Современные технологии, используемые для построения оптических сетей Наблюдаемый сегодня бурный рост объемов данных и голосового трафика, во многом вызванный развитием сети Интернет, создал дефицит пропускной способности в городских волоконно-оптических каналах. В результате конкурентные операторы связи, Интернет-провайдеры и прочие компании, связанные с телекоммуникациями, почувствовали, что их возможности по удовлетворению спроса на полосу пропускания и расширению ассортимента услуг резко ограничены. Прокладка новых оптоволоконных кабелей в густонаселенных городских районах часто требует больших расходов и занимает много времени, поэтому операторы связи вынуждены искать иные решения. Чтобы справиться с быстрым ростом абонентской базы, удовлетворить сложные требования новых приложений в области полосы пропускания и разнообразить свои услуги, провайдеры должны с максимальной эффективностью использовать уже проложенные волоконно-оптические кабели, а также кабели, которые будут проложены в будущем. Поэтому с каждым годом все более актуальными становятся технологии, позволяющие существенно увеличить пропускную способность существующей инфраструктуры, наиболее перспективной в настоящее время является технология плотного спектрального мультиплексирования по длине волны. Технология плотного спектрального мультиплексирования по длине волны (DWDM) Tехнология DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) обеспечивает наибольшую пропускную способность при использовании одной оптической пары. Высокая пропускная способность достигается за счет применения технологии мультиплексирования по длине волны, когда по одной оптической паре передается несколько независимых потоков, каждый на своей длине волны. Существующее сейчас оборудование позволяет использовать до 80 оптических каналов с возможностью расширения до 300 каналов в будущем. В каждом из таких каналов прозрачно передается информационный поток на скоростях от 100 Мбит/с до 10 Гбит/с. Внедрение технологии плотного спектрального мультиплексирования по длине волны (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM) создает возможность повышения эффективности передачи трафика в оптических каналах городских сетей. Наиболее привлекательной особенностью технологии DWDM, как с технической, так и с экономической точки зрения, является ее способность поддерживать практически неограниченные возможности по передаче трафика. Она не только защищает инвестиции, вложенные в существующие оптоволоконные каналы, но и повышает их возможности, по меньшей мере, в 32 раза. По мере роста спроса вы сможете расширять емкость своей сети с помощью простых модернизаций оборудования или за счет увеличения количества задействованных длин волн, не прибегая к дорогостоящим реконструкциям. Расширяя емкость, вы будете платить только за новое оборудование. Что же касается кабельной сети, то она останется прежней. Основными сетевыми элементами сети DWDM являются: • DWDM-мультиплексоры/демультиплексоры; • DWDM-мультиплексоры ввода/вывода; • DWDM-транспондеры, преобразующие оптические сигналы (одномодовые или многомодовые) от оборудования пользователя к одной из DWDM длин волн; • оптические усилители; • компенсаторы дисперсии.
Помимо полосы пропускания, технология DWDM имеет целый ряд других преимуществ: • Прозрачность. Поскольку DWDM – это архитектура физического уровня, она может прозрачно поддерживать мультиплексирование с разделением по времени (TDM) и форматы данных ATM, Gigabit Ethernet, ESCON и Fibre Channel с открытыми интерфейсами на общем физическом уровне. • Масштабируемость. DWDM может использоваться для быстрого наращивания емкости в соединениях «точка–точка» и сегментах существующих колец SONET/SDH. • Динамическое обеспечение сети (Dynamic Provisioning), быстрое и простое динамическое обеспечение сетевых соединений позволяет провайдерам осуществить стратегическое распределение полосы пропускания (Strategic Bandwidth Allocation), т. е. довести оптические каналы до отдельных зданий.
