Het Optisch Transportnetwerk: Technologie & Standaardisatie Pieter Crombez Wim Van Thillo 16 december 2003
Inhoudsopgave 1 Inleiding 2 2 Waarom optische netwerken? 2 3 Lagenstructuur van het optisch netwerk 3 4 Technologieën die het volledig optisch netwerk realiseren 4 4.1 Dense Wavelength Division Multiplexing............ 4 4.2 Optical Amplifiers........................ 5 4.3 Optical Add-Drop Multiplexers (OADM)........... 7 4.4 Optical Cross Connects (OXC)................. 9 5 Netwerktopologie 9 5.1 Mesh-structuur.......................... 9 5.2 Ringstructuur........................... 10 5.3 Optisch Ethernet......................... 11 5.4 Protocols............................. 11 6 Ontwerp en planning van volledig optische netwerken 11 7 Besluit 12 1
1 Inleiding Optisch datatransport speelt een steeds belangrijkere rol in moderne netwerken. Het is snel, betrouwbaar en goedkoop en vervangt daarom meer en meer zijn elektronische tegenhanger. We evolueren hierbij naar de all optical networks of de volledig optische netwerken, dit zijn netwerken waar nog alleen optische componenten gebruikt worden, geen elektronische meer. Zo bestaan er bijvoorbeeld reeds optische multiplexers, versterkers en gateways, waarvan we de werking verder in detail uitleggen. Deze technologieën zijn reeds commercieel beschikbaar, maar worden omwille van de nog hoge kostprijs nog niet op grote schaal gebruikt. Wel worden ze bijvoorbeeld al aangewend door de grote operatoren op transatlantische verbindingen. Andere optische standaarden, zoals SDH en optisch ethernet, waarbij het optisch gedeelte zich beperkt tot hoog-debiet punt-tot-puntverbindingen in een voor de rest elektronisch geregeld netwerk, komen we wél al overal op grote schaal tegen. Zo zijn in de telefonie alle verbindingen tussen centrales in glasvezel uitgevoerd, en bestaat de backbone-structuur van WANs en MANs vaak uit een glasvezelring, denken we bijvoorbeeld aan het KULeuvenNet. In dit document trachten we een overzicht te geven van de stand van de technologie in het optisch datatransport, en geven we aan welke standaarden reeds wijd verspreid zijn. We gaan hierbij niet teveel in op technische details, maar proberen eerder een globaal overzicht te geven. 2 Waarom optische netwerken? Een eerste aspect, wat in elk netwerk aan bod komt, is de vraag naar meer capaciteit. Gebruikers willen steeds meer en meer data kunnen versturen tegen steeds hogere bitrates. De vraag naar bandbreedte blijft groeien, dit voor tal van toepassingen als internet, multimedia en video. Deze factoren worden behandeld in [5]. Oorspronkelijk was dit ook een probleem bij glasvezelcommunicatie. In eerste instantie moet men een glasvezelnetwerk uitbouwen door glasvezels in de grond te stoppen, maar het is onmogelijk om bij groeiende vraag naar bitrates, steeds meer en meer glasvezels bij te leggen. Dit zou een onmogelijk te betalen investeringskost met zich meebrengen. Tijdsmultiplexing was een oplossing, maar voor de huidige capaciteitseisen volstaat dit helemaal niet meer. De doorbraak kwam er met WDM (Wavelength Division Multiplexing) waardoor het nu mogelijk is om meerdere signalen op een verschillende frequentie door eenzelfde glasvezel te sturen. Door tal van nieuwe technologien zoals o.a. DWDM (dense WDM) is men nu gevolueerd tot bitrates die de 2
capaciteit van de huidige elektronische netwerken ver overtreffen. Een tweede driver is de zogenaamde restoration capability. Hiermee bedoelen we het in stand houden van het netwerk wanneer er ergens een verbinding verbroken wordt. De huidige elektronische netwerken zorgen zelf voor hun eigen herstel, met bijvoorbeeld automatisch nieuwe routering. De doorbraak bestaat erin om deze restoration te implementeren in de optische laag (een begrip dat we verder in de tekst nader toelichten), zie [4]. Bescherming tegen uitvallen van het netwerk kan zo veel sneller, efficiënter en economischer gebeuren. Providers kunnen nu een restoration capability systeem inbouwen zonder dit eerst up te graden naar een elektronisch systeem. Tot slot speelt ook het aspect van kostprijsreductie een rol. Door een optisch netwerk uit te bouwen en ook alles op het optische niveau uit te voeren kan men heel wat besparen. Denken we bijvoorbeeld aan elektronische multiplexers die overbodig worden. Bij de huidige add-drop multiplexers voor WDM moet elk signaal eerst gedemultiplext worden, zelfs als het niet gedropt wordt, om dan opnieuw de bitstroom samen te stellen. Elk kanaal heeft dus zijn eigen elektronisch circuit nodig. Implementeren we dit optisch, dan kunnen de overige optische kanalen gewoon passeren door de multiplexer zonder dat er enig elektronisch circuit nodig is. Golflengte routering van het dataverkeer verhindert zo de hoge kost van elektronische cross connects en ook het netwerk management wordt vereenvoudigd, zoals uiteengezet in [6]. 3 Lagenstructuur van het optisch netwerk Ter verduidelijking vermelden we dat hiermee niet het OSI lagenmodel bedoeld wordt. Een belangrijk onderscheid met de klassieke structuren (zoals bijvoorbeeld SONET) is dat men hier niet werkt met bits of frames als bouwblokken maar dat het optisch netwerk zal gedefinieerd worden op basis van golflengtes. Hiervoor gebruikt men de optische laag. Om de functionaliteit beter te definiëren, deelt men netwerken op in een lagenstructuur. Een eerste laag is de servicelaag waar de diensten zoals dataverkeer het telecommunicatienetwerk binnenkomt. Een tweede laag, waar SONET zich in bevindt, heeft de verantwoordelijkheid in te staan voor het controleren van de prestatie en de restauratie. Ze moet ook zorgen dat alles compatibel verloopt met de bovenliggende laag. Nieuw in optische netwerken is het voorkomen van een optische laag, een eis is uiteraard dat dit compatibel is met de huidige technologieën. De verantwoordelijken komen overeen met deze van SONET maar nu is het de bedoeling deze volledig in het optische domein uit te voeren in plaats van op het niveau van elektronische signalen. Meer informatie hierover is te vinden in [3]. Verder in deze tekst bekijken we hoe dit alles nu juist in zijn werk gaat binnen die optische laag. 3
4 Technologieën die het volledig optisch netwerk realiseren Zoals reeds vermeld is de uitbouw van het volledig optisch netwerk afhankelijk van de mate waarin men alle aspecten optisch kan uitvoeren. De huidige technologieën worden hieronder behandeld. We baseren ons hiervoor voornamelijk op [7]. 4.1 Dense Wavelength Division Multiplexing Het gaat hier om een verbetering van het WDM principe. De eerste versie van WDM was zeer beperkt. Door technologische beperkingen kon men maar twee verschillende frequenties aan die ver uit elkaar moesten liggen (typisch 1330nm en 1550nm) wat voor een capaciteit kon zorgen van rond de 5 Gb/s. Dit kwam neer op een verdubbeling waardoor men niet onmiddellijk nieuwe vezels moest bijleggen. Figuur 1: Wavelength Division Multiplexing DWDM daarentegen is in staat om 100 kanalen door eenzelfde glasvezel te sturen. Al deze kanalen liggen binnen een zeer nauwe band van golflengtes, typisch tussen 1530nm en 1565nm, wat de benaming dense verklaart. In deze band werken de optische versterkers gebaseerd op Erbium gedopeerde vezels optimaal. Elk binnenkomend optisch signaal wordt toegewezen aan een specifieke frequentie binnen een bepaalde frequentieband en dan vervolgens gemultiplext met de andere signalen op één glasvezel. Met deze technologie is het ook mogelijk verschillende bitrates te combineren. Een totaal debiet tot enkele terabits per seconde is reeds haalbaar! DWDM is nu geëvolueerd tot de meest cruciale component van het optisch netwerk in de overdracht van data, ondersteund door IP en ATM. Zeker 4
voor dit laatste (voor onder andere videotoepassingen) komt deze techniek, die een grote capaciteit levert door het gebruik van vele draaggolven in een nauwe frequentieband, ten volle tot zijn recht. Extra voordelen voor de provider aan het DWDM systeem zijn flexibiliteit en protocoltransparantie: bepaalde golflengtes kunnen flexibel toegekend worden aan klanten, protocoltransparantie wil zeggen dat op elk van de verschillende golflengtes een ander protocol gehanteerd kan worden. Het is duidelijk dat het principe van DWDM verantwoordelijk is voor de uitbouw van het optisch netwerk en dat alle volgende componenten die aan bod komen specifiek ontworpen worden op basis van het type signalen die de DWDM technologie genereert. Figuur 3 geeft een overzicht, enkele componenten worden verder op kort besproken. 4.2 Optical Amplifiers Het grote voordeel hier is dat voor de regeneratie van signalen (nodig wanneer signaal-ruisverhouding te klein wordt over grote afstanden), er geen elektronische omzetting meer nodig is. Bijgevolg gebeurt dit sneller en nauwkeuriger. Eisen zijn, bij een grote versterking, de dispersie ongedaan maken. Het probleem van de dispersie kan als volgt worden toegelicht. De dispersie die hier optreedt, is materiaaldispersie. Het materiaal heeft een brekingsindex die varieert met de golflengte, bijgevolg gaat elke spectrale component uit een lichtbundel met bandbreedte λ zich doorheen de glasvezel voortbewegen met een andere (groeps)snelheid. Aangezien de karakteristieken van het kanaal vastliggen, is de pulsverbreding die daardoor ontstaat dus afhankelijk van de bandbreedte van het laserlicht en van de lengte van het kanaal. De materiaaldispersie is evenredig met de tweede afgeleide van de brekingsindex naar de golflengte, als we het verband analyseren merken we Figuur 2: Principe DWDM 5
op dat dit voor een zeker golflengte nul wordt (ZMDW: zero material dispersion wavelength). Het centreren van de gebruikte golflengte bij DWDM rond deze waarde beperkt dus de dispersie. Een van de meest belangrijke optische versterkers is de erbium gedopeerde vezel versterker (EDFA). Slechts één vezel is nodig om simultaan, zonder elektronische conversie, alle golflengtes in een DWDM systeem te versterken. EDFA is geoptimaliseerd rond 1550nm. Dit verklaart mede waarom alle kanalen in DWDM gemultiplexed worden binnen een smal bereik typisch tussen 1530nm tot 1565nm. Bovendien bevinden deze golflengtes zich in het gebied waar de verzwakking in een vezel minimaal is. Op te merken valt dat deze componenten pas goed werken dankzij de huidige geavanceerde staat van de lasers. Zij zorgen voor licht dat sterk coherent is en dat een zeer smalle bandbreedte heeft. Het belang van deze component is niet te onderschatten, zonder een optische versterking zou de huidige snelheid die DWDM haalt niet toepasbaar zijn. De optische versterker kan eveneens capaciteiten aan van terabits wat niet het geval is voor z n elektronische tegenhanger. DWDM zorgt samen met de versterkers voor datatransport tussen twee punten. De stap naar een volledig optisch netwerk is dus niet meer zo groot. Dit concept houdt in dat de ISP optische toegang moet hebben in de verschillende knooppunten van het netwerk. Optical Add-Drop Multiplexers en Optical Cross Connects bieden hiertoe de oplossing, en zijn commercieel beschikbaar sinds 1998. Figuur 3: Optische Componenten 6
4.3 Optical Add-Drop Multiplexers (OADM) Dat een netwerk gebaseerd op DWDM bestaat uit multiplexing is nu al meerdere keren duidelijk gemaakt. De component die hier voor zorgt, is een Optical Add-Drop Multiplexer (Figuur 4). Dit type multiplexer kan ook in tussenliggende knooppunten golflengtes toevoegen of afleiden. Deze component maakt het mogelijk voor IP, ATM en andere services om direct toegang te krijgen tot het optische netwerk op één bepaalde golflengte. Figuur 4: Optical Add-Drop Multiplexer We gaan nog even verder in op de manieren waarop multiplexing praktisch gebeurt. Een eerste manier werkt met behulp van een prisma. Dit wordt uitgelegd op Figuur 5 voor het geval van demultiplexing. Een parallelle polychromatische bundel valt in op het prisma, elke golflengtecomponent wordt echter anders gebroken en plant zich voort onder een andere hoek. Via een lens kan een component dan in een glasvezel gericht worden. De tweede manier is gebaseerd op diffractie en interferentie. Men laat de polychromatische lichtbundel invallen op een diffractierooster en dan geldt weer het bovenstaande principe, zie Figuur 6. Toegepast op het drop -gedeelte van OADM: een Fiber Bragg Grating veroorzaakt periodische veranderingen in de brekingsindex en afhankelijk van de afstand tussen die zones zal een bepaalde (resonantie)frequentie gereflecteerd worden terwijl de andere gewoon verder propageren. 7
Figuur 5: Prisma Demultiplexing Figuur 6: Diffractierooster Multiplexing 8
4.4 Optical Cross Connects (OXC) Een belangrijk aspect in een netwerk is het routeren van de data. In een optisch netwerk gebeurt dit op basis van golflengteroutering. De ene golflengte kan dus een andere bestemming hebben dan de andere. De routering op optisch niveau gebeurt door een Optical Cross Connect (Figuur 7). Hier kunnen we ook de optical gateway vermelden. Een OXC moet drie functies kunnen verwezenlijken: Glasvezel switching: de mogelijkheid om alle golflengtes die binnenkomen van een glasvezel te routeren naar een andere uitgaande glasvezel. Golflengte switching: mogelijkheid om een specifieke binnenkomende golflengte te routeren naar verschillende glasvezels. Golflengteconversie: omzetten van de optische frequentie. Figuur 7: Optical Cross Connect 5 Netwerktopologie Om te beginnen merken we op dat volledig optische netwerken tot nader order allemaal circuit-geschakelde topologieën hebben, met de golflengte als parameter. Een pakketgeschakeld zuiver optisch netwerk is met de huidige technologie nog helemaal toekomstmuziek... Meer informatie over ring- en mesh-structuren is te vinden in [2]. 5.1 Mesh-structuur De meest gebruikte netwerktopologie op dit moment is de ringstructuur, waar we verder in de tekst even op ingaan, maar andere topologieën zijn mogelijk. Eén van deze alternatieven is de mesh-structuur, waarbij elk knooppunt verbonden is met meerdere andere knooppunten met punt-totpunt vezelverbindingen, tegenover met slechts twee naburige knooppunten 9
in een ringstructuur. De stabiliteit van het netwerk wordt hier gegarandeerd doordat er verschillende paden zijn naar een bepaalde bestemming, te vergelijken met een klassiek TCP/IP-netwerk. De benodigde vezelcapaciteit voor backup kan tot 60% lager liggen dan bij een ringstructuur. Figuur 8 illustreert de evolutie in ring- en meshstructuren. Figuur 8: Evolutie ring- en meshstructuren 5.2 Ringstructuur Ter illustratie van de ringstructuur bespreken we kort SONET/SDH (Synchronous Optical NETwork/Synchronous Digital Hierarchy). Dit is zeker geen volledig optisch netwerk, maar wel de huidige algemene standaard, gegroeid uit de telefonie, zie [9]. Vezelnetwerken zijn oorspronkelijk immers ontwikkeld met transmissieformaten voor telefonie over koperdraad of microgolven. SONET is in feite de Amerikaanse versie van SDH, beiden zijn compatibel voor snelheden vanaf 155Mbps en hoger. De standaarden leggen de hiërarchie van de signalen vast en de manier waarop kanalen worden gemultiplext op een vezel. Bovendien bepalen ze onder andere bitrates, formaten, OAMP (Operation, Administration, Maintenance and Provisioning), optische interfaces, en de schakelprocedures bij fouten in het netwerk. Een SDH-ringstructuur bestaat uit twee ringen, één voor het normale verkeer, en één louter als backup in het geval van een fout. De helft van de vezelcapaciteit is dus onbenut bij normale werking, een groot nadeel van deze structuur. Figuur 9 verduidelijkt de werking. 10
5.3 Optisch Ethernet Tot slot vermelden we nog kort dat ook optisch ethernet bestaat en frequent gebruikt wordt. Ethernetframes werden lichtjes aangepast zodat ze compatibel werden met SDH, met het grote voordeel dat dit Gigabit Ethernet veel beter gebruik maakt van de beschikbare bandbreedte dan bijvoorbeeld de eerder beschreven SDH-ring. 5.4 Protocols Volgens [8] zal de evolutie in optische netwerken zich als volgt in het gebruik van protocols vertalen. Huidige netwerken gebruiken de protocol-lagen application-tcp-ip-atm-sonet-fiber of application-atm-sonet-fiber. Deze structuur is heel inefficiënt door de grote overhead die elk protocol met zich meebrengt. IP-pakketjes rechtstreeks op SONET implementeren zou deze overhead reeds met 10% reduceren, en resulteert in IP-ATM-SONETfiber. De laatste stap, IP-fiber en ATM-fiber, zal gezet worden met de realisatie van het volledig optisch netwerk. 6 Ontwerp en planning van volledig optische netwerken Bij het ontwerpen van de optische laag moeten enkele parameters strategisch gekozen worden in functie van het beoogde netwerk, bijvoorbeeld de span. Figuur 9: SONET/SDH-ring 11
De span van een netwerk is de afstand tussen twee netwerkelementen (bijvoorbeeld multiplexers) en wordt bepaald in functie van de vereiste OSNR (Optical Signal to Noise Ratio), chromatische dispersie en vele niet-lineaire effecten, veroorzaakt door de interactie tussen signaal en vezel. Het routen van signalen moet in de optische laag gebeuren, we gaan echter frequenties routen in plaats van pakketjes zoals bij klassieke pakketgeschakelde netwerken. De eenvoudigste implementatie is een WP (Wavelength Path), waarbij een signaal in de optische laag steeds op dezelfde frequentie blijft tussen de twee eindpunten. Bij een VWP (Virtual Wavelength Path) echter kan een signaal achtereenvolgens op verschillende frequenties terechtkomen in de optische laag. Zo kan het netwerk frequenties herbruiken en optimaal toewijzen aan signalen. Dit systeem is dus complexer, maar garandeert een efficiënter gebruik van de bandbreedte. Een ander belangrijk aspect aan elk netwerk is de restoration of het herstellen van het netwerk bij een fout zoals vezelbreuk of het uitvallen van een component. Het implementeren van deze restoration in de optische laag heeft twee grote voordelen. Ten eerste betekent het een enorme besparing aangezien we geen elektrische systemen met ingewikkelde beschermingsarchitecturen meer nodig hebben, en ten tweede kan de herstellingstijd bij een fout kort gehouden worden doordat we met VWP s werken, en we niet de omweg via elektrische systemen hoeven te maken. 7 Besluit Het volledig optisch transportnetwerk is nog in volle ontwikkeling, en zal de komende jaren zeker nog snel blijven evolueren. De technologie die aan de basis ligt van deze ontwikkeling hebben we kort besproken, en we hebben ook getracht de structuur van een optisch netwerk en de toepassingsdomeinen een beetje te verduidelijken. Over standaarden is het laatste woord nog lang niet gezegd maar ze zullen er zeker snel komen bij de grote doorbraak in de nabije toekomst. 12
Referenties [1] Dense Wavelength Division Multiplexing Performance and Conformance Testing, Tektronix [2] P. Arijs, B. Van Caenegem, P. Demeester, P. Lagasse, Design of Ring and Mesh based WDM Transport Networks, Ghent University - IMEC, Department of Information Technology [3] W. Van Parys, P. Arijs, R. Meersman, Network Design Tools for the Optical Layer and their value for Operators and Suppliers, COMSOF, Ghent, Belgium [4] Liuyang Li, Sun-il Kim, Steven S. Lumetta, Reliability Issues in an All- Optical Direct-Access Network Architecture, CS and ECE Dept, University of Illinois at Urbana-Champaign [5] Driving Optical Network Evolution, Cisco Systems, www.iec.org [6] Wavelength Routing in Optical Networks, Cisco systems, www.iec.org [7] Optical Networks, Alcatel, www.iec.org [8] J. Walrand, P. Varaiya, High-Performance Communication Networks, Morgan Kaufmann [9] Technology Forecast 2001-2003, PriceWaterhouseCoopers 13