Оптоволоконные коммуникации на сверхбольшие расстояния

Обычно IT-специалисты исповедуют простой принцип: "производительности слишком много не бывает". В полной мере он распространяется и на сети. Однако жизнь всегда преподает нам уроки, и один из самых неожиданных заключается в том, что существуют ситуации, когда пропускная способность становится излишней. Именно с таким загадочным феноменом столкнулись провайдеры оптических коммуникаций.

Суть проблемы

Сегодня инсталляция коммуникационной системы, которая обеспечивала бы передачу потока данных практически любой интенсивности, не является проблемой — были бы деньги. Технология плотного мультиплексирования с разделением по длинам волн (Dense Wavelength Division Multiplexing — DWDM) позволяет "упаковывать" в одно-единственное оптоволокно большое количество отдельных сигналов с разными длинами волн. Уже используется 40- и 80-канальное оборудование, способное поддерживать даже терабитовые соединения. Основное препятствие на пути широкого распространения оптоволоконных магистралей заключается в необходимости усиливать сигнал каждые 80 км и полностью регенерировать его уже через 400 или 500 км. Для выполнения этих операций требуется дорогостоящее электрооптическое оборудование, стоимость которого увеличивается прямо пропорционально количеству каналов.

Сотрудники PhotonEx

В точках доступа к сети приходится устанавливать оборудование SONET/SDH. Сегодня в основном управление сетью также осуществляется с помощью электрооптики, и это означает, что любая операция c данными — маршрутизация или коммутация — требует преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот. Пока это не вызывает существенных затруднений (исключая, конечно, финансовые), однако уже в ближайшем будущем дальнейшее увеличение производительности магистралей будет сдерживаться принципиальной неспособностью электрических устройств обрабатывать информацию на столь высоких скоростях. Модернизация быстро устаревающей по нынешним меркам инфраструктуры становится головной болью для провайдеров. Типичная конфигурация отдельного сегмента сети — кольцо. Чтобы увеличить скорость обмена данных в кольце, приходится заменять все подключенное к нему оборудование. Соединения с соседними сегментами также подлежат обновлению. Ну а поскольку сегмент не есть замкнутая система, то для ретрансляции возросшего исходящего трафика может понадобиться и модификация остальных колец сети. Типичный процесс модернизации оптической магистрали, основанной на архитектуре SONET/SDH, требует нескольких месяцев работы и миллионов долларов инвестиций.

Необходимость регенерации сигнала делает построение длинных линий коммуникаций нетривиальной задачей. К счастью, вплоть до последнего времени голосовой трафик (телефонная связь) имел четко выраженную тенденцию к локализации. В новом тысячелетии вследствие стремительного роста Internet "тощие" линии междукольцевых соединений будут испытаны на прочность потоками данных в формате IP-пакетов. Заранее предсказать их направленность и взаимозависимость практически невозможно, поэтому нынешняя сетевая идеология оптических магистралей неизбежно должна потерпеть фиаско.

Решение

О решении можно сказать просто: оно существует, логика его очевидна и оно уже используется при прокладке подводных линий связи. Определение этого класса технологий — "сверхдальняя транспортировка" (ultralong-haul) — широко и расплывчато. Таким словосочетанием обозначают способ передачи световых сигналов по оптоволокну на большие расстояния без применения усилителей и регенераторов. Добиться увеличения дистанции "свободного пробега" с 80 км до приемлемых 500—4000 км позволяют алгоритмы с использованием прямого (без повторной передачи) исправления ошибок (forward error correction), распределенное и, следовательно, более однородное рамановское усиление (Raman amplification), включение участков оптического кабеля на основе волокна с примесями эрбия — так называемые EDFA-усилители (Erbium Doped Fiber Amplifiers). Об эффекте усиления в такого рода материалах было написано еще в статье "Последняя миля оптических коммуникаций" ("Компьютерное Обозрение", # 44, 2000). Что касается рамановского усиления, то оно основано на явлении вынужденного комбинационного рассеяния света, в котором своеобразно проявляются черты обычного комбинационного рассеяния и вынужденного излучения, используемого в квантовых генераторах. В самых общих чертах суть явления заключается в следующем. Атомная система с помощью лазера накачки, излучающего фотоны с энергией hvn, переводится в возбужденное состояние. Если на такую систему подать внешнее излучение с частотой vnvi, где i — более низколежащий энергетический уровень, то оно будет стимулировать излучение такой же частоты, интенсивность которого превышает интенсивность падающего излучения. Ввод излучения можно производить с любого конца линии.

На больших расстояниях проявляется и враг номер два (после затухания импульсов в световоде) оптических коммуникаций — дисперсия. С ней можно бороться с помощью алгоритмов FEC.

Что касается практического применения, то в контролируемой среде подводных линий трансконтинентальной связи провайдеры добиваются "рекордных" дистанций прохождения сигналов без промежуточного усиления. Однако на суше мало кому удавалось воспроизвести их достижения, не говоря уже о попытке создать оборудование, пригодное для коммерческой эксплуатации. Последнее утверждение долгое время было справедливым, но сегодня оно постепенно теряет свою силу. Несколько молодых компаний уже вступили в борьбу за раздел будущего рынка оптических коммуникаций на сверхбольших расстояниях.

PhotonEx…

"Необычное" — вот подходящее слово, которое характеризует практически все факты, связанные с этой стремительно растущей компанией, обосновавшейся в городке Бедфорд штата Массачусетс. Поэтому для читателей не будет неожиданностью узнать, что компания зародилась в стенах всемирно известного Массачусетского технологического (MIT), а именно, в застекленных корпусах лаборатории Линкольна (Lincoln Laboratory), расположенных всего в миле от офиса фирмы. А если вам сказать, что руководит PhotonEx (занимает должность CEO) опытный специалист и выдающийся ученый доктор Раушенбах (Dr. Rauschenbach), автор шести патентов, первый зам. руководителя подразделения Communications & Information Technology институтского комитета Executive Leadership Steering Committee, основатель организации Advanced Networks Group, призванной ускорить коммерческое внедрение академических разработок? Какие ассоциации у вас вызывает такое сочетание звания и фамилии: седовласый и невыносимо педантичный старик-ученый? Однако к фамилии Раушенбах прилагается вполне симпатичное имя Кристина (Kristin). Вместе со своей коллегой, тоже доктором наук, Катериной Холл (Dr. Katherine Hall) она уже долгое время работает на переднем крае технологий оптических коммуникаций. Раушенбах и Холл участвовали в создании BoSSNet в рамках президентской инициативы Next-Generation Internet (NGI), а также в разработке первой в мире технологии полностью оптической сети с пропускной способностью 100 Gbps. Опыт, который получила Кристина, занимая высокие посты в организациях, связанных с внедрением новейших технологий в производство, наверняка сыграл немаловажную роль, когда администрация института принимала решение "отдать" образованной компании 12 патентов. Впрочем, у PhotonEx существует и третий основатель — ветеран сетевых технологий доктор Наньин Йин (Nanying Yin). Свою деятельность на ниве оптических коммуникаций Йин начал в компании Wellfleet, которая вскоре вошла в состав концерна Bay Networks, который, в свою очередь, "пал жертвой" амбиций канадского гиганта Nortel. В последнем он отвечал за создание маршрутизатора Carrier IP Router производительностью 0,5 Tbps и разработку линейки продуктов IP Packet Processor для соединений с пропускной способностью 10 Gbps.

Успехи молодой массачусетской компании в разработке высокоскоростных оптических коммуникаций на сверхбольшие расстояния вполне объяснимы. Еще в 1997 г. Раушенбах и Холл в ходе экспериментов с BoSSNet смогли обеспечить функционирование непрерывного оптического сегмента длиной 1600 км и пропускной способностью 10 Gbps. Чуть позднее, в лабораторных условиях, они сумели добиться такого же результата на дистанции в 10 тыс. км.

Несмотря на то что многие ключевые элементы технологии были уже давно готовы, PhotonEx была основана только в сентябре 1999 г. Однако д-р Раушенбах уверена в своих силах. И в самом деле, в первом же раунде финансирования, в котором участвовали инвестиционные компании Matrix Partners и North Bridge Venture Partners, удалось собрать 8 млн. долл. И это всего лишь спустя два месяца после регистрации предприятия. Дальше — больше, во втором раунде финансирования было аккумулировано 80 млн. долл. — едва ли не самая большая инвестиция в истории молодых технологических коммуникационных компаний. Такой успех у обладателей венчурного капитала вряд ли мог быть обеспечен только наличием "коктейля" из патентов, ведущих сотрудников института и практического опыта основателей. То, чего не смогли бы дать громкие имена, было достигнуто благодаря дерзкой новизне предложенной сетевой архитектуры. Разрабатываемая PhotonEx полностью оптическая инфраструктура плюс зрелая технология передачи сигналов на сверхбольшие расстояния делает реальностью новую сетевую философию. Теперь провайдеры смогут модернизировать оконечное оборудование, не меняя конфигурации линии на всем ее протяжении, как это требовалось ранее. Следовательно, они с легкостью сумеют обеспечить необходимой пропускной способностью стремительно возрастающие аппетиты клиентов, вкладывая деньги в новое оборудование по мере необходимости. Станет возможным прямое подключение пользователей непосредственно к магистральным каналам. Специалисты компании считают, что вскоре в этом действительно возникнет необходимость, поскольку сегодня четко прослеживаются тенденции внедрения в бизнес распределенных технологий обработки информации, базирующихся на концепции одноранговых сетей. Это потребует максимальной мощности от пресловутых решений для "последней мили". Ученые указывают на то, что видеоконференции, потоковое видео и аудио, богатый мультимедийный контент становятся частью жизни рядового потребителя. ASP-провайдеры, предлагающие удаленное использование приложений, также внесут свою лепту. В совокупности вышеперечисленные факторы приведут к непредсказуемым скачкам плотности трафика, а также проявлению других тенденций. Сегодня модернизация оптических линий связи требует от провайдеров нетривиальных усилий. При их инсталляции приходится делать болезненный выбор между стоимостью и производительностью. PhotonEx обещает наступление новых времен: изначально недорогое решение можно будет модернизировать до требуемого уровня. Кроме того, специалисты компании ориентировались на использование уже существующих промышленных компонентов. Оконечные пользовательские сегменты, включающие в себя локальные сети или индивидуальные ПК, смогут подключаться к магистрали 100 Gbps с помощью недорогого оборудования с минимальной пропускной способностью всего 1 Gbps.

К сожалению, достаточно подробных описаний созданной PhotonEx уникальной архитектуры найти не удалось. Впрочем, неплохое представление о ней могут дать ранее опубликованные работы Раушенбах и Холл. Вот, к примеру, описание технологии, созданной с их участием в 1996 г. в рамках программы All-Optical Networking Consortium.

Рис. 1

Сеть основывается на использовании технологии мультиплексирования с разделением по времени (Time-Division Multiplexing — TDM), которая идеально подходит для удовлетворения требований пакетно-ориентированных протоколов. Этот выбор был продиктован гибкостью данного варианта мультиплексирования и принципиальной возможностью осуществления программного управления выделением ресурсов, а следовательно, построения полностью оптической инфраструктуры. Если DWDM подразумевает фиксированное распределение данных между множеством отдельных каналов, то при использовании TDM все соединения разделяют один-единственный канал. Данная методика объединяет в себе два противоположных по сути подхода: выделение гарантированной пропускной способности и предоставление пропускной способности по требованию. Фактически это означает, что такую сеть не сможет смутить ни внезапный наплыв посетителей на сайт, опубликовавший результаты скандального расследования, ни необходимость обеспечения стабильности видео- или аудиопотока. Чтобы удовлетворить этим плохо сочетаемым требованиям, ученые создали оригинальный алгоритм распределения сетевых ресурсов под названием HLAN (рис. 1). Базовыми единицами передачи являются слоты, которые объединяются в сегменты, а те, в свою очередь, входят в состав фрейма. Головной узел генерирует пустые фреймы, содержащие три сегмента: GBW Segment, BOD Segment и RCV Segment. GBW означает guaranteed bandwidth, и в этом сегменте располагаются данные потоков, требующих гарантированной пропускной способности. BOD — это аббревиатура от bandwidth on demand, соответственно, второй сегмент отведен под приложения, генерирующие трафик периодически. RCV — сокращение от слова receive, так что последний сегмент фрейма используется для организации передачи данных в обратном направлении. Приложения резервируют свободные слоты в сегменте GBW, посылая запрос головному узлу в BOD-сегменте. "Выдача" свободных слотов осуществляется посредством C-маркеров. За маркером следует несколько пустых слотов, в которых узлы могут размещать свои данные. Принятый узлом маркер дает ему право на использование некоторого числа слотов. По мере отсылки данных кредит уменьшается, но по завершении передачи он восстанавливается. Длительность интервалов между выдачей маркеров гибко меняется в зависимости от состояния системы. Если в течение некоторого времени в сети отсутствуют свободные слоты, она увеличивается, что снижает пропускную способность, отведенную каждому из узлов. В случае же обнаружения большого количества пустующих слотов длительность интервала уменьшается.

Выбирая оборудование для проведения экспериментов, исследователям пришлось столкнуться с рядом серьезных проблем. Сразу встал вопрос недостаточно быстрого генератора импульсов. Обычные схемы с использованием переключения мощности, полупроводниковые лазеры и тому подобные стандартные технологии не позволяли выдавать стабильные пакеты сигналов на частоте 100 GHz. Пришлось обратиться к схеме с лазером c распределенной обратной связью (DFB laser), внешним модулятором и солитонной компрессией. Компрессия призвана "сжимать" импульсы, снижая уровень требований к генератору.

