Несмотря на рекордные значения пропускной способности магистральных сетей, оптические технологии продолжают бурно развиваться

В последние годы крупнейшие производители оборудования для оптических сетей пустились в гонку за достижение рекордных значений пропускной способности. Это соревнование пока не выявило единоличного лидера, зато уже сегодня позволило продемонстрировать возможность передачи данных по одному волокну со скоростью 10,9 Тбит/с (компания NEC, март 2001 г.).

Согласно оценкам сотрудников Bell Laboratories, пропускная способность волоконно-оптических линий связи увеличивается в 100 раз каждые десять лет. Столь стремительный рост сопровождается удешевлением услуг, связанных с транспортировкой трафика по ВОЛС. Так, в соответствии с правилом, сформулированным в свое время Диксоном и Клэппом, стоимость одного голосового канала уменьшается как квадратный корень из суммарной пропускной способности сети. С учетом приведенных выше темпов роста можно утверждать, что голосовые каналы за десятилетие дешевеют на порядок. Существуют и более оптимистичные оценки, согласно которым стоимость передачи одного бита информации по оптическим сетям снижается вдвое каждые девять месяцев.

По мнению экспертов, эти благоприятные тенденции в ближайшие годы сохранятся. Возможно, уже через десять лет скорость передачи данных по одному оптическому волокну начнет выражаться в петабитах в секунду (1 Пбит = 1000 Тбит); тогда же будет достигнут предел увеличения пропускной способности оптического волокна.

Существование такого предела вытекает из законов теории информации и нелинейной оптики. Максимальная ширина окна, соответствующая приемлемым потерям в оптическом волокне, составляет около 400 нм, что эквивалентно 50 ТГц. По теореме Шеннона для типичного отношения сигнал/шум, равного 100, это дает верхнюю оценку для пропускной способности одиночного волокна на уровне 350 Тбит/с. Похожий результат получается и при расчете пропускной способности через так называемую спектральную эффективность (количество бит в секунду, приходящихся на 1 Гц частотного диапазона).

В действительности приведенная выше «планка» в 350 Тбит/с вряд ли будет «взята», поскольку с ростом мощности передаваемого сигнала заметно увеличивается негативное влияние нелинейных эффектов: фазовой авто- и перекрестной модуляции, четырехволнового смешения, хроматической и поляризационной дисперсий, различных типов рассеяния. Результаты моделирования этих явлений в оптическом волокне опубликованы в последнем июньском номере британского журнала Nature сотрудниками Bell Laboratories — исследовательского подразделения корпорации Lucent. Согласно их расчетам, при сохранении современных технологических процессов предел пропускной способности одиночного оптического волокна составит около 100 Тбит/с. Сегодня никто не решится сказать, удастся ли на практике приблизиться даже к этой величине, ведь «втиснуть» 2500 различных длин волн (по 40 Гбит/с на каждую) в 400-нанометровое окно не так-то просто, а увеличение полосы пропускания отдельных оптических каналов ведет к резкому возрастанию нелинейных эффектов.

Впрочем, определенные шаги в сторону резкого увеличения количества длин волн, мультиплексируемых в одном волокне, уже сделаны. Так, корпорация Lucent утверждает, что ее оптоволокно AllWave способно «воспринять» до 15 тыс. близко расположенных длин волн. Возможно также, что в недалеком будущем удастся отойти от принципа «один лазер — одна длина волны». Разработки в области широкополосных перестраиваемых лазеров выглядят в этой связи весьма многообещающими.

В прошлом году суммарный объем трафика данных впервые превысил объем трафика голосового. Это событие, давно прогнозировавшееся экспертами, лишний раз напомнило всему миру об актуальности задачи радикального увеличения пропускной способности каналов связи.

При проектировании и строительстве сетевых транспортных артерий сегодня выбор однозначно падает на оптику. Западные операторы наперегонки прокладывают все новые линии «темного» волокна, рассчитывая на то, что довольно скоро удастся его «засветить» и окупить сделанные затраты. Эта лихорадочная гонка, затормозившаяся в связи с тяжелыми временами на европейском и американском телекоммуникационных рынках, уже в следующем году может возобновиться с новой силой. Более того, современные оптические технологии, сравнительно недавно воспринимавшиеся исключительно как основа магистральных каналов глобальных сетей, потихоньку начинают проникать в городские сети и сети доступа.

История оптических свершений

За последние 20 лет пропускная способность единичного волокна увеличилась почти на три порядка. За точку отсчета принят 1980 г., когда компания Bell System представила систему FT3, передававшую данные по многомодовому кабелю со скоростью 45 Мбит/с. Полоса пропускания удвоилась через три года в системе FT3C, которая была использована в магистральной сети Northeast Corridor, связавшей Вашингтон сначала с Нью-Йорком, а затем с Бостоном.

Практически одновременно со строительством Northeast Corridor исследовалась возможность применения в оптических сетях одномодового волокна, которое позволило бы резко увеличить как скорость передачи, так и протяженность регенерационного участка (50 км вместо 7 км для многомодового волокна). Благодаря переходу на одномодовое волокно (в 1985 г. в системе FTG производства все той же Bell System) полоса пропускания возросла до 417 кбит/с, а в 1987 г. она составила уже до 1,7 Гбит/с. Этот рост сопровождался сменой диапазона рабочих длин волн и источника излучения: место полупроводниковых лазеров на базе арсенида галлия (рабочая длина волны — 820 нм) заняли лазеры на фосфите индия (1300 нм).

Надо заметить, что вслед за этим рост пропускной способности одиночного оптического канала в коммерческих системах затормозился почти на десятилетие: в начале 90-х она возросла до 2,5 Гбит/с, но качественный скачок (до 10 Гбит/с в системе WaveStar 400G) пришелся только на 1999 г.

Впрочем, результаты, полученные в конце 80-х г., стимулировали интенсивные лабораторные исследования. Достаточно упомянуть применение в оптических сетях технологии электронного временного мультиплексирования (ETDM), переход в новое окно прозрачности (1,55 мкм), а также появление волокон со смещенной дисперсией, лазеров с распределенной обратной связью и технологии компенсации дисперсии. На экспериментальном уровне плодотворность этих работ стала очевидной довольно рано. Например, уже в 1986 г. по одномодовому волокну удалось передать трафик со скоростью 8 Гбит/с на расстояние 68 км. Тем не менее производство высокоскоростных электронных компонентов развивалось достаточно медленно и увеличение пропускной способности ВОЛС заметно отставало от запросов пользователей.

Подобная ситуация имеет место и в сфере вычислительной техники: быстродействие отдельных интегральных схем хронически не поспевает за потребностями в общей системной производительности. Найденный компьютерщиками выход — параллельная обработка — был перенесен в мир оптических сетей. Так на свет появилась технология спектрального мультиплексирования (wavelength division multiplexing, WDM).

Спектральное мультиплексирование

Не вдаваясь в детали (подробное описание WDM см.: Сети, 1999, № 4, с. 14, 24), можно сказать, что технология спектрального мультиплексирования заключается в организации в одном волокне сразу нескольких виртуальных оптических волокон (называемых оптическими каналами), каждое из которых имеет собственную длину волны. Независимая передача трафика на разных длинах волн означает, что пропускная способность волокна возрастает пропорционально числу этих длин волн.

DWDM-коммутатор ONS 15540 компании Cisco способен обслуживать до 32 оптических каналов

Первая широкомасштабная демонстрация возможностей WDM состоялась еще в 1989-1991 гг., хотя широкое применение этой технологии началось сравнительно недавно. Тогда в тестовой сети Roaring Creek Field Trial в одном волокне было организовано четыре WDM-канала, каждый с пропускной способностью 1,7 Гбит/с. В 1993 г. в экспериментальных условиях была обеспечена суммарная полоса пропускания 80 Гбит/с (восемь каналов по 10 Гбит/с) при длине соединения 280 км, а годом позднее — 340 Гбит/с (17 каналов по 20 Гбит/с). Наконец, в 1996 г. сразу три компании — Fujitsu, Bell Labs и NTT — объявили о преодолении терабитной планки производительности, причем корпорации NTT благодаря применению оптического временного мультиплексирования удалось поднять скорость передачи каждого оптического канала до 100 Гбит/с.

