приближением хроматической дисперсии к нулю и максимально в окрестности точки нулевой дисперсии. Наиболее сильно подвержено влиянию FWM волокно с нулевой смещенной дисперсией DSF - длина волны нулевой дисперсии у этого волокна попадает в рабочую область усиления EDFA,
Итак, технические параметры оптических систем - протяженность сегментов, число мультиплексных каналов в одном волокне, интервалы между каналами, битовая скорость и др. - в большой степени взаимосвязаны между собой и зависят от перечисленных факторов. Для увеличения транспортных свойств следует руководствоваться следующими критериями:
−уменьшать интервалы между каналами (при этом необходимо принимать во внимание, что в волокне DSF сильные поперечные помехи в каналах могут возникать из-за FWM по мере приближении к точке нулевой дисперсии);
−минимизировать число длин волн при протяженных пролетах и большом числе каскадов EDFA;
−стремиться не делать очень большой мощность вводимого в волокно излучения - в противном случае, все нелинейные эффекты начинают проявляться особенно сильно (новое волокно фирмы Corning LEAF с большим диаметром модового поля MFD позволяет уменьшить влияние нелинейных эффектов при сохранении прежней мощности, вводимой в волокно, поскольку интенсивность излучения на единицу площади сечения сердцевины уменьшается;
−использовать оптические усилители с большой мощностью насыщения;
−по возможности, уменьшать число оптических компонентов, вносящих потери.
8.8. AON с коммутацией каналов
Две первые подкатегории AON с коммутаций каналов (широковещательные сети и сети с пассивной волновой маршрутизацией) представляют собой
пассивные сети PON (passive optical network). PON - это AON, использующая только пассивные оптические компоненты: волокна, направленные ответвители, разветвители, волновые мультиплексоры, и фильтры. Особенностью PON является низкая цена, низкие затраты на поддержку или полное ее отсутствие, а основные сферы приложения - это "волокно-в-дом" (fiber-to-the-home) или "волокно-по-кругу" (fiber-in-the-loop). Таким образом, экономичность и низкие затраты на поддержание сети (философия the "bury it and forget it") - главные цели такой сети, даже при понижении ее производительности. При построении PON не исключается частичная, в основном для преодоления больших расстояний, возможность использования оптических усилителей EFDA, хотя последние и не являются чисто пассивными компонентами.
Широковещательная AON
Каждому удаленному узлу широковещательной AON обычно приписывается определенная длина волны, на которой узел ведет передачу. Сигналы со всех удаленных узлов собираются в оптическом звездообразном
разветвителе, где они смешиваются и распределяются по выходным полюсам в волокна, идущие обратно к удаленным узлам, каждый узел получает мультиплексный сигнал, представленный всеми длинами волн, рис. 8.17.
Рис. 8.17. Широковещательная AON
Примечательно, что в качестве центральных элементов сети используются один или несколько звездообразных разветвителей, не имеющих избирательной функции по длинам волн, как WDM. Каждый удаленный узел сам определяет, канал какой длины волны из принимаемого мультиплексного потока выбрать. В качестве приемного элемента может служить либо перестраиваемый в соответствии с протоколом управления фильтр с одним фотоприемником, либо демультиплексор WDM с множеством фотоприемников, подключенных к выходным полюсам.
Два проекта-прототипа широковещательных вычислительной AON
реализованы фирмой IBM: Rainbow-1 (1991 год) и Rainbow-2 (1995 год) [28].
Архитектура Rainbow-1 - охватывает 32 удаленных станции типа IBM PS/2. Электронные и оптические сетевые элементы встроены в две стандартные
Micro Channel карты.
Основные характеристики:
−каждая станция оснащена передатчиком фиксированной длины волны и приемником с перестраиваемой длиной волны;
−передаваемые длины волн лежат в диапазоне от 1505 нм до 1545 нм;
−оптоэлектронному приемнику предшествует фильтр фабри-Перо с перестраиваемым диапазоном 50 нм. Скорость перестройки длины волны 10 мкс/нм, что соответствует среднему времени настройки на нужный канал 250 мкс;
−скорость передачи данных 200 Мбит/с по стандартному одномодовому волокну SF8/125.
Принцип работы:
−Если станция А хочет передать информацию станции В, она поступает следующим образом:
1.Начинает передавать запрос на разрешение передачи для станции В, Это - повторяющаяся последовательность коротких сообщений и сигнала
синхронизации на длине волны λА.
2.Перестраивает свой приемник на длину волны λВ станции В.
−Если станция В занята в это время (например, принимает данные от третьей станции), то станция А будет продолжать посылать запросы на разрешение передачи для станции В.
−Если станция В свободна, она последовательно по циклу сканирует весь диапазон длин волн, проверяя наличие запросов от других станций, предназначенных ей.
−Когда станция В обнаруживает адресованный ей запрос (в данном случае запрос от станции А), она фиксирует свой перестраиваемый фильтр на длине
волны λА этого запроса, и сразу же посылает подтверждение станции А. Это происходит быстро, так как станция В всегда передает на фиксированной длине волны λВ станция А уже настроила свой приемник на эту длину волны.
−После этого обе станции могут свободно обмениваться данными, до тех пор, пока они не решат разорвать соединение.
Архитектура Rainbow-2 - представляет прототип широковещательной
полностью оптической сети следующего поколения по отношению к Rainbow-1. Хотя принципы построения сети остались прежние, практические возможности архитектуры Rainbow-2 сильно возросли:
−Rainbow-1 - это сеть, ориентированная на взаимодействие рабочих станций в пределах ЛВС. Rainbow-2 предназначена для взаимодействия суперкомпьютеров и организации быстрого доступа к ним;
−если Rainbow-1 базировалась на установленных в PS/2 специальных адаптерах Micro Channel, то Rainbow-2 использует внешние модули, которые наделены рядом функций для разгрузки процессоров хост-компьютеров;
−в Rainbow-2 возросла скорость передачи данных до 1 Гбит/с в расчете на станцию при длинах оптических сегментов до 15 км и прежнем числе рабочих
станций до 32.
Допустима альтернативная архитектура широковещательной AON, в которой узлу разрешено принимать сигнал только на одной фиксированной, предназначенной только для этого узла, длине волны, а передавать на разных длинах волн, используя перестраиваемый лазер [29]. Общий протокол работы такой сети будет схож с протоколом случайного доступа CSMA.
Поскольку центральной узел широковещательной AON и все оптические сегменты являются чисто пассивными элементами, такая сеть имеет очень высокую надежность.
В то же время, широковещательную AON невозможно использовать в качестве магистралей для глобальных сетей по двум проблемам. Во-первых, энергия передатчика от каждого узла распределяется между всеми остальными узлами, в результате чего большая доля энергии тратится при разветвлении вхолостую. Эту проблему можно решить привлечением оптических усилителей, хотя при этом снижается надежность. Во-вторых, каждый узел широковещательной AON требует индивидуальной длины волны, так что полное число узлов в сети ограничивается максимальным числом каналов, которые можно мультиплексировать в одно волокно. Теоретический предел числа различных длин волн, которые можно мультиплексировать в отдельное волокно с
использованием техники плотного волнового мультиплексирования DWDM составляет порядка 200. Далее, если даже допустить, что для передачи используется 20 волокон, то можно объединить порядка 4000 узлов, что катастрофически мало для построения единой информационной магистрали на Земле. Принципиальная невозможность построения масштабируемых архитектур широковещательных сетей ограничивает их сферу применения локальным масштабом.
AON с пассивной волновой маршрутизацией
Частично обе проблемы могут быть решены на основе AON с пассивной волновой маршрутизацией, рис. 8.18. В такой сети сигнал определенной длины волны может перенаправляться (статически маршрутизироваться) в узел назначения через последовательность промежуточных узлов вместо того, чтобы широковещательно распределяться между всеми оконечными узлами сети, Это позволяет экономить энергию оптического сигнала из-за отсутствия разветвителей и допускает одновременное использование сигналов, представленных одной и той же длиной волны в разных неперекрывающихся частях сети.
Рис. 8.18. AON с пассивной волновой маршрутизацией
Промежуточными узлами сети с пассивной волновой маршрутизацией являются статические маршрутизаторы, выполненные преимущественно на основе WDM мультиплексоров.
AON с активной волновой маршрутизацией
Дальнейшее наращивание сети связано с переходом от статической к динамической маршрутизации. Маршрутизация на узлах становится активной и допускает дистанционное конфигурирование. Динамическая маршрутизация, прежде всего, предполагает использование оптических коммутаторов.
На рис. 8.19 показан пример многоуровневой архитектуры сети AON с коммутацией каналов, в которой на уровне групп реализована
широковещательная AON, не выходящая за пределы группы (для этой цели выделяются определенные длины волн, в разных группах локально можно использовать один и тот же набор длин волн), на более высоком уровне (уровнях) реализуется сеть с динамической волновой маршрутизацией.
Рис. 8.19. Пример архитектуры AON с коммутацией каналов
Волновая конверсия. Безусловно, динамическая маршрутизация в AON с коммутацией каналов предоставляет большую гибкость. Однако для достижения максимума масштабируемости, наряду с активной волновой маршрутизацией, должна быть реализована волновая конверсия, которая позволяет установить соединение между волновыми каналами, представленными разными длинами волн. Волновая конверсия также позволяет наиболее эффективно использовать предоставленное ограниченное число волновых каналов. Здесь можно провести аналогию с технологией АТМ, где допускается одновременное использование разными АТМ-коммутаторами одних и тех же значений идентификаторов виртуальных каналов VCI (Virtual Circuit Identifier).
Преимущество волновой конверсии можно продемонстрировать на упрощенном примере сети, в которой мультиплексные сигналы в каждом волокне представлены максимум двумя каналами, рис, 8.20. Будем считать, что все оконечные узлы (станции) могут передавать или принимать сигналы на любой из двух длин волн, а маршрутизаторы, не меняя длины волны, могут по требованию перенаправлять канал в любом доступном направлении с одним условием, что при этом не возникает блокировки в выходном сегменте.
Первый этап (рис. 8.20 б). Станция А начинает вести передачу для станции Е (на длине волны λ1). Далее передачу начинает станция D для станции Н. Длина волны этой передачи может быть только λ2, так как в сегменте S2, канал с длиной волны λ1, уже представлен.
Второй этап (рис. 8.20 б). Стартуют передачи от В к С и от F к G. Длины волн этих передач определяются однозначно.
Третий этап (рис. 8.20 в). Прекращаются передачи от А к Е и от D к Н, после чего станция А желает передавать для станции Н. Без волновой маршрутизации, т. е. используя только одно длину волны (λ1 или λ2), это сделать невозможно, не возмущая другие передачи - возникает блокировка либо на участке S2, либо на S1. Если же допускается общее реконфигурирование, то можно предварительно перестроить длину волны передачи между F и G с λ1 на λ2 после чего начать передачу от А к Н на длине волны λ1 (сравните с перестраивае-
мыми неблокирующими коммутаторами, п. 8,5). Однако перестраиваться с одной длины волны на другую во время передачи весьма неудобно - при непрерывном потоке данных это может вести к потере информации.
Волновой конвертер предоставляет значительно более гибкое решение, рис. 8.20 г .
Рис. 8.20. AON с динамической волновой маршрутизацией:
а-в) ограничения, возникающие в сети без волновой конверсии; г) волновая конверсия делает сеть более гибкой
Кроме увеличения гибкости сети, наличие волновой конверсии ведет к росту волновой эффективности (рис. 8.21), показывающей какое максимальное число различных пар соединений в среднем приходится на одну длину волны
[29].
Рис. 8.21. AON с коммутацией каналов. Сравнение эффективностей широковещательных AON и AON с волновой маршрутизацией
Пример сети с центральным узлом на основе волновых конвертеров показан на рис. 8.22. Каждый узел передает сигнал на фиксированной длине волны, а также принимает сигнал на фиксированной, индивидуальной (установленной для данного узла) длине волны. Выбор длины волны передачи удаленной станции - не принципиален. Так, в частности, все станции могут передавать на одной и той же длине волны. Центральный узел коммутации принимает оптические сигналы от всех удаленных узлов и конвертирует их в сигналы других длин волн в соответствии с инструкциями от управляющего компьютера. Звездообразный комбайнер-разветвитель смешивает сигналы разных длин волн и распределяет по всем выходным полюсам.
Логическому соединению между двумя удаленными узлами предшествует настройка соответствующих волновых конвертеров. Если узел С желает передать сообщение для узла А, то выполняется следующая последовательность действий:
−узел С размещает специальный запрос для разрешения передачи для узла А, который обрабатывается управляющим компьютером;
−если узел назначения (А) свободен, управляющий компьютер обменивается сообщениями с этим узлом, получая подтверждение о том, что узел А готов установить соединение;
−если все в порядке, управляющий компьютер сообщает узлу С, что будет установлено соединение с узлом А;
−управляющий компьютер устанавливает соединение между узлами А и С. Главный недостаток этого подхода - относительно длительный процесс
установления соединения. В этом смысле, время установления соединения в ранее рассмотренных прототипах сетей Rainbow-1/2, связанное с перестройкой фильтра, значительно меньше. В то же время, приведенный пример сети с центральным элементом, имеет несколько сильных сторон:
−очень простой централизованный контроль. Нет проблемы, связанной с разрешением коллизий;
−возможно использование одной и той же реперной частоты для всех передатчиков, что означает потенциальную допустимость более плотной упаковки волновых каналов; хотя в некоторых случаях приемникам может и понадобиться стабилизация;
−главное преимущество рассмотренной централизованной сети в том, что она (при очень больших скоростях передачи - 1 Гбит/с и более) должна быть значительно ниже по цене, чем сеть с чисто электронным коммутатором в центральном узле.