От колец SONET к ячеистой топологии

Достижения интеллектуальной оптической коммутации позволяют по-новому взглянуть на ячеистую архитектуру. Смогут ли ячеистые сети предоставить пользователям новые услуги?

Несмотря на существующую неопределенность относительно архитектуры сетей будущего и способа их прибыльной эксплуатации, вопрос оптимизации сетей SONET для передачи трафика различного типа неизменно остается в центре внимания провайдеров услуг связи (все, что говорится ниже о Sonet, справедливо в равной мере и в отношении SDN с соответствующей поправкой на скорость и т. д. - прим. ред.) . Вспомним, что технология SONET разработана в конце 80-х гг. как физический уровень для передачи голосового трафика. Голосовые услуги характеризуются постоянным и предсказуемым характером трафика, который имеет скорость 64 Кбит/с и не подвержен внезапным всплескам. Трафик Internet, напротив, изменяется в широких пределах и непредсказуем, при этом его суммарный объем быстро растет. При его передаче невозможно определить заранее необходимую пропускную способность.

Провайдеры услуг знают, что их пользователи хотели бы получить как можно больший контроль за качеством обслуживания (QoS) своих соединений, безопасностью, пропускной способностью, набором зависящих от времени дня услуг и защитой для определенных видов трафика. Поддержка как можно более полного комплекса услуг обычно считается для оператора "Путем к Рентабельности". Но пока непонятно, когда и как мы попадем на этот "путь", а также, какие виды услуг мы на нем встретим.

Чтобы увидеть будущее, сначала посмотрим на настоящее. Сегодняшняя инфраструктура SONET состоит из двойных оптических колец, набора узлов и определенного количества соединений с другими кольцами. Одно из колец служит для передачи рабочего трафика, второе находится в резервном состоянии до тех пор, пока основное не выйдет из строя. Это второе кольцо используется для резервирования и восстановления в случае аварии (см. Рисунок 1).

Современная технология SONET имеет много преимуществ. Все знают и понимают, как она работает, что обеспечивает простоту мониторинга и управления сетью. SONET поддерживает статическую передачу голоса с хорошими параметрами QoS, а также режим резервирования кольца. Решающим параметром является скорость восстановления кольца - менее 50 мс. Это означает, что установленное голосовое соединение не будет прервано в случае перехода с основного кольца на резервное. Для провайдеров важно, что затраты на обслуживание сети в настоящее время невелики. В свою очередь, сетевые администраторы крупных компаний могут быть спокойны, зная, что голосовой трафик и трафик данных надежно защищены от каких-либо воздействий или случайностей. Вера пользователей в инфраструктуру провайдера - залог успеха провайдера на рынке.

Впрочем, те же самые провайдеры прекрасно осведомлены об ограничениях, присущих сетям SONET. Ориентированная на передачу голосового трафика сеть никогда не предназначалась для поддержки быстро изменяющегося трафика. Пропускная способность SONET не является гибкой как с точки зрения скорости передачи данных, "скачущей" от 1,5 до 45 Мбит/с, так и с точки зрения нагрузки: используется не более 50% от пропускной способности кольца, поскольку второе всегда находится в резерве. Изменения в кольце обходятся достаточно дорого, так как увеличение пропускной способности одной линии связи между двумя узлами требует аналогичных действий по всему кольцу, даже если в других местах в таком увеличении нет необходимости.

Поскольку каждое кольцо имеет ограниченный диаметр, масштабирование сети предполагает соединение нескольких колец между собой для охвата географически обширной области. Скорость ограничена существующей на данный момент максимальной скоростью передачи данных в SONET - OC-192, которая равна 2,5 Гбит/с; причем, если необходимо обеспечить большую производительность системы, провайдер вынужден будет добавить отдельное кольцо, и постепенное наращивание пропускной способности в этом случае невозможно. Такая ситуация не позволяет провайдерам "тратить деньги в соответствии со скоростью роста сети". Более того, поскольку каждое кольцо функционирует независимо и невозможно управлять ими как единым целым, предоставление сервиса на базе нескольких колец требует кропотливой конфигурации вручную, которая может занимать от трех до шести месяцев и более.

