Světlo představuje naději pro počítačové sítě

Vývojáři síťových zařízení chtějí odstranit úzká místa rozlehlých sítí a Internetu použitím optických pře...


Vývojáři síťových zařízení chtějí odstranit úzká místa rozlehlých sítí a
Internetu použitím optických přenosových technologií. Své naděje vkládají
zejména do přístrojů, které "přepínají" čisté světlo. První vlaštovkou je plně
optický přepínač WaveStar společnosti Lucent, o kterém jsme vás informovali v
CW 47/99.
V lokálních sítích se situace poněkud normalizovala. Pokud si uživatelé stěžují
na malou šířku pásma, mají správci sítě několik možností zlepšení. Mohou
například nainstalovat přepínače a vybavit pracovní stanice, které nejvíc
volají po větší šířce pásma, vyhrazenou přenosovou cestou s rychlostí 10 nebo
100 Mb/s. Když ani to nestačí, mají ještě možnost upgradovat na Gigabitový
Ethernet nebo ATM.
V rozlehlých sítích a na Internetu je situace komplikovanější. Problém s
nedostatečnou přenosovou rychlostí tu tak snadno vyřešit nelze, což může v
příštích letech přerůst v zásadní brzdu dalšího rozvoje. Podle studie agentury
pro výzkum trhu Dataquest se má do roku 2005 sloučit až 95 % dosud samostatných
segmentů telekomunikací a zpracování informací (LAN). Experti mluví o
"konvergenci sítí" a slibují si od toho silné růstové impulzy zejména pro
odvětví, jako jsou zábavní elektronika a média. Za předpokladu ovšem, že datové
kanály veřejné sítě zvládnou přírůstek provozu.
Z tohoto důvodu vyvíjejí telekomunikační firmy již nyní enormní úsilí, aby
rozšířily své sítě a nabídly uživatelům v domácnostech, zaměstnancům pracujícím
doma (Small Office, Home Office) nebo ve firmách dostatečnou přenosovou
kapacitu. Mezi technologie, které se přitom uplatní, patří kabelové modemy a
xDSL (Digital Subscriber Line). Deutsche Telecom např. již v minulém roce začal
na německém trhu poměrně masivně nabízet službu ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line).
Ani tyto snahy však nestačí: rychlé přístupové služby neukojí hlad po přenosové
kapacitě takových aplikací, jako jsou Video on Demand, vysokorychlostní přístup
k Internetu nebo videokonference. Novodobé aplikace jako IP-telefonie se budou
i v budoucnu potýkat s problémy v důsledku nedostatečné kapacity páteřních
sítí. Mechanismy QoS (Quality of Service) mohou sice postupně vylepšovat
kvalitu přenosu, avšak kvality, která je dnes obvyklá u mechanismů pro
přepojování kanálů (Circuit-Switching), nemohou ani zdaleka dosáhnout. V
konečném důsledku to znamená, že úzká hrdla lokálních účastnických smyček a
páteřních sítí brání drastickému snížení cen přenosových služeb.
Wavelength Division Multiplexing
Protože v krátké době budou hovorové, datové i videoslužby přenášeny stejnou
síťovou infrastrukturou, budou příští generace směrovačů, přepínačů a
přístupových komponent podporovat jak přenos dat s přepínáním paketů (Packet
Switching), tak i kanálů a okruhů (Circuit Switching).
I u rozlehlých sítí byl docílen pokrok. U dvoubodových přímých spojení dvou
sítí se osvědčuje zejména technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing).
Někteří výrobci, mezi nimi Alcatel a Siemens, vyvinuli technologii zvanou DWDM
(Dense Wavelength Division Multiplexing) a testují její komponenty.
Aktivní komponenty odfiltrují různé vlnové délky a přenášejí je dál; k přímému
DWDM přepínání přitom ovšem nedochází. Místo toho se přijaté různé vlnové délky
mění na elektrické signály, jsou zpracovány Multiplexerem a dál se přenášejí
jako světelné signály.
Přepojování paketů i kanálů
Velkou výhodou DWDM je, že umožňují na stejné infrastruktuře integrovat jak
přepojování paketů, tak i kanálů. Síť DWDM může na příklad použít struktury
sítě Sonet i SDH nebo přenášet paralelně ATM, hovorové, video i IP toky. Přenos
různých vlnových délek po tomtéž skleněném vláknu řeší navíc problémy kvality
služby (Quality of Service): provozní toky s vysokou prioritou se přenášejí po
zvláštní vyhrazené vlnové délce a mají přenosovou charakteristiku jako spojení
s přepojováním okruhů.
