5 Optické sítě a jejich rozvoj

Zprava 2003: Opticke site a jejich rozvoj

1 of 16

file:///C:/2003.htm

5 Optické sítě a jejich rozvoj Řešitelé sledovali zejména rozvoj sítí národního výzkumu a vzdělávání (NREN) a experimentálních výzkumných sítí, jako jsou globální síť TransLight a NationalLambdaRail v USA a rozvoj optických přenosových systémů pro tyto sítě. Získané poznatky aplikovali při práci na mezinárodním projektu SERENATE, rozvoji sítě CESNET2, při přípravě návrhu nového výzkumného záměru, při přípravě mezinárodních projektů GN2, GRANDE a GARDEN a spolupráci s dalšími NREN a při rozvoji lambda sítí CzechLight a TransLight. Vycházeli jsme hlavně z následujících poznatků: 1. Přechod na vlákna má strategický význam. Vlastnictví nebo právo užití vláken propojujících lokality sítě dává projektantům při vytváření sítě podstatně větší volbu způsobu řešení sítě (větší volnost) než při nákupu telekomunikačních služeb. Výsledkem by mělo být optimální řešení sítě, které bude podstatně více odpovídat potřebám uživatelů. Počet lambd a přenosová rychlost není omezována a zpoplatňována telekomunikačními operátory. Přenosový systém není volen telekomunikačním operátorem, což umožňuje použít dokonalejší technologii navrženou na míru potřebám sítě. 2. Užití pokročilejší přenosové technologie, která má navíc konfigurace a parametry voleny podle potřeb uživatelů NREN, dovoluje podstatně snížit náklady na stavbu a provoz sítě. Užití GE a 10GE přenosů namísto SDH přenosů dále snižuje náklady na obvody rozhraní a požadavky na znalosti telekomunikační techniky a tím snižuje náklady na projektování i na provoz. 3. Aplikovaný výzkum v oblasti optických přenosů je sice v činnosti NREN neobvyklý, ale začal přinášet výsledky umožňující stavět lepší sítě. Výsledky lze bezprostředně aplikovat při přechodu NREN na vlákna. 4. Metoda realizace optických linek pokud možno bez zařízení na trase, kterou jsme ohlásili na konferenci TERENA v roce 2002 v Limericku, se stala známá pod názvem "NIL approach" (Nothing In Line) a ukazuje se pro NREN jako velmi vhodná. Důvodem je zejména relativně malá vzájemná vzdálenost univerzitních pracovišť, jejich možnosti umístit zařízení ve svých prostorách a poskytnout v případě nezbytné potřeby místní asistenci při dálkovém sledování a nastavování zařízení z centra sítě. 5. Očekáváme, že v blízké budoucnosti bude mít pro stavbu NREN důležitý význam užití PC s optickými transcievery GE a 10GE malých rozměrů (XFP MSA) a dlouhého dosvitu (80-130 km) podporované programovatelným hardware (jako je karta COMBO6) pro zvýšení výkonu, případně doplněné součástkami pro optické zesilování (prodloužení dosvitu na cca dvojnásobek) či vícebarevné (WDM) přenosy. 6. Očekáváme vznik otevřených systémů v oblasti hardware. Otevřené systémy v oblasti programového vybavení (např. Linux a Globus) úspěšně konkurují produktům gigantických společností (např. Microsoft a IBM), protože využívají otevřenou celosvětovou výzkumnou a vývojovou spolupráci organizací i občanů na svém zdokonalování a protože dávají uživatelům širokou možnost si je efektivně přizpůsobit svým potřebám. Zároveň však jsou dodávky směrovačů, přepínačů a přenosových systémů pro internet i dodávky přístrojové techniky pro řadu jiných oborů velmi monopolizovány a nemají v otevřených řešeních dosud konkurenci, což výrazně zvyšuje ceny, omezuje možnosti rozvoje a odrazuje od aplikací se speciálními nároky na bezpečnost, ochranu osobních údajů, cenu apod. Přechod produkční sítě CESNET2 na vlákna byl v roce 2003 v podstatě dokončen. NREN v ČR bude mít v lednu 2004 v provozu 2354 km dvouvláknových tras a 360 km jednovláknových tras, celkem 2714 km na cca 10,2 mil. obyvatel a 78 866 km2 území. Pro porovnání uvádíme, že k nejpokročilejším zemím v nasazování vláken pro NREN patří v Evropě Polsko, Slovensko a Švýcarsko. V Polsku je v provozu pro NREN 2600 km vláken na 38,7 mil. obyvatel a 312 683 km2 území, na Slovensku má NREN v provozu 1370 km vláken na 5,4 mil. obyvatel a 49 035 km2 území, ve Švýcarsku má NREN v provozu 1200 km vláken na 7,3 mil. obyvatel a 41 293 km2 území. Další vlákna jsou zpravidla připravována k využití nebo rezervována. V ostatních evropských zemích je rozsah užití vláken pro NREN nižší, v některých je přechod na vlákna ještě zvažován. Pro síť GÉANT se vlákna nepoužívají. V USA se vyhrazená vlákna pro národní produkční síť (Abeline2) nepoužívají, je však velmi rozšířeno použití vláken pro experimentální i produkční sítě jednotlivých států unie a je rezervováno 2600 mil vláken pro národní experimentální síť NationalLambdaRail s možností rozšíření (v provozu je zatím malá část).

Obrázek 5.1: CzechLight 2004 (očekávaná topologie)

8.12.2006 9:57


2 of 16

file:///C:/2003.htm

V ČR jsme z finančních důvodů preferovali přechod produkční sítě CESNET2 na vlákna a koncem roku 2003 jsme zahájili budování meziměstských tras experimentální sítě CzechLight na vláknech. Pro rok 2004 se připravuje budování mezinárodních tras CzechLight na vláknech z Prahy do Vídně a do Poznaně (viz obrázek), realizace závisí i na spolupráci a podpoře ze strany partnerů, Cisco Systems a EU.

5.1 Zaměření výzkumu a vývoje optických sítí a hlavní výsledky Řešitelé se zabývali zejména následujícími aktivitami a dosáhli následujících hlavních výsledků: 1. Přechod hlavních tras sítě CESNET2 na pronajatá optická vlákna, což umožňuje rozvíjet přenosové parametry sítě nezávisle na poskytovatelích telekomunikačních služeb. Užití vláken se postupně ve světě prosazuje jako cesta zdokonalování NREN a Česká republika v tomto směru patří k prvním zemím. Výsledků v přestavbě sítě CESNET2 bylo dosaženo ve spolupráci s útvarem provozu. 2. Pronájem vláken včetně pořízení přenosového zařízení se v ČR pro NREN ukázal jako cenově podstatně výhodnější než nákup gigabitových telekomunikačních služeb. Navíc příznivá situace a vhodně zadaná výběrová řízení na pronájem vláken vedla ke snížení ceny pronájmu o 50-75 %. 3. Snížení cen umožnilo změnit topologii sítě tak, aby byla zlepšena dostupnost uzlů (páteřní uzly jsou dostupné alespoň dvěma gigabitovými okruhy) a tím i spolehlivost poskytovaných služeb sítě. 4. Získání možností realizace vláknové první míle na pracoviště členů na zakázku (což je zatím mezi NREN ojedinělé), fyzické zpřístupnění nejvýznamnějších uzlů sítě CESNET2 vlákny 3-4 různých vlastníků. 5. Ekonomicky efektivní připojení pracovišť členů v Děčíně, Chebu, Jindřichově Hradci, Karviné a Opavě jednovláknovými trasami. Zároveň je to krok ke zmenšování rozdílů v přístupnosti informačních služeb a možnostech účasti na současných projektech výzkumu a vývoje mezi regiony v ČR. 6. Vybudování prvního mezinárodního propojení NREN v Evropě temnými vlákny (Brno-Bratislava), získání obdobných nabídek do Vídně, Mnichova, Frankfurtu n. M., Norimberku, Drážďan, Berlína, Poznaně a Bielsko-Biala. Některé z nich budou pravděpodobně využity pro mezinárodní projekty GN2 JRA4 a GARDEN. 7. Snížení cen pronájmu vláken rovněž umožnilo začít v závěru roku budovat síť CzechLight (která má experimentální charakter) fyzicky odděleně od sítě CESNET2 poskytující produkční služby - podobně jako jsou TransLight a NationalLamdaRail fyzicky odděleny od Abeline, GÉANT a NREN. Tím se pro řešitele otevřely významné nové možnosti dalšího výzkumu v této oblasti. Je známo, že možnosti výzkumu nových přenosových systémů a služeb na produkčních sítích jsou značně omezené. 8. Zřízení lambda služby Praha-Amsterdam 2,5 Gb/s, oživení a testování CzechLight, zjištění a reklamace chyb zařízení. Lambda služby CzechLight, NetherLight a CERN byly experimentálně zpřístupněny pro přenos údajů mezi CERN a FzÚ AV ČR. Do realizace této E2E služby byly zapojeny také PASNET, AV ČR (síť areálu Na Mazance) a lokální síť FzÚ. 9. Získání možnosti cenově přijatelného upgrade okruhu Praha-Amsterdam z 2,5 Gb/s na 10 Gb/s a tím dosažení větší zajímavosti respektive přijatelnosti pro společné experimenty s institucemi v Evropě, USA a Kanadě a pro prezentaci výsledků. 10. Simulace a testování nastavení optických zesilovačů EDFA pro přenosy GE a 2,5 Gb/s bez zařízení na trase do cca 250 km, nasazení na provozní trase 235 km (asi světové prvenství v produkční síti). 11. Simulace a testování nastavení optických zesilovačů EDFA pro přenosy 10GE bez zařízení na trase do cca 250 km (dosah předpokládaný normou je 40 km). Testování optického zesilování WDM přenosů. Společnost Cisco projevila zájem o spolupráci v oblasti optických přenosů. 12. Testování Ramanovských zesilovačů pro prodloužení výše uvedených vzdáleností. 13. Prezentace výsledků v nasazování temných vláken a ověřování možností přenosových systémů, účast na přípravě projektů GN2, GRANDE a GARDEN. 14. Návrh osazení trasy Praha-Frankfurt optickými zesilovači jako podklad pro DANTE, simulace průběhu signálů, konzultace k "Invitation To Tender for Network Element for the GN2 network". 15. Sledování situace v oblasti mikrovlnných přenosů a optických přenosů vzduchem (zejména 802.11a a 802.11h) z hlediska jejich použitelnosti pro řešení první míle meziměstských přenosových okruhů. Probíhá příprava prototypu zařízení pro optický přenos vzduchem 100 Mb/s, první výsledek lze očekávat koncem roku. 16. Probíhá ověření možnosti stavby regenerátoru pro přenosy po optických vláknech. 17. Byly zahájeny práce na náhradě nákladných přenosových zařízení respektive desek (stykových obvodů) a samostatných optických zesilovačů zařízeními dle vlastního návrhu s FPGA, XPF transievery, obvody pro optické zesílení, ASIC a hybridními IO. Výhodou by měla být otevřenost zařízení (Open hardware) a značně nižší cena. Při řešení projektu jsme dosáhli výsledků uznávaných v zahraničí (viz seznam publikací a prezentací).

8.12.2006 9:57


3 of 16

file:///C:/2003.htm

Obrázek 5.2: Topologie sítě CESNET2 (prosinec 2003) (větší obrázek)

5.2 Spolupráce NREN při nasazování temných vláken Výsledky budování sítě CESNET2 jsme prezentovali na mezinárodních seminářích TF-NGN v únoru 2003 v Římě a v září 2003 v Cambridge. Tyto prezentace a následné diskuse přispěly k navázání kontaktů s experty jednotlivých NREN, zabývajících se získáváním vláknových tras a implementací přenosových systémů. Koncem roku 2003 jsme pro aktivní účastníky založili mezinárodní elektronickou konferenci CEF-Networks pro podporu zavádění temných vláken v evropských NREN. Dvoustranné konzultace o zavádění temných vláken probíhaly zejména s kolegy v Irsku, Nizozemí, Polsku, Portugalsku, Slovensku, Slovinsku, Srbsku a Švýcarsku. Snahou je zejména získat a rozšířit informace o způsobech akvizice vláknových tras a řešení přenosových systémů, které byly ověřeny na experimentálních nebo provozních trasách NREN. V poslední době se ukazuje, že tato snaha bude mít i podporu v mezinárodním projektu GN2 (Joint Research Activity 4 - Testbed) 6. rámcového programu EU.

5.3 Národní vláknová základna V USA vznikl v roce 2003 projekt nazvaný NationalLambdaRail (NLR), který na základě smlouvy využívá některá vlákna společnosti Level3 (viz obrázek) a nazývá je National Fibre Footprint (národní vláknová základna). Tato infrastruktura navazuje na vlákna užívaná v jednotlivých státech a regionech USA pro výzkumné a vzdělávací sítě. Tím bylo výrazně posíleno zaměření na užití vláken ve výzkumných a vzdělávacích sítích, které se předtím uplatňovalo v menších rozměrech. Nyní projekt GN2 v Evropě zkoumá, do jaké míry je vhodné použít vlákna pro celoevropskou síť.

Obrázek 5.3: NationalLambdaRail (NLR) V České republice je národní vláknová základna produkční sítě CESNET2 již v provozu. V závěru roku 2002 jsme vypsali poptávku na zřízení a pronájem vláken na sedm páteřních okruhů. K realizaci byly vybrány pouze trasy Plzeň-České Budějovice a Ústí nad Labem-Liberec. Ostatní okruhy hlavně z důvodu přílišné délky vláken, nebo neakceptovatelných podmínek uchazeče nebyly k realizaci doporučeny. Okruhy byly podstatně levnější než služby dosud užívané. Zároveň jsme získali možnost užívat zdarma různě dlouhé testovací smyčky vláken pro testování přenosových systémů v laboratoři. V březnu 2003 jsme vypsali další poptávku na zřízení a pronájem vláken na devět tras, z toho sedm páteřních. Cílem této poptávky bylo nikoli zřízení nových tras, ale náhrada stávajících za lepších podmínek, a to nejen cenových, ale i technických. To znamená získání vláken s lepšími parametry (např. s nižším útlumem) a trasy, jejichž alespoň část povede po vlákně typu G.655. Pronájem vláken nabídlo osm uchazečů, z toho dva, kteří zatím pronajímat vlákna odmítali. Ceny využitých pronájmů pro NREN jsou pod 1,25 Kč/m/pár/měsíc, někdy velmi výrazně. Zejména se projevil pokles cen tras mezi krajskými městy, kde mají poskytovatelé vlákna delší dobu nevyužitá. Při hodnocení nabídek jsme hledali optimální řešení s ohledem nejen na cenu, ale i na délku vláken a s tím související nutnost osazení HW. Při delší trase je nutný nákup zesilovačů a tím narůstá i technická a provozní náročnost trasy.

8.12.2006 9:57


4 of 16

file:///C:/2003.htm

Podstatným výsledkem řešení jsou poznatky, jak poptávku zadat a jaká kritéria uplatnit, aby realizovaná síť měla špičkové parametry a otevřenou možnost dalšího vývoje v rámci dostupných finančních prostředků. Síť CESNET2 má nyní přes 2000 km dlouhou vláknovou základnu, nízké náklady na její nájem a rozsáhlé možnosti zvyšování přenosových rychlostí a kapacit (viz obrázek).

Obrázek 5.4: Vlákna sítě CESNET2 (prosinec 2003) (větší obrázek)

5.4 Optické přenosy v zákaznických vláknových sítích Zákaznické vláknové sítě jsou sítě, ve kterých (někteří) uživatelé sítě vlastní vlákna nebo mají právo jejich užití a rozhodují o způsobu výstavby sítě (zejména jejího přenosového systému) a o řízení sítě. Bývají označovány jako CEF sítě (Customer Empowered Fibre networks). Získání vláken zároveň přináší otázku, jak nejlépe řešit přenosový systém. Jistě lze použít nabídky přenosových systémů určených pro telekomunikační operátory, je to však často velmi nákladné. Ukazuje se také, že NREN mají poněkud odlišné požadavky a tak je mnohdy nejvýhodnější stavět přenosový systém "na míru" a povyšovat jej na vyšší přenosovou rychlost nebo větší počet lambd, až když je to skutečně potřeba. Je třeba počítat i s tím, že ceny vláken i zařízení se mění (nyní značně klesají) a tak je ekonomicky velmi riskantní "stavět pro budoucí potřeby". Navíc nejistota týkající se budoucích potřeb mívá za následek preferenci univerzálnějších řešení, která bývají nákladnější. Někdy také může být výhodnější pronajmout další pár vláken než investovat do přenosového zařízení. V rámci svých možností jsme se zabývali analýzou této situace a hodnocením jednotlivých způsobů řešení a některé z nich ověřili laboratorně nebo i v produkční síti CESNET2. Délka Osazení vlákna Útlum Rychlost Provoz transmisním Poznámka [km] [dB] od zařízením Pardubice-H. Králové 30 7,5* 1 GE 15. 1. 02 * odhadovaná hodnota Olomouc-Zlín 72 22,5* 1 GE 19. 2. 03 Plzeň-Č. Budějovice 178 40,8 2,5 G 25. 7. 03 2×24 dBm Ústí n. L.-Liberec 123 27,9 1 GE 30. 6. 03 Brno-Ostrava 235 50,6 1 GE 6. 6. 03 2×27 dBm + 2×10 dBm Č. Budějovice-Brno 308 69,8 2,5 G 15. 9. 03 2×10 dBm + 2×27 dBm + 2×Raman od 12/2003 Praha-Ústí n. L. 155 36,8 1 GE 8. 12. 03 zatím Catalyst 2×21 dBm, dodávka 01/2004 Praha-Brno 323 81,0* 2,5 G 10. 1. 00 3×ONS15104 změna v roce 2004 Praha-Liberec 151 39,1* 2,5 G 1. 2. 04* 2×21 dBm Praha-Plzeň 123 33,7 2,5 G 8. 9. 03 2×10 dBm v Praze oba předzesilovače Praha-Pardubice 189 46,0 1 GE 17. 5. 02 2×21 dBm H. Králové-Olomouc 204 48,0* 2,5 G 1. 2. 04* 2×27 dBm + 2×10 dBm Brno-Olomouc 107 27,5 1 GE 25. 11. 03 Olomouc-Ostrava 186 45,0 2,5 G 1. 2. 04* 2×24 dBm + 2×10 dBm Celkem 2 385 Trasa

Tabulka 5.1: Dvouvláknové trasy sítě CESNET2 Tabulka uvádí přehled dvouvláknových tras sítě CESNET2 a zařízení užívaných pro optický přenos (kromě Cisco CGBIC obvodů pro GE trasy a OC-48 karet pro trasy 2,5 Gb/s).

5.4.1 Přenosové trasy bez zařízení Jedna z významných metod stavby CEF sítě je NIL, která se snaží řešit topologii sítě tak, aby na optických vláknech nebylo potřebné instalovat linkové (in-line) optické zesilovače nebo regenerátory. To znamená, že všechna zařízení jsou umístěna v PoP sítě. Obrázek ukazuje, do jaké míry je tato metoda aplikována v produkční síti CESNET2. Tmavě modré trasy jsou vlákna bez zařízení na trase, tj.

8.12.2006 9:57


5 of 16

file:///C:/2003.htm

NIL. Převod zbývajících světle modrých a červených tras (s výjimkou trasy Praha-Brno) na tento způsob přenosu by měl proběhnout do konce ledna 2004.

Obrázek 5.5: Osazení vláken sítě CESNET2 (prosinec 2003) (větší obrázek)

5.4.2 Jednovláknové přenosy CESNET využil nových typů konvertorů, které realizují obousměrný přenos na jednom optickém vlákně, pro ekonomicky efektivní připojení vybraných pracovišť členů, případně některých zákazníků. Nejen z ekonomických důvodů, ale též vzhledem k zajímavému technickému řešení, které jsme odzkoušeli na experimentální trase CESNET-Národní knihovna (3900 m), jsme pro osazování budovaných jednovláknových tras zvolili MRV konvertory kroucená dvojlinka-vlákno (např. http://www.mrv.com/product/MRV-FD-SF) dodávané firmou PROFIcomms s. r. o. Tyto konvertory jsou k dispozici pro Ethernet, Fast Ethernet i gigabitový Ethernet. Vyrábějí se ve variantách pro přenos po dvou i jednom vlákně, zařízení pro přenos na jednom vlákně mají obecně menší dosvit. Zvolili jsme obousměrný přenos po jednom vlákně, a to s použitím vlnových délek 1520 a 1560 nm pro jednotlivé směry. Tento přenosový systém je podle doporučení dodavatele spolehlivější než systém využívající v obou směrech stejnou vlnovou délku. V průběhu roku 2003 jsme osadili pět tras FE konvertory na jedno vlákno. Pronájem jednoho vlákna jsme získali za 60 % ceny pronájmu páru vláken při pětiletém kontraktu od jednoho dodavatele. Získat nájem jednoho vlákna od jiných dodavatelů se nepodařilo, neboť o nájem jednoho vlákna je zatím málo zájemců a druhé vlákno z páru pak zůstává nevyužito. Tato situace se možná změní, až budou zařízení pro obousměrné přenosy po jednom vlákně známější. Koncem března 2003 jsme uvedli do provozu první meziměstskou trasu po jednom vlákně mezi Ostravou a Opavou. Měří 55 km a použili jsme na oba konce konvertory MRV EM316 WFC/S4 & MRV EM316 WFT/S4 (dříve Nbase-Xyplex) pro FastEthernet. Při provozu se neprojevily závady. Výhodou je nezávislost konvertorů na zařízení, software a podpoře Cisco Systems.

Obrázek 5.6: Jednovláknová trasa Ostrava-Opava s použitím MRV konvertorů Stejný model s užitím konvertorů S4 jsme použili pro další dvě trasy, Ostrava-Karviná a České Budějovice-Jindřichův Hradec. Pro nejkratší jednovláknový spoj Ústí nad Labem-Děčín stačil pár S3 konvertorů s dosvitem 20-50 km. Pro nejdelší úsek Plzeň-Cheb 126,4 km s útlumem 35,7 dB jsme nasadili konvertory S5. Trasa po osazení fungovala jeden měsíc bezchybně, ačkoliv parametry trasy jsou horší než výrobce specifikuje. Tento výsledek považujeme za zajímavý, i když vznikl hlavně z nedostatku finančních prostředků na nákup zařízení. Po měsíci se začalo spojení rozpadat a bylo nutno převést provoz na původní trasu. Měření trasy ukázalo, že parametry vlákna se nezhoršily. Při testu jsme pak zjistili, že tento pár konvertorů chybuje i na kratší trase, tj. došlo k závadě na zařízení. Obdobně byla zjištěna i závada u konvertorů S4 na trase Ostrava-Karviná. Výsledným řešením je reklamace závad, pořízení páru konvertorů S3 pro prodloužení dosvitu na trase Plzeň-Cheb a pořízení záložních konvertorů S5 pro případ poruchy na kterékoli jednovláknové lince. Přes uvedené obtíže se spolehlivostí některých zařízení MRV se jednovláknové trasy ukazují jako řešení, které je v určité situaci nejvýhodnější. Útlum Provoz Dosvit Trasa km [dBm] od Osazení [km] Ostrava-Opava 55 18,2 1. 3. 03 S4 40-100 Ostrava-Karviná 77 20,3 1. 7. 03 S4 40-100 Plzeň-Cheb 126 35,7 1. 7. 03 S5 40-125 Ústí n. L.-Děčín 34 8,6 1. 7. 03 S3 20-50 Č. Budějovice-J. Hradec 68 18,4 1. 9. 03 S4 40-100 Tabulka 5.2: Parametry jednovláknových tras

8.12.2006 9:57


6 of 16

file:///C:/2003.htm

Na všech jednovláknových trasách provozujeme Fast Ethernet. Jednovláknové trasy se dobře osvědčují pro rychlost 100 Mb/s. Je možno je vybavit i konvertory gigabitového Ethernetu, ale zatím se to vzhledem k zátěži nezdá nutné. Celkově se jednovláknové trasy ukazují jako cenově srovnatelné s mikrovlnnými spoji, ale rychlejší a spolehlivější. Rozdíl ve spolehlivosti je větší pro delší trasy, kde jsou mikrovlnné spoje velmi citlivé na atmosférické poruchy. Výjimky z cenové výhodnosti představují případy, kdy by bylo nutné pokládat dlouhý úsek vlákna (zejména první míle). Velmi dobrá je návratnost investice do MRV konvertorů. Vyplatí se tím spíše, čím je trasa delší. Trasa km Návratnost [měs] Ústí n. L.-Děčín 34 18,5 Ostrava-Karviná 77 9,5 Plzeň-Cheb 126 6,9 Tabulka 5.3: Návratnost investice do MRV konvertorů V oblasti nasazení 10GE na jednom vlákně PASNET na naši žádost experimentálně postavil a odzkoušel propojení mezi Fyzikálním ústavem AV ČR na Mazance a sídlem sdružení CESNET v Zikově ulici. Fyzikální ústav AV ČR využívá k vysokorychlostním přenosům na vzdálená pracoviště spolupracujících partnerů mimo ČR mezinárodní lambda služby nabízené CESNETem v pražské lokalitě Zikova. Spojení mezi FZÚ na Mazance a lokalitou CESNETu v Zikově ulici je realizováno prostřednictvím pražské akademické sítě. Počítače FZÚ jsou v lokalitě Mazanka propojeny do gigabitového přepínače firmy Cisco Systems. Tento přepínač je pak připojen 1000BASE-SX GBIC modulem (produktové označení WS-G5484) s využitím konvertorů firmy MRV po jednom jednovidovém vlákně délky 7 km na páteřní zařízení Catalyst 6509 v lokalitě Ovocný trh. Odtud byla služba realizována po páteřním spoji sítě PASNET s propustností 10 Gb/s směrem do lokality Zikova na Catalyst 6506 protokolem 802.1Q jako specifický VLAN. Na sále CESNETu je spojení ukončeno v zařízení ONS 15450.

Obrázek 5.7: Experimentální propojení Mazanka-Zikova Realizaci s využitím optických konvertorů jsme zvolili z ekonomického hlediska za účelem minimalizace provozních nákladů. Nasazeny byly protokolově nezávislé konvertory firmy MRV s typovým označením EM316WGC-T, které pro přenos signálu po jednom vlákně využívají pro opačné směry komunikace různých vlnových délek (1310/1550 nm). Dle dokumentace lze tento typ používat až na vzdálenost 25 km. Za zmínku stojí skutečnost, že i páteřní linka akademické metropolitní sítě PASNET (SM trasa délky 5 km) využívající technologii 10Gb Ethernetu (moduly WS-X6502-10GE osazené WS-G6488-10GBASE-LE, tj. využívající vlnovou délku 1310 nm) mezi přepínači Catalyst byla po dobu 3 měsíců realizována s využitím pasivních splitterů po jednom vlákně. Zde byly využity konvertory s typovým označením EM316SC3S vhodné pro tuto vlnovou délku. Ani zde nedošlo nasazením optických splitterů ke zhoršení služby či zvýšení chybovosti linky. Po dobu využívání služby během 6 měsíců nedošlo na výše popsaném spojení FZÚ Mazanka-Zikova k neplánovaným výpadkům. Před realizací jednovláknových meziměstských tras jsme hledali podobná řešení v ostatních NREN, ale nalezli jsme jediné. Zajímavé řešení pro levné propojení míst a měst na dlouhou vzdálenost po jednom vlákně je použito ve švýcarské síti SWITCH (The Swiss Education & Research Network) více než rok. Pro obousměrný gigabitový Ethernet používají Cisco CWDM GBIC ve směrovačích a POC (Passive Optical Couplers) na obou koncích vlákna. POC obsahuje splitter pro dvě vlnové délky (1530 a 1550 nm) a OADM-1 Channel Optical Add/Drop Multiplexer. OADM snižuje odrazy způsobené konektory a vláknovými nečistotami. Bez dalších zesilovačů jsou tímto způsobem překlenuty vzdálenosti do 100 km. S pomocí EDFA zesilovačů (16 dBm), které jsou umístěny hned za GBIC, je možno dosvítit na vzdálenost 150 km.

8.12.2006 9:57


7 of 16

file:///C:/2003.htm

Obrázek 5.8: Topologie švýcarské sítě SWITCH SWITCH si pořídil (formou IRU) páry temných vláken, ale na základě výběrového řízení použil na své páteřní trasy přenosové zařízení Sorento DWDM 10 Gb/s pro jedno vlákno s optickým zesilováním na trase a druhé vlákno s výhodou využívá k připojení institucí podél postavených tras. Topologii SWITCH ukazuje obrázek.

5.4.3 Simulace, testování a nasazení GE NIL přenosů na dlouhé vzdálenosti V oblasti optického zesilování signálu jsme navázali na poznatky získané v roce 2002, kdy jsme uvedli do provozu trasu Praha-Pardubice o délce 189 km. V letošním roce jsme zprovoznili další NIL trasu Brno-Ostrava o celkové délce 235 km. Při použití gigabitového Ethernetu (GE) postačilo trasu osadit výkonovými erbiem dopovanými vláknovými zesilovači EDFA. Na trase se nám podařilo vyzkoušet i technologii 2,5 Gb/s PoS. V tomto případě bylo potřebné nasadit navíc EDFA předzesilovače (důvodem je nižší citlivost PoS karet). K přechodu na technologii PoS zatím nedošlo a trasa bezchybně funguje při použití GE. Není nám známo, že by trasa s podobnými parametry byla nasazena v jiné síti (ať už výzkumné nebo provozní). Maximální překlenutelná vzdálenost při použití standardních CWDM GBIC je 250 km, což jsme ověřili v laboratoři na zapůjčených cívkách vlákna G.652 od firmy OFS z Dánska (dříve Lucent). Podrobná schémata testovacích konfigurací lze nalézt v Průběžné zprávě o řešení výzkumného záměru v roce 2002.

5.4.4 Simulace, testování a nasazení 2,5 Gb/s NIL přenosů na dlouhé vzdálenosti Optické zesilovače jsou v současné době použity na trase Praha-Plzeň, Plzeň-České Budějovice a Brno-České Budějovice. Na první trase s délkou 123 km jsou EDFA zesilovače 10 dBm použity v netypické konfiguraci: jeden ve funkci předzesilovače a druhý ve funkci výkonového zesilovače. To umožňuje, aby oba zesilovače byly umístěny v Praze, což zjednodušuje jejich nasazení i dohled dané trasy. Druhá trasa s délkou 178 km je osazena výkonovými zesilovači. Trasa Brno-České Budějovice měří 308 km a pro osazení metodou NIL už nestačí EDFA zesilovače. Je třeba navíc využít zesílení na principu stimulovaného Ramanova rozptylu (RFA). Při dodávce ramanovských zesilovačů došlo k několika problémům a počátkem prosince jsme zesilovače znovu testovali v laboratoři na cívkách G.652 vláken firmy OFS. Podle výsledků simulací i experimentů bude možné trasu do konce ledna 2004 osadit metodou NIL (pro každý směr přenosu je nutný výkonový EDFA zesilovač a EDFA předzesilovač, ramanovský laser a také optický filtr pro potlačení šumu). Po přechodnou dobu byla z těchto důvodů trasa osazena pouze EDFA zesilovači, z nichž jeden pracuje ve funkci výkonového zesilovače a druhý ve funkci linkového zesilovače. Trasa v této konfiguraci pracovala bezchybně. Technologii 2,5 Gb/s PoS se podařilo laboratorně otestovat v režimu s linkovým zesilovačem až na vzdálenost 350 km, přičemž nebylo nutné ani pro tuto vzdálenost kompenzovat chromatickou disperzi nebo použít optický filtr k potlačení šumu.

5.4.5 Experimentální použití adaptérů 10GE pro PC Pro vývojové a měřící účely zejména v projektu SCAMPI jsme získali dva kusy adaptérů Intel PRO/10GbE, které umožňují přivést desetigigabitový Ethernet až do PC. V první fázi jsme si ověřili, jakou propustnost je možné dosáhnout na PC s operačním systémem Linux a na jakou vzdálenost mohou adaptéry komunikovat po optickém vláknu. Zjištěná pozorování jsou podrobně popsána v technické zprávě 10/2003. Zde uvádíme jejich stručné shrnutí. Testovací prostředí Pro měření propustnosti jsme použili konfiguraci podle obrázku. Každý adaptér byl zasunut ve slotu typu PCI-X 64 bitů 133 MHz v serveru Dell 2650 s procesorem Xeon 2,4 GHz. Byl použit operační systém Linux s jádrem 2.4.22.

8.12.2006 9:57


8 of 16

file:///C:/2003.htm

Obrázek 5.9: Testovací konfigurace Dosvit optického transceiveru Adaptér Intel PRO/10GbE LR je vybaven laserem o vlnové délce 1310 nm s udávaným dosvitem 10 km. Transceiver je bohužel v provedení "300-pin", což znamená, že nemůže být vyměněn za jiný (jako například za transceiver pracující na vlnové délce 1550 nm), což je možné u transceiverů v provedení XFP nebo XPAK. Výstupní výkon podle měřícího přístroje Expo FOT-90A byl -3,2 dBm pro první adaptér a -5,0 dBm pro druhý adaptér. Pomocí regulovatelného útlumového článku Expo FVA-60B jsme zjistili, že maximální útlum, který může být vložen mezi vysílač a přijímač, aniž by docházelo ke ztrátám paketů byl 7,85 dB v jednom směru a 8,30 dB v druhém směru. Vezmeme-li nižší hodnotu a uvážíme-li typický útlum optického vlákna 0,35 dB/km na 1310 nm, můžeme odhadnout maximální možnou vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem na 22 km. Propojení se zařízením pracujícím na 1550 nm Vysokorychlostní směrovače a přepínače jsou obvykle vybaveny optickými porty pracujícími na vlnové délce 1550 nm. Jsou totiž určeny hlavně pro páteřní linky sítě, které jsou dlouhé, přičemž lasery pracující na 1550 nm mají delší dosvit a signál je navíc možné lépe opticky zesilovat. Adaptéry pro PC jsou naproti tomu určeny zejména pro místní sítě a mají tedy častěji lasery multimode 850 nm nebo singlemode 1310 nm. Jednou z možností vzájemného propojení těchto zařízení je využití obvykle širokopásmové citlivosti optických přijímačů. Rozhodli jsme se ověřit možnost přímého propojení adaptérů Intel PRO/10GbE LR s přepínačem Cisco Catalyst 6500 vybaveným jednoportovým modulem pro 10GE typu WS-X6502-10GE. Tento modul má pevně zabudovaný transceiver 1550 nm, na rozdíl od dražších dvou- a čtyřportových modulů, které mají vyměnitelné transceivery v provedení XENPAK. Do přímého propojení obou zařízení jsme vložili útlumové články, abychom nepoškodili přijímač vysokým výkonem laseru vysílače (útlumový článek byl ve skutečnosti nezbytný jen ve směru od laseru 1550 nm). Pomocí paketového generátoru jsme přenesli 6 milionů paketů o délce 1500 bajtů bez ztráty jediného paketu. Je tedy možné říci, že obě zařízení je možné přímo propojit a umožnit tak komunikaci technologií 10GE z PC přes rozlehlou síť. Propustnost Propustnost jsme testovali programem iperf. Velikost socketových vyrovnávacích pamětí byla nastavena na 1 MB na obou stranách spojení. Fronta síťového rozhraní (txqueue) byla nastavena na 10 000 paketů. Velikost dávky přenosu přes sběrnici PCI-X (burst transfer size) byla nastavena na 4096 bajtů. Sledovali jsme zátěž procesoru programem top a počet generovaných přerušení čtením souboru /proc/interrupts. Měření jsme provedli pro maximální standardizovanou velikost paketů 1500 bajtů a pro maximální velikost paketů podporovanou adaptéry 16 144 bajtů. Naměřená propustnost byla 1,3 Gb/s pro pakety o délce 1500 bajtů a 2,6 Gb/s pro pakety o délce 16 114 bajtů. V druhém případě byla zátěž procesoru vysílače téměř 100 %. Zátěž procesoru přijímače a zátěž na obou stranách s pakety o délce 1500 bajtů byla podstatně nižší a nebyla proto limitujícím faktorem. Vzestup zátěže procesoru na 100 % zřejmě souvisel též se značným zvýšením počtu generovaných přerušení. To bylo zřejmě důsledkem zhoršené funkce slučování přerušení (interrupt coalescing) pro přenos více paketů v rámci jednoho přerušení. Změna parametrů ovladače RxDescriptors a TxDescriptors na maximální hodnotu 4096 neměla na tento problém vliv. Shrnutí pozorování Adaptéry Intel PRO/10GbE LR je možné použít v přímém propojení se směrovačem nebo přepínačem s porty 1550 nm (s útlumovými články). Jejich dosvit je přibližně 22 km. Nejvyšší dosažená propustnost 2,6 Gb/s byla podstatně nižší než limitace použitou sběrnicí PCI-X. Je pravděpodobné, že po odstranění problémů se slučováním přerušení a na výkonnějších PC je možné dosáhnout vyšší propustnosti. Adaptéry lze použít pro přivedení technologie 10GE až do PC nebo pro vytvoření relativně levného směrovače nebo přepínače pro 10GE. Se současnými PC by ale propustnost takového zařízení byla podstatně nižší než 10 Gb/s. Dalším užitečným uplatněním adaptérů může být emulace rozlehlé 10 Gb/s sítě pomocí programu NIST Net pro experimentální práce s mechanismy pro řízení zahlcení.

5.4.6 Simulace a testování 10 GE NIL přenosů na dlouhé vzdálenosti V průběhu prvního pololetí jsme se zabývali optimalizací podmínek přenosu NRZ signálů s rychlostí 10 Gb/s po standardním jednovidovém vláknu (SMF, G.652) bez použití linkových EDFA zesilovačů. Naším cílem bylo zjistit maximální možnou vzdálenost mezi přijímačem a vysílačem při dodržení chybovosti (BER - Bit Error Ratio) lepší než 10-12. K těmto numerickým simulacím jsme používali komerční software OptiSystem 2.0 od firmy OPTIWAVE a software OptSim firmy ARTIS. Zjišťovali jsme vliv velikosti výkonu na vstupu SMF vlákna a na vstupu vlákna kompenzujícího chromatickou disperzi (DCF Dispersion Compensation Fibre), stupně kompenzace chromatické disperze SMF vlákna a schéma kompenzace chromatické disperze - post-kompenzace a pre-kompenzace, kdy DCF vlákno je zapojeno na konci trasy, nebo na jejím začátku. Z této časově

8.12.2006 9:57


9 of 16

file:///C:/2003.htm

náročné analýzy vyplývá, že optimální stupeň kompenzace chromatické disperze je zhruba 85 % u post-kompenzačních schématu a 90 % u pre-kompenzačního schématu. Za optimistického předpokladu, že útlum G.652 vlákna je 0,22 dB/km z analýz vyplývá, že maximální vzdálenost mezi přijímačem a vysílačem při post-kompenzačním postupu je 270 km, při pre-kompenzačním postupu jen 230 km při dodržení BER = 10-12. Zároveň jsme začali s praktickým ověřováním simulací. Zakoupili jsme Cisco Catalyst 6503 s linkovými kartami 10GE 1550 nm s dosvitem 40 km a použili osvědčené optické zesilovače Keopsys. Směrovače a přepínače firmy Cisco Systems jsou použity v produkční síti CESNET2 a proto budou výsledky výzkumu dobře použitelné v praxi při přechodu části sítě na 10GE. Výsledky lze shrnout následujícím způsobem: na vzdálenost 100 km se lze dostat jen s použitím výkonového zesilovače, přičemž není nutné kompenzovat chromatickou disperzi. Při použití výkonového zesilovače a předzesilovače se nám podařilo dosáhnout vzdálenosti až 200 km, při těchto vzdálenostech už je nezbytné kompenzovat vliv chromatické disperze. Při použití 3W ramanovského vláknového laseru Keopsys se nám podařilo překlenout rekordní vzdálenost 250 km metodou NIL. Při tomto experimentu jsme dosáhli nejlepších výsledků při kombinaci post-kompenzačních a pre-kompenzačních schémat. Je třeba mít na paměti, že vysílače a přijímače 10GE linkových karet mají parametry odpovídající standardům 10GE. Při použití kvalitních DWDM laserů lze očekávat další zvýšení hodnoty maximální vzdálenosti metodou NIL. V tom případě je možné překlenout vzdálenosti mezi všemi většími městy v České republice a výsledky jsou dobře použitelné pro většinu zemí Evropy. Naše další výzkumné záměry jsme zformulovali do žádosti o grant s názvem "Optimalizace přenosu dat rychlostí 10 Gbit/s po vláknech G.652 bez použití linkových EDFA s ohledem na dosažení maximální přenosové vzdálenosti", který nám byl GA ČR udělen. Doba trvání projektu je 3 roky počínaje rokem 2004. Výsledky těchto praktických experimentů byly prezentovány na konferenci Terena 2003 pod názvem Optically Amplified Multigigabit Links in the CESNET2 Network. Další příspěvek s názvem Transmission limits of 10 Gbit/s NRZ data over G.652 without in-line EDFAs byl prezentován na konferenci ConTel 2003 v Záhřebu. Oba příspěvky byly kladně přijaty a několik sítí NREN projevilo zájem o nasazení 10 GE metodou NIL. Výsledky dřívějších simulací a experimentů s názvem Optical networking in CESNET2 gigabit network byly přijaty do časopisu Annales of telecommunications. Nejnovější teoretické a experimentální výsledky byly shrnuty do článku Optimization of NRZ data transmission at 10 Gbit/s over G.652 without in-line EDFAs, který byl přijat k publikaci v časopise Fiber and Integrated Optics.

5.4.7 Ramanovský vláknový laser se stabilizací zisku pomocí optické zpětné vazby V optických sítí s vyčleňováním/začleňováním WDM kanálů musí být použity vláknové zesilovače s rychlou stabilizací zisku, aby nedocházelo k přechodovým jevům v důsledku změny počtu přenášených kanálů. Z tohoto důvodu jsme se začali zabývat použitím optické zpětné vazby u ramanovských zesilovačů. Vyvinuli jsme vlastní simulační program pro numerickou analýzu přechodových jevů v RFA a teoretické výsledky jsme experimentálně ověřili. V experimentech jsme jako RFA použili DCF modul, vyčleňování/začleňování WDM kanálů jsme simulovali přenosem dvou signálů, z nichž jeden byl klíčován s kmitočtem 500 Hz, na výstupu RFA byly optickým osciloskopem monitorovány přechodové jevy neklíčovaného signálu bez a s uzavřenou smyčkou optické zpětné vazby. Uzavřením optické zpětnovazební smyčky bylo dosaženo potlačení přechodových jevů o 10 dB.

Obrázek 5.10: Fluktuace optického výkonu ve vlákně: numerické simulace

8.12.2006 9:57


10 of 16

file:///C:/2003.htm

Obrázek 5.11: Fluktuace optického výkonu ve vlákně: experimentální ověření Teoretické a experimentální výsledky byly shrnuty v následujících pracích: M. Karásek, J. Kanka, P. Honzátko, J. Radil: Channel Addition/Removal Response in All-Optical Gain-Clamped Lumped Raman Fiber Amplifier - přijato k publikaci v IEEE Photonics Technology Letters M. Karásek, J. Kanka, P. Honzátko, J. Radil: Protection of Surviving Channels in All-Optical Gain-Clamped Lumped Raman Fibre Amplifier: Modelling and Experimentation - přijato k publikaci v Optics Communications K. Karásek, J. Kanka, P. Honzátko, J. Radil: All-optical gain-controlled lumped Raman fibre amplifier - příspěvek byl přijat k ústní prezentaci na konferenci Optical Network Design and Modelling, ONDM 2004, Ghent, Belgie

5.4.8 Experimentální 10G WDM přenosový systém Dalším krokem, pro který jsme se rozhodli, bylo sestavení a laboratorní vyzkoušení experimentálního přenosového WDM systému pro nasazení na temných vláknech. Testovali jsme hlavně vícenásobné přenosy gigabitového (GE) a desetigigabitového Ethernetu (10GE) metodou NIL. Pro sloučení signálu jsme použili standardní vláknové odbočnice 1×N a stejné prvky jsme použili na konci trasy k jejich rozdělení. Následně je nutné použít optické laditelné filtry (DWDM nebo CWDM multiplexery a demultiplexery nelze nasadit, protože karty použité ve směrovačích mají tzv. šedou vlnovou délku, tj. nikoliv podle ITU gridu). To samozřejmě zmenšuje celkový překlenutelný útlum trasy, protože námi použité prvky mají mnohem větší vložný útlum než DWDM multiplexory. Dosažené výsledky jsou velmi zajímavé. Podařilo se nám přenést 2×GE a 2×10GE na vzdálenost 200 km standardního G.652 vlákna při použití EDFA zesilovačů a ramanovského laseru. Změřená bitová chybovost pro 10GE kanály byla lepší než 10-13. V dalším experimentu se podařilo se dvěma 10GE signály po vláknu G.652 překlenout vzdálenost 250 km bez použití linkových EDFA. Při tomto experimentu byly opět ke sloučení a rozdělení kanálů použity běžné vazební členy a laditelné optické filtry, 3 EDFA, 3 DCF moduly a přenosové vlákno bylo čerpáno ramanovským laserem. Tyto výsledky mohou najít významné uplatnění v NREN a zejména v experimentálních sítích, jako je například budovaná síť CzechLight, protože zařízení dodávaná běžnými výrobci (Cisco Systems, Nortel Networks, Lucent Technologies) neberou příliš v úvahu specifické požadavky těchto sítí. Významným faktorem je i cena takového experimentálního WDM systému a možnost jeho rychlé rekonfigurace dle požadavků správce sítě nebo dokonce podle potřeb koncových uživatelů.

Obrázek 5.12: Experimentální WDM systém pro přenos 2×1GE a 2×10 GE na vzdálenost 200 km

8.12.2006 9:57


11 of 16

file:///C:/2003.htm

Obrázek 5.13: Experimentální WDM systém pro přenos 2×10 GE na vzdálenost 250 km

5.5 Mezinárodní propojení NREN temnými vlákny V souvislosti s přípravou účasti sdružení CESNET v mezinárodních projektech GARDEN a GRANDE a dalších mezinárodních aktivitách jsme ověřovali možnosti pronájmu temných vláken do zahraničí. Během roku jsme předběžně poptali od tří tuzemských majitelů vláken okruhy na Slovensko, do Polska, Německa a Rakouska. První dotaz byl na linky z Prahy do Bratislavy, Poznaně, Frankfurtu, Mnichova, Berlína a Vídně. Po získání údajů o vedení tras jsme požádali o doplnění možností propojení univerzitních měst nebo PoP NREN blízko hranic. Tak jsme získali nabídky na propojení Brno-Bratislava, Brno-Vídeň, Plzeň-Mnichov, Plzeň-Norimberk, Ústí n. L.-Drážďany a Ostrava-Bialsko Biala. Orientační přehled možností ukazuje tabulka. Poznamenáváme, že při skutečném výběrovém řízení by byly ceny poněkud odlišné (většinou pravděpodobně nižší) a že propojení do Poznaně by se spíše řešilo dohodou s polskou NREN, která má na polském území vlastní vlákna. Zkušenosti z jednání o pronájmu vláken do zahraničí jsme uplatnili při práci na mezinárodních projektech, zejména SERENATE a GN2. Z hlediska optických přenosových systémů představuje propojení sousedních pohraničních PoP NREN vlákny podstatně levnější řešení (například o 50 %), než propojování metropolí. Tuto metodu jsme nazvali NoB (Near over Border). Překryvná evropská infrastruktura, jako je nyní GÉANT, by pak mohla mít méně okruhů (například jen okruhy delší než 1000 km) pro snížení nákladů a lepší přenosy velkých objemů dat na velké vzdálenosti. Konkrétní možnosti využití této metody se ukáží při výběrovém řízení na datové okruhy a vlákna pro projekt GN2. Propojení center km Euro/měs. Propojení blízkých PoP km Euro/měs. Praha-Poznan 970 40 400 Ostrava-Bielsko Biala 150 6 300 Praha-Frankfurt 665 18 900 Plzeň-Munich 330 13 800 Plzeň-Norimberk 227 9 500 Praha-Wien 520 11 500 Brno-Wien 191 7 500 Č. Budějovice-Linz 200 8 300 Praha-Bratislava 432 11 600 Brno-Bratislava 182 7 600 Praha-Berlin 530 22 100 Ústí n. L.-Dresden 230 9 600 Tabulka 5.4: Současné možnosti propojení temným vláknem do zahraničí Díky iniciativě kolegů ze SANETu a položení kratší trasy vláken k PoP CESNETu na MU v Brně bylo možno v dubnu 2003 realizovat první mezinárodní vláknové propojení NREN Brno-Bratislava gigabitovým Ethernetem. Ukázalo se, že nehledě na propojení CESNETu a SANETu z Prahy do Bratislavy okruhem sítě GÉANT je provoz na trase značný1 (přes 150 Mb/s). Později došlo ještě ke zvýšení nasazením dalších aplikací, zejména experimentálního proudování televizního a rozhlasového vysílání ze slovenské sítě SANET

5.5.1 Zařízení pro navrhovanou trasu Praha-Frankfurt a. M. na temných vláknech V souvislosti s možným pronájmem temného vlákna na trase Praha-Frankfurt a. M. s ukončením v PoP GÉANT jsme se zabývali optimalizací přenosového systému pro jeden 10G kanál. V úvahu jsme brali možnost pronájmu vláken G.652 i G.655. Pro numerické simulace a analýzy jsme použili program OptiSystem firmy Optiwave, celková délka trasy je 665 km. Požadovaná bitová chybovost byla lepší než 10-12.

8.12.2006 9:57


12 of 16

file:///C:/2003.htm

Obrázek 5.14: Parametry optických zesilovačů a optických vláken, simulace v programu OptiSystem (větší obrázek)

Obrázek 5.15: Q faktor a bitová chybovost při použití 9 EDFA V případě vlákna G.652 je nutné použít celkem 9 EDFA zesilovačů a 8 kompenzačních DCF modulů pro kompenzaci chromatické disperze pro každý směr přenosu. Při pronájmu vlákna G.655 se počet EDFA zesilovačů sníží na 7 a je potřebný pouze jeden DCF modul. Toto snížení aktivních i pasivních prvků na trase je velmi významné hlavně z finančního hlediska, i když ceny pronájmu vláken G.655 jsou obvykle vyšší než pro standardní vlákno G.652. Přesný ekonomický rozbor není snadné provést, protože ceny pronájmů vláken a EDFA zesilovačů i DCF modulů se liší podle dodavatele a účelu. V uvedeném případě byl podle dostupných podkladů pronájem temného vlákna a osazení vlastní technikou nejméně o 25 % výhodnější než nákup lambda služby 10 Gb/s od telekomunikačního operátora. Dalším krokem bude simulace přenosového systému DWDM pro stejnou trasu.

5.6 Mikrovlnná první míle pro okruhy NREN Cílem úkolu je zkoumat použitelnost nových technologií řešení první míle pro gigabitovou síť CESNET2 a vyvinout typová řešení založená na nových standardech pro vysokorychlostní mikrovlnná zařízení (IEEE 802.11a/g/h).

5.6.1 Testování zařízení pro přenosy 802.11g v ČR V červnu schválila Standardizační komise IEEE finální podobu standardu 802.11g pro rychlosti 54 Mb/s v pásmu 2,4 GHz. Zařízení normy 802.11g jsou zpětně kompatibilní se sítěmi 802.11b, s nimiž mohou komunikovat rychlostí 11 Mb/s. Navýšení rychlosti je dáno zejména změnou nejčastěji používané modulační metody CCK (Complementary Code Keying) v rámci DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) u 802.11b na OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) použitou i v 5GHz pásmu standardu 802.11a. Zařízení 802.11g a 802.11a však vzájemně kompatibilní nejsou. Všechna zařízení pracující v normě 802.11b používají modulaci DSSS a umožňují maximální teoretickou přenosovou rychlost 11 Mb/s (reálná průchodnost je 5,5 Mb/s). Některé společnosti implementovaly do svých produktů modulaci PBCC (Packet Binary Convolutional Coding), která zvyšuje rychlost na dvojnásobek, ovšem vyžaduje větší citlivost přijímače a vyšší odstup signálu od šumu. Tato proprietární technologie je někdy označována jako 802.11b+. Při modulaci OFDM použité u 802.11g/a se pásmo rozdělí na velké množství úzkých kanálů, v nichž se data přenášejí relativně pomalu a signál je tak mnohem robustnější než u PBCC. Celkový datový tok daný součtem přenosů všech kanálů pak odpovídá až 54 Mb/s.

8.12.2006 9:57


13 of 16

file:///C:/2003.htm

Teoretická přenosová rychlost 802.11g je 54 Mb/s a měla by mít srovnatelný dosah jako 802.11b. Se vzrůstající vzdáleností však rychlost prudce klesá, zatímco 802.11a by si měla rychlost držet až do mezních vzdáleností. Výhodou 802.11g je snadná migrace stávajících sítí 802.11b k vyšším rychlostem. Schopnost koexistence mezi sítěmi 802.11b a 802.11g je dána použitím stejného přenosového pásma 2,4 GHz. Stávající síťové adaptéry 802.11b jsou tak schopny pracovat s přístupovými body 802.11g, samozřejmě jen s jejich vlastní přenosovou rychlostí 11 Mb/s a za předpokladu, že přístupový bod bude komunikaci 802.11b povolovat ve své konfiguraci (tím totiž klesne i jeho maximální rychlost). Tato možnost postupného upgrade sítě na vyšší rychlost není možná u zařízení 802.11a, protože ta používají odlišné přenosové pásmo, 5 GHz. Zařízení 802.11g používají novější hardware, který dovoluje šifrování přenosu dat s minimální ztrátou rychlosti v řádu jednotek procent. Oproti tomu zapnutí šifrování přenosu u zařízení 802.11b představuje i 30% snížení reálné přenosové rychlosti. Na trhu jsou dnes běžně dostupné různé produkty normy 802.11g. ORiNOCO - AP-2000 Access Point, AP-600 http://www.proxim.com/products/wifi/11bg/ D-Link - AirPlus Xtreme G http://www.dlink.com/ Buffalo Technology - AirStation G54 Broadband Router Access Point (AP) http://www.buffalotech.com/wireless/index.php Linksys - Wireless-G Access Point WAP54G http://www.linksys.com/products/ a další... Výrobci nabízejí poměrně široké spektrum produktů - od jednotlivých PCMCIA karet, přes USB zařízení až k přístupovým bodům (Access Point, AP) doplněným v některých případech jednoduchým přepínačem, případně jednoduchým firewallem. Cena za PCMCIA kartu se pohybuje kolem 3 tis. Kč, Access Pointy stojí 8, 15 i 20 tis. Kč. Levnější Access Pointy nebývají vybaveny monitorovacími nástroji, takže je obtížné nastavit optimální umístění antény i najít frekvenci volného kanálu. Nelze získat ani informaci o tom, jakou rychlostí komunikují. Na přelomu září a října jsme provedli několik testů se zapůjčeným zařízením normy 802.11g - Buffalo AirStation-G54, které pro připojení kolejí pořídila Západočeská univerzita. Prováděli jsme testy ve vnitřním prostředí na vzdálenost 1 m a 30 m a dále na venkovních trasách 1 km a 6 km. Buffalo AirStation-G54 je zařízení spíše pokojového provedení. Umožňuje komunikovat v normě 802.11b i 802.11g, a to v režimech přístupového bodu pro více klientů, nebo jako point-to-point bridge. Je vybaveno interní anténkou pro interní použití a má i konektor pro připojení externí antény (je shodný s konektorem, které používá ORiNOCO). Má rovněž čtyři ethernetové porty, takže může plnit funkci přepínače. Jeho konfigurace se provádí přes rozhraní integrovaného WWW serveru (a po našem soudu není úplně promyšlená). V konfiguraci jsme postrádali možnost sledování intenzity signálu (odstup signál/šum) i zobrazení rychlosti, na níž zařízení komunikuje se svým partnerem. Zařízení podporuje šifrování dat a nastavení přístupových seznamů. Testy rychlosti jsme prováděli v režimu point-to-point mezi dvěma stejnými zařízeními Buffalo AirStation-G54. Přenášeli jsme menší i větší soubory o velikosti jednotek, desítek i stovek MB (to na přenosovou rychlost nemělo vliv) protokoly HTTP a FTP. V konfiguraci jsme povolili komunikaci pouze v normě 802.11g a výkon jsme měnili v rozmezí 8-22 mW. Vnitřní prostředí, 1 m, interní anténka, výkon 22 mW Dosahovali jsme konstantní reálné přenosové rychlosti 21,6 Mb/s, již považujeme za maximální, které je toto zařízení schopno dosáhnout. Při zapnutém šifrování se rychlost snížila neznatelně, na 20,8 Mb/s. Vnitřní prostředí, 30 m, interní anténka, výkon 22 mW Při přímé viditelnosti jsme dosahovali rychlosti kolem 20 Mb/s, každá překážka v trase však rychlost znatelně snižuje. Překonání osmi zdí je vážný problém, kdy komunikace (bez ohledu na rychlost) přestává být stabilní. Pro vybudování kvalitní interní infrastruktury na rozsáhlejším patře by bylo potřeba použít kvalitnější interní antény. Venkovní prostředí, 1 km, externí anténa (zisk 17 dB), výkon 8-22 mW Trasa je zatížena značným městským šumem, stěží lze najít jediný volný kanál. Zařízení ORiNOCO 802.11b dosahuje na stejné trase kolísavé přenosové rychlosti 3-4 Mb/s bez šifrování. Buffalo dosahuje kolísavé přenosové rychlosti kolem 10 Mb/s, zapnutí šifrování sníží rychlost jen nepatrně. Na rychlosti se neprojevuje rozdíl mezi přenosy prováděnými mezi dvěma stroji v testovacím režimu a přenosy prováděnými mezi řadou počítačů (několik set PC připojených za Buffalo) v rutinním provozu připojené koleje. Při krátkodobém nastavení výkonu na 22 mW, který v daném zapojení překračuje normu, se přenosová rychlost pohybuje v závislosti na rušení v rozmezí 7-11 Mb/s. Při nastavení výkonu na 8 mW, který v daném zapojení normu nepřekračuje, se přenosová rychlost pohybuje v rozmezí 6-10 Mb/s. Venkovní prostředí, 6 km, externí anténa (zisk 17 dB) Trasa není zatížena šumem, všechny kanály jsou volné. Zařízení ORiNOCO 802.11b dosahuje na stejné trase stálé přenosové rychlosti 5,5 Mb/s (to je maximální rychlost, kterou dokáže poskytnout tato technologie bez ohledu na vzdálenost) bez šifrování a rychlosti 3,7 Mb/s se zapnutým šifrováním. Buffalo dosahuje stabilní přenosové rychlosti jen 1 Mb/s. Na této vzdálenosti se už projevuje dramatický pokles rychlosti. Po

8.12.2006 9:57


14 of 16

file:///C:/2003.htm

nastavení Buffala do režimu 802.11b se rychlost zvyšuje na konstantní hodnotu 4 Mb/s (bez ohledu na šifrování). Zařízení Buffalo AirStation-G54 představuje levnější produkt mezi Access Pointy podporujícími normy 802.11g/b - jeho cena se pohybuje kolem 8 tis. Kč. Stejně jako u zařízení 802.11b rozhoduje o vhodnosti a možnosti použití na konkrétní trase vzdálenost a lokální šetření. Vzhledem k modernějšímu hardware bude zařízení dosahovat při zapnutém šifrování (což doporučujeme) větší rychlosti i v režimu 802.11b, do něhož lze v případě nutnosti Access Point nastavit. Na běžně zašuměné městské trase délky 1 km dosahuje zařízení přenosové rychlosti 10 Mb/s. Ačkoli jsme tuto variantu neměli možnost ověřit, domníváme se, že na volnější trase dlouhé 1-2 km by bylo možné dosáhnout přenosové rychlosti 10-20 Mb/s. Vyšší úrovně signálu lze dosáhnout bez překročení normy vyzářeného výkonu použitím cirkulátoru. Tento prvek se vkládá mezi bezdrátovou kartu a anténu a slouží jako rozbočovač. Odděluje signál jdoucí do vysílače od signálu přicházejícího od přijímače. Princip spočívá v tom, že klasickou anténu nahradíme dvěma anténami. Vysílací anténa má menší výkon odpovídající normě, ale přijímací anténa druhého konce spoje má vysoký zisk (např. 24 dB). Při pořizování zařízení pro nově budované bezdrátové spoje bych vzhledem ke srovnatelným cenám doporučil preferovat zařízení 802.11g. V případě potřeby je lze nastavit do běžného režimu 802.11b, jinak budou podávat větší výkon. Pro stavbu primárního spoje na principech této technologie bychom doporučili zařízení spíše vyšší třídy (ORiNOCO AP-2000, AP-600), které obsahují propracovanější systém konfigurace i monitorovací nástroje.

5.6.2 Zařízení a normy pro přenosy 802.11a a 802.11h v ČR Po relativně dlouhé době vydal na konci července Český telekomunikační úřad informaci o provozu bezdrátových zařízení RLAN v pásmu 5 GHz. Z ní je mimo jiné zřejmé, že použití zařízení pracující podle normy 802.11a je zakázané. Zatímco pásmo 2,4 GHz je otevřené na základě generální licence a běžně dostupná zařízení 802.11b (11 Mb/s) a 802.11g (54 Mb/s) lze volně používat (a také je zde kvůli tomu značný přetlak), nové pásmo 5 GHz bude otevřené jen pro zařízení splňující podmínky dynamické volby kmitočtu (DFS) a automatické regulace výkonu (TPC) - a to dnes dostupná zařízení normy 802.11a (54 Mb/s) nesplňují. Situace je podobná i v ostatních zemích Evropy. Světová radiokomunikační konference WRC-03 však na počátku července připravila změny Radiokomunikačního řádu s účinností od 1. 1. 2005, které umožní zavést generální licence na 5GHz frekvenci na úrovni jednotlivých států. ČTÚ předpokládá, že se těchto standardních předpisů bude držet. V říjnu pak ČTÚ předložil návrh generální licence, podle něhož má být skutečně pásmo 5 GHz otevřené k volnému používání bezdrátových sítí. Obě zmíněné podmínky splňuje ale až nová norma 802.11h, což je vlastně 802.11a doplněná právě o chybějící služby DFS a TPC. Zařízení 802.11h však dosud nejsou na trhu. Ačkoli by teoreticky měl být možný čistě softwarový upgrade zařízení z 802.11a na nový standard 802.11h, nelze to garantovat u všech dnes dostupných zařízení 802.11a. Do budoucna se dají očekávat diskuse a časem schválení nového standardu 802.11n, jehož přenosová rychlost nebude menší než 100 Mb/s. Současné investice do infrastruktury založené na 802.11a tedy s ohledem na tyto nové skutečnosti nelze doporučit. Pro potřebu vybudování legálního vysokorychlostního spoje v současné době proto doporučujeme zvolit zařízení 802.11g.

5.7 CzechLight a TransLight V rámci mezinárodních projektů lambda služeb jsme počátkem roku zakoupili jeden prvek Cisco ONS 15454 a připojili jej jedním okruhem o kapacitě 2,5 Gb/s do mezinárodního střediska NetherLight v Amsterdamu. Cisco ONS 15454 se stalo jádrem připravované sítě, již jsme nazvali CzechLight. Po překonání počátečních obtíží (první zařízení tohoto druhu v ČR) jsme začali s testováním a ověřováním gigabitové konektivity (GE kanály) do Amsterdamu a do Ženevy. Během prvních měsíců provozu se objevilo několik závad zařízení, které se podařilo vyřešit až s pomocí TAC Cisco. V současné době je pomocí CzechLight připojen FZÚ AV ČR Mazanka do střediska CERN v Ženevě (ve spolupráci s PASNETem) a další lambdy se plánují pro mezinárodní IPv6 konektivitu a pro experimenty mezi CESNETem a DataTagem (Ženeva a Chicago). V průběhu roku se ukázalo, že největším problémem je vzájemná dohoda koncových uživatelů. V některých případech se také projevuje nedostatek volných portů a volné přenosové kapacity (především v zahraničí) pro potřeby různých experimentů. Tento typ problémů se začíná řešit i v rámci dalších mezinárodních projektů, zejména pro sítě, které nejsou pod společnou správou (bandwidth on demand in multidomain environments). Tato síť je experimentální a je možné na ní provádět i experimenty, které mohou mít na její stav negativní dopady. Je proto zcela nezávislá na produkční síti CESNET2, která podobný druh experimentů neumožňuje realizovat. Logickým důsledkem je ovšem i situace, kdy je část této sítě mimo provoz a nelze ji využít. Například v létě probíhalo na mezinárodní trase NetherLight Amsterdam-Ženeva testování 10GE na dlouhé vzdálenosti a spojení do CERNu bylo nedostupné. CzechLight se stal součástí mezinárodní experimentální sítě TransLight, která sdružuje v současné době experimentální sítě Kanady, USA, Holandska, Velké Británie a severských států Evropy. TransLight má za úkol ověřit možnosti přenosu velkých objemů dat mezi relativně malým počtem uživatelů v mezinárodním měřítku. Tento přístup vede k eliminaci drahých IP směrovačů a k nasazování nových levnějších prvků, jako jsou TDM (time division multiplexers) nebo plně optické přepínače.

8.12.2006 9:57


15 of 16

file:///C:/2003.htm

Experimentální charakter těchto sítí dovoluje provádět experimenty i na nejnižších úrovních sítě, tedy přímo na optice. To spolu s dobrou dostupností temných vláken (v současné době i mezinárodních) umožní rozšířit CzechLight do dalších měst formou experimentálního WDM systému a s využitím poznatků NIL přenosů na dlouhé vzdálenosti. Experimentálním a výzkumným sítím se tak otevírají zcela nové možnosti.

5.7.1 Experimentální trasa Praha-CERN pro potřeby výzkumu fyziky elementárních částic Pro potřeby Fyzikálního ústavu Mazanka byl zřízen okruh o plné GE kapacitě z Prahy do střediska CERN v Ženevě. Okruh je využíván především pro experimenty na LHC (Large Hadron Collider) v CERN (plánované spuštění v roce 2007) zahrnující rozsáhlé počítačové simulace činnosti detektoru. FZU spolupracuje na dvou experimentech na LHC - ATLAS a ALICE. Pro oba experimenty jsme se v rámci oficiálních kampaní - tzv. Data Challenge - zúčastnili rozsáhlých simulací pomocí lokální výpočetní farmy Goliáš. Typická simulační úloha trvá asi 1 den a pro jeden simulační požadavek se jich zadává několik set. Výsledkem každé úlohy je několik souborů, z nichž se jeden o typické velikosti 200 MB kopíruje do CERN. Celkem bylo v roce 2003 zkopírováno do CERN asi 2 TB dat. S rozvojem automatizace spouštění a monitorování simulačních úloh a manipulace se soubory, který je výsledkem CERN projektu LCG (LHC Computing Grid), bude v roce 2004 postupně narůstat objem simulačních úloh a objem přenášených dat se bude i nadále zvětšovat. Současně ve Fyzikálním ústavu probíhají rozsáhlé simulace pro projekt D0 ve Fermilab v Chicagu. Zde pomocí dodávky simulačních služeb splácíme náš příspěvek do experimentu. Další zvýšení kapacity linek přes CzechLight a NetherLight na StarLight je žádoucí (připojení Fermilabu ke StarLight je v závěrečné fázi realizace).

5.8 Programovatelná zařízení pro přenosy na dlouhé vzdálenosti - výhled a možnosti V současné době jsme zahájili práci na modulárním systému obsahujícím různé optické a elektronické díly. Naším cílem je integrace elektrických součástí (zejména na bázi systému COMBO) s optickými transcievery a optickými zesilovači (předzesilovače, linkové zesilovače, koncové zesilovače) v 19" šasi vhodném pro umístění v profesionální skříni. Pro monitorování všech modulů chceme použít jednotný přístup pomocí protokolu SNMP. Tato koncepce nám umožní relativně jednoduché budování složitých funkčních celků jak za účelem dalších výzkumných a vývojových prací, tak pro využití v provozu. Jednou z nejzajímavějších aplikací, které využívají jak programovatelné logické obvody, tak optické komponenty, je návrh elektro-optického přepínače pro rychlosti v rozsahu 1 Gb/s až 10 Gb/s, na kterém bychom chtěli začít pracovat v roce 2004. V první fázi se také zaměříme na výzkum a vývoj optických zesilovačů ze zakoupených komponent (optické moduly EDFA a RFA, napájecí zdroje, průmyslové PC) Z těchto komponent bude možno navrhnout a sestavit optické zesilovače dle specifických potřeb experimentálních a výzkumných sítí (např. CzechLight) za podstatně nižší ceny, než jsou ceny komerčně dostupných srovnatelných zařízení.

5.8.1 Design gigabitového optického opakovače Design gigabitového opakovače je založen na kartě COMBO-4SFP (viz technická zpráva 12/2003). Karta COMBO-4SFP je osazena čtyřmi SFP konektory pro optické transceivery, dvěma hradlovými poli XILINX VIRTEX II, dvěma pamětmi SRAM a třemi kusy paměti flash EEPROM. Jedna z pamětí EEPROM uchovává informace o konfiguraci karty (použitý model VIRTEXu, identifikační číslo karty a další nezbytné informace), další dvě paměti uchovávají informace o konfiguraci SFP a případných MAC adresách. Karta COMBO-4SFP byla vyvinuta v rámci projektu Liberouter jako karta rozhraní se čtyřmi gigabitovými porty pro kartu COMBO6 (komunikační PCI akcelerátor). Napájení a zavádění firmware pro kartu COMBO-4SFP zajišťuje hostitelský počítač prostřednictvím karty COMBO6. Gigabitový opakovač je možno realizovat přímo pomocí hardware na kartě a k jeho činnosti není nutná ani karta COMBO6, ani hostitelský počítač (na rozdíl od použití v projektu Liberouter) v případě, že zabezpečíme napájení a nahrávání firmware do hradlových polí. Proto jsme navrhli a realizovali kartu COMBO-BOOT (Technická zpráva 14/2003) jako levnou a přitom dostatečně výkonnou náhradu hostitelského počítače a karty COMBO6. Karta COMBO-BOOT obsahuje dva napájecí zdroje se vstupním napětím 12-20V, EEPROM paměť pro firmware obou hradlových polí, rozhraní RS232 a procesor MSP430F149IPM firmy Texas Instruments. Pro tento procesor je k dispozici volně dostupný překladač jazyka C. Hlavním úkolem procesoru je nahrát firmware do hradlových polí po připojení napájecího napětí. Umožňuje také přeprogramování obsahu EEPROM pro firmware a jeho konfiguraci pomocí vestavěných přepínačů nebo z rozhraní RS232. Důležitým úkolem je i hlídání obou zdrojů, kvality signálu a případná podpora SNMP. Gigabitový repeater bude umístěn do devatenáctipalcového šasi výšky 1U spolu s jedním nebo dvěma napájecími zdroji (libovolná kombinace 220 a 48 V). Integrované obvody použité pro serializaci a deserializaci dat jsou typu VSC7145 a podporují čtyři rychlosti 1,25 Gb/s Gigabit Ethernet

8.12.2006 9:57


16 of 16

file:///C:/2003.htm

2,5 Gb/s Infiniband 1,062 GB/s Fiber channel 2,12 Gb/s OC48 Návrh opakovače umožňuje pracovat na všech těchto rychlostech. Transceivery jsou umístěny v SFP konektorech a jsou výměnné za běhu systému. V současné době jsou dostupné transceivery pro multimode, singlemode, CWDM a metalické rozhraní. Protože karta COMBO-4SFP podporuje všechna tato rozhraní, může být použita i jako konvertor médií a doplněna optickými zesilovači. V současné době vyvíjíme kartu rozhraní COMBO-2XFP (pro projekt SCAMPI) obsahující dva porty 10GE s transceivery XFP. Po dokončení vývoje této karty ji chceme použít pro konstrukci opakovače na rychlosti 10 Gb/s.

Poznámky: 1. viz http://www.cesnet.cz/provoz/zatizeni/

8.12.2006 9:57

5 Optické sítě a jejich rozvoj

Recommend Documents