Материал: Строительство сети данных

Одним из основных элементов любой WDM сети является устройство под названием оптический транспондер. Данное оборудование позволяет интегрировать существующие сети, например, сети Ethernet, и оборудование спектрального уплотнения. По функциональности такое оборудование отличается наличием возможности усиливать и регенерировать полученные оптические сигналы. Необходимость использования данного устройства сводится к тому, что многие существующие «клиентские» технологии не могут быть просто преобразованы в DWDM формат, то есть необходимо выполнение некоторого рода преобразования сигнала одного вида или стандарта, в сигнал стандарта DWDM. Типичная схема применения транспондера - подключение для клиента оптического порта 10G, приведена ниже (см. Рисунок 9).

Рисунок 9. Схема работы оптического транспондера

При этом, важно отметить, что обычно транспондер производит, т.н. 3R-регенерацию или полную регенерацию полученного клиентского сигнала, то есть восстановление формы, восстановление амплитуды и восстановление синхронизации оптического сигнала. Подобное оборудование часто ставится на клиентской принимающей стороне для преобразования сигналов, при этом также осуществляя коррекцию ошибок.

При обсуждении DWDM оборудования отдельно необходимо сказать о SFP/SFP+ [Small Pluggable Factor] трансиверах. Такие трансиверы часто применяются в пассивных сетях передачи данных, когда конечному оборудованию необходимо предоставить доступ к определённой DWDM частоте. В этом случае, двунаправленный трансивер как правило имеет широкополосный приёмник, для того чтобы принимать и обрабатывать любую частоту, которую отдаст ему транспондер или ROADM-мультиплексор, а передатчик имеет узкий диапазон частоты. Однако, подобный подход к реализации отдельных подключений имеет безусловные минусы. Во-первых, подобное оборудование обычно не имеет серийного производства даже среди признанных лидеров рынка DWDM сетей, то есть заказ подобного трансивера как правило выльется в значительные материальные затраты. Во-вторых, масштабируемость решения, которое использует трансиверы DWDM крайне мало, поскольку для каждого оптического порта необходимо иметь ЗИП, а также четкое понимание частотного плана системы в сочетании с невозможностью изменения последнего. По этой причине необходимость использования подобных трансиверов сводят к минимуму, и применяют программируемые лазеры, которые могут быть настроены на несколько разных длин волн частотного плана. В традиционных системах их заменяют парой транспондер и стандартный SFP+ трансивер, себестоимость которого несравнимо мала в сравнении с DWDM-трансиверами.

В условиях проектирования сети в федеральном округе, сигнал может потребоваться усиливать и регенерировать. Как было оговорено ранее, на клиентской стороне равномерность импульса обеспечивает оптический транспондер, а на магистральном оборудовании данную функцию выполняют оптические усилители. Среди подобного оборудования чаще всего используются усилители на основе эрбиевого волокна, а также усилители на основе эффекта рассеяния Рамана. Любой оптический усилитель ставит целью создание когерентного исходному одного или нескольких фотонов. При этом, в EDFA-усилителе подобный эффект достигается т.н. лазером накачки, который светит на оптическое волокно с определённой, заранее известной длиной волны. Стоит отметить, что именно усилителям EDFA, текущие DWDM-системы обязаны своим существованием. Усилители на волокне, легированном эрбием EDFA за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. В простейших конструкциях EDFA усиление происходит в достаточно узком диапазоне длин волн - примерно от 1525 нм до 1565 нм. В эти 40 нанометров умещается несколько десятков каналов DWDM.

Обычно, электронные повторители для восстановления сигнала на линии связи, протяженностью в несколько тысяч километров, считывают сигнал с волокна, преобразовывают его в электрический сигнал, усиливают импульс, далее снова преобразуют уже электрический сигнал в оптическую форму и передают по линии связи. Усилители RAMAN и EDFA полностью прозрачны, т.е. не зависят от используемых протоколов передачи данных, форматов, длины волны и иных характеристик сигнала. Подобная гибкость - одно из основных преимуществ использования их в системах DWDM. Безусловно существуют и минусы у данного вида усилителей, требуется тщательно учитывать их неоднородное спектральное усиление и шум, вносимый ими за счет усиленной спонтанной эмиссии ASE [Amplified Spontaneous Emission]. Сети с усилителями EDFA имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности.

Также необходимо сказать несколько слов не только о усилении оптического сигнала, но и об изменении его уровня мощности в противоположную сторону. Для этого используется прибор под названием оптический аттенюатор. В традиционных DWDM-системах, оптические сигналы должны быть одинаковой мощности, т.е. выровнены вне зависимости от того, как далеко от места ввода был сформирован сигнал. Простой пример использования - аттенюатор на этапе ввода волны в ROADM-мультиплексор. На данном этапе необходимо добавить некоторую частоту к волне таким образом, чтобы характеристика добавленного сигнала с точностью совпадала с мощностью сигнала, который уже присутствует в оптическом волокне. Принцип работы стандартного аттенюатора обычно основан на оптическом зазоре между соединяемыми волокнами. Те потери мощности на оптических коннекторах, спайках, мультиплексорах, что обычно считаются вредными и паразитными, на аттенюаторе используются на пользу и во благо. Традиционные аттенюаторы имеют возможность вносить затухание от 5 до 30дб с шагом до 0.5дб.

В обзоре DWDM компонент и характеристик не последнее место занимает такой, казалось бы, простой предмет, как оптическое волокно. Современные стандарты имеют несколько вариантов реализации оптических волокон, каждый из которых отличается своими характеристиками. Стандарты для оптических волокон определяет Международный Союз Электросвязи ITU. Изначально оптические волокна принято делить на два общих типа: одномодовые и многомодовые. Можно грубо иллюстрировать, что в случае попадания излучения лазера в волокно многомодового типа, свет от источника передается отдельными лучами (cм. Рисунок 10).

Рисунок 10. Пути сигнала в многомодовом и одномодовом оптических волокнах

При попадании света в одномодовое волокно, распространение ведется по одному оптическому пути. По причине запаздывания составного сигнала от нескольких мод, для работы на протяженной дистанции, используют именно одномодовое волокно. Оно и является сейчас самым распространённым типом волокна в мире; к 1980 году было проложено около 80 миллионов стандартного одномодового волокна.

Следует упомянуть, что «стандартное одномодовое волокно» это целиковый стандарт ITU G.652. Существуют также и другие стандарты для подобных волокон. Их основные характеристики представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры различных оптических волокон

Несколько замечаний необходимо дать относительно выделенных типов оптических волокон. Изначально, стандартное волокно имело т.н. водяной пик на длине волны около 1383 нм, который был обусловлен наличием в волокне гидроксильной группы и приводил к увеличению затухания на этом участке частот до нескольких децибел на километр. Нулевая дисперсия наблюдается на длине волны 1310нм. Также величина хроматической дисперсии стандартного волокна достаточно велика, что, однако, не всегда является отрицательным моментов, поскольку приводит к уменьшению нелинейных эффектов в волокне с ростом мощности, а также легко компенсируется современными системами компенсации дисперсии. Тем не менее, для внедрения DWDM систем, производители волокна разработали специальный тип кабеля - волокно со смещённой дисперсией, которое имеет нулевую дисперсию в том диапазоне длины волны, где и работает DWDM (около 1550нм). К сожалению, из-за нелинейных эффектов, а именно четырехволнового смешения (FWM), использование данного волокна сильно ограничено маленьким расстоянием. Волокно с ненулевой смещённой дисперсией имеют хорошо контролируемую дисперсию на требуемом участке частот (0,3-0,7 пс/нм*км в диапазоне 1530-1560нм). Такого значения достаточно, чтобы подавить эффекты четырехволнового смешения, и данный тип волокна по праву считается лучшим для использования в системах DWDM.

Поскольку, техническое задания проекта строительства сети ограничивает использование оптических кабелей готовой инфраструктурой компании «Атраком», в нашем распоряжении имеются кабели стандарта G.652, т.е. стандартные одномодовые волокна. Очевидно, что из-за наличия ненулевой дисперсии в C-диапазоне окна прозрачности, необходимо использовать компенсаторы хроматической дисперсии в условиях территориально протяженных пролётов линий связи.

Под компенсатором дисперсии любого вида, в т.ч. хроматической, понимается пассивное оптическое устройство, которое нивелирует дисперсию, накопленную в волокне таким образом, чтобы исходные сигналы соответствовали полученным. Так как стандартное SMF волокно (ITU G.652) в C-диапазоне длин волн имеет фактор дисперсии 17пс/нм*км, это является главным ограничением для организации длинных оптических линий. С ростом скорости передачи данных дисперсия в большей степени влияет на фронт импульса. Тем самым передача данных на скорости 10Gb/s осложняется на расстояния более 80-100км в G.652 стандарте оптического волокна. Компенсаторы дисперсии SNR-DCM позволяют восстановить фронт импульсов. При изготовлении устройств используется технология производства оптических волокон с отрицательным значением хроматической дисперсии в диапазоне длин волн 1525÷1565нм. Таким образом компенсатор имеет по сути настраиваемую отрицательную дисперсию, а сигнал положительную, по принципу суперпозиции на выходе из каскада получается чистый, выровненный сигнал.

Рисунок 11. Включение компенсаторов дисперсии в систему DWDM

Источник: статья «UA.DWDM - Почувствуй себя магистралом» <#"865281.files/image019.gif">

Рисунок 13. Использование топологии точка-точка для охвата региона

Главный центр обработки данных в г. Симферополь, является центральным узлом передачи данных, который замыкает на себе основные потоки пользовательских и клиентских данных. От центрального ЦОД составлена полносвязная топология с резервными ЦОД, а также с точками обмена трафиком. При этом, участки оптической трассы составлены таким образом, чтобы основной и резервный маршруты проходили по разным физическим путям, или, фактически, по разным кабельным системам существующей инфраструктуры.

К достоинствам данного решения можно отнести простоту исполнения данного проекта, а также дублирование имеющихся каналов связи в режиме active-active. Данный режим подразумевает работу обоих каналов передачи данных между датацентрами и узлами связи, что приводит к тому, что пропускная способность увеличивается в два раза. Недостаток системы вытекает отсюда же, необходимо физическое наличие двух различных комплектов оборудования для каждого волокна, необходимо увеличить в два раза портовую ёмкость каждого сетевого устройства, которое будет отвечать за коммутацию каналов.

К недостаткам также следует отнести и большую величину вариации задержки, поскольку расстояние, которое пройдет свет по одному участку трассы и расстояние, которое пройдет свет по другому участку сильно различаются, местами более чем в 4 раза. Подобная ситуация может привести к проблеме, обозначаемой в литературе как реордеринг, т.е. к изменению порядка следования пакетов, что является крайне негативным фактором при работе протоколов реального времени VoIP, RTP [Real Time Protocol] и т.п.

Вторым вариантом реализации сети является кольцевая топология построения (см. Рисунок 14).

Рисунок 14. Использование кольцевой топологии для охвата региона

Основные города и датацентры объединены в оптическое DWDM кольцо, пропускная способность подобной системы составляет 1.28Тбит/с по двум оптическим волокнам. При этом такая схема позволяет гарантировать резервирование каналов на физическом уровне. В случае обрыва кольца в одном месте, производители оборудования гарантируют переключение в течение 50мс на резервный путь. При этом трассы по которым проходит волокно физически независимы, что позволяет исключить возможность неисправность одновременно на двух участках кольца. Живучесть и надежность всей сети обеспечивается двумя возможными направлениями передачи трафика на каждом узле передачи данных. Логически каждый путь представляется одним и тем же физическим каналом, что позволяет проводить переключение в случае неисправности в абсолютно прозрачном режиме.

По факту, реализация любого вида кольцевой DWDM-топологии предполагает преимущественное использование OADM мультиплексоров, что позволяет получать требуемые длины волн на различных участках оптической магистрали в пассивном режиме, без использования электрической коммутации. Для подобных мультиплексоров характерны два общепринятых названия направления движения сигнала: «East» и «West», трафик проходит только в одном активном направлении на основе системы детектирования проблем на каждом конкретном частотном подканале системы.

К недостаткам подобной системы можно отнести увеличение технической сложности проекта, а как следствие и стоимости его пуско-наладки и обслуживания. Тем не менее, перечисленные достоинства и прозрачность такого варианта несомненно указывают на необходимость выбора именно его в качестве опорного для реализации проекта. Для этого типа топологии произведём обзор требуемого оборудования, а также укажем основные оптические и физические параметры для расчета оптического бюджета, затухания, накопленной дисперсии и других параметров системы.

Согласно утвержденному техническому заданию, строительство физической среды передачи данных необходимо проводить на работающей инфраструктуре кабельного провайдера Атраком. Данные о Крымском участке их оптических кабелей, приведены в Приложении Б.

Необходимо составить граф обхода городов, входящих в кольцо центров обработки данных, а также крупных населённых пунктов. Основными участками кольца могут являться города и поселения по топологическому кольцу: г. Симферополь - г. Севастополь - г. Алупка - г. Алушта - г. Судак - г. Феодосия - п. Приморский - п. Совесткий - г. Джанкой - г. Красноперекопск - п. Черноморское - г. Евпатория - г. Саки - г. Симферополь.

Расстояния от г. Симферополь до ключевых точек сети приведены в таблице 5.

Таблица 5. Прямые и резервные расстояния до узлов от г. Симферополь