Возможен ли кризис в оптических сетях?



    Можно образно сказать, что сегодня практически каждый телефонный звонок, каждое посылаемое sms-сообщение, каждый загружаемый на youtube видеоролик в какой-то момент преобразовывается в элементарные частицы света (фотоны) и несется с бешеной скоростью (более 200 тысяч км/c) может быть даже по дну океана по сверхтонким стеклянным нитям. Таких нитей на сегодняшний день задействовано более двух миллиардов километров, они могут обернуть земной шар более чем 50000 раз.

    Теперь если говорить про оптические сети более серьезным языком, то можно отметить следующее. До недавнего времени потенциал стандартных одномодовых волокон превышал необходимый для решения проблемы роста трафика задел по пропускной способности оптических сетей. В сравнении с попытками разработать принципиально новую волоконную платформу, долгое время существовали гораздо более экономически эффективные способы повышения пропускной способности. Эти способы долгое время шли нога в ногу с общемировыми темпами роста трафика и реализовывались, например, через простое обновление терминального оборудования с целью более эффективного использования доступной полосы пропускания. Однако времена меняются и сегодняшние лабораторные эксперименты, связанные с передачей данных через стандартные одномодовые волокна, все ближе к фундаментальным пределам пропускной способности одномодовых волокон. В соответствии с теорией информации, этот предел для текущих волокон оценивается примерно в 100-200 Тбит/с. Данный факт вызывает обеспокоенность в связи с невозможностью в будущем планомерного повышения в разы пропускной способности сетей и был назван «кризисом емкости» оптических сетей. Для обсуждения возникшей ситуации уже устраивают различные симпозиумы, стараются найти пути решения. Попробуем далее объяснить суть данного факта. Для более лучшего понимания, сначала рассмотрим, как хронологию темпов роста скоростей передачи данных на земном шаре вместе с эволюцией скоростей линейных интерфейсов.

    Особенности эволюции скоростей систем связи и линейных интерфейсов

    На графике ниже отражены значения показателей, характеризующих емкость телекоммуникационных систем за последние 500 лет. В общем случае система связи может быть количественно оценена значением символьной скорости и количеством информации, приходящимся на 1 символ (число бит на символ). Зеленые маркеры на рис. 1 показывают значение скорости системы связи в бит/с в тот или иной момент времени.

    Значения показателей, характеризующих емкость телекоммуникационных систем за последние 500 лет.

    Рис. 1



    Данные результаты отражают историческое развитие способностей систем передачи информации, начиная с ранних систем связи, таких как набор ретрансляционные вышек, в которых для передачи сообщений от станции к станции использовались сигналы в виде зажженных огней. Как известно, в подобных первых системах связи передача сообщений проходила медленно, и они обычно служили для передачи сигнала тревоги. Для передачи более сложных сообщений необходимо было значительно повысить производительность путем увеличения информационного содержания каждого сигнала.

    Крестики на рисунке характеризуют скорости беспроводных систем связи, включая такие допотопные, как оптический телеграф Мюррея и семафор братьев Шапп. Как видно из рисунка, в тот ранний период наблюдался экспоненциальный рост скорости передачи, хотя среднегодовой темп роста составлял ниже 10%.

    В XIX в. для передачи сообщений стали использовать электрические сигналы, появился телеграф. Темпы роста производительности систем связи возросли примерно до 20% в год. Использование электрических сигналов позволило значительно снизить затраты по эксплуатации линий связи за счет внедрения взамен управляемых людьми ретрансляционных вышек электронных усилителей. В последующие 50 лет уже были сконструированы трансатлантические кабели и вскоре линии связи охватили весь земной шар, достигнув в 1872 году города Аделаида в Австралии.

    В течение всего следующего столетия медножильные кабели связи позволили наращивать емкости сетей, появились коаксиальные кабели. В системах связи стали появляться различные схемы мультиплексирования, модуляции и т.д. Однако предел емкости для таких линий связи составлял около 1 Гбит/с. К тому же сочетание большого коэффициента затухания и сильно ограниченной полосы канала стало жестко ограничивать развертывание систем повышенной пропускной способности. Потребовалась новая технология передачи данных – появились ВОЛС. Дальнейшее развитие сетей, думаю можно не описывать. Если кто не знаком с историей развития ВОЛС, но хочет узнать, можно почитать об этом, например, здесь.

    В школьных учебниках истории можно было бы отметить, что скорости коммерческих линейных интерфейсов в оптических транспортных системах, начиная с середины 80-х годов, неуклонно увеличивались примерно на 20% в год. Вследствие этих темпов объем передачи данных по одному волокну в середине 90-х годов составлял уже порядка десятков гигабит, что потребовало разработки новых технологий, повышающих общую пропускную способность сетей. Решением проблемы стали системы WDM. В настоящее время сетевой трафик также растет стремительными темпами, ежегодно он увеличивается в пределах от 30% до 90% в зависимости от вида трафика.

    Можно отметить следующие интересные моменты. В течение последних десятилетий рост производительности маршрутизаторов (вследствие эволюции микропроцессоров и других вычислительных устройств в соответствии с законом Мура) совпадал с темпами увеличения трафика (см. рис 2). В то же время темпы роста скорости высокоскоростных оптических интерфейсов составил лишь 20%. Таким образом, можно отметить следующий факт: темп роста производительности маршрутизаторов оказался более быстрым в сравнении с темпом роста их интерфейсных скоростей приблизительно на 40-60%.

    В течение последних десятилетий рост производительности маршрутизаторов (вследствие эволюции микропроцессоров и других вычислительных устройств в соответствии с законом Мура) совпадал с темпами увеличения трафика.

    Рис. 2 – Сравнение скоростей оптических систем и скорости линейных интерфейсов



    Как видно из рисунка 2, примерно в 2005 году возможности оптических линейных интерфейсов стали ограничивать рост скорости интерфейсов маршрутизаторов. Стандартизация интерфейса 100G Ethernet и транспортного модуля OTN на 100 Гбит/с была осуществлена только в 2010 году, а, стандартизация интерфейса 400G Ethernet только в 2017 году. Можно выделить еще одно следствие, которое вытекает из диспропорционального роста электрических и оптических интерфейсов – снижение в будущем уровня агрегации Ethernet потоков в один оптический канал. То есть, если ранее один оптический канал 100G включал десять компонентных потоков 10GE, то со стандартизацией интерфейса 100G Ethernet такого уровня агрегации уже не будет.

    Сегодня темпы роста пропускной способности WDM систем передачи замедлились со 100% ежегодного роста в 1990-х годах до всего лишь 20% в год. В 2010 году коммерческие сети с системами WDM могли поддерживать приблизительно 100 оптических каналов со скоростью 100 Гбит/с каждый. Таким образом, пропускная способность одного волокна доходила до 10 Тбит/с. При ежегодном темпе роста трафика в 40% следует ожидать, что коммерческие системы должны будут поддерживать в 2024 году емкость около 1 Пбит/с. Это отнюдь не означает, что к тому времени такие системы будут задействованы на все 100%, чего и не было в случае систем 2010 года, однако коммерческая необходимость в начале установки таких систем, скорее всего, будет существовать.

    Что следует из всех представленных фактов? Представьте, что в детстве в 6 лет вы могли наесться одним яблоком и небольшой тарелкой каши. В 10 лет нам было нужно уже в два раза больше: два яблока плюс порция каши выросла в 2 раза. В 14 лет мы уже едим яблоки, тарелку каши, тарелку супа плюс нам еще нужен компот. Аппетит со временем у нас растет в геометрической прогрессии, и в 20 лет мы едим как сумоист, а в 32 года, как Робин Бобин Барабек (как в стихотворении Маршака). Таким образом, если в самом начале наш аппетит был совершенно традиционным и реальным для обычного человека, то в дальнейшем многократные темпы роста привели нас к немыслимым объемам, труднореализуемым на практике. Такая же ситуация происходит и в современных оптических сетях.

    Постоянное повышение значения спектральной эффективности в существующих сетях не может продолжаться бесконечно – существуют ограничения в виде фундаментальных пределов пропускной способности канала. Ограничения обусловлены как технологическими несовершенствами передатчиков, приемных модулей, мультиплексоров и оптических усилителей (внутренний шум оптических усилителей), так и свойствами самого волокна (нелинейные эффекты). Все это приводит к различным искажениям сигнала и соответственно к практическим ограничениям скорости передачи. Напомним, что фундаментальное ограничение максимальной скорости передачи в канале называется пределом Шеннона – физическое ограничение, лежащее в основе самого «кризиса емкости».

    Сегодня понятия кризис емкости оптических сетей и предел Шеннона широко используются в научном сообществе как обоснование необходимости срочной разработки инновационных решений. Однако следует отметить, что данный термин можно воспринимать и толковать по-разному. Например, в отрасли по разведке и добычи нефти, фраза «кризис емкости» или «кризис способностей» появилась намного раньше и подразумевала приближающееся истощение имеющихся ресурсов. Распространенное толкование этой фразы означает ограниченную, но все же непрерывно продолжающуюся поставку конечного объема ресурсов. В таком же контексте можно относиться к «кризису емкости» применительно к оптическим сетям. То есть в будущем кризис способностей будет означать постоянное существование сетей оптической связи, поддерживающих большую часть современного общества, с экономической, административной и социальной точек зрения, но с ограничениями на доступность к услугам сети.

    Можно предположить, что «кризис емкости» может привести к изменениям порядка расчета у провайдеров за сетевые услуги. Например, потребители услуг будут платить операторам за фактическую используемую ширину полосы частот. Также можно предположить, что через столетия после создания сетей с более высокой пропускной способностью, ресурсы сетей, наконец, будут соответствовать нашим конечным желаниям, и темпы роста трафика выше 10% будет отмечены в истории просто как особенность периода конца XX в.- первой половины XXI. Однако, судя по появлению все новых и новых информационных приложений, достаточных доказательств того, что спрос начинает насыщаться, нет. Сейчас в основном преобладает подход «построй это, и оно придет», т.е. сначала создаются новые технологии, а потом они уже становятся востребованными у людей. Существуют и другие сторонники, придерживающиеся подхода «необходимо разрабатывать новое по мере необходимости». Последние считают, что только при таком мышлении человечество будет развиваться полноценно и не загонит себя, в конечном счете, в тупик. По какому подходу должно развиваться общество, а вместе с ним и телекоммуникационные сети вопрос спорный, дискуссии по этому вопросу уже немолоды.

    Подготовил Дмитрий Кусайкин
    НАГ 81,19
    Компания
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    Комментарии 32
    • +4
      Сегодня темпы роста пропускной способности WDM систем передачи замедлились со 100% ежегодного роста в 1990-х годах до всего лишь 20% в год.

      Вот всем бы их проблемы: "Мы десятки лет удваивались каждый год, а сейчас у нас кризис — мы удваиваемся только раз в 5 лет" ...

      • +5
        20% — это удвоение за 4 года </зануда>
        • 0
          Тем более что можно масштабироваться просто за счет прокладки дополнительных кабелей, разве нет? latency не уменьшить, но пропускную способность сколько угодно
        • +1
          Гигабиты, террабиты, а у многих до сих пор даже 10Мбит/с канала нет и не предвидится технической возможности. Нельзя даже за свой счет прокопать линию и подключить.
          Ну и 4G(йота, теле2) со скоростью не более 10Мбит/с, редко 15Мбит/с(прием нормальный, каналы перегружены)
          • +1
            А у вас в России только под землей можно кабель прокладывать?
            В Украине мне недавно подключили оптоволокно. Населенный пункт покрыли гдето за недели две. Тянуть полями нужно было 5 километров. Кабель проложен по ЛЭП. Я узнавал у них как это организовано — они платят собсвеннику ЛЭП арендную плату за каждый арендованый км линий. Энергетики все время чистят линии от деревьев так что обрыв какимто деревом не страшен.

            Нельзя даже за свой счет прокопать линию и подключить.

            Вам наверно нужно стать мелким провайдером и получить разрешения. А потом самим и протянуть. :)
            • +1
              У нас можно такое, узнавал за подключения дачного поселка несколько лет назад, 600 тысяч рублей где-то прокладка кабеля по ЛЭП 10 км. Аренда ЛЭП не помню сколько стоила. Но пока с соседями все обсуждал у нас неподалеку вышку с 4G построили и нагрузка на нее небольшая и скорость в итоге нормальная.
              Жаль правда, что этот оператор не работает с домашним интернетом, а то кабель уже проложен и можно было бы и в дома провести.
              • +2
                Всё упирается в жадность собственников опор, чиновников и т.д. Сам кабель стоит недорого. Протянуть 10 км по столбам — это работа для бригады из нескольких человек на неделю-две, а то и меньше. Мы с напарником вдвоём с использованием 1 лестницы за 1 день протягивали километр кабеля, например. В случае ЛЭП, может, дольше и сложнее, если потребуются отключения, тут не знаю. Но не 600 тысяч. Аренда — то же самое: зачастую собственники хотят неподъёмную для маленьких провайдеров цену, что не оставляет шансов протянуть линию законно (и многие тянут под чёрным флагом). Когда уже урезонят хотелки всех этих «собственников», получивших после развала СССР в собственность по сути государственные столбы и теперь ломящие цены.
                • +2
                  Когда уже урезонят хотелки всех этих «собственников», получивших после развала СССР в собственность по сути государственные столбы и теперь ломящие цены

                  Ну, тут, если честно, есть тонкости. Если (а подчас правильный вопрос «когда») столб упадет, то собственнику мало не покажется, если окажется, что это было из-за избыточной нагрузки или ошибки при монтаже кабеля. Особенно, если кто-то пострадает.
                  Я давно будучи студентом работал при телекоме. В офисе, не на монтаже. Но истории из приказов типа (за точность формулировок не скажу — дело лет 20 назад было) такого (как раз из «глубинки», кстати):
                  Чувак полез менять провода на столбе, вопреки инструкции сначала откусил все провода с одной стороны, хотя надо попеременно. В результате столб с чуваком рухнул, чувак скончался, экспертиза нашла сколько-то-там промилле алкоголя. Ну, и список наказания невиновных и прочая.
                  И нужен ли такой гемор владельцам столбов? Не, вы-то всю технологию знаете, пьяными на столбы не лезете и столб, может быть, даже целый. Но то, что вы не верблюд еще доказать придется.
                  • +1
                    Когда уже урезонят хотелки всех этих «собственников», получивших после развала СССР в собственность по сути государственные столбы и теперь ломящие цены.
                    За четверть века столбы уже раза два поменяли.Это кроме расходов на содержание хозяйства.
                    • +1
                      В Ростове многие советские бетонные столбы и сейчас стоят. Вросшие в деревья, с сильно ржавыми кронштейнами от проводов радиоточек. Да и деревянных тоже полно, некоторые, судя по сохранившимся табличкам, стоят с 70-х годов. Меняют, но медленно, не везде и точно не два раза.
                      • 0
                        Столбы вдоль ж/д и шоссе, по которым я езжу, за последние десять лет либо исчезли (раньше вдоль ж/д обязательно шли телефонные провода), либо заменены. Да и в советское время меняли, помню остатки.
              • 0
                Вот только недавно ставили VSAT на Ka диапазон — 45 мбит, объявленные в рекламе спидтест показал, чем немало удивил. Но тем не менее.
                • 0
                  У нас кто и устанавливает VSAT, либо скорость еще ниже чем у меня сейчас, либо ограничения на трафик очень жесткие(100Гб — 14тыр в месяц). Что убивает смысл большой скорости, помимо высокого пинга.
                  • +1
                    Вы говорили о технической возможности. Другое дело, что не всем по карману.
                    Сейчас на АМУ-1 подключат безлимит за 1000Р с ограничением в 20мбит/с. Некоторое время, пока абонентов мало(а у нас в Оренбургской области это может будет всегда) — скорость будет хорошая.
                • 0
                  CDMA2100 физически не передаст Вам более 2100 Мбит/с. А так понятно, что и в Киеве лет 6 назад безлимит 20 Мбит/с стоил немало денег (и наверное предлагал «безлимитно» менее 800 ГБ в месяц).
                  • +1
                    А причем здесь CDMA2100. Я говорил про 4G/LTE. У теле2 месяц после его подключения скорость была 40мбит/с. Сейчас видимо народ дружно нагрузил канал и за 10мбит/с можно выскочить разве что в 4 часа утра/ночи.
                • +2
                  Сомнительное сравнение с нефтью. Я бы понял, если речь шла бы о беспроводных системах — радиочастотный ресурс «один на всех» и вполне может исчерпаться. Но чем фундаментальные ограничения скорости в волокне помешают проложить рядом еще один кабель с большим количеством волокон? Ну, подороже, может быть выйдет, но недостатка песка на волокно, я полагаю, в ближайшей перспективе не планируется.
                  • 0
                    Если под межконтинентальные каналы были прорыты тоннели, то они в принципе ограничены по кол-ву вместившихся кабелей. Может этого ограничения хватит на 20 лет «удваивания раз в 5 лет», может — на 15. Также вопрос в том, какой резерв мощности (именно кВт) у станций «регенерации сигнала».
                    • +2
                      Тоннели не роют. Каналы если только в городах (да и то не везде). В море кладут на дно, на суше закапывают в землю.
                      И в любом случае, при смене технологии их все равно перекладывают. Кратное повышение произошло при переходе с меди на оптику, и, очевидно, старый коаксиал (или что там было) волшебным образом не поменялся на оптику — просто стали класть новые кабели с оптикой.
                  • +3
                    Если кто не знаком с историей развития ВОЛС, но хочет узнать, можно почитать об этом, например, здесь.

                    Прошу прощения… Где?
                    • 0
                      фундаментальные ограничения скорости в волокне

                      Эх как бывает хочется на фразу что нам мешает — физика сказать:
                      Игнорируйте её ) Но не выходит )
                      • 0
                        Спасибо большое за статью.Теперь я спокоен за будущее StarLink, провайдера, создаваемого Элоном Маском. Если помните, его спутники должны, кроме прочего, перегонять трафик на большие расстояния, используя лазерную связь и динамический роутинг между спутниками. Увеличивать количество каналов на спутниках, учитывая направленный приём и передачу, а так же планируемое число спутников на орбите, можно ещё долго.
                        • –2
                          Геостационарка? Видимый диапазон или где-то до 1250 нм используется?
                          • +3
                            вот прямо с первого слова — такое впечатление, что вы даже не гуглили, перед тем как написать этот вопрос…
                            • 0
                              Гуглил, но ничего конкретного не нашел.
                              • 0
                                Попробуйте погуглить "starlink spacex"
                                • 0
                                  Нашел:
                                  4,425 satellites into orbit around the Earth, operating in 83 planes, at fairly low altitudes of between 1,110 kilometers and 1,325 kilometers.

                                  Ku-диапазон и более высокий Ka-диапазон, так что конечно не про лазеры пока речь.
                                  Так что выходит скажем 10 Гбит/с на канал между спутниками, но может не будет проблем с установкой 2-3 приемников и передатчиков с каждого спутника в сторону каждого соседнего (как минимум — 2 поляризации противоположные как-то ориентировать).
                                  • 0
                                    Ku-диапазон и более высокий Ka-диапазон, так что конечно не про лазеры пока речь.
                                    Может быть в первой итерации связь между спутниками и будет в радиодиапазоне, но сомневаюсь. Там нет ничего технически невозможного — на каждом спутнике маячок определённого света, транслирующий его позывной, поисковые камеры, считывающие видимые маячки и несколько приёмопередающих головок с адаптивной оптикой, точно наводящихся на нужный спутник по принимаемому сигналу. Учитывая расстояние между спутниками площадь рассеяния луча будет вполне достаточной, чтобы перекрыть ошибки наведения.

                                    Просто для организации связи в Ku и Ka-диапазонах нужно согласовывать частоты, а для лазерной связи — нет. И для передачи на межконтинентальные расстояния не нужно передавать сигнал на соседний спутник, можно передать на самые дальние, видимые примерно в нужном направлении, чтобы уменьшить число лопов.
                                    • 0
                                      Тогда лазер берем скажем 1066 нм, при ширине 10 мм на 50 км он разойдется в пятно шириной 19.7 мм — вполне нормально. Но так как через 50 км мы расставить спутники не можем, значит нужна достаточная чувствительность датчика. Например на дистанции 500 км это будет уже ширина 17.00 см, интенсивность упадет приблизительно в 288.85 раз и ещё немного изменится фаза (но для датчика с апертурой все те же 10 мм она будет практически постоянной по всей площади?).
                                      • 0
                                        Расстояния между спутниками на высоте примерно тысячи километров будут в пределах, примерно, от 300 до 3000 километров (меньше возможно, но не долго, и в этом случае, ИМХО, лучше защитить фотоэлектрический приёмник), пятно на этом расстоянии от 30 до 300 км, чтобы не требовалось слишком точное наведение. Насколько я понимаю, достаточная чувствительность приёмника пока большой проблемой не является. Однако это мои прикидки по правилу 3П (пол, палец, потолок).
                                        Важно то, что я могу представить малогабаритный лазерный приёмопередатчик с адаптивной оптикой и встроенным маломощным полупроводниковым лазером, или несколькими — на разные длинны волн, способным обеспечить связь на этом расстоянии на орбите (практически в отсутствии поглощения сигнала). Естественно, что на приёмной стороне потребуется усилитель.
                                        • 0
                                          вот пример европейской лазерной системы связи между спутниками. Там даже на большее расстояние — от низкоорбитальных к геостационарным.
                              • –1
                                Геостационарка? (1) Видимый диапазон или где-то до 1250 нм (2) используется? (3)
                                1) Нет.
                                2) Между спутниками — любой.
                                3) Ещё не используется.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое