Optische Transport Netwerken, overzicht en standaardisatie 1

Optische Transport Netwerken,
overzicht en standaardisatie
Soe Pollin en Christopher Peirs
2000 - 2001
1
Inleiding
De grootste trend die in tegenwoordig de telecommunicatiewereld beheerst
is de spectaculair groeiende vraag naar bandbreedte. De huidige netwerken
zoals het Internet hebben niet de capaciteit om in de nodige bandbreedte
te kunnen voorzien. Steeds meer beginnen de operatoren te beseen dat ze
niet aan die vraag zullen kunnen voldoen met de huidige TDM1 -gebaseerde
transportnetwerken, zelfs niet door die uit te breiden.
De optische vezel-technologie kan gezien worden als de manier om toch aan
die eisen tegemoet te kunnen komen, door zijn schijnbaar grensloze eigenschappen: gigantische bandbreedte (tot 50 THz), minimale verzwakking (0,2
dB/km), lage signaaldistortie, laag vermogenverbruik, weinig materiaalverbruik en relatief lage kosten. Uiteraard is het gebruik van optische vezels
voor communicatie niet nieuw. Reeds enige tijd beschikken de grote operatoren over een glasvezel-backbone. Wat echter wel relatief nieuw is, is het
gebruik van punt-tot-punt WDM2 .
De opbouw van dit werk valt in twee delen. In een eerste deel worden Optische Transport Netwerken verder onder de loupe genomen, onder andere aan
de hand van twee reele voorbeelden. Het tweede deel beschrijft dan kort de
verschillende standaarden die reeds over dit onderwerp bestaan.
1 Time-Division
Multiplexing
2 Wavelength-Division
Multiplexing
1
Soe Pollin en Christopher Peirs
2
Optische Transport Netwerken
Optische Transport Netwerken (OTN)
De TDM-gebaseerde netwerkarchitecturen zoals SONET3 /SDH4 of ATM5
zijn op dit moment geoptimaliseerd voor een mix van smal- en breedbandtoepassingen (64 kbps tot 2 Mbps). Dit zal in de toekomst, voor toepassingen
zoals breedband data en video, natuurlijk lang niet toerijkend zijn.
Het grote verschil tussen klassieke netwerken, of ze nu optisch of elektrisch
zijn, en Optische Transport Netwerken is het gebruik van WDM. Deze techniek laat toe om in een kanaal, bestaande uit een enkele vezel, een debiet te
krijgen van 400 Gbps. Dergelijke kanalen bestaan reeds voor punt-tot-punt
WDM-verbindingen. Het doel van een OTN is om daarin veel verder te gaan,
namelijk een veel breder en sterker vermaasd netwerk, waar overal dergelijke
transportdebieten aangeboden worden.
Uiteraard is het belangrijk dat, om een dergelijk netwerk te kunnen uitbouwen, de nodige all-optical components6 voor handen zijn. Enkele voorbeelden van dergelijke componenten zijn de optische schakelaars (vb.: passieve
en actieve ster, actieve schakelaar) en de optische multiplexers (vb OADM7 ).
Het is dan ook te danken aan de grote vooruitgang die geboekt werd in het
ontwikkelen van dergelijke componenten dat het onderzoek naar OTN zo'n
vlucht genomen heeft.
In dit deel van de tekst wordt eerst in het kort een informele denitie gegeven
van wat in origine bedoeld werd met een OTN, en wat dus een ideaal OTN
zou moeten zijn. Daarna worden twee voorbeelden aangehaald van bestaande
OTN's. Ten derde is er een verdere uitdieping van het gebruik van WDM
om een OTN te verwezenlijken, en ten laatste worden enkele toekomstmogelijkheden getoond.
2.1
Het ideaal OTN
Een OTN moet gezien worden als een (wereldwijd) heel breedbandig hogesnelheids-netwerk, dat volledig transparant is voor de gebruiker. Met gebruiker wordt hier in de eerste plaats vooral de verschillende lokale operatoren
3 Synchronous
4 Synchronous
Optical Network
Digital Hierarchy
5 Asynchronous Transfer Mode
6 netwerkcomponenten die volledig
optisch werken, in tegenstelling tot opto-elektrische
componenten, waar het eigenlijke schakelen elektrisch gebeurt
7 Optical
Add/Drop Multiplexer
2
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
bedoeld. Het is in een eerste fase zeker nog niet de bedoeling om dergelijke
technologie aan te bieden aan een eindgebruiker.
Doordat een OTN volledig transparant is, wordt de exibiliteit niet verminderd door de toepassingen waarvoor het gebruikt wordt. De routering in het
netwerk is compleet onafhankelijk van de toepassingen waarvoor het netwerk
gebruikt wordt, en daardoor is een OTN dan ook ideaal geschikt voor het
simultaan overbrengen van een mix van verschillende signalen, zonder dat er
ook maar iets van de verschillen tussen al die signalen gekend moet zijn. Het
verkeer over een OTN en dus ook de componenten waaruit het is opgebouwd
hoeven daardoor ook niet door dezelfde fabrikant gemaakt te zijn.
2.2
2.2.1
Twee Voorbeelden
HORNET
Conventioneel worden WDM Metropolitan Area Networks (MANs) gebruikt
als distributienetwerken om de klanten op de LANs te verbinden. We spreken
dan ook van een `high capacity backbone'. Om dit te doen worden permanente punt-tot-punt verbindingen tussen elk toegangspunt en de Point-ofPresence (POP) opgezet. In dit model is het alsof de klant communiceert met
een worldwide-web server. Door de ontwikkeling van technologie en nieuwe
toepassingen komen inhoud en data dichter bij de eindgebruiker. Klanten
of knooppunten gaan met mekaar informatie uitwisselen en pakketgerichte
communicatie wordt nodig in het netwerk, om communicatie tussen knooppunten op een eÆciente manier mogelijk te maken.
Om een MAN te creeren die kan omgaan met pakketgericht verkeer en verspreide bronnen en bestemmingen is HORNET8 ontwikkeld. Dit in tegenstelling tot SONET/SDH, dat dus circuitgeschakeld werkt en een vaste bandbreedte gebruikt. Zo is het mogelijk om een multiple-acces ring te maken,
eerder dan een ring die bestaat uit punt-tot-punt verbindingen (zie guur 1).
HORNET is een WDM MAN ring die gebruik maakt van pakket-over-WDM
technologie. Bij deze technologie gebeurt het schakelen in de optische laag,
en niet meer in de netwerklaag. IP9 pakketten of ATM cellen worden rechtstreeks over WDM verstuurd, wat ook de overhead kleiner maakt.
HORNET knooppunten (Acces Points) gebruiken een snel instelbare laser
om pakketten te versturen op alle golengtes. Bovendien wordt er gebruik
8 Hybrid
Optoelectronic Ring NETwork
9 Internet
Protocol
3
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
Figuur 1: HORNET is een pakketgeschakeld ringnetwerk
gemaakt van een nieuw MAC10 -protocol voor de toegang tot alle golengtes
van het netwerk. Dat protocol wordt in iedere AP apart gemplementeerd
zonder centrale controle. Zo is ook de functionaliteit verspreid over het
netwerk, net zoals de inhoud en data.
2.2.2
SONATA
De belangrijkste doelstelling van SONATA11 is een eenlaagsnetwerk voor optische communicatie. Het netwerk bestaat uit een groot aantal eind-tot-eind
optische verbindingen. De structuur van het netwerk en de lagen-architectuur
worden dus drastisch vereenvoudigd. De eindstations worden gegroepeerd
in een Passive Optical Network (PON) infrastructuur en worden voorzien
van snel instelbare zenders en ontvangers. Het netwerk is gebaseerd op een
gecentraliseerde Passive Wavelength-Routing Node (PWRN) met N in- en
uitgangspoorten. Alle PONs worden dan verbonden met een eigen golengte
per paar (zie guur 2). Er worden ook convertors gebruikt die de golengtes
kunnen omzetten om de exibiliteit op te drijven.
10 Media
Acces Control
11 Switchless
Optical Network for Advanced Transport Architecture
4
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
Figuur 2: De switchless structuur van SONATA
Het gaat hier om een multiple-acces netwerk gebaseerd op TDMA12 /WDMA13
protocols. Het toekennen van golengtes en tijdslots gebeurt centraal door
een controle-eenheid. Het fysische schakelen wordt bij SONATA verwijderd
uit de knooppunten, en gebeurt nu eigenlijk in de eindpunten. We spreken
van switchless hoewel er een centrale controle-eenheid is, en er golengteconversie optreedt in het netwerk.
Wanneer een eindstation met een ander wil praten, dan stelt het zijn zender en ontvanger in op de toegewezen golengte, en stuurt data door in de
juiste tijdslots. Deze golengte draagt dan de gemultiplexte data over via de
PWRN tussen de twee PONs waarmee de stations verbonden zijn. Multicasting is dus mogelijk naar eindstations die met hetzelfde PON verbonden
zijn. Alle terminals van hetzelfde PON krijgen dezelfde golengte, vandaar
de nood aan het TDMA-protocol. Dit maakt dat de operaties in de centrale
controle-eenheid vrij complex zijn. In de literatuur worden dan ook verschillende algoritmes beschreven om het toekenningsprobleem op te lossen [5].
2.3
Het gebruik van WDM in OTN
Zoals reeds in de inleiding werd aangehaald is het grote verschil tussen de
klassieke netwerken en een OTN het gebruik van WDM, in tegenstelling
tot TDM. Het zo wijdverspreide gebruik van TDM heeft een historische
12 Time
Division Multiple Acces
13 Wavelength
Division Multiple Acces
5
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
oorzaak. TDM leent zich namelijk uitermate goed tot implementatie van
circuitgerichte netwerken. Alle huidige data-netwerken zijn erfgenamen van
de vroegere telefonienetwerken, die uiteraard zuiver circuitgeschakeld waren.
Doordat het pakketgeschakeld data-verkeer een steeds belangrijkere plaats
inneemt in de huidige communicatienetwerken, is het logisch dat WDM, dat
beter afgestemd is op pakketgeschakelde communicatie, de plaats van TDM
overneemt. Een ander groot voordeel van WDM tegenover TDM, maar dat
wel rechtsreeks in verband staat met het vorige is dat WDM niet meer gebonden is aan de vaste bandbreedte per kanaal. Door het gebruik van WDM is
het ook mogelijk om de bestaande TDM-traek te behouden naast de nieuwe
traek, gewoon door ze op een bepaalde golengte te multiplexen.
Toen de OTN-gedachte ontwikkeld werd, werd uiteraard bekeken welke multiplexingmethodes er zouden gebruikt worden. Naast WDM en TDM werd
ook CDM14 bestudeerd. Zowel bij CDM als bij TDM is er een bijkomend
nadeel. Bij beide moet, om de capaciteit op te voeren, de snelheid in de
signaalverwerkingschips evenredig opgevoerd worden, terwijl dat bij WDM
niet het geval is. Daardoor is het mogelijk om met de huidige stand van
de techniek wel al WDM-componenten te maken die kanalen aan 400 Gbps
kunnen bedienen, maar nog geen TDM- of CDM-componenten.
Ook vanuit het oogpunt van de uitbreidingskosten scoort WDM hoog ten
opzichte van CDM of TDM. Het is immers veel kosten-eÆcienter om enkele
OADM's uit te breiden dan om een extra vezel te trekken of de kloksnelheid
bij TDM te verhogen.
Het beheer van de bandbreedte in een OTN -dat is het routeren van een
kanaal doorheen het netwerk- gebeurt aan de hand van OADM en OXC15 .
De uitbreidingsgraad van het wereldwijde OTN is dus ook sterk afhankelijk
van de ontwikkeling van dergelijke componenten.
2.4
De volgende generatie OTN
Op dit moment bestaan er reeds punt-tot-punt WDM-netwerken. Het is de
eerste realisatie van een optisch netwerk met verschillende golengten.
Zoals ook in het deel over standaardisatie te lezen is, werd door het ITU
14 Code-Division
15 Optical
Multiplexing
cross-Connect
6
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
een nieuw netwerk-lagenmodel uitgewerkt voor optische netwerken. De verschillende all-optical -netwerken zullen architecturen hebben die met die lagenindeling overeenkomen. Na analyse van de wisselwerking tussen de kosten
en de functionaliteiten komen vijf kritische factoren naar boven:
in tegenstelling tot TDM, dat digitaal gemplementeerd wordt, is WDM analoog. Om de kwaliteit te kunnen verzekeren is het belangrijk dat de accumulatie van analoge verzwakkingen zo veel
mogelijk gelimiteerd wordt. Dit kan onder andere door een segmentering
van het netwerk, waarbij in elk segment de verzwakkingen apart behandeld worden door bijvoorbeeld regeneratie. In een digitaal netwerk is het
grote voordeel dat de ruis die gentroduceerd wordt door het systeem volledig
afhankelijk is van de realisatie, en totaal onafhankelijk van de lengte van het
netwerk. In tegenstelling daarmee moet in een WDM-netwerk, naarmate de
afstanden langer worden, wel meer rekening gehouden worden met distortie
en verzwakking (en de daaruit voortvloeiende ruis) in de kanalen die in de
buurt de rand van de band liggen.
Analoog netwerk-ontwerp:
om het ontwerp van de gedeelde `multi-dienstenkern' te versimpelen is het nodig dat het aantal klantafhankelijke diensten
geminimaliseerd wordt. Op dit moment is deze diensten-transparantheid gelimiteerd tot digitale diensten, maar het moet zeker de bedoeling zijn om dat
uit te breiden naar analoge diensten ook. De manier om die transparantheid
daadwerkelijk te bekomen is het elimineren van de diensten- en klantenspecieke componenten en verwerkingen binnen het netwerk.
Diensten-transparantheid:
daar de mogelijkheden voorhanden zijn is het essentieel
logisch dat er veel aandacht besteed wordt aan fouten-correctie, tegelijk met
netwerk-eÆcientie en diensten-exibiliteit.
Signaal-overleving:
de onderhoudsstrategie moet aangepast zijn aan het unieke
karakter van een optisch netwerk, met in het achterhoofd de fouten die in
het verleden gemaakt werden in de TDM-netwerken.
Onderhoud:
onder andere door het verder uitwerken van
de standaarden kan dit verder gerealiseerd worden.
Fabrikant-onafhankelijkheid:
7
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
Digital client layer (SONET/SDH, PDH, etc.)
Optical channel (OCH) layer
{
Optical layers
Optical multiplex section (OMS) layer
Optical transmission section (OTS) layer
Optical interfaces
Figuur 3: Optische netwerklagen
3
Standaardisatie
De evolutie van optische communicatie-technologie naar all-optical networking (het Optische Transport Netwerk (OTN)) moet ook ondersteund worden
met nieuwe standaarden. De denitie van nieuwe standaarden voor optische
netwerken was dan ook een punt tijdens de `International Telecommunication
Union (ITU) 1997 { 2000 Study Period'. De vorige ITU-T studeerperiode
('93 { '96) ging voornamelijk over SDH punt-tot-punt WDM systemen. De
specicaties voor optische netwerken moeten echter verder gaan dan SDHspecieke toepassingen en andere `klanten' (ATM, PDH16 , . . . ) toelaten op
het optische netwerk. Bovendien moeten ook complexere conguraties mogelijk worden. We bespreken enkele zaken die gerealiseerd zijn.
Om een optisch netwerk te specieren is het gemakkelijk te beginnen met
de denitie van de verschillende lagen. ITU Recommendation G.872 (99)
Architecture of Optical Transport Networks bespreekt de lagenstructuur (zie
guur 3). Een Optical Channel netwerklaag voorziet end-to-end optische
verbindingen die om kunnen gaan met digitale informatie van verschillende
klanten (SDH, PDH, ATM, . . . ). De Optical Multiplex Section netwerklaag voorziet de mogelijkheid te werken met optische signalen met meerdere
golengtes. De Optical Transmission Section netwerklaag tenslotte voorziet
de nodige functionaliteit voor het doorsturen van optische signalen over optische media. Deze architectuur is enorm exibel en geeft operatoren een
grote vrijheid in het ontwerp van hun netwerken. Volgende mogelijkheden
16 Plesiochronous
Digital Hierarchy
8
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
Network
requirements and architecture
Equipment
functions
Information
model
Framework
Management
aspects
Structures
mappings
Physical
layer
Components
Figuur 4: Verband tussen de ITU-T Recommendations i.v.m. optische
netwerken.
worden voorzien:
Unidirectionele, bidirectionele en punt-tot-multipuntverbindingen
Individuele optische kanalen binnen een gemultiplext geheel mogen alle
een andere digitale klant ondersteunen.
Cross-connection van optische kanalen kan ofwel door golengten toe
te kennen, of door golengten te verwisselen.
Nu de architectuur van het optische transport netwerk en de eisen vastgelegd
zijn, volgt hierop de ITU G.871 Recommendation Framework for Optical
Transport Network Recommendations. Deze voorziet de co
ordinatie van alle
ITU-T activiteiten in verband met optische netwerken. Het omvat dus andere
standaarden of recommendations over verschillende aspecten van OTN. Het
aeiden van deze standaarden op het niveau van de uitvoering is echter zeer
gespecialiseerd, en daarom gaan we er hier niet verder op in. Een overzicht
van de verschillende onderdelen kan je vinden in guur 4.
4
Besluit
Om te besluiten kunnen we zeggen dat het de droom was van de ontwikkelaars van het idee achter een OTN om ergens in de wereld op het OTN een
optisch signaal te kunnen zetten en dat aan de andere kant van het netwerk
er terug te kunnen uithalen, zonder dat er intern in het netwerk iets over dat
9
Soe Pollin en Christopher Peirs
Optische Transport Netwerken
signaal moet gekend zijn. Uiteraard is dat in de praktijk nog lang niet het
geval.
Met de huidige toestand van de techniek is het nog onmogelijk om een nationaal, laat staan een wereldwijd OTN te realiseren. Maar het is wel duidelijk
dat door het groeiende belang van breedbandige data-traek het onderzoek
naar OTN zich intensieert. De vraag naar een dergelijk netwerk is immers
heel dringend. Door de grote diversiteit van de circulerende data op een
netwerk is ook de diensten-transparantheid een hot-topic. Mede ook door de
verdere uitwerking van de standaarden rond dit thema kan de ontwikkeling
van OTN versneld worden.
Met een practische visie op Optische Transport Netwerken zal een gebalanceerde overweging van analoog netwerk-ontwerp, diensten-transparantheid,
signaal-overleving, onderhoud en fabrikant-onafhankelijkheid leiden tot een
kosten-eectief, veilig, robuust en exibele wereldwijd breedband-netwerk.
Referenties
[1] P. Bonenfant et al., A Practical Vision for Optical Transport Networking,
Whitepaper Lucent Technologies, 1999
[2] B. Mukherjee, WDM Optical Communication Networks: Progress and
Challenges, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.
18, No. 10, october 2000, pp. 1810-1823
[3] Kapil V. Shrikhande, Ian M. White, Duang-rudee Wonglumsom, Steven
M. Gemelos, Matthew S. Rogge, Yasuyuki Fukashiro, Moritz Avenarius,
and Leonid G. Kazovsky, HORNET: A Packet-Over-WDM Multiple Access Metropolitan Area Ring Network, IEEE Journal on Selected Areas
in Communications, vol. 18, no. 10, pp. 2004-2016
[4] A. McGuire and P. Bonenfant, Standards: The Blueprints for Optical
Networking, IEEE Communications Magazine Special Issue on Optical
Networking, February 1998, pp. 68-78
[5] A. Bianco, E. Leonardi, M. Mellia, F. Neri, Network
Controller Design
, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 18, no. 10, pp. 2017-2028
for SONATA | A Large-Scale All-Optical Passive Network
10