Полностью оптические сети

Технология DWDM открывает путь к созданию полностью оптических сетей.

Может быть, в отдаленном будущем они и будут означать одно и то же, но пока единственное, что их объединяет, — это использование оптического волокна в качестве среды передачи. Во всем же остальном они определяют совершенно разные вещи: если первый термин обозначает глобальную транспортную сеть на базе технологии WDM, то второй относится к кабельной системе локальной сети. Однако в таком сравнении мы упускаем главное, а именно, что в полностью оптической сети световой сигнал передается от одного пограничного устройства сети до другого без промежуточных преобразований в электрическую форму!

Появление принципиальной возможности создания полностью оптической сети обещает множество преимуществ с точки зрения как операторов, так и корпоративных пользователей. В соответствии со своим основным свойством, полностью оптическая сеть исключает дорогостоящие преобразования сигнала из оптической формы в электрическую и обратно. Операторы будут иметь возможность предоставлять заказчику определенную длину волны в качестве «виртуального волокна», при этом заказчик может сам выбирать, какой формат и скорость передачи ему использовать.

Последнее свойство, т. е. независимость от формата и скорости передачи, позволяет передавать любую комбинацию типов трафика (синхронного, асинхронного, STM-16, STM-64 и т. п.) по одному и тому же волокну одновременно. Кроме того, оно упрощает предоставление таких сервисов, как ATM и IP, в частности благодаря тому, что оператору не надо будет создавать соответствующую наложенную сеть. Иными словами, эта транспортная сеть способна перемещать любой груз.

ОПТИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ ВВОДА/ВЫВОДА

Концепция полностью оптической сети означает, в частности, что оператор должен иметь доступ к трафику в различных точках сети, как в случае SDH, где это достигается с помощью мультиплексоров ввода/вывода. В случае полностью оптической сети такую функциональность обеспечивают оптические мультиплексоры ввода/вывода (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM).

Эти устройства позволяют выводить (принимать) предназначенные данному узлу длины волн и вводить (передавать) вместо них те же длины волн для других адресатов. Таким образом, любой OADM состоит из двух обязательных компонентов — демультиплексора на входе и мультиплексора на выходе (или функционально эквивалентных им элементов). Некоторые мультиплексоры OADM позволяют также вывести определенную волну с одновременной передачей ее дальше без изменений, т. е. они поддерживают многоадресную передачу. Кроме того, часто мультиплексоры OADM попутно выполняют роль усилителя сигнала для так называемых «экспресс-каналов», т. е. для тех длин волн, которые они передают дальше без изменений.

По своей конструкции OADM могут сильно различаться. Это зависит, в частности, от того, к какому типу они относятся — фиксированных или конфигурируемых. Фиксированные OADM позволяют вводить/выводить строго определенные длины волн, а конфигурируемые OADM — изменять частоту вводимых/выводимых волн в зависимости от необходимости. Первые используют фиксированные фильтры, вторые — настраиваемые.

Многие конфигурируемые OADM демультиплексируют все длины волн, а не только те, которые необходимо вывести. Это ведет, в частности, к искажению и ослаблению сквозного сигнала, не говоря уже об увеличении числа компонентов. Для преодоления этого ограничения разработчики Lucent Technologies и Bell Labs предложили свою оригинальную конструкцию для программируемого оптического ввода/вывода (см. Рисунок 1). Вот как она работает.

Рисунок 1. Программируемый оптический мультиплексор ввода/вывода.

Содержащий несколько длин волн световой сигнал поступает в левый циркулятор через порт 1 и направляется через порт 2 в последовательную цепочку настраиваемых волоконных дифракционных решеток. В пассивном состоянии решетки пропускают все длины волн, в активном же каждая из них отражает ту длину волны, на которую она была настроена. Отраженные длины волн поступают через порт 2 обратно в циркулятор и выходят из него через порт 3 на демультиплексор, где они разделяются и распределяются каждая на свой порт. Неотраженные волны входят в правый циркулятор через порт 1 и выходят из него через порт 2.

