Традиционные архитектуры DWDM достигают пределов своих возможностей, когда речь заходит о «тройной игре», Gigabit Ethernet или сетевых услугах хранения. В такой ситуации решением может быть переконфигурируемое оптическое мультиплексирование ввода/вывода (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing, ROADM), поскольку эта технология способна обеспечить более высокую гибкость при выделении длин волн сетевым узлам. С ее помощью операторы и провайдеры смогут повысить плотность услуг в своей сети DWDM и динамически расширять пропускную способность, при этом их техническим специалистам нет необходимости выезжать на место.

Широкое распространение технологии спектрального мультиплексирования связано с ростом потребности в экономном использовании ресурсов волоконно-оптической среды. Стандарт Международного союза телекоммуникаций ITU-T G.692 определяет для DWDM разные спектральные цвета. В случае шага шириной, к примеру, 100 ГГц одно волокно вмещает 40 каналов. Поддержка широкополосных услуг со скоростью 10 Гбит/с не представляет проблемы для DWDM. Однако все большую озабоченность вызывают такие важные компоненты многих архитектур DWDM, как жестко конфигурируемые оптические мультиплексоры ввода/вывода (Optical Add/Drop-Multiplexer, OADM), где переключение между оптическим каналом и сетевыми узлами происходит вручную, поэтому частое изменение маршрутов передачи данных занимает много времени и довольно накладно. Кроме того, задержка, возникающая в перестраиваемом сетевом сегменте, неизбежно оборачивается ограничениями при предоставлении услуг (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Традиционная городская сеть на базе DWDM.

УНИВЕРСАЛЬНАЯ СЕРВИСНАЯ ПЛАТФОРМА DWDM

Важной задачей мультиплексора ввода/вывода является прием входящих сигналов от множества физических каналов, их объединение при помощи оптической системы мультиплексирования и передача по одному волокну. На противоположной стороне исходные сигналы вновь разделяются и направляются соответствующим узлам.

При жестком конфигурировании оптического мультиплексора ввода/вывода администратор заранее определяет, какие длины волн при этом выводятся (drop) и вводятся (add), потому что не все сигналы должны передаваться вдоль всего тракта. В частности, необходимо изъять и обработать добавленные сигналы системы мониторинга, и в этом состоит еще одно преимущество OADM: все управление и весь мониторинг трафика происходят только на оптическом уровне. Никакой дополнительной коммуникации по «электрическим» соединениям больше не нужно.

Технология DWDM могла бы служить универсальной платформой передачи данных, если бы она совсем не нуждалась в ручном управлении, что предопределяется статичностью OADM. Тогда DWDM будет отвечать высоким требованиям интегрированных услуг передачи данных, голоса и мультимедийной информации к гибкости, а также потребности в масштабировании пропускной способности по запросу — к примеру, при объединении географически разделенных сетей хранения в единую сеть хранения данных (Storage Area Network, SAN).

Технология переконфигурируемого оптического мультиплексирования ввода/вывода (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing, ROADM) развивается именно в этом направлении (см. Рисунок 2): мультиплексоры ROADM можно перестраивать в любой момент удаленно, что не только способствует сокращению затрат, но и облегчает проектирование сети. Сегодня архитектура DWDM реализуется с применением одного типа узлов, который отвечает за ввод и вывод как отдельных длин волн, так и спектра целиком (всех 32 каналов). Поскольку длины волн предоставляются и управляются индивидуально программным путем, ничто не мешает непосредственной интеграции предоставления услуг на уровне DWDM.

Рисунок 2. ROADM и  интеллектуальная сеть DWDM.

ПЛАНАРНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСХЕМА

С технической точки зрения ROADM базируется на «настоящей» форме оптической коммутации — планарной светопроводящей микросхеме (Planar Lightwave Circuit, PLC). В отличие от квази-электронных вариантов весь процесс коммутации на базе PLC носит исключительно оптический характер — свет нигде не преобразуется в электрический импульс. Чтобы подчеркнуть это отличие, полностью оптическую коммутацию часто называют фотонной. В компонентах PLC используются кремниевые «таблетки», а также традиционные полупроводниковые элементы. Вместо электрических логических схем нанесены оптические световоды, для чего в поверхности кремния делаются микроскопические «кабельные колодцы», которые заполняются оксидом кремния — тем же материалом, из которого главным образом и состоит оптическое волокно. Коммутация PLC осуществляется с помощью интерферометра, оснащенного двумя полупрозрачными зеркалами (Mach-Zehnder Interferometer, MZI). Принцип работы можно продемонстрировать на примере коммутатора PLC с одним входом и четырьмя выходами: поступая через входное волокно, световой луч сначала проходит через оптический демультиплексор в интерферометре, который реализован в виде решетки на основе массива волноводов (Arrayed Waveguide Grating, AWG). При этом свет распространяется по нескольким планарным областям свободного излучения, которые служат в качестве дифракционной решетки. Свет проходит по отрезкам разной длины, чем достигается целенаправленная интерференция, так что на каждое выходное волокно приходится определенный частотный диапазон. Благодаря нагревательным элементам можно корректировать коэффициент преломления, тем самым изменяя длины волн на выходных портах оптического коммутатора DWDM.

ШИРОКОВЕЩАНИЕ В ОПТИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Один-единственный кремниевый носитель PLC включает несколько решеток MZI, которые вместе образуют единую сложную архитектуру. Входной сигнал передается на два или несколько выходов (групповая передача). Интенсивность сигналов на каждом отдельном маршруте можно изменять (взвешенная групповая передача), а отдельный сигнал — распределять по всем четырем выходам равномерно (групповая передача с соотношением 1:4). Интенсивность выходных сигналов может быть разной и соотноситься, к примеру, как 20:20:20:40%. С точки зрения практического применения особого внимания заслуживает возможность деления видеопотока между несколькими получателями уже на оптическом уровне.

От прочих типов оптической коммутации PLC отличается заметно более высокой стабильностью. Распространенные микроэлектромеханические системы (Microelectromechanical Systems, MEMS) управляют световыми сигналами при помощи крошечных поворотных зеркал, причем в зависимости от угла поворота лучи отражаются под разным градусом. Недостатком MEMS является уязвимость микромеханики, которую при длительном пользовании приходится неоднократно юстировать заново. PLC представляет собой более надежную схему. В ней отсутствуют подвижные детали; оптические микросхемы невосприимчивы к вибрации и продолжают работать без перебоев и при заметных изменениях влажности воздуха.

ФУНКЦИЯ ЗАТУХАНИЯ ВКЛЮЧЕНА

Благодаря возможности гибкого управления интенсивностью сигналов на выходных портах PLC может играть роль оптического демпфера. В традиционных коммутирующих архитектурах за это отвечает дополнительный компонент — так называемая система переменного оптического затухания (Variable Optical Attenuation, VOA). Главная задача VOA — предотвращение потерь на шум из-за оптического усиления.

В случае DWDM это достигается в результате применения оптического усилителя на волокне, легированном эрбием (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA). Для увеличения радиуса действия EDFA вычисляет множитель усиления на основе средних параметров мощности сигналов. При поступлении в EDFA нескольких сигналов множитель усиления определяется для самого сильного из них — и именно это является причиной возникновения шумов, что после нескольких циклов усиления ведет к потере сигнала.

PLC, напротив, подавляет каждый выходной сигнал. Поскольку функция VOA теперь интегрирована в мультиплексор, работа администратора упрощается, что поможет сократить текущие затраты. Таким образом, PLC предлагает платформу для широкой интеграции множества различных функций в единственный оптический элемент коммутации.

ЗАЩИТА СОВМЕСТНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ

Благодаря ROADM операторы сетей DWDM могут воспользоваться и дополнительными возможностями защиты. В случае синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) или синхронной оптической сети (Synchronous Optical Network, SONET) защита означает способность автоматического переключения на запасные маршруты передачи данных при возникновении ошибки. Простейший пример — двойное кольцо из двух волокон с четырьмя узлами, причем на каждом узле имеется мультиплексор ввода/вывода. Если в одной из четырех секций кольца возникает сбой, мультиплексоры автоматически переключаются на запасное волокно. Эта топология известна как защитное кольцо мультиплексоров с разделением на секции (Multiplex Section Shared Protection Ring, MSSPR). В принципе, она подходит не только для кольцевых структур, но и для других магистральных топологий.

