IP/SDH/WDM - Struktury optyczne

Tradycyjne rozwiązania transmisyjne synchronicznego transportu SDH są mało przydatne do transportu ruchu internetowego o zmiennej i nieprzewidywalnej długości pakietów. Mimo że istniejąca struktura sieci transportowej SDH od wielu lat jest dopracowana w szczegółach, znaczny koszt urządzeń SDH, duża nadmiarowość struktury ramkowania (wynikająca z rozbudowanych mechanizmów zarządzania siecią SDH) oraz złożone procedury podziału i składania pakietów IP w każdym punkcie styku z siecią IP nie są przystosowane do dalszego jej używania w narastającym i zmiennym transporcie internetowym.

Wielowarstwowe struktury sieci IP początkowo ewoluowały w kierunku pośredniego modelu IP/SDH/WDM opartego na trzech warstwach, ale w docelowej postaci przewiduje się jedynie dwuwarstwową strukturę IP/DWDM. Stosowane dotąd rozwiązania optycznego transportu IP nadal korzystają z pośredniczącej warstwy SDH (SONET), która spełnia funkcję bajtowo zorientowanego, dwukierunkowego łącza typu punkt-punkt. W klasycznym łączu SDH nie można jednak bezpośrednio przesyłać datagramów IP. Przekaz taki wymaga dodatkowej enkapsulacji (zmiany formatu transportowanych pakietów przez dodawanie odpowiednich dla nowego protokołu porcji informacji sterujących i zabezpieczających) umożliwiającej zestawianie i konfigurowanie połączeń w warstwie łącza danych. Powszechnie stosuje się w tym przypadku protokół PPP (Point-to-Point Protocol) współpracujący z protokołem HDLC (lub podobnym), zapewniającym wyznaczanie początku i końca jednostek danych lokowanych w kontenerach SDH.

Enkapsulacja nie jest jednak rozwiązaniem ekonomicznym. Złożony proces wielokrotnego kopertowania danych wieloprotokołowych (a więc nie tylko datagramów IP), uzgadniania opcji formatów kapsułkowania, reagowania na zmieniające się długości pakietów, a także wykrywania zapętleń w łączu i innych błędów konfigurowania powoduje, że przesyłanie datagramów IP przez sieć SDH staje się nieefektywne - zwłaszcza w systemach o większych szybkościach przesyłania (powyżej STM-16). Dodatkowym utrudnieniem są rozbudowane systemy synchronizacji sieci SDH, wnoszące niepotrzebny nadmiar informacji (odtwarzanie i protekcja), zbędne dla odpornego na uszkodzenia protokołu IP. Kwestionowana zasadność użycia warstwy SDH w transporcie datagramów IP przez sieć optyczną - z założenia o wysokiej przepływności - stała się przyczyną wdrażania kolejnej, dwuwarstwowej struktury transportowej IP/WDM, niezawierającej synchronicznej warstwy transportowej SDH.

Rozwój sieci optycznych powoduje zmiany w architekturze tych sieci. Najbardziej istotne to: wdrożenie protokołu IP do technologii transportu optycznego DWDM, a także możliwość ramkowania komunikatów IP zgodnie ze standardem Ethernetu, co prowadzi do uproszczenia architektury sieci i struktur zarządzania. Implementacja protokołu IP w środowisku sieci optycznej (IPoWDM) umożliwia dość łatwe przeniesienie wielousługowego ruchu na poziom IP. Od lat proces ten rozszerza się, obejmując kolejne obszary tradycyjnych usług telekomunikacyjnych, a od 2003 r. większość międzynarodowej wymiany ruchu telefonicznego dokonuje się wyłącznie za pośrednictwem protokołu IP. Szacuje się, iż w efekcie modernizacji stosu protokołów IP/ATM/SDH/DWDM na prostszą strukturę IP/DWDM uzyskuje się zmniejszenie kosztów inwestycyjnych o ponad 50% oraz spadek kosztów operacyjnych do 60%.