ИДЕЯ ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРЫ

Для решения изложенных задач используются оптические коммутаторы нового поколения, в которых функциональность коммутатора и интеллектуальность маршрутизатора сочетается с поддержкой ячеистой сетевой топологии. При ячеистой топологии каждый узел имеет соединение со всеми другими, в противоположность кольцу, где узел соединен только с соседями (см. Рисунок 2). Как и многое другое в мире телекоммуникаций, ячеистая топология - "новая идея" с длинной историей. Фактически, до появления SONET ячеистая топология была преобладающей.

"До SONET типичная транспортная сеть имела ячеистую топологию, образованную кроссами или голосовыми коммутаторами, - объясняет Харминдер Гилл, генеральный менеджер глобальной сети международного провайдера нового поколения под названием 360networks. - Эти сети не имели общей системы синхронизации - такой, как сейчас имеет кольцо, - синхронизация трафика, передаваемого разными маршрутами, осуществлялась с помощью указателей, посредством разных задержек в различных точках сети".

У ячеистой структуры много преимуществ. Во-первых, для нее не существует ограничений на расстояния, поскольку данные передаются по различным отрезкам оптического кабеля между коммутаторами, а не в пределах одного кольца. Кроме того, производительность сети определяется производительностью коммутатора, а не пропускной способностью оптической линии связи. В некольцевой структуре вы можете использовать транкинг для увеличения пропускной способности на тех участках сети, где в этом есть необходимость. В отличие от кольца ячеистая структура может наращиваться постепенно, узел за узлом, в соответствии с ростом потребностей заказчика, обеспечивая различные скорости в разных частях сети (в то время как сеть SONET должна поддерживать одну и ту же скорость в пределах всего кольца), при этом устанавливать в каждой точке присутствия по мультиплексору ввода/вывода не требуется.

Более того, увеличение производительности SONET предполагает ресурсоемкое развертывание дополнительных колец, что ведет к образованию "многоярусного кольца" и требует установки кроссов или узлов с аналогичными функциями, в то время как в ячеистой структуре ничего этого не нужно. Постепенное расширение сети по схеме "узел - за - узлом" сохраняет деньги провайдера за счет экономии пространства, энергии и затрат на обслуживающий персонал и поддержку работы оборудования.

Что более важно, провайдеры могут конфигурировать ячеистую структуру в масштабе всей сети с помощью метода "указал и щелкнул". В самом деле, одна из главных претензий, предъявляемых SONET, заключается в том, что процедура предоставления сервиса затягивается слишком надолго как при предоставлении, так и отказе от пропускной способности. В то же время пользователи не хотят платить за неиспользуемую пропускную способность четыре дня в неделю, если им хватает только одного дня для проведения видеоконференций и групповой работы. Многие провайдеры понимают необходимость предоставления гибкой пропускной способности, чтобы пользователь сам имел возможность включать и выключать сервис - как водопроводный кран. SONET в том виде, в каком она сегодня существует, не может поддерживать такую "водопроводную" модель.

Другой недостаток сетей SONET состоит в том, что, обеспечивая высокую надежность, такая сеть оставляет неиспользуемым целое дополнительное кольцо. Но ведь ячеистая структура тоже предоставляет высокий уровень надежности, работая по интеллектуальной схеме резервирования 1:N. "В ячеистой структуре, если у вас имеется четыре маршрута за пределы города, вы можете резервировать один из маршрутов для всех трех оставшихся, а не только для какого-то одного, - говорит Гилл. - В результате у вас будет только 33% неиспользуемой пропускной способности (один к трем, в данном случае) в противовес кольцевой топологии SONET, где вы вынуждены поддерживать 100% (один к одному) неиспользуемой пропускной способности".

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОММУТАЦИЯ

Естественно, ничего из того, о чем мы ранее говорили, не будет функционировать без поддержки интеллектуальной коммутации. Новый вид оптических коммутаторов призван сделать сеть SONET более гибкой и предоставить провайдерам более широкие возможности контроля над параметрами предоставляемого сервиса, от которых зависит работа приложений пользователей, такими, как QoS, пропускная способность, уровень защиты и т. д. Появление подобного оборудования - от таких производителей, как Sycamore Networks, Corvis, Ciena, Cisco Systems, Nortel Networks, Lucent Technologies и еще целого ряда производителей - привело к революции в области оптических сетей в последние два/три года.

