Od Sztywnych Planów do Inteligentnego, Dynamicznego Systemu

Architektura sieci to jej fundamentalny plan. Definiuje ona, jakie są jej podstawowe komponenty, jakie funkcje pełnią i jak współdziałają, aby osiągnąć wspólny cel. Architektura tradycyjnych sieci WDM o sztywnej siatce była stosunkowo prosta, niczym klasyczna sieć kolejowa ze stałymi torami i standardowymi pociągami. Pojawienie się Elastycznych Sieci Optycznych (EON) wymagało całkowicie nowej architektury – inteligentnej, dynamicznej i sterowanej programowo, bardziej przypominającej zautomatyzowany system transportowy futurystycznego miasta.

Architektura EON to nie tylko ulepszenie; to zmiana paradygmatu. Oddziela ona logikę sterowania siecią od jej fizycznego sprzętu, co pozwala na bezprecedensową elastyczność i wydajność. Architektura ta składa się z trzech podstawowych filarów: inteligentnych urządzeń brzegowych, elastycznych przełączników w rdzeniu sieci oraz scentralizowanej płaszczyzny sterowania.

Filary Architektury EON

Architekturę EON zazwyczaj przedstawia się jako system warstwowy, w którym dane klienta komunikują się z inteligentną optyczną warstwą transportową.

1. Elementy Brzegowe: Transpondery o Zmiennej Szerokości Pasma (BV-T):Są to bramy do sieci EON. BVT znajduje się na brzegu sieci optycznej, łącząc się ze sprzętem po stronie klienta, takim jak routery IP o dużej przepustowości. Jego zadaniem jest pobranie elektronicznych danych klienta i przekształcenie ich w precyzyjnie "dopasowany na miarę" sygnał optyczny. Działa jak wysoce adaptacyjny silnik, który może dostosowywać swoje parametry transmisyjne do konkretnych wymagań połączenia.
2. Elementy Rdzenia: Przełącznice Optyczne o Zmiennej Szerokości Pasma (BV-OXC):Są to inteligentne węzły komutacyjne tworzące szkielet (rdzeń) sieci EON. BV-OXC potrafi trasować całe sygnały optyczne lub pojedyncze, elastyczne kanały z dowolnego światłowodu wejściowego na dowolny światłowód wyjściowy. W przeciwieństwie do swoich odpowiedników ze sztywnej siatki, potrafią one przełączać elastyczne, zmiennowymiarowe fragmenty widma.
3. Płaszczyzna Sterowania: Software-Defined Networking (SDN):Jest to centralny "mózg" sieci. Płaszczyzna sterowania to warstwa oprogramowania, która ma pełny obraz całej topologii sieci i jej zasobów. Odbiera ona żądania połączeń i wykorzystuje złożone algorytmy do podejmowania inteligentnych decyzji o trasowaniu i alokacji zasobów. Następnie komunikuje te decyzje do BVT i BV-OXC, programując je w celu ustanowienia połączenia.

Szczegółowy Opis Komponentów Architektury

Transponder o Zmiennej Szerokości Pasma (BV-T)

BV-T to sprzęt, który urzeczywistnia elastyczność widmową. Jego definiowana programowo natura pozwala na dynamiczne dostosowywanie:

• Formatu Modulacji: Wybiera najbardziej wydajną modulację (np. od BPSK do 64-QAM) w oparciu o długość ścieżki i wymaganą jakość sygnału. Dłuższa ścieżka wymaga bardziej odpornego, ale mniej wydajnego widmowo formatu.
• Szybkości Symbolowej (Baud Rate): Może stroić szybkość, z jaką nadawane są symbole, co bezpośrednio wpływa na szerokość pasma sygnału.
• Liczby Podnośnych Optycznych: Wykorzystując technologie takie jak Optyczny OFDM, może agregować zmienną liczbę podnośnych w celu zbudowania „super-kanału” o precyzyjnej, niestandardowej szerokości.

Pozwala to BVT na stworzenie sygnału, który zajmuje np. 3, 7 lub dowolną inną liczbę szczelin częstotliwościowych, idealnie dopasowaną do żądanej szybkości transmisji i warunków na fizycznej ścieżce.

Przełącznica Optyczna o Zmiennej Szerokości Pasma (BV-OXC)

BV-OXC jest silnikiem dynamicznego trasowania w rdzeniu EON. Jego kluczowym komponentem jest Selektywny Przełącznik Falowy (WSS), który jest oparty na zaawansowanych technologiach, takich jak ciekłe kryształy na krzemie (LCoS) lub systemy mikro-elektro-mechaniczne (MEMS).

WSS potrafi pobrać przychodzący, wielokanałowy sygnał WDM i niezależnie przekierować każdy pojedynczy kanał (lub w EON, każdy ciągły blok szczelin częstotliwościowych) do innego portu wyjściowego. Pozwala to BV-OXC na:

• Przekierowanie 4-szczelinowego kanału z wejścia 1 na wyjście 3.
• Jednoczesne przekierowanie 7-szczelinowego kanału z wejścia 1 na wyjście 5.
• Przepuszczenie pozostałych kanałów bez zmian.

To drobnoziarniste, elastyczne przełączanie bloków widmowych o zmiennej szerokości czyni rdzeń EON prawdziwie zwinnym.

Jak to Wszystko Działa Razem: Życie Żądania Połączenia

Moc architektury EON ujawnia się w procesie ustanawiania nowego połączenia typu koniec-koniec. Prześledźmy przykład żądania połączenia o przepływności 350 Gb/s między centrum danych w Warszawie a biurem korporacyjnym we Frankfurcie.

1. Krok 1: Żądanie dociera.Żądanie połączenia jest wysyłane do centralnego kontrolera SDN, określając źródło (Warszawa), cel (Frankfurt) i wymaganą przepływność (350 Gb/s).
2. Krok 2: Obliczenie Ścieżki (Trasowanie).Kontroler SDN sprawdza swoją mapę topologii sieci w czasie rzeczywistym. Uruchamia algorytm trasowania w celu znalezienia możliwych ścieżek fizycznych. Może znaleźć ścieżkę główną (np. Warszawa → Berlin → Frankfurt) o łącznej długości 1100 km oraz dłuższą ścieżkę zapasową.
3. Krok 3: Wybór Formatu Modulacji.Kontroler używa długości ścieżki (1100 km) do określenia optymalnego formatu modulacji. Sprawdza swoją bazę danych wydajności i stwierdza, że na tym dystansie format taki jak 8-QAM może zapewnić wymaganą jakość sygnału (BER).
4. Krok 4: Obliczenie Szerokości Widma.Znając docelową przepływność (350 Gb/s) i wydajność wybranego formatu modulacji (np. 8-QAM zapewnia określoną pojemność na szczelinę, powiedzmy 37,5 Gb/s na szczelinę 12.5 GHz), kontroler oblicza liczbę potrzebnych szczelin.

   $N_{szczelin} = \lceil \frac{350 \text{ Gb/s}}{37.5 \text{ Gb/s/szczelinę}} \rceil = \lceil 9.33 \rceil = 10 \text{ szczelin}$

   Dodaje pasmo ochronne, wymagając łącznie być może 11 sąsiadujących szczelin częstotliwościowych (137,5 GHz widma).
5. Krok 5: Alokacja Widma.Kontroler przeszukuje teraz zasoby widmowe w poszukiwaniu bloku 11 ciągłych i spójnych szczelin, które są jednocześnie wolne zarówno na łączu Warszawa-Berlin, jak i na łączu Berlin-Frankfurt. Może użyć heurystyki takiej jak First-Fit i znaleźć dostępny blok zaczynający się od 193.5 THz.
6. Krok 6: Konfiguracja Sprzętu.Kontroler wysyła instrukcje do urządzeń fizycznych:
   • Do BVT w Warszawie: „Nadawaj na super-kanale wyśrodkowanym na 193.5 THz, o szerokości 11 szczelin, używając modulacji 8-QAM.”
   • Do BV-OXC w Berlinie: „Skonfiguruj swój WSS, aby przełączyć 11-szczelinowy blok przychodzący z portu warszawskiego na port frankfurcki.”
   • Do BVT we Frankfurcie: „Dostrój swój odbiornik do nasłuchiwania na 11-szczelinowym sygnale modulowanym 8-QAM, wyśrodkowanym na 193.5 THz.”
7. Krok 7: Połączenie Aktywowane.Sprzęt jest skonfigurowany, BVT w Warszawie rozpoczyna nadawanie, a ścieżka optyczna 350 Gb/s jest teraz aktywna.