Это то, что касается вывода и транзита волн. Теперь же о том, как осуществляется ввод волн. Мультиплексированные волны поступают через порт 3 в правый циркулятор и выходят из него через порт 1. Дифракционные решетки отражают каждая свою соответствующую длину волны обратно на порт 1 правого циркулятора (при этом на порт 2 левого циркулятора ничего не поступает, так как сигнал не содержит больше никаких других длин волн). Затем вводимые длины волн выходят через порт 1 правого циркулятора вместе с проходящими насквозь длинами волн.

ОПТИЧЕСКИЕ КРОССЫ

Применение оптических мультиплексоров ввода/вывода позволяет создать полностью оптическую сеть простейшей кольцевой конфигурации. Однако создание сети с более сложной топологией, в особенности ячеистой сети, требует применения более сложных устройств, так называемых оптических кроссов (Optical Cross-Connect, OXC). Как и OADM, они содержат демультиплексоры и мультиплексоры и могут заодно выполнять функции ввода/вывода, но, в общем, их функции совершенно иные.

В отличие от OADM, оптические кроссы имеют несколько демультиплексоров/мультиплексоров, по одному для каждого входящего/исходящего волокна. После того как определенная длина волны демультиплексируется, она маршрутизируется на соответствующий мультиплексор в зависимости от своей частоты и входного порта. Таким образом, поступившие по одному волокну волны могут выйти по разным волокнам. Иными словами, кросс выполняет функцию маршрутизации оптических волн.

Однако описанная схема так называемой пассивной волновой маршрутизации имеет один серьезный недостаток, а именно — она носит блокирующий характер, т. е. приводит к конфликтам, когда две волны с одинаковой частотой конкурируют за один и тот же исходящий порт. Названное ограничение позволяет преодолеть использование преобразования длин волн. Таким образом, поступив на одной длине волны, информация может передаваться дальше на другой длине волны. В этом случае кросс выполняет функции, аналогичные коммутации каналов в телефонии.

В общем случае оптический кросс выполняет следующие три функции:

• коммутация волокон — способность маршрутизировать все длины волн, т. е. оптический сигнал целиком с одного входящего волокна на другое исходящее волокно;
• маршрутизация волн — возможность коммутировать определенные длины волн с одного входящего волокна на несколько исходящих волокон;
• преобразование волн — способность на лету преобразовывать поступающую волну в волну с другой частотой на исходящем порту.

Как и OADM, оптические кроссы могут значительно различаться по своей конструкции. Принципиальная, наиболее общая, схема оптического кросса приведена на Рисунке 2.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВОЛН

Если бы системы DWDM поддерживали неограниченное число волн, то в идеале каждому пользователю можно было бы выделить свою определенную длину волны. Однако самые емкие современные коммерческие системы DWDM позволяют передавать максимум несколько десятков длин волн. Таким образом, чтобы полностью оптическая сеть могла связывать большее число пользователей, чем имеется длин волн, она должна позволять повторно использовать одну и ту же длину волны.

Эффективность повторного использования волн позволяет повысить применение оптических преобразователей (Optical Converter, OC; иногда их еще называют оптическими обменниками — Optical Changer, OX; термин Optical Translator, OT, употребляют обычно по отношению к оптико-электрическим преобразователям). Полностью оптические преобразователи длин волн могут быть созданы на основе различных принципов, в частности с применением межфазовой модуляции в волоконном усилителе, когда входящая волна используется для модулирования исходящей волны.

В полностью оптической сети, где применяются оптические преобразователи, различают два вида сервиса: волновой путь (Wavelength Path) и световой путь (Light Path); последний часто называют виртуальным волновым путем (Virtual Wavelength Path). В первом случае информация передается через сеть без изменения длины волны, во втором — длина волны может меняться в зависимости от наличия свободных волн на данном участке сети. При сложной топологии сети проложить волновые пути для всех пользователей может оказаться невозможно даже при самом тщательном планировании.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ В СЛУЧАЕ ОБРЫВА

В отрасли связи всегда уделялось большое внимание обеспечению непрерывности предоставления услуг. В случае DWDM возможность оперативного автоматического восстановления работоспособности сети при обрыве волокна или отказе оборудования возрастает многократно. Действительно, система DWDM может поддерживать несколько десятков каналов емкостью STM-16 в одном волокне, поэтому его обрыв чреват потерей огромной емкости и потенциально затрагивает гораздо больше пользователей и сетевых устройств.

