Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
лазером накачки, возбуждает атомы примесей в легированном волокне. При возвращении в нормальное состояние эти атомы излучают свет на той же длине волны и с той же фазой, что и внешний сигнал, требующий усиления. Примером такого усилителя является усилитель EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), использующий примеси эрбия. Он имеет относительно узкую полосу усиления – 40 нм, поэтому применяется для усиления только части волн полного диапазона окна прозрачности 1550 нм. Более совершенным типом усилителя для передачи данных на скоростях 100 Гбит/с и выше считается усилитель, использующий эффект рассеяния света Романа^. При использовании рамановского усилителя энергия лазера накачки вызывает распределенное усиление сигнала в самом передающем волокне. Рамановский усилитель обладает более широкой полосой усиления, до 100 нм, что позволяет покрыть весь диапазон окна прозрачности 1550 нм, а значит, передавать большее количество волн в одном волокне. Кроме того, рамановский усилитель вносит меньше нелинейных шумов. Это позволяет увеличить максимальную длину участка между оптическими усилителями, которая может достигать 200 км и более. 1 Чандрасекхара Раман открыл эффект рассеяния света в 1928 году, а в 1930 году получил за это Нобелевскую премию (в области физики). Устройства компенсации дисперсии Хроматическая дисперсия (см. главу 7) вносит основной вклад в искажение формы светового сигнала, что, в свою очередь, может приводить к ошибкам в распознавании передаваемых дискретных данных приемниками DWDM. Величина хроматической дисперсии зависит от длины волны, и, как следствие, сигналы различных волн, которыми оперирует технология DWDM, искажаются в разной степени, что делает трудной их компенсацию. Для уменьшения эффекта хроматической дисперсии в сетях DWDM применяются специальные волоконно-оптические кабели со смещенной ненулевой дисперсией по стандарту G.655. Этот тип волокна не устраняет дисперсию полностью, но делает ее значительно меньшей, чем при использовании стандартного одномодового волокна G.652, и, что важно, приблизительно одинаковой для всех волн диапазона 1550 нм. Существуют также устройства компенсации хроматической дисперсии, которые устанавливаются в промежуточных узлах сети. Компенсация другого вида дисперсии – поляризационной модовой дисперсии – требуется только при передаче данных на скоростях выше 10 Гбит/с. Используемое при этом оборудование значительно сложнее устройств компенсации хроматической дисперсии. Применение цифровых сигнальных процессоров в приемниках оптических сигналов позволяет учесть эффекты дисперсии в алгоритмах выделения символов сигнала программным способом, поэтому в системах DWDM/OTN, где такие приемники используются, необходимость в установке устройств компенсации дисперсии отпадает. Ячеистая топология и реконфигурируемые оптические кросс-коннекторы По мере развития сетей DWDM в них все чаще стала применяться ячеистая топология (рис. 9.6), которая обеспечивает лучшие показатели в плане гибкости, производительности и отказоустойчивости, чем остальные топологии. Для реализации ячеистой топологии необходим особый тип узлов, называемых оптическими кросс-коннекторами (Optical Cross-Connector, ОХС), которые не только являются мультиплексорами ввода-вывода, то есть добавляют волны в общий транзитный сигнал и выводят их оттуда, но и поддерживают произвольную коммутацию между оптическими сигналами, передаваемыми волнами разной длины. Возможности оптических кросс-коннекторов по созданию ячеистой топологии оцениваются количеством магистральных связей, которые они могут поддерживать со своими непосредственными соседями по сети. Эти связи проектировщики сетей DWDM называют направлениями. Так, верхний кросс-коннектор, изображенный на рис. 9.6, поддерживает четыре направления, а нижний – только два. (Нетрудно заметить, что мультиплексор ввода-вывода в линейной цепи или кольце всегда поддерживает только два направления.) Существуют оптические кросс-коннекторы двух типов: оптоэлектронные кросс-коннекторы с промежуточным преобразованием сигналов в электрическую форму; фотонные коммутаторы, или лямбда-маршрутизаторы, - полностью оптические кросс-коннекторы.  У оптоэлектронных кросс-коннекторов имеется принципиальное ограничение – они хорошо справляются со своими обязанностями при работе на скоростях до 2,5 Гбит/с, но на скоростях 10 Гбит/с и выше габариты таких устройств и потребление энергии превышают допустимые пределы. Фотонные коммутаторы свободны от такого ограничения. Прочную позицию лидера фотонных коммутаторов занимают реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода-вывода (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexors, ROADM) Эти устройства являются кросс-коннекторами, то есть позволяют выполнить коммутацию пользователей сети DWDM с ячеистой топологией, соединяя пользователей между собой без ограничений. Напомним, каждый пользователь представлен в сети волной определенной длины после преобразования его исходного сигнала транспондером. Кроме того, ROADM являются удаленно реконфигурируемыми кросс-коннекторами. Под этим свойством понимается возможность администратора сети программно изменить конфигурацию таблицы коммутации этого устройства без необходимости физического добавления некоторых блоков, например транспондеров и модулей ввода-вывода. До появления ROADM для добавления новой волны инженер должен был лично явиться в точку присутствия оператора сети DWDM, чтобы установить новый модуль на шасси мультиплексора и сконфигурировать его. Поскольку ранние сети DWDM были достаточно статическими в отношении реконфигурации вводимых и выводимых потоков данных, то с необходимостью выполнять эту операцию путем физической перекоммутации операторы мирились. Развитие сетей DWDM привело к усложнению их топологии и повышению динамизма, когда появление новых клиентов сети стало достаточно частым явлением, а значит, операции добавления или выведения волн из магистрали стали выполняться регулярно и требовать более эффективной поддержки. Один из возможных вариантов организации ROADM показан на рис. 9.7. Мультиплексор на этом рисунке поддерживает три магистральных направления (порты направлений 1, 2 и 3 связывают его с другими мультиплексорами), а также три банка транспондеров Т, связанных через клиентский кросс-коннектор с портами ввода-вывода пользователей таким образом, что любой порт пользователя может быть соединен с любым транспондером из любого банка. Окрашенные сигналы в пределах одного банка транспондеров мультинлек- сируются в неокрашенный сигнал с помощью мультиплексора (на рисунке «Бесцветный М/D») и передаются на порт банка транспондеров.  Рис. 9.7. Структурная схема ROADM Задачей ROADM является маршрутизация волн, поступающих на все его порты, – от всех направлений и от всех банков транспондеров. Различают три возможности. В первом случае ROADM участвует в коммутации двух удаленных пользователей совместно с другими ROADM сети и выполняет транзит волны из одного направления в другое. Во втором случае выполняется коммутация внешнего пользователя с локальным пользователем, то есть коммутация порта направления с портом банка транспондеров. Третий вариант, когда коммутируются два локальных пользователя за счет направления волны из одного банка транспондеров в другой, теоретически возможен, но не имеет практического смысла. Основой коммутатора ROADMявляются блоки селективной коммутации волн (Wavelength Selective Switch, WSS), которые, собственно, и выполняют коммутацию. Каждый из этих блоков имеет несколько входных портов и один выходной порт. На входные порты поступают неокрашенные сигналы как от каждого направления, так и от каждого банка транспондеров (в нашем примере каждый WSS имеет шесть входных портов, принимающих неокрашенные сигналы от трех направлений и от трех банков транспондеров). Для распределения каждого неокрашенного сигнала между шестью входными портами различных блоков WSS используются оптические разветвители мощности (Power Splitter, PS). Функция блока WSS заключается в том, что он выбирает (select) в соответствии с таблицей коммутации из неокрашенного сигнала каждого своего входного порта по одной нужной волне, азатем мультиплексирует их и передает полученный неокрашенный сигнал в выходной порт. Выходной порт каждого из блоков WSS связан с портом одного из направлений или с портом одного из банков транспондеров.  На рис. 9,8 показана функциональная схема одного из возможных вариантов WSS, имеющего шесть входных портов 1-6 и один выходной порт 7. Блок WSS выполняет коммутацию следующим образом. После демультиплексирования блоками D (например, с помощью дифракционных решеток), окрашенные волны от каждого порта поступают по волноводам на блок коммутации. Блок коммутации на основании таблицы коммутации, фрагмент которой помещен на рисунке, выбирает из каждого полного набора волн (например, из 80, если ROADM поддерживает в волокне столько волн) только те, которые нужно передать на выходной порт, а остальные отбрасывает. Передаваемые волны показаны на рисунке сплошными линиями, а отброшенные – пунктирными (для ясности на рисунке показано только несколько волн). Естественно, в выходной порт не могут попасть две одинаковые волны из разных входных портов, поскольку это запрещенная комбинация. Чтобы RODAM мог выполнять коммутацию своих локальных пользователей с любой волной любого направления, количество банков транспондеров должно быть равно количеству N направлений, поддерживаемых ROADM. Действительно, так как одна и та же волна присутствует в одном экземпляре в каждом из Nнаправлений ROADM, она может быть использована для соединения N различных пользователей, подключенных через кросс-коннектор клиентских портов к данному ROADM, с внешними пользователями. Без соответствия количества банков транспондеров количеству направлений удаленное реконфигурирование не всегда будет возможно – например, если необходимо ввести-вы- вести одну и ту же волну из всех направлений, а количество банков транспондеров меньше, чем количество направлений. В обычном, переконфигурируемом OADM, такая проблема решается за счет физической установки нового модуля транспондеров, когда в этом возникает необходимость. Для удаленного реконфигурирования все необходимые ресурсы мультиплексора должны быть всегда в наличии, чтобы оставалось только удаленно изменить связи между ними.