Организация параллельной передачи трафика на нескольких длинах волн позволила значительно увеличить не только скорость, но и протяженность регенерационного участка. В современных магистральных каналах, проложенных по дну океана, она доходит до 10 тыс. км. Кроме того, удалось повысить устойчивость сети к множественным отказам: для этой цели используются сети из WDM-колец либо структуры с ячеистой топологией, соединения между элементами которых формируются на отдельных длинах волн.

Появление WDM-систем вызвало к жизни множество новых технических разработок — мощные широкополосные оптические усилители, волноводные фильтры и мультиплексоры, волокна с ненулевой дисперсией, новые лазерные источники и др. Эти достижения способствовали дальнейшему росту полосы пропускания оптических каналов, а также числа длин волн, запускаемых в одиночное волокно, так что появился термин «уплотненное спектральное мультиплексирование» (DWDM). В результате еще совсем недавно (см. Сети, 2000, № 12, с. 34,) можно было услышать мнение, что технология DWDM просто «обречена» господствовать в мире оптических сетей, по крайней мере ближайшие лет десять. Однако не исключено, что этот прогноз окажется неоправданно оптимистичным.

Лямбда-коммутация

Действительно, в настоящее время практически все операторы дальней связи рассматривают технологию DWDM в качестве едва ли не единственного способа преодолеть исчерпание пропускной способности магистральных каналов и даже создать надежный запас на будущее. Росту ее популярности способствовали также совместимость с существующей инфраструктурой ВОЛС и экономичность по сравнению с традиционными способами наращивания пропускной способности опорных сетей.

Между тем до последнего времени применение WDM-оборудования ограничивалось высокоскоростными соединениями «точка — точка», а в городских сетях и сетях доступа распространения оно не получило. Тому есть несколько причин. Это и высокая гетерогенность городских сетей (множество топологий, протоколов и приложений), и наличие альтернативных решений, зачастую позволяющих операторам не торопиться с переходом на неизвестную им технологию, и ценовой фактор, который нередко заставляет сделать выбор в пользу физического наращивания сетевой инфраструктуры, и, наконец, недостаточная гибкость и практически полное отсутствие интеллектуальности (а без них невозможно ни адаптировать сеть к быстрому росту объемов трафика, ни оперативно предоставлять пользователям разнообразные услуги).

Перечисленными ограничениями были стимулированы исследования, направленные на создание новой технологии обработки оптических сигналов, которая получила название лямбда-коммутации (используются также термины «фотонная коммутация» и «коммутация по длинам волн»). При ее разработке был заимствован принцип коммутации IP-пакетов по меткам, реализованный в протоколе MPLS (MultiProtocol Label Switching). Как известно, MPLS позволяет сформировать виртуальные пути передачи пакетов в сети маршрутизаторов, коммутирующих на основе меток (Label Switching Router, LSR). Каждый пакет снабжается меткой, содержащей сведения о требуемом классе обслуживания (CoS) и адресе узла назначения. Указанная метка считывается только при пересечении пакетом границ домена MPLS-коммутации, в результате чего отпадает необходимость в маршрутизации отдельных пакетов в каждом из промежуточных узлов.

Эта же идея, перенесенная на физический уровень оптической сети, приобрела форму протокола Generalized MultiProtocol Label Switching (GMPLS), иногда именуемого MultiProtocol lambda Switching (MPlS). Коммутация здесь осуществляется уже не на основе меток, содержащихся в заголовках пакетов, а в соответствии с длинами волн, на которых передается трафик того или иного типа.

Применение лямбда-коммутации открывает перед операторами такие возможности: обеспечить высокую масштабируемость сетевой инфраструктуры, минимизировать количество наложенных сервисов, повысить эффективность использования имеющейся полосы пропускания, а главное, получать дополнительную прибыль за счет предоставления сервисов, использующих отдельные длины волн. Эти услуги могут принимать самые разнообразные формы — от обмена частями полосы пропускания между операторами дальней связи до продажи отдельных длин волн крупным корпоративным заказчикам (например, с целью соединить территориально разнесенные офисы). Покупая отдельные длины волн, пользователь получает полный контроль над передаваемой информацией, причем без астрономических затрат на построение собственной коммуникационной инфраструктуры. Оператор же может рассчитывать на ускоренную окупаемость инвестиций, при том что сама оптическая сеть остается в его распоряжении (в отличие от случаев продажи «темного» волокна).

