Особенности проектирования городских сетей

В последние годы невероятно увеличилась нагрузка на типовые локальные сети (LAN). Напомним: типовой считается локальная сеть, реализованная с помощью стандарта Ethernet, в которой рабочие станции присоединяются к коммутатору на скорости 10 или 100 Мбит/с, а коммутаторы в свою очередь «общаются» друг с другом на скорости 100 или 1000 Мбит/с. Наблюдался и активный рост производительности глобальных сетей (WAN), работающих на основе оптоволокна

Однако пропорционального увеличения быстродействия городских служб передачи данных не последовало. Услуги Internet-провайдеров, предлагающих компаниям доступ к их точкам присутствия (point of presence, POP), до сих пор являются дорогими, причем обеспечиваемая скорость доступа невысока, зато велика вероятность аварий в сети. Многие провайдеры (как известные на рынке, так и молодые) пытаются восполнить этот пробел путем развертывания недорогих городских сетей передачи данных (MAN), базирующихся на технологии Ethernet.

Учитывая рост числа компаний, которые заинтересованы в использовании комплексных приложений (планирования ресурсов предприятий — ERP, управления взаимоотношениями с клиентами — CRM), а также в передаче критичного к уровню обслуживания трафика (приложения видеоконференц-связи и потокового видео), любой сетевой провайдер должен предлагать нечто большее, чем базовые услуги транспортировки данных. Кроме того, услуги операторов MAN должны быть такими же надежными, безопасными, управляемыми и гибкими, как услуги традиционного доступа к глобальной сети, реализованные с помощью инфраструктуры SONET/SDH.

Первая волна строительства сетей MAN относится к середине 90-х годов, когда в качестве технологической основы был выбран способ передачи данных ATM over SONET/SDH, а самой востребованной услугой оказалось обеспечение прозрачности доступа к локальным сервисам. Но управляемые сети ATM не прижились по ряду причин. Во-первых, цель их организации сводилась преимущественно к «укрытию» от конечного пользователя сложной структуры глобальных сетей, а не к снижению стоимости трафика или увеличению пропускной способности. Во-вторых, Ethernet еще не был устоявшейся технологией, да и волоконная оптика применялась в иных масштабах.

Сегодня многие поставщики сетевых услуг снова обратили взоры на MAN и предпринимают попытки увеличения пропускной способности за счет внедрения волоконно-оптических технологий. Общим требованием к MAN, обеспечивающим доступ на скоростях 100 Мбит/с и выше, является наличие волоконно-оптических кабелей на участке «последней мили», которые способны соединить сеть предприятия с POP. Соответственно, при развертывании сетей MAN провайдеры стараются охватить ими места сосредоточения крупных офисных зданий, арендуемых множеством компаний, то есть строить эти сети там, где можно задействовать уже проложенные волоконно-оптические соединения и легко окупить капитальные вложения.

Технологии MAN

Интеграция технологий локальных и глобальных сетей с технологией MAN обеспечит создание упрощенной, более однородной и «сквозной» сети LAN/MAN/WAN, оптимизированной для высокоскоростной передачи потока данных. Это произойдет вследствие того, что усовершенствованные сети MAN позволят операторам существенно снизить стоимость трафика и повысить пропускную способность каналов, а значит, дадут возможность одновременно работать в городской сети гораздо большему числу пользователей.

По своей архитектуре MAN представляет собой нечто среднее между локальными и глобальными сетями. Основными технологиями, мигрирующими в сети MAN из мира LAN, являются следующие:

• магистральный Ethernet, работающий на "темном" оптоволокне (100Base-LH и 1000Base-LH);
• грубое спектральное мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM);
• 10-гигабитный Ethernet.

В свою очередь, главные WAN-технологии, перешедшие в инфраструктуру MAN, таковы:

• плотное спектральное мультиплексирование с разделением по длине волны (DWDM);
• оптическое усиление;
• передача IP-пакетов по SONET/SDH;
• передача IP-пакетов поверх DWDM;
• пакетная кольцевая технология (ведется разработка стандартов);
• многопротокольная коммутация пакетов на основе меток (MPLS) и многопротокольная коммутация сигналов с разными длинами волн (спектральная коммутация - Multiprotocol Lambda Switching, MPlS).

