VEŘEJNÁ SPRÁVA | TÝDENÍK VLÁDY ČESKÉ REPUBLIKY |
číslo 40 |
téma |
Ing. Jaromír Šíma,
RLC Praha a.s.
sima@rlc.cz
Dálkové komunikační sítě WAN (Wide Area Networks) jsou již vybudovány na optických vláknech a je zde možné díky technologiím hustého vlnového multiplexu DWDM (Dense wavelength division multiplexing) dosahovat vysokých přenosových rychlostí. Tyto sítě jsou převážně řešeny jako kruhy a využívají technologii SDH (Synchronous digital hierarchy). Z hlediska přenášených informací zde zhruba do roku 2000 převažoval přenos hlasu nad daty, ale situace se již změnila a objem přenosu dat již převýšil objem hlasových toků a prudce narůstá. Objem přenášených dat po Internetu se zdvojnásobuje přibližně každého půl roku.
Lokální počítačové sítě LAN (Local Area Networks), které jsou většinou založeny na Ethernetu (více jak 95 procent všech sítí LAN) a technologii přepínání paketů pomocí přepínačů, používají dnes již převážně přenosový protokol TCP/IP. Sítě LAN jsou postaveny na topologii typu strom. Rozsáhlé počítačové sítě mohou mít stovky i tisíce uživatelů a začíná se zde ve stále větší míře využívat Gigabitového Ethernetu pro připojení výkonných serverů a vybraných uživatelů.
Metropolitní sítě MAN (Metropolitan Area Networks) jsou vlastně nejsložitější ze všech sítí. Zde začínají a končí veškeré datové toky k jednotlivým uživatelům a síť tak slouží pro propojení uživatelů a jejich lokálních sítí LAN mezi sebou a pro připojení uživatelů k poskytovatelům dalších služeb. Poskytované služby mohou být jak hlasové (telefonní hovory, rozhlasové vysílání), tak datové (přístup k Internetu, virtuální privátní sítě), tak v budoucnu i obrazové (videokonference, digitální televize, video na přání).
Podle povahy služby zde máme dva druhy datového přenosu. Jednak tu jsou časově citlivá data, která musí být přenesena v určitém čase s danou kvalitou, tedy hlavně hlasový a obrazový přenos. Dále zde přenášíme data, která nejsou závislá na konstantní šířce pásma a době zpoždění přenosu – přístup k Internetu, přenos souborů, databází apod. Celý problém z hlediska připojení spočívá nejvíce ve vhodném zabezpečení a efektivním využití obou typů datových toků.
Vlastní metropolitní sítě si můžeme rozdělit na dvě následující části:
páteř sítě, která propojuje hlavní a centrální uzly sítě, provádí napojení na národní okruhy a dálkové trasy a poskytovatele služeb a
tzv. “poslední míli”, neboli místní smyčku nebo také přístupovou síť, která připojuje jednotlivé uživatele do sítě a napojuje je tak na páteř.
Páteř metropolitní sítě musí být postavena na optických kabelech. Jako nejvhodnější způsob propojení jednotlivých hlavních přepínačů a směrovačů sítě se dnes jeví použití topologie typu kruh. Jako vhodná technologie je k dispozici DWDM optická vrstva a dále SDH a ATM. Teprve na vrstvě ATM je aplikován protokol IP.
Z hlediska modelu OSI si můžeme rozdělit komunikaci v této síti na následující vrstvy (obr.1):
Fyzická vrstva – optická vlákna, konektory, spojky, vláknové odbočnice, optické zesilovače,
Fotonická vrstva – systém DWDM s jednotlivými vlnovými délkami, optické přepínače, Fotonická vrstva, ve které je zpracován přímo signál v jeho optické formě (fotony), bez jeho převodu na elektrický signál,
Přenosová a linková vrstva, která využívá technologii SDH a ATM a
Síťová vrstva, na které běží protokol IP.
Technologie DWDM + SDH + ATM + IP vychází z dnešních dálkových sítí. Její nevýhodou je malé využití šířky pásma při přenosu datových informací v protokolu IP. Velké rámce tohoto protokolu musí být “rozsekány” do malých buněk ATM, přičemž vznikají značné ztráty na režii přenosu. Při použití topologie typu kruh zůstává prakticky polovina optických vláken nevyužita pro datový přenos a slouží jako rezerva při případné poruše sítě.
V budoucnu (přibližně od roku 2005) se očekává, že dojde k vypuštění přenosové a linkové vrstvy a jejich funkce převezme plně vrstva fotonická, která bude řízena pomocí protokolu GMPLS (General MultiProtocol Label Switching) a dále pak již zůstane jen protokol IP. Nebude tedy již dále využívána technologie SDH a ATM. Někteří výrobci již dnes představují první prototypy takovýchto zařízení. Nejvhodnější topologie sítě potom vzhledem k použití optických přepínačů bude typ mříže, kdy jsou sousední uzly spojeny mezi sebou.
Poslední míle – místní smyčka
Pokud se podíváme, jaká média se používají v dnešních sítích v tzv. poslední míli, nalezneme zde především klasické měděné kabely s kroucenými páry, které byly většinou instalovány před desítkami let a mají nevyhovující parametry. Jejich využití pro vyšší rychlosti je problematické a závisí značně na vzdálenosti (DSL/ADSL). Dále zde nalezneme koaxiální kabely, které se používají hlavně v sítích kabelové televize. A největší rozmach dnes prožívají také bezdrátové mikrovlnné spoje. Protože nelze odepsat tato instalovaná a dostupná média a použít ihned optické kabely, jejichž pokládka je investičně náročná, bude zde existovat určité přechodové období, kdy budou uživatelé připojováni přes stávající dostupná média. Také zde existuje největší síť na světě, a tou je pořád klasická telefonní síť. Pomocí vytáčeného spojení a modemu se sice můžeme připojit k Internetu, ale kvalita přenosu a jeho rychlost již většinou nestačí. Nevýhodou vytáčeného spojení je také jeho omezená doba trvání. Kvalitu a rychlost lze zlepšit použitím technologie ISDN, ale zůstává zde nevýhoda vytáčeného spojení a omezení přenosové rychlosti. Přehled a porovnání způsobů připojení je uveden v tabulce.
Trendy a požadavky na zvyšování rychlosti přenosu a kapacit sítí, jak v dálkových sítích WAN, tak také v sítích LAN (rychlost přenosu se zvyšuje přibližně každých pět let desetkrát), naznačují, že přístupová síť – poslední míle zůstává stále úzkým místem, které nám brání ve větším využívání Internetu a dalších služeb (hlas, video,..).
Jako jediné řešení nám zbývá výstavba přístupových sítí s optickými vlákny, která zaručují velkou rezervu přenosového pásma. Nasazení optických vláken v těchto přístupových metropolitních sítích znamená také změnit některé zažité postupy a technologie. Metropolitní přístupové sítě znamenají na rozdíl od dálkových meziměstských optických sítí sice menší vzdálenosti, ale naopak zde výrazně narůstá počet aktivních prvků, uzlů sítě, optických vláken, rozvaděčů, konektorů, spojek a dalšího příslušenství.
Jaké technologie lze využít při budování metropolitní sítě s optickými vlákny?
Optická vlákna
Jaký typ optického vlákna je nejvhodnější pro metropolitní sítě?
V dálkových sítích WAN se dnes nejvíce používají vlákna s nenulovou posunutou disperzí, NZ-DSF (Non Zero, Disperzion Shifted Fiber) podle standardu G.655, která jsou optimalizována pro přenosové pásmo v oblasti 1550nm a svou nízkou disperzí zaručují vysoké přenosové rychlosti na dlouhé vzdálenosti při nasazení vlnového multiplexu DWDM (Dense wavelength division multiplexing). V metropolitních sítích je obvyklá maximální vzdálenost optického vlákna do 20km. Disperze se tedy tolik nebude projevovat a je možné použít klasické jednovidové optické vlákno, které odpovídá specifikaci G.652. Protože je ale třeba v těchto přístupových sítích připojovat hodně uživatelů, je nutno počítat s využitím vlnového multiplexu. Klasické vlákno má přenosové pásmo, tzv.” okno”, v oblasti vlnových délek 1310nm a 1550nm. V oblasti od 1380nm začíná nevyužitelné pásmo, kdy běžné optické vlákno má zvýšený útlum v důsledku absorbovaných iontů kyslíku a vodíku OH, které se do vlákna dostaly při jeho výrobě. Dnešní moderní postupy výroby optických vláken umožnily zabránit kontaminaci vlákna ionty OH, takže je již komerčně dostupné tzv. METRO vlákno (G.652c), které disponuje celou šířkou pásma vlnových délek v oblasti od 1260nm až do 1625nm. V tomto přenosovém pásmu je možné přenášet stovky signálů s různou vlnovou délkou DWDM paralelně, nezávisle na sobě. Nové vlákno METRO je právě nejvhodnější k instalaci v metropolitních sítích, zejména pro vlastní páteř sítě. Na obr. 2 je ukázán průběh útlumu běžného vlákna a METRO vlákna.
