Cesnet si vyzkoušel 400 gigabitů: problémem je zatím krátký dosah

V průběhu let se postupně zvyšovaly přenosové rychlosti optických spojů z 10 Gb/s přes 40 Gb/s až na 100 Gb/s a přemýšlelo se, co bude dál. Ukazuje se, že posun na 400 Gb/s je technicky poměrně náročný. Už stovka byla doprovázena skokem na optické koherentní systémy, které jsou v mikrovlnné oblasti známé už ze 60. let.

Původně se i 100 Gb/s skládalo pomocí DWDM z deseti 10 Gb/s signálů, později ze čtyř 25 Gb/s a nyní máme k dispozici už plnohodnotnou 100 Gb/s technologii. U ní se používá vícestavová modulace (QPSK) a navíc ve dvou nezávislých polarizacích (DP). Symbolová rychlost je tedy jen 25 gigabaudů, vysvětluje Jan Radil se sdružení Cesnet, který se podílel na českém testování 400 G technologie.

QAM v terahertzích

Při takto vysokých rychlostech je potřeba přenášet vysoké frekvence, nosné optické kmitočty jsou v řádu stovek terahertz a modulační v řádu desítek GHz. To přináší nové problémy v optické i elektronické části. Když pustíte takový signál do vlákna, velmi rychle ztrácí kvalitu. Svou roli hraje útlum, interakce s materiálem vlákna, chromatická disperze, polarizační vidová disperze a z původního hezkého signálu s jedničkami a nulami nakonec dostanete totální zmatek.

Dříve se u nižších rychlostí ke zlepšování signálu na trase používaly optické zesilovače a kompenzační vlákna. Za nimi byl na výstupu zase poměrně hezký signál. Ukázalo se, že při vysoké rychlosti už jsou pulzy ale tak úzké, že dosah takového signálu nelze zvýšit pomocí kompenzačních vláken. Proto bylo potřeba změnit přístup.

Doba i elektronika pokročila natolik, že je možné nechat veškeré opravy signálu až na vstupním DSP procesoru. Do vstupu signálového procesoru pustíte celý ten zmatek a provedete na něm inverzní funkci, která dokáže z promíchaných signálů získat zpět užitečná data. Ještě před deseti lety bylo nutné signál zaznamenat a poté offline provádět jejich analýzu. Dnes je možné postavit ASIC, který to dokáže v reálném čase.

400 Gb/s je vlastně 2×200 Gb/s

Při rychlostech 400 Gb/s je potřeba používat kvadraturní amplitudovou modulaci (QAM) s osmi či šestnácti stavy, které je možné různě kombinovat. Není to žádná novinka, používá se to velmi dlouho. Ale opět narážíme na to, že je problém takto vysoké rychlosti zpracovat v reálném čase.

V Cesnetu nedávno testovali přenos dat rychlostí 400 gigabitů za sekundu. Nabídku testovat 400 G zařízení nám nabídl Alcatel-Lucent, který sice marketingově hovoří o 400 Gb/s, ale v praxi jde vlastně o 2×200 Gb/s. O přenos se stará karta, která má dva nezávislé výstupy s poloviční rychlostí. To už je první příznak toho, že dosáhnout rychlosti 400 Gb/s není tak snadné.

Celkem je tedy možné propojit čtyři vlákna (dvě tam a dvě zpět) a je pak na uživateli, zda zvolí čtyři samostatná vlákna nebo vše spojí do jednoho pomocí DWDM. My jsme použili DWDM, a protože karta obsahuje plně laditelné lasery, mohli jsme využít plnou šířku C pásma a studovat vzájemné interakce signálů. Při testu bylo použito 2000 kilometrů optického vlákna na cívkách a vše probíhalo v laboratořích sítě Cesnet.

Problém vzdálenosti

Se zvyšující se rychlostí bohužel klesá schopnost přenosu signálu na velké vzdálenosti. Na 10 Gb/s stačilo vždy po sto kilometrech vlákna zapojit kompenzátory chromatické disperze a zesilovače a jelo se dál. Takto jsme se dostali určitě na několik tisíc kilometrů. Záleží samozřejmě na kvalitě optické trasy a použitých technologií, ale tohle je běžně používaný přístup.

S příchodem 100 Gb/s se ale přešlo na koherentní systémy a kompenzace disperzí se nechala na křemíku. Tam pak záleží na tom, jak dobře máte navržené algoritmy, které opravují signál poškozený přenosem. Proto se doporučuje z dlouhých tras odebrat kompenzátory a zůstalo jen u zesilovačů, ale stále se dalo dosvítit přibližně na tři tisíce kilometrů. To byl samozřejmě velký úspěch, navíc zmizela část zařízení na trasách a o všechno se postaral křemík na straně přijímače.

U vyšších rychlostí se ale používá komplexnější modulace, což zvyšuje náchylnost signálu na šum a tím se i snižuje reálný dosah. Se 200 G dosvítíme na stejné trase jen osm set kilometrů, což je také dobrý výsledek, ale vlastně nikdo neví, jak se bude řešit situace v síti navržené pro 100 G a dosvit například 3000 km. Podle Radila nemají ani sami výrobci jasnou odpověď. Když jsem se osobně v Kalifornii ptal na řešení, nedostal jsem jasnou odpověď.

Velké sítě se běžně budují tak, že páteř sítě běží na nejvyšší rychlosti a jednotlivé periferní části jsou připojené nižšími rychlostmi. Teď můžete mít páteř nasvícenou 100 Gb/s až na tři tisíce kilometrů a chcete povýšit na 400 Gb/s, ale funguje to odhadem jen na čtyři sta kilometrů. Co s tím budete dělat? Bylo by možné do trasy vkládat aktivní prvky, které by fungovaly jako regenerátory, ale tím by neúnosně vzrostly pořizovací náklady.