В то время как продукты ячеистых сетей выпускают большинство производителей, особое значение этому сектору рынка придают Ciena, Sycamore Networks и Astral Point. Устройство Optical Node 5000 компании Astral Point, как и оборудование компании Sycamore, поддерживает и кольцевую, и ячеистую топологию, но Astral Point специализируется на оборудовании для сетей масштаба города, в то время как линейка Sycamore расширена для поддержки глобальных сетей. Сильный игрок в этом секторе рынка - компания Ciena, о чем свидетельствует подписанный ею контракт на 200 млн долларов с альтернативным оператором местной связи (Competitive Local Exchange Carrier, CLEC) McLeod USA, который строит ячеистую магистраль DWDM. К сожалению, в Ciena нам отказались дать комментарий по этому поводу.

Все названные производители работают над оптическими платформами, которые сочетают коммутацию, некоторые функции маршрутизации и ключевые функции управления, дающие провайдерам услуг гибкость управления трафиком на уровне пакетов и даже длин волн. "Ячеистая архитектура позволяет провайдерам строить "интеллектуальные" оптические сети так, что каждый узел в сети имеет связь с каждым и "знает" о топологии сети и ее ресурсах, - объясняет Скотт Клавенна, президент компании Point East Research. - В сочетании с соответствующим программным обеспечением эти сети смогут поддерживать быстрое конфигурирование услуг, а также многочисленные резервные связи, чего не могут кольца SONET".

Провайдеры рассматривают многоуровневость услуг как путь к увеличению прибыльности, так как предложение различных уровней защиты передачи данных привлекательно как для провайдеров, так и для покупателей сервиса, поскольку никто не хочет платить за дополнительный сервис, если речь идет о передаче некритичных данных. SONET предлагает только один уровень защиты - 100-процентная защита с использованием резервного маршрута. Ячеистая сеть предоставляет больше вариантов благодаря таким схемам резервирования, в соответствии с которыми вышедший из строя канал замещается виртуальным соединением, проходящим через несколько узлов, при этом конечные точки соединения остаются подключенными друг к другу и весь трафик соединения маршрутизируется соответствующим образом.

Пока не ясно, насколько высокую (или, наоборот, низкую) степень защиты клиент будет требовать для того или иного приложения, но идея состоит в том, чтобы предлагать набор услуг разного уровня (Бронзовый/Серебряный/Золотой), предоставляя пользователю возможность выбрать отдельный класс обслуживания для каждого приложения или сеанса связи. Таким образом, передача некритичного к ошибкам трафика будет стоить значительно дешевле, чем передача конфиденциальных данных, что позволит покупателю сохранять свои средства.

Провайдеры смогут также организовать резервные маршруты динамически - или после того, как разрыв уже произошел, или наоборот, в качестве профилактической меры. Методика предварительного планирования поможет заранее обеспечить необходимое качество обслуживания.

Но у любой медали есть оборотная сторона. "Управление тысячами миллионов маршрутов требует применения в оптических системах связи больших вычислительных мощностей, -- говорит Клавенна. Создать такую систему - дело непростое и может занять больше времени, чем предполагает большинство производителей". Крис Никол, аналитик консалтинговой компании в области телекоммуникаций Current Analysis, согласен с этим: "Ячеистая структура должна будет обладать очень высоким уровнем интеллектуальности, что делает проблематичной совместимость оборудования разных производителей. Таким образом, создание сети из разного по происхождению оборудования предполагает соответствие некоему набору стандартов в целях обеспечения внутрисетевого взаимодействия на интеллектуальном уровне".

ЛУЧШИЙ ВЫБОР

Если вы решили, что мы клоним к тому, что больше нет смысла использовать традиционную технологию SONET и она скоро сойдет со сцены - знайте, это не так, о чем вам скажет любой оператор местной связи. Если ячеистые топологии начнут применяться, то они будут соседствовать с существующими сетями SONET, при этом каждая сеть будет выполнять различные функции. Где же удобнее использовать ту или иную технологию?

