MPlS Technologia przełączania

Uproszczenie optycznej architektury transportowej do dwóch warstw jest możliwe dzięki zastosowaniu jednolitego sterowania MPLS (w nowszej wersji GMPLS), które w odniesieniu do sieci optycznej przyjmuje postać MPlS (lambda MPLS). Różnica między tymi sterowaniami polega na tym, że rolę etykiety w infrastrukturze optycznej MPlS pełni informacja o zastosowanej długości fali (lambda). Istotnym ograniczeniem sterowania MPlS jest jednak znacznie mniejsza w porównaniu z MPLS liczba etykiet, odpowiadająca dostępnym długościom fal, niż w przypadku warstwy IP. Często prowadzi to do sytuacji, w której przełącznik, mimo że mógłby, nie jest w stanie przeprowadzić prawidłowej konwersji fali optycznej między dwoma konkretnymi węzłami sieci - z braku odpowiedniej liczby kanałów optycznych w łączu fizycznym. Wyższość inteligentnego przełączania MPlS nad MPLS polega na tym, że umożliwia ono połączenie dobrze rozpoznanej inżynierii ruchu TE (Traffic Engineering) w technologii MPLS z przełączaniem bezpośrednio w warstwie optycznej. Rutery LSR (Label Switching Router) klasyfikują datagramy, dodając do nich etykiety, i wyznaczają ścieżkę falową l LSP (Lambda Label Switched Path) - utożsamianą z konkretną nośną systemu DWDM - a następnie kierują datagramy opatrzone tą etykietą do odpowiedniego interfejsu, czyli portu optycznego sieci.

Optyczne przełączniki brzegowe mogą agregować mniejsze strumienie danych przychodzących z zewnętrznych ruterów LSR i przypisywać im odpowiednią długość fali związaną z określoną ścieżką LSP. Jeśli wewnątrz sieci optycznej ograniczonej brzegowymi przełącznikami są bezpośrednio dostępne (czyli istnieją fizyczne kanały optyczne) inne przełączniki OXC, można wtedy dokonać konwersji długości fali, co odpowiada zmianie etykiety. W wyniku tej operacji zestaw etykiet l jest przesyłany ścieżką sygnalizacyjną między węzłami, a każdy ruter może go modyfikować - po uprzednim zaakceptowaniu etykiety przez inne węzły. Najczęściej stosowaną techniką protekcji jest przekaz informacji do rutera brzegowego (lub zewnętrznego), który skieruje ruch pakietowy na najbardziej optymalną drogę lub aktywną trasę rezerwową.

Zastosowanie światłowodów w telekomunikacji stanowi podstawę modernizacji sieci optycznych. Wraz z wdrożeniem technologii zwielokrotnienia WDM i optycznego przełączania MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) nastąpił rozwój kompleksowych platform komunikacyjnych opartych na całkowicie optycznej infrastrukturze o przepływnościach 10-40 Gb/s, z wykorzystaniem technologii TDM w jednym włóknie lub jednym kanale optycznym włókna DWDM. Ewolucja transportu optycznego przebiega od prostych, dwupunktowych połączeń światłowodowych w kierunku zarządzanych sieci optycznych ze zwielokrotnieniem WDM. Podstawowym mechanizmem transportowym takiej sieci jest pojedyncza ścieżka optyczna, która jest kanałem komunikacyjnym między dwoma ruterami lub innymi urządzeniami kofcowymi przez sieć złożoną z przełączników optycznych OXC (Optical Cross Connect). Sieci wyposażone w optyczne przełącznice OXC mogą przełączyć i zamienić sygnał optyczny o określonej długości fali na inną i skierować go do właściwego portu wyjściowego. Takie rozwiązanie pozwala tworzyć całkowicie optyczne sieci nowej generacji, które nadal znajdują się w centrum badań aplikacyjnych. Są one rozwijane nie tylko przez największe koncerny, ale i trzy organy standaryzacyjne: IETF (The Internet Engineering Task Force), Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną ITU (International Telecommunication Union) oraz forum OIF (Optical Interworking Forum).

Przyszłość sieci optycznych wyznaczają dwie komplementarne technologie, obecnie znajdujące się w fazie wstępnej eksploatacji: standard GMPLS związany z sieciami IP i standard ASON rozwijany w środowisku operatorów telekomunikacji. Promowany przez IETF standard GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching) jest używany do zarządzania połączeniami w sieci oraz do przenoszenia informacji sygnalizacyjnych i połączeniowych związanych z trasowaniem. Obejmuje zbiór protokołów, które umożliwiają tworzenie połączeń optycznych:

• do sygnalizacji - jako uogólniony RSVP-TE (Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering) i CR-LDP (CR-Label Distribution Protocol);
• do trasowania ruchu wewnątrzobszarowego - jako protokół OSPF (Open Shortest Path First) z inżynierią ruchu TE oraz protokołem IBIS;
• do zarządzania łączami i identyfikacji topologii - jako protokół LMP. Podstawową cechą protokołu GPLMS jest implementacja wirtualnych połączef czasu rzeczywistego na bazie sieci IP, która z definicji oferuje jedynie usługę bezpołączeniową.

Promowana przez ITU platforma optyczna ASON (Automatically Switched Optical Network) jest zaopatrzona w sterowanie, które właściwie już umożliwia tworzenie komutowanej sieci optycznej. Mimo że sama w sobie nie jest systemem komutacyjnym, jej architektura wywodząca się z sieci transportowych typu SDH czy ATM określa komponenty przełączania w płaszczyśnie czysto optycznej oraz definiuje interakcje między tymi komponentami. Kompleksowe wdrażanie dynamicznego zestawiania ścieżek optycznych między węzłami, które prawdopodobnie zdominuje sposób przełączania wewnątrz sieci, jest najnowszym trendem w usprawnianiu sieci optycznych. Polega ono na tym, że w przypadku gdy ruter stwierdzi przeciążenie lub awarię jednej ze swych podstawowych tras połączeniowych (na poziomie IP), automatycznie zestawi optyczną ścieżkę alternatywną. System zarządzania zwykle dokonuje tej operacji jeszcze przed potrzebą jej zastosowania w konkretnej sytuacji. Takie działanie a priori pozwala na zwiększenie efektywności wykorzystania zasobów sieciowych sieci transportowej i sprzyja bardziej efektywnemu wdrażaniu przekazów w czasie rzeczywistym.

Bezpośrednie łączenie warstwy IP (praktycznie znajdującej się w gestii operatorów IP) z warstwą optyczną (będącą własnością operatorów telekomunikacyjnych) wymaga rozwiązania sprzecznych interesów między rywalizującymi operatorami. Są one związane z udostępnieniem operatorom IP - przez obwody sygnalizacyjne - informacji o strategicznym znaczeniu dla operatorów sieci optycznych. Zawierają one pełną wiedzę o optycznej strukturze sieci transportowej i jej aktualnym stanie, zajętości i obciążeniu poszczególnych węzłów w szkielecie optycznym (ile, gdzie, parametry) oraz możliwe połączenia i przepływności łączy alternatywnych. Informacje te są podstawą dla ruterów IP do podjęcia decyzji o ewentualnym wyborze ścieżki alternatywnej LSP w sytuacji, gdy ruter IP stwierdzi przeciążenie elementu eksploatowanej sieci.