Struktury IP/WDM

Infrastruktura sieci telekomunikacyjnej zmierza do dwuwarstwowego modelu, w którym rutery są bezpośrednio połączone ze sobą szybką optyczną siecią szkieletową DWDM. Stało się to możliwe przez implementację rozproszonego sterowania, zaadaptowanego również w warstwie optycznej. Rozproszone sterowanie sprzyja skalowaniu poszczególnych fragmentów sieci i szybkiej reakcji całej sieci w razie awarii technicznych. W takim rozwiązaniu sieć IP/DWDM (IP over DWDM) składa się jedynie z dwóch warstw zasobów infrastruktury: optycznej i posadowionej bezpośrednio na niej warstwy IP - z uwzględnieniem odpowiedniego ramkowania informacji.

Rezygnacja z warstwy SDH oznacza wprawdzie brak mechanizmów protekcji i odtwarzania udostępnianych przez tę warstwę, ale protokoły MPLS (lub optyczne MPlS), zaimplementowane bezpośrednio w warstwie optycznej WDM oraz w warstwie IP, są obecnie wystarczająco skuteczne. W przyszłościowej strukturze IP/DWDM będzie można stosować asymetryczny przekaz sygnałów (różne liczby kanałów falowych w przeciwnych kierunkach), co pozwoli uniknąć strat wnoszonych przez symetryczne z natury systemy synchroniczne SDH, niekorzystnie oddziałujące podczas przesyłania ruchu asymetrycznego.

Łącze warstwy optycznej (wiele włókien światłowodowych) zawiera zestaw kanałów falowych zwykle o tej samej przepływności, a węzłem warstwy jest przełącznik optyczny OXC, zdolny do komutowania (i ewentualnie konwersji) fal optycznych. Ścieżkę warstwy optycznej stanowi więc sekwencja fal optycznych, zaczynająca się w źródłowym [[Przełącznice_optyczne_OXC|OXC], przebiegająca wzdłuż łączy optycznych sieci przez pośredniczące przełączniki OXC i kończąca się w docelowym przełączniku OXC. Ścieżka warstwy optycznej po konwersjach sygnału (E/O, i odwrotnie O/E) w węzłach brzegowych (początkowych i końcowych) sieci jest widziana przez warstwę wyższą jako czysty strumień cyfrowy. W takich sytuacjach funkcje konwersji O/E oraz E/O są realizowane bezpośrednio w przełączniku bądź za pomocą wydzielonego wyposażenia technicznego. Wiązka ścieżek warstwy optycznej tworzy właściwe łącze warstwy IP, które wiąże rutery będące węzłami warstwy IP. Tak połączone elementy sieci (rutery i przełączniki OXC) mają zainstalowane funkcje automatycznego sterowania i kontaktują się ze sobą za pośrednictwem protokołu sygnalizacyjnego, dzięki czemu znają wzajemnie topologię sieci i bieżący stan łączy. Poszczególne elementy mogą więc w pewnym zakresie obsługiwać lokalnie nadchodzące zgłoszenia, a scentralizowany i nadrzędny system sterowania - mając pełną informację o stanie sieci - optymalizuje współdziałanie poszczególnych węzłów.

Nadrzędny system sterowania decyduje również o rekonfigurowaniu sieciowej topologii optycznej przez modyfikowanie istniejących ścieżek i zmianę parametrów sterowania rozproszonego. W przypadku uszkodzenia niektórych włókien ruch IP można skierować do pozostałych włókien obsługiwanych technologią best-effort lub całkowicie przekierować go na inne trasy zastępcze. Nierozwiązane do kofca algorytmy sterowania rozproszonego w sieciach optycznych powodują jednak, że instalacja platformy IP/DWDM nadal znajduje się we wstępnej fazie eksploatacji i podlega dalszym usprawnieniom. Instalacja optycznego Internetu IP/WDM wymaga kompleksowego rozwiązania wielu problemów, obejmujących automatyczne wykrywanie topologii sieci, szybkie identyfikowanie i lokalizowanie błędów oraz przesyłanie związanych z nimi informacji drogą sygnalizacyjną. Pozwala także na automatyczne wznawianie pracy sieci po wystąpieniu uszkodzenia (w kilka sekund), wprowadzanie procedur inżynierii ruchu TE (Traffic Engineering) i automatyczne zestawianie dróg optycznych oraz ciągły pomiar jakości istniejących połączeń. Podstawą do realizacji tak postawionych wymagań jest opracowanie nowych standardów optycznych, które muszą być spełnione przez wszystkie urządzenia dołączane do sieci optycznej.