Успехи в области оптических технологий передачи данных приводят к тому, что
и телекоммуникационная индустрия, и сетевая масштабов WAN и MAN движутся навстречу
новой генерации магистральных сетей — оптическим. О революционности подобного
перехода говорит не только их фантастически высокая пропускная способность, но
и то, что вместе с ним изменится и парадигма мышления инженера-связиста — теория
слабых токов, скорее всего, станет играть вспомогательную роль, а ее место займет
оптика.
Оптические методы передачи данных заявили о себе с начала 80-х. Сегодня оптическое
волокно достаточно широко используется и в телекоммуникационных, и в компьютерных
сетях любого масштаба, а SONET (Synchronous Optical Network) в последнее десятилетие
во многих случаях исполняет роль транспортной сети. Однако в технологиях SONET/SDH
для уплотнения сигналов применяется мультиплексирование с разделением по времени
(Time Division Multiplexing — TDM), что требует при передаче на большие расстояния
электрической регенерации сигналов и, соответственно, оптоэлектронных преобразователей.
Об оптических сетях как о самостоятельной технологии заговорили лишь с появлением
метода плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (Dense Wavelength
Division Multiplexing — DWDM) ("Компьютерное
Обозрение", # 28, 1999), а также с разработкой устройств, позволяющих
выполнять все функции по формированию, обслуживанию и передаче трафика и оставаться
при этом полностью в оптической среде. Эти последние условия и могут служить определением
оптических сетей.
Прежде чем переходить к более детальному рассмотрению особенностей и компонентов оптических сетей, напомним вкратце, что стоит за акронимом DWDM. Эта технология позволяет передавать множество сигналов по одному оптическому волокну. При этом для каждого из сигналов используются разные длины волн. Таким образом, в одном физическом канале создается несколько виртуальных. Основная идея DWDM иллюстрируется на рис. 1. Ранние версии оптического уплотнения использовали два окна прозрачности оптоволокна на длинах волн 1300 и 1550 нм. Это давало два широко разделенных по длине волны канала на одном световоде. Некоторые системы формировали четыре также довольно широко (десятки и сотни нанометров) разделенных канала в полосе 1550 нм. Однако только последние достижения в этой области позволили объединить восемь и более каналов в одном волокне и тем самым заявить о плотном (dense) мультиплексировании.
 |
| Рис. 1 |
Реально о DWDM можно было уже говорить в 1985 г., когда в Лабораториях Белла (Bell Laboratories) и исследовательском центре AT&T, ныне принадлежащем компании Lucent, удалось мультиплексировать 10 каналов по 2 Gbps каждый, отстоящих друг от друга на 1,3 нм. В 1996 г. сразу три компании — Bell Labs, Fujitsu Labs и Nippon Telegraph and Telephone — в лабораторных условиях достигли скорости передачи 1 Tbps, а организация All-Optical Networking Consortium сообщила о возможности увеличить пропускную способность до 4 Tbps, объединяя 40 каналов по 100 Gbps каждый. Доступные сегодня системы позволяют поддерживать до 100 каналов, получая в сумме пропускную способность в несколько сотен гигабит в секунду.
Сетевая архитектура.
Сервисный и транспортный уровни
Для понимания той роли, которая отводится оптическим сетям в иерархической структуре глобальных сетей, кратко рассмотрим модель взаимодействия в них технологий передачи сигналов.
В процессе развития сетей передачи данных стало ясно, что наиболее эффективный способ их проектирования и построения сводится к разбиению архитектуры мультисервисной сети на несколько уровней, которые соотносились бы между собой по схеме клиент-сервер. При этом нижний уровень в иерархии служил бы сервером для верхнего уровня—клиента. Такое построение позволяет специализировать каждый из уровней для оптимального в некотором смысле выполнения его основных функций. Конечно, количество структурных уровней зависит от выполняемых задач, однако наиболее общим является деление на два фундаментальных уровня: сервисный и транспортный. В традиционной модели (рис. 2, а) сервисный уровень может включать пакетные технологии IP, ATM, Frame Relay, а также службу передачи голоса, в то время как транспортный уровень для высокоскоростных магистральных сетей обычно строится на базе SONET/SDH. Появление оптических сетей вносит определенные коррективы в эту схему. Теперь сервисный уровень может как прямо опираться на оптическую сеть, так и взаимодействовать с ней с сохранением традиционной иерархии (рис. 2, б). При этом обе транспортные технологии могут бесконфликтно сосуществовать в одной сети, что обеспечивает постепенный и "бесшовный" переход на оптические сети.
 |
| Рис. 2 |
Базовые элементы оптической сети
Как уже упоминалось, выход оптоволоконных сетей из стен лабораторий на рынок стал возможным благодаря успехам в разработке основных оптических элементов, таких, как оптоволоконные широкополосные оптические усилители, достаточно точные волновые демультиплексоры, оптические мультиплексоры ввода/вывода каналов, узкополосные лазеры и ряд других устройств. Опишем в чисто иллюстративных целях некоторые принципы их работы.