На высоких скоростях следования сигналов очень трудно выполнять синхронизацию, а если говорить об электрических устройствах, то и вовсе невозможно. Учеными было создано два варианта чисто оптической синхронизации: электрооптическая фазовая синхронизация (electro-optical phase-lock loop) и оптическая на основе синхронизации волн (optical mode-locking). Затем настал черед процедуры буферизации данных, и здесь электроника тоже была бессильна. Пришлось прибегнуть к оптическому аналогу буферов. При их конструировании исходили из предположения, что при высокой пропускной способности потребуется хранение информации только в течение периодов порядка нескольких сотен микросекунд. В рециркуляционном кольце с применением амплитудной модуляции удалось добиться хранения 1,76 Kb данных при пропускной способности сети 20 Gbps, а в случае использования рационально-гармонической модуляции — 3,8 Kb на скорости 50 Gbps.

Поскольку высокоскоростные каналы плохо приспособлены для передачи данных на большие расстояния, удаленные сетевые узлы подключаются с применением другой методики мультиплексирования — WDM. В экспериментальной системе (рис. 2) производительность отдельного канала не превышала 10 Gbps. Трансформацию единого потока данных, поступающих в формате TDM, в отдельные параллельные потоки выполняет шлюз. Обратное преобразование — также прерогатива данного устройства. Операция демультиплексирования/мультиплексирования требует изменения длительности импульсов, а также изменения длины волны несущей. Этого удалось достичь, прибегнув к помощи нелинейного оптического закольцованного отражателя — NOLM (Nonlinear Optical Loop Mirror), который представляет собой просто очень длинный кусок оптоволокна, изменяющего сигнал вследствие дисперсии. Чтобы управлять пересылкой данных по сети на адресном уровне, был разработан полностью оптический коммутатор Ultrafast Nonlinear Interferometer (UNI) с производительностью 40 Gbps.

Рис. 2

PhotonEx, помимо разработки технологий физического уровня, собирается совершить революцию и в области средств управления сетью. Действительно, типичная современная архитектура оптической сети крайне статична. Во многом из-за сложности выполнения каких-либо логических манипуляций с оптическим сигналом, распространяющимся на огромных скоростях по множеству каналов. PhotonEx собирается разрушить стереотип и предложить провайдерам не только оборудование, но и программное обеспечение, способное с ним совладать. Во всяком случае, на бумаге все выглядит достаточно многообещающе. В принципе, возможности гибкого управления были обнаружены даже в ранних экспериментах с TDM—DWDM-сетью (фреймовая структура, система маркеров и так далее). Эксперты отмечают, что, будучи реализованной на практике, удобная и завершенная система менеджмента магистральной оптоволоконной инфраструктуры произведет настоящий фурор на рынке.

В данный момент компания хранит в секрете все подробности относительно своих разработок. Вполне возможно, что они все еще продолжаются. Конфиденциальность здесь — наивысшая ценность, даже на простой вопрос "Сколько сотрудников лаборатории Линкольна было нанято?" нельзя получить определенный ответ. Некоторые аналитики, размышляя о дальнейшей судьбе этого исследовательского учреждения, даже начинают беспокоиться о том, кто же "в лавке остался"?

Тем не менее кое-что конкретное уже стало известно. Как обещает Раушенбах в своих многочисленных интервью, первые коммерческие продукты будут готовы к концу нынешнего года. Их производительность должна быть не менее 40 Gbps. Более того, исполнительный директор пообещала, что некоторые сведения, касающиеся технологии, будут раскрыты в первом квартале 2001 г. Ждем.

