Оптическая революция

Неограниченная пропускная способность. Предоставление услуг в реальном времени. Готовы ли вы к новым телекоммуникациям?

Революции происходят за одну ночь. Если исходить из этих стандартов, отрасль связи вошла в революционную эпоху со скоростью света. Новое оптическое оборудование, появление которого ожидается в 2000 году, должно фундаментальным образом изменить архитектуру и весь процесс предоставления телекоммуникационных услуг. И если операторам приходится в поте лица заниматься установкой оптического оборудования в своих сетях, то администраторы сетей могут спокойно подождать в сторонке и насладиться результатами их труда.

Каковы же эти результаты? Для начала — огромные объемы пропускной способности. С внедрением технологии плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) операторы междугородной связи получают возможность увеличить пропускную способность одного оптического волокна более чем на два порядка. То же справедливо и в отношении местных операторов связи. А предоставление большей емкости в этих сетях не будет каждый раз занимать несколько месяцев: в случае полностью оптических сетей такие изменения можно будет проводить оперативно. Более того, пропускная способность может предоставляться в точности на необходимый период времени, т. е. заключать многогодичные контракты только для того, чтобы иметь необходимую емкость в периоды пикового трафика, больше не потребуется.

Так утверждает реклама. Реальность же такова, что лишь немногие производители оптического оборудования поставляют соответствующие продукты. Хуже того, широкомасштабное развертывание оптических услуг на базе этого оборудования начнется не скоро. Операторы сделали огромные вложения в свою медную инфраструктуру, так что модернизация их сетей займет далеко не одну ночь.

Администраторам сетей нужно быть чрезвычайно осторожными, дабы не заблудиться в обширной полосе отчуждения между рекламными обещаниями и реальными возможностями. Предложения «самых-самых» услуг следует тщательно взвесить, а стремление «перейти на оптику» наиболее ретивых любителей всего нового надо по мере возможности сдерживать.

Мы начнем со знакомства с побудительными причинами модернизации операторами своих каналов связи. Затем постараемся дать общее представление об оптических сетях: какое оборудование в них используется, для чего оно предназначено и в чем его отличие. Наконец, мы попробуем разобраться в затрагивающих непосредственно заказчика областях — проблемах доступа и корпоративной части сети.

ДИКИЙ, ДИКИЙ МИР

Рисунок 1. Городские сети состоят из ядра и устройств доступа. Подключенные к последним коммутаторы позволяют разделять длины волн между абонентами. Входящий трафик помещается на другую частоту и передается ядру сети. С другой стороны ядра процесс обращается.

Стремление проложить высокоскоростные оптические каналы непосредственно до помещений заказчика вызвано двумя основными побудительными причинами. Во-первых, компании хотели бы связать свои центры обработки данных через высокоскоростные интерфейсы для мэйнфреймов, такие, как Enterprise Systems Connection (ESCON) и Fibre Channel. Во-вторых, это Internet. Ничто никогда прежде не порождало такого спроса на пропускную способность, в части как объемов, так и масштабов, и спонтанности. Если объем голосового трафика увеличивается приблизительно на 4% в год, то, по данным провайдеров услуг Internet, ежегодный рост объемов магистрального трафика выражается трехзначными цифрами.

Вместе с тем перемены, которые несет Internet, касаются не только необходимости увеличения пропускной способности — Internet меняет саму картину трафика. Старое правило «80 на 20» (согласно этому правилу, 80% трафика является местным и только 20% — междугородным) больше не действует. Как утверждает Вэб Гоэл, вице-президент по перспективным технологиям в Qwest Communications, сегодня 80% трафика на территории США приходится на трафик между 25 крупнейшими городами.

Предвидеть картину трафика чрезвычайно трудно именно потому, что доступ в Internet носит повсеместный характер. Трафик может измениться в мгновение ока вследствие какого-либо общественного события. Например, отчет Кеннета Старра был опубликован в обычный будничный день. И при этом, по данным служб мониторинга трафика Internet, таких, как Matrix Information и Directory Services, объемы трафика резко возросли, так как чуть ли не все американские пользователи Internet поспешили загрузить скандальные подробности о деле Клинтона и Левински.

