что для передачи используется 20 волокон, то можно объединить порядка 4000 узлов, что катастрофически мало для построения единой информационной магистрали на земле. Принципиальная невозможность построения масштабируемых архитектур широковещательных сетей ограничивает их сферу применения локальным масштабом.
AON с пассивной волновой маршрутизацией- Частично обе проблемы могут быть решены на основе AON с пассивной волновой маршрутизацией (рис. 3). В такой сети сигнал определенной длины волны может перенаправляться (статически маршрутизироваться) в узел назначения через последовательность промежуточных
Рис. 2. Широковещательная AON
Рис. 3. AON с пассивной волновой маршрутизацией
узлов вместо того, чтобы широковещательно распределяться между всеми оконечными узлами сети, Это позволяет экономить энергию оптического сигнала из-за отсутствия разветвителей и допускает одновременное использование сигналов, представленных одной и той же длиной волны в разных неперекрывающихся частях сети.
Промежуточными узлами сети с пассивной волновой маршрутизацией являются статические маршрутизаторы, выполненные преимущественно на основе WDM мультиплексоров.
AON с активной волновой маршрутизацией. Дальнейшее наращивание сети связано с переходом от статической к динамической маршрутизации. Маршрутизация на узлах становится активной и допускает дистанционное конфигурирование. Динамическая маршрутизация, прежде всего, предполагает использование оптических коммутаторов.
На рис. 4 показан пример многоуровневой архитектуры сети AON с коммутацией каналов, в которой на уровне групп реализована широковещательная AON, не выходящая за пределы группы (для этой цели выделяются определенные длины волн, в разных группах локально можно использовать один и тот же набор длин волн), на более высоком уровне (уровнях) реализуется сеть с динамической волновой маршрутизацией.
Динамическая маршрутизация используется в оптических коммутаторах систем DWDM. Принцип коммутации в таком устройстве основан на оптическом перемещении сигнала с длины волны ^1 на ^2.
Положительным моментом в таком принципе коммутации является то, что для её осуществления не нужно выполнять оптоэлектронное преобразование, коммутируется оптический сигнал. За счёт этого повышается надёжность передачи информации и увеличивается отношение сигнал/шум для передаваемого сигнала. Кроме того, оптический коммутатор не имеет ограничений по производительности, т.к. здесь используется аналоговый принцип коммутации и никакого преобразования сигнала не выполняется.
Негативным фактором, может являться то, что весь поток данных оптического входа ^1 передаётся в оптический канал Х2 .
AON с коммутацией пакетов- Рассмотренные полностью оптические сети с коммутацией каналов позволяют строить оптические магистрали, прозрачные к использованию любых приложений со стороны оконечных сетевых узлов. Но наряду с этим достоинством, отмечается и один их недостаток — сети с коммутацией каналов не могут работать с "взрывным графиком" от локальных сетей передачи данных. В этой связи внедрение полностью оптических сетей с коммутацией пакетов было бы идеальным, поскольку они позволяют значительно эффективней использовать отведенную полосу пропус-
кания волоконно-оптических каналов связи.
Далее рассмотрены два метода пакетной коммутации в AON: последовательная битовая и параллельная битовая коммутация пакетов.
Сеть с последовательной битовой коммутацией. Оптическая последовательная битовая коммутация BSPS (bit-sequential packet switching) — это метод прямого управления электроникой коммутационных элементов, в отличии от методов, используемых в сетях с коммутацией каналов. При использовании BSPS заголовок пакета в канале взятой длины волны кодируется последовательностью из р бинарных битов (битовая 1 определяется наличием оптического сигнал, а битовый 0 — его отсутствием). Эти биты устанавливают коммутатор в надлежащее состояние, позволяя следующему за заголовком телу пакета свободно идти через коммутатор к соответствующему выходному полюсу. Поскольку коммутатор прозрачен к телу пакета, то такая сеть сохраняет название полностью оптической сети. Для заголовка из р битов существует 2Р различных адресов узлов сети. Волновое мультиплексирование позволяет значительно увеличить передающую емкость, но приводит к дополнительному усложнению. Прежде, чем выполнить пакетную коммутацию каналов, необходимо предварительно демультиплексировать сложный сигнал, а на выходе коммутаторов — повторно мультиплексировать соответствующие выходные симплексные каналы.
