Akademické lambda sítˇ e u nás a ve svˇ etˇ e Petr Holub, ÚVT MU, Jan Radil, CESNET, z.s.p.o.
ovšem díky své robustnosti a velkému rozšíˇ rení je stále používána. Jedná se o technologii pracující na principu ˇ casového multiplexování (TDM) v režimu bod–bod (point-to-point), což m˚ uže pˇ redstavovat problém se škálovatelností. Následníkem SONET/SDH je technologie Generic Framing Procedure (GFP, ITU-T G.7041), jež zachovává pˇ renosové rychlosti a pˇ ridává nové vlastnosti – jako vˇ etší pˇ rizp˚ usobivost a rozšiˇ ritelnost pro podporu nových protokol˚ u. GFP poskytuje možnost dynamicky pˇ ridˇ elovat šíˇ rku pásma, pozornost byla kladena také na podporu dat citlivých na zpoždˇ ení v síti. Ale stále se jedná o TDM a samotné zpracování signál˚ u se odehrává na elektrické úrovni. Jedná-li se o poskytovaní jednotlivých kanál˚ u v TDM, pak je pˇ rinejmenším pochybné mluvit o poskytování lambda služeb. Existuje ale také možnost poskytovat skuteˇ cné lambda služby i v kombinaci s TDM: pokud je poskytována skuteˇ cnˇ e vlnová délka, v níž shodou okolností bˇ eží SONET/SDH, pak je pojem lambda služba na místˇ e.
V minulém ˇ císle Zpravodaje jsme si objasnili základní technologie používané pro výstavbu sítí založených na lambda službách. V tomto ˇ clánku si ukážeme použití takových sítí v akademicˇ kém prostˇ redí Ceské republiky a struˇ cnˇ e pojednáme také o zajímavých aktivitách ve svˇ etˇ e. Úvod ˇ clánku vˇ enujeme vysvˇ etlení dalších technických pojm˚ u, které se používají u sítí založených na optických spojích – zejména pak vyjasnˇ ení nˇ ekterých nejasností a nepˇ resností, které v terminologii této oblasti vznikají, jak se její protagonisté ve svých prezentacích a pracích snaží vyvolat co nejvˇ etší dojem1 . Mluví-li se – jak je dnes populární – o optických ˇ ci dokonce plnˇ e optických sítích, dochází v ˇ radˇ e pˇ rípad˚ u k nevhodnému matení pojm˚ u. V naprosté vˇ etšinˇ e pˇ rípad˚ u je optické pouze pˇ renosové médium (optické vlákno) a zpracování signál˚ u (pˇ repínání, smˇ erování) se pak dˇ eje v elekˇ trické formˇ e. Casto m˚ užeme slyšet termín optický pˇ repínaˇ c, ovšem po bližším seznámení se s daným zaˇ rízením vyjde najevo, že se jedná o prvek (nejˇ castˇ eji SONET/SDH pˇ repínaˇ c) používající optická rozhraní pro pˇ ripojení do sítˇ e, ovšem pˇ repínací matice stále z˚ ustává elektrická. Podle klasifikace uvedené v pˇ redchozím ˇ clánku se tedy jedná o prvky kategorie O–E–O, nikoli O– O, jak se termín plnˇ e optická sít’“ snaží podsou” vat.
Pro skuteˇ cné zpracování signál˚ u v optické oblasti potˇ rebujeme optickou pˇ repínací matici, která dokáže signál z daného vstupního portu pˇ repnout na požadovaný port výstupní. V této oblasti jsou dnes pravdˇ epodobnˇ e nejznámˇ ejší tzv. mikroelektrickomechanické systémy (MEMS) skládající se z miniaturních pohyblivých zrcadel. Výhody této technologie jsou nezávislost na vlnové délce, polarizaci a také nízké pˇ reslechy mezi kanály. Nevýhodami pak jsou vˇ etší spotˇ reba energie a menší pˇ repínací rychlost – jedná se o mechanický prvek, který by se dal na elektrické úrovni pˇ rirovnat k miniaturnímu relé. V souˇ casnosti je to nejbˇ ežnˇ ejší používaná a komerˇ cnˇ e dostupná technologie. Na trhu jsou k dispozici i pˇ repínaˇ ce na bázi rovinných svˇ etlovodných obvod˚ u (Planar Lightwave Circuits – PLC).
Dalším problémem v terminologii lambda sítí je lambda pˇ repínání“ založené na ˇ casovém mul” tiplexování (TDM). Pˇ ri podrobnˇ ejší analýze se ukáže, že ˇ rada lambda sítí“ je v souˇ casné dobˇ e ” realizována pomocí elektrických prvk˚ u založených na technologii SONET/SDH, nemajíce s pˇ repínáním na optické vrstvˇ e zhola nic spoleˇ cného. Technologie SONET/SDH je staršího data a je p˚ uvodnˇ e urˇ cená pro pˇ renos hlasových kanál˚ u,
Mezi další technologie, vˇ etšinou používané pouze v laboratorním prostˇ redí, patˇ rí termooptické, elektro-optické, opticko-optické nebo akusticko-optické prvky. Nyní se struˇ cnˇ e zmíníme alespoˇ n o základních typech tˇ echto prvk˚ u a laskavého ˇ ctenᡠre, pro nˇ ehož jsou tyto informace již pˇ ríliš podrobné, požádáme o pˇ reskoˇ cení tohoto odstavce. Termo-optické prvky využívají zmˇ eny optických parametr˚ u nˇ ekterých materiál˚ u
1
Autoˇ ri na tomto místˇ e nemohou nepˇ ripomenout slavnou Kancelᡠr pro uvádˇ ení románových pˇ ríbˇ eh˚ u na pravou míru, kterou pan spisovatel Jirotka geniálnˇ e zhmotnil ve svém Saturninovi. Bohužel, i v lambda sítích je spousta setapouch˚ u a sobích hnusc˚ u.
1
v závislosti na teplotˇ e a mají výhodu v možnosti integrace do ˇ cip˚ u (napˇ ríklad i v rámci technologie PLC), ovšem pˇ repínací rychlost není vysoká (ˇ rádovˇ e milisekundy). Termo-optické prvky je možné dˇ elit do dalších skupin (kapilární, bublinové nebo rezonátorové pˇ repínaˇ ce), detaily jsou již mimo rámec tohoto ˇ clánku. Elektro-optické prvky jsou sice rychlejší, ovšem problémem je spotˇ reba a pˇ reslechy. Tento typ tvoˇ rí druhou skupinu komerˇ cnˇ e dostupných optických pˇ repínaˇ cu ˚, nejbˇ ežnˇ ejší typ využívá chování optických parametr˚ u materiálu LiNbO3 , který má velký elektro-optický koeficient, což znamená velkou zmˇ enu indexu lomu v závislosti na pˇ riloženém napˇ etí. I v této skupinˇ e lze nalézt velké množství r˚ uzných typ˚ u pˇ repínaˇ cu ˚ (založené na využití polovodiˇ cových zesilovaˇ cu ˚ SOA, Mach-Zender interferometr˚ u MZI, multimódových interferenˇ cních filtr˚ u MMI, kapalných krystal˚ u, nebo braggovských pˇ repínaˇ cu ˚). V této skupinˇ e je urˇ citˇ e nˇ ekolik nadˇ ejných kandidát˚ u na optické pˇ repínaˇ ce a výzkum v této oblasti pokraˇ cuje, ovšem komerˇ cní dostupnost novˇ ejších prvk˚ u není pˇ ríliš dobrá. Opticko-optické (tedy plnˇ e optické) prvky jsou velmi rychlé, využívá se nelineárních optických jev˚ u (vlastní fázová modulace SPM , ˇ ctyˇ rvlnné smˇ ešování FWM, kˇ rížová fázová modulace XPM) nebo i holografie, problém je zatím s komerˇ cní dostupností. Existují dvˇ e skupiny tˇ echto prvk˚ u– první tvoˇ rí vláknové prvky, druhou skupinu polovodiˇ cové prvky. Zejména využití optických vlastností nˇ ekterých polovodiˇ cu ˚ se jeví slibnˇ e a tyto optické pˇ repínaˇ ce mohou mít nízkou spotˇ rebu i rychlé pˇ repínací ˇ casy. A koneˇ cnˇ e akustickooptické prvky využívají akusticko-optických jev˚ u, bohužel mají zatím velkou spotˇ rebu, vysokou cenu a také se uvádí problém s rozšiˇ ritelností. Používají se napˇ ríklad krystaly TiO2 , kde se využívá nadzvukových vln k odrazu svˇ etla. Zajímavý pˇ rehled dostupných technologií je uveden v [1].
pˇ renášená data používají odlišné zp˚ usoby modulace. Zajímavé výsledky výzkumu v této oblasti lze nalézt opˇ et v [1].
1 GLIF Od roku 2001 se hlavní protagonisté lambda služeb v akademickém prostˇ redí zabývali myšlenkou vytvoˇ rení globální infrastruktury, která by mohla být použita pro experimenty s tˇ emito službami a pro vývoj potˇ rebného middleware2 . Jako výsledek tˇ echto snah byla roku 2003 na tˇ retím setkání LambdaGrid Workshop ve mˇ estˇ e Reykjavik na Islandu vytvoˇ rena virtuální organizace Global Lambda Intergrated Facility (GLIF) kladoucí si za cíl právˇ e usnadnˇ ení vývoje potˇ rebných komponent lambda služeb a experiment˚ u s nimi na celosvˇ etové úrovni. Zakládajícími ˇ cleny se tak stali nejvýznamnˇ ejší pr˚ ukopníci lambda služeb v akademickém prostˇ redí jako holandský SURFNet, kanadská CANARIE, americký StarLight a tohoto privilegia se dostalo také sdružení CESNET. GLIF se postupem ˇ casu dále rozr˚ ustalo a stav z poloviny roku 2004 je zachycen na obrázku 1. V souˇ casné dobˇ e GLIF zahrnuje ˇ ctyˇ ri pracovní skupiny: “Governance and Growth” mající na starost identifikaci cíl˚ u, ˇ rízení spolupráce s potenciálními aplikacemi a mezidoménové politiky, “Research and Applications”, která vyhledává potenciální aplikace a podílí se na jejich vývoji, “Technical Issues” zabývající se technickými problémy pˇ ri budování infrastruktury lambda služeb a “Control Plane and Grid Integration Middleware”, jenž si klade za cíl vytvoˇ rení ˇ rídící vrstvy, rozhraní a protokol˚ u pro práci s lambda službami z vyšších vrstev softwaru. Ze zahraniˇ cních sítí organizovaných v aktivitˇ e GLIF se podrobnˇ eji podíváme na sítˇ e Ca*NET4 a NetherLight, které jsou pr˚ ukopníky lambda sítí ve svˇ etové akademické komunitˇ e.
Optické pˇ repínací matice tak dnes slouží spíše jako chytré propojovací panely a vlastní ˇ rízení matic z˚ ustává stále elektrické. Ale rozhodnˇ e už m˚ užeme mluvit o pˇ repínání lambda kanál˚ u. Výzkum samozˇ rejmˇ e probíhá také v oblasti plnˇ e optického zpracování signálu, kdy se ˇ rídící informace pˇ renášejí v hlaviˇ cce stejnˇ e jako v pˇ rípadˇ e elektrických signál˚ u, pˇ riˇ cemž hlaviˇ cka a samotná
2
Termínem middleware se v poslední dobˇ e oznaˇ cují softwarové vrstvy, které zpˇ rístupˇ nují nˇ ejakou infrastrukturu ˇ ci funkcionalitu pro vyšší softwarové vrstvy, skrývají komplikovanost nižších vrstev a které tedy pˇ rímo neinteragují s uživatelem.
2
ˇ Obrázek 1: Sítˇ e organizované ve sdružení GLIF. Cervenec 2004. Pˇ rejato z [2].
2 NetherLight
stádiu vývoje a standardizace a proto její produkˇ cní nasazení ještˇ e není možné.
Optická infrastruktura NetherLight [3] byla jako produkˇ cní aktivita holandského provozovatele akademické páteˇ rní sítˇ e SURFnet uvedena do provozu v lednu 2002, pˇ riˇ cemž hnacím motorem tohoto projektu byl vedoucí SURFnetu – osoba v oblasti lambda služeb velmi známá – Kees Neggers. Cílem projektu NetherLight je jednak pˇ ripojování holandských uživatel˚ u, kteˇ rí dokáží lambda sítˇ e využít, a souˇ casnˇ e vytvoˇ rení evropského propojovacího uzlu lambda služeb, který bude také poskytovat transatlantické pˇ remostˇ ení evropských sítí.
Z pohledu propojování zahraniˇ cních partner˚ u se pak využívá optické pˇ repínací matice 64 × 64 typu MEMS od firmy Calient PXC, která dokonce základní ˇ rízení pomocí GMPLS již nyní podporuje. Tímto ˇ rešením je propojení pro zahraniˇ cní sítˇ e transparentní a alespoˇ n teoreticky je možné posílat data v jakémkoli formátu – v praxi je ovšem z d˚ uvodu správy vyžadováno používání rámc˚ u SONET.
3 StarLight
Pro holandské uživatele sít’ NetherLight pˇ rináší následující možnosti pˇ ripojení: gigabitový Ethernet at’ už optický nebo metalický, optický 10 Gb/s Ethernet a také 2,5 Gb/s a 10 Gb/s SONET/SDH. Z pohledu infrastruktury pˇ ripojení se pak jedná o plochou pˇ repínanou ethernetovou doménu bez jakéhokoli smˇ erování, což pˇ rináší netriviální úspory v cenˇ e celé infrastrukˇ ízení celé infrastruktury je prozatím matury. R nuální z operaˇ cního centra sítˇ e pomocí nástroj˚ u firmy Cisco, do budoucna se však poˇ cítá s využitím technologie Generalized Multiprotocol Label Switching (GMPLS) [5, 6], které je ale doposud ve
Ekvivalentem propojovacího centra NetherLight je na severoamerickém kontinentˇ e StarLight [7] v Chicagu, které kromˇ e tradiˇ cního propojení založeného na smˇ erování nabízí také propojení na optické vrstvˇ e pomocí MEMS matice firmy Calient, ovšem s velikostí 128 × 128. Za tímto projektem stojí další významná osobnost – Tom DeFanti. Schéma propojení lze nalézt v [8].
4 Ca*NET4 Když v roce 1998 kanadský poskytovatel akademické páteˇ rní sítˇ e Canarie vybudoval sít’ 3
Obrázek 2: Topologie propojení hlavních partner˚ u v rámci GLIF. Pˇ rejato z [4].
ˇ rení dedikovaných okruh˚ u mezi dvˇ ema specifikovanými body pˇ rímo koncovým uživatelem akademické sítˇ e. Projekt UCLP vytvoˇ ril softwarové nástroje, které nejen umožˇ nují ˇ rízení okruh˚ u pomocí webového rozhraní, ale navíc také middleware, který tyto ˇ cinnosti umožˇ nuje vykonávat programovˇ e z gridových aplikací. Z pohledu implementace je tato aplikace založena na 15 páteˇ rních zaˇ rízeních Cisco ONS 15454, které jsou umístˇ eny v jednotlivých uzlech sítˇ e Ca*NET4.
Ca*NET3 spojující jednotlivé provinˇ cní sítˇ e, jednalo se o první sít’ svého druhu postavenou výhradnˇ e na optických spojích. K návrhu takové sítˇ e pˇ rispˇ el mimo jiné i fakt, že v Kanadˇ e je potˇ reba pˇ reklenovat obrovské oblasti, v nichž je ˇ casto minimální osídlení a tudíž i infrastruktura. V roce 2001 pak kanadské vláda podpoˇ rila projekt sítˇ e Ca*NET4, která provinˇ cní sítˇ e propojuje ˇ radou spoj˚ u založených na lambda službách, nad nimiž je typicky provozován SONET OC-192 s rychlostí 10 Gb/s. Hlavní architekt této sítˇ e a jeden z pr˚ ukopník˚ u tˇ echto technologií, Bill St. Arnaud, od zaˇ cátku prosazoval dva základní koncepty: jednak princip uživatelem ˇ rízeného vlákna (viz diskusi o vlastnických modelech optických spoj˚ u v minulém ˇ clánku) a dále poskytování svˇ etelných cest (lightpaths) nebo lambda okruh˚ um koncovým uživatel˚ um.
5 National LambdaRail S podobnými cíli jako výše popsané sítˇ e vznikl v USA projekt National LambdaRail (NLR) [10], který v nˇ ekolika okruzích propojuje ˇ radu významných míst od východního až po západní pobˇ reží USA. Projekt je založen opˇ et na DWDM s 32 – 40 vlnovými délkami provozovanými na jednom vláknˇ e a vlákna jsou vlastnˇ ena provozovatelem sítˇ e. Jeho unikátnost spoˇ cívá ve výhradním využití 10 Gb/s Ethernetu, což oproti zaˇ ríze-
Takto navržená sít’ pak dala vznik projektu User Controlled Lightpaths (UCLP) [9], tedy uživatelem ˇ rízených optických cest, které umožˇ nují vytvá4
ním SONET/SDH umožˇ nuje významnˇ e snížit náklady na zaˇ rízení osazená na koncích vláken – to je významné i proto, že pˇ ri využívání vlnových délek r˚ uznými výzkumnými pracovišti leží náklady na koncová zaˇ rízení právˇ e na jejich stranˇ e.
CzechLight i sítˇ e CESNET2. Nejvýznamnˇ ejší výsledek je pˇ rekonání trasy o délce 302 km složené z vláken 25 km G.652, 252 km G.652, 25 km G.655 pˇ ri použití systému Cisco ONS 15454 s 10 G DWDM SONET kartami. Protože jde o SONET systém, radˇ eji mluvíme o poskytování kanál˚ u s vyhrazenou šíˇ rkou pásma než o poskytování lambda služeb.
6 CzechLight
Systém Cisco ONS 15454 tvoˇ rí jádro sítˇ e CzechLight, pˇ riˇ cemž jeho souˇ casný dosah je znázornˇ en na obr. 3. Jeho nasazení na nejd˚ uležitˇ ejší trase mezi Brnem a Prahou však již naráží na hranici jeho bezchybného fungování. Optická trasa byla dodána s vyšším útlumem než p˚ uvodnˇ e slibovaným, což vedlo k neúnosnému nár˚ ustu frekˇ ešení hledáme ve spolupráci s dovence chyb. R davatelem trasy, který pˇ rislíbil snížení útlumu. Souˇ casnˇ e analyzujeme možnosti nasazení jiného typu filtru, použití laditelných kompenzátor˚ u chromatické disperze, pˇ rípadnˇ e výkonnˇ ejších optických zesilovaˇ cu ˚. Podrobnosti lze nalézt v pr˚ ubˇ ežné zprávˇ e sdružení CESNET [11].
CzechLight je experimentální sít’, která slouží pro zajištˇ ení pˇ renosu velkých objem˚ u dat mezi výzkumnými pracovišti (napˇ ríklad CERN, Fermiˇ Lab a jejich partneˇ ri v CR). V souˇ casné dobˇ e je pˇ ripojena okruhem o kapacitˇ e 10 Gb/s z Prahy na sít’ NetherLight v Amsterodamu a pracujeme na zpˇ rístupnˇ ení CzechLight i v dalších mˇ estech. Kromˇ e poskytování tˇ echto služeb sít’ CzechLight slouží i pro experimenty na optické vrstvˇ e, napˇ ríklad pro ovˇ eˇ rování výsledk˚ u vývoje zaˇ rízení na zvýšení dosahu 10 GE vysílaˇ cu ˚. Takový typ sítí se v mezinárodní komunitˇ e zaˇ cíná oznaˇ covat jako breakable, tedy sít’ která m˚ uže být kdykoli rozbita“, což asi nejlépe charakterizuje její ” možnosti i omezení.
Pro pˇ renos signál˚ u je využívána nejen oblast 1550 nm, ale také oblast 1310 nm. V tomto pˇ rípadˇ e je obrovskou výhodou fakt, že vlákno G.652 má v oblasti 1310 nm nulovou chromatickou disperzi a je možné ušetˇ rit na kompenzaˇ cních vláknech, což je jedna z nejdražších komponent komerˇ cních DWDM systém˚ u. Vˇ etšina dnes dostupných 10 GE adaptér˚ u pro PC také používá nevymˇ enitelné vysílaˇ ce 1310 nm. Pro zesilování v této oblasti se používají vláknové zesilovaˇ ce dopované praseodymem (PDFFA). Oproti technologii EDFA jsou vlákna používaná pro PDFFA fluoridová, což pˇ rináší urˇ cité problémy (výroba je nároˇ cnˇ ejší, problémy pˇ ri spojování s kˇ remennými vlákny) a nasazení není tak bˇ ežné. Dosažené výsledky jsou shrnuty v [13]. Další experimenty provádíme v souˇ casné dobˇ e také s ramanovským zesilováním, pˇ riˇ cemž použití této technologie je ménˇ e bˇ ežné, nebot’ naráží na špatnou komerˇ cní dostupnost pˇ ríslušných zaˇ rízení.
Sdružení CESNET se v rámci aktivity Optické sítˇ e ˇ a FEL zabývá spoleˇ cnˇ e s kolegy z ÚRE AV CR ˇ CVUT zvláštˇ e optickým zesilováním signál˚ u. Pozornost je vˇ enována pˇ revážnˇ e pˇ renos˚ um o rychlosti 10 Gb/s (10 Gigabitový Ethernet, 10 G SONET/SDH), ale také technologiím gigabitového Ethernetu a SONET/SDH na rychlosti 2,5 Gb/s. Naší snahou je zvˇ etšit dosah tak, aby na trase nebyla potˇ rebná žádná zaˇ rízení, pˇ riˇ cemž tuto metodu nazýváme Nothing-In-Line (NIL). Vzdálenosti pro pˇ renosové rychlosti 10 Gb/s jsou limitovány jednak útlumem trasy a dále tzv. chromatickou disperzí, kterou je nutné kompenzovat speciálním kompenzaˇ cním vláknem. Pro zesilování signál˚ u v pásmu 1550 nm se dnes bˇ ežnˇ e používají erbiem dopované vláknové zesilovaˇ ce (EDFA) a také se pro zesilování využívá Ramanova jevu. Pˇ ri experimentech s 10 GE jsme zvˇ etšili NIL dosah zaˇ rízení Cisco Catalyst 6503 z garantovaných 40 km (bez zesilování) na 252 km na vláknech G.652 (nejbˇ ežnˇ ejší telekomunikaˇ cní vlákno) [12]. Další experimenty jsme provádˇ eli na vláknech G.655 (vlákna s menší hodnotou chromatické disperze) a na kombinaci vláken G.652 a G.655. Tyto kombinace tvoˇ rí nˇ ekteré trasy sítˇ e
Literatura [1] IEEE Comm. Mag., vol. 41, no. 11, pp. S16S23. [2] Global Lambda Integrated Facility (GLIF), http://www.glif.is 5
ˇ systémem Cisco ONS 15454 metodou NIL. Pˇ Obrázek 3: Pokrytí území CR revzato z [11]
[11] Zpráva o ˇ rešení výzkumného zámˇ eru “Optická sít’ národního výzkumu a její nové aplikace”, CESNET z. s. p. o., 2004. http:// www.cesnet.cz/ [12] J. Radil, M. Karásek, “Experiments with 10 GE long-haul transmissions in academic and research networks.” In Internet2 Member Meeting, Arlington, USA, Spring 2004. [13] J. Vojtˇ ech, M. Karásek, J. Radil, “Ovˇ eˇ rení použitelnosti PDFA zesilovaˇ cu ˚ v pásmu 1310 nm.” Optické komunikace, Praha, 2004, pp. 201–206.
[3] NetherLight, http://www.surfnet.nl/ info/innovatie/netherlight/home.jsp [4] http://www.surfnet.nl/info/ innovatie/netherlight/home.jsp [5] GMPLS, http://www.polarisnetworks. com/gmpls/, http://www. polarisnetworks.com/gmpls/gmpls_ drafts.html [6] A. Banerjee, J. Drake, J. P. Lang, B. Turner, K. Kompella, Y. Rekhter, “Generalized Multiprotocol Label Switching: An Overview of Routing and Management Enhancements”, IEEE Comm. Mag., January 2001, http:// www.calient.net/files/GMPLS.pdf [7] StarLight, starlight/
http://www.startap.net/
[8] http://www.startap.net/starlight/ ENGINEERING/SL-Summer04.pdf [9] User Controlled Lightpaths (UCLP), http://www.canarie.ca/canet4/uclp/ uclponc4.html [10] National Lambda Rail (NLR), http://www. nlr.net/ 6