ПО СТАРИНКЕ

Чтобы справляться с непредсказуемым трафиком, сеть должна уметь при необходимости предоставлять огромную пропускную способность, т. е. быть динамической, каковой современная сеть не является. Сегодняшние сети общего доступа создавались на основе оборудования, разработанного свыше 20 лет назад для поддержки голосового трафика. В то время речь передавалась по каналам на 64 Кбит/с (DS0 в Северной Америке). Эти каналы сохранились до сих пор и устроены во многом так же: они объединяются мультиплексорами TDM в каналы DS1 (1,544 Мбит/с) или DS3 (45 Мбит/с), а те уже доставляют трафик на кроссы и коммутаторы в ядре сети. На противоположном конце другие мультиплексоры выделяют из них каналы DS0 и распределяют трафик по абонентам.

Проблема в том, что благодаря достижениям в области сжатия речи каналы могут быть уменьшены до 16 Кбит/с и менее без потери качества, а это означает, что 48 Кбит/с пропадает даром. Кроме того, мультиплексоры весьма дороги, и их часто приходится конфигурировать вручную, что удлиняет сроки предоставления и увеличивает стоимость услуг. Иногда операторам экономически более выгодно, например, пускать один канал T-1 через T-3 и пожертвовать неиспользуемой пропускной способностью, чем устанавливать мультиплексор.

Кроме того, передача данных предъявляет свои уникальные требования. В отличие от речи данным не требуются четкие фиксированные каналы на 16 Кбит/с. Они имеют неравномерный, пакетный характер: потоки трафика то нарастают, то спадают, как прилив и отлив. Попытка загнать потоки данных в голосовые каналы ведет к потере пропускной способности, так как значительную часть времени каналы оказываются недозагружены.

Наконец, проблема наложенных сетей. Услуги передачи данных превращаются в весьма дорогое удовольствие, так как сети передачи данных реализуются поверх инфраструктуры для передачи речи. Каждой из сетей требуются отдельные коммутаторы, отдельное оборудование в помещении заказчика, отдельные системы управления и даже отдельный персонал. И это ведет к потере еще больших денег и повышению тарифов на услуги.

НОВЫЕ, ДИНАМИЧНЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ

Каков же выход? Свести к минимуму необходимое оборудование. Избавиться от наложенных сетей и голосовых каналов. Создать вместо них динамическую сеть, способную предоставлять пропускную способность на лету и эффективно масштабируемую до терабит в секунду.

Однако достигнуть этой цели будет далеко не просто, а на изменения потребуется не день, не месяц и даже не год. Установка нового оборудования займет длительный период. Тип используемого оборудования будет зависеть от того, о какой части сети будет идти речь — о междугородных линиях, городской сети или абонентском шлейфе.

В первую очередь перемены затронут междугородную и международную связь с появлением оборудования WDM и DWDM таких производителей, как Lucent Technologies и Ciena. С увеличением трафика между городами операторы спешат увеличить емкость своих междугородных каналов. Это выражается в значительных инвестициях в прямые каналы на базе WDM и DWDM.

Рисунок 2. В случае DWDM данные могут передаваться по оптическому волокну на нескольких длинах волн. Новое оборудование DWDM для городских сетей идет еще дальше за счет использования ряда методов уплотнения для еще большего расщепления длин волн между абонентами и поддержки разнообразного голосового и информационного трафика.

В случае оборудования WDM передача данных происходит на нескольких длинах волн вдоль одного волокна. В случае DWDM эти длины волн расположены ближе друг к другу — до 100 волн в одном волокне (см. Рисунок 2). При емкости 2,5 Гбит/с для одной длины волны операторы могут получить пропускную способность в 250 Гбит/с для одного волокна. И это еще не предел. Lucent продемонстрировала в своей лаборатории оборудование DWDM для передачи 1022 волн.

Прямые каналы «точка-точка» решают проблему нехватки пропускной способности, но они мало что дают для маршрутизации. Для обеспечения максимальной гибкости операторы реализуют сложные многосвязные магистральные сети. Однако имеющееся оборудование WDM и DWDM не обладает необходимыми коммутирующими функциями для поддержки такого рода сетевых конфигураций. Здесь в дело вступают оптические коммутаторы. Эти продукты способны коммутировать трафик между несколькими каналами DWDM. С их помощью операторы получают возможность не только повысить надежность, но и улучшить масштабируемость посредством реализации многосвязных сетей. Благодаря им операторы могут внедрять DWDM по мере необходимости. Наконец, коммутаторы позволяют гибко предоставлять услуги. Нажатием нескольких клавиш операторы могут автоматически переконфигурировать свои коммутаторы для реализации услуг через магистраль.

Поставщики спешат удовлетворить спрос на оптические коммутаторы. В декабре 1999 года Sycamore Networks выпустила оптический коммутатор SN1600. Ранее в том же году Lucent представила свой оптический коммутатор LambdaRouter. Среди других производителей — Cisco Systems, Corvia Networks, Ciena, Chiaro Networks, Lynx Photonic Networks и Tellabs.

В ГОРОДСКОЙ ЧЕРТЕ

С появлением избытка пропускной способности в междугородных сетях операторы начинают искать способы подвести ее ближе к конечным пользователям. Взрывообразный рост пропускной способности абонентских шлейфов привел к насыщению многих городских сетей (Metropolian Area Networks, MAN), между тем как их расширение не представляется возможным. Как показывает исследование Робертсона Стефенса из BankBoston, одна прокладка волокна вдоль существующих кабелепроводов обходится в 30 000 долларов за милю. И это без учета временного фактора — построение кольца от телефонной станции часто занимает несколько месяцев.

Казалось бы, логическое решение — использовать оборудование DWDM, так зарекомендовавшее себя на больших расстояниях. Однако традиционное оборудование DWDM в силу ряда причин плохо подходит для городских сетей. Это оборудование так хорошо работает на больших расстояниях, потому что оно используется на прямых каналах «точка-точка», где трафик не требуется отводить в сторону. В случае городских сетей это не так: трафик часто требуется отводить, а это предполагает переделку имеющегося оборудования.

Кроме того, одна из причин, почему DWDM столь привлекательна для каналов большой протяженности, состоит в том, что она сокращает необходимость в применении дорогостоящих усилителей. Однако прогоны в городских сетях много короче — обычно не более 120 км против 700 км в междугородных сетях. Вследствие этого необходимость в применении дорогостоящих усилителей отсутствует, и, как результат, применение DWDM оказывается менее выгодно.

РЕШЕНИЕ ДЛЯ ГОРОДА

Выход нашелся в новом поколении оборудования для городских сетей, предназначенном специально для решения такого рода проблем в ядре городской сети, при доступе к ней и, в меньшей мере, в корпоративных сетях. Технологии для этих рынков можно условно разбить на четыре группы. Однако вне зависимости от технологии для администраторов сетей вопросы всегда остаются те же самые: цена, масштабируемость, доступ и гибкость.

Мы начнем, пожалуй, со знакомства с сетью. Продукты для ядра сети предназначены для построения общегородского кольца. Они обычно поддерживают бо,льшие расстояния и бо,льшую емкость, чем продукты для доступа, для которых фактор стоимости имеет немаловажное значение. Корпоративные продукты до сих пор составляют самый незначительный сегмент рынка и предназначены для построения территориальных сетей, где требуется большая емкость, чем способны предоставить традиционные магистрали, но меньшая, чем в сетях общего доступа (см. врезку «DWDM для вас».)

Теперь мы можем перечислить четыре упомянутые группы технологий. Некоторые производители стремятся усовершенствовать имеющиеся технологии SONET (см. врезку «Расширение SONET»), в то время как другие пытаются адаптировать технологии DWDM для общегородских сетей. Третьи же поставили перед собой цель усовершенствовать DWDM для повышения экономической отдачи от ее использования. Наконец, оставшиеся производители пробуют различные подходы на базе электрической передачи сигналов.

Как они между собой соотносятся? Большинство производителей молчат о предполагаемых характеристиках продуктов, практически никто не предоставляет информацию о вероятных ценах. Тем не менее имеющейся информации сетевым администраторам как потенциальным покупателям услуг на базе этих технологий вполне достаточно, чтобы понять, что эти разработки будут означать для них.

Взять, например, цены. Чтобы провайдер мог предоставлять недорогие многогигабитные услуги, ему необходимы продукты для городских сетей с меньшими пропускной способностью и дальностью передачи, чем для междугородных сетей. При меньшей пропускной способности провайдеры могут снизить стоимость за счет применения более дешевых лазеров. Насколько более дешевых — сказать трудно, так как производители предпочитают не афишировать стоимость компонентов. Однако мы можем сделать приблизительные прикидки: стоимость транспондера — а она составляет 90% стоимости лазера — достигает 25 000 долларов в зависимости от качества лазера, как утверждает Стефано Грико, менеджер по продуктам и развитию бизнеса Metro DWDM в Alcatel.