Производители сетевого оборудования используют различные комбинации этих технологий при создании блоков системного интерфейса (SUI) — устанавливаемой в помещении пользователя и управляемой провайдером аппаратуры, к которой подключаются маршрутизаторы и коммутаторы предприятия для доступа к городской сети передачи данных. Блоки системного интерфейса делятся на две основные категории:

• Ethernet-коммутаторы MAN, в качестве которых могут использоваться LAN-коммутаторы уровня 2 и 3, адаптированные для сети MAN путем добавления интерфейсов магистрального Ethernet и/или CWDM;
• DWDM-мультиплексоры, которые выполняют функции оптических мультиплексоров ввода/вывода (OADM) IP-коммутации, синхронной цифровой иерархии или оптической защиты.

Конфигурации MAN

При оценке качества услуг сетей MAN, предлагаемых конкурирующими операторами, важно разбираться в конфигурациях систем, поскольку их базовые технологии обусловливают такие ключевые характеристики оказываемых услуг, как поддержка новых приложений, масштабируемость пропускной способности, безопасность, управляемость, качество сервиса и скорость доступа. Наиболее важным аспектом является производительность оконечных устройств (CPE), блоков системного интерфейса и соответствующего оборудования в точках присутствия провайдера, поскольку именно это оборудование используется для подключения конкретного узла к городской сети, а последней — к глобальной сети.

Некоторые традиционные операторы связи, такие как SBC Communications, предлагают услуги прозрачного соединения локальных сетей. Поток Ethernet-трафика от одного узла сети переправляется посредством ATM-транспорта на другой узел. Для каждой пары узлов сети MAN конфигурируется постоянный виртуальный канал (PVC). Залогом хорошей масштабируемости и сравнительно невысокой стоимости таких систем является применение надежного и мощного оборудования ATM/SONET. Если учесть, что клиенту предоставляется PVC, а на его площадке устанавливается SIU, то можно утверждать: такая служба передачи данных аналогична по надежности сети ATM. При подключении клиента к Internet или WAN у компании SBC возникает необходимость в конфигурировании множества портов маршрутизации на узловом коммутаторе уровня 3, а также и дополнительных PVC — для связи с локальным ISP и провайдером услуг магистральной IP-маршрутизации.

Другие операторы, такие как Telseon, используют гораздо более простую и однородную архитектуру MAN, основанную на применении магистрального Ethernet и Ethernet-коммутаторов уровней 2 и 3 (рис. 1). В этом случае блок системного интерфейса конкретного узла либо отводится для обслуживания одного абонента, либо делится между некоторым числом клиентов, арендующих офисы в большом здании. Так или иначе, при передаче трафика каждого абонента по каналам MAN он защищен от внешнего воздействия с помощью уникального заголовка виртуальной локальной сети VLAN (в соответствии со стандартом 802.1Q). Разумеется, для доступа к Internet и WAN необходимо сконфигурировать дополнительные порты маршрутизации.

Развитие городских систем передачи данных будет происходить на основе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, тогда как задачи присоединения к магистральным каналам должны решаться с помощью 10Gigabit Ethernet и последующих поколений этой технологии. При этом по своей надежности MAN становится сопоставимой с виртуальными соединениями, реализованными на основе SONET, что достигается за счет ячеистой структуры и дублирующих линий связи (а значит, возможности быстрого восстановления связующего дерева в случае сбоя). Если VLAN не обеспечивает требуемого уровня информационной безопасности, компании вполне могут принять решение об использовании брандмауэров и принятии других технических мер.

В силу того что оптоволоконные соединения задействуются на «последней миле» крайне редко, производители оборудования создают Ethernet-коммутаторы MAN, которые используют CWDM и «фирменные» пакетные кольцевые технологии. Технология CWDM поддерживает модуляцию четырех или восьми длин волн на каждое волокно оптического кабеля, тогда как в случае применения DWDM в каждой жиле кабеля организуется 32 или 64 спектральных канала. Двойное самовосстанавливающееся кольцо Ethernet используется в шлейфообразной топологии клиентских узлов с оконечным MAN-коммутатором, обеспечивающим функции ввода/вывода трафика.

