Rychlokurz: Efektivní přenosy dat přes optiku

Provozovatelé metropolitních nebo velkých firemních sítí stojí společně před společnými zásadními problémy: nutností vypořádat se s narůstajícím provozem stejně jako s nutností udržovat vysokou kvalitu poskytované služby.

Když se dva perou...
Kdysi se pro rychlé propojení přes optiku používalo nasvícení pouze jednou barvou (frekvencí). Později se ke slovu přihlásila technologie WDM, kdy se jedno vlákno používalo k obsluze více okruhů. Leč tyto byly i nadále pevně dané a statické.

Topologie dnešních sítí typicky počítá se scénářem „všechno propojené se vším“ nebo s propojením uzlových míst, přičemž se využívá jen jeden optický lambda okruh (který pracuje s přepínáním vlnových délek). Na každé lince jsou pak dva transpodéry, mezi nimiž se datový přenos uskutečňuje. Každý spoj má své dedikované pásmo, které se ale nedá použít na nic dalšího. Jinými slovy: přenos bývá nárazový a po většinu času zůstává kapacita linka nevyužitá (a zároveň nepoužitelná i pro cokoliv dalšího).

Teoreticky se dá v tomto případě nasadit přepínání paketů, kde se každý paket přepravuje samostatně a nezávisle na svých sousedech. Z hlediska využití kapacity jde o efektivnější způsob, protože linky jsou sdílené a celkem vyrovnaně využité. Problémem ovšem zůstává to, že aktivní prvky musejí „rozumět“ přeposílaným paketům: a když se změní přenosový protokol, musejí jej adaptovat všechny aktivní prvky v síti, a to bez výjimky.

Pak je tu ale ještě třetí cesta, která využívá výhod obou výše uvedených přístupů a zároveň potlačuje jejich nedostatky. Jedná se o technologii OBS (Optical Burst Switching). Ta totiž nepřiděluje jednotlivé kanály staticky, ale používá vždy ten, který je aktuálně volný. Dlouhé roky byl tento koncept jen „na papíře“ – nyní konečně přichází do praxe.

Cesta podle map
Technologii OBS dotáhlo do praktického použití hned několik společností. Nevytváří se v ní okruhy, ale optickou infrastrukturu využívá jako sdílené médium, kde může komunikovat každý s každým.

V tomto případě se pracuje s kruhovou (ring) topologií, což by mohla být určitá nevýhoda, protože její dosah je omezený. Ovšem pojem „nevýhoda“ je v tomto případě relativní, protože okruh může mít v případě potřeby délku až 500 km – tedy snad kromě národní páteřní sítě postačuje v našich zeměpisných končinách na jakoukoliv aplikaci.

Výhody kruhové topologie v tomto případě převažují, protože v případě kabelového páru (jeden pracuje po směru hodinových ručiček, druhý proti jejich směru) poskytují redundanci. V případě výpadku jednoho z kabelů se sice sníží kapacita systému, ale jinak funguje dál, přičemž využívá logiku „nejkratší (dostupné) cesty“.

Technologii OBS lze založit na několika klíčových komponentách. Především je to optický transpondér (například pro rychlost 10  Gb/s), jehož důležitou vlastností je schopnost ve velmi krátké době (řádově stovky nanosekund) přeladit vysílání na jinou vlnovou délku, a to díky zabudovanému laseru, který tuto vlastnost nabízí (standardní zařízení sice často uvádějí, že jsou také naladitelná, ale v praxi to znamená, že se dá nastavit vlnová délka, na které se dále pracuje bez možnosti rychlé změny). Moderní optický transpodér se tedy dokáže mezi vlnovými délkami velice svižně přepínat.

Další klíčovou součástí řešení OBS je paketový procesor, který připravuje bloky dat. Ten mapuje cestu k cílové adrese a předem tak ví, že má paket poslat po určité vlnové délce. Jednotlivé uzly se propojují a průběžně vytvářejí mapu využití kapacity, aby nedocházelo ke kolizím. A zatímco sítí putují pakety dle této mapy, paketové procesory už sestavují mapu pro příští dávku. Je tak zajištěno maximální využití pásma a plynulost toku.

Tento stav by se dal přirovnat k železničnímu „stavění cesty“ pro vlak: ač je používané sdílené médium, přístupová metoda k němu a jeho využití nejsou náhodné.

Priority v mapách
Vestavěná prioritizace umožňuje - kromě standardních ethernetových front a nástrojů - další možnosti řízení provozu. V mapách je možné přidávat jednu ze tří priorit. Jednak je to rezervovaná priorita, kdy se dopředu alokuje místo pro propojení dvou portů, takže pásmo je vyhrazeno a pakety putují hned, jakmile jsou k dispozici.

Dále je to garantovaná priorita, kdy pakety získávají při sestavování mapy vyšší přednost. A konečně jde o režim „nejvyšší snahy“ (best effort): jakmile je volná kapacita, pakety putují – jinak čekají.

Poskytovatel tímto způsobem může garantovat pásmo, stejně jako může nabídnout i lepší služby: uživatel má například garantované pásmo a k němu v případě dostupnosti získá ještě jeho další rozšíření.

Synchronizace je základ
Celá technologie OBS vyžaduje nadstandardní časovou synchronizaci, a proto vestavěné hodiny aktivních prvků operují s přesností na deset nanosekund. Jen tak je možné vytvářet a koordinovat mapy, aby nedocházelo ke kolizím. Nutné je také doplnit, že v takzvaném master módu pracuje první uzel, který se přihlásí.

Druhou klíčovou komponentou technologie OBS je optický zesilovač. Zatímco u klasických zařízení tohoto typu je pevně daný počet kanálů, a pokud některý z nich vypadne, nese to s sebou problémy, u těch moderních je negativní efekt změn výkonu potlačen, proto v jednom okamžiku je otevřený pouze jeden kanál, zatímco o něco později je jich třeba dvacet – a na celkovou funkci taková rozdílnost nemá žádný vliv.Celá síť se přitom chová jako jeden modulární přepínač. Každý uzel funguje jako blade modulárního switche: ty komunikují navzájem přímo, takže výsledné zpoždění je minimální. Servisní uzel přitom nemusí být přímo u fotonického uzlu, ale může být vzdálený (až 10 km). Nepoužívá se v tomto případě algoritmus spanning tree, takže nevznikají vícenásobné cesty. Uzel funguje jako síťový management (i když tomu tak ve skutečnosti není).

Pro monitorování a správu je možné použít řídicí konzoli, která obvykle běží distribuovaně na všech uzlech v síti. Přes standardní rozhraní se lze přihlásit k libovolnému uzlu, čímž lze získat přístup ke všem uzlům v dané doméně.

Závěrem
Technologie založené na OBS jsou vhodné pro metropolitní ethernetové sítě nebo korporátní páteřní sítě. Kromě maximálního využití optické sítě nabízejí i pružnost v poskytování služeb, odolnost vůči změnám protokolů, vysokou hodnotu QoS a minimální provozní náklady.