И так как каналы через городское кольцо имеют меньшую протяженность, чем в случае междугородных сетей, это позволяет использовать менее дорогие технологии модуляции и усиления. Лазеры дальнего действия модулируются внешним образом, благодаря чему сигнал может распространяться на расстояние до 700 км. В случае более коротких расстояний операторы могут, в зависимости от качества кабельной системы, воспользоваться непосредственной модуляцией. При такой модуляции сигнал распространяется на расстояние около 80—100 км, а лазер стоит на 30—40% меньше, чем при внешней модуляции.

Теперь об усилении сигнала. Без усиления активное оборудование обычно может осуществлять передачу на расстояние до 100 км в зависимости от типа лазера, конфигурации сети и вида проводки. Применение усиления позволяет увеличить расстояния до 600 км в случае 1686NN Metro компании Alcatel и до 500 км для продуктов Optical Networks. Однако такое решение обходится, естественно, дороже. Насколько? По словам Грико, еще на 20—30 тыс. долларов.

Опять же, устранение активных компонентов из оптической сети дает еще более эффективное по цене решение. Данного подхода придерживаются Quantum Bridge и LuxN в своей пассивной оптической сети (Passive Optical Networking, PON). Идея в следующем: активные компоненты необходимы для увеличения радиуса действия оборудования DWDM, но их применение ведет к росту стоимости. В случае же пассивного оборудования стоимость сети снижается за счет распределения затрат между многочисленными конечными узлами и замены дорогостоящих мультиплексоров ввода/вывода или узлов DWDM на оптические разделители и разветвители на каждом оптическом соединении в сети. Конечно, устранение активных компонентов сокращает дальность распространения сигнала, но, по данным Vertical Systems Group, 76% компаний среднего размера располагается в пределах одной мили от оптических трасс, т. е. в радиусе действия пассивных компонентов. Как результат, десятикратная экономия по сравнению с традиционным оборудованием SONET и даже более по сравнению с оборудованием DWDM, как утверждает Энтони Зона, президент и исполнительный директор Quantum Bridge.

Некоторые производители DWDM стараются как можно более плавно перевести пользователей на более дорогие услуги. Взять, к примеру, предложения Chromatis Networks. В соответствии с ее технологией избирательного уплотнения с разделением по длине волны (Selective Wavelength Division Multiplexing, SWDM) волокно образует два кольца между узлами. Одно кольцо поддерживает многоканальное DWDM, а другое — более дешевую одноканальную сеть. Все узлы могут взаимодействовать с различными скоростями по одноканальному кольцу. При необходимости многогигабитных скоростей операторы могут перевести нуждающихся в них клиентов на кольцо DWDM. Это позволяет взимать с заказчиков плату за DWDM, только когда это действительно требуется.

МАСШТАБИРУЕМОСТЬ

Далее мы рассмотрим масштабируемость услуг. Проблема с получением услуг с высокой пропускной способностью не только в высокой стоимости, но и в их отсутствии. Ввиду нехватки пропускной способности городских сетей имеющихся емкостей просто недостаточно для удовлетворения запросов корпоративных заказчиков.

Чем здесь может помочь DWDM? Вообще говоря, DWDM позволяет многократно увеличить пропускную способность волокна за счет увеличения числа каналов, но в случае решений DWDM для городских сетей это верно лишь частично ввиду использования в этих продуктах более дешевых лазеров. Дешевле лазеры — меньше пропускная способность. Такие лазеры менее чувствительны, а каналы или длины волн должны быть разделены более широкими интервалами. Так, вместо 80 каналов с интервалом 50 ГГц в диапазоне шириной 30 нм таким дешевым лазерам может потребоваться полоса 100 ГГц для каждой длины волны, в результате чего число каналов сократится до 40.

Даже с учетом этого сравнить различные реализации DWDM далеко не просто. Некоторые производители считают защищенные длины волн дважды. Когда оборудование DWDM предоставляет каналы вдоль основного кольца, оно также резервирует пропускную способность вдоль резервного кольца. По утверждению Alcatel, ее 1686NN Metro предоставляет 64 защищенные длины волн, тогда как SN8000 компании Sycamore Networks — 43. OpticAir от Lucent поддерживает только восемь длин волн, но на то есть веские причины: OpticAir — единственный DWDM-продукт для беспроводного доступа, с помощью которого операторы могут передавать сигнал DWDM на расстояние до 10 км.

