Vývoj optické hierarchie OTH k plné podpoře Ethernetu

Optical Hierarchy Development for Ethernet Support. Optická hierarchie založená na vlnovém multiplexování DWDM slouží k budování vysokorychlostních páteřních optických sítí. Vedle toho se používá v OTH i multiplexování TDM pro efektivní využití všech vlnových délek. Nárůst přenosových rychlostí vedl ke standardizaci a nutnosti podporovat rozhraní Ethernet s rychlostmi 40 a 100 Gb/s.

---

Optical Hierarchy Development for Ethernet Support – Abstract:

OTH hierarchy based on optical wavelength multiplexing DWDM is used to build high-speed backbone optical networks. In addition, it is used in OTH and TDM multiplexing for effective utilization of all wavelengths. The increase in transmission speeds has led to the standardization and the need to support an Ethernet interface with speeds of 40 and 100 Gb/s.

Keywords: optical network; OTN; Ethernet

---

Pro vytváření optických sítí (OTN) na principu DWDM byla standardizována (ITU-T G.709, G.798) optická hierarchie OTH (Optical Transport Hierarchy). Smyslem OTH je vytvořit společnou platformu pro různé typy sítí (SDH, IP/Ethernet) s vyspělou podporou služební části sítě (monitorování kvality, management), podporou vysokých přenosových rychlostí a s vysokou kvalitou přenosu. Typicky se pro vlnové dělení DWDM používá pásmo 196,1 – 192,1 THz, tj. 1528,77 až 1560,61 nm podle doporučení ITU-T G.692. Bližší popis OTH je uveden v článku Optická hierarchie OTH.

Od rozhraní Ethernet 10 GE k rozhraní 100 GE

Ethernet byl vytvořen původně jako standard pro lokální datové sítě LAN. Pokrývá nejnižší vrstvy komunikace pod síťovou vrstvou (obvykle IP), tedy vrstvu spojovou a fyzickou. S narůstajícím významem přenosu dat a protokolu IP se Ethernet rozšířil i do rozlehlých sítí, aby se tak předešlo nutnosti protokolové konverze. Dnes dominuje Ethernet mimo LAN v metropolitních sítích (přímý přenos po optických vláknech či po kanálech WDM) nebo prostřednictvím SDH (Synchronous Digital Hierarchy) a OTH (Optical Transport Hierarchy) v síti WAN (Ethernet over SDH, Ethernet over OTH). Donedávna byla nejvyšší rychlost Ethernetu 10 Gb/s (10 GE). Pro rozlehlé sítě mají význam rozhraní využívající optických vláken:

• 10GBASE-SR (mnohavidové vlákno kategorie OM3 do 300 m, vlnová délka 850 nm)
• 10GBASE-LR (jednovidové vlákno do 10 km, vlnová délka 1310 nm)
• 10GBASE-ER (jednovidové vlákno do 40 km, vlnová délka 1550 nm)
• 10GBASE-SW (mnohavidové vlákno kategorie OM3 do 300 m, vlnová délka 850 nm)
• 10GBASE-LW (jednovidové vlákno do 10 km, vlnová délka 1310 nm)
• 10GBASE-EW (jednovidové vlákno do 40 km, vlnová délka 1550 nm)
• 10GBASE-LX4 (jednovidové vlákno do 10 km, 4 vlnové délky WDM, mnohavidové vlákno do 300 m)

Ethernet 10 GE je prvním dodatkem normy Ethernet, ve kterém se kromě rozhraní typických pro sítě LAN (SR, LR a ER) definují i rozhraní WAN (SW, LW a EW) se skladbou rámce fyzické vrstvy převzaté z přenosové technologie SDH (STM-64). Je tak přímým důsledkem prorůstání technologií klasických telekomunikačních sítí s technologiemi sítí datových.

V dnešní době jsou již k dispozici specifikace standardu Ethernet pro rychlost 100 Gb/s, který bude mít opět několik variant včetně paralelního přenosu po více vlnových délkách v rastru DWDM či CWDM. Protože z technologického hlediska je poměrně velký skok z 10 na 100 Gb/s, bylo zavedeno i rozhraní Ethernet s rychlostí 40 Gb/s (rychlost odpovídající cca nejvyšší rychlosti SDH řádu STM-256). Zatím byla standardizována (IEEE 802.3ba) tato rozhraní:

• 40GBASE-CR4 (elektrické rozhraní – aktivní twinax kabel 4x10 Gb/s, délka max. 10 m)
• 40GBASE-SR4 (svazek mnohavidových vláken, vlnová délka 850 nm, 4x10 Gb/s, délka max. 100 m)
• 40GBASE-LR4 (jednovidové vlákno s WDM 4x10 Gb/s v oblasti vlnových délek 1300 nm, délka max.  10 km)


• 100GBASE-CR4 (elektrické rozhraní – aktivní twinax kabel 10x10 Gb/s, délka max. 10 m)
• 100GBASE-SR4 (svazek mnohavidových vláken, vlnová délka 850 nm, 10x10 Gb/s, délka max. 100 m)
• 100GBASE-LR4 (jednovidové vlákno s WDM 4x25 Gb/s v oblasti vlnových délek 1300 nm, délka max.  10 km)
• 100GBASE-ER4 (jednovidové vlákno s WDM 4x25 Gb/s v oblasti vlnových délek 1300 nm, délka max.  40 km)

Jedná se zatím o rozhraní vhodná pro vnitřní propojení na krátké vzdálenosti a pro sítě LAN a MAN. Pro WAN sítě se očekává varianta pro vlnové délky z oblasti 1550 nm, která umožní překlenout větší vzdálenosti a umožní zesilování optickými zesilovači EDFA. Uvedené varianty pracují s rozložením celkového toku do několika kanálů (několik fyzicky oddělených kanálů 10 či 25 Gb/s, nebo několik kanálů WDM). Ve vývoji je i rozhraní s přenosem po jediném vlákně na jediné vlnové délce, kde je ovšem nutno použít optický signál se dvěma polarizacemi a vícestavovou modulaci.

Rozhraní optických sítí OTN

Typy rozhraní optické sítě OTN pracující s hustým vlnovým multiplexem DWDM na základě optické hierarchie OTH definuje doporučení ITU-T G.959.1. Optická rozhraní se charakterizují dle počtu vlnových délek v multiplexu a dále se dělí podobně jako rozhraní pro SDH zejména podle:

• Překlenutelného útlumu a tím i dosahu se rozlišují vnitřní (intra-office), krátké vzdálenosti (short-haul), dlouhé vzdálenosti (long-haul), velmi dlouhé vzdálenosti a ultra dlouhé vzdálenosti
• Rychlosti od 1,25 do 160 Gb/s (předpokládá se změna na rychlost 100 Gb/s v souvislosti se standardizací 100G Ethernetu) a linkového kódu (NRZ – kód bez návratu k nule, RZ – kód s návratem k nule)
• Typu vlákna a použité oblasti vlnových délek

Kódové označení obsahuje i další upřesňující skutečnosti (zejména údaje o použití optického předzesilovače ve vstupní části rozhraní, výkonového optického zesilovače ve výstupní části rozhraní, příp. obou):

Další symboly přidávané volitelně na konec jsou: F –  korekce chyb FEC dle ITU-T G.709, D – adaptivní kompenzace disperze, E – elektrická kompenzace disperze  v přijímači.

Pro označení obousměrného rozhraní, které využívá pro oba směry přenosu jediné vlákno s oddělením pomocí různých vlnových délek, se místo prvního písmena P použije B (Bidirectional). Příklad toleranční masky oka rozhodnutí ukazuje obr. 1. Typické parametry pro vybrané typy rozhraní ukazuje následující tabulka.

Tab. 1  Příklady číselných hodnot parametrů vybraných rozhraní optické sítě OTN s maximálně 16 kanály DWDM s roztečí 200 GHz

Obr. 1  Toleranční pole oka rozhodnutí pro rozhraní OTN – typické hodnoty pro kód NRZ: x₃-x₂=0,2; y_1,3,4=0,25; y₂=0,75

Základní struktura OTH

Základní signály optické hierarchie se nazývají optické transportní moduly OTM (Optical Transport Modul). Bližší popis variant a multiplexování je uveden v článku Optická hierarchie OTH. OTM přenáší skupiny optických nosných OCG (Optical Channel Group). Jednotlivé optické nosné OCC (Optical Channel Carrier) nesou optické kanály OCh (Optical Channel). Optickými kanály se přenášejí transportní jednotky optických kanálů OTU (Optical Channel Transport Unit).

Transportní jednotka optického kanálu OTU se sestavuje v elektrické formě prostřednictvím časového multiplexu TDM (bajtové prokládání). Vznikne z datové jednotky ODU (Optical Channel Data Unit) přidáním záhlaví OTU‑OH a zabezpečení FEC (Forward Error Correction) opravným kódem RS (Reed-Solomon). Rámec OTU obsahuje celkem 4x4080=16320 bajtů, z toho je 4x3808=15232 bajtů vlastního informační pole (např. pro kompletní rámec STM).

Do informačního pole optického kanálu OPU (Optical Channel Payload Unit) je možné mapovat následující příspěvkové signály:

• Asynchronní / bitově synchronní mapování signálů s konstantní přenosovou rychlostí (CBR) – typicky STM toky
• ATM buňky
• Rámce GFP (Generic Framing Procedure) s délkou 4 až 65535 bajtů s mezirámcovou výplní 4 bajty
• Ethernet příp. Fibre Channel – přímé mapování (bit stream)
• Multiplexní struktura složená z bajtově proložených ODU nižšího řádu či ODUflex (viz též dále)
• Nespecifikované signály (bit stream) – určeno pro nestandardní či budoucí využití

Původní specifikace OTH definovala tři typy jednotek podle podporované přenosové rychlosti (přesné přenosové rychlosti uvádí tab.2):

• OPU1/ODU1/OTU1 pro přenosovou rychlost 2,5 Gb/s
• OPU2/ODU2/OTU2 pro přenosovou rychlost 10 Gb/s
• OPU3/ODU3/OTU3 pro přenosovou rychlost 40 Gb/s

Na různých vlnových délkách DWDM může být obecně přenášen jiný typ jednotky s jinou přenosovou rychlostí.

Rozšíření multiplexní struktury OTH

Aby se maximálně využila přenosová kapacita na každé vlnové délce DWDM, lze uvnitř struktury OTH provést časové sdružení pomalejších příspěvkových signálů mapovaných do OPU1 či OPU2 (např. čtyř toků 2,5 Gb/s do jedné OTU2, nebo šestnácti toků 2,5 Gb/s do jedné OTU3), jak uvádí obr. 2. Není totiž efektivní, aby na optické trase, která z hlediska disperze zvládne rychlosti 10 Gb/s, byly provozovány některé vlnové délky s toky 2,5 Gb/s. Pokud podle uvedeného schématu multiplexujeme časovým proložením čtyři toky 2,5 Gb/s, obsadíme prostřednictvím OTU2 jen jednu vlnovou délku, takže oproti separátnímu přenosu čtyř OTU1 ušetříme tři vlnové délky v multiplexu DWDM, které můžeme použít jinak.

V dodatečné modifikaci doporučení ITU-T G.709 byly doplněny další možnosti multiplexování a byly přidány další hodnoty podporovaných přenosových rychlostí. Doplněné schéma vnitřního multiplexování uvádí obr. 2. V první řadě byla zavedena datová jednotka ODU0 s poloviční kapacitou oproti ODU1 pro standardizovanou podporu přenosu Ethernetu s rychlostí 1 Gb/s (po překódování 8B/10B je rychlost 1,5 Gb/s) a s mapováním pomocí protokolu GFP-T. Do této doby bylo možno mapovat jediný tok 1GE do OPU1, nebo někteří výrobci používali svůj nestandardní způsob začlenění dvou toků 1GE do OPU1. Ze schématu je zřejmé, že na ODU0 nenavazuje odpovídající OTU, ale vždy jsou dvě jednotky ODU0 multiplexovány (bajtově proloženy) a přenášeny prostřednictvím jednotky OTU1, případně vyšší.

Dalším doplněním je datová jednotka označovaná ODUflex (flexibilní), která dovoluje zpracovat digitální toky různých přenosových rychlostí v celistvých násobcích M x 1,25 Gb/s teoreticky až do hodnoty 100 Gb/s. Jedná se o paralelu ke zřetězení virtuálních kontejnerů, známého z SDH. Zde se zřetězují jednotky (časové polohy) odpovídající strukturám ODU0 do jednoho celku. Např. pro přenesení toku s rychlostí 5 Gb/s se obsadí čtyři časové polohy ODU0 v rámci OTU2 z celkových osmi.

Obr. 2 Doplněná multiplexní struktura OTH s podporou Ethernetu 1 a 100 Gb/s

Pro přenos nově standardizovaného Ethernetu s rychlostí 40 Gb/s je přímo použitelná datová jednotka ODU3. Pro Ethernet s rychlostí 100 Gb/s bylo nutno vytvořit novou datovou jednotku ODU4 a odpovídající strukturu OTU4. Není však ještě zcela dořešen její přenos optickou sítí. Bude možno využít jedinou vlnovou délku s vícestavovou modulací a kompenzací disperze, nebo rozložení toku na více vlnových délek s přenosem standardním způsobem.

Přehled zmíněných přenosových rychlostí uvádí tab. 2 včetně atypických variant pro podporu Ethernetu s rychlostí 10 Gb/s s přímým mapováním (bez GFP, pomocí kódování 64B/66B) označovaných ODUe/OTUe. Obdobným způsobem se značí jednotky pro přímo mapovaný tok Fiber Channel ODUf/OTUf.

Tab. 2 Varianty přenosových rychlostí pro různé typy signálů

Závěr

Optická hierarchie vytvořila standardizovanou platformu pro budování plně optických sítí založených na DWDM. Pro provozní a služební účely byla vybavena řadou možností tak, aby provozovatelům sítí umožnila pružné vydělování signálů, dohled nad provozem a efektivní využití dostupných prostředků. Původní specifikace si vyžádala některé doplňky, zejména s ohledem na spolupráci se standardy Ethernet, popsané v tomto článku.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií č. MSM6840770014.

Odkazy

[1] Vodrážka, J.: Optická hierarchie OTH. Access server. Číslo článku 2005062901. Praha 2009. 
[2] Doporučení ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Network (OTN). 3/2003.
[3] Doporučení ITU-T G.798. Characteristics of optical transport network hierarchy equipment functional blocks. 6/2004.
[4] Vodrážka, J.; Havlan, M. Přenosové systémy. Sítě a zařízení SDH a jejich návrh. Vydavatelství ČVUT, Praha 2009.