Коммутация с частой гребенкой

Шумиха вокруг оптической коммутации, возможно, утихла, но технология живет и развивается.

В прошлом году оптическая технология претерпела значительные изменения. Операторы только и говорили, что об OC-768, и главной темой споров был выбор технологии оптической коммутации — с использованием «пузырьков» или на базе отражателей.

Сегодня компании снова пытаются снизить затраты и получать немедленную прибыль. Производители оптических коммутаторов считают, что способны разрешить эти проблемы: новые коммутаторы с детальной сортировкой (gooming switch) позволяют телекоммуникационным компаниям сократить расходы на оборудование и административно-хозяйственные нужды, обеспечить надежность при низких затратах, а также создать новые услуги для оптических сетей.

Хотя концепция коммутации с детальной сортировкой проста, на практике все может оказаться намного сложнее. Предлагаемая технология позволяет коммутатору исследовать входящий поток данных и перегруппировать временные интервалы для максимально эффективного использования внешних длин волн. Сложность в том, что коммутатор должен уметь исследовать поток данных и определять общий для каналов сегмент, даже если они имеют разные пункты назначения (см. Рисунок). Перегруппировка временных интервалов может значительно снизить трафик и загрузку оборудования: в частности, на малоиспользуемых маршрутах, где компаниям недостаточно трафика для полного задействования доступных длин волн.

На той же длине волны. Коммутатор с прогнозированием в Атланте помогает сократить расходы на оборудование, поскольку трафик из Чикаго и Солт-Лейк-Сити может использовать одну и ту же длину волны на пути к Атланте.

По правде говоря, коммутация с детальной сортировкой не нова. Компания CIENA выпустила первое такое устройство в 2000 г. под названием MultiWave CoreDirector и получила за него награду «Продукт 2001 года». Действительно новым является широкое принятие этой технологии. В прошлом году коммутаторы с детальной сортировкой представили компании Corvis, BrightLink Networks и Sycamore. Кроме того, насколько нам известно, Cisco Systems работает над оптическим коммутатором с сортировкой для потока STS-1 (51,8 Мбит/с), наметив его выпуск на осень 2002 г.

Операторы вносят свою лепту в распространение технологии. За последние полгода подобные оптические коммутаторы приобрели AT&T и Cable and Wireless (C&W). Причина очевидна. По словам Аллена Шипмана, старшего менеджера компании Broadwing по архитектуре сетей, установка коммутаторов с детальной сортировкой помогла компании (одной из первых взявшей на вооружение CoreDirector) снизить себестоимость услуг в среднем на 45-50%.

Применение таких устройств имеет и другие последствия. Сторонники утверждают, что они способствуют сокращению сроков формирования услуг и позволяют создавать новые. Ячеистая защита предоставляет операторам, использующим коммутаторы с детальной сортировкой, новые возможности для улучшения сети. Вопрос об эффективности подобных устройств все же остается спорным, но компании явно заинтересованы в названных компонентах динамических сетей будущего.

КОММУТАТОР ИЗНУТРИ

Коммутаторы с детальной сортировкой — это устройства с преобразованием «оптический-электрический-оптический» (optical-electrical-Оptical, OEO). Их усовершенствование и экономический спад на рынке задержали внедрение коммутаторов с преобразованием «оптический-оптический-оптический» (optical-optical-optical, OOO). Но поскольку недостатки устройств первого типа никуда не исчезли, поставщикам приходится искать пути их преодоления и продолжать разработку коммутаторов второго типа.

Множество разновидностей коммутаторов, работающих на различных уровнях сети, могут сбить с толку кого угодно. Проще говоря, это устройства, в которых трафик от входного порта до одного из выходных направляется с помощью матрицы. Вся разница заключается в способах выбора портов. Коммутаторы третьего уровня выбирают порты на основе адресной информации заголовка IP. Коммутаторы второго уровня делают то же самое, но исходя из адресной информации заголовка Ethernet (или другой технологии локальных сетей). Коммутаторы MPLS находятся где-то посередине и осуществляют выбор с помощью тегов многопротокольной коммутации меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS) из потока данных.

Оптические коммутаторы не зависят от протоколов второго уровня. В случае OEO они могут работать на уровне синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH), а коммутаторы OOO не зависят от проходящих через них битов и байтов. Такие компании, как TeraBurst Networks, разрабатывают собственные подходы, комбинирующие преимущества OEO и OOO.

Коммутаторы первого типа преобразуют входящие фотоны в электроны, переключают сигнал на нужный порт и снова преобразуют трафик в свет.