С развитием полностью оптических сетей восстановление на оптическом уровне будет намного эффективнее с экономической точки зрения, чем по отдельности на каждом из составляющих его уровней, тем более что переключение на резервное волокно может происходить за то же время, что и в случае двойных колец SONET. С концептуальной точки зрения оптическое восстановление ничем не отличается от аналогичной процедуры в случае применения электрических сетевых элементов. Восстановление может осуществляться централизованным образом под надзором системы управления сетью или распределенным образом автономно самими узлами сети.

При распределенном подходе каждый оптический кросс должен знать о текущем состоянии сети (о наличии свободной емкости на других кроссах, их межсоединениях и т. п.). Кроме того, он должен располагать необходимыми алгоритмами и механизмами для определения и реализации резервного пути. Наконец, он должен быть способен переключиться на прежний путь при устранении неисправности. Резервный путь может вычисляться как динамически на основе информации о доступных межсоединениях, так и сохраняться в виде заранее определенной карты межсоединений.

При централизованном подходе оптические кроссы сообщают о потере сигнала на центральную станцию управления (или следующему по иерархии узлу), а та уже принимает решение и подает команды на переконфигурацию соответствующим кроссам. Однако в этом случае восстановление занимает, как правило, больше времени, чем в случае распределенного подхода.

Возможно, наиболее надежной архитектурой для оптической сети является оптическое кольцо. Хотя его реализация и требует большего числа волокон, чем, например, резервирование по схеме N:1, т. е. одно резервное волокно для нескольких, но зато оно и обеспечивает наибольшую доступность услуг. В этом случае восстановление осуществляется с помощью конфигурируемых оптических мультиплексоров ввода/вывода.

В случае SDH, обнаружив сбой или обрыв, мультиплексор ввода/вывода автоматически маршрутизировал трафик в противоположном направлении по кольцу. Однако в случае полностью оптических сетей время переключения приобретает еще более критическое значение. Для его сокращения предложена технология так называемого оборудования защиты сети (Network Protection Equipment, NPE). Идея ее состоит в том, что трафик пускается в обратном направлении по кольцу на том узле, где он в кольцо вводится. Это позволяет значительно сократить общий путь трафика и время переключения на резервный маршрут.

Вообще же, восстановление является всего лишь одним из аспектов более общей задачи управления оптической сетью.

НА ПУТИ К ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИМ СЕТЯМ

Практически все необходимые элементы для построения полностью оптических сетей имеются в виде коммерческих продуктов. Продвижением этой концепции в жизнь занимается, в частности, All-Optical Networking Consortium. Его усилиями создана тестовая экспериментальная полностью оптическая сеть на базе 20-канальной системы WDM со скоростями передачи данных от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с на один канал. Сеть является полностью оптической в том смысле, в каком мы употребляли этот термин в данной статье, т. е. передаваемая по сети информация не подвергается преобразованиям из оптической в электрическую форму, хотя контроль за соединениями (световыми путями) и осуществляется с помощью электроники.

Сеть имеет трехуровневую иерархию. Верхний уровень соответствует глобальной сети с конфигурируемой маршрутизацией в зависимости от длины волны. Средний уровень составляет городская сеть с пассивной маршрутизацией в соответствии с длиной волны. Нижним уровнем является пассивная широковещательная локальная сеть. Эта сеть была создана еще в 1996 г., с тех пор производители значительно продвинулись вперед в области как технологий, так и конкретных продуктов. Так что, может быть, полностью оптическая сеть до рабочего места — не такая уж и утопия?