"К возможности применения ячеистой топологии следует внимательно присмотреться тем локальным операторам, в сетях которых ощущается нехватка оптических волокон, поскольку ячеистые связи повышают эффективность использования оптических ресурсов", - советует Чарли Вонг, главный менеджер по продукции Astral Point. По-видимому, кольца останутся в пределах городских сетей, т. е. на уровне доступа, в то время как ядро сети будет составлять ячеистая структура (см. Рисунок 3). В городских сетях точки подключения распределены и, как правило, требуется меньшая пропускная способность, что как раз лучше всего обеспечивается кольцом.

"В городских сетях пропускная способность дешевле и затраты на ее резервирование меньше, - говорит Никол, - но такой подход убийственен для глобальных сетей, в которых пропускная способность стоит значительно дороже. В городской сети вы можете зарезервировать полосу пропускания на кольце OC-48, но вряд ли вы будете резервировать в глобальной сети 60 длин волн для передачи данных со скоростью OC-192".

При выборе топологии важны такие параметры, как тип трафика и характеристики доступа. Кольца лучше всего подходят для трафика, чувствительного к временным задержкам (голос по IP, видеоконференции), передаваемого не очень далеко - в пределах города или штата, например. Ячеистая структура больше подходит для нечувствительного к задержкам трафика, который передается на большие расстояния, через всю страну или между странами. "Если объемы трафика велики и он не сбалансирован между маршрутами, то в этом случае более уместна ячеистая топология, даже при малых географических масштабах", - заявляет Гилл.

Развертывание ячеистой сети в городе может стать трудной задачей, поскольку такая топология не учитывалась при построении оптической структуры. Как указывает Клавенна, большинство клиентов расположены на кольцах, а не в точках ячеистой структуры. По словам Тома Нолле, президента CIMI Corp., SONET работает в случаях приложений с низкими требованиями, в то время как ячеистые структуры действуют там, где в наличии достаточное количество узлов для создания такой резервируемой топологии. Это делает SONET применимой в приложениях доступа, но в то же время данная технология не столь привлекательна для использования на магистрали сети. Кроме того, SONET совместима с физической структурой оптических сетей региональных операторов (Regional Bell Operating Center, RBOC), которая построена как "звезда из звезд". Ячеистая же архитектура может предъявлять к топологии такие требования, которые в большинстве случаев не могут быть удовлетворены".

Однако в ядре сети ячеистая структура может упростить продажу услуг различных уровней конечным пользователям. Оптические соединения могут быть проданы с различным уровнем резервирования и с малым временем конфигурирования услуги.

УСЛУГИ

Итак, что же такое эти новые услуги, базирующиеся на ячеистой архитектуре? Мы смогли найти только двух игроков в этом секторе рынка, использующих ячеистую структуру для передачи реального трафика: 360networks и Storm Telecommunications. Оба используют коммутаторы SN 16000 компании Sycamore как основу своей оптической интеллектуальной сети. У производителя Astral Point три крупных заказчика: Time Warner Telecom, Lighthouse Telecom и Advanced Telecom Group - все это американские коммуникационные провайдеры интегрированных услуг, использующие устройство ON 5000 для обеспечения топологии с некоторой степенью ячеистости (более детальной информации на момент публикации не было). Сначала рассмотрим Storm.

Storm - это базирующаяся в Лондоне межнациональная компания, предоставляющая услуги как другим провайдерам, так и конечным пользователям, с оптической сетью общей протяженностью около 9500 км, с 20 основными межнациональными шлюзами в Европе, Нью-Йорке и Вашингтоне. Она предлагает следующие услуги.

• SDH (технология, подобная SONET) со временем восстановления менее чем 50 мс (сеть воспринимает ее стандартную линию связи SDH/SONET).
• Гибкие каналы, которые позволяют клиентам увеличивать и уменьшать используемую ими пропускную способность с шагом 1 Мбит/с от STS1 до STM16. Сейчас такое переключение производится в течение двух часов и осуществляется центром поддержки клиентов; систему планируется сделать автоматической в первом квартале 2001 г.
• Гибкая сеть, которая позволяет клиентам организовыватьь каналы связи в пределах заранее определенной географии - т. е., фактически, включать и выключать пропускную способность на тех или иных линиях связи.
• Международные соединения Gigabit Ethernet.