Технология грубого спектрального мультиплексирования по длине волны (CWDM)Технология CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) является упрощенным вариантом DWDM. Согласно рекомендации ITU-T G.694.2, CWDM использует длины волн с шагом 20 нм, т. е. отстоящие достаточно далеко друг друга, что делает стоимость систем, построенных на основе этой технологии, значительно более низкой, чем у систем на базе DWDM. Технология CWDM, аналогично DWDM, является протоколонезависимой, и по каждому из каналов можно передавать любой трафик со скоростями от 100 Мбит/с до 2,5 Гбит/с. Основным ограничением CWDM (по сравнению с DWDM) является меньшее количество каналов (в настоящее время поддерживается до 8 мультиплексируемых каналов) и меньшая дальность связи. В силу ограничений основная область применения этой технологии – оптические сети городского и регионального масштаба в условиях дефицита свободного оптического волокна и/или для расширения пропускной способности существующих сетей. Основными сетевыми элементами CWDM являются: – CWDM-мультиплексоры/демультиплексоры; – CWDM-мультиплексоры ввода/вывода; – CWDM-транспондеры, преобразующие оптические сигналы (одномодовые или многомодовые) от оборудованияпользователя к одной из длин волн CWDM. Решение CWDM, предлагаемое Cisco Systems, построенное на использовании интерфейсных модулей Gigabit Ethernet (GBIC и SFP) в маршрутизаторах и коммутаторах, позволяет обеспечить масштабируемые и простые услуги на базе Gigabit Ethernet. Совместное использование модулей CWDM GBIC/SFP и оптических мультиплекcоров CWDM позволяет создать гибкое, эффективное решение по построению мультисервисной сети.
Решение Cisco CWDM может быть использовано как расширение существующей оптической инфраструктуры, использующейся для транспорта Gigabit Ethernet. Решение поддерживает: • масштабируемые соединения Gigabit Ethernet «точка–точка» для объединения узлов с использованием «темного» волокна; • масштабируемые городские кольцевые сети Gigabit Ethernet для организации сетей доступа и предоставления услуг, требующих большой пропускной способности.
Решение Cisco CWDM состоит из набора из 8 модулей Gigabit Ethernet (по 1 для каждой фиксированной длины волны) и набора из 10 различных оптических мультиплексоров CWDM. Пример использования Cisco CWDM для объединения двух узлов приведен на рисунке 3.
В настоящее время CWDM GBIC/SFP модули поддерживаются: • на коммутаторах Cisco Catalyst серий: 2948G, 2980G-A, 3500-XL, 2950G-EI, 3550, 4000, 4500, 6500 (Supervisor Engine 720); • на маршрутизаторах Cisco серий: 2690, 3660, 3700, 7600 и 12000; • на оптической платформе Cisco ONS 15454; • на маршрутизаторах для систем хранения данных Cisco SN 5428-2 и MDS 9000 (SFP).
Технология синхронной цифровой иерархии (SDH)
Технология SDH (Synchronous Digital Hierarchy) – это стандарт для транспорта трафика. Стандарт определяет уровни скорости прохождения сигнала синхронного транспортного модуля (Synchronous Transport Module – STM) и физический (оптический) уровень, необходимый для совместимости оборудования от различных производителей. Основная скорость передачи – 155,250 Мбит/с (STM-1). Остальные, более высокие, скорости определяются как скорости, кратные STM-1: • STM-4 – 622 Mбит/с, • STM-16 – 2488,32 Mбит/с, • STM-64 – 9953,28 Mбит/с.
Технология предполагает использование метода временного мультиплексирования (TDM – Time-Division Multiplexing) и кросс-коммутации тайм-слотов. При этом оконечное оборудование SDH оперирует потоками E1 (2,048 Mбит/с), к которым подключается клиентское оборудование (для доступа к потокам Nx64К используются встроенные кроссконнекторы). Основными устройствами сети являются мультиплексоры SDH.
Важной особенностью сетей SDH является необходимость синхронизации всех элементов сети. Обычно мультиплексор может синхронизироваться с любым внешним сигналом, с опорным тактовым сигналом (PRC) или с собственным внутренним генератором синхронизирующих импульсов. Синхронизация на основе опорного тактового сигнала может распространяться по цепи, в которой находится не более 20 сетевых элементов (G.803). Выбор источника синхронизации может осуществляться либо автоматически под управлением программы, либо задаваться оператором. При построении сетей SDH обычно используется топология сети типа «кольцо» с двумя контурами. По одному из контуров передается синхронизирующая и сигнальная информация, по другому – основной трафик. Имеются специальные механизмы резервирования сети на случай выхода из строя одного из контуров. Возможно также подключение устройств по топологии «точка–точка», однако в таком случае отказоустойчивость решения будет ниже. Централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния каналов и узлов (мультиплексоров). Использование кольцевых топологий предоставляет возможность автоматического переключения каналов при любых аварийных ситуациях на резервный путь. Оборудование SDH предусматривает возможность резервирования линии и основных аппаратных блоков по схеме 1+1, при аварии автоматически переключая трафик на резервное направление. Это свойство значительно повышает надежность сети и позволяет проводить различного плана технологические работы без перерыва в предоставлении услуг. Сеть на базе SDH способна обеспечивать транспорт для большинства существующих технологий высокоскоростной передачи информации по оптическим сетям (в том числе ATM и POS). Существующее на сегодняшний день оборудование SDH может передавать информацию со следующими линейными скоростями: 155 Мбит/c (STM-1); 622 Мбит/c (STM-4); 2,5 Гбит/c (STM-16); 10 Гбит/с (STM-64). Функционально мультиплексор SDH имеет два набора интерфейсов: пользовательский и агрегатный. Пользовательский набор отвечает за подключение пользователей, а агрегатный – за создание линейных межузловых соединений. Данные интерфейсы позволяют создавать следующие базовые топологии: • «кольцо», • «цепочка», • «точка–точка». Из данных базовых элементов складывается топология всей сети мультиплексоров. Сложные сети обычно имеют многоуровневую структуру. Первый уровень – оборудование доступа пользователей. Этот уровень состоит из оборудования «последней мили» и, как правило, мультиплексоров STM-1. Первое отвечает за доведение сигнала пользователей (чаще всего сигнала E1, E3) до мультиплексоров первого уровня. В роли оборудования «последней мили» обычно выступают так называемые оптические модемы, по сути являющиеся конвертерами электрического сигнала в оптический и обратно. Мультиплексоры данного уровня собирают каналы пользователей для дальнейшей транспортировки. Следующий уровень могут составлять мультиплексоры уровня STM-4 и STM-16. Основными преимуществами технологии SDH являются: • простая технология мультиплексирования/демультиплексирования; • доступ к низкоскоростным сигналам без необходимости мультиплексирования/демультиплексирования всего высокоскоростного канала, что позволяет легко осуществлять подключение клиентского оборудования и производить кросс-коммутацию потоков; • наличие механизмов резервирования на случай отказов каналов связи или оборудования; • возможность создания «прозрачных» каналов связи, которые необходимы для решения определенных задач (например, передачи голосового трафика между выносами АТС или передачи телеметрии); • возможности наращивания решения; • совместимость оборудования от различных производителей; • относительно низкая стоимость оборудования; • быстрота настройки и конфигурирования устройств. К недостаткам технологии SDH можно отнести: • использование одного из каналов полностью под служебный трафик; • неэффективное использование пропускной способности каналов связи (необходимость резервирования полосы на случай отказов, неспособность динамически выделять полосу пропускания под различные приложения, отсутствие механизмов приоритизации трафика); • необходимость использования дополнительного оборудования (зачастую от других производителей), для того чтобы обеспечить передачу различных типов трафика по опорной сети; • ограниченные возможности масштабирования сети.
Технология пакетной передачи данных поверх SONET/SDH (POS)
Технология пакетной передачи данных поверх SONET/SDH (Packet over SONET/SDH – POS) позволяет маршрутизаторам опорной сети передавать пакеты IP непосредственно поверх фреймов SONET/SDH. POS обеспечивает оптимальное использование пакетов и обеспечивает наименьшую стоимость за мегабит по сравнению с любыми другими способами транспорта данных. POS использует протокол PPP для инкапсуляции IP-пакетов в фреймы SONET/SDH и используется для соединений «точка–точка». В ситуации непрерывного развития оптических сетей эти характеристики позволяют POS эффективно поддерживать нарастающие объемы IP-трафика в существующих и новых оптических сетях. Интерфейс POS совместим с SONET/SDH. Он поддерживает обработку сигналов тревоги, мониторинг производительности, синхронизацию и защитную коммутацию на уровне SONET/SDH. Технология РОS поддерживается на следующих платформах Cisco Systems: ✓ Cisco 7204VXR и 7206VXR; ✓ Cisco 7301 и 7304; ✓ Cisco 7401; ✓ Cisco 7500; ✓ Cisco 7600; ✓ Cisco 10000; ✓ Cisco 12000.
