Что такое лямбда в оптике
Что такое лямбда в оптике
НА СМЕНУ СПЕКТРАЛЬНОМУ УПЛОТНЕНИЮ ПРИХОДИТ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЯМБДА-КОММУТАЦИИ
Действительно, в настоящее время практически все операторы дальней связи рассматривают технологию DWDM в качестве едва ли не единственного способа преодолеть исчерпание пропускной способности магистральных каналов и даже создать надежный запас на будущее. Росту ее популярности способствовали также совместимость с существующей инфраструктурой ВОЛС и экономичность по сравнению с традиционными способами наращивания пропускной способности опорных сетей.
Между тем до последнего времени применение WDM-оборудования ограничивалось высокоскоростными соединениями «точка — точка», а в городских сетях и сетях доступа распространения оно не получило. Тому есть несколько причин. Это и высокая гетерогенность городских сетей (множество топологий, протоколов и приложений), и наличие альтернативных решений, зачастую позволяющих операторам не торопиться с переходом на неизвестную им технологию, и ценовой фактор, который нередко заставляет сделать выбор в пользу физического наращивания сетевой инфраструктуры, и, наконец, недостаточная гибкость и практически полное отсутствие интеллектуальности (а без них невозможно ни адаптировать сеть к быстрому росту объемов трафика, ни оперативно предоставлять пользователям разнообразные услуги).
Перечисленными ограничениями были стимулированы исследования, направленные на создание новой технологии обработки оптических сигналов, которая получила название лямбда-коммутации (используются также термины «фотонная коммутация» и «коммутация по длинам волн»). При ее разработке был заимствован принцип коммутации IP-пакетов по меткам, реализованный в протоколе MPLS (MultiProtocol Label Switching). Как известно, MPLS позволяет сформировать виртуальные пути передачи пакетов в сети маршрутизаторов, коммутирующих на основе меток (Label Switching Router, LSR). Каждый пакет снабжается меткой, содержащей сведения о требуемом классе обслуживания (CoS) и адресе узла назначения. Указанная метка считывается только при пересечении пакетом границ домена MPLS-коммутации, в результате чего отпадает необходимость в маршрутизации отдельных пакетов в каждом из промежуточных узлов.
Эта же идея, перенесенная на физический уровень оптической сети, приобрела форму протокола Generalized MultiProtocol Label Switching (GMPLS), иногда именуемого MultiProtocol lambda Switching (MPlS). Коммутация здесь осуществляется уже не на основе меток, содержащихся в заголовках пакетов, а в соответствии с длинами волн, на которых передается трафик того или иного типа.
Применение лямбда-коммутации открывает перед операторами такие возможности: обеспечить высокую масштабируемость сетевой инфраструктуры, минимизировать количество наложенных сервисов, повысить эффективность использования имеющейся полосы пропускания, а главное, получать дополнительную прибыль за счет предоставления сервисов, использующих отдельные длины волн. Эти услуги могут принимать самые разнообразные формы — от обмена частями полосы пропускания между операторами дальней связи до продажи отдельных длин волн крупным корпоративным заказчикам (например, с целью соединить территориально разнесенные офисы). Покупая отдельные длины волн, пользователь получает полный контроль над передаваемой информацией, причем без астрономических затрат на построение собственной коммуникационной инфраструктуры. Оператор же может рассчитывать на ускоренную окупаемость инвестиций, при том что сама оптическая сеть остается в его распоряжении (в отличие от случаев продажи «темного» волокна).
Ключ к развертыванию подобных услуг состоит, во-первых, в прозрачности транспортной инфраструктуры по отношению к типу, формату и методам кодирования трафика, к протоколам и скоростям передачи, а во-вторых, в кардинальном упрощении самой сетевой модели.
Современные оптические сети, как правило, имеют четырехуровневый стек протоколов: за физическую пропускную способность отвечает DWDM, транспортные функции возложены на SONET/SDH, управление трафиком реализовано на ATM-уровне, а приложения используют протокол IP. Общим недостатком подобных многоуровневых архитектур является так называемый эффект наименьшего общего знаменателя: один из уровней нередко ограничивает возможности системы в целом, например снижает масштабируемость сети.
Вместо четырех она будет включать всего два уровня — транспортный (фотонный) и сервисный. Поначалу в первый попадут оптические коммутаторы и системы спектрального мультиплексирования, а во второй — маршрутизаторы, ATM-коммутаторы и мультиплексоры ввода/вывода. Но постепенно некоторые из этих устройств прекратят свое существование в качестве самостоятельных компонентов оптической сети. Взаимодействие между различными элементами сети в новой архитектуре осуществляется через общую стандартизованную платформу управления (control plane). Именно она позволяет интегрировать оптическое оборудование нового поколения и унаследованные устройства в единую гетерогенную среду.
Следует сказать, что переход на обработку трафика в соответствии с несущими длинами волн означает смену парадигмы коммутации/маршрутизации, господствующей в современных сетях передачи данных. Внедрению новой технологии должно предшествовать расширение стандартных протоколов сигнализации и маршрутизации, в частности OSPF и IS-IS. Предстоит ликвидировать нестыковки между GMPLS и оптической версией популярного протокола UNI (Optical User-to-Network Interface, O-UNI), а также между GMPLS и ODSI (Optical Domain Service Interconnect). Появление технологии лямбда-коммутации потребовало создания нового протокола управления соединениями между соседними узлами оптической сети (Link Management Protocol, LMP). И конечно же, в реализации лямбда-коммутации в конкретных сетях решающая роль отводится физическим носителям новой технологии.
Среди всего многообразия компонентов оптических транспортных сетей при переходе на редуцированную (двухуровневую) модель ключевую роль начинают играть мультиплексоры ввода/вывода и оптические коммутаторы. Функции этих устройств состоят в установлении соединений на уровне оптических каналов между входными и выходными портами, терминации каналов, согласовании уровней сигналов и — факультативно — в управлении длинами волн и контроле за соединениями.
Для потребителя различие между мультиплексорами и коммутаторами зачастую сводится к числу поддерживаемых входных оптических портов. Однако при внешней схожести функций в технологическом плане появление оптических коммутаторов (optical cross-connect, OXC; иногда эти устройства называют также лямбда-маршрутизаторами и маршрутизаторами длин волн) ознаменовало собой принципиально новый взгляд на обработку трафика в оптической сети. Исключение фазы преобразования оптических сигналов в электрические и обратно на сетевых узлах открывает путь не только к радикальному повышению пропускной способности, но и к развертыванию новых типов услуг.
Оптический коммутатор осуществляет динамическое изменение конфигурации сети (на уровне отдельных оптических каналов) в целях восстановления транспортировки трафика после отказов или в ответ на изменившиеся потребности в пропускной способности. Помимо управления соединениями и пропускной способностью он отвечает за ввод/вывод каналов, эффективность использования спектрального ресурса, повышение надежности инфраструктуры магистральной сети, особенно при наличии незащищенных портов маршрутизаторов, а также за маршрутизацию трафика.
Следует подчеркнуть, что выполнение столь разнородных функций в мультисервисной среде, например объединяющей низкоскоростные городские сети или сети доступа с высокопроизводительными магистралями, невозможно без вспомогательного компонента, обеспечивающего согласование потоков разной интенсивности. Таким компонентом являются оптические шлюзы, которые, согласно прогнозам аналитиков, со временем неизбежно вытеснят сегодняшние цифровые коммутационные системы (Digital Cross-connect System, DCS) и будут осуществлять преобразование скоростей при передаче трафика между сетями разных типов, согласование форматов передаваемых данных и управление широкополосными услугами на уровне электрических сигналов.
Несмотря на то что первые модели оптических коммутаторов уже демонстрировались на сетевых выставках, их активный выход на рынок еще ждет своего часа. Применение оборудования этого класса не в последнюю очередь будет зависеть от популярности концепции лямбда-коммутации, но рано или поздно операторам придется выбирать между изделиями разных производителей. Кроме традиционного ценового фактора, а также времени коммутации, масштабируемости и продублированности компонентов, на принятие решения о покупке будут влиять несколько дополнительных обстоятельств.
По мнению экспертов, технологии лямбда-коммутации еще долгое время предстоит сосуществовать с сетями SONET/SDH. В этой связи немаловажной представляется поддержка соответствующих протоколов и скоростей передачи (2,5 и 10 Гбит/с). Другой фактор — количество входных и выходных портов коммутатора: со временем оно начнет исчисляться многими тысячами, однако в ближайшей перспективе размер матрицы вряд ли превысит 512х512 (в «одноволновом» эквиваленте).
Среди желательных свойств отметим еще способность работать в неблокирующем режиме при максимальном числе установленных соединений, а также поддержку многоадресной пересылки с одного входного порта на несколько выходных. В идеале коммутатор должен обрабатывать любое число многоадресных передач — без блокировки уже установленных соединений.
Наконец, не меньшее значение имеет и количество поддерживаемых длин волн. Первоначально каждый порт сможет работать только с одним оптическим каналом, но со временем оптические коммутаторы будут наделены функциями спектрального мультиплексирования на отдельных портах. Впрочем, на практике эту возможность удастся реализовать только после появления стандартных «многоволновых» интерфейсов, ведь перспектива на долгие годы оказаться заложником поставщика неуниверсального решения вряд ли вызовет большой энтузиазм у покупателей.
Отсутствие стандартов грозит стать камнем преткновения не только на уровне оптических интерфейсов. Серьезную проблему представляет управление оптическими коммутаторами. Современные системы сетевого администрирования не поддерживают операций с отдельными длинами волн, да и вообще пока отсутствуют общепринятые соглашения о процедурах формирования оптических каналов для конкретных сервисов и о методах мониторинга таких каналов. К тому же мало кто из операторов может похвастать богатым опытом работы с технологией DWDM — что уж говорить о лямбда-коммутации. Вывод очевиден: на первых порах функции управления оптическими коммутаторами будут появляться в составе патентованных систем сетевого администрирования.
Название «оптический коммутатор» в настоящее время употребляется в нескольких смыслах. Неразвитость элементной базы самым негативным образом отразилась на архитектуре устройств этого типа. Еще год назад большинство рекламировавшихся изделий имели электрическую коммутационную матрицу. Преобразование входных оптических сигналов в электрическую форму (O/E) и обратное преобразование (E/O) на выходе коммутатора позволяло удерживать стоимость этих устройств на приемлемом уровне, но сильно ограничивало максимально возможную скорость передачи (примерно до 2,5 Гбит/с). Этот показатель можно поднять до 10 Гбит/с благодаря применению новых материалов (вроде силицида германия), однако уже первые исследования показали, что во избежание перекрестных помех и избыточного энергопотребления емкость подобных коммутаторов останется на уровне 32×32 порта. Не спасает дело и объединение нескольких коммутационных матриц в иерархическую структуру — прежде всего по стоимостным соображениям.
