В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
One of the current problems of modern digital networks is the limit of the minimum time delay of data transmission within the network. Despite the fact that bit rates are rising every year and over the past 5 years the amount of global traffic increased eight times, delays of data transmission are not proportionally decreased. This creates problems in the transmission of interactive data – video and audio communication, committing online transactions (payment transactions), synchronization of events through a global network.
Андрей
ОльгаДанная проблема вызвана некоторыми техническими ограничениями существующих сетей, и эти ограничения в настоящий момент времени еще далеки от физических ограничений распространения оптического сигнала в волокне (скорость распространения сигналов в современном оптоволокне из-за высокого коэффициента преломления примерно в полтора раза ниже скорости света). В перспективе потребуется разработка новых технических решений, позволяющих уменьшить задержки при передаче данных в сетях.
Во многом наибольшее значение задержек при передаче информации в современных сетях связано с коммутационным и серверным оборудованием, этот вопрос хорошо освещен, и производители данного оборудования постоянно улучшают параметры задержки. Но не стоит забывать о структуре реальных глобальных сетей, где, помимо коммутационного и серверного оборудования, существенное влияние на время задержки оказывает каналообразующее оборудование магистрального уровня. В настоящее время функцию каналообразующего оборудования выполняет оборудование стандартов технологий SDH, OTN, DWDM. Какое же влияние на задержку передачи данных оказывает это оборудование?
Технология SDH, разработанная еще в начале 1980-х гг., была продолжением развития уже имевшейся на тот момент цифровой сети связи PDH – одной из первых систем передачи цифрового сигнала. Требования времени уже тогда диктовали необходимость динамичного роста пропускной способности каналов магистрального уровня связи и наличия единого стандарта передачи данных, а также стабильности и уменьшения времени задержки передачи цифрового сигнала. Основным потребителем цифровых каналов связи в те годы являлись цифровые АТС, предоставлявшие возможности использования цифровой телефонии. И хотя цифровые АТС использовали для передачи каналов связи уже существующую систему PDH, возможностей этой технологии было недостаточно для организации глобальных сетей мирового уровня. С этими задачами впервые справилась цифровая технология связи SDH. Технология SDH обладала рядом важных преимуществ, необходимых для реализации сети мирового масштаба.
Во-первых, по тем временам была предложена достаточно высокая скорость передачи данных – транспортный модуль первого уровня (STM-1) обеспечивал скорость передачи 155 Мбит/с, что эквивалентно 1953 каналам речевого сигнала, передаваемым одновременно в одном потоке без использования цифрового сжатия сигнала.
Во-вторых, стандарт технологии SDH предлагал некоторую гибкость в использовании передаваемой нагрузки. Так, технология SDH позволяла обеспечить передачу сигналов PDH различных иерархий – европейской, японской и американской.
Таким образом, можно говорить о том, что именно технология SDH впервые достигла глобальных мировых масштабов сетей связи. Хотя ее изначальное назначение и предполагалось для организации голосовых цифровых каналов связи, впоследствии возможности данной сети связи были расширены. Этому поспособствовала заложенная в технологии SDH возможность увеличения скорости передачи данных для транспортных модулей новых порядков. В технологии SDH был заложен коэффициент увеличения скорости при переходе на последующий уровень транспортных модулей (STM), равный четырем. Таким образом, переход от канала STM-1 к каналу STM-4 увеличивал скорость передачи данных в четыре раза, как и все последующие переходы к более высоким уровням скоростей транспортных модулей технологии SDH (STM-16, STM-64). Наибольший стандартизованный уровень скорости технологии SDH имеет транспортный модуль STM-256, его полная пропускная способность составляет 40 Гбит/с, что более чем внушительно даже по современным меркам скоростей магистральных каналов связи.
Стоит отметить и то, что технология SDH вместе с развитием сетей IP получила возможность инкапсуляции каналов пакетной передачи данных в контейнеры SDH (фиксированные по времени и объему блоки данных).
Отличительной особенностью технологии SDH можно также считать малое время задержки передачи цифрового сигнала. Это связано с тем, что передача данных выполняется непрерывно с точно заданной скоростью для каждого канала иерархии. Кроме того, в отсутствие полезной нагрузки оборудование SDH осуществляет передачу данных, генерируемых внутренними генераторами цифровых последовательностей, что повышает стабильность работы каналов передачи. Также стоит упомянуть очень высокую точность синхронизации оборудования SDH: в штатном режиме работы отклонение частоты внутренних генераторов находится на уровне 10-11, что связано с применением высокоточных внешних опорных генераторов и распространением сигнала синхронизации от одного сетевого элемента к другому по принципу "ведущий – ведомый".
На сегодняшний момент времени можно сказать, что заложенных в стандартах SDH возможностей в будущем недостаточно. Это отсутствие возможности восстановления потерянной при передаче информации, и использования оптического уплотнения сигналов, быстрого динамического перестроения каналов связи (хотя попытки наложения функций MPLS на контейнеры SDH и имели место, но до реализации этих функций в реальном оборудовании дело не дошло). Тем не менее в настоящее время отказываться от технологии SDH как магистрального уровня связи преждевременно, и тому есть важная причина – ни одна из существующих распространенных технологий передачи цифровых данных не обладает столь стабильной и малой задержкой по времени при передаче данных, как технология SDH. Измеренное значение круговой задержки мультиплексора уровня STM-16 без подключения к линии составило всего 8 мкс для одного кросс-соединения уровня VC-4 (полезная нагрузка сигнала STM-1 загружалась в блок AU-4 транспортного модуля STM-16). Это важно, к примеру, для операторов, предоставляющих услуги сотовой телефонии.
Технология DWDM (dense wave division multiplexing) является продолжением развития технологии WDM – технологии оптического объединения нескольких высокоскоростных каналов передачи данных в единый групповой поток путем формирования нескольких разнесенных оптических несущих, объединение и разделение которых возможно с помощью оптических мультиплексоров и демультиплексоров. Потребность в создании такой технологии была продиктована растущими требованиями к пропускной способности оптических линий передачи. Поскольку рост скорости передачи данных на одной оптической несущей ограничен сильным искажением импульсов вследствие дисперсии в оптической среде, способ повышения пропускной способности оптических систем был реализован за счет использования нескольких отличных друг от друга оптических несущих, объединение которых в единый спектр не приводило к невозможности идентифицировать сигналы разных оптических несущих. В технологии DWDM стандартизовано два диапазона оптических несущих – C и V, в каждом диапазоне присутствует по 80 фиксированных оптических несущих частот, разнесенных на 50 ГГц между собой. Технология DWDM является исключительно оптической, и поэтому формирование группового мультиплексированного спектра возможно из различных оптических сигналов, например это может быть канал SDH STM-64 или 10 Gb/s Ethernet. Казалось бы, благодаря принципу оптического мультиплексирования влияние на задержку сигнала в оборудовании DWDM должно быть предельно малым, но на практике это не совсем так. Дело в том, что сигнал со скоростью 10 Гбит/с и выше (в настоящее время существуют скорости 40 и 100 Гбит/с) подвержен сильному влиянию дисперсии в оптоволокне, которую необходимо компенсировать. Компенсация дисперсии зачастую реализована с помощью дополнительных включений на участках сети модулей компенсации дисперсии. Их принцип работы основан на применении компенсационных катушек волокна со смещенной дисперсией. Из-за высоких значений преломления в таком компенсационном волокне задержка сигнала имеет весьма существенное значение. Так, например, для модуля компенсации дисперсии участка волокна протяженностью 100 км задержка составит 65 мкс. При том, что в самом волокне задержка на данном участке составит примерно 500 мкс. Таким образом, задержка только в оптической среде кабеля и компенсаторах дисперсии для участка линии в 1000 км составит 5,65 мс, из которых около 12% времени задержки придется на модули компенсации дисперсии. Не так много, но это не единственная проблема увеличения задержки, связанная с оборудованием DWDM. Дело в том, что количество стандартизованных длин волн оптических несущих ограничено, и для более эффективного их использования нужно загружать эти оптические несущие максимальным трафиком. То есть потребуется промежуточная сборка (мультиплексирование) каналов передачи данных. Кроме того, технология DWDM не предоставляет возможностей управления трафиком. Все это вынуждает производителей оборудования объединять технологию DWDM с технологией OTN, которая также увеличивает время задержки.
По принципу работы технология OTN схожа с технологией SDH. В ней также присутствует набор фиксированных скоростей передачи, кратность мультиплексирования которых равна 4 (исключение составляет только самый верхний уровень скорости, который имеет коэффициент мультиплексирования 2,5). Всего предусмотрено 5 таких уровней скоростей. Самый низкий уровень – 0 – соответствует скорости передачи полезной нагрузки 622 Мбит/с, уровень 1 соответствует скорости 2,5 Гбит/с, уровень 2 – скорости 10 Гбит/с, уровень 3 – скорости 40 Гбит/с, и уровень 4 соответствует скорости 100 Гбит/с. На каждом из уровней передачи присутствуют следующие информационные единицы: OPU (Optical Payload Unit – область полезной нагрузки), ODU (Optical Data Unit – область полезной нагрузки с присвоенным заголовком OH) и OTU (Optical Transport Unit – область ODU с подключенным к ней блоком коррекции ошибок FEC (AFEC), а также заголовком, указывающим номер оптической длины волны, соответствующей стандарту DWDM). Основным отличием технологии OTN от технологии SDH является возможность сопряжения технологии OTN с технологией волнового мультиплексирования DWDM и присутствием блока коррекции ошибок на уровне OTU, позволяющего выполнять коррекцию ошибок на три порядка (при низкой интенсивности ошибок, как правило, они компенсируются полностью). Какое же влияние на задержку передачи данных оказывает технология OTN? Как показали измерения, здесь присутствует особый момент. Дополнение блока коррекции ошибок на уровне OTU в технологии OTN связано с добавлением порядка 7% объема передаваемых данных на транспортном уровне к полезной нагрузке, и тип используемого алгоритма добавляемого кода коррекции ошибок может меняться. Например, вместо алгоритма FEC может использоваться более эффективный алгоритм AFEC, наличие такого дополнительного кодирования увеличивает задержку. И что особенно важно, сильное влияние оказывает именно тип используемого алгоритма коррекции ошибок. Так, для транспондера OTN/DWDW одного из производителей при передаче нагрузки STM-64 измеренное значение круговой задержки RTD (Round Trip Delay) на одном транспондере без подключения к линии составило 9 мкс. Значение сопоставимо с задержкой в SDH при прохождении одного кросс-соединения уровня VC-4. А при использовании алгоритма AFEC задержка имела более существенное значение – 148 мкс. В случае если предполагается передавать сигнал на расстояние более 1000 км и потребуется применение регенерирующих транспондеров (не усилителей), использующих также алгоритм AFEC, задержка будет суммироваться и может иметь еще более внушительные значения. Это ставит под вопрос использование алгоритма AFEC на участках сети, где ошибки статистически имеют малое значение.
В таблице приведены измеренные значения задержек RTD (Round Trip Delay) передачи данных в сетях магистрального уровня для технологии SDH и DWDM/OTN при разных конфигурациях оборудования. Из приведенных измерений следует, что, несмотря на развитие оборудования связи магистрального уровня, время задержки передачи данных не уменьшилось, а даже увеличилось. И тому есть объективные причины. Для снижения времени задержки при построении сетей магистрального уровня необходимо учитывать способы компенсации дисперсии оптического волокна линии в оборудовании разных производителей, а также учитывать влияние алгоритмов избыточного кодирования, позволяющих, с одной стороны, снизить количество ошибок в сети, а с другой – увеличить задержки.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #1, 2014
Посещений: 22141
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
