Построение транспортного ядра системы сверхвысокоскоростных каналов (10 Гбит/с) на основе технологии DWDM

Построение транспортного ядра системы сверхвысокоскоростных каналов (10 Гбит/с) на основе технологии DWDM

Ключевые слова: DWDM, высокоскоростное транспортное ядро, пользовательский трафик.

Системы связи прочно вошли в нашу жизнь и стали одной из основ развития глобального информационного общества. В последнее время наблюдается стремительный рост потребности в различного рода телекоммуникационных услугах. Это предъявляет новые и все более объемные требования к современным сетям связи, их пропускной способности, надежности, гибкости, зоне покрытия. Стремительно растет количество запросов по организации чрезвычайно высокоскоростных каналов типа "точка-точка". Рассматривается сетевой метод организации системы таких каналов (10 Гбит/с), основанный на применении высокоскоростного транспортного ядра с примыкающими к нему абонентскими линиями, оконцованными терминальными модемами. Транспортное ядро строится на безе получившей в последнее время широкое развитие технологии многоволнового уплотнения оптических линий — DWDM. Значительное внимание в статье уделяется описанию стадий загрузки ядра сети пользовательским трафиком. Проведена оценка параметров ядра DWDM сети в условиях начальной стадии насыщения системы, с тем, чтобы при последующем наращивании трафика предотвратить перегрузку системы.

Спиридонов Ю.С.,

главный специалист, ОАО КОМКОР YSpiriConov@akaCo-telecom.ru

Возросшая конкуренция в сфере предоставления телекоммуникационных услуг, борьба за количество и лояльность клиентов предъявляют новые и всё более жёсткие требования к современным сетям связи, их пропускной способности, надёжности, гибкости, зоне покрытия, разнообразию предоставляемых сервисов. Только те операторы связи, которые наилучшим образом смогут удовлетворить ожидания пользователей, получат возможность увеличить свою долю на телекоммуникационном рынке. При этом определяющим трендом является постоянное значительное увеличение пропускной способность сети. Как показывает практика, развитие необходимо начинать с ядра транспортной сети, которая является основой для организации всей сетевой системы.

В последнее время маркетинговые службы от многих операторов крупных инфокоммуникационных систем требуют реализации относительно небольшого количества чрезвычайно высокоскоростных каналов типа «точка-точка» пропускной способностью 10 Гбит/с и более. Такие каналы нужны, например, для связи между мощными контент-провайдерами, для доступа к магистральным шлюзам Интернет, для соединения VPN центров крупных организаций и т.п. Цены при их продаже весьма высоки и большие затраты на построение соответствующей системы каналов обычно оправданы. Загрузка каналами со столь высокими скоростями транспортных участков существующих сетей операторов, рассчитанных на относительно небольшой, статистически усредненный трафик традиционных услуг, далеко не всегда возможна, поскольку может привести систему к «отказу в обслуживании» из-за перегрузки. Как показывает практика, проще и экономически выгодней строить для выполнения подобной задачи отдельное, выделенное транспортное ядро. Наиболее подходящей для этого является многоволновая оптическая технология - DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), рассчитанная на чрезвычайно вы-

сокие скорости при относительно небольшой стоимости [1,2].

Существующее оборудование ведущих производителей (Ciena, Alcatel-Lucent, Infmera, Cisco Systems, Huawei) позволяет использовать от 16 до 160 оптических каналов, в которых прозрачно можно передавать информационные потоки со скоростью от 2 Мбит/с до 100 Гбит/с. Максимальная пропускная способность среды DWDM достигает 9,6 Тбит/с. На данный момент в конструкторских подразделениях вендоров уже находятся опытные образцы транспондеров, позволяющих достичь скоростей 400 Гбит/с на одну длину волны [3].

В работе [4] было определено, при каком количестве каналов экономически целесообразен переход от метода выделенных каналов (МВК) к сетевому методу (СМ), основанному на технологии DWDM и оценены соответствующие стоимостные характеристики системы высокоскоростных (ЮГбит/с) каналов типа «точка-точка» (СКтт).

Настоящий анализ предполагает оценку параметров ядра DWDM сети - CTN (Core Transport Network) в условиях начальной стадии насыщения системы, с тем, чтобы при последующем наращивании трафика предотвратить полную блокировку CTN и, естественно, избежать экономических потерь за счет утраты преимуществ сетевого метода по отношению к МВК.

Следует заранее оговорить, что считать критерием оценки пропускной способности ядра DWDM в рассматриваемых условиях.

Обычная при подобных расчетах оценка пропускной способности мультиплексных секций ядра сети в данном случае неприемлема, поскольку для типового DWDM оборудования, даже в его минимальной комплектации, совокупная пропускная способность ансамбля «волн -носителей» (Я) намного превышает требуемый объем трафика, особенно для начального, относительно малого числа каналов при развитии сети.

Определяющим здесь, как правило, будет число три-бутарных окончаний (транспондеров) на узлах DWDM, стоимость которых напрямую зависит от числа формируемых каналов и конфигурации сети. Поэтому при оценке загрузки DWDM ядра сети примем в качестве

критерия именно количество трибутарных окончаний узлового оборудования ядра и, соответственно, их стоимость.

Основываясь на сказанном, можно сформулировать две задачи исследования:

- оценить условия, когда DWDM ядро сети начинает входить в насыщение (исчерпаны ресурсы трибутарного пула какого-либо одного узла DWDM)\

- определить требования к пропускной способности DWDM системы так, чтобы насыщение ядра и, тем самым, отказ в обслуживании при заданных нагрузочных условиях не происходило с некой, заранее заданной вероятностью.

Исходные условия для анализа будем считать соответствующими изложенным в [4].

Будем рассматривать регулярно наращиваемое количество каналов и>и№, поскольку при п < пКР, как показано в [4], использование сетевого метода нецелесообразно.

Количество узловых станций ядра DWDM примем равным d. Расположение станций, естественно, предполагается, топографически рациональным, исходя из матрицы тяготения системы. В противном случае, ни о какой оптимизации не может идти и речи.

В качестве зондирующего пула каналов при проведении исследования предполагается использование отправной (тестовой) группы заранее известных соединений, исходно ориентированных на проектируемую сеть.

Рассмотрим более подробно построение СКтт на основе СМ.

Такая система представляет собой транспортное ядро CTN в виде замкнутой структуры мультиплексоров DWDM с системой подсоединенных к ней абонентских линий.

При рациональном топологическом размещении узлов DWDM, трасса формируемых каналов должна, в основном, проходить через ядро - таких каналов . Однако некоторые каналы, в силу расположения их граничных точек и, соответственно, длины, экономически выгоднее формировать без «захода» в ядро, т.е. по методу прямых соединений. Этих каналов - и((*. Всего, в соответствии с заданием, должно быть сформировано и высокоскоростных каналов. Естественно, + и'’ = п.

Терминальные точки абонентских и соединительных линий в СМ оборудованы соответствующими оптическими модемами.

Рассматриваемому здесь сетевому методу, противопоставлен метод выделенных каналов, где сеть, в ее классическом понимании, отсутствует. Система СКтт на основе этого метода представляет собой группу независимых высокоскоростных (10 Гбит/с) каналов при использовании в качестве соединительных линий выделенных оптических волокон (по 2 волокна на канал), окон-цованных, как и в СМ, парой оптических модемов [4].

Пусть в процессе развития сети по методу СМ имеет место регулярное наращивание количества каналов п.

Соответствующие динамические зависимости от аргумента п можно отразить рис. 1.

Здесь по оси ординат отложено наращиваемое количество каналов полученное суммированием количества сетевых каналов СКн (т.е. каналов, проходящих через ядро DWDM) - п'^(п) и выделенных каналов - п[^(п), построенных на основе прямых оптоволоконных соеди-

нений (когда это, как ранее указывалось, экономически выгоднее, чем прохождение каналов через ядро). Естественно: п$(п) + п$(п) = п.

Рис. 1. Изменение соотношения количества выделенных „;*»(„) и сетевых n'(j](n) каналов при увеличении п

На рисунке можно явно выделить три участка, качественно отражающих тенденцию загрузки ядра сети (CTN) пользовательским трафиком.

Участок И е{0+ А }.

Этот участок характеризуется линейным наращиванием обоих типов каналов (С и В) в режиме, когда ядро сети еще не дошло до насыщения. Для этого участка на всем его протяжении характерно соотношение:

£^=M„s

дп дп

Иначе говоря, здесь обе зависимости п$(п) и

ПЫ)(П) линейны-

Участок Пе{А + С}.

Участок отражает процесс постепенного насыщения ядра, сопровождающийся исчерпанием пропускной способности узлового трибутарного пула, начиная с какого-либо одного узла сети DWDM - точка А, до насыщения всех узлов CTN. Этот процесс, естественно, сопровождается уменьшением доли сетевых каналов (С) в общем трафике при соответствующем увеличении доли выделенных каналов (В). Иначе:

дп\с,Нп) dn'.jUn)

при п-+ С, ——---------»О,—1—----- —> const •

дп дп

Участок п > С.

На этом участке ресурс ядра сети, при исчислении его в объеме трибутарных пулов узлов DWDM, полностью исчерпан и наращивание загрузки сети идет исключительно за счет выделенных каналов (В).

dn\j]{n) dn\j\

при п >00 —L!-----= о, ——---------------= const

дп дп

Зависимости п = п и nffj = n

идут параллельно друг другу на одинаковом расстоянии по оси ординат, равном максимальному количеству сетевых каналов, которое может «обслужить» ядро — п^

В этом режиме все трибутарные окончания всех DWDM узлов структуры полностью загружены и, следо-

вательно, в соответствии с принятым подходом, весь ресурс ядра DWDM полностью исчерпан: t. =t( .

На практике доводить сеть до этого критического, чреватого перегрузкой сети состояния, естественно, крайне нежелательно.

Поэтому рассмотрим, в соответствии с поставленной задачей, ситуацию, соответствующую окрестности точки А, когда трибутарный пул какого-либо одного из DWDM узлов ядра уже исчерпан и все ядро (CTN) с увеличением П начинает входить в режим насыщения.

Используя данные о топологическом расположении объектов на сети и данные об удельной стоимости линий, необходимо для различных значений d на карте города топологически наиболее рациональным способом проложить каналы из отправной, тестовой группы, разделив их, исходя из описанного выше принципа экономической целесообразности, на выделенные (В) и сетевые (С). Также необходимо составить сводную таблицу, в которой будет отмечено, на каких мультиплексорах DWDM (МЛП) каналы терминируются.

Анализируя данные об этой, отправной (тестовой) группе каналов, можно заметить, что с увеличением количества МЛП DWDM (d) количество сетевых каналов n<d)(d) увеличивается, а количество выделенных каналов псоответственно, уменьшается, причем

"l%(d) + nW(d) = n.

Указанную закономерность можно проиллюстрировать номограммой (рис. 2).

- расчетное значение t(^4 количества трибутарных

окончаний на узлах DWDM сети, при котором требуемая величина не будет превышена, например, с вероятностью

0,97 («метод 3 сг »):

Зависимости t{^4 от количества d, с соответствующим интерполированием на область п, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Требуемое количество трибутарных окончаний 10 Гбит/с узловых DWDM станций для различного их количества d в зависимости от реализуемого числа каналов

Рис. 2. Соотношение количества выделенных n\*](d) и сетевых n\ct](d) каналов при изменении количества узлов DWDM

Из выше оговоренной таблицы можно определить:

- математическое ожидание (среднее значение) количества трибутарных окончаний МЛП по узлам DWDM

в заданных условиях:

С-ЦР; <4>

- соответствующую дисперсию - cTj:

4(5) а /=1

- среднеквадратическое отклонение от среднего ad:

ъ (6>

Кривые построены путем интегрирования на основе тривиальных законов теории вероятностей, когда при суммировании независимых случайных процессов их средние значения и дисперсия линейно складываются, а среднеквадратические отклонения растут по корень-квадратичному закону:

Настоящий анализ оценки производительности транспортного ядра выделенной сети сверхвысокоскоростных каналов на базе технологии DWDM в условиях начальной стадии насыщения системы показал:

1. Производительность DWDM ядра системы для рассматриваемого случая стоит определять количеством необходимых трибутарных окончаний DWDM мультиплексоров, поскольку обычно анализируемые в подобных расчетах межузловые секции имеют, при принятых условиях, высокий запас по пропускной способности и их учет не требуется.

2. Количество экономически неэффективных выделенных каналов (В) при рационатьно построенной системе СКтт существенно снижается с увеличением количества узлов DWDM в системе (рис. 2).

3. Дисперсия отклонений количества трибутарных окончаний (сГр) от средних значений (t£]) мало отличаются при изменении значений d (d - количество узлов DWDM) во всем диапазоне п (рис. 3).

4. Расчетные значения требуемого количества грибу-тарных окончаний МЛП DWDM, в основном, определяются заданным числом каналов - и.

Перечень сокращений и условных обозначений

Список сокращений

МЛП - мультиплексор DWDM;

МВК - метод построения СКтг на базе выделенных каналов с использованием прямых волокон;

В - выделенный канал на основе прямых волокон при СМ;

С - сетевой канал при СМ;

СКтт — исследуемая система высокоскоростных (10Гбит/с) каналов типа «точка-точка»;

СМ - сетевой метод построения СКтт на базе транспортного ядра DWDM;

Условные обозначения

п-количество каналов типа «точка-точка» в СКтт - текущее значение;

пКР- критическое количество каналов СКтт, когда приведенные стоимости обеих систем (СМ и МВК) равны; d - количество сетевых узлов (МЛП) в ТрЯ;

I. - количество трибутарных окончаний /-го сетевого узла

DWDM - текущее значение;

„(«*>(„)- количество выделенных каналов (В) в системе

СКтт - текущее значение;

пы!(п)~ количество сетевых каналов (С) в СКтт - текущее

значение:

.«О _ 'ср

математическое ожидание (среднее значение) количества трибутарных окончаний МЛП по узлам DWDM;

- дисперсия количества трибутарных окончаний;

Oj-среднеквадратическое отклонение количества трибутарных окончаний;

1м-ч - расчетное значение количества трибутарных окончаний на узлах DWDM сети, при котором данная величина не будет превышена с вероятностью 0,97 («метод 3 а »).

Литература

1. Слепое Н. Особенности современной технологии WDM // Электроника: НТВ, 2004. № 6. - С. 68-76.

2. Спиридонов Ю.С. Методы организации систем сверхвысокоскоростных каналов (10 Гбит/с) на базе технологии DWDM / Т-Сошш - Телекоммуникации и транспорт, 2013. №8. -С.141-145.

3. Дмитрий Петровский. 100 Гигабит в кармане. - Стандарт №12(119), 26.11.2012.

4. Тамм Ю.А., Спиридонов Ю.С., Дроздовский А.П., Бух:-Винер Н.Ф. Построение системы ограниченного количества сверхвысокоскоростных выделенных каналов связи в условиях мегаполиса.

Creation of a transport core of the very high speed 10 Gbit\s channels system, based on the DWDM technology

Yury Sergeevich Spiridonov,

Principle Expert of a development networks department, JSC "COMCOR" Moscow, Russia, YSpiridonov@akado-telecom.ru

Abstract

Communication systems have strongly entered into our life and became of one of bases of development of a global information society. Recently rapid growth of demand in various kinds of telecommunication services is observed. It puts forth the new and more plentiful demands of the modern communication networks, their bandwidth, reliability, flexibility and a cover zone. In particular, the quantity of requests on the organization of extremely high-speed links like "point-to-point" promptly grows. In paper the networking method of the organization of 10 Gbit/s channels system, based on application of a high-speed transport core with subscriber's lines (ending into the terminal modems) adjoining to core, is examined. The transport core is built on the Dense Wave Division Multiplexing technology — DWDM which have received recently wide spread. In article the considerable attention was given to the description of stages of loading a DWDM network's core by the user traffic. The parameters of DWDM core of a network in the conditions of an initial stage of saturation of system were estimated, so that at the subsequent increasing of the traffic is prevented overload of system.