Значительная часть характеристик сети CWDM/Ethernet аналогична показателям двухточечной Ethernet MAN, описанной ранее. Оконечный MAN-коммутатор может применяться в качестве многоабонентского устройства доступа, и тогда виртуальные сети VLAN и VMAN передают поток данных каждому абоненту, а доступ к Internet и WAN осуществляется с помощью дополнительных портов маршрутизации. Оператор связи Yipes Communications использует такую модель на большинстве своих точек присутствия.

Существует целый ряд «фирменных» пакетных решений для кольцевой топологии, но IEEE разрабатывает стандарт IEEE 802.17 — Resilient Packet Ring, оптимизированный под трафик Ethernet. Как утверждают разработчики, по надежности работы поверх «темного» оптоволокна или каналов WDM он не будет уступать хорошо известной технологии SONET/SDH. В качестве основы будущего стандарта IEEE рассматривает известную технологию компании Cisco — кольцевой сети DPT, работающей на скорости 622 Мбит/с и применяющей протокол SRP (Spatial Reuse Protocol). Этот протокол доступа к медиа-ресурсам приложений для кольцевого межсетевого обмена является самовосстанавливающимся (время восстановления — менее 50 мс). Протокол SRP и стандарт 802.17 обеспечивают более высокую пропускную способность и лучшую поддержку узловых топологий, нежели SONET/SDH с его алгоритмом мультиплексирования TDM.

Еще один тип сетей MAN базируется на DWDM-кольцах, соединенных с оптическими мультиплексорами ввода/вывода (OADM, рис. 1). Так как рынок оптических сетевых продуктов переполнен, для достижения конкурентоспособности новых OADM они оснащаются множеством дополнительных функций.

Прежде всего, оптические мультиплексоры ввода/вывода различаются по степени поддержки SONET/SDH. Поддержка SONET является важным фактором как для традиционных операторов связи, которым необходима совместимость с уже существующими TDM-системами, так и для конкурирующих с ними новых операторов. Последние заинтересованы в предоставлении доступа к сетям WAN, а также к MAN, использующим 10/100/1000 Ethernet, и другим сетям с высокой пропускной способностью.

Оператор, только выходящий на рынок связи и нацеленный на использование DWDM-среды для организации Ethernet-сетей MAN, мог бы, вероятно, свести к минимуму себестоимость инфраструктуры, полностью устранив поддержку синхронной цифровой иерархии. Гибкость и масштабируемость сетей MAN, основанных на технологии DWDM, привлекает к ним множество поставщиков услуг, в том числе Verizon Communications, GiantLoop Network, Cogent Communications, LightWave Communications и XO Communications. Ожидается, что и другие известные операторы последуют за ними.

Главной особенностью физического уровня DWDM является то, что длина волны и амплитудная модуляция светового пучка совершенно не зависят от протоколов верхних уровней. Таким образом, одна оптическая интерфейсная карта OADM способна обеспечить транспортировку данных множества различных приложений, например LAN и SAN. Следовательно, многие системы передачи данных, построенные с помощью оптических мультиплексоров ввода/вывода, могут транслировать разнородный трафик данных служб крупного предприятия (ATM, Ethernet, Fibre Channel, Enterprise Systems Connection, Fiber Connection и других, которые используются для организации удаленного хранения, резервного копирования или кластеризации).

Крупным корпоративным клиентам сеть, реализованная на основе DWDM, обеспечивает возможность выделения целого оптического канала для соединения двух узлов MAN, пусть даже разделенных тысячами километров. Максимальная пропускная способность определяется оптическим диапазоном частот сетей MAN или MAN/WAN, и клиенты могут задействовать этот ресурс по своему желанию. Например, применяя Gigabit Ethernet в рабочее время, а протокол ESCON — ночью, для удаленного копирования или синхронизации базы данных). Использование выделенной длины волны позволяет повысить уровень безопасности за счет пакетных или контурных сервисов, затрудняющих перехват или ответвление оптических сигналов).

Джим Мецлер (jim@ashtonmetzler.com) — вице-президент консультационного бюро Ashton, Metzler & Associates, расположенного в Ньютоне (шт. Массачусетс); Ральф Макклеллан (rolfmcc@mcclellanconsulting.com) — главный консультант компании McClellan Consulting.