Automatically Switched Optical Networks. Trendem v oblasti transportních sítí jsou mimo jiné automatizované systémy řízení, které umožňují dynamické přidělování síťových prostředků. V této oblasti se vyprofilovaly dvě dominantní technologie, které nabízejí podobné funkce. V tomto článku se podíváme na první z nich – automaticky přepínané optické sítě (ASON).
Automatically Switched Optical Networks - Abstract
Future trend in transport network should be the deployment of automated control plane, which would allow the dynamic allocation of network resources. Two major technologies have evolved in this branch, which offer similar functionality. In this article we deal with the first of them – automatically switched optical networks (ASON).
Keywords: ASON; control plane
Úvod
Současné optické sítě jsou založeny hlavně na SDH/SONET a WDM technologiích. Do budoucna nebudou dostačovat stále se stupňujícím požadavkům na přenos dat. Volné prostředky často nemohou být poskytnuty kvůli nutnosti manuálního zásahu při konfiguraci sítě. Tento problém by mohl být vyřešen za pomoci vhodného systému řízení (Control plane), který by zajišťoval řízení komunikace a spojení v reálném čase. Automaticky přepínaná optická síť (Automatic Switching Optical Network - ASON) je transportní sít, která disponuje schopností dynamického přepojování. Tato schopnost je zajištěna právě díky systému řízení [4].
Důvody k aplikaci ASON
Současné optické sítě disponují velkou přenosovou kapacitou, ale zatím jim schází dostatečná flexibilita, která by je posunula o krok výš v pomyslném evolučním žebříčku. Nynější optické sítě tíží hlavně potřeba manuálního managementu.
Hlavními nedostatky současných transportních sítí jsou [4]:
- Nutnost manuálního zadávání konfigurace, které je náchylné k chybám
- Manuální konfigurace sítě je pomalá
- Neefektivní využívání prostředků
- Obtížná součinnost mezi sítěmi s přepínáním paketů a přepínáním okruhů
- Komplikovaný management sítě
- Obtížná součinnost sítí patřících jiným operátorům
- Nedostatek ochrany v polygonálních optických sítích
Hlavními očekávanými pozitivy ASON sítí jsou [4]:
- Rychlá konfigurace sítě
- Snadnější provoz sítě
- Vyšší spolehlivost sítě
- Snadná rozšiřitelnost sítě
- Jednodušší plánování a projektování
Při využití automatizovaného řídícího systému by se čas poskytnutí optického kanálu mohl snížit až na několik sekund. Tak by se otevřel prostor pro nové možnosti služeb těžících z lepšího využití prostředků. Jednou z takových by mohla být přenosová kapacita na vyžádání (bandwidth on demand).
Aplikace separátního systému řízení by umožnila komunikaci mezi sítěmi různých operátorů a poskytovatelů díky součinnosti různých managementů sítě. V takových systémech by již nebylo třeba pracně vyhledávat optimální spojení nebo manuálně zadávat informace o topologii. Díky tomu by odpadly problémy s rozšiřitelností sítí, která může být velkým problémem v globálním měřítku. [1]
Systémy sítí ASON
V sítích ASON jsou provozovány tři navzájem nezávislé funkční systémy [4]:
Transportní systém reprezentuje funkční prostředky sítě, které přepravují uživatelské informace. Může také poskytovat přenos některých informací – např. řídících a týkajících se managementu sítě. Někdy je také nazýván datový systém.
Systém řízení zajišťuje funkce řízení komunikace a spojení. Funkce řízení v ASON jsou automatizované a zahrnují i automatické nalezení zařízení, prostředků a služeb, směrování a signalizaci.
Systém managementu zařizuje funkce managementu pro transportní systém, systém řízení a obecně i síť jako takovou. Koordinuje také součinnost všech systémů. Funkce systému managementu jsou předávány síťovým prvkům, které bývají méně automatizované než systém řízení.
I přesto, že jsou všechny systémy autonomní, dochází mezi nimi ke komunikaci, která je zapříčiněna tím, že systémy pracují se stejnými prostředky. Vazby systémů v ASON můžeme vidět na obr. 1.
Obr. 1 – Vazby systémů v ASON [5]
Obecný model spolupráce sítí
Vzhledem k možnosti přítomnosti spojení, která procházejí několika doménami, je nutné zprostředkovat jejich zavádění, údržbu a případné ukončení. Zmíněných operací je dosaženo spoluprácí řadičů z různých domén. Spoluprací sítí je myšlena spolupráce skupiny domén při managementu spojení. Existují dva typy možných modelů spolupráce [1]:
- Centralizovaný model spolupráce (Joint federation model)
- Decentralizovaný model spolupráce (Cooperative model)
V případě centralizovaného modelu existuje nadřízený řadič spojení, který řídí podřízené řadiče situované ve více doménách. Pokud je potřeba zřídit spojení procházející přes více domén, pracuje řadič spojení na nejvyšším postu jako koordinátor. Ten má povědomí o všech nejvyšších řadičích spojení v jednotlivých doménách. Díky tomu může rozdělit zodpovědnost za vytvoření spojení uvnitř každé domény příslušným řadičům. Příklad můžeme vidět na obr. 2.
Obr. 2 – Centralizovaný model spolupráce [1]
V decentralizovaném modelu neexistuje žádný nadřízený prvek. Pokud řadič spojení dostane požadavek na vytvoření spojení, sám provede kalkulace a kontaktuje další řadič bez jakéhokoli řízení. Každý řadič podél trasy tak hledá optimální cestu k dalšímu řadiči, dokud není navázáno spojení[1]. Model můžeme vidět na obr. 3.
Obr. 3 – Decentralizovaný model spolupráce [1]
Spolupráce administrativních domén probíhá podle decentralizovaného modelu. Předpokládá se, že každá administrativní doména je schopna spolupráce s jinými doménami. Nadřízené řadiče spojení uvnitř domén se mohou sdružovat s dalšími nadřízenými řadiči v jiných administrativních doménách dle decentralizovaného modelu. Administrativní doménu je možné také rozdělit, což umožňuje aplikovat jiný model spolupráce v každé administrativní subdoméně. Tak je možné využít obou modelů ke konstrukci velkých sítí.
Typy spojení v sítích ASON
V sítích ASON jsou rozlišovány tři typy spojení:
- Stálé (pernament)
- Přepínané (switched)
- Smíšené (soft-pernament)
Všechny typy poskytovaných spojení mohou být realizovány jako jedna z následujících možností:
- Jednosměrné spojení mezi dvěmi body
- Obousměrné spojení mezi dvěmi body
- Jednosměrné spojení mezi bodem a více body
Stálé spojení je zřízeno buď systémem managementu, nebo manuálním zásahem. Při jeho zřizování jsou každému síťovému prvku podél plánované trasy dodány informace potřebné k vytvoření spojení. [1] Vzhledem ke své povaze toto spojení nezatěžuje systém řízení a netýká se ho automatické směrování a signalizace. Velmi často se jedná o statické spojení, které je dlouhotrvající (měsíce, roky) - viz obr. 4.
Obr. 4 – Příklad zřízení koncového stálého spojení pomocí systému managementu [1]
Přepínané spojení je iniciováno na požadavek komunikujících koncových bodů a zřízeno za pomoci směrovacích a signalizačních schopností systému řízení. Přepínané spojení vyžaduje označování sítí, adresaci a protokoly systému řízení - viz obr. 5.
Obr. 5 – Příklad zřízení koncového přepínaného spojení pomocí signalizace systému řízení [1]
Smíšené spojení je založeno pomocí dvou stálých spojení, která se nacházejí na okraji sítě a jejich propojení přepínaným spojením uvnitř sítě. Spojení jsou zřízena za pomoci signalizace a směrovacích protokolů. Z pohledu koncových bodů se smíšené spojení jeví jako stálé spojení zřízené systémem managementu.
Referenční body
Součinnost mezi doménami, směrovacími oblastmi a v některých případech i skupinami řídících komponent je popsána referenčními body. Ty představují souhrn služeb poskytovaných přes rozhraní na jednom nebo více párech komponent. Výměna informací mezi referenčními body je popsána pomocí mnoha abstraktních rozhraní mezi řídícími komponentami. Fyzická součinnost je pak poskytována jedním nebo více takovými rozhraními. Fyzické rozhraní je popsáno přiřazením jednoho nebo více abstraktních rozhraní k protokolu. Existují tři typy rozhraní [1]:
Rozhraní uživatel – síť (UNI)
Rozhraní pro obousměrnou signalizaci mezi entitami systému řízení. V tomto případě mezi uživatelem žádajícím si službu a poskytovatelem služeb.
Rozhraní vnitřní síť – síť (I-NNI)
Rozhraní pro obousměrnou signalizaci mezi entitami systému řízení, které patří do jedné nebo více domén, které mohou sdílet jinak důvěrné informace.
Rozhraní vnější síť – síť (E-NNI)
Rozhraní pro obousměrnou signalizaci mezi entitami systému řízení, které patří do jiných domén.
Obr. 6 – Schéma ukazující aplikaci referenčních bodů [3]
Systém řízení a jeho funkce
Systém řízení je skupina komunikujících entit, které jsou zodpovědné za zřízení koncových spojení, jejich údržbu a ukončení. Tyto funkce jsou prováděny pomocí signalizace. Funkce systému řízení jsou následující [1]:
- Služby automatického nalezení
- Přidělování a rozpoznávání adres
- Směrování
- Signalizace
Služby automatického nalezení
Procesy služeb nalezení jsou aplikovatelné na jakoukoli síťovou vrstvu transportních sítí a slouží k nalezení síťových prostředků. Transportní systém by měl mít možnost zapnutí i vypnutí služeb automatického nalezení.
Směrování
Směrování je používáno k nalezení fyzické cesty pro sestavení spojení. V ASON je podporováno několik typů směrování: Hierarchické, zdrojově orientované a směrování krok po kroku.
V případě hierarchického směrování jsou řadiče spojení spojeny v hierarchickém smyslu. Každá směrovací oblast má své vlastní dynamické řízení spojení a zná pouze svoji topologii. Nemá však povědomí o topologiích jiných směrovacích oblastí na jakémkoli hierarchickém postu. Určení cesty začíná na vrcholu hierarchie a definuje podsítě na nižších hierarchických úrovních, kterými je možné cestu vést. Takto se proces opakuje na každé úrovni.
Zdrojově orientované směrování je založeno na principu decentralizovaného řízení spojení pomocí řadičů směrování. Cesta je určována prvním řadičem spojení, který je ve směrovací oblasti. Tato funkce je zprostředkovávána pomocí řadiče směrování, který poskytuje informace o směrování v doméně spadající pod jeho zodpovědnost. Z toho je zřejmé, že řadiči stačí mít informace o topologii jeho směrovací oblasti.
Směrování krok po kroku potřebuje méně informací v síťových uzlech než předchozí dvě metody. K nalezení cesty je ovšem nutné, aby každý uzel získal další spojení na cestě k cílovému zařízení.
Signalizace
Signalizace zahrnuje přenos řídících zpráv mezi všemi entitami komunikujícími přes řídící systém sítě. Signalizační protokoly se používají k vytvoření, údržbě, obnovení a ukončení spojení. Tyto protokoly jsou základem pro rychlé poskytování služeb a rychlou obnovu spojení po jeho pádu. Podle doporučení pro ASON [1] by signalizační síť měla být oddělena od transportní. Separace by měla napomoci jednodušší rozšiřitelnosti sítě, její pružnosti, efektivitě využití signalizačních linek a přizpůsobivosti při rozšiřování sady zpráv. Je velmi důležité, aby mohly rozdílné signalizační protokoly spolupracovat v mutlidoménových sítích stejně jako ve své vlastní doméně [3].
Ochranné přepínání
Vyšší spolehlivosti sítě je v ASON dosaženo pomocí různých možností ochranného přepínání. Odolnost sítě je schopnost pokračovat ve své činnosti i v případě poruch v síti. Odolnost může být zvýšena buď za pomoci zajištění ochrany proti poruchám nebo mechanismy obnovení. Ochranné přepínání v ASON zahrnuje všechny tři funkční systémy.
Ochrana spočívá v zaměnění původního prostředku za nový s využitím k tomu předem určených prostředků. Ochranu zavádí systém řízení, konkrétně komponenta řízení spojení, vytvořením jak funkčního tak ochranného spojení. Mechanismy ochrany probíhají pouze mezi zdrojovým a cílovým řadičem spojení v ochranné doméně systému řízení. V případě ochranného přepínání tedy není nutno dodatečné směrování a sestavování nové trasy, což tvoří největší rozdíl mezi ochranou a obnovou. Ochranné akce zaberou typicky desítky milisekund, zatímco obnova se pohybuje v řádech stovek milisekund až sekund.
Obnova je přesměrováním spojení přes jinou trasu, kterou je potřeba nejdříve nalézt. Trasa pro obnovu tedy není předem určena. Obnova v systému řízení spočívá v přesměrování volání na volné prostředky. Přesměrování je realizováno pouze v doméně určené k přesměrování.
Při aktivaci přesměrování je postupováno jako při prvotním navázání volání. V případě přesměrování týkajícího se pouze jedné domény je operace realizována mezi zdrojovými a cílovými komponentami v rámci přesměrovací domény (re-routing domain) a nepřekročí hranice domény. Pokud je přítomno více přesměrovacích domén, vyjednají komponenty na okrajích přesměrovacích domén aktivaci služeb přesměrování.
Rozlišujeme mezi službami přesměrování při poruše (hard re-routing) a přesměrování pro účely údržby (soft re-routing). Prvně zmíněné je mechanismus zotavení, který je vždy spuštěn selháním spojení. V případě poruchy síťového prostředku je volání zachováno pouze na okrajích presměrovací domény, uvnitř je uvolněno. Zdrojové zařízení na okraji zamezí skončení volání a pokouší se najít nové spojení. Cílové zařízení na okraji také zamezí skončení volání a čeká na obnovení spojení zdrojovým zařízením.
Důležitým faktem je, že transportní systém by neměl být ovlivněn poruchami v systému řízení. Nicméně nová spojení nemusí být přijata právě kvůli poruše v systému řízení. V tomto případě může být systém managementu použit pro příjem požadavků na spojení.
Závěr
Díky nesporným výhodám, které ASON přináší, je možné nejen nabídnout běžné služby v kratším čase, ale otevírá se prostor i pro služby nové. Různé možnosti zabezpečení služeb mohou vyhovět náročným zákazníkům a díky automatizaci může být správa sítě jednodušší. Je jisté, že s klasickými „ručně“ konfigurovanými sítěmi se budeme setkávat i nadále, ale myslím si, že s narůstajícími požadavky bude problém spolupráce sítí různých poskytovatelů a operátorů stále aktuálnější a je jen otázkou času, kdy dojde k širšímu nasazení technologií podporujících dynamické přepínání. Navíc by poskytovatelé, kteří by nabídli služby na vyžádání, mohli získat výhodu oproti konkurenci, neboť je pravděpodobné, že o takový typ služeb bude zájem.
Článek vznikl v rámci projektu SGS10/275/OHK3/3T/13.
Literatura
[1] Doporučení ITU-T G.8080/Y.1304. Architecture for the Automatically Switched Optical Network (ASON). 06/2006.
[2] Doporučení ITU-T G.8081/Y.1353. Terms and definitions for Automatically Switched Optical Networks (ASON). 06/2004.
[3] JAJSZCZYK, Andrzej. Control Plane for Optical Networks: The ASON Approach. China Communications [online]. 2004, Dec. 2004, Opening issue [cit. 2008-11-15], s. 113-122. Dostupný z WWW: http://www.china-cic.org.cn/english/digital%20library/200412/24.pdf.
[4] JAJSZCZYK, Andrzej. Automatically switched optical networks: Benefits and requierments. IEEE Optical Communications [online]. 2005, vol. 43, is. 2 [cit. 2009-06-30], s. S10-S15. Dostupný z IEEE Xplore digital library.
[5] FOISEL, Hans-Martin. ASON/GMPLS Inter-Domain Interfaces, Integration of Control and Data Plane Functions. [online]. [cit. 2008-11-15]. Dostupný z WWW:
http://oiforum.com/public/downloads/060322-ASON-GMPLS-InterDomainInterfaces-final.pdf.
Automaticky přepínané optické sítě
