Technologia IPoDWDM szybko się rozwija, jako naturalny proces ewolucji konwergentnych sieci transportowych. Pozwala ona operatorom lepiej wykorzystać pasmo, co staje bardzo istotne, gdy ilość danych przesyłanych w Internecie wzrasta co roku o około 50 %.
W ostatnich latach obserwuje się bardzo szybki wzrost ruchu w Internecie. Tak duży wzrost zapotrzebowania na nowe pasmo, powodowany jest głównie nowymi serwisami internetowymi, aplikacjami wideo, telewizją internetową, grami sieciowymi, serwisami informacyjnymi, ruchem P2P i ogólnie stale zwiększającą się liczbą użytkowników komputerów pracujących w sieci.
Ocenia się, że corocznie ruch w światowym Internecie zwiększa się prawie o 50% (wg. CAGR –Compoud Annual Growth Rate). Prognozowana ilość ruchu przesyłanego w Internecie w 2011 przekroczy globalnie 29 eksabajtów (EB) na miesiąc. Dla porównania, można dodać, że 1 EB jest odpowiednikiem filmu DVD o długości 50 tysięcy lat. Większość tego ruchu będzie generowana przez nowe aplikacje typu VoIP, VoD i IPTV o zróżnicowanej charakterystyce i nowych wymaganiach na warstwę kontrolną, która coraz częściej reagować będzie w zróżnicowany sposób w zależności od typu treści, pory dnia i ilości przesyłanych informacji. Protokoły routingu, QoS będą coraz ściślej zależne od dystrybuowanej treści nawet dla transmisji typu Multicast punkt-wielopunkt.
Aby nadążać za ciągłym wzrostem ruchu IP przesyłanego w Internecie, średnio co dwa lata pojemność łączy transmisyjnych WAN powinna zwiększać się niemal dwukrotnie. Dla ruchu IP na łączach pomiędzy routerami szkieletowymi wzrost ruchu znacznie przekroczy wielkość pojedynczego kanału 10 Gb/s w systemach DWDM, stąd też wynika potrzeba maksymalnego wykorzystania istniejących zasobów bez potrzeby stosowania nakładkowych systemów transmisyjnych.
Przy tak dynamicznie zmieniających się wymaganiach na przepustowość sieci, tradycyjne systemy transmisyjne oparte na technologii TDM oraz SDH przestają spełniać swoją funkcję i okazują się bardzo drogie w eksploatacji. Przy tradycyjnym podejściu, rozbudowa wielu równoległych sieci i osobnych systemów dedykowanych do przesyłania różnych usług i technologii, przestaje być opłacalna. Najpierw bowiem trzeba rozbudować sieć transmisyjną SDH, DWDM, a potem urządzenia odpowiadające za routowanie pakietów IP. Rozbudowa taka wykonywana jest na wielu poziomach jednocześnie i pociąga za sobą duże koszty inwestycyjne.
Operatorzy telekomunikacyjni oraz duże firmy poszukują, więc nowych, bardziej oszczędnych rozwiązań, które pozwolą obniżyć koszty utrzymania i rozbudowy systemów, co finalnie przełoży się na niższą cenę oferowanych usług na rynku telekomunikacyjnym.
Wymaga to jednak przemyślenia na nowo architektury i sposobów budowania sieci. Jak wiadomo, głównym zadaniem sieci IP następnej generacji (IP NGN) jest efektywne wykorzystanie pojedynczej infrastruktury do transportu zróżnicowanych usług. Uzyskuje się to poprzez coraz szersze wykorzystanie technologii IP/MPLS oraz uproszczenie architektury sieci poprzez bezpośrednią integrację urządzeń IP z optyczną siecią transportową (OTN). Dzieje się to z pominięciem warstw, które z punktu widzenia usług IP nie wnoszą nic nowego.
Nie bez znaczenia jest również konieczność ograniczania zużycia energii elektrycznej przez urządzenia. Ochrona środowiska to jedno, ale większa liczba interfejsów wymaga większego poboru mocy i prądu. Operatorzy telekomunikacyjni coraz częściej spotykają się z trudnościami w zwiększeniu przydziału mocy elektrycznej w rozbudowywanych węzłach. Zwiększanie dostarczanej mocy wymaga również rozbudowy systemów chłodzenia.
Budowanie sieci wymaga, więc nowego spojrzenia na architekturę sieci i całkiem nowego podejścia do strategii rozwoju systemów transmisyjnych.
Co to jest IPoDWDM?
Transport pakietów IP bezpośrednio poprzez system DWDM nosi nazwę IP-over-DWDM (IPoDWDM). Technologia ta w ostatnich kilku latach bardzo szybko się rozwija, jako naturalny proces ewolucji konwergentnych sieci transportowych. Pozwala ona operatorom lepiej wykorzystać pasmo i uzyskać znaczące oszczędności, jeśli chodzi o efektywność poniesionych inwestycji w stosunku do ilości uzyskiwanego pasma. Jest to szczególnie istotne dla operatorów telekomunikacyjnych, którzy ciągle muszą rozbudowywać swoje sieci z powodu stałego wzrostu ruchu w Internecie oraz liczby podłączonych klientów szerokopasmowych, w tym biznesowych.
Technologia IPoDWDM bezpośrednio wykorzystuje zalety transmisji DWDM bez udziału warstwy pośredniej, czyli tradycyjnej technologii TDM do zestawiania kanałów i kontroli sieci transportowej. Jednocześnie warstwa DWDM nadal zapewnia najbardziej elastyczną i efektywną infrastrukturę do transportu wszelkich usług opartych na IP oraz wszystkich innych.
Dzięki zastosowaniu interfejsów optycznych IPoDWDM instalowanych w routerze uzyskuje się możliwość podłączenie routera bezpośrednio do przełącznika optycznego. Technologia IPoDWDM nie potrzebuje transpondera i umożliwia podłączenie routera bezpośrednio do urządzenia MUX DWDM. Sygnał optyczny wychodzący z routera ma odpowiednią częstotliwość (kolor) i poziom mocy fali świetlnej tak, że może być przesyłany w pojedynczym kanale 10Gbps istniejącego systemu transmisyjnego DWDM. Sygnał optyczny z routera wzmacniany jest dalej dokładnie w taki sam sposób, jakby ten sygnał pochodził od transponderów zintegrowanych z systemem DWDM. Taki sposób przesyłania fali świetlnej, czyli przesyłanie obcego sygnału przez istniejącą infrastrukturę systemu optycznego nosi nazwę alien wavelength. Z punktu widzenia przełączników DWDM, sygnał ten nie różni się wcale od sygnału generowanego przez transpondery optyczne TX/RX, które do tej pory były integralną częścią architektury systemu transmisyjnego.
Jest to bardzo znacząca zmiana, jeśli chodzi o podejście do projektowania sieci. Do tej pory systemy optyczne były zamknięte i bardzo hermetyczne. Działały w oparciu o urządzenia jednego producenta. Transponder musiał być zintegrowany z systemem optycznym i nie dopuszczano stosowania urządzeń różnych producentów. To tak, jakby powiedzieć kiedyś, że budowanie sieci IP wymagać będzie stosowania urządzeń tylko jednego producenta. Otwarta architektura sieci następnej generacji IP NGN powoduje, że sytuacja bardzo szybko się zmienia. Coraz częściej warstwa optyczna projektowana jest w taki sposób, aby umożliwić podłączenie nowych urządzeń, bez konieczności zmian w warstwie fizycznej, wymiany światłowodów i aby nowe urządzenia mogły być zarządzane i konfigurowane z poziomu istniejących systemów zarządzania, które są nadal niezbędne do utrzymania i zarządzania siecią transmisyjną.
Trend ten jest widoczny w wymaganiach operatorów i pojawianiu się nowych standardów telekomunikacyjnych. Standard ITU-T G.698.2 określa sposób transmisji sygnału świetlnego przez sieć optyczną, definiując parametry transponderów oraz innych urządzeń działających w trakcie optycznym. Standard ITU-T określa poziom nadawanej mocy optycznej, czułość odbiornika, szerokość kanału, akceptowalny stosunek sygnału do szumu OSNR oraz dopuszczalny margines zniekształceń na skutek dyspersji chromatycznej i polaryzacyjnej. Ma to na celu zapewnienie współpracy urządzeń różnych dostawców oraz integrację nowych elementów z istniejącymi systemami zaprojektowanymi na 2,5 Gbps i 10Gbps. Dzięki temu następuje standaryzacja sposobu przesyłania „obcej” fali w istniejącej infrastrukturze DWDM.
Technologia IPoDWDM to przeniesienie funkcjonalności transpondera optycznego, a więc ramkowania G.709, korekcji błędów (FEC i E-FEC) i monitoringu łącza (OAM&P) na routery, czyli urządzenia działające w warstwie wyższej – IP. Poprzez eliminację zewnętrznych półek transponderów optycznych, uzyskuje się uproszczenie infrastruktury, zmniejszenie elementów pracujących w sieci i zmniejszenie punktów potencjalnych awarii.
Transpondery optyczne łączone w tradycyjny sposób, dokonują konwersji sygnału „szarego”, który jest emitowany na wyjściu interfejsów optycznych routera, np. typu POS i Ethernet, na sygnał „kolorowy”, o ustalonej długości i mocy fali świetlnej. Taki sygnał może być dopiero podłączony do multipleksera MUX DWDM, który zapewnia przesyłanie wielu kanałów w pojedynczym światłowodzie fizycznym.
Tradycyjny transponder pracuje mało optymalnie. Dokonuje konwersji sygnału optycznego, na elektryczny i ponownie na sygnał optyczny (OEO). Z perspektywy ruchu IP, tradycyjnie działający transponder nie wnosi nic nowego do najbardziej dynamicznie rozwijających się usług opartych na technologii IP/MPLS. Zintegrowanie transpondera w postaci karty zainstalowanej w routerze eliminuje konieczność konwersji sygnału (optical-electrical-optical OEO), ponieważ router przez zastosowanie odpowiedniej modulacji zamienia sygnał elektryczny bezpośrednio na właściwą postać sygnału świetlnego oraz ma wiele zupełnie nowych zalet.
Zalety stosowania technologii IPoDWDM
Pojawienie się interfejsów „kolorowych” w routerach IP o prędkości 10 Gbps, a później o prędkości 40 Gbps, stanowi kolejny krok w rozwoju sieci IP NGN. Technologia IPoDWDM oferuje dodatkowo wiele istotnych zalet.
Najszybszy, zauważalny efekt przynosi eliminacja półek transponderów stosowanych do lokalnych połączeń routerów z systemem DWDM. Mniej półek, to mniej urządzeń instalowanych w poszczególnych lokalizacjach i oszczędność miejsca potrzebnego na instalację.
Czterokrotne zwiększenie przepustowości sieci optycznej – technologia IPoDWDM umożliwia czterokrotne zwiększenie pojemności posiadanej infrastruktury optycznej. Interfejsy IP over DWDM, dzięki zastosowaniu bardziej zaawansowanej modulacji typu DPSK+, umożliwiają transmisję sygnału 40 Gbit/s w paśmie jednego kanału 10 Gbit/s w dotychczas wykorzystywanym systemie DWDM. Umożliwia to czterokrotne zwiększenie przepustowości sieci optycznej (jeden kanał DWDM zamiast czterech) bez dodatkowych inwestycji i wymiany istniejącego systemu DWDM. Widać tutaj znaczące obniżenie kosztów rozbudowy systemu (CapEx). Za pomocą tej technologii już dzisiaj możliwe jest uzyskanie transmisji 40 Gbps do 1500 km bez regeneracji.
Jest wiele przykładów implementacji technologii IPoDWDM 40 Gbps na świecie. W Polsce, udało się przeprowadzić z sukcesem testy u kilku największych operatorów telekomunikacyjnych. Pierwsze testy połączeń 40 Gbps IPoDWDM odbyły się już w maju 2008 r w sieci produkcyjnej na odległość 600 km. Od zeszłego roku działają już pierwsze produkcyjne routery CRS-1 z interfejsami 40 Gbps długiego zasięgu, a kolejne wdrożenia są wkrótce planowane.
Zwiększenie niezawodności i jakości pracy sieci – technologia IPoDWDM to proaktywne wykrywanie awarii, a nawet wykrywanie pogorszenia się parametrów transmisji oparte na mechanizmie korekcji błędów pre-FEC. Mechanizmy OAM&P znane jedynie z systemów SDH zapewniają monitoring warstwy optycznej na routerze IP. Router, dzięki możliwości monitorowania parametrów jakościowych sygnału optycznego w sieci DWDM, potrafi zauważyć i odpowiednio zareagować na zwiększającą się liczbę błędów na łączu. Przysłowiowa koparka przecinająca kabel światłowodowy, najpierw go naciąga, wprowadzając tym samym zniekształcenia włókna, co powoduje degradację jakości przesyłanego sygnału. W czasie milisekundowym router podejmuje decyzję o przełączeniu pogarszającej się linii na ścieżkę zapasową. Zapewnia to wielokrotnie szybsze przełączenie na ścieżkę zapasową (poniżej 15 ms) niż dla tradycyjnych systemów SDH i niezauważalną przerwę w ruchu, nawet w przypadku transmisji wideo. W testach laboratoryjnych wykazano czasy przełączenia inicjowane za pomocą mechanizmu pre-FEC na poziomie 0–3 ms.Czyli z bardzo minimalną stratą pakietów.
Redukcja kosztów OpEx – eliminacja warstwy pośredniej, czyli transponderów optycznych powoduje zmniejszenie liczby instalowanych i utrzymywanych urządzeń, liczby i typów interfejsów oraz wielkość magazynu części zapasowych. Tym samym znacząco zmniejsza koszty obsługi i utrzymania wielu węzłów. System może być również zarządzany z jednego systemu i przez jeden zespół ludzi. Mniej elementów optycznych do utrzymania, to mniej pojedynczych punktów awarii, co ułatwia lokalizację usterki. Powoduje to większą niezawodność pracy sieci i krótszy czas naprawy. Przekłada się to jednoznacznie na obniżenie kosztów operacyjnych, zarządzania i kosztów utrzymania całego systemu (OpEx).
Obniżenie zużycia energii elektrycznej – mniej urządzeń, to również mniejsze zużycie energii elektrycznej i oszczędności dla środowiska. Dodatkowo pojedynczy interfejs o wyższej przepustowości zużywa mniej prądu, niż kilka interfejsów o mniejszych przepustowościach. Przełomem będą porty 100 Gbps, które się wkrótce pojawią w routerach. Efektywne zużycie energii elektrycznej kW na jeden Gbit przesyłanej informacji będzie wtedy znacznie mniejsze.
Konsolidacja infrastruktury – integracja sieci IP i sieci transportowej przynosi wiele zalet w planowaniu i eksploatacji sieci .
- IPoDWDM to konsolidacja infrastruktury optycznej i sieci IP. Wiele usług na jednym urządzeniu. Pojedynczy router IPoDWDM zapewnia znaczące uproszczenie infrastruktury sieci. Zamiast wielu pojedynczych urządzeń mamy pojedynczy węzeł, który obniża koszt utrzymania sieci.
- Dzięki uproszczeniu infrastruktury, czas wprowadzenia nowej usługi na rynek jest bardzo krótki.
- Zintegrowane interfejsy optyczne pozwalają na bezpośredni monitoring warstwy optycznej OAM&P na routerze, szybką diagnostykę i reakcję na awarię.
- Planowanie ścieżek zapasowych i mechanizmy protekcji łącza mogą być wspólne dla obu sieci. Umożliwia to bardzo szybkie wykrywanie awarii i przełączenie na ścieżkę zapasową na poziomie routera (FRR bazujące na mechanizmach MPLS i G.709 preFEC), które jest równie szybkie, jak dla SONET/SDH, a przy tym znacznie tańsze.
- Zintegrowane zarządzanie IPoDWDM pozwala na korelację alarmów pochodzących od urządzeń zainstalowanych w warstwie optycznej i IP
Plany rozwoju 100 GE
Technologia IPoDWDM zapewnia dużą elastyczność rozbudowy systemu do wyższych przepustowości. Na czerwiec 2010 planowane jest zakończenie prac nad standaryzacją technologii 100 GE. Jednak w pierwszej kolejności pojawią się interfejsy 100 GE typu LANPHY, czyli krótkiego zasięgu (do 30-40 km). Będą one mogły być stosowane do połączeń lokalnych, w centrach danych i punktach wymiany ruchu internetowego, jednak w żaden sposób nie zaadresują potrzeb transmisji dalekiego zasięgu w operatorskich sieciach szkieletowych. W optycznej sieci transportowej technologia 100 Gbps do przesyłania danych na duże odległości będzie również opierała się technologii IPoDWDM.
Na dzisiaj wiadomo, że w wyniku prac ciał standaryzacyjnych ITU Study Group (15) oraz Optical Interworking Forum (OIF), wymagania na interfejsy optyczne IPoDWDM 100 Gbps będą takie same, jak dla przepustowości 10 Gbps i 40 Gbps, a więc zasięg do 1500 km i wzajemna kompatybilność różnych producentów systemów DWDM. Wyciągnięto wnioski z obecnych implementacji technologii IPoDWDM i zatwierdzany standard IPoDWDM 100 Gbps będzie bazował na ramkowaniu WDMPHY, czyli enkapsulacji ramki LANPHY w ramce G.709 oraz modulacji PM-QPSK.
Oznacza to, że przesyłanie sygnału 100 Gbps będzie działać na istniejących systemach DWDM 10 Gbps!!! Czyli dokładnie tak samo, jak to się odbywa dzisiaj z interfejsami 40 Gbps. Wydaje się to niemożliwe, ponieważ przesyłanie sygnału o częstotliwości 100 Gbps jest dużo bardziej wymagające niż dla 10 Gbps, jeśli chodzi o parametry nieliniowe i zniekształcenia fali świetlnej na skutek dyspersji światłowodowej. Jednak z dużą pomocą przychodzi możliwość stosowania złożonych algorytmów modulacji typu PM-QPSK, które są optymalizowane pod kątem zniekształceń nieliniowych i dyspersji CD i PMD. Rozbijając sygnał 100 Gbps na cztery harmoniczne po 25 Gbps, można uzyskać efektywnie taki sam zasięg, jak dla dzisiejszych systemów DWDM działających z szybkością 10Gbps.
Jak zatem widać, już w niedalekiej przyszłości routery klasy CRS-1 umożliwią rozbudowę systemu do przepustowości 100 Gbps w oparciu o istniejącą infrastrukturę optyczną DWDM, bez strat pakietów i bez wpływu na pracę całego systemu.
Tomasz Kozar, architekt systemowy w firmie Cisco