Такая архитектура довольно обыкновенна. Системы цифровой коммутации (Digital Cross-Connect System, DCSS), интерфейсы FDDI, коммутаторы ATM и Ethernet работают схожим образом. Коммутаторы OEO как устройства уровня SONET/SDH уникальны тем, что они используют программную маршрутизацию для получения информации о топологии всей сети. Это позволяет им осуществлять нетривиальное изменение маршрута трафика в ячеистых сетях.

Кроме того, коммутаторы OEO предоставляют возможность регенерации. Оптические усилители в сети могут усилить сигнал, но не в состоянии очистить его от помех. Так как устройства OEO преобразуют оптический сигнал в электрический, они способны это делать, обеспечивая регенерацию 3R — восстановление формы и синхронизации сигнала (Reshaping, Retiming, Resynchronizing).

Однако у проблемы с OEO две стороны. Оптика лучше масштабируема, чем электроника. Раз такие коммутаторы являются электрическими устройствами, они зависят от протоколов и скоростей передачи, поэтому вам придется менять платы ввода/вывода при изменении первых или увеличении вторых.

В случае полностью оптических (OOO) коммутаторов, производимых, например, Nortel Networks, Lucent Technologies или Calient Networks, поступающие фотоны не преобразуются в электроны. Вместо этого они коммутируются полностью оптической структурой как волны одной длины, диапазоны волн или целые волокна и отправляются на выходные порты. В таких устройствах применяются отражатели, электрооптический эффект, «пузырьки» и другие перспективные технологии направления света между портами.

Коммутаторы OOO обещают высокую степень масштабируемости. Порты не зависят от скоростей передачи, поэтому их можно использовать в сетях любого типа без замены оборудования. Минимальной степенью детализации сигнала является длина волны или волокно (в случае лямбда-маршрутизатора). Коммутаторы OOO лучше устанавливать в центре сети, чем на ее границах, где применяются более медленные линии.

Первым сторонникам полностью оптических коммутаторов пришлось испытать на себе присущие им недостатки. Из-за того, что свет невозможно буферизовать и проанализировать на предмет частоты появления ошибочных битов (Bit Error Rate, BER), составление соглашений о качестве предоставляемых услуг вызывает затруднения. Кроме того, подобные коммутаторы не регенерируют выходной сигнал, что усложняет проектирование сети.

Производители попытались взять лучшее из обеих технологий коммутации. Одним из подходов стала технология преобразования сигнала по типу «оптический — миллиметровая волна — оптический» (Optical-Millimeter-wave-Optical, OMO) компании TeraBurst. Как и коммутаторы OEO, устройства OMS2100 и OMS22200 преобразуют свет в цифровой электрический сигнал. Если коммутаторы OEO изменяют такие сигналы, то коммутаторы OMO идут на шаг дальше и трансформируют его в аналоговый. Затем сигнал направляется через пассивную матрицу пересекающихся каналов, изменяя в ней волновое сопротивление. Сигнал проходит по пути наименьшего сопротивления до выходного порта, где преобразуется обратно в свет и посылается дальше.

Большое преимущество подхода TeraBurst заключается в комбинации достоинств обеих технологий. У коммутации OEO технология OMO позаимствовала регенерацию сигнала и его контроль; у коммутации OOO — независимость от протоколов и скоростей передачи данных. Что же касается масштабируемости, коммутатор OMO можно нарастить до 640 Гбит/с, т. е. до обработки 64 соединений OC-192, как и в случае CoreDirector компании CIENA. Проблема состоит в том, что никто до сих пор коммутаторы OMO не использует, хотя это общая беда всех новых технологий.

ДОХОД ОТ СОРТИРОВКИ

Если поставщики пробуют новые подходы к коммутации, то операторы отдают предпочтение коммутаторам OEO с сортировкой. Эта тенденция должна усилиться с появлением микросхем для поддержки сортировки с небольшим шагом STS-1.

Несмотря на рост предложения длин волн и оптических услуг, для подключения средних и крупных офисов чаще всего применяются линии T1 (1,544 Мбит/с) или Т3 (45 Мбит/с). Они агрегируются и образуют STS-1S, базовую систему SONET для общедоступных сетей. Коммутация STS-1S позволяет поставщикам услуг управлять потоками трафика без значительного усложнения средств контроля.

Спрос на сортировки имеет две стороны. На центральных телефонных станциях операторы тратят много средств на оборудование точек присутствия — мультиплексоры ADM, узкополосные и широкополосные системы цифровой коммутации, оборудование для мультиплексирования по длине волны высокой плотности и коммутационные панели. Вне этих станций поставщики услуг недостаточно полно используют арендованные длины волн, что увеличивает затраты на пропускную способность и оборудование. Коммутаторы с детальной сортировкой объединяют функции цифрового кросс-компонента и мультиплексора ввода/вывода в едином устройстве, снижая количество оборудования, необходимого для покупки, установки и поддержки. Продукты SN16000 компании Sycamore, CoreDirector компании CIENA и CorWave OCS компании Corvis предоставляют возможности и ATM, и DCS, и оптической кроссировки.

