что такое технология wdm и где она применяется
WDM простыми словами
WDM — Wavelength Division Multiplexing (Спектральное уплотнение каналов). Это технология, которая позволяет собирать в одно оптическое волокно несколько «потоков» оптического сигнала. Каждый поток транслируется на своей длине волны.
Длину волны часто называют «цветом», хоты световые волны длиннее 740 нм человеческим глазом не воспринимаются, и различить эти цвета человек не в состоянии. Некоторые животные могут видеть этот свет, например некоторые змеи, смогли бы отличить свет 1310нм и 1550нм.
Модули WDM обычно называют «одноглазыми», хотя есть и более экзотические формулировки, например «циклопы».
Рисунок 1. Работа модулей ML-10GT
Предположим, что у вас нет двух волокон, а есть только одно. Как передать сигнал по одному волокну? Есть несколько способов.
Первый заключается в разделении мощности сигнала на концах линии. Забегая вперед, скажем, что ничего хорошего из этого не выйдет. Можно поставить на концах линии оптический разветвитель (сплиттер). Принцип работы этого устройства прост, сигнал разделяется из одного волокна на два, мощность при этом разделяется, обычно, поровну. Во время работы в линии возникнет много многократно отраженного света, и эта линия работать, скорее всего, не будет (хотя есть примеры успешного применения этого решения). Тупиковое решение, хотя разветвители светового сигнала активно используются в технологиях PON, но это тема для отдельной статьи, или даже цикла статей.
Второй способ, с уверенностью, можно назвать работоспособным. Можно использовать такое свойство света, как поляризация. К примеру, изменив поляризацию света сразу после его излучения в начале линии, можно отфильтровать этот сигнал в конце. В этом случае, действительно можно передавать сигнал в обе стороны по одному волокну, но устройства для изменения поляризации достаточно дорогие, и подобное решение используется редко.
И, наконец, третий способ, получивший наибольшее распространение. Он заключатся в использовании света с разной длиной волны для передачи сигнала в разных направлениях. Свет разных длин волн можно легко разделить. Все мы учились в средней школе и помним Призму Ньютона. Для тех, кто помнит плохо, приведем рисунок 2.
Рисунок 2. Призма Ньютона
Этому способу уже более 300 лет. Устройство, которое разделяет свет в зависимости от длины волны, представляет собой ту самую призму, просто более сложную, и называется «оптический мультиплексор/демультиплексор».
Эта технология настолько популярна, что большинство устанавливаемых оптических трансиверов используют технологию WDM. Самыми популярными являются трансиверы SFP WDM с дальностью передачи до 3 километров. У MLaxLink это ML-10T и ML-10R (http://mlaxlink.ru/products/5/34/ и http://mlaxlink.ru/products/5/35/).
Эти трансиверы используют свет с длинами волн 1310нм и 1550нм для передачи сигнала в разных направлениях. Один из модулей использует передатчик 1310нм, второй 1550нм. Но, при использовании этих трансиверов, существуют особенности по сравнению с «двухглазыми» модулями. Модули WDM устанавливаются парами, и только парами они функционируют корректно.
Тем, кто имеет отношение к этому оборудованию не только с технической, но и с финансовой стороны стоит знать, что разные части пары таких трансиверов, часто, имеют разную цену, так как они имеют разную себестоимость в производстве. Хотя в MLaxLink цена на разные «половинки» одинакова, мы убеждены, что так проще со всех точек зрения.
На рисунке 3 наглядно показан принцип работы этих модулей.
Рисунок 3. Работа модулей ML-10T и ML-10R
Обратите внимание, что на откидном рычажке нанесен пластик определенного цвета. Это очень удобно, так как вы можете определить тип модуля, не изымая его из оборудования. Жаль, что не у всех производителей есть такая «приятная мелочь».
Кстати, цвета выбираются не случайным образом, а исходя из определенных правил, каждый цвет на рычажке соответствует определенной длине волны передатчика.
Список соответствия цветов модуля и длин волн передатчика:
Технология WDM
Оборудование оптоволоконных систем связи и информационных сетей способно передавать по паре оптических волокон данные только одного канала. Расширение сети и возрастание объема трафика, передаваемого по ВОЛС, приводит к увеличению количества каналов и задействованию новых пар оптоволокна.
В определенный момент выясняется, что использована вся емкость оптического кабеля и необходимо решать как выйти из создавшегося положения. Прокладка нового волоконно-оптического кабеля не всегда экономически рентабельна, особенно при наличии протяженной линии связи или сети большого масштаба. В этом случае можно быстро и недорого решить проблему путем установки оборудования производства АО «Компонент», работающего по техологии WDM.
На сайте компании АО «Компонент» представлено высокотехнологичное оборудование WDM по самым доступным ценам, изготовленное на собственном производстве.
Что такое технология WDM?
Технология WDM реализует принцип мультиплексирования оптических каналов с разделением по длине волны. За основу взято использование светового излучения с разными длинами волн для передачи/приема информационных сигналов. Волновые каналы объединяются на передающей стороне и разделяются на приемной при помощи специальных фильтров. Внедрение WDM позволило увеличить значительно пропускную способность линий связи и сетей при существующей емкости волоконно-оптических кабелей.
Вначале, применение технологии WDM ограничивалось спектральным уплотнением всего двух каналов с длинами волн 1310 и 1550 нм и межканальным интервалом 240 нм. В дальнейшем, развитие технологии позволило объединять десятки каналов с постепенным уменьшением межканального расстояния, то есть перейти к более плотному мультиплексированию. Так появились системы грубого уплотнения CWDM и точного уплотнения DWDM.
Особенность решений CWDM и DWDM состоит в создании системы точка-точка, которая мультиплексирует и демультиплексирует сигналы по определенному алгоритму:
Важным преимуществом технологий CWDM и DWDM можно назвать отсутствие взаимовлияния большого числа объединяемых каналов ввиду продуманности сетки спектрального разноса рабочих частот.
Оборудование WDM
При создании систем CWDM и DWDM применяются несколько видов оборудования, позволяющего мультиплексировать и демультиплексировать до 48 абонентских каналов. Рассмотрим основные системные компоненты.
Оптические транспондеры
Оптический транспондер выполняет регенерацию клиентских сигналов, а также преобразование их длин волн в индивидуальные («цветные») волновые длины WDM для их последующего мультиплексирования. Процесс конвертирования длин волн осуществляется путем модуляции несущих, генерируемых лазерами, клиентскими оптическими сигналами. Транспондеры отличаются различным количеством оптических портов входа и выхода. Параметры абонентских каналов определяются рекомендацией G.957, а выходных — рекомендацией G.962.
Оптические мультиплексоры/демультиплексоры
Оптические сигналы на «цветных» длинах волн поступают на волновой мультиплексор. Мультиплексор WDM является полностью пассивным устройством, выполняющим функцию спектрального уплотнения нескольких волновых каналов за счет использования явлений физической оптики, таких как, дифракция и интерференция.
Объединение каналов осуществляется благодаря применению канальных фильтров (CWDM) или матричной волноводной решетки с фокусирующими линзами (DWDM). Демультиплексор WDM принимает многоволновой сигнал и разделяет его на каналы с индивидуальными длинами волн, которые передаются на транспондер.
CWDM и DWDM, как развитие технологии WDM
Важнейшей предпосылкой развития технологии WDM явилась модернизация производства оптических волокон, позволившая добиться расширения рабочей полосы пропускания до 350 нм. Значение затухания в пределах полосы пропускания было значительно снижено, что дало возможность увеличения шага несущих и упрощения их фильтрации на приеме. Таким образом, стало возможным упростить и удешевить создание систем плотного спектрального уплотнения.
Разработка оригинальной системы CWDM, осуществляющей, так называемое, грубое спектральное мультиплексирование, стало первым важным шагом на пути совершенствования технологии WDM.
CWDM позволяет уплотнять до 16 оптических каналов с межканальным интервалом 20 нм, расположенных в пределах диапазона 1270 — 1610 нм. Обеспечивается передача трафика со скоростью 2,5 Гбит/с на один канал.
Оптические мультиплексоры/демультиплексоры CWDM изготавливаются на собственном производстве АО «Компонент» на основе одноканальных многослойных тонкопленочных фильтров. Используется последовательное соединение фильтров, настроенных на индивидуальные длины волн. Величина вносимого затухания индивидуальна для каждого канала и варьируется в пределах 0,4 — 6 дБ.
Оптимальное сочетание возможности спектрального уплотнения большого числа каналов и невысокой стоимости оборудования определяет востребованность систем CWDM на рынке.
Основным отличием технологии DWDM является уменьшение межканального расстояния до 0,4 — 0,8 нм, позволяющего мультиплексировать до 48 абонентских каналов с интерфейсом SDH, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и т. п. Соответственно, в системах используются два частотных плана с разнесением каналов на 50 ГГц и 1000 ГГц. В DWDM задействуется окно прозрачности 1550 нм. Пропускная способность каждого канала достигает 10 Гбит/с.
Частотная сетка с более плотным интервалом 50 ГГц эффективнее использует диапазон 1540 — 1560 нм, в котором функционируют усилители EDFA. Минусами данного варианта являются:
Мультиплексоры DWDM производятся АО «Компонент» по технологии AWG, использующей вместо канальных фильтров решетку из массива волноводов с отдельными дорожками, соответствующими длинам волн. Волновые сигналы при объединении и разделении проходят одинаковое расстояние по планарным волноводам, независимо от длины волны. В результате затухание равномерно во всем диапазоне, составляя 5 — 7 дБ.
Главное преимущество систем DWDM — большое число мультиплексированных каналов сочетается с серьезным минусом — высокой стоимостью оборудования.
АО «Компонент» предлагает CWDМ и DWDM мультиплексоры и демультиплексоры, установленные в корпусе оптического кросса 19 дюймов. Возможна установка до четырех устройств внутри корпуса высотой 1U.
Где купить качественные мультиплексоры CWDM и DWDM?
Обращайтесь в АО «Компонент» для покупки качественных мультиплексоров CWDM и DWDM по разумной цене. Предлагаем большой ассортимент высокотехнологичного оборудования WDM для ВОЛС и сетей передачи данных любого масштаба. Специалисты компании с удовольствием помогут вам подобрать оптимальные модели с учетом специфики и технических условий вашего проекта.
Технологии WDM: объединяем дата-центры в катастрофоустойчивые кластеры
Несмотря на надежность современных центров обработки данных, для критически важных объектов необходим еще один уровень резервирования, ведь вся IT-инфраструктура может выйти из строя из-за техногенной или природной катастрофы. Для обеспечения катастрофоустойчивости приходится строить резервные ЦОДы. Под катом наш рассказ о возникающих при их объединении (DCI — Data Center Interconnection) проблемах.
Объемы обрабатываемых человечеством данных выросли до невероятных величин, а роль IT-инфраструктуры в бизнес-процессах настолько велика, что даже кратковременные сбои могут полностью парализовать деятельность компании. Цифровые технологии внедряются повсеместно, и особенно сильно от них зависит финансовый сектор, телеком или, к примеру, крупный интернет-ритейл. Для большого облачного провайдера, банка или крупного оператора связи обеспечиваемой дата-центрами надежности не хватает: потери от небольшого простоя могут исчисляться астрономическими суммами и, чтобы их избежать, нужна катастрофоустойчивая инфраструктура. Создать ее можно только за счет увеличения избыточности — приходится строить резервные ЦОДы.
Отделяем понятия высокодоступности от аварийного восстановления
Объединяться могут корпоративные дата-центры или установленное на арендуемых площадях оборудование. Отказоустойчивость геораспределенных решений достигается за счет программной архитектуры, и на собственных объектах владельцы могут сэкономить: им необязательно строить ЦОД, например, уровня Tier III или даже Tier II. Можно отказаться от дизель-генераторов, использовать бескорпусные серверы, играть с экстремальными температурными режимами и проделывать другие интересные фокусы. На арендуемых площадях степеней свободы меньше, здесь правила игры определяет провайдер, но принципы объединения те же самые. Прежде чем говорить о катастрофоустойчивых IT-сервисах, стоит вспомнить три волшебных аббревиатуры: RTO, RPO и RCO. Эти ключевые показатели эффективности определяют возможность IT-инфраструктуры противостоять сбоям.
RTO (Recovery time objective) — допустимое время восстановления IT-системы после инцидента;
RPO (Recovery point objective) — допустимая при аварийном восстановлении потеря данных. Обычно измеряется как максимальный период, в течение которого данные могут быть потеряны;
RCO (Recovery capacity objective) — часть IT-нагрузки, которую способна взять на себя резервная система. Последний показатель может измеряться в процентах, транзакциях и прочих «попугаях».
Здесь важно отличать решения высокой доступности (HA — High Availability) от решений для аварийного восстановления (DR — Disaster Recovery). Наглядно разницу между ними можно представить в виде диаграммы с RPO и RTO в качестве координатных осей:
В идеале мы не теряем данные и не тратим время на восстановление после сбоя, а резервная площадка обеспечит полную работоспособность сервисов, даже если основная будет разрушена. Нулевых RTO и RPO можно достичь только при синхронном режиме работы дата-центров: по сути это географически распределенный отказоустойчивый кластер с репликацией данных в реальном времени и прочими радостями. При асинхронном режиме целостность данных уже не гарантируется: поскольку репликация делается с определенной периодичностью, часть информации может быть потеряна. Время переключения на резервную площадку в этом случае составляет от нескольких минут до нескольких часов, если речь идет о т.н. холодном резерве, когда большая часть дублирующего оборудования выключена и не потребляет электроэнергию.
Технические нюансы
Возникающие при объединении двух и более центров обработки данных технические трудности делятся на три категории: задержки при передаче данных, недостаточная пропускная способность каналов связи и проблемы информационной безопасности. Связь между дата-центрами обычно обеспечивают собственные или арендуемые волоконно-оптические линии связи, поэтому дальше мы будем говорить о них. Для работающих в синхронном режиме ЦОДов основной проблемой являются задержки. Чтобы обеспечить репликацию данных в реальном масштабе времени, они не должны превышать 20 миллисекунд, а иногда и 10 миллисекунд — это зависит от типа приложения или сервиса.
В противном случае не будут работать, например, протоколы семейства Fibre Channel, обойтись без которых в современных системах хранения данных практически невозможно. Там чем выше скорость, тем меньше должна быть задержка. Есть, конечно, протоколы, позволяющие работать с сетями хранения данных через Ethernet, но тут уже многое зависит от используемых в дата-центре приложений и установленного оборудования. Ниже в качестве примера представлены требования к задержкам для широко распространённых приложений Oracle и VMware:
Требования к задержкам Oracle Extended Distance Cluster:
From Oracle official data: How to Tell if the IO of the Database is Slow [ID 1275596.1]
Требования к задержкам VMware:
VMware vSphere Metro Storage Cluster Case Study VMware vSphere 5.0)
При передаче данных задержку сигнала можно представить в виде двух составляющих: Тобщая= Тоборуд. + Тов, где Тоборуд. – задержка, вызванная прохождением сигнала через оборудование, а Тов — задержка, вызванная прохождением сигнала через оптическое волокно. Задержка, вызванная прохождением сигнала через оборудование (Тоборуд ), зависит от архитектуры оборудования и способа инкапсуляции данных при оптико-электрическом преобразовании сигнала. В оборудовании DWDM этот функционал возложен на модули транспондера или мукспондера. Поэтому при организации связи между двумя дата-центрами особенно тщательно подходят к выбору типа транспондера(мукспондера), чтобы величина задержки на транспондере (мукспондере) была наименьшей.
При синхронном режиме важную роль играет скорость распространения сигнала в оптическом волокне (Тов). Известно, что скорость распространения света в стандартном (например, G.652) оптическом волокне зависит от коэффициента преломления его сердцевины и примерно равна 70% скорости света в вакууме (
300 000 км/с). Глубоко лезть в физические основы не станем, но легко посчитать что задержка в этом случае составляет где-то 5 микросекунд на километр. Поэтому два датацентра могут работать синхронно на расстоянии лишь около 100 километров.
При асинхронном режиме требования к задержкам не такие жесткие, но если сильно увеличить расстояние между объектами, начинает сказываться затухание оптического сигнала в волокне. Сигнал приходится усиливать и регенерировать, т.е приходится создавать собственные системы передачи или арендовать магистральные каналы связи. Объемы проходящего между двумя дата-центрами трафика достаточно велики и имеют свойство постоянно расти. Основные драйверы роста трафика между ЦОДами: виртуализация, облачные сервисы, миграция и подключение новых серверов и СХД. Здесь можно столкнуться и с проблемой недостаточной пропускной способности каналов передачи данных. Увеличивать ее до бесконечности не получится из-за отсутствия собственных свободных волокон или высокой стоимости аренды. Последний важный момент связан с информационной безопасностью: бегающие между ЦОДами данные нужно шифровать, что также увеличивает задержки. Есть и другие моменты, вроде сложности администрирования распределенной системы, но их влияние не столь велико, а все технические препятствия связаны в основном с особенностями каналов связи и оконечного оборудования.
Два или три — экономические трудности
Оба режима объединения дата-центров имеют существенные недостатки. Работающие синхронно объекты должны быть расположены недалеко друг от друга, что не гарантирует выживание хотя бы одного из них в случае масштабной катастрофы. Да, такой вариант надежно защищен от человеческой ошибки, от пожара, от разрушения машинного зала в результате падения самолета или от другого локального ЧП, но далеко не факт, что оба ЦОДа выдержат, например, катастрофическое землетрясение. В асинхронном режиме объекты можно разнести на тысячи километров, но обеспечить приемлемые значения RTO и RPO при этом уже не получится. Идеальным решением будет схема с тремя дата-центрами, два из которых работают синхронно, а третий расположен максимально далеко от них и играет роль асинхронного резерва.
Единственная проблема схемы с тремя ЦОДами — ее чрезвычайно высокая стоимость. Организация даже одной резервной площадки обходится недешево, а уж держать два простаивающих дата-центра могут себе позволить немногие. Подобный подход иногда применяется в финансовом секторе, если стоимость транзакции очень высока: крупная биржа может запустить схему с тремя небольшими ЦОДами, но уже в банковском секторе предпочитают использовать синхронное объединение двух. В других отраслях обычно объединяются два ЦОДа, работающие в синхронном или в асинхронном режиме.
DWDM — оптимальное решение для DCI
Если заказчику необходимо объединить два центра обработки данных, он неизбежно столкнется с указанными выше проблемами. Для их решения мы используем технологию спектрального уплотнения DWDM, позволяющую мультиплексировать ряд несущих сигналов в одно оптическое волокно с использованием разных длин волн (λ, т.е.«лямбд»). При этом в одной оптической паре может быть до 80(96) длин волн согласно сетке частот ITU-T G.694.1. Скорость передачи данных каждой длины волны составляет 100 Гбит/с, 200 Гбит/с или 400 Гбит/с, а емкость одной оптической пары может достигать 80 λ * 400Гбит/с = 32Tбит/с. Уже есть готовые разработки, обеспечивающие 1 Тбит/с на одну длину волны: они дадут еще большую пропускную способность в ближайшем будущем. Проблему пропускной способности каналов на сегодняшний день это решает полностью: вместо дополнительных волокон заказчик будет более эффективно использовать имеющиеся — утилизация трафика достигнет фантастических величин.
Спектральное уплотнение позволяет решить проблемы с полосой пропускания, и для работающих в синхронном режиме ЦОДов этого вполне достаточно, поскольку задержки при передаче данных между ними невелики из-за небольшого расстояния и больше зависят от типа применяемого транспондера (или мукспондера) в системе DWDM. Стоит отметить одну из главных особенностей технологии спектрального уплотнения DWDM: полностью прозрачную передачу траффика из-за того, что технология работает на первом физическом уровне семиуровневой модели OSI. Если так можно выразиться, система DWDM «прозрачна» для своих клиентских подключений, как если они были бы соединены прямым патч-кордом. Если говорить про асинхронный режим, то основная величина задержки зависит от расстояния между ЦОДами (мы помним, что в ОВ задержка 5 микросекунд на километр), а жестких требований к задержкам нет. Поэтому дальность передачи определяется возможностями системы DWDM и ограничивается тремя факторами: затуханием сигнала, отношением сигнала к шуму и поляризационно-модовой дисперсии света.
При расчете оптической части DWDM-линии все эти факторы учитываются и на основе расчетов подбираются типы транспондеров (или мукспондеров), необходимое количество и тип усилителей, а также прочих составляющих оптического тракта. С развитием систем DWDM и появлением в их составе транспондеров, поддерживающих когерентный прием со скоростями в 40Гбит/с и 100 Гбит/с и выше, поляризационно-модовая дисперсия света как ограничивающий фактор перестала учитываться. Вопрос расчета оптической линии и выбора типа усилителя — это большая отдельная тема, требующая от читателя знаний основы физической оптики, и подробно в этой статье мы ее не рассматриваем.
Технология WDM способна решить и проблемы информационной безопасности. Конечно, шифрование не обязательно должно выполняться на оптическом уровне, но у такого подхода есть ряд неоспоримых преимуществ. Шифрование на более высоких уровнях часто требует автономных устройств для разных потоков трафика и способствует значительным задержкам. С увеличением количества таких устройств растут и задержки, сложность управления сетью также увеличивается. Шифрование на оптическом уровне OTN (G.709 — рекомендация ITU-T, описывающая формат кадра в DWDM-системах) не зависит от типа сервиса, не требует отдельных устройств и выполняется очень быстро — разница между зашифрованным и не зашифрованным потоком данных обычно не превышает 10 миллисекунд.
Без использования технологии спектрального уплотнения DWDM почти невозможно объединить крупные центры обработки данных и создать катастрофоустойчивый распределенный кластер. Объемы передаваемой по сети информации растут экспоненциально и рано или поздно возможности существующих оптико-волоконных линий связи будут исчерпаны. Прокладка или аренда дополнительных обойдётся заказчику гораздо дороже покупки оборудования, по сути сегодня уплотнение — это единственный экономически целесообразный вариант. На небольших расстояниях технологии DWDM позволяют эффективнее использовать имеющиеся оптические волокна, поднимая утилизацию трафика до небес, а на дальних — еще и минимизируют задержки при передаче данных. На сегодняшний день это, пожалуй, лучшая из имеющихся на рынке технологий и к ней стоит присмотреться внимательнее.