ОПТИЧЕСКИЕ сети распространились повсеместно. Без них уже невозможно представить себе телекоммуникационный мир, и не случайно большинство новых стандартов в области транспортных сетевых протоколов сначала появляются в версии для оптической среды. Гигабитный и десятигигабитный варианты Ethernet — едва ли не самый яркий тому пример. Все чаще, в том числе в России, раздаются призывы проложить «оптику» в каждый дом, хотя в силу экономических причин подобные идеи больше подходят для произведений научно-фантастического жанра. И все-таки без оптических технологий не обойтись, по крайней мере, на магистральном уровне. Значительный рост объемов трафика, начавшийся в середине 90-х годов, стимулировал разработку принципиально новых методов передачи данных по оптическим сетям. Появившиеся технологии перекрыли реальные потребности в увеличении полосы пропускания магистральных каналов связи в сотни, если не в тысячи раз. Они вывели оптические сети на качественно новый уровень. Шаг вперед по сравнению с архитектурой SONET/SDH был сделан колоссальный.

Спектральное мультиплексирование

Предложенная еще в 1980 году технология спектрального мультиплексирования (Wavelength Division Multiplexing, WDM) привлекла к себе пристальное внимание подавляющего числа операторов (по крайней мере, в развитых странах) лишь три-четыре года назад. Причиной всплеска интереса к WDM стала открывшаяся возможность увеличения пропускной способности волоконно-оптических линий связи сразу на несколько порядков. В исходном варианте технология WDM предполагала передачу по каждому оптическому волокну информационного потока на одной длине волны. Позднее появился вариант уплотненного спектрального мультиплексирования (DWDM), подразумевавший транспортировку по одному волокну уже десятков, а затем и сотен различных длин волн, причем на каждой обеспечивалась мультигигабитная полоса пропускания. Сразу после появления на рынке DWDM-устройств ведущие производители даже устроили между собой негласное соревнование по достижению максимальной суммарной пропускной способности в рамках одного волокна. Первоначально речь шла о десятках длин волн с полосой пропускания 10 Гбит/с на каждой (что в сумме давало, скажем, 400 Гбит/с), но впоследствии эти значения были превышены в десятки раз. Надо отметить: как и в системах других типов, пропускная способность волоконно-оптического DWDM-канала уменьшается обратно пропорционально дальности передачи. Тем не менее уже в 2000 году скорость передачи на уровне 1,6 Тбит/с достигалась на расстояниях до одной тыс. км без применения регенераторов, что сулило оборудованию DWDM блестящие перспективы на операторском рынке.

Оптическая коммутация

В последние годы этот термин наконец-то стал использоваться в буквальном смысле. В июле 2000 года корпорация Lucent Technologies выпустила первое в индустрии устройство (LambdaRouter), выполняющее коммутацию непосредственно оптических сигналов. Вскоре примеру компании последовали другие производители. Как известно, до недавнего времени механизм коммутации в оптических сетях практически целиком базировался на обработке трафика электронными средствами. В любом коммутирующем узле поступающий поток, например STM-1 или STM-4, разбивался на части, которые преобразовывались в электрическую форму, помещались в буфер, коммутировались на выходной порт и лишь после этого подвергались обратному преобразованию. Двойное преобразование оптических сигналов нашло отражение в названии «O/E/O-коммутация».

Несмотря на детальную техническую проработанность этого алгоритма, он имел ряд недостатков. Во-первых, функционирование устройств, обрабатывающих трафик в форме электрических сигналов, зависит от скорости передачи данных и используемых протоколов, а потому увеличение пропускной способности сети либо переход на новые технологии неизбежно влечет за собой замену или добавление сетевых узлов. Во-вторых, преобразование оптических сигналов в электрическую форму и обратно значительно снижает производительность оптических сетей. В той или иной степени преобразование сигналов могло применяться в обычных WDM-сетях, но распространение оборудования DWDM сразу поставило на повестку дня вопрос о замене O/E/O-коммутаторов на более производительные устройства. Так на свет появились оптические коммутаторы, иногда именуемые фотонными, дабы не возникало путаницы с традиционным коммутационным оборудованием оптических сетей. Их главное отличие от устройств предыдущего поколения — в способности коммутировать (или маршрутизировать) оптические сигналы без промежуточных преобразований. Важнейшими следствиями данного обстоятельства являются прозрачность по отношению к сетевым протоколам и полосе пропускания, уменьшение необходимого числа сетевых узлов, рост скорости коммутации и общей производительности сети, снижение потребляемой мощности. В принятии технологии оптической коммутации операторами едва ли не ключевую роль сыграло значительное снижение затрат на развертывание инфраструктуры оптических сетей, поскольку прежде львиная их доля приходилась на оборудование, отвечавшее за O/E- и E/O-преобразования.

