После ста

Перспективы внедрения технологий 40G и 100G уже неоднократно обсуждались на страницах нашего журнала. Ответ на этот вопрос искали специалисты на прошедшем 20 октября в Москве форуме «Сетевая инфраструктура».

Ширины каналов связи, как и денег, всегда не хватает. Поэтому неудивительно, что обсуждение высокоскоростных технологий — конек любой конференции в области ИТ и телекоммуникаций. Как известно, стандарт IEEE 802.3ba на технологии 40 и 100 Gigabit Ethernet (40GbE и 100GbE) был утвержден 17 июня 2010 года. В том же году появились первые трансиверы CFP, выполненные в соответствии с требованиями нового стандарта. Однако, по мнению Василия Солдатова, системного инженера компании Brocade, внедрению этих технических решений серьезно препятствуют их высокие стоимость и энергопотребление, а также большие размеры (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Формат высокоскоростных трансиверов.

Во многом эти недостатки связаны с необходимостью использования в трансиверах CFP специального конвертера, служащего для преобразования 10 входящих электрических потоков 10 Гбит/с в четыре потока по 25 Гбит/с (см. Рисунок 2). Далее эти потоки «окрашиваются» (применяется частотная сетка DWDM в соответствии со стандартом ITU G.694.2) и мультиплексируются для передачи по одномодовому волокну. Именно так работают уже выпускаемые трансиверы 100GBaseLR4 с дальностью действия 10 км, аналогичным образом будут функционировать и трансиверы 100GBaseER4, которые, как предполагается, появятся на рынке в 2012 году. 100GBaseER4 — это самый «дальнобойный» из стандартизованных вариантов 100GbE, который должен обеспечить дальность передачи до 40 км. Скорее всего, для этого будут использоваться полупроводниковые оптические усилители.

Рисунок 2. Различные варианты трансиверов 100GbE.

Указанные недостатки могут быть устранены в трансиверах второго поколения, но они появятся на рынке никак не раньше 2013 года. Не потребуется конвертеров и для трансиверов, созданных по спецификациям 100GBaseSR4 и 100GBaseFR4, разработка которых начата институтом IEEE в июле 2011 года. На электрической стороне эти решения сразу будут «принимать» сигналы 25G (4×25G). Однако они предназначены для передачи на небольшое расстояние: системы 100GBaseSR4 будут работать по многомодовой оптике классов OM3/ OM4 при дальности до 100 м, а системы 100GBaseFR4 — по одномодовой оптике до 2 км. Соответствующие трансиверы тоже могут появиться на рынке только в 2013 году.

Но более дешевые и компактные трансиверы 100GbE нужны уже сегодня. На их разработку направлена инициатива консорциума 10x10 Multi-Source Agreement (MSA), куда входит 26 компаний, включая таких известных производителей и сервис-провайдеров, как Brocade, Google, JDSU, Huawei, Facebook и EXFO. Предложенные этим консорциумом спецификации не требуют использования громоздкого и дорогостоящего промежуточного конвертера (см. Рисунок 2), что и позволяет достичь заявленных целей уже сегодня.

Например, компания Brocade, наряду с решениями на базе стандарта IEEE 802.3ba, уже выпускает и трансиверы 10×10 MSA с «дальнобойностью» 2 и 10 км. Эти решения применяются в сетях Facebook, Google и амстердамского узла обмена трафиком AMS-IX. В августе принята спецификация 10x10 MSA на трансивер с дальностью действия 40 км; соответствующие технические решения должны появиться в начале 2012 года.

Как считает Василий Солдатов, такие решения уже требуются многим российским заказчикам, перед которыми стоят задачи по высокоскоростному соединению ЦОД, удаленных на расстояния более 10 км.

Как полагают в Brocade, в ближайшие два года рабочая группа IEEE 802.3 продолжит развивать интерфейсы, «принимающие» четыре электрических потока 25G, преобразующие их в «цветные» оптические потоки 25G и передающие по волокну в режиме спектрального уплотнения (WDM). Появление решений 10×25G или 12×25G (многоволоконные кабели обычно содержат 12 волокон), обеспечивающих скорости 250 и 300 Гбит/с соответственно, в компании считают маловероятным, поскольку «производители хотят, чтобы следующий скачок в пропусканой способности был больше».