Multiplex s dělením podle vlnové délky využívá u optických přenosových médií
vlnové délky 850 nm, 1 300 nm a 1 550 nm. WDM používá třetí vlnovou délku. Na
bázi hlavní frekvence 1 550 nm může být symetricky kaskádně modulováno až 80
různých vlnových délek a přenášeno jedním skleněným vláknem. Aby se zabránilo
interferencím, oddělují se kanály mezi sebou bezpečnostním odstupem 0,8 nm.
Vývoj není ještě ukončen, takže i "magická hranice" 80 vlnových délek na vlákno
může být v budoucnu ještě překročena.
Požadavky na sklo
Technologie DWDM klade ovšem na kabely se skleněnými vlákny jisté požadavky.
Optimální světlovody pro technologii DWDM jsou označovány jako "Non-zero
Dispersion Shifted Fibres". U těchto vláken je potlačován nelineární přenosový
efekt při šíření různých frekvencí médiem. Proto se různé vlnové délky mohou
šířit rovnoměrně. To ovšem znamená, že starší kabely se skleněnými vlákny mohou
být někdy pro účely DWDM nepoužitelné a budou se muset vyměňovat.
Navíc musejí být spoje a konektorové systémy dimenzovány pro příslušný rozsah
vlnových délek. Je nutno brát v úvahu, že v běžných systémech LAN jsou při
přejímce obvykle testovány jen první (850 nm) a druhá (1 300 nm) vlnová délka.
Optické přepínání
U DWDM představuje každá vlnová délka separátní síť nebo vlastní datový spoj. V
jedné kruhové síti WAN nebo MAN (Metropolitan Area Network) se sbíhá v jednom
nebo ve více uzlech několik takových svazků. Proto se v nich musí různé sítě a
datové spoje přepínat spínacím prvkem, podle formule N x M : N udává počet
přenosových tratí a M definuje počet vlnových délek. Přepínač DWDM v předávacím
uzlu musí proto umět přepínat signály všech vlnových délek ze vstupních portů
na libovolnou vlnovou délku na výstupu.
S běžnými přenosovými technologiemi a hardwarovými komponentami lze docílit
přenosové rychlosti 40 až 100 Gb/s. Vyšší přenosové kapacity jsou omezeny
fyzikálními vlastnostmi polovodičové a sběrnicové techniky. Čím menší jsou
spínací struktury, tím větší je elektromechanické ovlivnění jednotlivých spojů.
Proto je nutno počítat s omezenými možnostmi běžné techniky.
Vývoj WDM technologie vyžaduje podstatně vyšší přenosové výkony aktivních
přenosových a spínacích prvků. Aby se při transferu informací docílily
vlastnosti obvyklé při spínání okruhů (Circuit Switching), jsou navíc při
spínání nutné extrémně krátké přepínací doby. Dalším požadavkem je dynamické
přiřazování šířky pásma. Nové spínací způsoby musejí proto podporovat funkce
síťových politik a nově se konfigurovat podle datových toků a přenášených
paketů, resp. rámců, a to během několika málo nanosekund, které jsou při DWDM
pro spínání k dispozici. Proto se tato technologie integruje také do směrovačů
a přepínačů 3. vrstvy.
Spíná se čisté světlo
Datová komunikace má před sebou v pravém slova smyslu "světelnou budoucnost".
Komponenty docílí přenosové výkony nad hranicí 100 Gb/s a mají předpoklady
proniknout až do terabitové oblasti. Další slibnou technologií je spínání ve
vláknové optice (Photonic Switching). Upouští v podstatě od převodu z optické
na elektronickou formu a "spíná" jen čisté světlo. Výhody této technologie jsou
zejména v regeneraci optického výkonu a v optimálním přenosu modulovaných dat.
Optické zesilovače snižují ztráty v přepínači na minimum.
Řídící organizací se při vývoji standardů pro vláknovou optiku stalo OIF
Optical Internetworking Forum (s webovou adresou http://www.oiforum.com).
Členové této instituce pracují na mechanismech, které umožní přímou výměnu
informací mezi různými vrstvami sítě a komponentami optické sítě.
Několik podniků již předvedlo prototypy kompletních přenosových systémů ve
vláknové optice. Hlavní rozdíly oproti stávajícím technologiím jsou ve výkonu,
tj. v rychlosti přepínání, v optické izolaci signálů, v přenosových ztrátách, v
počtu portů, které přístroj podporuje, a v komplexnosti kontrolní logiky.
Některé přepínače používají tzv. technologii MEM (Micro Electro-mechanical
Mirrors). U této technologie je individuální datová cesta vytvářena
mikrozrcadly. Jinou variantou jsou tzv. "Planar Waveguide Systems". Jsou
založeny na krystalech, skleněných nebo polymerových substrátech (viz též
vložený text). Elektrické signály, přivedené zvenku na krystal nebo substrát,
ovlivňují cesty světla. Toky dat se tak v krystalu přepnou na příslušný
výstupní port.
Elektroholografie
Třetí způsob, jak "integrovat" WDM do přepínače, používá elektroholografie
(EH). Koncept EH je variantou zrcadlové techniky. U této metody zajišťuje
elektrické pole na speciálním holografickém krystalu odchýlení světelných
paprsků do žádaného směru. Protože se čistě elektroholografické přepínací prvky
v důsledku přeslechů nehodí pro přenos digitálních signálů, musejí se tyto
prvky v praxi zdvojit.
Svedou-li se do jednoho krystalu různé hologramy, vzniká rychlý a výkonný
spínač. Jako příklad uveďme systém 4 x 4, který sestává ze tří krystalů, každý
se 4 hologramy. Prototyp izraelské firmy Trellis Photonic Communications
redukuje ztráty na 3,5 dB na krystal. Doba přepínání je kolem 100 ns.
Taková přepínací matrice dokáže spínat až 100 různých vlnových délek současně.
Každá vlnová délka je přitom řízena odděleně. Lze si proto představit digitální
křížová spojení, terabitové směrovače a spínače s výrazně vyššími přenosovými
rychlostmi v terabitovém rozsahu.
Z naznačeného je zřejmé, že výzkum a skutečně efektivní nasazení optických
přenosových technologií je na samém počátku své cesty. O jejich světlé
budoucnosti však dnes už rozhodně nelze pochybovat.
Optickými cestami proti zahlcení sítí
Experti firmy Siemens předpovídají, že v r. 2010 bude muset být celosvětová
komunikační síť asi desetkrát výkonnější než dnes. To předpokládá masivní
výstavbu páteřních a přístupových sítí. Jen infrastruktura Internetu by za 11
let měla dosáhnout hodnoty 140 miliard dolarů.
Ale ani tomu odpovídající investice nedokáží podle odhadu odborníků zvednout
dlouhodobě přenosovou kapacitu datových dálnic na úroveň, kterou vyžaduje např.
elektronická komerce. Východisko z tohoto dilematu nabízejí podle mínění
odborníků optické sítě.
Výzkumníci firmy Siemens v Erlangenu pracují např. na umělohmotných
modulátorech pro optický přenos dat a první z nich již předvedli i v praxi.
Jádrem těchto prvků jsou světlovodné struktury z opticky aktivních polymerů,
jejichž optické vlastnosti lze měnit přiložením elektrického napětí. Modulátory
docílily spínací frekvence potřebné pro přenosový výkon 10 Gb/s.
Vývojové středisko pro veřejné komunikační sítě v Mnichově zase představilo již
před více než rokem prototyp přenosové soustavy s kapacitou 4 x 40 Gb/s
pracující na čistě elektronickém základu. Elektronický
Time-Division-Multiplexing je podle údajů tohoto podniku hospodárnější než
optická varianta, protože hardwarové vybavení je méně nákladné. Tyto systémy s
přenosovým výkonem 40 Gb/s mají být určeny především pro přenos dat na kratší
vzdálenosti.
Použité zkratky
DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing
EH Electroholography
MAN Metropolitan Area Network
MEM Microelectromechanical Mirror
OIF Optical Internetworking Forum
QoS Quality of Service
SDH Synchronous Digital Hierarchy
SONET Synchronous Optical Network
WDM Wavelength Division Multiplexing
9 1034 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.