В качестве едва ли не единственного выхода из положения в последние годы рассматривается применение оптической коммутации в буквальном смысле этого слова: коммутационная матрица также является оптической и никаких преобразований O/E/O не производится. Коммутация оптических сигналов, то есть их непосредственная пересылка с входных портов на требуемые выходные, может осуществляться либо с применением микроволноводов, либо при помощи микроскопической электромеханической системы (micro-electromechanical system, MEMS), объединяющей множество отражающих или преломляющих элементов. Несмотря на сохраняющиеся технологические проблемы, второй подход сегодня выглядит более предпочтительным, поскольку он позволяет создать интегрированные многофункциональные устройства, заметно снизить энергопотребление, а также достичь высокой масштабируемости при переходе на трехмерную архитектуру.
Система MEMS применена в коммутаторе LambdaRouter производства Lucent. Эта модель содержит матрицу из 256 зеркал, каждое из которых имеет диаметр 0,5 мм. Суммарная площадь матрицы не превышает 1 кв. дюйма (около 6,5 кв. см). Специальная система управления наклоном зеркал способна обеспечить перенаправление оптических сигналов с любого из 256 входных портов на любой из 256 выходных. На сегодняшний день каждый порт рассчитан на работу с единственной длиной волны при максимальной поддерживаемой скорости передачи 40 Гбит/с. По данным самого производителя, исключение стадии преобразования сигналов в электрическую форму позволило в 100 раз снизить энергопотребление и в 32 раза — форм-фактор коммутационной матрицы (по сравнению с электрическим ее вариантом).
Эксперты выделяют три основных класса «истинных» оптических коммутаторов:
Устройства первого класса являются простейшими представителями данного семейства и фактически функционируют как автоматические коммутационные панели. Тем не менее они могут оказаться весьма полезными в сетях, для которых первостепенное значение имеет защита от повреждения оптического кабеля. Селективные коммутаторы способны демультиплексировать отдельный входной поток по длинам волн и обеспечивают достаточную гибкость для реализации различных услуг, защиты индивидуальных оптических каналов и восстановления сервисов. Эта гибкость только возрастает при переходе к коммутаторам со сдвигом частоты. В частности, их применение позволяет практически полностью исключить конфликты при коммутации, обусловленные «неудачным» спектральным составом входного сигнала.
Оптические коммутаторы сегодня разрабатывают несколько компаний. В их числе Ciena (модель MultiWave CoreDirector), Cisco (ONS 15900 Wavelength Router), Lucent Technologies (Lambda Router), Nortel Networks (OPTera), Siemens (TransXpress OSN). Реализованные этими производителями размеры коммутационных матриц довольно скромны на фоне потребностей современных магистральных сетей, но не исключено, что в течение года-двух они будут увеличены в десятки раз. Возможно, за это время и порты коммутаторов «научатся» работать с множеством длин волн. Эксперты полагают, что переход на двухуровневую модель оптической сети может состояться уже в 2003 г., тогда же будут утрясены неурядицы с протоколами и появятся первые результаты тестирования GMPLS-оборудования. Оптимисты надеются увидеть коммерческие устройства, реализующие технологию лямбда-коммутации, уже во второй половине следующего года, пессимисты ориентируются на 2004 г. Пожалуй, оба варианта смотрятся совсем неплохо. Вопрос в другом: не попадут ли за это время DWDM, лямбда-коммутация и иже с ними в тень какой-нибудь новой революционной оптической технологии?
λ-исчисление. Часть первая: история и теория
Идею, короткий план и ссылки на основные источники для этой статьи мне подал хабраюзер z6Dabrata, за что ему огромнейшее спасибо.
UPD: в текст внесены некоторые изменения с целью сделать его более понятным. Смысловая составляющая осталась прежней.
Вступление
Возможно, у этой системы найдутся приложения не только
в роли логического исчисления. (Алонзо Чёрч, 1932)
Вообще говоря, лямбда-исчисление не относится к предметам, которые «должен знать каждый уважающий себя программист». Это такая теоретическая штука, изучение которой необходимо, когда вы собираетесь заняться исследованием систем типов или хотите создать свой функциональный язык программирования. Тем не менее, если у вас есть желание разобраться в том, что лежит в основе Haskell, ML и им подобных, «сдвинуть точку сборки» на написание кода или просто расширить свой кругозор, то прошу под кат.
Начнём мы с традиционного (но краткого) экскурса в историю. В 30-х годах прошлого века перед математиками встала так называемая проблема разрешения (Entscheidungsproblem), сформулированная Давидом Гильбертом. Суть её в том, что вот есть у нас некий формальный язык, на котором можно написать какое-либо утверждение. Существует ли алгоритм, за конечное число шагов определяющий его истинность или ложность? Ответ был найден двумя великими учёными того времени Алонзо Чёрчем и Аланом Тьюрингом. Они показали (первый — с помощью изобретённого им λ-исчисления, а второй — теории машины Тьюринга), что для арифметики такого алгоритма не существует в принципе, т.е. Entscheidungsproblem в общем случае неразрешима.
Так лямбда-исчисление впервые громко заявило о себе, но ещё пару десятков лет продолжало быть достоянием математической логики. Пока в середине 60-х Питер Ландин не отметил, что сложный язык программирования проще изучать, сформулировав его ядро в виде небольшого базового исчисления, выражающего самые существенные механизмы языка и дополненного набором удобных производных форм, поведение которых можно выразить путем перевода на язык базового исчисления. В качестве такой основы Ландин использовал лямбда-исчисление Чёрча. И всё заверте…
λ-исчисление: основные понятия
Синтаксис
В основе лямбда-исчисления лежит понятие, известное ныне каждому программисту, — анонимная функция. В нём нет встроенных констант, элементарных операторов, чисел, арифметических операций, условных выражений, циклов и т. п. — только функции, только хардкор. Потому что лямбда-исчисление — это не язык программирования, а формальный аппарат, способный определить в своих терминах любую языковую конструкцию или алгоритм. В этом смысле оно созвучно машине Тьюринга, только соответствует функциональной парадигме, а не императивной.
Мы с вами рассмотрим его наиболее простую форму: чистое нетипизированное лямбда-исчисление, и вот что конкретно будет в нашем распоряжении.
Процесс вычисления
Рассмотрим следующий терм-применение:
Существует несколько стратегий выбора редекса для очередного шага вычисления. Рассматривать их мы будем на примере следующего терма:
который для простоты можно переписать как
(напомним, что id — это функция тождества вида λx.x )
В этом терме содержится три редекса: 
Недостатком стратегии вызова по значению является то, что она может зациклиться и не найти существующее нормальное значение терма. Рассмотрим для примера выражение
(λx.λy. x) z ((λx.x x)(λx.x x))
Этот терм имеет нормальную форму z несмотря на то, что его второй аргумент такой формой не обладает. На её-то вычислении и зависнет стратегия вызова по значению, в то время как стратегия вызова по имени начнёт с самого внешнего терма и там определит, что второй аргумент не нужен в принципе. Вывод: если у редекса есть нормальная форма, то «ленивая» стратегия её обязательно найдёт.
На этом закончим вводную в лямбда-исчисление. В следующей статье мы займёмся тем, ради чего всё и затевалось: программированием на λ-исчислении.
Многопротокольная лямбда-коммутация изменит оптические сети.
Сегодня уже заготовлено немало новинок для оптических сетей следующего поколения. Что они принесут сетевым администраторам?
Вы, вероятно, уже достаточно наслышаны об оптической коммутации следующего поколения (как из публикаций нашего журнала, так и из других источников), обещающей в ближайшем будущем множество заманчивых возможностей: пропускную способность по требованию, динамическое формирование сервиса и настройку сети с учетом требований отдельных пользователей. На сей раз мы поговорим о некоторых технологиях, с помощью которых все это может стать реальностью. В частности, речь пойдет о технологиях сигнализации и управления для первичного оптического транспорта и о его взаимодействии с уровнем транспортных услуг для конечных абонентов, базирующемся на протоколе IP. Сегодня наиболее высокий барьер на пути к «прозрачной» пропускной способности образует несоответствие между интеллектуальными пограничными устройствами и достаточно примитивными устройствами ядра сети (работающими с временными интервалами, длинами волн и т. п.), разговаривающими на разных языках. Для создания унифицированных транспортных сервисов и управления ими необходим мост, который бы объединил эти два сетевых диалекта.
Начнем с технологии многопротокольной коммутации на основе меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS) — наилучшего из имеющихся на данный момент способов реализации возможностей по обеспечению АТМ-подобного качества обслуживания для трафика IP без установления соединений с доставкой данных по мере возможности (но без гарантий). Разрабатываемый стандарт MPLS уже нашел широкое признание, хотя предстоит еще большая работа над различными деталями спецификации. Сейчас мало кто сомневается в том, что сочетание IP с MPLS (в противовес АТМ) будет доминировать в сетях начиная с конца 2001 г.
Технология MPLS создает виртуальные пути в сети коммутирующих метки маршрутизаторов (Label Swit-ching Routers, LSR). Каждому пакету входной LSR назначает метку отдельно от заголовка третьего уровня, где содержится адресная информация и сведения о классе обслуживания (Class of Service, CoS), так что потоки не требуется обрабатывать по схеме «пакет за пакетом» на каждом промежуточном сетевом узле. Вместо этого заголовок третьего уровня пакета считывается только на входе и выходе домена коммутации MPLS. Это существенно сокращает количество операций чтения и продвижения пакета, обеспечивая в то же время защиту пути при отказах, группировку трафика в соответствии с параметрами CoS и конструирование трафика (traffic engineering). Поэтому технологию MPLS можно считать ключом к решению проблемы масштабирования IP до сверхвысокой производительности с одновременной поддержкой качества обслуживания (QoS) и доставкой данных без заторов.
Одновременно с покорением мира IP концепция MPS спустилась по уровням модели OSI до уровня фотонов и оптического транспорта. Сегодня разрабатывается новый стандарт — многопротокольная лямбда-коммутация (Multi-protocol Lambda Switching, MPlS — несколько странная аббревиатура, придуманная для того, чтобы избежать путаницы с «классической» технологией MPLS). Пути MPLS организуются на уровне длин волн (лямбда-уровень), так что процедуры MPLS получают возможность управлять процессом взаимодействия оптических устройств. Это даст возможность сетевым администраторам операторов связи и провайдеров телекоммуникационных услуг создавать пути для оптических пакетов на уровне плотного мультиплексирования по длине волны (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), с использованием команд электрического уровня. Главное различие между MPLS и MPlS заключается в степени детализации — если MPlS управляет лямбдами, то MPLS потоками пакетов, которые передаются с помощью этих лямбд.
Примененные вместе, оба стандарта позволяют устройствам IP (маршрутизаторам, коммутаторам) динамически запрашивать пропускную способность у уровня оптического транспорта с помощью имеющихся средств слоя управления. Для реализации этого свойства MPlS выполняет много различных функций, включая поддержку объявлений (сигнализацию) о требуемой пропускной способности и организацию оптического пути через сеть, для чего необходимо знать о характеристиках сетевых каналов данной сети, в частности об их емкости.
Звучит интригующе, но как это все работает и как повлияет в перспективе на сети и сервисы? Повлияют ли новые стандарты на позиции технологии SONET/SDH и облегчат ли они вашу жизнь в ближайшем будущем? Хорошие вопросы, и в этой статье мы попытаемся дать на них ответы.
MPLS ПРОНИКАЕТ ВО ВЛАДЕНИЯ SONET/SDH
Доминирующее положение SONET/SDH в сегодняшнем оптическом мире послужило причиной того, что технология MPlS, первоначально l предназначавшаяся для лямбда-коммутации и оборудования DWDM, была распространена на оборудование мультиплексирования с разделением времени (Ti-me Division Multiplexing, TDM) и SONET/SDH. Новый, более широкий стандарт получил название обобщенной многопротокольной лямбда-коммутации (Generalized Multiprotocol Lambda Switching, GMPLS). Сфера его действия включает мультиплексоры с разделением по времени, мультиплексоры ввода/вывода SONET/SDH, оптические кросс-коннекторы и маршрутизаторы длин волн. Это означает, что стандарт GMPLS применим к устройствам, которые принимают решение на основе временных интервалов (time slots), портов или индивидуальных длин волн. Основная идея состоит в том, чтобы обеспечить сквозную интеллектуальность — от одной границы сети оператора через ее ядро до другой границы — на основе унифицированных средств сигнализации, что должно облегчить управление сетью. При этом те же самые протоколы, которые создают путь на втором или третьем уровнях, используются для создания физического пути на первом уровне.
«Классическая технология MPLS использует метки, которые физически добавляются к пакетам, — поясняет Джон Фрайер, вице-президент по маркетингу компании NetPlane Systems, занимающейся разработкой переносимого кода сетевых протоколов и систем для создания инфраструктуры Internet. — GMPLS абстрагирует эту концепцию путем введения новых типов меток для различных оптических элементов, таких, как волокна, лямбды, группы лямбд, виртуальные контейнеры SONET/SDH и т. д. Эти элементы представляются в управляющей плоскости протоколов сети 32-битовыми числами [метками], которые оптические коммутаторы/маршрутизаторы используют для установления соединений или маркированных оптических путей (обычно двунаправленных)».
По словам Ами Копли, старшего менеджера по продуктам магистральной коммутации компании Sycamore Net-works, стандарт GMPLS позволяет изменять процесс коммутации меток для того, чтобы учесть различия в способах назначения меток, распространения сообщений об ошибках и взаимодействия со входными и выходными устройствами. Проще говоря, GMPLS — это унифицированная парадигма для пакетных, оптических сетей и сетей с коммутацией каналов, в соответствии с которой протоколы сигнализации MPLS используются для управления оптическими путями, т. е. входящими и исходящими маршрутами, по которым поток пересекает сеть.
Желаемый результат? Простота управления, высокая пропускная способность, большая степень предсказуемости, поддержка QoS и соглашений об уровне сервиса (Service Level Agree-ment, SLA), что делает формирование сервиса делом быстрым и оперативным. Вы можете увеличивать или уменьшать требуемую пропускную способность по мере необходимости, в зависимости от требований приложений конечных пользователей, одновременно резервируя сетевые ресурсы. Сначала сфера применения GMPLS скорее всего будет ограничиваться границами ядра сети, но по мере созревания технологии она расширится, включив конечные точки, где нужна сверхвысокая пропускная способность. Питер Эшвуд-Смит, старший технический консультант компании Nortel Networks, в качестве примера применения GMPLS называет дополнение обычной сети IP супермагистралью по требованию. Сочетание оптической коммутации/маршрутизации с технологией SONET/SDH сделает возможным за считанные миллисекунды создавать между любыми конечными точками пути с чрезвычайно высокой пропускной способностью.
Наложенная модель против одноранговой
Оптическая сеть следующего поколения с динамическим выделением пропускной способности может быть построена одним из основных способов, как наложенная (overlay) или одноранговая (peer). Технология GMPLS использует оба способа. Наложенную и одноранговую модели можно рассматривать как два различных подхода к решению вопроса о том, какое именно сетевое оборудование отвечает за принятие решения о выделении пропускной способности и управлении ею.
Наложенная модель скрывает детали нижележащей магистральной сети за счет создания двух управляющих плоскостей, которые взаимодействуют достаточно слабо. Протоколы одной плоскости управляют ядром оптической сети, протоколы другой — окружающими ядро пограничными устройствами с помощью интерфейса «пользователь-сеть» (User-to-Network Interface, UNI). Пограничные устройства либо запрашивают световые пути с помощью динамической сигнализации через ядро, либо конфигурируются статически. Абстрагируясь от топологии ядра, наложенная модель может установить административные границы ответственности между ядром сети и остальной ее частью.
Данный подход, которому производители оптического сетевого оборудования обычно отдают предпочтение, требует полносвязных соединений «точка-точка» между пограничными устройствами как для передачи данных, так и для объявлений протоколов маршрутизации. Это порождает интенсивный трафик служебных сообщений, что, в свою очередь, приводит к плохой масштабируемости наложенной модели и ограничивает количество применяемых пограничных устройств. Но на эту модель ориентируется широкий диапазон пограничных устройств, кроме того, большинство обозревателей соглашаются с тем, что наложенную модель легче реализовать, чем одноранговую.
Одноранговая модель использует единую плоскость управления, включающую домен администрирования, куда входят как ядро оптической сети, так и окружающие его пограничные устройства. В этом случае пограничные устройства видят топологию ядра. Модель более масштабируема, чем предыдущая, так как ячеистые соединения «точка-точка» между пограничными устройствами хотя и используются по-прежнему, но только для передачи пользовательских данных. Информация протоколов маршрутизации передается пограничным устройством только «материнскому» фотонному коммутатору, к которому это устройство присоединено, а не всем остальным пограничным устройствам.
 |
| Рисунок 1. Общая схема сети GMPLS в соответствии с а) наложенной и б) одноранговой моделями — взгляд с сетевого уровня. |
Так как большинство операторов хотели бы применять оба подхода в зависимости от ситуации, в частности от конкретной топологии сети и поддерживаемых сервисов, то, скорее всего, наиболее популярной будет гибридная модель. В этом случае одни пограничные устройства смогут работать как равноправные партнеры с ядром сети, разделяя с ним общую плоскость управления. Одновременно, управление другими может осуществляться в соответствии с наложенной моделью со своей плоскостью управления, при этом они будут взаимодействовать с ядром с помощью интерфейса «пользователь-сеть». Необходимо отметить, что функциональность одноранговой модели включает функциональность наложенной модели, поэтому один набор протоколов плоскости управления может поддерживать обе модели. Таким образом, оператор может выбрать одноранговую модель и работать по любой схеме, в зависимости от требований бизнеса (см. Рисунок 1).
ЕСЛИ ЭТО ЗАРАБОТАЕТ
Куда же может привести нас эта технология? Некоторые преимущества GMPLS уже были упомянуты: например, большая степень контроля над пропускной способностью, гибкость ее распределения, а также быстрота формирования транспортного сервиса. Для полноты картины отметим еще несколько достоинств.
Обеспечение QoS будет очень простым делом, так как пропускная способность в случае реализации GMPLS гарантируется. «Технология DiffServ [в качестве примера механизма поддержки QoS] не применима для световых или TDM-путей, — говорит Эшвуд-Смит. — Например, DiffServ обрабатывает каждый пакет отдельно. Обрабатывать каждый фотон или временной интервал [как в технологии TDM] отдельно от других физически невозможно».
GMPLS позволит провайдерам «подстраивать» топологию сети в ответ на изменения картины трафика, так что маршрутизаторы или другие устройства, которым нужно взаимодействовать, будут соединяться различными способами. По словам Эшвуд-Смита, это немного похоже на систему скоростных автодорог, где можно произвольно добавлять или удалять дороги.
Другим преимуществом можно назвать уменьшение числа уровней сети. Многие сети сегодня строятся в соответствии с четырехуровневой моделью: DWDM, SONET/SDH, ATM и IP (если идти от нулевого уровня к третьему). Предполагается, что GMPLS позволит IP функционировать непосредственно по DWDM, исключая SONET/SDH и ATM — два наиболее дорогостоящих и плохо масштабируемых уровня. В этом случае обеспечивать поддержку QoS в стиле АТМ и конструирование трафика будет технология MPLS — с помощью маршрутизации с учетом ограничений (Constraint-Based Routing). Эта же методика маршрутизации должна облегчить быстрое изменение пути (сильная сторона SONET/SDH) для защиты трафика и восстановления сети после отказов (см. Рисунок 2).
Миграция этих свойств в общую плоскость управления будет постепенной, особенно в отношении функций SONET/SDH. В статье «Влияние на бизнес прозрачных оптических коммутаторов» производителя световых коммутаторов Calient Networks утверждается, что оптическое восстановление трафика (в случае разрыва передающего пути) первым перейдет под контроль MPLS, в то время как оставшийся более тонкий слой SONET/SDH будет отвечать за кадрирование информации, управление сетью и мониторинг производительности. «SONET/SDH начнет мигрировать по направлению к сервисному интерфейсу, который будет собирать трафик и упаковывать его в сверхскоростные потоки. Однако реальная коммутация и конструирование трафика будут выполняться на уровне длин волн», — говорится в данной статье. Когда-нибудь SONET/SDH сойдет со сцены, и мониторинг производительности, обнаружение ошибок, изоляция сбоев и отказов и восстановление будут делом GMPLS.
ЕЩЕ ОДНА ЧАСТЬ ГОЛОВОЛОМКИ
Принимая во внимание важность технологии MPLS/MPlS для телекоммуникационной отрасли, процесс ратификации ее стандартов можно назвать медленным, но поддержка со стороны многих организаций по стандартизации безусловно имеется, включая ITU, ATM Forum, MPLS Forum и IETF. Этот процесс несколько затрудняет то, что разрабатываемый протокол должен работать с другими протоколами. Фактически, необходимо создать целую систему стандартов, подмножеством которой является GMPLS.
Необходимо также отметить, что GMPLS будет включать улучшенные протоколы маршрутизации, взятые из плоскости управления IP. Эти протоколы предназначены для предоставления информации о топологии сети и о соответствии адресов и топологии. Некоторые протоколы маршрутизации уже прошли адаптацию к GMPLS, включая Open Shortest Path First (OSPF) и Intermediate System-Intermediate Sys-tem (IS-IS), к ним нужно добавить недавно разработанный протокол управления каналом (Link Management Protocol, LMP). Дальнейшую информацию по данному вопросу можно найти в статье «Generalized Multiprotocol Label Switching: An Overview of Routing and Management Enhancements» на сайте http://www.calient.net/articles_contributed.html.
GMPLS является частью более широкой архитектуры, называемой Auto-matic Switched Optical Networks (ASON) — автоматические коммутируемые оптические сети, — определенной ITU и предложенной IETF. Этот сверхпротокол включает:
GMPLS полезно представить как протокол «ядро—ядро», использующий в своей работе протоколы пограничных устройств, такие, как UNI, с помощью которых устройства IP сигнализируют ядру о требуемой пропускной способности. Примерами пограничных протоколов могут служить Optical Domain Service Interconnect (ODSI), а также Optical UNI (O-UNI). GMPLS распространяет по оптическому ядру информацию, которую он получает от пограничных устройств с помощью протокола O-UNI или ODSI. В сущности, эти О-протоколы пытаются сделать оптические свойства сети видимыми электрическому пограничному слою — для использования в целях управления. «Технология MPlS в состоянии выполнить это, так как процедуры MPLS, на которых она основана, могут распространяться через электрическую часть сети, — говорит Том Нолле, президент CIMI Corp. — Коммутируемые метками пути (Label Switched Path, LSP), или лямбды, могут быть сделаны видимыми третьему уровню аналогично тому, как пути LSP были сделаны видимыми с помощью «старой доброй» технологии MPLS. Таким образом, О-протоколы могут включать MPlS. Пока не совсем ясно, будет ли MPlS содержать определения управляющей плоскости и плоскости менеджмента для границы ядра, как содержат их О-протоколы».
Как самостоятельная инициатива, протокол ODSI, похоже, не имеет перспектив, но по сути его главной задачей была активизация процесса разработки аналогичных протоколов в более признанных организациях по стандартизации. Он похож на протокол O-UNI, который разрабатывается форумом по оптическому межсетевому взаимодействию (Optical Internetworking Forum, OIF). OIF собирается набрать ход благодаря проведению в мае 2001 г. тестирования на совместимость, а также широкому участию в форуме производителей оборудования.
Фрайер отмечает, что и O-UNI, и GMPLS еще далеки от согласованной реализации и не готовы отображать запросы O-UNI на границе в сигнализацию GMPLS в ядре. По крайней мере, вряд ли эти стандарты придут к стабильному состоянию до конца 2001 г. В IETF над GMPLS ведутся интенсивные работы, по одному из оптимистических прогнозов в середине 2001 г. будет проведено тестирование, а в 2002 г. начнется коммерческое внедрение данного стандарта. Что же касается результатов ITU по обеспечению совместной работы пары UNI/NNI, то здесь вряд ли стоит что-нибудь ожидать ранее второй половины 2002 г.
ПО КУСОЧКУ И НЕ ТОРОПЯСЬ
Эволюционный переход к GMPLS будет, вероятно, происходить медленно и в несколько этапов. Главный вопрос — в какой степени DWDM, GMPLS и оптической коммутации удастся заменить SONET/SDH. Все споры в конечном итоге сводятся к тому, насколько операторы связи готовы доверить функции SONET/SDH уровню оптического транспорта. Проверка практикой этой концепции будет, скорее всего, проходить медленно, но неуклонно.
«Сначала существующая инфраструктура SONET/SDH будет продолжать использовать одну или несколько длин волн оптического спектра, а оставшиеся длины волн будут применяться в новых оптических сетях, — говорится в статье компании Calient. — В краткосрочной перспективе прозрачная оптическая коммутационная инфраструктура фотонных коммутаторов будет окружена электронными линейными картами и интерфейсами, устанавливаемыми в систему в зависимости от потребности. По мере роста возможностей фотонных коммутаторов и приобретения операторами связи опыта работы с управляемыми на оптическом уровне сетями, использование электронных карт будет уменьшаться и может быть совсем исключено. С этого момента SONET/SDH станет сервисным интерфейсом для фотонной сети». Авторы отмечают, что для достижения этого необходимо добиться прогресса в таких областях, как преобразование длин волн, полностью оптическая регенерация и мониторинг оптической производительности, а также в части повышения эффективности резервирования пропускной способности при чрезвычайном переключении. (Более подробную информацию по данному вопросу можно найти в упомянутой статье по адресу: http://www.calient.net/articles_contributed.html.)
Некоторые опасения вызывают стабильность и устойчивость протокола управляющей плоскости IP, тем более что он составляет основу для MPLS/GMPLS. Как ни удивительно, но совместимость не является основной заботой большинства провайдеров, если верить их поставщикам. Решения от одного производителя будут на первых порах скорее правилом, чем исключением, — как это часто сегодня имеет место и с SONET/SDH. «Производители будут стараться сохранять такое положение дел, а агрессивные новички попытаются найти возможность использовать преимущества стандартного подхода для завоевания плацдарма, — считает Фрайер. — Подобные сети от одного производителя уже появляются на рынке, правда, в них используются нестандартные эквиваленты GMPLS». (Об этом свидетельствуют заявления компаний CIENA и Sycamore.) Фрайер не ожидает применения GMPLS ранее 2003 г., но предсказывает, что оборудование с поддержкой O-UNI может появиться во второй половине 2002 г., так что ядро от одного производителя сможет взаимодействовать с пограничным оборудованием разных производителей.
Эшвуд-Смит из Nortel соглашается, что акцент будет делаться не на совместимости, а на надежности и устойчивости UNI — такое положение дел может остоваться некоторое время. Он уверенно предсказывает внедрение подобных продуктов уже к концу 2001 г., и при этом он не столь оптимистичен относительно функций сетевого управления. Нужно проделать еще большую работу по реализации функций управления восстановлением сети, чтобы облегчить определение альтернативных путей и обеспечить более эффективную в отношении пропускной способности ремаршрутизацию. «Топология сети должна быть такой, чтобы она позволяла быстро вычислять маршруты сети в противовес применению стандартных механизмов, — подчеркивает Фрайер. — Маршрутизация и сигнализация в плоскости управления оптических сетей не являются такими активными, как в классических сетях IP устоявшимся режиме, но при возникновении проблемы требуется выполнить повторное вычисление и сигнализацию нового оптического пути, а при таких высокоскоростных каналах за очень короткий промежуток времени теряется очень большое количество данных».
Другие производители, подобно новичку в области городских сетей компании Atoga Systems, подчеркивают, что формирование пути GMPLS далеко от состояния, которое можно было бы назвать дружественным для администратора. Гириш Мюкай, директор по маркетингу продуктов и главный конструктор компании Atoga, считает, что улучшения нужны для упрощения следующих операций:
Эти проблемы появились еще в MPLS, но они остаются и в GMPLS.
Трудно оценить объем работ, проводимых сейчас в этой области, но ясно, что технология GMPLS будет гораздо менее привлекательной без развитых функций формирования услуг. Наверняка операторы дальней связи и оптовые провайдеры не проявят значительного интереса к новой технологии, пока она не даст им способ зарабатывания денег (а не просто средство сокращения эксплуатационных расходов). Тем не менее последователи GMPLS скоро появятся, ими станут прежде всего те операторы, у которых есть собственные транспортные сети, оптические волокна и вертикальные услуги, включая услуги IP и приложений; традиционные операторы скорее всего не будут спешить с внедрением, учитывая регламентирующие их деятельность ограничительные инструкции.
И здесь возникает еще один барьер на пути применения GMPLS: внутренние организационные ограничения. Обычно у любого крупного оператора есть отдельное подразделение для каждой инфраструктуры первого уровня. «Процесс конвергенции этих инфраструктур порождает организационные проблемы, а также влияет на способы планирования, построения и эксплуатации самих сетей, — говорит Джерод Сайкет, директор по планированию продуктов компании Marconi и вице-президент технического комитета MPLS Forum. — Кроме того, с приобретением сетевыми элементами функциональности IP/MPLS, для управления этими элементами техническим специалистам потребуются новые знания и новые навыки. Возможно, данный фактор в большей степени, нежели зрелость технологии, окажет влияние на скорость внедрения GMPLS».
«Суд присяжных» все еще не вынес вердикт, как же все это сделать прибыльным. «Отсутствие какого-либо способа извлечения прибыли из GMPLS — вероятно, единственный серьезный барьер на пути его широкого применения, — подчеркивает Том Нолле из CIMI Corp. — Стандарты и совместимость бессмысленны, если нет возможности продать достаточное количество услуг для возврата инвестиций. Операторы будут только принимать эту технологию к сведению — до тех пор пока они не смогут извлекать прибыль с помощью услуг передачи данных и информационных сервисов, что займет еще два или три года».
Ожидание может быть долгим, но оно стоит того. От администраторов корпоративных сетей не потребуется никаких дополнительных усилий для того, чтобы начать пользоваться преимуществами GMPLS, так как эта технология будет полностью прозрачна для конечных пользователей, а все трудности лягут на плечи провайдера. Это может несколько затруднить оценку услуг GMPLS, когда они появятся, но качество данного сервиса определяется его возможностью поддерживать почти мгновенное формирование канала и обеспечивать добавление или уменьшение пропускной способности, так что пользователь платит только за то, в чем он действительно нуждается. При этом он получает возможность одновременно управлять параметрами QoS в рамках соответствующего соглашения об уровне сервиса. Звучит чересчур оптимистично? Наверное, да. Но учтите, что мы разговариваем за полтора-два года до того момента, когда GMPLS станет реальностью. И когда это произойдет, вспомните: именно в нашем журнале вы впервые услышали об этой технологии!