Сеть с параллельной битовой коммутацией. Две различные техники кодирования предложены для реализации сетей с параллельной битовой коммутацией BPPS (bit-parallel packet switching): техника мультиплексирования поднесущих SCM (sub-carrier multiplexing) и техника многоволновой BPPS. Обе техники используют отдельные каналы в одном и том же волокне для передачи данных и собственно заголовка, на основании которого происходит переключение состояний коммутаторов. Заголовок пакета передается теперь не последовательно, когда он предшествовал передаче поля данных пакета, а параллельно с данными, что позволяет увеличить пропускную способность.
Текущие проблемы AON с коммутацией пакетов- К сожалению, практическая реализация оптической пакетной коммутации все еще обходится слишком дорого. Это связано и со значительными расходами на разработку, и с определенными технологическими барьерами. Наиболее характерная проблема — недостаточный ресурс оптического запоминающего устройства с произвольной выборкой (своеобразного буфера). На сегодня наибольшим потенциалом в практической реализации этого устройства, обеспечивающего оптическую буферизацию, являются волоконно-оптические линии задержки (FDL). Однако и они в состоянии обеспечить лишь ограниченную задержку оптического сигнала.
Еще одна серьезная проблема — обеспечение требований по синхронизации между многочисленными IP-пакетами, поступающими на различные порты оптического коммутационного устройства, а также между заголовками пакетов и их полезной нагрузкой [2].
2. Перспективы развития технологии AON
Как было показано выше, одной из главных проблем, с которой сталкиваются при создании телекоммуникационных сетей на базе технологии AON, является проблема конфликтов. С целью решения
Рис. 4. Пример архитектуры AON с коммутацией каналов
РИс 5. Кольцевая топология сети OBS
этой проблемы и тем самым предотвращения возникновения конфликтных ситуаций, а также упрощения аппаратных решений была предложена технология на основе оптической коммутации пачек /блоков — OBS (Optical Burst Switching). OBS сочетает положительные качества оптической коммутации каналов и оптической коммутации пакетов. Основой работы OBS является использование временной оптической коммутации, как только наберётся определённый блок данных. Для этого используется принцип резервирования оптического канала. Перед началом процесса переключения в узловой элемент передаётся запрос на резервирование оптического канала (сообщение класса setup). Для обеспечения гарантированной передачи сигнализации под систему сигнализации выделяется отдельный оптический канал с отдельной длиной волны X (рис. 5). Затем выдерживается определенное время смещения (offset) и передаётся блок данных.
В системах OBS используется асинхронный режим передачи, такие системы не будут иметь столь жесткие требования к системам синхронизации, как системы SDH.
Время смещения (offset) необходимо для реализации процесса передачи блока по сети. Поскольку в системах OBS предполагается использовать механизм передачи без преобразования O/E/O, то стратегическим принципом является минимизация использования оптических буферов данных — элемента дорогого и сложно реализуемого.
В результате процесс коммутации реализуется не от узла к узлу, как в сети ТфОП, а методом формирования туннеля оптической пе-
редачи от узла передачи к узлу приема.
Соответственно, сообщение setup передается по сети прозрачно через все узлы, и каждый узел формирует свою часть туннеля, создавая в сети прозрачный оптический канал. Каждый узел имеет определённое время для обработки сигнала setup, переключения и создания туннеля. Начальное время смещения используется для компенсации отдельных задержек оптической коммутации. Ошибка в выборе величины времени смещения приводит к потере данных [2].
Практически все необходимые элементы для построения полностью оптических сетей имеются в виде коммерческих продуктов. Продвижением этой концепции в жизнь занимается, в частности, All-Optical Networking Consortium. Его усилиями создана тестовая экспериментальная полностью оптическая сеть на базе 20-канальной системы1 WDM со скоростями передачи данных от 10 Мбит/с до10 Гбит/с на один канал. Сеть является полностью оптической, т. е. передаваемая по сети информация не подвергается преобразованиям из оптической в электрическую форму, хотя контроль за соединениями (световыми путями) и осуществляется с помощью электроники [3].
Литература
1. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. — М.: Эко-Трендз, 2001. — 267 с.
2. Голышко А.В., Лескова НА. Оптическая коммутация блоков // Сети и системы связи. — 2001. — № 8.
3. Ганьжа Д Полностью оптические сети // Открытые системы. — 2000. — № 4.