Можно выделить несколько функциональных вариантов применения оптических коммутаторов. Первым и, пожалуй, основным является построение оптических кроссконнекторов (Optical Cross-Connect, OXC). Оптический коммутатор — это центральный элемент их архитектуры. Благодаря исключению стадии преобразования O/E/O устройства OXC были наделены всеми преимуществами, о которых говорилось выше. Однако ошибкой было бы думать, что чисто оптическое решение свободно от недостатков. Во-первых, принципиальные ограничения оптических технологий (отсутствие оптической памяти и функционирование по бинарному принципу), не преодоленные и по сей день, заметно сужают набор возможных средств управления. Во-вторых, кроссконнекторы, основанные на чисто оптических коммутаторах, не обеспечивают регенерацию сигналов с заданными временными характеристиками и параметрами формы. Эти недостатки частично преодолены в так называемых непрозрачных кроссконнекторах, в которых имеется оптическая коммутирующая матрица, но обрабатываемые сигналы все равно претерпевают O/E/O-процедуру.

Этот комбинированный подход позволил повысить производительность устройств, открыл дорогу к преобразованию длин волн на уровне OXC, сделал возможным мониторинг качества сервиса (QoS) и регенерацию сигналов, но зато ликвидировал важное свойство независимости от протоколов и скорости передачи данных.

Другой вариант использования оптических коммутаторов состоит в построении оптических мультиплексоров ввода/ввывода (Optical Add/Drop Multiplexer, OADM), в которых коммутация входных сигналов осуществляется без их перевода в электрическую форму, в соответствии с длинами волн. Еще один сценарий — построение систем мониторинга оптических сигналов, действие которых основано на перехвате небольшой части WDM-трафика, его спектральном разложении и последующем анализе таких параметров оптических каналов, как точность используемой длины волны, мощность и уровень перекрестных помех.

К настоящему времени предложено множество компонентов, использование которых позволяет реализовать идею непосредственной оптической коммутации. В их числе — электрооптические преобразователи, термооптические коммутаторы, жидкокристаллические элементы, акустооптические коммутаторы и др. Несмотря на такое разнообразие, наиболее перспективной признана технология микроэлектромеханических компонентов (Microelectromechanical Systems, MEMS), уже взятая на вооружение несколькими производителями. Ключевым элементом MEMS-коммутаторов являются микроскопические зеркала, отражаясь от которых падающий входной луч попадает на выходной порт либо непосредственно, либо после ряда отражений от дополнительных зеркал. MEMS-системы, применяемые в оптических коммутаторах, бывают двумерными (цифровыми) или трехмерными (аналоговыми). В первом случае используется простейшая система зеркал, ввод которых в рабочее поле коммутации приводит к отражению сигнала, поступившего на входной порт, на требуемый выходной (рис. 1). Разные зеркала отвечают за перенаправление сигналов на разные выходные порты, что максимально упрощает управление процессом.

Рис. 1. Двумерный MEMS-коммутатор

Недостатками данного решения являются высокие оптические потери и низкая масштабируемость: двумерные MEMS-системы применяются для построения оптических коммутаторов с максимальным размером коммутирующей матрицы 32x32. Для создания устройств с многими сотнями и даже тысячами входных и выходных портов применяются трехмерные MEMS-компоненты. На пути каждого луча встречаются два независимых зеркала, положение которых меняется в широких пределах путем вращения относительно двух разных осей. Платой за высокую масштабируемость является необходимость использования сложной и весьма дорогостоящей системы управления зеркалами, а также стабилизации их положения в условиях внешних механических возмущений.

Обобщенный MPLS

Как отмечалось выше, внедрение технологий DWDM и оптической коммутации позволяет значительно увеличить пропускную способность оптических магистралей. Однако эти технологии не решили задачу интеллектуального управления трафиком, без которого от повышения скорости передачи мало проку. Как известно, в сетях пакетной коммутации значительный прогресс в области маршрутизации и приоритизации трафика, управления полосой пропускания, построения виртуальных частных сетей, резервирования ресурсов и обеспечения QoS был достигнут благодаря появлению стандарта MPLS (MultiProtocol Label Switching). Использование дополнительных меток, помещаемых в передаваемые пакеты, и специальных алгоритмов их распространения по сети, разделение транспортного и управляющего уровней и ряд других новшеств сделали преимущества протокола MPLS перед традиционной маршрутизацией вполне очевидными. В результате технологию многопротокольной коммутации по меткам довольно быстро стали поддерживать все ведущие производители сетевого оборудования (см. Сети, 2003, № 3, с. 29). Этот успех не мог оставить равнодушными поставщиков компонентов для оптических сетей, тем более что последние, как правило, выпускают и обычные MPLS-устройства. Попытка распространить возможности MPLS на оптические сети оказалась весьма плодотворной и привела к созданию в рамках консорциума IETF специальной группы, занимающейся разработкой стандарта Generalized MPLS (GMPLS).

Спецификация GMPLS расширяет классическое понятие метки. Если в сетях MPLS под нее отводится специальное 32-байтное поле в заголовке пакета, то в GMPLS для этих целей используется последовательность байтов произвольной длины. По сути дела, в качестве метки теперь может выступать любой параметр, однозначно идентифицирующий информационный поток. Это длина волны, на которой в сети DWDM передается конкретный оптический сигнал, параметры диапазона длин волн (идентификатор диапазона, его нижняя и верхняя границы), идентификатор временного интервала в сети TDM, метки SONET/SDH, служащие для обозначения конкретного уровня иерархии, и т. д. В отличие от использования обычных меток MPLS, сами данные не маркируются, но метка, неявным образом представленная в виде значения длины волны, однозначно определяет способ передачи потока, к которому она относится. Значение метки непосредственно задействуется только протоколами сигнализации GMPLS для согласования параметров передачи между устройствами оптической коммутации, а также для резервирования ресурсов (длины волны, временного слота и т. п.) под определенные типы трафика.

Появление технологии GMPLS способствовало значительному упрощению иерархии протоколов в оптических сетях. На смену четырехуровневой модели, в которой DWDM соответствовало канальной емкости, SONET/SDH — сетевому транспорту, ATM — управлению трафиком, а IP — сервисам и приложениям, пришел простейший двухуровневый вариант (рис. 2). Его основное достоинство состоит в устранении противоречий между архитектурами IP и ATM за счет исключения последней. При этом функции управления трафиком, традиционные для сетей MPLS, стали доступными не только маршрутизаторам и ATM-коммутаторам, но и оптическим кроссконнекторам, оптическим коммутаторам, мультиплексорам ввода-вывода предыдущего поколения и др.

Рис. 2. Эволюция сетей оптической коммутации

Деятельность упомянутой выше рабочей группы IETF концентрируется на расширении как стандарта MPLS, так и протоколов маршрутизации и управления (OSPF-TE, IS-IS-TE, RSVP-TE, CR- LDP) с учетом особенностей оптических сетей. В частности, в запрос на получение метки теперь добавлено поле, описывающее ее характеристики. В сигнальных сообщениях появилось указание на уровень защиты соединения. Сигнальный протокол позволяет передать сведения о типе передаваемого полезного трафика, что гарантирует его корректную обработку за пределами оптического канала. Подобные усовершенствования обеспечили динамический обмен служебной информацией об оптических соединениях и тем самым повысили гибкость оптических сетей, открыв путь к реализации на их основе новых сервисов. Ключевые отличия сетей GMPLS от обычных IP-сетей с поддержкой MPLS можно суммировать следующим образом: при традиционной IP-маршрутизации определение пути передачи трафика учитывает все существующие физические соединения, по которым в результате циркулируют колоссальные объемы служебной информации. В сети GMPLS несколько физических соединений могут быть сгруппированы в логическое, которое для протокола маршрутизации представляется как единое целое; в оптических сетях IP-адреса не используются в первоначальном виде.

Маршрут должен быть полностью определен еще до начала передачи трафика, по аналогии с формированием путей Label Switched Path (LSP) в среде MPLS; протокол MPLS предполагает, что граничные маршрутизаторы, расположенные на концах LSP, должны быть одного типа. В спецификации GMPLS это требование представлено в обобщенном виде: аналогичными должны быть только устройства, соответствующие одному уровню иерархии. Многообещающие перспективы технологии GMPLS связаны с тем, что ее применение позволяет операторам пакетных и оптических сетей формировать маршруты транспортировки трафика по требованию, оптимизировать использование сетевых ресурсов и организовывать интеллектуальное управление функционированием сети и предоставляемыми услугами.