Поскольку коммутаторы с сортировкой повышают степень использования длины волны до максимума, они позволяют значительно снизить затраты на трафик и оборудование, в частности, на малопопулярных маршрутах. До появления подобных коммутаторов операторам приходилось прибегать к обратному трафику либо повышать тарифы на оборудование и длины волн.

Устройства с сортировкой функционируют благодаря коммутации временных интервалов (Time Slot Interchange, TSI) вкупе с заказным протоколом маршрутизации. После разбиения входящих потоков данных на временные интервалы, TSI позволяет устройству объединять либо переставлять их автоматически или «вручную». При настройке вручную сетевые специалисты так настраивают коммутатор, что, скажем, временной интервал 1 порта А отображается на временной интервал 2 порта В. При автоматической реконфигурации коммутаторы обращаются к внутренней базе данных с информацией о топологии и маршрутизации сети. Эта база данных пополняется устройствами по собственному протоколу поставщика: например, по протоколу оптической коммутации и маршрутизации (Optical Switching and Routing Protocol, OSRP) компании CIENA или Broadleaf NOS компании Sycamore.

О ВРЕМЕНИ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ УСЛУГ

Коммутаторы с сортировкой также позволяют снизить время предоставления услуг. Формирование каналов довольно долгое время было головной болью операторов. Обеспечение той или иной пропускной способности между двумя точками предполагает выполнение сотен шагов для настройки многочисленных устройств. Корректная установка усилителей, интерфейсных плат и остального оборудования очень трудоемка. Другой постоянный кошмар — прокладка оптического волокна до здания компании, поскольку операторам межстанционной связи требуется взаимодействие с местными телефонными компаниями. Подобный процесс может занимать до нескольких месяцев.

Операторы считают, что, имея в сети коммутаторы, процесс предоставления услуги можно автоматизировать с помощью программного управления. Администратор сможет легко вызвать окно управления, где отображается начало и конец канала. Управляющее приложение затем передаст необходимые команды для реконфигурации оборудования с целью предоставления нужной линии.

Аллен Шипман из Broadwing утверждает, что эта возможность позволила его компании развернуть 38 каналов OC-192 для глобального телекоммуникационного поставщика компании Teleglobe менее чем за 60 дней. В Broadwing применяется комбинация CoreDirector компании CIENA на границе сети и OCS компании Corvis в ее центре. По словам Шипмана, решение OCS уникально тем, что его можно оснастить электрической или оптической матрицей коммутации. В данном случае используется полностью оптический вариант, поэтому пропускную способность можно наращивать без выезда специалистов для настройки оборудования вручную.

В феврале 2002 г. подобные заявления делала и компания AT&T, объявив об использовании CoreDirector на магистрали своей сети. По словам Дэна Шейнбейна, вице-президента AT&T Labs по архитектуре и развитию сетей, компания разработала графический интерфейс для работы с CoreDirector и ONS 15454 MultiService Platforms компании Cisco Systems. Шейнбейн заявляет, что благодаря программному обеспечению платформа позволяет предоставлять каналы за считанные минуты вместо привычных дней, недель и месяцев.

Однако Марк Джонс, специалист компании Sprint по архитектуре сетей, считает подобные утверждения об автоматизации процесса предоставления услуг с помощью ПО, главным образом, маркетинговым ходом. Оптические коммутаторы действительно сокращают программную часть предоставления, говорит он, однако в процессе есть и другая, непрограммная часть. Разница во времени предоставления будет существенной только в том случае, если у пользователя есть оптическая линия, сквозной маршрут имеет достаточную емкость для увеличения пропускной способности, а подключение осуществляется при наличии нужного оборудования. Операторам действительно удастся снизить издержки, но для пользователей эффект будет не настолько очевиден. Однако точка зрения Джонса может быть обусловлена ситуацией на рынке. Ведь в Sprint все еще пребывают в раздумье в отношении системы оперативных изменений для собственной сети.

УЛУЧШЕНИЕ ЗАЩИТЫ

Уолл-стрит и покупатели пропускной способности не особенно задумываются о снижении себестоимости, им нужны новые услуги. Поставщики оптических коммутаторов утверждают, что их продукция позволяет заниматься всем — от создания оптических сетей VPN до торговли пропускной способностью, но даже самые ярые сторонники этой технологии признают, что ждать такие приложения придется еще не один год.

