После сорока

Согласно исследованию Cisco, в 2010 году ежемесячный объем глобального IP-трафика составил порядка 20 тыс. Пбайт (пета = 1015), и в ближайшие несколько лет он будет расти примерно на 34% в год. Проведя несложные арифметические действия, получим, что для передачи этого объема данных необходимы каналы, суммарная пропускная способность которых составляет 60 Тбит/с. Телекоммуникационный мир уже перешел в «терабитное измерение», а значит, вопрос внедрения 100-гигабитных технологий из теоретической плоскости перешел в практическую.

Как считают аналитики Heavy Reading, операторы связи, уже использующие маршрутизаторы и коммутаторы с интерфейсами 10 Gigabit Ethernet (10GbE), в ближайшие два года могут столкнуться с тем, что пропускной способности этих интерфейсов окажется недостаточно. Более того, на основных направлениях уже сегодня приходится объединять по несколько 10-гигабитных каналов. По мнению экспертов Ciena, в 2012 году спектральные каналы по 100 Гбит/с уже будут широко востребованы: сначала их станут внедрять в сети дальней связи, а затем в региональные и городские сети.

ETHERNET: КОРОЧЕ ШАГ

Говоря о технологиях 100 Гбит/с, в первую очередь следует упомянуть стандартизованный летом 2010 года 100 Gigabit Ethernet. Вместе с технологией 100GbE была специфицирована и технология 40GbE: таким образом, институт IEEE отступил от правила, согласно которому скорость каждого последующего поколения систем Ethernet увеличивается в десять раз (10 Мбит/с - 100 Мбит/с - 1 Гбит/с - 10 Гбит/с). По мнению экспертов, решения на 40 Гбит/с будут в основном применяться для подключения серверов, например в центрах обработки данных (ЦОД). Стандарт IEEE 802.3ba-2010 определил спецификации для передачи потоков 40/100 Гбит/с как по медным, так и по волоконно-оптическим средам (см. Таблицу 1). Для телекоммуникационных систем наибольший интерес представляют оптические варианты.

Таблица 1. Спецификации IEEE 802.3ba-2010.

Спецификации 40GBaseSR4 и 100GBaseSR10 предусматривают параллельную передачу данных по четырем и десяти оптическим волокнам соответственно (на длине волны 850 нм), при этом скорость передачи по одному волокну составляет 10 Гбит/с. При использовании волокна класса OM3 гарантируется дальность передачи 100 м, а в случае волокон более высокого класса OM4 — 150 м. Этого вполне достаточно для обеспечения связи оборудования в серверных комнатах и в большинстве ЦОД. Поставщики кабельных систем уже активно предлагают решения, основанные на многоволоконных (групповых) разъемах, которые в будущем позволят без проблем внедрить сетевые системы с интерфейсами 40GBaseSR4 и 100GBaseSR10.

Для достижения скоростей 40 и 100 Гбит/с спецификации 40GBaseLR4 и 100GBaseLR4 предусматривают использование технологии спектрального уплотнения (WDM) и передачу данных по одному одномодовому волокну. В первом случае применяется разреженный вариант WDM (Coarse WDM, CWDM) и частотная сетка ITU G.694.2 (1270, 1290, 1310 и 1330 нм), а во втором — плотный вариант WDM (Dense WDM, DWDM) и сетка ITU G.694.1 (1295, 1300, 1305 и 1310 нм). В обоих случаях требуемые скорости достигаются мультиплексированием четырех спектральных каналов, при этом в системах 40GBaseLR4 на каждой длине волны передается поток 10 Гбит/с, а в системах и 100GBaseLR4 — 25 Гбит/с.

Самый «дальнобойный» из стандартизованных вариантов — 100GBaseER4 — также основан на уплотнении DWDM (сетка ITU G.694.1) четырех каналов по 25 Гбит/с по одному одномодовому волокну. Предполагается, что для достижения дальности в 40 км будут использованы полупроводниковые оптические усилители (SOA).

Следует отметить, что в стандарт IEEE 802.3ba-2010 не вошел широко обсуждаемый вариант 100GBaseLR10, который предусматривает WDM-мультиплексирование 10 потоков по 10 Гбит/с. Представители ряда крупнейших мировых операторов и сервис-провайдеров, включая Verizon и Google, выступают в поддержку этой технологии, полагая, что ее реализация окажется дешевле. В общем, рабочая группа IEEE 802.3ba продолжает изучать возможность стандартизации 100GBaseLR10 (наряду с еще несколькими вариантами) с целью снижения стоимости высокоскоростных решений.

OTN: В НОГУ С ETHERNET

Телекоммуникационная отрасль признала Ethernet своим относительно недавно, долгое время полагаясь в транспортных сетях на «родные» технологии плезиохронной (PDH) и синхронной (SDH) цифровых иерархий. Если восхождение Ethernet по шкале скоростей осуществлялось десятикратными шагами, то наращивание скоростей систем SDH — четырехкратными: 155 Мбит/с - 622 Мбит/с - 2,5 Гбит/с - 10 Гбит/с - 40 Гбит/с. В результате первое совпадение по скоростям между Ethernet и SDH произошло на уровне 10 Гбит/с (см. Рисунок 1). При 40 Гбит/с (благодаря тому что Ethernet «сократил шаг») — пересечение повторилось, а в случае 100 Гбит/с уже разработчики телекоммуникационных транспортных систем подстроились под возможности Ethernet.

Рисунок 1. Скорости Ethernet и традиционных транспортных систем.

Хотя технология SDH достигла уровня скорости в 40 Гбит/с на десятилетие раньше, чем Ethernet, на определенном этапе — по мере все более широкого внедрения пакетных технологий — она практически прекратила свое развитие, уступив место оптической транспортной иерархии (OTH), или оптическим транспортным сетям (OTN). Эта технология, которую вначале именовали «цифровым упаковщиком» (digital wrapper), позволяет эффективно передавать не только трафик TDM, но и потоки Ethernet. Для сетей OTN стандартами ITU-T определены несколько уровней иерархии (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Уровни иерархии сетей OTN.

В июне 2010 года организации ITU-T и IEEE достигли важного соглашения о взаимной корреляции стандартов ITU-T G.709/OTN и IEEE 802.3ba-2010, которая гарантирует передачу сигналов Ethernet 40 и 100 Гбит/с через оптические транспортные сети OTN. Для передачи потоков 40GbE могут задействоваться оптические транспортные блоки OTU-3, обеспечивающие скорость 43 Гбит/с, а для потоков 100GbE — блоки OTU-4 со скоростью 112 Гбит/с. Интересно отметить, что изначально в 2007 году в качестве «кандидата» на роль OTU-4 был, среди прочего, предложен вариант 130 Гбит/с (3 x OTU-3), но в конце концов был выбран подход, где обеспечивалась совместимость по скорости с технологией 100GbE.

КОГДА КАЖДАЯ Λ НА СЧЕТУ

Типичная «дальнобойность» выпускаемых сегодня оптических модулей 100GbE — 10 км, тогда как основной областью применения 100-гигабитных технологий являются магистральные сети, протяженность которых существенно больше. А это значит, что коммутаторы и маршрутизаторы с портами 100GbE должны использоваться совместно с транспортными платформами, «бьющими» на большую дальность. Не важно, пробрасывают ли такие платформы потоки Ethernet напрямую или упаковывают их в транспортные блоки OTN, — на физическом уровне стандартом де-факто стало применение технологии DWDM (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Место технологий Ethernet, OTN и WDM в модели OSI.

Если в системах Ethernet 100-гигабитные скорости достигаются спектральным уплотнением менее скоростных потоков (по 25 Гбит/с), на магистралях дальней связи такой подход не приветствуется. Ценность канальных ресурсов (в том числе спектральных) очень высока, поэтому операторам необходимо решение, которое обеспечит передачу потока 100 Гбит/с на одной длине волны (в одном спектральном канале). Возможность «разместить» в одном волокне несколько десятков спектральных каналов 100G позволяет добиться пропускной способности в несколько Тбит/с. Уже имеющиеся коммерческие решения DWDM поддерживают передачу 80 и даже большего числа каналов 100G на расстояние до 1–2 тыс. км. Для достижения этого результата, который еще недавно казался фантастическим, пришлось решить немало технических проблем.

Чтобы понять, с какими сложностями столкнулись разработчики транспортных систем 100G, достаточно сказать, что при традиционных способах передачи с ростом битовой скорости негативное влияние поляризационно-модовой дисперсии (PMD) увеличивается линейно, а хроматической (CD) — квадратично. При этом для внедрения новых решений операторы не готовы менять кабельную инфраструктуру. Значит, они должны работать на уже проложенных волокнах и через уже установленное оборудование, в том числе через существующие мультиплексоры ROADM, которые ориентированы на 50-гигагерцевую сетку DWDM, а потому могут урезать слишком широкие сигналы.

Еще при создании транспортных систем 40G стало ясно, что от традиционных способов повышения скорости передачи (путем сокращения ширины оптических импульсов) придется отказаться по техническим и экономическим причинам, в частности из-за жестких требований по компенсации дисперсии. По словам Семена Когана, директора департамента архитектурных сетевых решений компании Alcatel-Lucent в России и странах СНГ, для решения поставленных задач были предложены различные методы, включая использование рамановского усиления, коды с исправлением ошибок (FEC) и регулирование дисперсионных искажений, но важнейшим направлением исследований стал выбор оптимального формата модуляции потоков 40/100 Гбит/с с учетом необходимости достижения большой дальности передачи и/или высокой пропускной способности системы.

Разработчики оптических транспортных систем 40/100G взяли на вооружение опыт своих коллег, работающих в области радиосвязи, и обратились к методам фазовой манипуляции (PSK). Наиболее перспективным для 100-гигабитных систем считается квадратичная фазовая манипуляция (QPSK), которая позволяет передавать два бита при одном перескоке фазы (два бита на символ). Вместе с методом двойной поляризации (Dual Polarization, DP) эта модуляция обеспечивает передачу четырех битов на символ, что гарантирует очень эффективное использование частотного ресурса (см. Рисунок 3). По данным Heavy Reading, если спектральная эффективность транспортных систем 10 Гбит/с, использующих сетку 50 ГГц, составляет 0,2 бит/с/Гц на канал, то при переходе на последовательные каналы 100G она повышается в 10 раз — до 2 бит/с/Гц.

Рисунок 3. Технология DP-QPSK.

В мае 2008 года ведущие производители в рамках организации Optical Internetworking Forum (OIF) решили выработать общий подход к реализации 100G DWDM-систем дальней и сверхдальней связи. В качестве наилучшего варианта была признана модуляция DP-QPSK. Ключевым элементом решений на базе DP-QPSK являются когерентные приемники, которые имеют более высокую чувствительность, а потому при их использовании не требуются дополнительные компенсаторы дисперсии (правда, необходима более сложная цифровая обработка сигнала — как правило, в специальных микросхемах ASIC). Такие приемники настраиваются на определенную частоту и фазу и способны эффективно демодулировать сигналы DP-QPSK.

По мнению Семена Когана, использование на сети только когерентных методов передачи 40G/100G позволит значительно улучшить параметры систем DWDM, а также упростить планирование и аппаратную реализацию сети. Станислав Кокорев, руководитель направления «Сетевые решения» департамента стратегического маркетинга компании Nokia Siemens Networks в странах Северной и Восточной Европы, России, Турции и Средней Азии, добавляет, что только с использованием когерентной технологии может быть проведена модернизация сети от 40G к 100G с возможностью использования уже проложенного волокна.

ПЕРВЫЕ ЛАСТОЧКИ

Некоторые производители уже предлагают коммерческие системы DWDM, поддерживающие последовательную передачу 100-гигабитных потоков (то есть 100G на каждый спектральный канал). В их числе Alcatel-Lucent, Ciena, Huawei, Infinera и ZTE).

Как нам сообщили в Nokia Siemens Networks, ее решения 100G тестируются несколькими зарубежными операторами, а соответствующие коммерческие продукты появятся в этом году. При этом, по словам Станислава Кокорева, она является одним из лидеров рынка DWDM-систем 40G, располагая, в частности, самой большой базой установленного оборудования 40G в Северной Америке — основными особенностями этого рынка являются большие расстояния и огромные объемы передаваемого трафика.

Компания Alcatel-Lucent наладила промышленный выпуск транспондеров 100G для своих систем DWDM в III квартале 2010 года и уже осуществила ряд инсталляций 100-гигабитных систем за рубежом. В декабре возможность 100-гигабитной модернизации существующих сетей DWDM была продемонстрирована в Казахстане: дополнительный канал 100G был организован на действующем участке сети «Казахтелеком» между городами Алма-Ата и Талдыкурган без всякого ущерба для ранее включенных на данном участке многочисленных каналов 10G. А в конце января текущего года Alcatel-Lucent представила российским операторам решения 100G в демонстрационной сети, развернутой в офисе компании в Санкт-Петербурге. В реализованной конфигурации DWDM-сети, состоящей из трех узлов 1830PSS, были включены каналы 10G, 40G и 100G, причем включение каналов 100G не оказывало негативного влияния на работу имеющихся каналов 10G и 40G. Система 1830PSS уже установлена на сетях российских операторов (например, «МосТелеКом») и продолжает активно развертываться, например, на сети МТС. В середине 2011 года все доступные в системе 1830PSS решения 100G войдут в состав магистральной системы DWDM 1626LM, которая в течение ряда лет широко используется компаниями «Ростелеком», «МТС», «Евротел», «Казахтелеком» и т. д.

В «послужном списке» Ciena тоже имеется ряд инсталляций систем DWDM на 100G. Так, по словам Дмитрия Шемякина, технического специалиста этой компании, уже более года 100G-система Ciena находится в коммерческой эксплуатации в европейской сети компании Verizon. В России и СНГ оборудование Ciena установлено в трех полномасштабных сетях 40G, в частности, в сети компании «Раском», через которую в Европу идет большая часть российского международного трафика.

По мнению Андрея Барусова, ведущего инженера компании «Энвижн Груп», для реализации магистральных сетей 40- и 100-Гбит/с очень интересным с технической точки зрения выглядит новое поколение оборудования компании Infinera. Этот интегратор сотрудничает с рядом производителей устройств DWDM, включая Alcatel-Lucent, Huawei и ECI, но именно на базе продукции Infinera планируется организовать в 2011 году пилотный проект 100G в России.

По имеющимся у нас данным, на момент написания статьи только три компании располагали комплексными решениями 100G, то есть предлагали и DWDM-системы с поддержкой 100G, и маршрутизаторы с интерфейсами 100GbE. Это Alcatel-Lucent, Huawei и ZTE. Кроме них, маршрутизаторы с портами 100GbE выпускают Juniper и Cisco. При этом если Juniper вообще не специализируется на DWDM-системах, то Cisco предлагает такие решения, но пока без портов 100G.

10X10G ИЛИ 100G?

Если сравнивать два варианта — 10 агрегированных каналов 10 Гбит/с и один 100 Гбит/с, то при одинаковой пропускной способности первый пока дешевле (CAPEX), но по затратам на обслуживание и техническую поддержку (OPEX) второй окажется выгоднее. Не надо забывать и о том, что увеличение числа каналов (путей передачи трафика) повышает сложность маршрутизации трафика — будь то классическая маршрутизация на третьем уровне или маршрутизация в сети MPLS. Меньше каналов — проще маршрутизация, а значит, ниже расходы на системы, оснащенные «интеллектом» третьего уровня.

Как отмечает Сергей Евсеев, ведущий системный инженер компании «Энвижн Груп», наращивать число магистральных линий связи сложно и дорого, особенно в масштабах нашей страны, где необходимо преодолевать огромные расстояния между узлами. «До некоторого уровня, зависящего от используемого оборудования и архитектуры сети, можно наращивать число каналов 10G. Но в крупных сетях такой подход неприемлем: с большим количеством каналов работать сложнее — и оборудованию, и обслуживающему персоналу. Фактически, пакетная сеть превращается в сеть с коммутацией каналов, как это было двадцать лет назад, из-за чего снижаются возможности использования статистического мультиплексирования», — подчеркивает он.

Денис Михайловский, системный инженер департамента транспортных сетей компании Ericsson, также полагает, что одним из стимулов внедрения интерфейсов 100G является желание крупных операторов связи упростить сетевую инфраструктуру магистральных узлов: «Переход на меньшее число физических интерфейсов с большей пропускной способностью позволяет существенно улучшить показатели операционных расходов и, как следствие, совокупную стоимость владения. Проще говоря, сетью легче управлять, оборудование занимает меньше места, а кроме того, сокращается энергопотребление и появляются новые возможности для дальнейшего масштабирования».

Компания Ericsson, имея в своем портфеле системы с поддержкой производительности 100G на слот, намерена выпустить интерфейсы 40/100G только в следующем году. Пока представители этого производителя предлагают использовать альтернативу в виде объединения 10-гигабитных каналов (Nx10G), подчеркивая, что практически все крупные операторы уже инвестировали в решения 10G и многие из них не готовы к подобному переходу/обновлению без существенной модернизации сети или полной замены оборудования.

Снижение стоимости решений 100GbE, по-видимому, пойдет по тому же сценарию, что и у систем предыдущих поколений. Так, в 2003 году, когда трансиверы 10GbE только появились на рынке, их доля не превышала 1%, а стоили они примерно в 20 раз дороже гигабитных аналогов. Однако через четыре года, когда новая технология захватила 13% рынка, ценовое соотношение продуктов 10GbE и Gigabit Ethernet изменилось на 10:1. Поэтому есть все основания полагать, что через несколько лет стоимость решений 1x100G и 10x10G будет сопоставима.

Отдельной проблемой для любой новой технологии является совместимость оборудования разных производителей. Как говорит Сергей Евсеев, опыт внедрения систем 10G показал, что обычно этот вопрос решается долго, необходимо тщательно тестировать каждую сеть (все устройства, включая оборудование первичной и вторичной сети). Согласно его прогнозу, приемлемой совместимости следует ожидать не раньше, чем через год-полтора после начала выпуска оборудования, а значит, для решений 100G это 2012 год.

40G ИЛИ 100G?

По словам Михаила Родионова, менеджера по работе с операторами связи компании Extreme Networks, все больше заказчиков интересуются решениями 100G, но, ввиду высокой стоимости, они не готовы приобретать данные решения. Он полагает, что внедрение 10 каналов по 10G или двух каналов по 40G может оказаться более эффективным и простым решением, нежели инсталляция решения 100G. Год назад компания Extreme Networks одной из первых объявила о выпуске модулей 40GbE для своих коммутаторов Ethernet, причем по весьма привлекательной цене: 4000 долларов за модуль на четыре порта 40GbE. «Технология 40G нацелена в первую очередь на применение в ЦОД, но имеется спрос и со стороны операторов связи, — говорит Михаил Родионов. — По нашему мнению, миграция на 100G должна обязательно проходить через этап внедрения 40G».

Как замечает Семен Коган из компании Alcatel-Lucent, на выбор решения (40 или 100G) влияют различные факторы: уровень затрат на реализацию, особенности инсталлированной аппаратной базы, назначение сети (например, агрегация данных, опорная или магистральная сеть), необходимость обеспечения доступа в ее узлах к оптическим каналам или низкоскоростным потокам данных и т. д. По результатам анализа с одинаковой вероятностью может оказаться предпочтительным группирование потоков данных (для передачи по каналам DWDM) в пучки 10G, 40G или 100G. Однако, уверен он, для магистральных сетей большой и сверхбольшой протяженности технология 100G окажется в перспективе более предпочтительной, поскольку позволит достигнуть наивысшей, на сегодняшний день, спектральной эффективности 2,0 бит/с/Гц и, таким образом, обеспечить снижение затрат из расчета на один бит передаваемых данных.