Поскольку ROADM позволяет строить соединения каждого с каждым на канальному уровне, механизмы защиты можно применять и к длинам волн, передаваемых по одному волокну, — эта технология называется защитой совместно используемых оптических каналов (Optical Shared Channel Protection, OSCP). Чтобы экономически эффективно гарантировать готовность услуг, параметры избыточности можно сделать более детализированными, чем в случае MSSPR. Кроме того, технология OSCP обеспечивает динамическое масштабирование полосы пропускания уже на оптическом уровне передачи данных. Именно благодаря этой возможности технология представляет интерес для тех операторов и провайдеров, кто намерен адаптировать свои платформы DWDM для гибкого предоставления различных услуг.

Некоторые реализации перестраиваемых мультиплексоров ввода/вывода идут еще дальше: ROADM предлагает важный компонент для сквозного предоставления полностью прозрачных услуг «тройной игры» через все сетевые и протокольные границы. До сих пор размещение пакетов IP в контейнеры SDH осуществлялось с применением процедуры доступа к каналу SDH (Link Access Procedure SDH, LAPS), что закреплено в стандарте ITU-T X-85. Кроме того, стандарт ITU-T X-8 при помощи LAPS определяет порядок использования Ethernet поверх SDH. Но чем больше пропускная способность, тем менее эффективен традиционно ограниченный размер контейнера. Последний представляет собой часть кадра SDH, где располагается полезная нагрузка.

Эта схема известна со времен плезиохронной иерархии цифровых систем (Plesiochrone Digital Hierarchy, PDH; «плезиосинхронный» означает «почти синхронный»), когда стандартной скоростью передачи данных была скорость в 2 Мбит/с (позже размер контейнера был увеличен). В случае более высокой скорости передачи данных по SDH заметно ухудшается соотношение полезной нагрузки и служебных сигналов, поэтому, к примеру, для передачи Ethernet со скоростью 100 Мбит/с только на сигналы STM-1 (Synchronous Transport Module — синхронный транспортный модуль первого уровня иерархии SDH, аналог оптического носителя OC 3 в SONET) отводится 155 Мбит/с.

Рисунок 3. Мультисервисная транспортная платформа ONS 15454 от Cisco.В данном случае могут оказаться полезными общая процедура разбиения на кадры (General Framing Procedure, GEP, стандарт ITU-T G.7041), виртуальное объединение контейнеров (Virtual Concatenation, VCAT, стандарт ITU-T G.707), а также принцип регулирования емкости каналов (Link Capacity Adjustment Scheme, LCAS, стандарт ITU-T G.7042). GEP предлагает метод для преобразования кадров любого происхождения в контейнеры SDH, среди которых — Fibre Channel, ESCON, FICON и Gigabit Ethernet. VCAT повышает полезную нагрузку, а LCAS определяет, какие члены группы виртуального объединения контейнеров (Virtual Concatenation Group, VCG) должны использоваться. VCG можно добавлять или удалять индивидуально. Полезная нагрузка группы VCG быстро, без прерывания работы и с малым приращением, адаптируется к реально доступной пропускной способности. GEP, VCAT и LCAS считаются главными движущими факторами SDH/SONET. Общую базу для них представляет гибкое мультиплексирование ввода/вывода с ROADM (см. Рисунок 3).

ПЕРСПЕКТИВЫ

Поскольку сквозное прозрачное предоставление услуг не ограничивается пределами оптической сети передачи данных, операторам и сервисным провайдерам нужен эффективный метод для формирования трафика вне зависимости от сети передачи. Для этого можно воспользоваться обобщенным вариантом многопротокольной коммутации меток (Multi-Protocol Label Switching, MPLS): Generalized MPLS (GMPLS) обещает увеличить гибкость на всех уровнях — от пакетных сетей, все еще использующих традиционную MPLS, до оптических транспортных сетей (G.709), в которых (благодаря ROADM) можно работать с отдельными длинами волн. GMPLS открывает дорогу к полноценной конвергенции пакетно-ориентированных сетей и сетей на базе DWDM.

Оэцкан Экице — менеджер по развитию бизнеса в германском отделении компании Cisco.


© AWi Verlag

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями