Развитие цифровой экономики стимулирует эволюцию к организации более динамичного и взаимосвязанного мира, где должны быть обеспечены телекоммуникационные взаимодействия (соединения) между людьми, между людьми и устройствами, а также между устройствами, причем в реальном времени, т. е. по мере поступления запросов. Соединениями должны быть обеспечены многочисленные устройства и системы, включая автомобили, умные часы, гаджеты, планшеты, датчики и т. п. Рассмотрим основные направления развития оптических систем передачи данных и попытаемся выяснить, какие задачи сегодня стоят перед разработчиками.
Основные требования к перспективным сетевым взаимодействиям заключаются в следующем:
- предоставление по требованию гибких и адаптивных сервисных соединений между физическими и/или виртуальными сетевыми окончаниями, в том числе в режиме самообслуживания;
- обеспечение для оконечных узлов и сервисных соединений между ними гарантированного качества (QoS) и безопасности из конца в конец в соответствии c SLA (Service Level Agreament);
- координированное предоставление сервисов (orchestration), реализуемых поверх как сети данного оператора, так и нескольких сетевых доменов, относящихся к разным операторам;
- автоматизация процессов создания и управления сервисами с использованием абстрактного представления как самих сервисных соединений, так и сетевых ресурсов и технологических уровней на основе принятой сетевой модели и стандартизованных открытых интерфейсов API.
В виртуализированной облачной инфраструктуре предоставление сервисов будет автоматизировано. Поэтому все уровни перспективной телекоммуникационной сети, включая транспортный оптический, нуждаются как в программируемости, так и в высокой надежности и автоматизации операционных процессов. В отсутствие такого функционала невозможно предоставлять услуги по требованию, т. е. в реальном времени.
Эволюция требований к METRO-сетям
Как показали последние исследования, проведенные специалистами всемирно известной лаборатории NOKIA Bell Labs, существенное влияние на эволюцию требований, например, к местным, зоновым и региональным сетям (METRO-сетям), оказывают:
- расширение предоставления широкополосных услуг поверх сетей мобильной связи;
- новые динамичные сервисы, предлагаемые облачными сетями;
- увеличение количества точек подключения к сети и соединений для корпоративных и частных клиентов;
- развитие социальных сетей;
- развитие OTT (Over The Top) видеосервисов – практики распределения видеосервисов, позволяющей провайдерам потокового контента (content provider) продавать звуковые, видео и другие медийные услуги поверх сети Интернет непосредственно пользователям, т. е. минуя связных, кабельных и ТВ вещательных провайдеров услуг, которые традиционно распределяли такой контент и управляли им.
METRO-сети отличаются не только высокой диверсификацией и динамичностью предоставляемых сервисов, но и значительно большей по сравнению с магистральными сетями дифференциацией маршрутов соединений. Дальнейшее развитие таких сетей будет определяться повышением не только требований к пропускной способности, но и к их масштабируемости, эффективности и гибкости.
Следствием развития облачных сетевых технологий с виртуализацией (NFV) и OTT-видеосервисов являются возрастание количества ЦОД большой емкости и производительности, в том числе за счет кэширования контента (как промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью), а также значительное увеличение объемов трафика взаимодействия этих ЦОД в пределах МЕТРО-сети. Оказалось, что объем внутреннего METRO-трафика превышает трафик, выходящий за пределы МЕТРО-сети для последующей передачи по магистральным сетям (рис. 1). Более того, объем трафика на МЕТРО-сетях растет в два раза быстрее, чем это происходит на магистральном уровне.
Перед разработчиками волоконно-оптических транспортных систем стоят задачи по созданию таких аппаратурных и программных решений, которые позволят операторам публичных и владельцам корпоративных сетей достойно встретить названные вызовы, обеспечив при этом снижение общей стоимости владения (Total Cost of Ownership – TCO) и ускорение монетизации инвестиции в развитие сетей.
Масштабируемость оптической транспортной инфраструктуры
Услуги поверх оптической транспортной сети могут быть предоставлены на следующих уровнях:
- фотонный – в виде оптического канала, реализованного на одной или нескольких (например, когерентный суперканал) оптических несущих (Wave Service);
- электрический – в виде каналов, организованных поверх блоков данных ODUk структуры OTN оптических каналов в системе WDM (OTUk, МСЭ G.709);
- электрический – в виде виртуальных соединений Carrier Ethernet (например, E-line, E-LAN, E-Tree, E-Access) и/или LSP/PW MPLS-TP поверх уровня OTN/WDM.
Ключевым фактором повышения пропускной способности и масштабируемости на оптических транспортных сетях становится эволюция на фотонном уровне к полностью когерентным решениям (рис. 2). При такой эволюции длины волн (оптические каналы) с потоками 10G полностью исключаются из сети путем включения этих потоков в состав когерентных оптических каналов с пропускной способностью от 100 Гбит/с (100G).
Пионерские решения NOKIA Bell Labs в области суперкогерентных технологий позволили достичь на коммерческих оптических транспортных сетях максимально возможной в отрасли общей пропускной способности в несколько десятков Тбит/с. Эти решения основаны на использовании СБИС Photonic Service Engine (PSE-2s), включающей программируемый суперкогерентный цифровой сигнальный процессор.
На первый взгляд, такой путь развития выглядит более затратным по отношению к варианту с сосуществованием каналов 10G и 100G, поскольку для создания полностью когерентной сети дополнительно потребуются транспондеры 100G+ (100G, 200G и т. п.). Однако инвестиции в полностью когерентную сеть становятся более привлекательными, если их рассматривать в сочетании со следующими преимуществами подобных сетей:
- нет необходимости предусматривать защитную полосу между длинами волн 10G и 100G+, что приводит к повышению общей пропускной способности волоконно-оптической инфраструктуры;
- длины волн 100G+ обеспечивают более чем десятикратное увеличение пропускной способности при значительно меньшей занимаемой ширине спектра частот по сравнению с использованием оптических каналов 10G;
- когерентные оптические каналы совместимы с программируемой неблокируемой архитектурой реконфигурируемых оптических мультиплексоров ввода/вывода (ROADM) в конфигурации CDC-F (colorless – directionless – contentionless – FlexGrid). Такое решение позволяет значительно повысить гибкость узлов коммутации на фотонном уровне и обеспечить высокую надежность предоставления услуг, в частности за счет реализации функции автоматического восстановления (restoration) соединений на основе функциональности L0 GMPLS;
- компенсаторы хроматических дисперсионных искажений (Dispersion Compensation Modules – DCMs) исключаются из состава сети, что приводит к снижению задержки сигналов на волоконно-оптических соединениях. Полная компенсация этих и других искажений, возникающих при передаче данных по оптическим каналам, обеспечивается в цифровом сигнальном процессоре на приемной стороне каждого когерентного канала;
- упрощение оптических усилителей позволило реализовать интегрированные компактные блоки для ROADM, включающие в свой состав оптические усилители и селективные переключатели по длинам волн оптического излучения (Wavelength Selective Switch – WSS).
Компания Nokia внедрила каналы 200G на одной несущей с использованием формата модуляции DP-16QAM (DP: Dual Polarization) и дальностью передачи до 600–700 км на коммерческих Metro/Regional-сетях еще в 2014 г.
Начиная с 2016 г. СБИС Photonic Service Engine version 2 (PSE-2s) позволяют программным образом масштабировать скорость передачи данных по оптическим каналам в соответствии с запросами и потребностями в сервисных соединениях различной протяженности без использования промежуточной OEO регенерации (рис. 3). Тем самым достигается более эффективное использование общей пропускной способности и снижение затрат на каждый бит данных, передаваемых по оптической транспортной сети.
В серийно выпускаемом в настоящее время оборудовании NOKIA 1830PSS предусмотрена возможность программного выбора из сети вариантов формата модуляции для любого когерентного оптического канала: DP-8QAM – для оптических каналов 200G на одной несущей протяженностью до 1500–2000 км, DP-16QAM – для суперканала N × 250G протяженностью около 400 км, DP-64QAM – для оптических каналов 400G на одной несущей протяженностью 100–150 км. Кроме того, реализованы три варианта формата модуляции для каналов 100G, включая DP-QPSK на одной несущей для дальности связи около 3000 км, DP-SP-QPSK на одной несущей для дальности связи примерно 5000 км, DP-BPSK на двух несущих (суперканал 2×50G) для дальности связи до 10 000 км.
Ряд форматов модуляции, например DP-SP-QPSK (100G), DP-8QAM (200G), DP-16QAM (250G) и DP-64QAM (400G), предполагает использование повышенной символьной скорости. По этой причине такие оптические каналы могут быть реализованы только при переходе WDM-сети от фиксированной (например, 50ГГц) к гибкой сетке частот (FlexGrid), с возможностью установки оптических несущих с отклонением от фиксированной сетки 50 Ггц с шагом 12,5 ГГц (МСЭ-T, G.694.1).