Ключ к развертыванию подобных услуг состоит, во-первых, в прозрачности транспортной инфраструктуры по отношению к типу, формату и методам кодирования трафика, к протоколам и скоростям передачи, а во-вторых, в кардинальном упрощении самой сетевой модели.

Современные оптические сети, как правило, имеют четырехуровневый стек протоколов: за физическую пропускную способность отвечает DWDM, транспортные функции возложены на SONET/SDH, управление трафиком реализовано на ATM-уровне, а приложения используют протокол IP. Общим недостатком подобных многоуровневых архитектур является так называемый эффект наименьшего общего знаменателя: один из уровней нередко ограничивает возможности системы в целом, например снижает масштабируемость сети.

Логично предположить, что еще долгое время в СПД будет доминировать трафик IP, так что агрегация медленных потоков данных с высокоскоростными потребует применения быстродействующих маршрутизаторов. Если же рассматривать потоки IP-пакетов, при передаче которых можно обойтись без технологии DWDM, то для их обработки будет использоваться статистическое мультиплексирование. Сказанное означает, что стремительный рост производительности оборудования оптических сетей позволит удалить из сетевой модели уровни SONET/SDH и ATM; соответствующие функции со временем перекочуют к маршрутизаторам, оптическим коммутаторам и устройствам DWDM (см. рисунок). Возникающая в результате сетевая инфраструктура оказывается более эффективной со стоимостной точки зрения и при этом способной транспортировать гигантские объемы разнородного трафика.

Вместо четырех она будет включать всего два уровня — транспортный (фотонный) и сервисный. Поначалу в первый попадут оптические коммутаторы и системы спектрального мультиплексирования, а во второй — маршрутизаторы, ATM-коммутаторы и мультиплексоры ввода/вывода. Но постепенно некоторые из этих устройств прекратят свое существование в качестве самостоятельных компонентов оптической сети. Взаимодействие между различными элементами сети в новой архитектуре осуществляется через общую стандартизованную платформу управления (control plane). Именно она позволяет интегрировать оптическое оборудование нового поколения и унаследованные устройства в единую гетерогенную среду.

Завершая рассказ о лямбда-коммутации, следует сказать, что переход на обработку трафика в соответствии с несущими длинами волн означает смену парадигмы коммутации/маршрутизации, господствующей в современных сетях передачи данных. Внедрению новой технологии должно предшествовать расширение стандартных протоколов сигнализации и маршрутизации, в частности OSPF и IS-IS. Предстоит ликвидировать нестыковки между GMPLS и оптической версией популярного протокола UNI (Optical User-to-Network Interface, O-UNI), а также между GMPLS и ODSI (Optical Domain Service Interconnect). Появление технологии лямбда-коммутации потребовало создания нового протокола управления соединениями между соседними узлами оптической сети (Link Management Protocol, LMP). И конечно же, в реализации лямбда-коммутации в конкретных сетях решающая роль отводится физическим носителям новой технологии.

Оптические коммутаторы

Среди всего многообразия компонентов оптических транспортных сетей при переходе на редуцированную (двухуровневую) модель ключевую роль начинают играть мультиплексоры ввода/вывода и оптические коммутаторы. Функции этих устройств состоят в установлении соединений на уровне оптических каналов между входными и выходными портами, терминации каналов, согласовании уровней сигналов и — факультативно — в управлении длинами волн и контроле за соединениями.

Для потребителя различие между мультиплексорами и коммутаторами зачастую сводится к числу поддерживаемых входных оптических портов. Однако при внешней схожести функций в технологическом плане появление оптических коммутаторов (optical cross-connect, OXC; иногда эти устройства называют также лямбда-маршрутизаторами и маршрутизаторами длин волн) ознаменовало собой принципиально новый взгляд на обработку трафика в оптической сети. Исключение фазы преобразования оптических сигналов в электрические и обратно на сетевых узлах открывает путь не только к радикальному повышению пропускной способности, но и к развертыванию новых типов услуг.

В фас и в профиль

Оптический коммутатор осуществляет динамическое изменение конфигурации сети (на уровне отдельных оптических каналов) в целях восстановления транспортировки трафика после отказов или в ответ на изменившиеся потребности в пропускной способности. Помимо управления соединениями и пропускной способностью он отвечает за ввод/вывод каналов, эффективность использования спектрального ресурса, повышение надежности инфраструктуры магистральной сети, особенно при наличии незащищенных портов маршрутизаторов, а также за маршрутизацию трафика.

Следует подчеркнуть, что выполнение столь разнородных функций в мультисервисной среде, например объединяющей низкоскоростные городские сети или сети доступа с высокопроизводительными магистралями, невозможно без вспомогательного компонента, обеспечивающего согласование потоков разной интенсивности. Таким компонентом являются оптические шлюзы, которые, согласно прогнозам аналитиков, со временем неизбежно вытеснят сегодняшние цифровые коммутационные системы (Digital Cross-connect System, DCS) и будут осуществлять преобразование скоростей при передаче трафика между сетями разных типов, согласование форматов передаваемых данных и управление широкополосными услугами на уровне электрических сигналов.

Несмотря на то что первые модели оптических коммутаторов уже демонстрировались на сетевых выставках, их активный выход на рынок еще ждет своего часа. Применение оборудования этого класса не в последнюю очередь будет зависеть от популярности концепции лямбда-коммутации, но рано или поздно операторам придется выбирать между изделиями разных производителей. Кроме традиционного ценового фактора, а также времени коммутации, масштабируемости и продублированности компонентов, на принятие решения о покупке будут влиять несколько дополнительных обстоятельств.

По мнению экспертов, технологии лямбда-коммутации еще долгое время предстоит сосуществовать с сетями SONET/SDH. В этой связи немаловажной представляется поддержка соответствующих протоколов и скоростей передачи (2,5 и 10 Гбит/с). Другой фактор — количество входных и выходных портов коммутатора: со временем оно начнет исчисляться многими тысячами, однако в ближайшей перспективе размер матрицы вряд ли превысит 512х512 (в «одноволновом» эквиваленте).

Среди желательных свойств отметим еще способность работать в неблокирующем режиме при максимальном числе установленных соединений, а также поддержку многоадресной пересылки с одного входного порта на несколько выходных. В идеале коммутатор должен обрабатывать любое число многоадресных передач — без блокировки уже установленных соединений.

Наконец, не меньшее значение имеет и количество поддерживаемых длин волн. Первоначально каждый порт сможет работать только с одним оптическим каналом, но со временем оптические коммутаторы будут наделены функциями спектрального мультиплексирования на отдельных портах. Впрочем, на практике эту возможность удастся реализовать только после появления стандартных «многоволновых» интерфейсов, ведь перспектива на долгие годы оказаться заложником поставщика неуниверсального решения вряд ли вызовет большой энтузиазм у покупателей.

Отсутствие стандартов грозит стать камнем преткновения не только на уровне оптических интерфейсов. Серьезную проблему представляет управление оптическими коммутаторами. Современные системы сетевого администрирования не поддерживают операций с отдельными длинами волн, да и вообще пока отсутствуют общепринятые соглашения о процедурах формирования оптических каналов для конкретных сервисов и о методах мониторинга таких каналов. К тому же мало кто из операторов может похвастать богатым опытом работы с технологией DWDM — что уж говорить о лямбда-коммутации. Вывод очевиден: на первых порах функции управления оптическими коммутаторами будут появляться в составе патентованных систем сетевого администрирования.

«Что значит имя?»

Название «оптический коммутатор» в настоящее время употребляется в нескольких смыслах. Неразвитость элементной базы самым негативным образом отразилась на архитектуре устройств этого типа. Еще год назад большинство рекламировавшихся изделий имели электрическую коммутационную матрицу. Преобразование входных оптических сигналов в электрическую форму (O/E) и обратное преобразование (E/O) на выходе коммутатора позволяло удерживать стоимость этих устройств на приемлемом уровне, но сильно ограничивало максимально возможную скорость передачи (примерно до 2,5 Гбит/с). Этот показатель можно поднять до 10 Гбит/с благодаря применению новых материалов (вроде силицида германия), однако уже первые исследования показали, что во избежание перекрестных помех и избыточного энергопотребления емкость подобных коммутаторов останется на уровне 32x32 порта. Не спасает дело и объединение нескольких коммутационных матриц в иерархическую структуру — прежде всего по стоимостным соображениям.

