Гибкость на высокоскоростной трассе передачи данных

Доля временных нагрузок, когда объемы передаваемого трафика возрастают многократно, становится все более значительной. Это явление обуславливается самыми разнообразными факторами — к примеру, поступлением запроса на получение централизованно хранящейся информации или исключительными событиями внутри облака, для которых требуется высокая пропускная способность (скажем, миграция одной или нескольких баз данных).

В результате при планировании, построении и последующем расширении сетей возрастают требования, предъявляемые к гибкости инфраструктуры. Это предполагает отказ от традиционных сетевых архитектур, в которых пропускная способность фиксирована. Востребованной становится возможность гибкого выделения «полосы пропускания» из общего пула всех доступных длин волн, то есть виртуализация пропускной способности.

WDM И ROADM

Используемое до сих пор фиксированное распределение длин волн, а значит и выделение полосы пропускания, в таких традиционных технологиях, как WDM или ROADM, не рассчитано на выполнение подобных динамичных задач. Гибкость стоит очень дорого. В традиционных сетях WDM на базе транспондеров предоставление оператором сети любой новой услуги требует подключения клиентского интерфейса (к примеру, порта 10 Гбит/с на IP-маршрутизаторе) к транспондеру, после чего услуга передается по оптической сети на волне фиксированной длины (см. Рисунок 1). Таким образом, за каждой услугой закрепляется определенная длина волны. Аналоговый оптический принцип организации сети и необходимость установки аппаратного обеспечения для успешной сквозной (End-to-End) передачи данных замедляют процесс предоставления дополнительных ресурсов пропускной способности.

Рисунок 1. Традиционные системы WDM «привязывают» сервисы к длине волны.

При фиксированном распределении длин волн регулирование пропускной способности сети в соответствии с динамически изменяющимися требованиями осуществляется посредством сложных процессов управления, к числу которых относятся выделение и гарантированное обеспечение сквозной доступности волн без их блокирования. В случае блокировки следует предусмотреть возможность смены длины волны. Кроме того, важное значение имеет проверка надлежащих параметров оптических соединений: отношение оптического сигнала к шуму (Optical Signal-to-Noise Ratio, OSNR), а также уровни хроматической и поляризационной дисперсии (Polarization Mode Dispersion, PMD) должны соответствовать предписанным требованиям (в противном случае понадобится установка дополнительных компенсаторов или регенераторов). Вдобавок придется выполнять как сложное планирование и организацию мультиплексированных услуг с низкой скоростью передачи данных на одной длине волны с использованием мультиплексоров-транспондеров (Muxponder), так и планирование сроков поставки оборудования и запасов транспондеров и фильтров у поставщиков. Помимо этого, необходимо обеспечить непростые процессы преобразования, выбора длин волн, проверку надежности и качества передачи данных.

Традиционные технологии с фиксированным распределением длин волн не только значительно усложняют выделение новой емкости, но и не способствуют гибкости и развитию новых сервисных интерфейсов, а также повышению скорости передачи данных. Операторы, использующие классические системы WDM со скоростями 10, 40 или 100 Гбит/с, вынуждены либо полностью заменять свое оборудование на новое, либо модернизировать уже имеющиеся системы, тратя на это время и деньги.

Благодаря технологиям, предлагаемым поставщиками сетевого оборудования, операторы могут выделять дополнительную емкость при внедрении новых услуг благодаря быстрому и гибкому распределению полосы пропускания. При этом вмешательство в сетевые структуры на местах, установка нового аппаратного обеспечения и вытекающие из этого накладные расходы на настройку систем оказываются сведены к минимуму — конфигурация уже существующей сетевой инфраструктуры гибко изменяется с помощью программных средств. Программируемая оптическая сеть (см. Рисунок 2) перенастраивается в соответствии с реальными требованиями к пропускной способности.

Рисунок 2. Программируемые оптические сети предоставляют полосу пропускания WDM в виде разделяемого пула, а также предлагают интегрированную цифровую коммутацию, мультисервисные клиентские интерфейсы и интеллектуальные программные функции.

Такая произвольно программируемая оптическая сеть создается при помощи сетевой архитектуры с виртуализацией пропускной способности. Концепция виртуализации полосы пропускания, предлагаемая, к примеру, компанией Infinera, позволяет свободно назначать сквозные сервисы без привязки к сложному канальному распределению волн в системах WDM. Это дает возможность легко и быстро предоставлять услуги со скоростью передачи данных как меньше, так и больше, чем выбранная для длины волны (Sub-/Super-Wavelength), а также реализовать их передачу через сети WDM, суммарная пропускная способность которых всегда будет оптимизирована в соответствии с критерием минимизации ресурсов сети.