Tuto otázku kladou výrobcům především operátoři, kteří mají položené dlouhé optické trasy, na kterých chtějí časem nasadit vyšší rychlosti. Výrobci zatím doporučují z tras vypustit i kompenzační vlákna. To má ale za následek další zásadní problém, když se zbavíte kompenzátorů chromatické disperze, bude vám sice 400 Gb/s (a každý koherentní systém) fungovat o něco lépe, ale pomalejší signál vám dosvítí jen sto kilometrů. Na takto upravených trasách pak není možné kombinovat třeba koherentní 400 G a nekoherentní 10 G technologie, což by často bylo velmi praktické zejména z finančního hlediska. Desítka je dnes velmi levná a spoustě lidí prostě stačí.

V Cesnetu tedy chtěli vyzkoušet ještě jednu variantu, kdy by kompenzační vlákna vyměnili za takzvanou Braggovskou mřížku (FBG – Fibre Bragg Grating), což je krátký kousek optického vlákna, který je konstruován tak, aby určitou část spektra odrazil a zbytek propustil. Zatímco kompenzační vlákno musí být dlouhé několik kilometrů, mřížka je velmi krátká a měří například jen několik centimetrů.

V Austrálii existuje AARNet, což je síť podobná českému Cesnetu, ve které se podařilo pomocí Braggovských mřížek postavit optickou trasu, na které jim současně běží 10 Gb/s a koherentní 100 Gb/s. Bohužel to není jednoduché, je třeba sledovat celou řadu parametrů a výrobci koherentních systémů obvykle nasazení FBG nepodporují. Při našich testech navíc výsledky nebyly takové, jak bychom si představovali. Došlo sice k prodloužení dosahu, ale ne nijak dramatickému.

Zrychlení bude časem nutné

Zatím šlo podle Jana Radila čistě o zkoušku a seznámení se s novou technologií. Je to věc, která zajímá asi každého technika. Chtěli jsme ten systém mít k dispozici na experimentování, vyzkoušet si ho, sáhnout si. Zároveň za testem stála snaha vyzkoušet si nasazení s Braggovskými mřížkami, které by mělo fungovat a koherentní signály pozitivně ovlivňovat. Chtěli jsme zjistit, proč výrobci koherentních systémů nepodporují FBG a zda je někde zakopaný pes a zdá se, že tam skutečně nějaký problém je. Nikdo o tom ale moc nemluví.

Současně má Cesnet v dlouhodobém horizontu plány posilovat svou páteřní síť, takže se musí zajímat o nové technologie v této oblasti. Objem přenášených dat neustále stoupá a předpovědi hovoří o velkých nárůstech. Přípravy na 200 Gb/s, 400 Gb/s nebo dokonce 1 Tb/s existují, ale zatím nemáme konkrétní plán, kdy musíme podobnou technologii zavést.

Podle Radila je ale nutné se připravovat předem, protože může existovat řada problémů – jako s každou novou technologií. Až nás k tomu budou okolnosti nutit, budeme připraveni na úskalí, která nás mohou čekat. Největší problém je tedy jednoznačně v přechodu na „DCM free“ optické trasy připravené na vysokorychlostní koherentní přenosy, kde už ale nepřenesete rychlosti nižší. Zatím nám často stačí připojit některé pracoviště třeba jen dvakrát 10 Gb/s a bylo by zbytečné dávat na obě strany zařízení pro 100 Gb/s, které je i dnes mnohonásobně dražší než stará dobrá desítka.

Někteří velcí komerční operátoři už rychlost 400 Gb/s nasazují, z evropských národních sítí pro výzkum a vzdělávání (NREN) ji ale zatím nemá v praxi nikdo, dokonce se ještě nenasazuje ani 200 Gb/s. Výjimkou je panevropská síť GÉANT, která má páteř postavenou na 500 Gb/s, ale to je specifický přístup výrobce Infinera, který 500 Gb/s přenáší jako pětkrát 100 Gb/s.

Další vývoj

Testují se už i vyšší rychlosti, ale zatím jen v laboratorních podmínkách. Například německá NREN DFN testuje terabitovou technologii, ale to už jsou zařízení, která si rozhodně běžně nekoupíte. Všechny tyto aktivity je ale nutné koordinovat na mezinárodní úrovni, aby byly jednotlivé sítě propojitelné a mohly si nadále vyměňovat data. Provozovatelé sítí si to uvědomují a poučili se z historie, protože při vývoji 40 Gb/s optických přenosových systémů si každá společnost vyvinula vlastní řešení a následně panoval trochu zmatek. Při vývoji 100 Gb/s už se postupovalo koordinovaně a technologie je dobře standardizovaná.

Vývoj samozřejmě pokračuje a ještě v letošním roce by se měla objevit plnohodnotná 400 Gb/s technologie a zároveň se pracuje na 200 Gb/s. Všichni pracují na terabitu, ale je to velmi složitá věc. Zejména s ohledem na zmíněné problémy s dosvitem.

Další zajímavou technologií jsou dutá optická vlákna, která mají ve svém jádru vzduch. Výhodou jsou velmi nízké nelinearity, které jinde způsobují problém. Zároveň se mění spektrum používaného světla. Teď se svítí 1500 nm, nová technologie používá 2000 nm. V současných vláknech se signál pohybuje přibližně ⅔ rychlosti světla, protože fotony jsou po cestě pohlcovány a opět vyzařovány hmotou vlákna. V nových vláknech se rychlost přibližuje ideálním 300 000 km/s. Foton se totiž neustále pohlcuje a vyzařuje, což jeho cestu komplikuje a zpomaluje. Nová technologie by měla tento problém omezit a snížit latence.