Zwiększanie szybkości sieci szkieletowych LAN/MAN z 10 do 100 Gb/s staje się koniecznością wobec stałego wzrostu zasobów danych, deficytu pasma transmisyjnego w centrach danych, popularyzacji internetowych usług multimedialnych oraz wdrażania rozwiązań chmurowych.

Jak szacuje firma EMC, informacje zgromadzone na różnorodnych nośnikach cyfrowych (pamięci DRAM, pamięci USB, płyty CD, telefony komórkowe czy aparaty fotograficzne, a także komputery, serwery czy biblioteki bądź centra danych) zajmują ponad 1,2 zetabajta (ZB). Według tego źródła, globalna wielkość zgromadzonych do 2020 r. informacji ma wynieść 35 ZB (35x10^21 bajtów). Te astronomiczne ilości danych znajdują się w nieustannym ruchu, głównie za sprawą wdrażania szerokopasmowego internetu, możliwości mobilnego dostępu do informacji multimedialnej oraz intensywnego przetwarzania w coraz bardziej rozbudowanych centrach danych.
Aplikacje internetowe mocno obciążają sieci LAN oraz połączoną z nimi infrastrukturę metropolitalną. Deficyt pasma transmisyjnego daje się zauważyć szczególnie w centrach danych, gdzie dostęp do plików z gigantycznych baz danych staje się ich piętą achillesową. Powszechnie stosowane dotąd w sieciach szkieletowych przepływności 10 Gb/s (10G) okazują się niewystarczające i wymagają stałego rozszerzania pasma dla coraz bardziej popularnych aplikacji internetowych oraz ethernetowych. W sieciach szkieletowych konieczne staje się pasmo o możliwościach większych niż pojedynczy kanał 10G - dopiero od niedawna instalowany w tych środowiskach z użyciem rozwiązań miedzianych bądź optycznych.

100G na lata

Obok wykładniczo rosnącego zapotrzebowania na szerokopasmową transmisję dominuje trend wdrażania rozwiązań chmurowych (cloud), które w swej istocie polegają na wirtualnych traktach między serwerami, tworzonymi przez łącza fizyczne. Niedostatek szerokości pasma w szkielecie już powoduje trudności i potrzebę rozszerzania przepływności do 100 Gb/s (100G), a ta sytuacja nasila się z każdym rokiem użytkowania sieci stacjonarnej. Staje się też powodem systematycznego dostosowywania przepustowości środowiska do zmiennych wymagań klientów na obrzeżach sieci.Na rynku telekomunikacyjnym przeważa tendencja do korzystania z usług w dobrze sprawdzonej technologii ethernetowej, która podąża w stronę aplikacji 100GbE. W tej dekadzie pojawiły się pierwsze sieci ethernetowe o przepustowości 40 Gb/s, instalowane na ograniczonym obszarze - do czasu udostępnienia rozwiązań 100G w ofertach komercyjnych. Po zatwierdzeniu w połowie 2010 r. standardu IEEE 802.3ba (40/100G), dla operatorów nadszedł czas wdrażania technologii 100G, zapewniającej dziesięciokrotnie większą wydajność od swej poprzedniczki.W nadchodzącej erze telekomunikacji terabitowej będzie już dominował szkielet światłowodowy 100G, co nie wyklucza stosowania także hybrydowych rozwiązań miedziano-optycznych oraz radiowo-optycznych o dużej przepustowości. Realną alternatywą szybkiego dostępu do informacji przez sieci globalne stał się internet mobilny 4G w postaci technologii LTE (Long Term Evolution), zapewniającej szybkość łącza do 150 Mb/s. Częste korzystanie z bezprzewodowej wideokomunikacji przez klientów znajdujących się w ruchu stanowi obecnie ogromne wyzwanie dla operatorów stacjonarnych sieci LAN/MAN/WAN, których infrastruktura obsługuje ruch internetowy z wideoserwerów i rozproszonych baz danych.Niemal wszyscy operatorzy planują migrację do systemów 100G tak szybko, jak tylko będzie to możliwe, licząc na znaczące odciążenie istniejących rozwiązań szkieletowych 10/40G. Według prognoz analityków firmy Infinera, transformacja ta stanie się możliwa od 2012 r., kiedy na rynku pojawią się fotoniczne układy scalone z optycznym przełączaniem 500 Gb/s, których masowa produkcja ma nastąpić na początku przyszłego roku. Wówczas pierwsze tego typu produkty optyczne znajdą się na końcowym etapie badań laboratoryjnych.

Wymagania dla szkieletu 100G

Zasadniczym celem opracowania przez IEEE standardów 40/100G jest uzyskanie o rząd szybszej technologii ethernetowej, z zachowaniem ewolucyjnej ciągłości rozwiązań (spójność technologii) transportu optycznego, przeznaczonych przede wszystkim do komunikacji między serwerami z szybkimi portami ethernetowymi bądź między przełącznikami rozległej infrastruktury kampusowej i metropolitalnej. Atrybutem sieci 100G jest przekaz informacji po optymalnie niskich kosztach, gdyż operatorów sieci stacjonarnych nie stać już na wdrażanie kolejnych rozwiązań nakładkowych podnoszących koszty. Ponadto, transport w systemie 100G musi przebiegać bezkonfliktowo, w pełnej zgodności z istniejącymi instalacjami ethernetowymi klasy niższej, takimi jak 10G czy 40G. Takie wymagania niosą określone konsekwencje, docelowo ukierunkowane są wyłącznie na zwiększenie efektywności widma częstotliwościowego w pojedynczym kanale optycznym, a nie na podnoszenie szybkości za pośrednictwem multipleksowania odwrotnego - w wyniku użycia wielu równoległych kanałów 10G lub 25G (np.10x10 Gb/s = 100 Gb/s) prowadzonych jednym kablem optycznym. W standardzie IEEE 802.3ba docelowo nie przewiduje się instalowania wielokanałowego multipleksowania odwrotnego; tego typu rozwiązania optyczne z wielostykowymi złączami MPO (Multi-fiber Push On) pojawiły się niedawno na rynku w systemach optycznych 100G pierwszej generacji. Do funkcjonowania multipleksacji odwrotnej niezbędne są drogie urządzenia integrujące ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer), z założenia będące zaprzeczeniem idei taniego interfejsu ethernetowego 100G. Ich stosowanie w początkowym okresie wdrażania 100G jest uzasadnione ekonomicznie jedynie w sytuacjach krytycznych, zwłaszcza w centrach danych wymagających natychmiastowego zwiększenia szybkości między poszczególnymi węzłami sieci. Bez oglądania się na koszty przedsięwzięcia. Po pierwszych, ubiegłorocznych doświadczeniach z optycznym multipleksowaniem odwrotnym i złączami MPO okazało się, że wzrost złożoności sieci transportowej oraz zarządzanie siecią przewyższają korzyści uzyskiwane ze zwiększonej przepustowości tak utworzonego łącza. Dlatego operatorzy krytycznie oceniają multipleksowe rozwiązania optyczne 100G, traktując je jako etap przejściowy - do czasu upowszechnienia się jednokanałowego włókna optycznego z oczekiwaną przepustowością 100 Gb/s. Wdrożenia są więc stosunkowo nieliczne, a ograniczona ich dostępność nie sprzyja obniżaniu ceny produktów 100G z odwrotnym multipleksowaniem kanałów 10/25G.

Nowe możliwości transportu

Kluczowym problemem stacjonarnego transportu następnej generacji (100G w jednym włóknie) jest podniesienie efektywności widma optycznego, a więc lepszego wykorzystania naturalnie dostępnego zakresu częstotliwości światła (pasmo do 200 THz) w odniesieniu do przepływności bitowej. Do realizacji jednokanałowych sieci optycznych 100G już wykorzystuje się wiele subtelnych zjawisk teleoptyki, w tym dwa pozwalające uzyskiwać wyższe szybkości bitowe sygnałów optycznych: multipleksowanie polaryzacyjne z dyspersją PMD (Polarization Mode Dispersion) oraz zaawansowaną modulację kwadraturową DP-DQPSK (Dual-Polarization Differential Quadrature Phase Shift Keying), podnoszącą gęstość informacyjną widma. Nie wnikając w szczegóły konstrukcyjne, różnicowe kodowanie DP-DQPSK o wysokiej wydajności widmowej umożliwia podział źródłowego strumienia danych na dwa niezależne ciągi informacyjne o odmiennej polaryzacji sygnału optycznego. Ulokowane w jednym włóknie światłowodowym ciągi są wzajemnie ortogonalne, a więc rozróżnialne w procesie odbiorczym. Stosowana w tych rozwiązaniach detekcja koherentna zapewnia lepszy stosunek sygnału do szumów po stronie odbiorczej, umożliwiając podniesienie niezawodności (lepsze rozróżnianie elementów informacji) bądź zwiększenie zasięgu transmisji tak użytkowanego włókna.Istotą technologii 100G jest kodowanie strumienia optycznego z podwójną polaryzacją kwadraturową DP-QPSK (w płaszczyznach ortogonalnych), która pozwala na jednoczesny przekaz w pojedynczym kanale dwóch bitów informacyjnych na jeden symbol. Przy znormalizowanej szybkości modulacji 25 Gbodów (50 Gb/s) w każdym kanale, daje to całkowitą przepustowość łącza optycznego 100 Gb/s (2 bity/symbol x 2 kanały x 25 Gbodów), działającego w dwóch ortogonalnych polaryzacjach strumienia świetlnego. Wydajność systemów 100G można poprawiać poprzez dodanie odbiornika koherentnego po stronie odbiorczej, a samo kodowanie nazywa się wtedy PM-QPSK (Polarization Mode QPSK) z odbiorem koherentnym. Koherentna detekcja sygnałów optymalizuje cyfrowo sygnał po stronie odbiorczej, dając lepszy stosunek sygnału do szumów. Ponieważ taki odbiór (koherentny) charakteryzuje się lepszą czułością niż w detekcji bezpośredniej, z reguły eliminuje to potrzebę kompensacji dyspersji włókna, ale wymaga instalowania scalonych układów ASIC do cyfrowego przetwarzania sygnałów po stronie odbiorczej. Zmienność i różnorodność stosowanych technologii wytwarzania powoduje jednak, że wdrażane obecnie interfejsy optyczne 100G pierwszej generacji mają indywidualne cechy charakterystyczne (schemat kodowania, koherencja, typ włókna, pasmo, zasięg, moduł przetwarzania) - mimo ogólnej zgodności ze standardem IEEE 802.3ba (40/100G). Obecnie obserwuje się wzrost zainteresowania systemami 100G opartymi na modulacji PM-QPSK z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów w odbiorniku koherentnym, które to systemy preferują firmy zajmujące się transportem optycznym. Mają one obecnie najlepsze parametry wydajności widmowej i nie potrzebują instalacji układów kompensacji dyspersji, gdyż niemal każde nowe włókno spełnia te wymagania. Po wdrożeniu do seryjnej produkcji układów ASIC, będzie to optymalny sposób redukcji kosztów sieci szkieletowych o przepływności 100 Gb/s.

Korzyści z wdrażania systemów 100G

Do zwiększania przepustowości sieci szkieletowych LAN/MAN do 100 Gb/s nie trzeba już nikogo przekonywać. Rozwijające się w wykładniczym tempie internetowe usługi już wymagają skoku technologicznego w stronę terabitowych szybkości osiąganych za pomocą światła. Tegoroczne wdrożenia pilotażowych systemów 100G stanowią dopiero pierwszy krok w tym kierunku. Na terabitowe łącza czekają m.in. operatorzy centrów danych oraz instytucje naukowe o wysokim zapotrzebowaniu na moc obliczeniową i przepustowość. Środowiska te są idealnym miejscem do sprawdzenia jakości tej nowej technologii i ekonomicznego rozpoznania metod adaptacji istniejących rozwiązań do rosnącego zapotrzebowania na przepustowość.

Źródło:networld.pl