Оптический оптоволоконный усилитель (Optical Fiber Amplifier — OFA) содержит участок волокна с примесью эрбия (Erbium Doped Fiber Amplifier — EDFA), который приводится в возбужденное состояние с помощью лазера накачки (рис. 3). Усиленное излучение стимулируется проходящим световым потоком. Одним из наиболее важных достоинств такого метода, кроме удивительной простоты, является слабая зависимость вынужденного излучения от частоты падающего света, что позволяет выполнять усиление в достаточно широком диапазоне частот (обычно это полоса 1530—1560 нм).
 |
| Рис. 3 |
Что касается волновых демультиплексоров, то они могут быть построены на базе нескольких технологий. В частности, в них могут применяться многослойные интерференционные фильтры или оптоволоконные решетки Брэгга. В первом случае используется свойство многослойных интерференционных фильтров пропускать свет определенной длины волны и отражать остальной. Попадая на вход такого фильтра, сложный сигнал достигает, к примеру, "красного" фильтра, который пропускает свет с длиной волны, соответствующей красному цвету, и отражает остальной пучок, скажем, к "зеленому" фильтру и т. д. Оптоволоконная решетка Брэгга представляет собой участок волокна, в сердцевине которого коэффициент преломления непрерывно и периодически изменяется. Эти изменения можно вызвать воздействием ультрафиолетового излучения, прикладываемого с помощью интерферометра или фазовой маски. Таким образом получают пространственную дифракционную решетку, позволяющую разрешить главные максимумы дифракционной картины для каждой из длин волн. Установив соответствующую матрицу светоприемников, выделяют каналы из составного сигнала. Оптические мультиплексоры ввода/вывода каналов (Optical Add-Drop Multiplexer — OADM) позволяют ввести или выделить низкоскоростной канал, не выполняя при этом полного демультиплексирования сигнала. Такой мультиплексор помещается в любом месте между терминалами. Современные устройства могут оперировать несколькими десятками оптических каналов. Одна из ключевых особенностей технологии OADM заключается в том, что она допускает с помощью специальных преобразователей (transponder) прямое подключение каналов ATM, FR и IP к оптическому уровню. Схема такого устройства на базе настраиваемых фильтров и пространственных коммутаторов приведена на рис. 4.
 |
| Рис. 4 |
Очевидно, что реализация технологии DWDM невозможна без стабильного узкополосного и когерентного источника излучения. Современные лазеры, излучающие когерентный свет в очень узком диапазоне частот, формируют в оптической сети индивидуальные виртуальные оптические каналы. Обычно в системах с дальней связью используются лазеры с внешней модуляцией, в то время как для ближней связи — с внутренней модуляцией. Лазер может быть модулем DWDM-системы (transponder) или встроенным в блок системы верхнего уровня, например элементом SONET. В первом случае DWDM-система называется открытой. Такие системы имеют стандартизованные оптические интерфейсы, благодаря чему можно подключать к ним разнообразных клиентов. Каждый из сигналов преобразуется в луч с уникальной длиной волны и поступает в мультиплексор, а затем — в оптическую среду передачи (рис. 5). Во втором случае DWDM-система называется закрытой. Она, напротив, не позволяет другим клиентам, кроме предусмотренных проектом, разделять полосу пропускания канала.
 |
| Рис. 5 |
Сфера применения оптических сетей
Наибольшие преимущества от использования оптических сетей получат операторы
дальней связи. Это становится очевидным из рис. 6. При передаче на длинные расстояния
световые сигналы затухают и требуют периодической регенерации. Если в роли транспортной
сети выступает SONET, то такая регенерация должна выполняться через каждые 40—80
км. Таким образом, для восьмиканальной сети протяженностью 600 км необходимо 72
ретранслятора. При использовании технологии DWDM, во-первых, нужна только одна
оптоволоконная пара, а, во-вторых, "пролет" между усилителями увеличивается
до 120 км. Кроме того, для регенерации сигнала обычными методами с помощью электрооптических
повторителей необходимо было сначала преобразовать световой сигнал в электрический,
усилить его и произвести цепочку обратных преобразований. Оптические же усилители
EDFA позволяют избежать двойного преобразования. В итоге это значительно уменьшает
стоимость как разворачивания глобальной сети, так и передачи данных.
 |
| Рис. 6 |
Еще одно применение описанные оптические технологии могут найти в сетях масштаба
города. Обычно в таких сетях расстояние между смежными терминалами невелико, поэтому
при использовании технологии DWDM оптические усилители могут вообще не потребоваться.
Мир никак не может утолить свой "голод", требуя все большей и большей
пропускной способности сетевых магистралей. Оптические сети обещают предоставить
практически неограниченную полосу пропускания. Технология DWDM, примененная в
системах дальней связи, уже сейчас увеличила возможности имеющихся оптоволоконных
коммутаторов в несколько десятков раз и обещает дальнейшее повышение их производительности.
Учитывая низкую стоимость разворачивания и простоту сопряжения оптических сетей
с существующими сетевыми топологиями, уже в ближайшее время можно ожидать перехода
глобальных сетей к полностью оптическим.