Другие относятся к этому более пессимистично. «Торговля пропускной способностью? Это несбыточная мечта, — говорит Джонс. — Очевидного стимула для превращения пропускной способности в предмет широкого потребления пока нет».

Операторы более определенно высказываются в пользу коммутации как средства повышения надежности сетей. Современная общедоступная сеть представляет собой сеть колец с несколькими каналами «точка-точка». Топология «кольцо» популярна, в частности, потому, что один оптический кабель способен связывать множество точек, при этом узлы могут пользоваться преимуществами защищенных услуг — в случае неисправности в одной части кольца, остальные все равно будут работать. Звездообразные сети более дороги, так как каждый узел сможет получить схожий уровень защищенности лишь при условии его связи с центральным узлом двумя отдельными линиями.

По мере увеличения плотности сетевых соединений, звездообразные топологии (точнее, ячеистые) становятся более практичными. Например, в настоящее время некоторые узлы включены в четыре или пять колец. Каждое кольцо выделяет ресурсы для резервирования. В зависимости от шаблонов трафика и конкретной конфигурации сети можно добиться большей эффективности, агрегируя эти свободные ресурсы в масштабах всей ячеистой сети.

В итоге компании смогут выбирать тип восстановления, подходящий для конкретного случая. «Когда клиенту нужно небольшое время переключения, для этого есть топология «кольцо». Если этот параметр не критичен, а важна постоянная доступность всех возможных услуг, тогда ячеистая защита с восстановлением в течение 200 мс будет более уместна», — советует Шипман.

Чтобы понять преимущество ячеистой топологии, надо знать метод восстановления, применяемый в сетях SONET/SDH. В них соединения делятся на секции, линии и пути. Секция — оптический или электрический кабель между регенераторами. Линия (в SDH — мультиплексорная секция) содержит несколько секций и связывает два мультиплексора или ADM. Путь состоит из множества линий и обычно рассматривается как сквозной тракт между исходным и конечным пунктами.

Защита SONET/SDH обеспечивается на уровне путей и линий. При защите на уровне пути, также называемой защитой на уровне тракта в SDH, в случае сбоя соединения переводятся на другой маршрут через сеть. При защите на уровне линий, или защите на уровне мультиплексорной секции в SDH, соединение переводится на резервный кабель или волокно между терминальными мультиплексорами либо ADM. На каждом уровне SONET/SDH реализует различные схемы защиты для прямых соединений и колец. Максимальный уровень защиты для прямых соединений и защита «1+1» наименее эффективны, когда исходный и конечный пункты связывают два канала, и по каждому из них одни и те же данные посылаются одновременно. В случае сбоя принимающий узел автоматически переключается на резервное соединение.

Более эффективно использование волокна в случае защиты «1:N», когда одно волокно служит в качестве резервного для нескольких других. Оно окажется востребованным для основного трафика при обрыве рабочего волокна. Однако переключение будет происходить медленнее, чем в случае защиты по схеме «1:1», так как для определения сбоя и перевода рабочих каналов на резервный потребуется протокол автоматического чрезвычайного переключения (Automatic Protection Switching, APS). В действительности операторы редко обращаются к резервным ресурсам для передачи дополнительного речевого трафика, но эта ситуация может измениться по мере увеличения трафика данных.

В случае колец схемы восстановления усложняются, в них применяется защита на уровнях путей и линий. Простейшая схема кольцевой защиты SONET, кольцо с переключением однонаправленных путей (Unidirectional Path Switched Ring, UPSR), схожа с защитой «1+1» и предусматривает рабочее и резервное оптические волокна. Трафик передается по обоим волокнам в противоположных направлениях. Принимающий узел следит за рабочим волокном и переключается на резервное в случае сбоя. SDH работает примерно так же, с помощью протокола соединения подсети (Subnetwork Connection Protocol, SNCP), применение которого позволяет реализовать защиту «1+1» в ячеистых или кольцевых сетях.

Простота и низкая стоимость UPSR делает его популярным в сетях доступа и при низкоскоростном обмене данными. Главная проблема внедрения UPSR/SNCP та же, что и в случае «1+1»: резервные защитные ресурсы остаются незадействованными.