…и другие

Но не стоит думать, что только Кристина и Катерина пытаются "спасти мир" от сетевых заторов. В области оптических коммуникаций на больших расстояниях работают, и довольно плодотворно, сразу несколько молодых компаний. Самое удивительное заключается в почти "мистической" связи, установившейся между ними. Наиболее яркий пример являет собой прямой конкурент массачусетской фирмы — Sycamore Networks. Она была образована в 1998 г. Риком Барри (Rick Barry) и Эриком Свансоном (Eric Swanson), выходцами из… лаборатории Линкольна. И у них уже есть готовые продукты, которые успешно продаются, — серьезная фора. Более того, прошлой осенью был зафиксирован квартальный оборот, превышающий 100 млн. долл., и заявлено о подписании контракта с Vodafone о поставках коммутационного оборудования на сумму 40 млн. долл. "Мантра" компании, красной нитью проходящая через все ее презентационные материалы, созвучна тем целям, которые поставила перед собой PhotonEx: управляемые оптоволоконные сети. Здесь явно чувствуется "родственное происхождение". В трактовке Sycamore Networks этот лозунг звучит как Intelligent Optical Networks. Клиентам предлагается набор под названием EtherOptic, состоящий из модулей SN10000 и SN8000 Intelligent Optical Transport System, маршрутизатора SN3000 Optical Access Switch и SILVX Optical Network Management System. Как говорится в рекламном проспекте: "Решения EtherOptic обеспечивают достаточную интеллектуальность и масштабируемость, чтобы удовлетворить требованиям широкого круга приложений, основанных на IP-протоколе, включая прозрачное соединение локальных сетей, индивидуальные гигабитовые линии к магистральным маршрутизаторам/коммутаторам и высокоскоростной доступ к оптическим сетям".

Еще одним претендентом на титул "дальше и больше всех" в прошлом году стал и французский гигант Alcatel. На конференции Supercomm 2000 корпорация отчиталась о проведенной демонстрации, в ходе которой была осуществлена передача на расстояние 3 тыс. км по единственному одномодовому волокну, содержащему 80 каналов по 10 Gbps каждый. При этом для усиления сигналов использовались комбинированные двухступенчатые EDFA/рамановские усилители. Установка базировалась на системе DWDM Optinex 1640.

Недолго думая, в борьбу ввязалась и канадская Nortel, которая приобрела фирму Qtera — небольшого, активно растущего новичка, как и PhotonEx, сделавшего основную ставку именно на технологии ULH. Здесь проявляется еще одна далекая, но, тем не менее, отчетливая "родственная связь" — Наньин Йин, один из основателей массачусетской "венчурной сенсации". Основной продукт Qtera под названием Qtera Ultra переименовали в Optera Long Haul 4000 Optical Line System. Цифра "4000" появилась в названии не случайно — именно на столько километров без промежуточной электрооптической регенерации может передавать сигналы данная система. Уже заключен первый контракт на модернизацию сети американского провайдера Global Crossing, в рамках которого оборудование будет инсталлировано в линии связи между Сакраменто и Сиэтлом длиной 1450 км.

Ciena — это еще одна начинающая фирма, серьезно взявшаяся за реализацию ULH-технологии в конкретных изделиях. Ее продукт — система CoreStream — обещает распространение сигналов на расстояние более 5 тыс. км без регенерации. В первом квартале текущего года ожидается первая инсталляция оборудования, способного одновременно ретранслировать до 160 потоков по 10 Gbps каждый по линии длиной 2 тыс. км. Список технических ухищрений, которыми воспользовались специалисты компании для достижения таких впечатляющих результатов, включает в себя рамановское предусиление, FEC, управления нелинейностями, различные методики контроля дисперсии.

И ряды желающих заняться новым видом оптических коммуникаций продолжают расти. В их числе — канадская Solinet Systems, английский коллектив Solstis (подразделение Marconi, созданное по схеме, используемой Xerox, и работающее в режиме "эмуляции" начинающей фирмы), мичиганская Xtera, возглавляемая профессором Мохаммедом Исламом (Mohammed Islam). Однако с практической точки зрения всех превзошла компания Corvis. Она не только уже выпускает линейку продуктов для реализации систем ULH, но и успела акционироваться. Суммарно подписанные ею контракты составляют астрономическую для этого вида бизнеса сумму — 550 млн. долл.!

Выше мы уделили внимание множеству разнообразных проблем, которые подстерегают оптические коммуникации, однако все же упустили самую главную. Она заключается в инертности большинства провайдеров. Вплоть до первого "падения" сети они, как правило, не понимают срочной необходимости модернизации своей инфраструктуры в соответствии с требованиями новых видов приложений. Однако некоторая проблематичность заключается в том, что согласно новомодным законам современного бизнеса "шкуру неубитого" рынка систем ultralong-haul начали активно делить еще тогда, когда, собственно, и предмета дележа еще не существовало в природе.

Сегодня Internet-ориентированный бизнес переживает тяжелый кризис, который был обусловлен появлением множества конкурирующих компаний в небольшом, но потенциально богатом секторе экономики. Будем надеяться, что недальновидность подобного рода не станет помехой для так необходимого, и в первую очередь нам — конечным пользователям, развития магистральных и локальных систем оптических коммуникаций нового поколения.