Наиболее вероятный кандидат на то, чтобы стать следующим стандартом Ethernet, — технология 400 Gigabit Ethernet (400GbE). Для ее реализации, скорее всего, будут использованы трансиверы, оперирующие 16 потоками 25G (см. Рисунок 3), которые могут быть легко мультиплексированы для передачи по одному одномодовому волокну.

Рисунок 3. Возможный вариант трансивера 400GbE.

По прогнозу Василия Солдатова, работа над стандартом 400GbE завершится не ранее 2016 года. Кроме того, он считает, что разработка систем Terabit Ethernet в настоящий момент экономически нецелесообразна. «Реализация схемы 40×25G на входе и выходе потребует огромного трансивера. О выпуске таких систем можно будет говорить только при существенном удешевлении технологии 40-гигабитных каналов, что возможно также не ранее 2016 года», — отмечает специалист Brocade.

ВЫХОДЯ НА ПРОСТОРЫ…

Как уже говорилось, «дальнобойность» выпускаемых сегодня трансиверов 100GbE составляет максимум 10 км. Таким образом, Ethernet «в чистом виде» годится для построения локальных сетей (в первую очередь ЦОД) или для соединения объектов, находящихся в пределах крупного города. Для проброса потоков Ethernet на большие расстояния требуются уже магистральные транспортные сети. Соответствующие платформы принимают потоки Ethernet, равно как и другие потоки (формируемые системами хранения данных, телевизионной и видеоаппаратурой и пр.), «упаковывают» их оптимальным образом (например, в транспортные блоки OTN) и передают на дальние расстояния. Методы «упаковки» могут быть разными, однако на физическом уровне почти всегда применяется спектральное уплотнение DWDM.

Передачу потоков 40G и 100G на дальние расстояния существенно упрощает технология когерентного приема, о которой «Журнал сетевых решений / Telecom» уже подробно рассказывал в мартовском номере (см. статью «После сорока»). По словам Михаила Ленко, директора по продажам оптических транспортных сетей в Северной и Восточной Европе, России и Средней Азии компании Nokia Siemens Networks, при использовании транспортных систем с когерентным приемом нет необходимости компенсировать хроматическую дисперсию в линии, следовательно, для передачи потоков 40G и 100G можно применять практически любое уже проложенное волокно. Это достигается благодаря компенсации искажений путем цифровой обработки сигнала в принимающем оборудовании. Компенсаторы дисперсии обычно представляют собой катушку специального волокна, таким образом, использование технологии когерентного приема позволяет сократить общую длину линии связи, а значит — снизить задержку передачи.

Когерентная технология 100G уже находит практическое применение в России. Так, в начале октября 2011 года компания Alcatel-Lucent объявила о том, что эта технология будет использована при расширении пропускной способности сети «Ростелекома» на магистральном направлении «Север – Юг». Каналы 100G будут организованы в сети общей протяженностью более 3500 км, причем, как отмечают представители AlcatelLucent, когерентная технология 100G позволит «резко снизить стоимость передачи одного бита данных». Оборудование 100G компании Nokia Siemens Networks «Ростелеком» будет внедрять на направлении «Запад – Восток» — запланирована модернизация сети от финской до японской границы общей протяженностью 11 тыс. км.

Как сообщил Михаил Ленко, компания Nokia Siemens Networks ведет активные разработки оптических транспортных систем со спектральными каналами 200 и 400 Гбит/с, а также 1 Тбит/с. Причем новые решения, в том числе терабитные, ориентированы на работу по уже проложенной оптике, что позволит сохранить инвестиции операторов в кабельную инфраструктуру.

Основная идея инженеров Nokia Siemens Networks — создать универсальный транспондер, переконфигурирование которого позволит обеспечить поддержку скоростей от 40G до 400G. Как известно, квадратичная фазовая модуляция, используемая для передачи потоков 100G, предусматривает четыре фазы несущей (позиции). Увеличение числа позиций дает возможность повысить скорость, оставаясь в той же спектральной полосе. Например, для передачи 200G можно задействовать квадратурноамплитудную модуляцию с 16 позициями, а для 400G — с 32 позициями (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Увеличение числа позиций в системах модуляции для повышения скорости передачи.

Nokia Siemens Networks еще в 2010 году продемонстрировала использование модуляции CP-16QAM для организации спектральных каналов со скоростью более 200 Гбит/с: в тестах 11 каналов по 224 Гбит/с передавались на расстояние 640 км по оптическому волокну G.652, наиболее широко используемому в сетях связи. При этом применялась стандартная частотная сетка 50 ГГц (G.694), определяющая «расстояние» между спектральными каналами. Но увеличение числа позиций в алгоритме модуляции усложняет декодирование, что потребует использования все более сложных интегральных микросхем, а также приведет к сокращению дальности передачи без регенерации сигнала (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Уменьшение дальности передачи при увеличении числа позиций в алгоритме модуляции для сетки 50 ГГц (С-диапазон).

Для решения этой проблемы Nokia Siemens Networks предлагает от стандартной сетки с фиксированным шагом 50 ГГц перейти к гибкой сетке с различным частотным шагом для сигналов с разной скоростью. Скажем, для передачи потока 1 Tбит/с можно будет задействовать полосу 200 ГГц, что существенно повысит дальность. Такая гибкая сетка даст возможность достичь требуемых характеристик по скорости и дальности передачи за счет выбора формата модуляции, числа несущих и/или ширины полосы (см. Рисунок 6). В 2011 году, используя гибкую сетку с шагом 75 ГГц, компания Nokia Siemens Networks успешно продемонстрировала передачу пяти спектральных каналов по 448 Гбит/с. При этом каждый канал формировался с помощью двух несущих с модуляцией CP-16QAM, а дальность передачи составила 656 км.

Рисунок 6. Эффективность использования спектрального ресурса для сетки с фиксированным и переменным шагом.

Хотя многие считают, что полоса пропускания оптических систем связи чуть ли не безгранична, Михаил Ленко предлагает более практично подойти к этому вопросу. Он утверждает, что «общая скорость передачи в С-диапазоне при канальных скоростях более 100 Гбит/с войдет в фазу насыщения, а максимальная емкость сетей дальней связи составит 20–30 Тбит/с на одну пару волокон (40–60 Тбит/с при совместном использовании диапазонов C и L). Причем эти характеристики достижимы только при наличии оптимизированных для высокоскоростной передачи линейного оборудования и волокна. Для применяемых сегодня оборудования и волокна верхняя граница находится на уровне 15 Тбит/с (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. Пределы скоростей в оптических сетях (предполагается, что дальность передачи составит не менее 1000 км).

Здесь следует заметить, что специалисты Nokia Siemens Networks провели все эти расчеты, предполагая, что дальность передачи без регенерации будет составлять минимум 1000 км. Под оптимизированными волокнами понимаются новые волокна с меньшим погонным затуханием. Как уже говорилось, когерентные методы приема избавляют от необходимости компенсировать хроматическую дисперсию, и это облегчает задачу разработчикам волокон: они могут снижать затухание, не уделяя большого внимания контролю дисперсии.

… И ОБХОДЯ МАРШРУТИЗАТОРЫ

Высокоскоростные каналы связи — это прекрасно, но часто задержка при передаче трафика возникает внутри сетевых узлов. Понятно, что чем выше уровень (модели OSI), на котором осуществляется обработка трафика, тем больше времени занимает этот процесс. Неудивительно, что огромный интерес участников форума «Сетевая инфраструктура» вызвало обсуждение способов обхода или разгрузки маршрутизаторов — сетевых устройств, функционирующих на третьем уровне.

Многие современные сети построены таким образом, что даже при транзите трафик на каждом узле «поднимается» маршрутизатором на уровень 3 (см. Рисунок 8). Как считает Рудольф Китс, технический директор российского офиса компании Infinera, эти совсем необязательные процедуры существенно усложняют сеть, делают ее более дорогостоящей и хуже масштабируемой. Как и многие эксперты, он предлагает там, где возможно, пускать трафик в обход маршрутизаторов, осуществляя его передачу системами, работающими на более низких уровнях, что значительно ускорит работу сети.

Рисунок 8. Передача трафика с его обработкой маршрутизаторами на каждом транзитном узле.

Но как реализовать это на практике? Многие компании предлагают расширить для этого функции транспортных платформ OTN/WDM. Технологию оптических транспортных сетей OTN (она же оптическая транспортная иерархия OTH) можно назвать наследницей SDH. Но OTN поддерживает более высокие скорости и обеспечивает прозрачную передачу трафика различного типа с предоставлением гарантированной пропускной способности, задержки и ее вариации (jitter). Не случайно OTN еще называют «универсальным цифровым упаковщиком» (см. Рисунок 9).

Рисунок 8. Передача трафика с его обработкой маршрутизаторами на каждом транзитном узле.

Кроме того, важным достоинством OTN является то, что она устраняет точки конвертации протоколов и создает универсальный конвергентный и стандартизованный уровень мультисервисной коммутации каналов. В 2010 году организации ITU-T и IEEE достигли соглашения о взаимной корреляции стандартов ITU-T G.709/OTN и IEEE 802.3ba-2010, которая гарантирует передачу сигналов 40 и 100 Гбит/с Ethernet через оптические транспортные сети OTN. Для передачи потоков 40GbE могут применяться оптические транспортные блоки OTU3, обеспечивающие скорость 43 Гбит/с, а для потоков 100GbE — блоки OTU-4 со скоростью 112 Гбит/с.

Изначально функции OTN и WDM были реализованы на разном оборудовании. Однако сейчас появились технические решения, в которых они интегрированы. В качестве такого примера можно привести платформу DTN-X компании Infinera, поддерживающую все основные скоростные интерфейсы (включая 40GbE, 100GbE, OTN и 8/10G Fibre Channel) и обеспечивающую передачу спектральных каналов 100 Гбит/с, мультиплексирование которых позволяет поднять пропускную способность одного волокна до 8 Тбит/с. Эта платформа реализована на базе фотонных интегральных микросхем (Photonic IC, PIC); в одной такой микросхеме интегрированы сотни оптических элементов (лазеров, модуляторов и пр.). По утверждению представителей Infinera, разработка собственных микросхем упрощает интеграцию функции транспорта DWDM и коммутации OTN.

Внедрение интегрированных решений OTN/WDM Рудольф Китс относит к новой фазе развития сетей связи (фаза 1 на Рисунке 10). Кроме того, на этой фазе произойдет декомпозиция функций сложных и дорогостоящих маршрутизаторов IP/MPLS, в результате чего операторы перейдут на использование более дешевых устройств с поддержкой базовых функций MPLS (MPLS-TP), работающих на втором уровне. Переход к фазе 1 позволит операторам не только устранить узкие места в сети, но и снизить свои расходы: по оценке Infinera, капитальные (CAPEX) и операционные (OPEX) расходы могут быть сокращены на 30–40%.

Рисунок 10. Интеграция функций различных уровней.

Дальнейшую экономию может обеспечить перенос на транспортные платформы части функций MPLS (фаза 2), над чем сейчас работает ряд производителей. Единый подход здесь пока не выработан. Один вариант предполагает оставить функции MPLS только на границе сети, освободив от них ядро OTN/WDM.

Однако Рудольф Китс считает оптимальным второй вариант, в соответствии с которым каждый узел будет наделен базовыми функциями MPLS, позволяющими оптимизировать пересылку трафика.

Внедрение рассмотренных выше технологий — это лишь часть мер, которые следует предпринять для подготовки сетевых инфраструктур к стремительному росту трафика видео и массовому переводу ИКТ-ресурсов в облака. Так, Алексей Шалагинов, директор по корпоративным решениям компании Huawe ITechnologies, приводит более обширный список мер, в который также входят следующие решения:

• перекоммутация маршрутов на оптическом уровне (ASON);
• кэширование трафика;
• компрессия заголовков кадров Ethernet;
• оптимизация передачи и динамическая адаптация видео;
• интеллектуальные сети доставки контента (CDN);
• разгрузка сотовых сетей через WiFi.

Для рассмотрения и анализа этих решений потребуется еще не одна статья — без работы мы не останемся. Равно как и архитекторы сетей, у которых впереди сложный и интересный период: надо готовить сети к облакам…

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