Блок коммутации волн может быть реализован разными средствами. Один из наиболее часто применяемых вариантов – микроэлектронная механическая система, использующая отражение света и представляющая собой набор подвижных зеркал очень маленького (диаметром менее миллиметра) размера (рис. 9.9). Микроэлектронная механическая система получает составляющие волны от демультиплексора по различным волноводам. За счет поворота микрозеркала на заданный угол исходный луч определенной волны направляется в соответствующий выходной волновод.  Особенностью представленной архитектуры ROADM является возможность направить любую волну из любого направления в любой пользовательский порт ввода-вывода. Говорят, что ROADM, обладающий такой функциональностью, является неокрашенным и ненаправленным. Необходимо подчеркнуть, что не каждое устройство ROADM является неокрашенным ненаправленным, так как название устройства этого типа отражает только возможность его программного реконфигурирования, но не степень его гибкости. Например, устройства ROADM первого поколения имели только один банк транспондеров, так что пользовательские порты ввода-вывода были физически привязаны к определенной волне и программное реконфигурирование позволяло вывести определенную волну только в определенный порт, а изменение волны для некоторого пользователя требовало физического переключения его кабеля к другому порту. Поэтому такие устройства ROADM не могли быть названы неокрашенными. Аналогично обстояло дело и с ненаправленностью, так как эти устройства ROADM были рассчитаны на кольцевые или линейные топологии и поддерживали только два направления. Сети OTN Причины создания сетей OTN В конце 90-х годов все больше стали проявляться недостатки технологии SDH, связанные прежде всего с ее изначальной ориентацией только на голосовой трафик. Основные недостатки технологии SDH состоят в следующем: \. Мультиплексоры SDHоперируют слишком «мелкими» единицами коммутации. Наличие таких клиентских каналов, как 1,5 Мбит/с, 2 Мбит/с или 34 Мбит/с, усложняет оборудование сети. Когда скорость агрегатного канала возрастает до нескольких десятков гигабит в секунду и канал переносит при этом сотни индивидуальных виртуальных контейнеров в своих кадрах, количество операций мультиплексирования и коммутации, которые нужно производить оборудованию SDH в единицу времени, становится настолько большим, что его процессорные модули перестают справляться с вычислительной нагрузкой. Примером технологии, которая пострадала от такой ситуации, является технология ATM (см. главу 19). Ее коммутаторы справлялись с обработкой ячеек данных очень маленького размера в 53 байта, пока скорости передачи данных были меньше 1 Гбит/с. Барьер в 1 Гбит/с оборудование ATM преодолеть не смогло – для этого ей потребовались дорогие высокопроизводительные процессоры, в то время как коммутаторы Ethernet, оперирующие пакетами данных в 1500 байт, справлялись со своей работой, используя процессоры, обладающие существенно более низкой скоростью и стоимостью. Технология SDHне учитывает особенности трафика различного типа. Разработчиками технологии SDH принимался во внимание только голосовой трафик, тогда как сегодня преобладающим является компьютерный трафик. Отображение потоков Ethernet со скоростью передачи данных 1 Гбит/с и 10 Гбит/с в кадры SDH возможно, но приводит к большим потерям пропускной способности, а потоки со скоростью передачи данных 100, 200, 400 Гбит/с вообще превосходят максимальную скорость SDH. Недостаточная интеграция с сетями DWDM. Сети SDH создавались до появления технологии DWDM, поэтому в них применялось простое кодирование NRZ, имеющее широкий спектр сигнала, не рассчитанный на ширину спектральных каналов частотных планов DWDM. До скорости 10 Гбит/с спектр такой ширины был еще приемлем, но для более высоких скоростей потребовалось другое решение. Недостаточная интеграция с DWDM проявилась и в отсутствии стандарта на использование кодов прямой коррекции ошибок FEC (см. главу 7). Коды FEC позволяют не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их. Это свойство очень полезно при увеличении количества спектральных каналов в оптическом волокне сети DWDM. Действительно, в результате роста числа спектральных каналов происходит сближение спектров сигналов соседних волн, а значит, увеличивается взаимное влияние этих сигналов и, как следствие, возрастают искажения сигналов и появляются битовые ошибки. В таких условиях появление эффективной процедуры FEC, позволяющей «на лету» устранять значительную часть этих ошибок, так что этими ошибками можно пренебречь, позволяет увеличить количество спектральных каналов. В технологии SDH стандарт на использование кодов FEC долгое время отсутствовал. Когда же стандарт был, наконец, принят, оказалось, что он обладает недостаточной способностью снижать вероятность битовой ошибки. Необходимость централизованной синхронизации всей сети усложняет сети SDH. В то же время при передаче компьютерного трафика такая централизованная синхронизация вообще не нужна, достаточно обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником непосредственно соединенных портов. Учитывая эти и другие недостатки SDH, было решено оставить попытки улучшения «здания» SDH, построенного на устаревшем фундаменте, и создать новую технологию |