IPoDWDM przyszłością telekomunikacji

Wdrażanie aplikacji multimedialnych nie tylko w metropoliach powoduje istotny wzrost zapotrzebowania na pasmo transmisyjne. Zmusza to operatorów i dostawców usług z jednej strony do rozszerzania przepustowości sieci z zachowaniem odpowiedniej jakości usług, a z drugiej do stosowania bardziej efektywnych rozwiązań IP over DWDM do gigabitowego transportu.

Wdrażanie aplikacji multimedialnych nie tylko w metropoliach powoduje istotny wzrost zapotrzebowania na pasmo transmisyjne. Zmusza to operatorów i dostawców usług z jednej strony do rozszerzania przepustowości sieci z zachowaniem odpowiedniej jakości usług, a z drugiej do stosowania bardziej efektywnych rozwiązań IP over DWDM do gigabitowego transportu.

Możliwości transmisyjne włókien TDM/DWDM

Możliwości transmisyjne włókien TDM/DWDM

PODSTAWĄ SIECI TRANSPORTOWYCH były najpierw systemy PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), pozwalające na uzyskiwanie szybkości jedynie do 140 Mb/s. W tej technologii wydzielanie i łączenie sygnałów podstawowych 2 Mb/s dokonywało się w krotnicach zwielokrotnienia wyższego rzędu klasy PCM (2/8, 8/34, 8/140 Mb/s), także w rozwiązaniach mieszanych. Niedogodności w translacji strumieni oraz ograniczenia przepływności w tych systemach spowodowały rozwój platform synchronicznych SDH oraz transmisji optycznej TDM (Time Division Multiplexing) z przepływnościami od 51,84 Mb/s (SONET) i 155 Mb/s (OC-3, STM-1) do szybkości 40 Gb/s (STM-256). Systemy synchroniczne nie są jednak przystosowane do efektywnego użytkowania w zmiennym i niesymetrycznym ruchu IP, nawet jeśli korzysta z szybkiego medium, jakim są optyczne platformy transportowe. Dodatkowym utrudnieniem są rozbudowane systemy synchronizacji sieci, wnoszące niepotrzebny nadmiar informacji (odtwarzanie i protekcja), zbędne dla odpornego na uszkodzenia protokołu IP. Kwestionowana zasadność użycia warstwy SDH w transporcie datagramów IP przez sieć optyczną, z założenia o wysokiej przepływności, stała się powodem wdrażania dwuwarstwowej struktury transportowej IP/DWDM, niezawierającej synchronicznej warstwy transportowej SDH w modelu OSI.

Sieci transportowe IP

Hierarchia stosu transportowego

Hierarchia stosu transportowego

Struktura synchroniczna SDH (Synchronous Digital Hierarchy) pozwala na multipleksowanie w węzłach pośrednich kanałów dopływowych począwszy od 64 kb/s wzwyż oraz na stosunkowo łatwe wydzielanie kanałów do zarządzania siecią. W tej strukturze instalacja multiplekserów ADM (Add Drop Multiplexer) daje możliwość tworzenia konfiguracji pierścieniowych w szkielecie sieci transportowej bardziej odpornych na awarie pojedynczych urządzeń. Standardowe sygnały dopływowe SDH – identyczne z występującymi w systemach PDH – umożliwiają przesyłanie sygnałów spoza tej technologii z wykorzystaniem transmisji w postaci pakietowej ATM i IP.

Platformy SDH podlegają przeobrażeniom w wyniku instalowania w nich rozwiązań optycznych oraz protokołów transportowych usprawniających transmisje. Należą do nich: TCP/IP dominujący dla warstwy 3. i 4. hierarchicznego modelu OSI oraz protokoły technologii ATM, Frame Relay i PPP, które stały się podstawowymi dla warstwy 2. Zamiast popularnych kiedyś linii dostępowych E1 (2 Mb/s), jako rozwiązania szybkiego dostępu wykorzystuje się dzisiaj łącza cyfrowe klasy xDSL (ADSL, HDSL, SDSL oraz ISDN), a od niedawna technologię VDSL (do 100 Mb/ s) wdrażaną w segmentach LAN i WAN szczególnie wrażliwych na szybkość.

Enkapsulacja datagramów IP/SDH

Enkapsulacja datagramów IP/SDH

Współczesną technologią transportu są jednak systemy optyczne i wielofalowe platformy z gęstym zwielokrotnieniem DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) wyposażane w interfejsy SONET/SDH. Ten kierunek rozwoju platform optycznych pozwolił na zbliżenie protokołu IP z techniką transportu DWDM – zwłaszcza po zaimplementowaniu komunikatów IP zgodnych ze standardem Ethernet. W rezultacie uzyskano znaczne uproszczenie architektury sieciowej (bez warstwy ATM) oraz prostszą strukturę kompleksowego zarządzania, jako że już teraz sieci LAN zdominowane przez Ethernet (1GbE i 10GbE) są stosowane nie tylko w rozwiązaniach lokalnych, ale i w sieciach metropolitalnych.

Etapy wdrażania IP/DWDM

Etapy wdrażania IP/DWDM

Transport optyczny z protokołami IP zwiększył podstawową szybkość przesyłania danych do 40 Gb/s (TDM), a w w ielokanałowych łączach szkieletowych osiąga przepływność kilkunastu Tb/s (terabitów/ s). Podwyższanie szybkości w szkielecie umożliwia integrację głosu z danymi (VoDATA, VoIP, VoDSL, IAD, TDMoIP). Powoduje też większą dostępność sprzętu telekomunikacyjnego przez urządzenia optyczne, z oddzieleniem funkcji użytkowych sieci (protokoły) od fizycznej warstwy łączeniowej. Datagramowy blok danych jest przesyłany przez sieć pakietową między komputerami lub abonentami sieci bez uprzedniego wykonania połączenia (także logicznego) w warstwie transportowej modelu OSI. Mimo że datagram zawiera adresy komputerów nadawcy i odbiorcy, bezpołączeniowy tryb pracy – charakterystyczny dla przekazów datagramowych – nie daje gwarancji doręczenia przesyłki do adresata. W usłudze datagramowej możliwy jest również odbiór pakietów w innej kolejności niż zostały one nadane, a za porządek i właściwą kolejność odpowiada robocza stacja odbiorcy, a nie sieć.

Rozwiązania IP uzupełnione o nowe produkty przełączania, efektywne transmisje wielofalowe oraz kompletne platformy optyczne oparte na routerach w technologii IP over DWDM skutecznie zastępują tradycyjne rozwiązania SONET/SDH. Są one podstawą wdrażania nowej generacji sieci NGN.

Dzisiaj większość bezpiecznych połączeń między oddalonymi użytkownikami bądź firmami dokonuje się w wirtualnych sieciach transportowych VPN (Virtual Private Network), tworzonych w infrastrukturze sieci prywatnej lub publicznej poprzez tunelowanie połączeń. Umożliwia ona transport pakietów różnych protokołów (także nieobsługiwanych przez Internet) wewnątrz pakietów IP. Możliwe jest więc umieszczanie pakietów sieci lokalnej o nierutowalnym adresie IP wewnątrz pakietu korzystającego z ustalonego adresu IP.

Rozwój przebiega etapami

Transportowe struktury IP ewoluowały najpierw w kierunku p ośredniego m odelu I P/ SDH/WDM opartego na trzech warstwach, ale od lat umacnia się dwuwarstwowa struktura telekomunikacyjna IP/DWDM. Stosowane dotąd rozwiązania optycznego transportu IP nadal korzystają z pośredniczącej warstwy SDH, która spełnia funkcję bajtowo zorientowanego łącza dwukierunkowego typu punkt-punkt. W strukturze SDH nie można jednak bezpośrednio przesyłać datagramów IP i potrzebna jest dodatkowa enkapsulacja (zmiana formatu transportowanych pakietów przez dodawanie odpowiednich dla nowego protokołu porcji informacji sterujących i zabezpieczających), umożliwiająca zestawianie i konfigurowanie połączeń w warstwie łącza danych.

Enkapsulacja nie jest rozwiązaniem ekonomicznym. Złożony proces wielokrotnego kopertowania danych wieloprotokołowych (a więc nie tylko datagramów IP), uzgadniania opcji formatów kapsułowania, reagowania na zmieniające się długości pakietów, a także wykrywania zapętleń w łączu i innych błędów konfigurowania powoduje, że przesyłanie datagramów IP przez sieć SDH staje się nieefektywne – zwłaszcza w systemach o większych szybkościach przesyłania czyli powyżej STM-16 (2,5 Mb/s). Powszechnie stosuje się w tym przypadku protokół PPP (Point-to-Point), współpracujący z protokołem HDLC (lub podobnym), zapewniającym wyznaczanie początku i końca jednostek danych lokowanych w kontenerach SDH.

Kolejnym uproszczeniem architektury sieci i struktur zarządzania stało się wdrożenie protokołu IP do transportu optycznego DWDM, wraz z możliwością ramkowania komunikatów IP wg standardu Ethernet. Taka implementacja w środowisku optycznym (IPoDWDM) zapewnia stosunkowo proste przeniesienie wielousługowego ruchu na poziom IP, a proces ten rozszerza się, obejmując kolejne obszary tradycyjnych usług telekomunikacyjnych. Według szacunków, w efekcie modernizacji stosu protokołów IP/ATM/SDH/DWDM na prostszą strukturę IP/DWDM uzyskuje się spadek kosztów inwestycyjnych operatorów o ponad 50% oraz spadek kosztów operacyjnych do 60%.