ДОСТУП

Однако масштабируемость — это не только возможность предоставления пропускной способности в несколько гигабит в секунду. Администраторы сетей должны иметь возможность приобрести услуги как с высокой, так и низкой пропускной способностью. Предоставление таких услуг означает наличие того или иного способа распределения длин волн между несколькими интерфейсами.

Один из главных недостатков первого поколения продуктов DWDM для городских сетей состоял в том, что они имели интерфейсы для скоростей уровня OC-3 (155 Мбит/с) и выше. В результате для таких преобразований операторам приходилось использовать внешнее оборудование. Узел DWDM размещался в помещении заказчика вместе с мультиплексором ввода/вывода SONET, с помощью которого оборудование заказчика, такое, как маршрутизаторы и УАТС, и подключалось к кольцу.

Такое решение было сложно и дорого. Следующее поколение оборудования для городских сетей имело уже менее скоростные интерфейсы, и, таким образом, необходимость в использовании мультиплексоров SONET отпала. Большинство подобных устройств от Lucent, Alcatel, Ciena, Nortel Networks и Optical Networks имеют интерфейсы на 100 Мбит/с, а оборудование Sycamore Networks — даже на 45 Мбит/с.

Новейшие устройства будут иметь еще менее скоростные интерфейсы благодаря применению специальных методов разделения длин волн (см. Рисунок 2). Так, при разделении длин волн Astral Point Communications использует передачу ячеек или пакетов по DWDM.

Между тем Kestrel Solutions использует в своем TalonMX частотное уплотнение для разделения пропускной способности волны данной длины. По словам Доуна Хога, вице-президента Kestrel по маркетингу, благодаря этому TalonMX позволит добиться пропускной способности в 10 Гбит/с на одной длине волны вместо 2,5 Гбит/с в случае современных решений DWDM.

Наконец, подходы с применением пассивного оборудования. Устанавливаемое в помещении заказчика оборудование Optical Access Networking (OAN) компании Quantum Bridge использует синхронный протокол под названием Dynamic Wavelength Slicing (DWS) для подачи волн через низкоскоростные интерфейсы вплоть до Т-1.

Вот как оно работает. Оборудование компании на каждом узле помещает трафик Ethernet или DS1 в соответствующий интервал времени в сети доступа и направляет на коммутатор DWDM производства Quantum на телефонной станции оператора. Трафик Ethernet передается как есть или инкапсулируется в IP, а трафик DS1 помещается в ячейки ATM и передается на коммутатор. Коммутатор Quantum на телефонной станции принимает поступающие пакеты или ячейки и помещает их в магистральную сеть ATM.

ВВОД И ВЫВОД

Наконец, услуги следующего поколения должны быть легко реконфигурируемы. Администраторы систем хотят иметь возможность устанавливать соединения с быстротой молнии, чтобы пропускная способность предоставлялась (и отключалась) по требованию немедленно. Предоставление таких возможностей не по силам большинству имеющегося оборудования DWDM.

Проблема в следующем. Поскольку сети дальней связи состоят из каналов «точка-точка», ввод и вывод волн не является проблемой: они все вместе вводятся на одном конце канала и выводятся на другом. В случае продуктов для городских сетей ситуация иная. Демультиплексирование всех длин волн в каждом узле было бы слишком дорого, вносило бы ненужную задержку и сокращало дальность передачи сигнала. Вместо этого производители оптического сетевого оборудования используют специальные фильтры для извлечения только тех длин волн, адресат которых находится на данном узле.

Обычно длина волны фиксируется. На этапе конфигурирования операторы выделяют определенные длины волн, выводимые в каждом узле. Optical Networks составляет исключение: ее Dynamic Transport System (DTS) позволяет динамически выводить длины волн в любом месте кольца.

Суммируя все сказанное, производители обещают операторам более динамичные, лучше масштабируемые сети. Что касается администраторов сетей, то для них это будет означать чрезвычайную гибкость с точки зрения сервисов, которые они могут заказать, и контрактов, которые им придется подписывать. Однако продукты только-только начали появляться в продаже, так что доступны такие услуги будут не скоро. Операторам потребуется время на модернизацию своих сетей. Между тем у администраторов сетей будет время сдобрить рекламную шумиху здоровой долей скептицизма. При такой путанице в выпускаемом оборудовании это будет далеко не просто — но никто ведь и не говорил, что революция — простое дело.

DWDM для вас

Расширение SONET