Технология динамического транспорта пакетов (DPT)
Технология динамического транспорта пакетов (Dynamic Packet Transport – DPT – высокоскоростная технология динамической передачи IP-пакетов) была предложена компанией Cisco Systems и находится в стадии принятия в качестве международного стандарта IEEE 802.17. DPT обеспечивает надежность и гибкость, характерную для традиционных транспортных технологий SONET/SDH, однако она оптимизирована для поддержки трафика и приложений IP. DPT пользуется двойным волоконно-оптическим кольцом, по которому трафик и контрольные сообщения передаются одновременно в двух направлениях. Протокол DPT Spatial Reuse Protocol (SRP) позволяет снимать с пакетов данные о месте назначения и выполнять статистическое мультиплексирование, что резко повышает полосу пропускания в кольце, и создавать среду, независимую от типа трафика. DPT сочетает эффективность использования полосы пропускания и богатство услуг IP с широкой пропускной способностью и функциями «самозалечивания», которые характерны для традиционных волоконно-оптических колец. Все это создает значительные преимущества по сравнению с существующими решениями как по стоимости, так и по функциональности. Данная технология ориентирована в первую очередь на провайдеров услуг по передаче данных и позволяет отказаться от промежуточных уровней при передаче IP-трафика по сетям SDH. Основная идея состоит в создании нового стандарта 2-го уровня модели OSI, позволяющего напрямую инкапсулировать пакеты IP в кадры формата SDH. Таким новым МАС-уровнем в технологии DPT является протокол SRP (Spatial Reuse Protocol), использующий стандартную MAC-адресацию. При этом внедрение новой технологии облегчается тем, что она позволяет использовать оптическую кабельную инфраструктуру, аналогичную SDH. При работе устройств используются три основных механизма:
• механизмы равномерной загрузки каналов (fairness algorithm) и переиспользования полосы (spatial reuse), которые позволяют эффективно использовать пропускную способность каналов связи на различных участках кольца, • механизм замыкания каналов в случае отказов каналов или устройств (Intelligent Protection Switching – IPS). Предполагается, что сети, построенные на базе технологии DPT, имеют кольцевую топологию, хотя технология допускает и использование подключения типа «точка–точка». Узлы в кольце объединяются высокоскоростными волоконно-оптическими каналами связи на скоростях 155/622/2400 Мбит/с. Специализированный протокол IPS (Intelligent Protection Switching) обеспечивает отказоустойчивую работу сети при выходе из строя одного из узлов в кольце или обрыве магистральной линии связи. Технология DPT обеспечивает уровень защиты от сбоя в сети, аналогичный традиционным системам SDH, и при обрыве магистрального канала связи, переход на альтернативный маршрут происходит менее чем за 50 мс. При этом не происходит перестройки таблиц маршрутизации. В то же время технология DPT позволяет использовать всю пропускную способность опорной сети (в отличие от технологии SDH, реализующей резервирование пропускной способности в сети на случай сбоя). Кроме того, специальные механизмы, реализованные в данной технологии, обеспечивают необходимый уровень приоритизации и статистического мультиплексирования пакетов. Основными преимуществами технологии DPT являются: • Эффективное использование полосы пропускания. По сравнению с технологиями TDM, полоса пропускания используется более полно за счет применения пакетной технологии, нет необходимости выделять отдельную полосу для резервирования. • Возможность построения высокоскоростной сети передачи пакетов (IP-сеть) без наложения дополнительных промежуточных протоколов 2-го уровня модели OSI. Это повышает эффективность использования каналов и позволяет отказаться от дополнительного оборудования для интеграции данных и голоса при передаче в опорную часть сети. • Возможность организации сервиса VoIP. • Высокоскоростная доставка пакетов с требуемым качеством обслуживания и высокой степенью защиты информации (посредством использования технологии MPLS). • Возможность одновременной загрузки различных участков. Наличие протокола SRP (Spatial Reuse Protocol) позволяет вести одновременный обмен данными между любыми узлами в сети. • Снижение загрузки маршрутизатора. Вся обработка транзитного трафика осуществляется прямо на интерфейсном модуле, при этом только трафик, предназначенный для конкретного узла, обрабатывается центральным процессором узлового маршрутизатора. • Возможность приоритизации трафика. Трафик можно распределять по двум очередям в буферной памяти на интерфейсных модулях и в буферной памяти маршрутизатора. • Резервирование каналов связи и оборудования (включая блоки питания, управляющие модули). К недостаткам технологии DPT можно отнести: • Невозможность организации «прозрачных» каналов. • Необходимость построения сети передачи данных на оборудовании одного производителя.
Технология DPT/RPR поддерживается на следующих платформах Cisco Systems: ✓ Cisco 7200; ✓ Cisco 10720; ✓ Cisco 12000.