В перспективных решениях предусматривается программное изменение скорости передачи по любому оптическому каналу с шагом 50 Гбит/с начиная со 100 Гбит/с и вплоть до 600 Гбит/с, с выбором формата модуляции, количества несущих для каждого оптического канала и полосы частот оптического канала в зависимости от требуемой дальности связи без промежуточного OEO-преобразования и от параметров спектральной эффективности. Поскольку при переходе к более высоким уровням QAM-модуляции дальность связи уменьшается, предполагается, что цифровые потоки 400 Гбит/с и 1 Тбит/с будут передаваться на большие расстояния преимущественно с использованием нескольких оптических несущих, т. е. будут использоваться так называемые суперканалы.
Между тем у многих МЕТРО-сетей все еще достаточно свободной емкости, поэтому нет необходимости использовать на таких сетях оптические каналы с пропускной способностью 200G и выше. В этом случае оператор заинтересован в более дешевых и компактных, например с повышенной плотностью клиентских и линейных портов, решениях 100G. Для таких сетей важно обеспечить высокую эффективность заполнения оптических каналов 100G низкоскоростными (sub-100G) сервисами за счет использования в узлах сети централизованной или распределенной матрицы OTN кросс-коммутации трактов ODUk и/или блоков пакетной агрегации и коммутации (Carrier Ethernet & MPLS-TP) сервисных потоков. Большое значение для подключения сервисов имеет наличие программно-конфигурируемых сменных оптических трансиверов как на клиентских (например, SFP, SFP+, CFP4, QSFP28 и т. п.), так и на линейных (например, CFP2-ACO, CFP2-DCO и т. п.) интерфейсах.
Эффективность оптической транспортной инфраструктуры
Оптимизированная METRO-сеть с многочисленными функциональными и технологическими уровнями может быть использована как единая интегрированная платформа для разнообразных сервисных приложений и различной дальности передачи. В этом случае сетевые операторы смогут снизить затраты на обслуживание METRO-сети благодаря покупке и обеспечению запчастями меньшей номенклатуры оборудования. В принятом в оборудовании NOKIA 1830PSS, компактном и гибком решении, достигается сплошное заполнение оптических каналов сервисными потоками. В компактном узле транспортной METRO сети в одной и той же полке на блоках с функциональностью L2 switch (Carrier Ethernet 2.0) реализуются коммутация и агрегация пакетного трафика, а на блоках с OTN-функциональностью – консолидация, агрегация и прозрачная передача любого трафика. Отличительная особенность принятого компанией NOKIA решения – использование в компактных полках 1830PSS-8/16II распределенной OTN-кросс-коммутации. В такой ситуации слоты полки не требуется занимать блоками с OTN-кросс-матрицей. Решение основано на открытом дизайне задней панели (кросс-платы), что обеспечивает гибкую коммутацию сигналов между слотами полки. Эффективность такого решения связана с возможностями:
- расширения производительности матрицы OTN-кросс-коммутации по мере необходимости;
- программного выбора схемы взаимодействия между клиентскими (черно-белыми) и линейными (цветными) интерфейсами (uplinks): либо по схеме каждый с каждым, либо с использованием программно-изменяемых смешанных соединений.
Для компактных узлов METRO-сети возможна также интеграция в той же полке (например, 1830PSS-16II) средств коммутации оптических каналов на фотонном уровне в ROADM.
Отличительная особенность оборудования Nokia 1830 PSS – доступность интегрированных блоков iROADM. Интеграция функций оптических усилителей (pre-amp, post-amp) и селективного переключателя по длинам волн оптического излучения (wavelength selective switch – WSS) в одном блоке iROADMs позволяет создать компактные и простые в развертывании и последующем расширении узлы. Каждое новое направление в узле ROADM организуется путем добавления одного блока iROADM.
При минимальных начальных инвестициях и любой комбинации пакетных, OTN или фотонных сервисов есть возможность добавлять коммутационную производительность на любом технологическом уровне и расширять связность фотонного узла по мере необходимости (pay-as-you-grow). Это как раз тот уровень гибкости и масштабируемости, который необходим для поддержки непредсказуемого и растущего спроса на пропускную способность и сервисные соединения, что возникает при переходе к эре облачных технологий.