Pasivní optická síť PON (Passive Optical Network)
Velké množství použitých optických vláken vedoucích k jednotlivým uživatelům lze zredukovat vhodnou volbou použité topologie. Jedním z řešení je např. použití optických pasivních sítí PON. Sítě PON se začaly vyvíjet již před deseti lety (varianta APON s technologií ATM, standard ITU-T SG-15 G.983) a dnes se běžně využívají v sítích kabelové televize, kdy je signál z jednoho zdroje přenášen k mnoha účastníkům.
Klasické řešení propojení pomocí spojení typu bod-bod vyžaduje aktivní optické porty na obou stranách spojení. Drahá optoelektronika je tak vyhrazena pro každého zákazníka a ke každému uživateli musí být vedena samostatná dvojice optických vláken.
Oproti tomu jsou v optické pasivní síti aktivní prvky částečně nahrazeny cenově dostupnými vláknovými odbočnicemi – splittery/couplery, kdy je signál z jediného optického vlákna pasivně rozdělen až do 32 nebo 64 vláken a dále veden ke koncovým bodům sítě. Rozdělení je možné provést i vícestupňově, a tak je možné dvěma vlákny nebo i jediným vláknem s obousměrnou komunikací (při použití vlnového multiplexu WDM) obsloužit i několik desítek uživatelů. Vláknové odbočnice jsou pasivní zařízení, která nevyžadují napájení. Proto je možné řešit distribuční optické rozvaděče pouze jako pasivní a uspořit další náklady na rozvodu a spotřebě elektrické energie a na konstrukčním řešení rozvaděčů.
Jak taková pasivní optická síť pracuje?
Jedná se vlastně o spojení typu bod-více bodů. Z centrálního uzlu, kde je umístěno optické zakončení sítě PON, je signál vysílán všem připojeným uživatelům pasivní optické sítě. Optický signál je v pasivních vláknových odbočnicích rozdělen a dopraven ke všem uživatelům (obdoba sběrnice, jako je např. koaxiální kabel Ethernetu). Podle adresy určení (nebo pro všechna zařízení při adrese typu broadcast) si jednotlivá koncová zařízení vybírají svá data. Zpětný signál od koncových zařízení je vysílán postupně pomocí časového multiplexu (při použití jediného vlákna s obousměrnou komunikací je využit princip vlnového multiplexu, kdy jsou použity obě vlnové délky 1310 a 1550 nm). Jednotlivá koncová zařízení mají pevně stanovenou dobu, kdy mohou vysílat signál, aby nedocházelo k vzájemným kolizím. Pro zvýšení spolehlivosti přenosu lze síť PON zapojit také do kruhu. Použití časového multiplexu ve zpětném přenosovém kanálu umožňuje zajištění kvality služeb pro časově citlivá data. Princip PON je naznačen na obr. 3.
Nověji vyvíjená varianta této pasivní optické sítě EPON (Ethernet PON) vzešla z iniciativy výrobců v roce 2000 pod označením EFM (Ethernet in First Mile) a je vyvíjena jako budoucí standard organizace IEEE, skupina 802.3. V současné době se počítá s využitím Ethernetu 100Mbit/s, Gigabitového Ethernetu, a 10-ti Gigabitového Ethernetu.
Velký význam v metropolitních sítích bude mít také standard ITU G.694.2 – technologie CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), který používá “hrubé” dělení vlnových délek od 1270 nm do 1610 nm, s odstupem 20 nm. Všechny tyto vlnové délky můžeme využít s vláknem METRO, kde máme k dispozici celkem 18 vlnových délek – nezávislých kanálů. Výhody technologie CWDM, ke kterým patří zejména nízká cena pasivních prvků a používání standardních laserových zdrojů bez nutnosti jejich chlazení, vyniknou zejména v kombinaci s technologií Gigabitového Ethernetu.
Závěr
V blízké budoucnosti lze očekávat velký rozvoj metropolitních sítí a postupný přechod na optická vlákna v místní smyčce. Přechodem na nově vyvíjené technologie s použitím optických přepínačů na páteři a využitím technologie Ethernetu a pasivních optických sítí PON pro přístupové sítě a poslední míli lze dosáhnout významných úspor nákladů na výstavbu těchto sítí a zvýšit tak jejich dostupnost při zachování vysoké rychlosti a spolehlivosti poskytovaných služeb. Výhody nasazení Ethernetu v přístupových sítích spočívají v jeho velkém rozšíření, vysoké rychlosti, snadné instalaci, nízké ceně zařízení a snadnému napojení na stávající sítě LAN. S použitím technik zajišťujících kvalitu služeb jako je rezervace šířky pásma a prioritizace paketů bude možno bez problémů přenášet hlas a video pomocí Ethernetu.
Největší náklady na výstavbu sítě tak spočívají ve vlastní pokládce optických vláken do země. Při současné deregulaci trhu a vzniku nových operátorů a poskytovatelů služeb bude docházet a již dochází k situaci, kdy bude existovat více možností připojení. Zde vzniká i možnost tzv. Třetí cesty, kdy se sdruží dohromady skupiny uživatelů a lokální přístupovou síť vybudují na vlastní náklady právě pomocí mnohokrát ověřených technologií lokálních sítí LAN a Ethernetu. Tuto síť pak mohou i pronajímat operátorům, kteří budou mít zájem poskytovat hlasové a datové služby a nemusí tak budovat vlastní infrastrukturu. Velkou šanci tak dostávají obce a města, kdy například při budování plynových přípojek, vodovodu či kanalizace lze do výkopů přidat trubky a chráničky pro budoucí optické kabely. Vhodným návrhem lze při optimalizaci nákladů a následné minimalizaci dalších výkopových prací zajistit vysokorychlostní připojení dostupné pro všechny obyvatele.
Porovnání jednotlivých způsobů připojení uživatelů - místní smyčka
typ připojení | výhody | nevýhody |
analogový telefon | dostupnost, cena | přerušované spojení, nízká rychlost, kvalita |
ISDN | dostupnost, cena, kvalita spojení | vytáčené spojení, omezení rychlosti |
digitální linka | trvalé spojení, kvalita | cena, omezení rychlosti, služby v závislosti na poskytovateli |
frame relay | trvalé spojení | cena, omezená rychlost, služby v závislosti na poskytovateli |
DSL (ADSL) | trvalé spojení, kvalita, cena? | omezení vzdálenosti, závislost na operátorovi |
Kabelový modem (TV) | cena, rychlost | sdílené pásmo, kvalita a rozsah služeb |
Mikrovlnný spoj | cena | sdílené pásmo, omezení rychlosti, nutná viditelnost bodů, závislost na počasí |
Optický spoj - vzduchem | šířka pásma | viditelnost bodů, omezení vzdálenosti, závislost na počasí |
Optické vlákno bod-bod, ATM | vysoká rychlost, kvalita, rozsah služeb, standard | cena a komplikovanost zařízení, vysoká režie přenosu |
Optické vlákno bod-bod, Ethernet | jednoduchost, vysoká rychlost - 0,1/1(10) Gbit/s, cena zařízení | zajištění kvality přenosu hlasu/obrazu - vývoj standardů |
Pasivní síť ATM-PON | standard, kvalita služeb | omezení rychlosti, cena zařízení |
Pasivní síť Ethernet-PON | jednoduchost, vysoká rychlost - 0,1/1/10 Gbit/s, cena zařízení | standard dosud ve vývoji |