Благодаря новой архитектуре Storm смогла снизить цены на передачу данных и улучшить качество обслуживания и управления для клиентов, которые могут быстро получать интересующие их услуги, информацию о карте сети и качестве канала связи. Кроме того, повысился коэффициент использования инфраструктуры, стало проще управление (теперь для этого используется соответствующее программное обеспечение), уменьшились задержки. Storm называет среди своих клиентов компании BBC и AboveNet (провайдер услуг Internet).

Компания 360networks проявила большую активность, что нашло свой отклик в прессе, конференциях и презентациях, а также отразилось на высокой прибыльности партнерских взаимоотношений. Компания имеет 16 коммутаторов производства Sycamore, установленных в Северной Америке и Европе и обслуживающих "бета"-пользователей. К концу 2001 г. планируется увеличить количество коммутаторов до 120. Провайдер собирается опробовать новую стратегию, заключающуюся в динамическом резервировании маршрутов, которая будет обеспечиваться новым оборудованием, начиная с ядра и заканчивая уровнем доступа. Другие провайдеры используют ячеистую структуру в центре сети, но на уровне доступа строят кольца SONET. 360networks делает акцент на скоростях от OC-3 до OC-192 и Gigabit Ethernet с тремя уровнями класса обслуживания.

• "Незащищенный", с отсутствием восстановления, для тех сетей передачи данных, где пользователь будет использовать схемы восстановления соединения на базе протоколов более высокого уровня (второго или третьего), таких, как протоколы маршрутизации OSPF или IS-IS. Подобные услуги могут покупаться провайдерами Internet, работающими с данными не в реальном времени.
• "Ячеистый-защищенный" сервис, с уровнем доступности как у кольца SONET и временем восстановления менее секунды в пределах континента. Такая услуга предлагается тем, кто работает с некритичным ко времени трафиком (большая часть трафика Internet) и хочет получить защиту на первом, физическом уровне, так как большинство маршрутизаторов не генерирует сообщения об ошибке, если линия связи оказалась недоступна на время, меньше одной секунды.
• Сервис "один к одному" (one-to-one) предоставляет защиту, подобную защите в кольце SONET, со временем восстановления 50 мс и предназначен для пользователей, работающих с приложениями реального времени, такими, как "живой" голос или дуплексная видеопередача.

Джил утверждает, что такая услуга может быть предоставлена всего за две недели. Для конфигурации самой точки доступа потребуется несколько минут - указать на нее и щелкнуть мышью. Все остальное время уйдет на завершение процесса формирования услуги - принимая во внимание условия физического подключения пользователя, такие, как место установки оптической панели, необходимое пространство, мощность для питания дополнительного оборудования, конфигурирование системы тарификации и занесение записи о клиенте в операционную систему поддержки.

ТАК В ЧЕМ ЖЕ ПРОБЛЕМА?

Может показаться, что переход к ячеистой топологии - идея, лежащая на поверхности, и у провайдеров просто нет иного выбора. Однако большинство из них остается на своих позициях, по крайней мере, на данный момент. Потребители их услуг также не выглядят озабоченными. Как говорят аналитики Storm, пока предоставляемый им сервис прозрачен и работает "как старый добрый SONET" - они счастливы.

"Ячеистая структура готова для широкого применения, в отличие от большинства провайдеров, - говорит Никол. - Традиционные провайдеры услуг имеют свои кольца SONET, и уйти от этой структуры для них будет очень тяжело. Придется менять все: сетевое оборудование, системы формирования услуг, системы тарификации, операции обслуживания и систему обучения. Это отнимет много ресурсов. Так что в конце концов кто-то отсеется, но большинство перейдет к новой структуре".