«Для городских сетей, а также опорных сетей IP/MPLS технология 100G может стать основной по мере расширения ее доступности на уровне систем IP/MPLS и DWDM и все более широкого внедрения на сетях операторов концепции конвергентной опорной сети, предложенной компанией Alcatel-Lucent», — прогнозирует Семен Коган. По его мнению, реализация этой концепции позволит повысить гибкость и экономическую эффективность сетей IP/MPLS за счет обеспечения логических и физических соединений узлов таких сетей на транспортном уровне DWDM/OTN, что приведет к снижению количества магистральных маршрутизаторов или их полному исключению из состава сети. При этом предпочтительно, чтобы фотонный (DWDM) уровень сети функционировал в соответствии с принципами Zero Touch Photonic, то есть обеспечивал реализацию всех процессов по обслуживанию и эксплуатации (включая предоставление услуг) на программном уровне, без вмешательства персонала на узлах сети.

Денис Михайловский из Ericsson также полагает, что в новых операторских проектах основной акцент будет сделан на системы 100G: «Эта высокопроизводительная технология становится все более доступной, а значит, оператор предпочтет инвестировать именно в интерфейсы данного типа. Поддержка 40G понадобится немногим первопроходцам, уже успевшим прибрести соответствующие решения».

Его точку зрения разделяет и Денис Давыдов, руководитель отдела поддержки проектов D-Link — компании, которая тоже пока не имеет в своем арсенале решений 40/100G. «Операторам лучше готовиться к переходу с 10G на 100G без промежуточного этапа (40G), так как это позволит надолго обеспечить требуемую скорость передачи данных без дополнительных инвестиций на модернизацию системы, — говорит он. — В текущем году D-Link не планирует выпуск решений 40/100G, поскольку на данный момент пропускной способности 10G (в одиночном и агрегированном исполнении) вполне достаточно для большинства задач. Как только будет достигнут потолок пропускной способности интерфейсов 10G — на рынок будет выпущено более скоростное решение, и скорее всего это будет 100G (без промежуточного варианта 40G)».

Станислав Кокорев из Nokia Siemens Networks считает, что рынком будут востребованы обе категории продуктов (40 и 100G) — как для сетей дальней связи, так и для городских сетей. Но начиная с 2012 года технологии 100G станут довольно быстро «подминать» под себя не только рынок 40G, но и рынок 10G.

Он обращает внимание на то, что сегодня в процессе развертывания систем 40/100G наблюдается множество параллелей с процессами модернизации, которые шли в отрасли связи в конце 90-х годов, когда транспортные сети 10G (ставшие тогда стандартом для сетей дальнего действия) начали вытеснять сети 2,5G. Причины миграции тогда были точно такими же, как и сегодня: необходимо было обеспечить дополнительную сетевую емкость, снизить затраты на передачу и реализовать поддержку высокоскоростных маршрутизаторов последнего поколения. При переходе на 10G пришлось впервые задуматься о таких проблемах, как компенсация дисперсии, применение новых методов модуляции и необходимость проведения аудита оптико-волоконных сетей до выполнения работ по планированию и развертыванию сети. Все перечисленные задачи были успешно решены, хотя это и привело к усложнению технологии и увеличению стоимости решений.

Так или иначе, в ближайшие годы в сетях операторов связи будут активно применяться все основные варианты высокоскоростных технологий: 10, 40 и 100 Гбит/с. При этом на темпы внедрения 100-гигабитных систем, помимо названных выше факторов, будет влиять и общая макроэкономическая ситуация в мире, которая, к сожалению, не отличается стабильностью…

… А тем временем в институте IEEE уже начато обсуждение вариантов дальнейшего увеличения скорости Ethernet. Наверное, нет ничего удивительного в том, что в качестве основных претендентов рассматриваются решения на 400 Гбит/с и 1 Тбит/с…

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.