Alternatywnym rozwiązania problemu jest nakładkowy sposób sygnalizacji, w którym sieci optyczne udostępniają operatorom IP jedynie fragmentaryczny obraz topologii transportowej związany z aktualnym stanem sieci, a nie całość chronionej tajemnicą topologii optycznej. Alternatywne instalacje sieci optycznych umożliwiają ekonomiczny transport danych przez sieć za pomocą dwóch rozwiązań: jako Ethernet w sieciach SDH (Ethernet over SDH) oraz Ethernet w sieci optycznej WDM (Ethernet over WDM). Do budowy sieci w technologii EoSDH klasyczna technologia transportowa SDH musi być rozszerzona o cechy optymalizujące transport danych obejmujące takie elementy, jak wirtualne łączenie jednostek, mechanizm dynamicznego przydzielanie przepływności pasma LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) czy procedura GFP (Generic Flaming Procedure) adaptująca jednostki danych do istniejących kontenerów SDH.

Mimo że klasyczne usługi internetowe przeważnie nie wymagają jeszcze zagwarantowania odpowiedniego poziomu jakości, w najbliższej przyszłości sieci dla tych usług będą musiały udostępniać w czasie rzeczywistym usługi oparte na protokole IP wymagające gwarantowanej jakości QoS dla każdej aplikacji oddzielnie. Przyszłe infrastruktury sieci optycznych nowej generacji muszą więc być bardzo elastyczne, aby mogły agregować wiele typów usług, z których każda ma inne wymagania dotyczące parametru jakości QoS. Aby zapewnić te wymagania, powstają nowe schematy modulacji, wydajniejsze algorytmy obliczania i trasowania ścieżek oraz elementarne urządzenia adaptacyjne, takie jak lasery, regeneratory 2R (Reamplification, Reshaping) i 3R (Reamplification, Reshaping, Retiming) niezbędne do modelowania sygnałów optycznych, adaptacyjne interfejsy optyczne i transportowe oraz konwertery długości fali dla wszystkich trybów pracy (pakietowego, paczkowanego i kanałowego). Pierwsze komponenty (2002 r.) dla przyszłościowych rozwiązań obejmowały przestrajane lasery i filtry, adaptacyjne korektory, adaptacyjne optyczne interfejsy transportowe czy bardziej efektywne sposoby trasowania ścieżek. Przepływności komercyjnie między dwoma punktami w sieci optycznej sięgają obecnie 160 Gb/s, a zagregowana przepływność w łączu optycznym może sięgać do kilkudziesięciu Tb/s.

Dotychczasowe zastosowania światłowodów w telekomunikacji optycznej były związane ze stopniową rozbudową linii światłowodowych dalekiego zasięgu w długodystansowych połączeniach typu punkt-punkt, obejmujących głównie połączenia międzymiastowe i międzycentralowe, eliminując w ten sposób wąskopasmowe kable miedziane. Lokalna dystrybucja sygnałów nadal pozostawała na kablach miedzianych, tworząc hybrydową sieć cyfrową o mieszanej technologii transmisji: światłowód, kabel współosiowy i skrętka telefoniczna. Rozwój usług telekomunikacyjnych dla tego rodzaju sieci jest jednak ograniczony szerokością pasma transmisji kabli miedzianych oraz stosunkowo wysoką tłumiennością tych kabli, wymagającą stosowania licznych dwukierunkowych urządzeń wzmacniających i dystrybucyjnych, korygujących nieliniową charakterystykę toru przenoszenia. I chociaż nadal są one często eksploatowane, przyszłości sieci dostępowych należy upatrywać w jednorodnych sieciach optycznych opartych na światłowodzie. Szerokopasmowe linie światłowodowe skłaniają do wykorzystania transmisji optycznej również w sieciach lokalnych, co pociąga konieczność rozwiązania problemu przełączania (komutacji) i wzmocnienia dystrybucyjnego sygnałów optycznych na całej trasie przekazu cyfrowego do abonenta. Od stopniowej instalacji elementów optycznych, takich jak falowe przełączniki optyczne WDM, końcowe stacje węzłowe OLT (Optical Line Terminal) oraz lokalne sieci dystrybucyjne ONU (Optical Network Unit) - stanowiących obecnie elementy abonenckich sieci optycznych FITL - nie ma praktycznie odwrotu w dłuższym okresie.

Technologia zwielokrotnienia falowego DWDM wymaga jednak bardzo stabilnych w czasie i częstotliwości śródeł światła laserowego oraz wielu typów urządzef komutacji optycznej, umożliwiających multipleksację, rozgałęzianie, sprzęganie i wydzielanie kanałów optycznych o różnych długościach fal. Widoczny w ostatnich latach wzrost pojemności transmisyjnej BL (Bitrate x Length) kontrastuje z brakiem postępu w rozwiązaniach komutacji fotonicznej, która w dalszym ciągu pozostaje domeną elektroniki. Nawet najlepsze przełączniki elektroniczne nie są (i prawdopodobnie nigdy nie będą) przystosowane do efektywnego wykorzystania szybkości oferowanych w przekazach światłowodowych, stanowiąc już teraz wąskie gardło w propagowaniu sygnału przez przezroczyste sieci optyczne.

Realizacja komutacji czysto optycznej jest bardziej kłopotliwa z powodu samej natury fotonów, które znacznie trudniej poddają się sterowaniu w porównaniu z elektronami. Przełączniki optyczne w dalszym ciągu nie dorównują przełącznikom elektronicznym ani szybkością działania, ani prostotą wykonania - zapewniającą łatwą integrację z istniejącymi obwodami logicznymi. Osiągane w komutatorach optycznych liczby linii komutacyjnych 16 x16 przy przepływności 1 Gb/s nadal nie są jeszcze zadowalającą alternatywą dla przełączników elektronicznych. Takiej alternatywy nie zapewniają też przełączniki przezroczyste klasy MEMS, których wysoka cena nie zachęca do powszechnego stosowania na najniższym poziomie hierarchii sieciowej.

Spośród wielu technologii otrzymywania fotonicznych komutatorów największe nadzieje na ich realizację są wiązane z jednoosiowym kryształem niobianu litu LiNbO3, w którym stwierdzono wiele właściwości: ferroelektrycznych, elektrooptycznych, elastooptycznych, piezoelektrycznych, piroelektrycznych, fotorefrakcyjnych oraz nieliniowość optyczną. Coraz bardziej widoczna ewolucja istniejących sieci światłowodowych w kierunku sieci przezroczystych zmierza obecnie do zupełnego wyeliminowania elektronicznych elementów w przekazach optycznych. Przebiega ona w dwóch, w zasadzie rozbieżnych etapach:

• dalszego udoskonalania komutatorów optycznych ze sterowaniem elektronicznym lub elektrostatycznym (MEMS);
• stosowania całkowicie optycznych przełączników sterowanych zewnętrznym sygnałem optycznym lub automatycznie sygnałem wewnętrznym - przez zmianę natężenia, zakodowaną w transmitowanej wiązce świetlnej.

W obu przypadkach gigabitowa lub terabitowa sieć transmisyjna powinna zapewniać samoczynnie rekonfigurację sieci, wykorzystując redundancję łączy optycznych w systemach ze zwielokrotnieniem długości fali WDM na najwyższych poziomach hierarchii sieciowej SDH. Doprowadzenie pierwszych, całkowicie optycznych sieci o pełnej przezroczystości bezpośrednio do terminalu użytkownika (abonenta sieci) będzie jeszcze wymagać dopracowania technologicznego w trzech podstawowych elementach: taniego światłowodu, prostego wzmacniacza optycznego i przezroczystego komutatora fotonicznego. Gigabitowe i przezroczyste transmisje optyczne wymagają ponadto rozwiązania zagadnień szybkiego składowania i dostępu do informacji optycznej w węzłach sieciowych. Mieści się w tym także problem pamięci optycznej o bezpośrednim dostępie niezbędnej do kolejkowania pakietów w węzłach optycznej sieci szkieletowej o wysokiej przepływności.