Гибкость оптической транспортной инфраструктуры
Направление связано с возможностью реализации большей гибкости при предоставлении разнообразных сервисов, например от 1 GbE до 100 GbE, поверх когерентных каналов 100G+ и способностью сети оперативно реагировать на изменения таблицы распределения трафика, а также предоставлять услуги по требованию в режиме реального времени.
Для повышения гибкости необходимо иметь возможность управлять:
- большим разнообразием sub-100G и 100G сервисов:
- в полках и стойках оборудования за счет повышения плотности и расширения разнообразия программно-перестраиваемых и сменных клиентских и линейных интерфейсов;
- на каждой длине волны за счет организации оптических каналов или суперканалов с программно-конфигурируемой пропускной способностью 100 Гбит/с, 200 Гбит/с, 400 Гбит/с и выше на одной или нескольких оптических несущих;
- в оптическом волокне за счет увеличения количества длин волн (оптических каналов), организуемых на оптоволоконной сетевой инфраструктуре, с использованием при необходимости гибкой сетки частот (FlexGrid), когерентных суперканалов и/или С+L окон прозрачности;
- маршрутами сервисных потоков и оптических каналов на электрическом (Packet/OTN) и/или фотонном уровнях, где в узлах сети установлены волновые маршрутизаторы WRE (Wavelength Router Engine), т. е. многосвязные реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода/вывода в конфигурации ROADM CDC-F (Coloreless – Directionless – Contentionless – Flexgrid) (рис. 4);
- безопасностью на любом технологическом уровне с возможностью выявления несанкционированного доступа и при необходимости шифрования оптических каналов 100G+;
- сервисами с автоматизацией при их предоставлении поверх оптической транспортной инфраструктуры с использованием программно-определяемой сервисной платформы NSP (Network Serviec Platform), реализующей концепцию программно-определяемой сети WAN SDN (WAN Software Defined Networks).
Таким образом, стратегические направления исследований связаны с потребностями облачной сетевой инфраструктуры в автоматизации предоставления разнообразных сервисов (соединений) на мультитехнологичных и мультивендорных сетях.
Для решения поставленных задач потребуется реализовать, в том числе и на оптическом транспортном уровне сети, программно-определяемую сервисную платформу WAN SDN, которая наряду со многими другими возможностями обеспечит предоставление сервисов по требованию в реальном времени. Для исключения ограничений при реализации подобных задач потребуются дальнейшие улучшения в области ее масштабируемости, эффективности и гибкости оптической транспортной платформы. Исследователи прилагают усилия к тому, чтобы приблизиться к пределу пропускной способности систем DWDM, определяемой по формуле Клода Шеннона, за счет, например, новых методов компенсации нелинейных взаимодействий каналов в оптическом волокне, значительно ограничивающих пропускную способность и дальность передачи в многоканальной оптической системе.
Как один из вариантов рассматривается возможность многократного увеличения общей пропускной способности оптических транспортных сетей с использованием принципов пространственного уплотнения сигналов SDM (Spare Division Multiplexing). Уже достигнуты впечатляющие результаты по дальнейшему повышению пропускной способности и протяженности высокоскоростных оптических каналов (например, 400G) за счет дополнительной статистической обработки сигнала при использовании форматов модуляции QAM высоких уровней (например, 64QAM).
Следует принять во внимание и тот факт, что продолжает развиваться ряд стандартизованных технологий, которые являются неотъемлемыми составляющими функционала современных пакетно-ориентированных оптических транспортных систем. Например, технология Ethernet в ближайшем будущем обеспечит возможность управления задержкой при реализации сервисных соединений на пакетном сетевом уровне, технология OTN – возможность прозрачной передачи высокоскоростных сервисных потоков 400 GbE, а также эффективной доставки сигналов не только тактовой синхронизации, но и синхронизации PTP (IEEE 1588), что особенно важно для сетей мобильной связи новых поколений 4G/5G, и т. п.
Многое из необходимого для достижения заданного уровня масштабируемости, гибкости и эффективности транспортных решений уже доступно в серийно выпускаемом оборудовании. Это позволило перейти к практической фазе внедрения программно-определяемых решений WAN SDN на уровне оптических транспортных сетей. Примером является сетевая сервисная платформа NSP компании NOKIA, которая позволяет операторам и владельцам сетей более предметно прорабатывать вопросы монетизации транспортных сервисов в эпоху широкого внедрения облачных телекоммуникационных технологий.