Скептицизм провайдеров имеет свои корни как в традициях, так и в технологиях. "Переход от кольцевой структуры к ячеистой требует изменения самой сути отношения к структуре сети, - утверждает Клавенна, - и многие провайдеры еще не достигли того уровня, на котором они будут готовы к переделке основ их сетевой архитектуры. Управление ячеистыми структурами более трудоемко и может привести к сбоям в сети, вследствие проблем с программным обеспечением. У колец всегда есть преимущество их простоты и надежности, и это позволяет многим провайдерам спать спокойно". Исходя из вышеизложенных причин, можно предположить, что первыми ячеистую топологию будут применять начинающие провайдеры. Поскольку крупные провайдеры (Interexchange Carriers, IXC) предоставляют большое количество бизнес-услуг, многие из которых основаны на передаче данных по кольцам SONET, можно ожидать, что они будут менять свою сетевую структуру в числе последних.

Совместимость - одна из причин, препятствующих распространению ячеистой архитектуры. Использование программного обеспечения в качестве глобальной системы управления сетью означает, что данная система должна применяться для управления оборудованием других производителей. Для создания и управления оптической интеллектуальной сетью Storm на данный момент использует только оборудование и программное обеспечение Sycamore, так что эта проблема их пока не волнует. В такой ситуации помогает внедрение стандартов, при этом не обязательно ожидать их окончательной ратификации, как в случае с протоколом MPLS (Multiprotocol Label Switching) - некоторые инженеры надеются на то, что MPLS, присваивающий метки различным длинам волн, поможет решить проблемы совместимости при управлении трафиком в оптических сетях.

И, наконец, более вероятно, что провайдерам понравится путь, который позволит им перейти от сетей, состоящих из колец SONET, к гибридной инфраструктуре кольцо/ячейка (см. Рисунок 3). "Глашатаями" такого подхода стали производители Sycamore и Astral Point, и это представляется разумным, учитывая необходимость максимального использования уже проложенных колец SONET. "Нельзя за одну ночь поменять всю сетевую архитектуру, - говорит Вонг. - Множество сетей будет иметь комбинированную архитектуру колец и ячеек, пока не произойдет полный переход к последней. Сегодня некоторые провайдеры говорят о переводе ядра их сетей на ячеистую топологию, в то время как на уровне доступа они собираются сохранить кольца".

Такая миграция скорее всего примет форму объединения с помощью ячеистой структуры ранее независимых кольцевых сетей. Это не затронет существующую физическую структуру сети и позволит провайдерам обновлять их структуру с той скоростью, которая им покажется приемлемой. Они всегда смогут вернуться назад и сконфигурировать виртуальную кольцевую структуру поверх ячеистой, с присущей ей степенью надежности. При этом обеспечиваемые ячеистой топологией преимущества сохранятся, между тем как затрат на 100-процентное резервирование, как в кольцах SONET, не будет.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Сейчас еще довольно сложно предсказать, насколько быстро "ячеистая мания" овладеет массами провайдеров - если овладеет, конечно. А в данный момент большинство из них ждут первых опытов в этой области и будут реагировать соответственно их результатам. Аналитики верят в будущее ячеистой топологии, но этого недостаточно, чтобы подвигнуть провайдеров на реальные перемены. Поскольку переход к ячеистой архитектуре не обеспечивает повышения прибыли, получаемой от конечных пользователей, все-таки есть сомнения в том, что ячеистая структура не стоит затрачиваемых на нее усилий. Исходя из этого, ячеистые сети могут стать скорее исключением, чем правилом.

В то же время не стоит забывать о начинающих провайдерах, особенно в области Gigabit Ethernet. Конкуренция должна привести к появлению выгодных предложений - в терминах "цена-за-бит" - и различных уровней классов сервиса. Они должны осознавать преимущества конкурентоспособности "гибких" предложений, когда конечный пользователь может легко изменять пакет и стоимость предлагаемых услуг, в отличие от тех, которые предлагают "маститые" провайдеры.

Ключевую роль будет играть операционная система поддержки (Operational Support System, OSS). Без первоклассных систем поддержки пользователей - обеспечивающих функции ввода заказа, активацию сервиса и биллинг - гибкость формирования услуг и многоуровневость защиты трафика, т. е. основные преимущества ячеистой структуры, будут иметь очень небольшое значение. Если же вы не хотите пользоваться услугами начинающих провайдеров, то поищите опытных, у которых имеется смешанная структура кольцо/ячейки. Хотя, возможно, пока не стоит беспокоиться - на данный момент подобных провайдеров не так уж и много.