Кольца с коммутацией двунаправленных линий (Bidirectional Line-Switched Rings, BLSR) или кольца с общей защитой мультиплексорных секций (Multiplex Section Shared Protection Rings, MSPRings) позволяют решить эту проблему в сетях SDH. Кольца BLSR существуют в двух вариантах: с четырьмя волокнами и с двумя. Кольцо BLSR/MSPRing с четырьмя волокнами (BLSR/4) использует два рабочих и два резервных волокна. Во втором случае (BLSR/2) — одно рабочее и одно защитное волокно. В кольцах BLSR/4 применяется интервальная коммутация, когда соседние узлы переходят на резервные волокна в случае сбоя передатчика или приемника, а также кольцевая коммутация, когда трафик направляется по кольцу в противоположном направлении, если волокно между узлами будет перерезано. Для колец BLSR/2 характерен только второй метод, т. е. направление трафика по резервному волокну в противоположном направлении.

Преимущество BLSR перед UPSR заключается в повторном использовании пространства. При распределенной картине трафика, как это часто имеет место в ядре сети, соединения зачастую занимают лишь часть кольца. Входом для них служит один ADM, а выходом — соседний. При небольшом усложнении ADM составляющие кольцо сегменты могут рассматриваться отдельно, так что два или более канала смогут одновременно сосуществовать в одном кольце, если только не будут занимать одни и те же звенья кольца.

Эта возможность позволит значительно увеличить загруженность волокна. Пусть кольцо OC-12 на 622 Мбит/с с BLSR/2 состоит из четырех узлов, а между узлами организуется соединение OC-1/STS-1 на 52 Мбит/с. Если половину ресурсов волокна выделить для целей восстановления, каждое звено сможет поддерживать шесть соединений на 52 Мбит/с. В идеале при четырех звеньях общие ресурсы кольца составят 24 соединения или 1,248 Гбит/с, что вдвое больше емкости кольца UPSR. Теоретический максимум емкости будет увеличиваться с появлением новых узлов.

НЕМНОГО О ЯЧЕЙКАХ

Ячеистая защита использует интеллектуальные возможности оптических коммутаторов для определения новых путей по сети либо на лету, либо заранее. Вне зависимости от момента вычислений резервная емкость потребляется только в случае сбоя. Пока сбой не затронет сразу нескольких путей, каналы могут совместно работать с одной и той же резервной емкостью. Ячеистая защита сродни защите «1:N», но лишь в случае целого пути, а не отдельных сегментов. В результате применения этого метода необходимая пропускная способность уменьшится на 20-60% по сравнению с кольцевыми сетями.

В 1980-х гг., когда была представлена ячеистая сеть, цифровые кросс-коннекты часами восстанавливали соединения. 60-миллисекундная защита SONET/SDH сняла всякую необходимость в такой защите. Сегодня этот метод возрождается, благодаря повышению вычислительной мощности и увеличению числа доступных сетей.

Но без стандартов получать дивиденды от ячеистой защиты трудно. Во-первых, необходимо определить, как при такой защите будет рассматриваться вся сеть: в виде одного домена или нескольких. Вообще говоря, один домен позволяет распределять пропускную способность эффективнее, чем несколько, если только последние не велики сами по себе.

Кроме того, поставщики проводят вычисления резервных маршрутов в разное время. Некоторые из них делают это при организации канала, другие — в интерактивном режиме после сбоев. Например, Corvis предлагает как интерактивное, так и автономное вычисление. Во втором случае поставщики для восстановления резервируют пропускную способность на всех каналах. Интерактивный метод более рискован, так как маршруты вычисляются после сбоя. Раз вы не можете рассчитать, какое число резервных каналов требуется для восстановления всех пострадавших соединений, некоторыми из них, возможно, придется пожертвовать.

И автономные, и интерактивные вычисления могут применяться в централизованной или распределенной архитектурах. В централизованной выделяется один узел или контроллер, оповещаемый сетью во время сбоя. Он подает команды нужным устройствам и организует альтернативные сетевые маршруты. Такую структуру легче внедрить, но она неминуемо приводит к появлению узких мест и единой точки отказа.

В распределенной архитектуре эти проблемы отсутствуют, однако она более сложна. Здесь существует два подхода: либо все коммутаторы самонастраиваются, либо это делают только те устройства, что находятся между источником и пунктами назначения разорванных путей. При интерактивных расчетах потребуется более сложная схема оповещения, чтобы не дать нескольким узлам воспользоваться одной и той же резервной пропускной способностью для различных каналов различных путей.

Ресурсы Internet

Более подробная информация об оптических сетях, в частности о многопротокольной коммутации меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS) и обобщенной MPLS (Generalized MPLS, GMPLS), расположена по адресу: http://www.networkmagazine.com/ article/NMG20020206S0016.

Общие перспективы развития оптических стандартов описаны в статье «Оптические стандарты: план на будущее» по адресу: http://www.networkmagazine.com/ article/NMG20011004S0004.