В качестве едва ли не единственного выхода из положения в последние годы рассматривается применение оптической коммутации в буквальном смысле этого слова: коммутационная матрица также является оптической и никаких преобразований O/E/O не производится. Коммутация оптических сигналов, то есть их непосредственная пересылка с входных портов на требуемые выходные, может осуществляться либо с применением микроволноводов, либо при помощи микроскопической электромеханической системы (micro-electromechanical system, MEMS), объединяющей множество отражающих или преломляющих элементов. Несмотря на сохраняющиеся технологические проблемы, второй подход сегодня выглядит более предпочтительным, поскольку он позволяет создать интегрированные многофункциональные устройства, заметно снизить энергопотребление, а также достичь высокой масштабируемости при переходе на трехмерную архитектуру.

Система MEMS применена в коммутаторе LambdaRouter производства Lucent. Эта модель содержит матрицу из 256 зеркал, каждое из которых имеет диаметр 0,5 мм. Суммарная площадь матрицы не превышает 1 кв. дюйма (около 6,5 кв. см). Специальная система управления наклоном зеркал способна обеспечить перенаправление оптических сигналов с любого из 256 входных портов на любой из 256 выходных. На сегодняшний день каждый порт рассчитан на работу с единственной длиной волны при максимальной поддерживаемой скорости передачи 40 Гбит/с. По данным самого производителя, исключение стадии преобразования сигналов в электрическую форму позволило в 100 раз снизить энергопотребление и в 32 раза — форм-фактор коммутационной матрицы (по сравнению с электрическим ее вариантом).

Эксперты выделяют три основных класса «истинных» оптических коммутаторов:

  • устройства, коммутирующие сигналы от целых оптических волокон (Fiber switch Cross-Connect, FXC);
  • селективные коммутаторы, обрабатывающие отдельные длины волн (Wavelength Selective Cross-Connect, WSXC);
  • коммутаторы со сдвигом частоты (Wavelength Interchanging Cross-Connect, WIXC).

Устройства первого класса являются простейшими представителями данного семейства и фактически функционируют как автоматические коммутационные панели. Тем не менее они могут оказаться весьма полезными в сетях, для которых первостепенное значение имеет защита от повреждения оптического кабеля. Селективные коммутаторы способны демультиплексировать отдельный входной поток по длинам волн и обеспечивают достаточную гибкость для реализации различных услуг, защиты индивидуальных оптических каналов и восстановления сервисов. Эта гибкость только возрастает при переходе к коммутаторам со сдвигом частоты. В частности, их применение позволяет практически полностью исключить конфликты при коммутации, обусловленные «неудачным» спектральным составом входного сигнала.

Оптические коммутаторы сегодня разрабатывают несколько компаний. В их числе Ciena (модель MultiWave CoreDirector), Cisco (ONS 15900 Wavelength Router), Lucent Technologies (Lambda Router), Nortel Networks (OPTera), Siemens (TransXpress OSN). Реализованные этими производителями размеры коммутационных матриц довольно скромны на фоне потребностей современных магистральных сетей, но не исключено, что в течение года-двух они будут увеличены в десятки раз. Возможно, за это время и порты коммутаторов «научатся» работать с множеством длин волн. Эксперты полагают, что переход на двухуровневую модель оптической сети может состояться уже в 2002 г., тогда же будут утрясены неурядицы с протоколами и появятся первые результаты тестирования GMPLS-оборудования. Оптимисты надеются увидеть коммерческие устройства, реализующие технологию лямбда-коммутации, уже во второй половине следующего года, пессимисты ориентируются на 2003 г. Пожалуй, оба варианта смотрятся совсем неплохо. Вопрос в другом: не попадут ли за это время DWDM, лямбда-коммутация и иже с ними в тень какой-нибудь новой революционной оптической технологии?

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями