Vysoká přenosová kapacita a služby v reálném čase

Rita Pužmanová
ETM, 1/2011

Budoucnost optických sítí se určena zásadními požadavky moderních služeb a aplikací, které jsou populární mezi uživateli. Dlouhodobým trendem je zvyšování přenosových kapacit směrem ke 100 Gbit/s, ale ani vysoká rychlost nemusí být zárukou spokojenosti uživatelů se službami sítě. Těžkým oříškem jsou totiž stále častější a přitom různorodé aplikace v reálném čase, u nichž nehraje ani tak roli požadavek na šířku pásma, ale dodržení potřebné doby odezvy od chvíle odeslání požadavku, aby vůbec měla aplikace smysl.

Nová optická infrastruktura pro nejbližší dekádu rozhodně zaznamená nárůst přenosové kapacity. Důvodem jsou především požadavky nově nastupujících aplikací a s tím související očekávání uživatelů. Nové aplikace jsou typicky stále náročnější na šířku pásma, často interaktivní, pracující v reálném čase, a proto také mnohdy (téměř) symetrické, tj. Vyžadují značné přenosové pásmo nejen v jednom směru, ale hned obousměrně mezi sítí a uživatelem. Značný podíl na současném trendu má také prudce rostoucí popularita mobilních aplikací. Obecně je navíc síťový provoz nepředvídatelný a nárazový. Uživatelé přitom vyžadují vysokou kvalitu síťových služeb, okamžitý přístup k datům a nepostřehnutelnou latenci, mobilitu a přenositelnost, ploché účtování a neomezené možnosti ukládání dat zdarma.

Pro provozovatele se výrazně mění situace, protože nejen že obrat na uživatele klesá, ale současně jeho provoz exponenciálně roste. Šířka pásma v sítích odhadem roste ročně o 50 až 100% a podle Cisco Systems do roku 2013 dosáhne globální internetový provoz neuvěřitelných 767 exabytů (EB = 1018 B, trilion). K obrovskému nárůstu provozu přispívají mj. on-line hry vyžadující 2-20 Mbit/s v obou směrech. Největším pojídačem kapacity je ale HDTV (High-Definition TeleVision) potřebující 60 Mbit/s, byť jen v jednom směru (k divákovi), ovšem ještě náročnější je UHDTV (Super Hi-Vision) s 16-pixelovým rozlišením, které potřebuje minimálně 0,5 Gbit/s. A k tomu se ještě přidávají klasičtější aplikace rovněž zvyšující své nároky na přenosové pásmo, jako VoD (Video on Demand), VoIP (Voice over Internet Protocol), streaming, či ukládání dat.

V datových centrech kapacitní nároky také neustále stoupají, a i když v nich není třeba přenášet data na velkou vzdálenost, je třeba řešit rychlý přístup k datům a také jejich rychlé přesuny v rámci centra, k čemuž se zatím především používala agregace spojů o 10 Gbit/s. Provozovatelé optických sítí proto potřebují velmi výkonnou a škálovatelnou síťovou infrastrukturu a musí doplnit potřebnou inteligenci na všechny úrovně/vrstvy svých sítí.

Provozovatelé a přechod na 100 Gbit/s

V minulém roce jsme v našem volném seriálu o optických sítích věnovali hodně pozornosti moderním technologiím, které nabízejí vysokou přenosovou kapacitu jak v malém (nejčastěji lokální sítě typu Ethernet), tak zejména větším dosahu (metropolitní a rozlehlé sítě, včetně variant Ethernetu pro tyto účely). Především Ethernet udělal prostřednictvím schválení nové (doplňkové) normy IEEE 802.3ba v minulém roce zásadní krok v podpoře zatím nejvyšších kapacit 40 a 100 Gbit/s, s variantami podporujícími dosah (po optickém vláknu) od 100 m do 40 km. Při pohledu na ambiciozní plány GÉANT týkající se přechodu na nejvyšší rychlost v přenosové síti 100 Gbit/s, o nichž jsme nedávno hovořili, je zajímavé je srovnat se situací v komerčním světě, jak se provozovatelé rozlehlých sítí chystají na „zrychlení“ svých produkčních infrastruktur.

LightReading nedávno vyzpovídal 234 provozovatelů na celém světě ohledně jejich přístupu k modernizaci sítí a kapacitnímu skoku na 100 Gbit/s. Téměř polovina z nich je plně obeznámena s technologiemi 100 Gbit/s, třetina je studuje a pouze desetina dosud vůbec o 100 Gbit/s neuvažuje. Přes 80% je považuje za důležité, ale existuje výrazný rozdíl mezi důležitostí a dostupnými prostředky. Z hlediska kapitálových investic se s 100 Gbit/s většinou počítá do dvou let. To odráží skutečný stav nasazování nejrychlejší technologie: celá čtvrtina dotázaných provozovatelů již vloni rozjela testování 100 Gbit/s ve svých sítích a 40% se chystá k výběru nejvhodnějších dodavatelů technologie na základě testů v tomto roce. Rok 2011 bude tedy pro síťové výrobce velmi důležitý, protože v rámci něj se již přes polovinu provozovatelů rozhodne o významném dodavateli technologie pro modernizaci svých sítí.

Váhání ohledně volby technologie 40 Gbit/s a 100 Gbit/s je z rozhodování provozovatelů zřejmé: téměř tři čtvrtiny z nich sice budou implementovat oba typy, přičemž čtvrtina začne s 40 Gbit/s a co nejdříve přejde na 100 Gbit/s, zatímco celá polovina hodlá použít kombinaci 40 a 100 Gbit/s. Méně než desetina provozovatelů se dokonce hodlá spokojit pouze s 40 Gbit/s, zatímco pětina 40 Gbit/s prostě přeskočí a nasadí rovnou 100 Gbit/s. Samozřejmě svoji roli hraje a bude hrát cena optických zařízení: polovina provozovatelů by měla zájem o technologii 100 Gbit/s, pokud by transpondéry byly maximálně jen šestinásobně drahé než u 10 Gbit/s. Čtvrtina z dotázaných by se dokonce nezalekla ani ceny dosahující desetinásobku toho, na kolik přijde technologie nabízející jen desetinu přenosové kapacity.

Podle síťových profesionálů je největším tahákem pro nasazení 100 Gbit/s postupně naplňovaná kapacita stávajících sítí, která již hrozí saturací. Kromě toho ale početná skupina expertů také shledává hospodárnost 100 Gbit/s jako výhodnější oproti 40 či 10 Gbit/s. Dalším důvodem zájmu o nasazení 100 Gbit/s je propojení přenosové sítě na páteřní směrovače disponující rozhraními pro 100 Gbit/s Ethernet.

Datová centra zažívají boom přenosových technologií na krátkou vzdálenost nabízející přenosovou kapacitu 40/100/120 Gbit/s, což ještě posílilo loňské schválení nové normy pro 40/100 Gbit/s Ethernet. Přenosové technologie z opačného konce spektra, tj. dálkové spoje, již také několik let nabízejí kapacitní možnosti 40 Gbit/s. Zájem o vysokokapacitní technologie trvá pro dálkové přenosy i datová centra, ale stupňuje se rovněž zájem o rychlé přenosy v metropolitním dosahu a také pro náročné výpočty.

Další specifickou oblast představují rychle se rozšiřující služby pracující v reálném čase, s nimiž má (nebo alespoň může mít) problémy prakticky každá, byť vysokorychlostní síť. Většina současných síťových služeb nepracuje v reálném čase (tzv. non-real-time), proto se mohou spokojit s nejrozšířenější úrovní kvality služby bez jakýchkoli specifických nároků na síť (tzv. best effort).

Aplikace v reálném čase

Jedním ze zásadních omezení dnešních sítí včetně Internetu je prakticky neschopnost podporovat aplikace v reálném čase. Tyto aplikace nelze zaměňovat s rychlým datovým přenosem nebo přenosem velkých objemů dat. U aplikací v reálném čase panují časová omezení závisející na konkrétní aplikaci a určovaná procesy mimo samu síť (např. režim sběru dat ze senzorů). Tyto požadované doby odezvy odráží charakter fyzického procesu, který se monitoruje nebo řídí. Síťová služba podporující práci v reálném čase by měla reagovat na určitou událost v předem určeném časovém intervalu (operační odezva = čas uplynulý od události do odezvy systému).

Doba odezvy pro služby v reálném čase podporující interaktivní spolupráci uživatelů je přijatelná do 0,1 s (odpovídá zpoždění při přenose po 20.000 km optického vlákna), přičemž nedosažení této hranice není pro uživatele kritické. Naproti tomu doba odezvy např. pro vzdálené řízení vozidel je už 1 ms a nesmí se za žádných okolností překročit. Zdaleka nejnáročnější jsou pak aplikace zajišťující přesnost času, kdy časová hranice pro porovnání času atomových hodin je již 1ns.

Naše síť CESNET2 v této souvislosti již vloni nabídla světově jedinečnou demonstraci ve spolupráci se svým rakouským protějškem ACOnet, a to přenos pro porovnání času atomových hodin na trase mezi Prahou a Vídní (délka optického vlákna činila 500 km) bez jakékoli konverze optického na elektrický signál, což by zhoršilo stabilní zpoždění na optickém vlákně. Požadovaná přesnost pod 1ns tak byla dodržena; pro zajímavost 1 ns odpovídá době, za níž světlo ve vakuu urazí pouhých 30 centimetrů (ve vláknu pouze 20 cm). Na experimentu spolupracovaly národní laboratoře času a frekvence Ústavu fotoniky a elektroniky Akademie věd  ČR a Spolkového úřadu pro metrologii a geodézii (BEV). Při pokusu byly využity prototypy adaptérů pro přenos časové informace vyvinuté ve sdružení CESNET.

Fotonické sítě a služby

Z výše uvedených striktních minimálních dob odezvy je zřejmé, že některé externí procesy jsou natolik rychlé pro přenos a jakékoli elektronické zpracování souvisejících signálů, že je mohou podporovat výhradně fotonické sítě. Pro služby v reálném čase musí být jejich specifické požadavky na dobu odezvy dodrženy (v souvislosti s jejich kritičností) nejen v běžných podmínkách sítě, ale zejména při nejhorších možných scénářích, např. při souběhu maximálních požadavků všech monitorovaných nebo řízených externích procesů. Pro zajištění těchto požadavků není obecně řešením nadbytečnost prostředků a kapacit (síťových prvků, spojů, šířky pásma apod.), protože je nutné zohlednit dílčí požadavky aplikací, upřednostnit požadavky s kratší dobou odezvy. Proto tyto služby vyžadují od sítě zpracování požadavků na základě událostí, s předností alokace systémových zdrojů.

Jak jsme již mnohokrát zmínili v našem seriálu, v čele vývoje optických technologií a sítí jsou sítě výzkumné a experimentální, nikoli komerční sítě, které teprve následně implementují již otestované novinky pro vylepšení konkurenceschopnosti svých služeb. A optické výzkumné sítě se nyní chystají zkoumat možnost nového typu služeb vhodného právě pro aplikace v reálném čase. Plně optické sítě totiž umožňují kromě IP služeb a digitálních okruhů i přenos optických signálů mezi uživateli, označované jako fotonické služby.

Optický signál (vlnová délka, lambda) je přijat od uživatele, přenesen celou přenosovou sítí a předán cílovému uživateli prakticky v totožné podobě, v jaké byl přijat. Interpretace tohoto signálu závisí pouze na samotných koncových uživatelích, proto se mohou používat signály analogové, nestandardní, či běžné optické. Právě díky tomu, že použitá přenosová síť musí být v tomto případě plně optická (fotonická), nikde na přenosové cestě nedochází ke konverzi nebo jinému zpracování signálu, které jsou typické pro stávající sítě stále využívající uvnitř sítě prvky provádějící OEO (Optical-Electrical-Optical), tedy konverzi elektrického signálu na optický a opačně.

Z pohledu síťové architektury jsou lambdy ve fotonické síti přirozenými vlnami. Přitom ale některé z lambd lze využít pro realizaci hybridní sítě s digitální elektronikou nad samotnou infrastrukturou (nejnižší vrstvou) tvořenou fotonickou (analogovou) základnou. Tato hybridní síť nadále poskytuje typ služby „best effort“.

Právě fotonické služby by měly znamenat novou odlišnost, přidanou hodnotu výzkumných sítí oproti sítím komerčním. Jednou z rozlehlých sítí, kterou je třeba v tomto ohledu nejvíce sledovat, je panevropská páteřní síť GÉANT propojující národní sítě pro výzkum a vzdělávání (NREN, National Research and Education Network), mezi něž patří i náš CESNET. V obou případech jsou stávající sítě ve 2. Verzi, ale připravuje se již 3. Verze infrastruktury, s nasazením 40/100 Gbit/s. Oběma sítím jsme se v našem seriálu věnovali, proto se nyní můžeme soustředit na význam fotonické služby v budoucnosti.

Potenciál fotonické služby umožňují nejen nejmodernější přenosové technologie uplatňované ve výzkumných sítích, ale také dobrá dostupnost temných vláken. Přenos optických signálů přímo mezi uživateli vyhoví aplikacím s velmi přísnými požadavky na čas: přenos vysoce přesných časových údajů, řízení systémů v průmyslu či dopravě, zpracování signálů v reálném čase např. Ze senzorů zemětřesení, řízení speciálních vědeckých nástrojů či teleskopů, ale také videokonferenční přenosy i mezi více účastníky (multicast) v plném rozlišení s garantovanou kvalitou.

Zpoždění při přenosu fotonického signálu je totiž v tomto případě dáno výhradně délkou optického vlákna, a je tedy pevně dané, což je velmi vhodné pro aplikace v reálném čase. Výsledné zjednodušení přenosu znamená jednodušší infrastrukturu, nižší náklady i vyšší rychlost (díky vyloučení zpracování a konverze signálu). A v neposlední řadě nabízí taková služba značnou průhlednost a otevřenost, kdy se uživatel může podílet na samotném návrhu a vývoji, právě proto, že se nejedná o komerční nabídku provozovatele, ale o výzkumnou síť. Nový typ služby se v současnosti zkoumá pro budoucí síť GÉANT, což bude vyžadovat přidělení kmitočtového spektra v odlišných pásmech pro fotonické služby a pro digitální služby. Před nasazení fotonické služby bude potřeba prozkoumat možné dopady na volbu digitálního přenosového systému a s tím souvisejících nákladů, aby se vyhovělo plánovanému nasazené služby jak v nákupu zařízení tak v řešení síťové topologie.

CESNET slaví 15. Výročí

V celém seriálu zmiňujeme význam naší národní multigigabitové optické sítě CESNET2 nejen pro sféru vzdělávání a vědy, ale v souvislosti s naším tématem zejména pro výzkum a vývoj optických technologií. Proto se na závěr sluší připomenout, že 6. března 2011 oslaví sdružení CESNET 15. Výročí svého založení. Při této příležitosti se uskuteční 9. března v konferenčním sále Národní technické knihovny v Praze Dejvicích seminář, který shrne dosavadní výsledky i perspektivy dalšího vývoje vlastního sdružení a jím poskytovaných služeb. Hlavní pozornost bude věnována aktuálnímu stavu páteřní infrastruktury CESNET2, jejím schopnostem a nabízeným službám. Představí se především velké projekty stávajících uživatelů sítě, mj. Národní digitální knihovna, zpracování dat ve fyzice elementárních částic, projekty CEITEC, AUGER, BioCeV a IT4Innovations.

Zdroje

O autorovi

Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA
Jako nezávislá síťová specialistka propaguje moderní komunikační technologie. Podílí se na evropských programech výzkumu a vývoje IVT. Kontaktovat ji můžete na adrese rita@ieee.org.

zpět: napsali o nás
další weby:fond rozvojemetacentrumCzechLightpřenosyvideoservereduroameduID.cz