Эта технология дает эффективный способ перевода сетей на архитектуру ASTN (Automatically Switched Transport Network), принятую Международным союзом электросвязи (МСЭ) в качестве стандарта G.807. В среде ASTN протокол GMPLS используется для автоматической маршрутизации трафика и передачи сигнальной информации, для обнаружения ресурсов, а также для резервирования каналов и восстановления работоспособности сети в полносвязной топологии.

Появление в последние годы сразу нескольких новых технологий радикально изменило облик оптических сетей. Эффективное их сочетание позволяет сделать пропускную способность магистральных каналов практически неограниченной. Наглядное тому свидетельство — стремительное увеличение полосы пропускания опорных сетей, за развертывание или модернизацию которых в конце 90-х годов активно взялись крупнейшие транснациональные операторы. Глубокий кризис, поразивший телекоммуникационные рынки развитых стран, приостановил этот безудержный рост и выявил серьезный дисбаланс на уровне коммуникационной инфраструктуры. Впрочем, это уже совсем другая история.

Не метками едиными

Хотя работа над стандартом GMPLS в консорциуме IETF идет полным ходом, перспектива его безоговорочного принятия телекоммуникационным сообществом остается под вопросом. Во-первых, ряд компаний, не дожидаясь появления окончательной версии стандарта, уже приступили к выпуску оборудования, в котором используются патентованные механизмы маршрутизации и сигнализации, основанные на базовых концепциях GMPLS. В сущности, такие фирмы стремятся как можно быстрее привязать к себе крупных операторов, поскольку после принятия стандарта сделать это будет уже невозможно. Во-вторых, масла в огонь подлил консорциум Optical Interworking Forum (OIF). Руководствуясь тем, что возможности оптической коммутации и управления в оптических сетях потребуются в полном объеме далеко не всем заказчикам, эта организация взялась за разработку спецификации Optical-User Network Interface (O-UNI).

Точное соблюдение рекомендаций OIF позволит отдельным устройствам запрашивать необходимые сервисы у опорной оптической сети. В результате продукты разных производителей смогут взаимодействовать с патентованным магистральным оборудованием одного поставщика. Понятно, однако, что спецификация O-UNI, по сути дела, узаконит существование нестандартных фирменных решений. В-третьих, деятельность, связанная с перенесением в оптическую среду механизмов высокоскоростной интеллектуальной обработки трафика, ведется и в рамках Международного союза электросвязи (МСЭ). Соответствующая рекомендация (ITU-T G.8080/Y.1304) получила название Automatically Switched Optical Network (ASON). В ней описаны управляющие компоненты, обеспечивающие формирование, поддержание и разрыв соединений с использованием транспортных механизмов оптических сетей. Характерной особенностью ASON является разделение процедур управления вызовами и управления соединениями. Первые включают в себя обмен сигнальными сообщениями между пользовательскими приложениями и сетью, который возникает при необходимости инициировать вызов или изменить его статус. Вторые вступают в игру, когда требуемые параметры вызова определены и следует сформировать одно или несколько соединений.

Не вдаваясь в технические детали, отметим лишь принципиальные отличия механизма ASON от GMPLS. Первое заключается в том, что поддерживающие GMPLS коммутаторы функционируют в качестве равноправных устройств единой GMPLS-сети; все узлы такой сети используют единое пространство IP-адресов. Граничные маршрутизаторы принимают трафик протоколов, отличных от GMLPS, и осуществляют его туннелирование через «облако» GMPLS на другой конец сети. В спецификациях ASON сеть представлена в виде набора доменов, взаимодействующих друг с другом по стандартизованным алгоритмам, но операции внутри доменов не зависят от применяемых протоколов и стандартизации не подлежат. Второе отличие связано с правилами адресации. В среде ASON проводится четкое разделение пользователей и сетевых ресурсов, что требует выделения пользователям новых адресов. Поскольку данные о маршрутизации не поддерживаются интерфейсом «пользователь—сеть» (UNI), приложения не могут самостоятельно вычислять оптимальные маршруты передачи данных. В сети же GMPLS, как отмечалось выше, эта функция делегирована граничным устройствам. Наконец, в среде GMPLS одно соединение может поддерживать сразу несколько уровней коммутируемого трафика, а в сети ASON — только один, так что для каждого такого уровня требуется своя реализация механизмов сигнализации, маршрутизации и обнаружения ресурсов.