Трафик Sub-Wavelength занимает лишь малую часть емкости длины волны в соединении WDM, в то время как для трафика Super-Wavelength требуется несколько волн. При практическом применении технологии электрического или «цифрового» программируемого мультиплексирования либо одна общая длина волны используется для нескольких различных низкоскоростных услуг, либо несколько волн объединяются для обеспечения высокой пропускной способности. Физически раздельные волны — а следовательно, и полосы пропускания — выступают в качестве единого виртуального пула со свободно распределяемыми и объединяемыми ресурсами. Реализуемым сервисам доступна необходимая пропускная способность из общего пула — это ускоряет предоставление услуг, а также облегчает мониторинг соединений и их расширение.

Для реализации такой виртуализации пропускной способности сетевым архитекторам требуется интегрированная система управления полосой пропускания. Мультисервисные/многопротокольные клиентские интерфейсы должны быть отделены от оптических соединений WDM, что позволит выделить для них любую емкость. Интеллектуальная плоскость управления GMPLS автоматически предоставляет ресурсы пропускной способности, а также обеспечивает возможность дистанционного контроля, их оперативного перераспределения и маршрутизации. В результате на местах не придется осуществлять дополнительные настройки вручную.

Такие программируемые оптические сети и функции гибкого выделения пропускной способности базируются на ряде ключевых технологий. В их число входят фотонные интегральные микросхемы (Photonic IC, PIC), цифровые оптические сети и специфические протоколы передачи данных.

Фотонные интегральные микросхемы являются важной аппаратной основой для реализации технологии виртуализации пропускной способности. Такие микросхемы объединяют в единственном устройстве несколько сотен оптических компонентов (лазеры, модуляторы, детекторы, буферы, мультиплексоры, демультиплексоры и оптические усилители). Они обладают большим потенциалом и позволяют формировать огромный пул ресурсов для виртуализации. К примеру, на базе платформы DTN-X компании Infinera можно, по словам ее разработчиков, создать коммутационное поле для оптических транспортных сетей с емкостью в 5 Тбит/с. Кроме того, в ходе испытаний скорость удалось увеличить до 8 Тбит/с в одном направлении.

Технология фотонной интеграции играет ключевую роль при виртуализации благодаря консолидации каналов с различной длиной волн в WDM-систему на кристалле (WDM-System on a Chip). Кроме того, планировщики сетей выигрывают от снижения уровня потребления электроэнергии, повышения надежности систем и эффективного оптико-электронного преобразования (Optical-Electrical-Оptical, OEO) на каждом сетевом узле. Благодаря этому можно применять цифровое электронное оборудование, которое, в отличие от аналоговых оптических элементов, позволяет реализовать такие функции, как цифровая настройка, добавление и удаление уровня Sub-Wavelength, мультиплексирование и управление пропускной способностью.

Не менее важны функции цифровой защиты соединений, мониторинг производительности и поддержка новых сервисных возможностей, включая восстановление GMPLS и создание оптических виртуальных частных сетей (O-VPN) на первом уровне.

Лишь такая цифровизация оптических сетей вкупе с детальным интегрированным управлением полосой пропускания позволяет придать инфраструктуре WDM высокую степень гибкости. Интегрированное цифровое управление субволновой полосой пропускания означает, что пропускная способность линии WDM может наращиваться с приращением 100 Гбит/с, а затем «виртуализовываться» и управляться с шагом 2,5 Гбит/с (ODU1). Это позволяет гибко назначать любой сервис пулу виртуальной полосы пропускания — от субволнового Gigabit Ethernet (GbE), SONET/SDH 2,5 Гбит/с или «волновых» сервисов 10 Гбит/с до «надволновых» сервисов 40 Гбит/с или 10GbE.

Специальные протоколы, в частности протокол цифровой виртуальной конкатенации (Digital Virtual Concatenation, DVC), дополняют имеющийся инструментарий и берут на себя функции отображения (Mapping) всех служб на пул полосы пропускания WDM на базе микросхем PIC (см. Рисунок 3). В этом случае сигнал 40 Гбит/с направляется на модуль адаптера компонентного сигнала (Tributary Adapter Module, TAM) в цифровой транспортной сети и с помощью DVC разбивается на четыре блока 10 Гбит/с (ODU2). Эти четыре ODU2 преобразуются системой в четыре OTU2V в результате добавления аппаратной коррекции ошибок с высоким коэффициентом усиления (High-Gain-FEC). Передача данных осуществляется на четырех из десяти длин волн, доступных в PIC на 100 Гбит/с. На стороне получателя четыре OTU2V снова трансформируются в четыре ODU2 и преобразуются в сигнал OC-768/STM-256.

Рисунок 3. Схематическое представление протокола Digital Virtual Concatenation.

Джофф Беннетт — директор по технологиям и решениям в компании Infinera.