شبکه های نوری در آینده

هنگامی که سرویس‌های DSL  برای اولین بار در سال 1998 در ژاپن عرضه شدند، حداکثر سرعت خطوط آنها برابر 500 کیلو بیت بر ثانیه بود. امروزه پیشرفت‌های تکنولوژیک، پهنای باند تا 40 مگا بیت بر ثانیه را ممکن ساخته است. البته، بالاترین سرعت، تنها برای تعداد محدودی از کاربران که کمتر از یک کیلومتر با شرکت فراهم‌کننده‌ سرویس اینترنت (ISP)  فاصله دارند مهیا است. امروزه حداکثر سرعت خطوط  FTTH که در سال 2000 معرفی شدند، برابر 100 مگا بیت بر ثانیه است. هیچ شکی وجود ندارد که پیشرفت دستیابی به شبکه‌های باندپهن در ژاپن، تحت تاثیر نرخ‌های اشتراک پایین آن در دنیا قرار دارد. مشترکین می‌توانند با پرداخت  مبلغی کمتر از 25 دلار در ماه، از سرویس DSL استفاده نمایند و  FTTH نیز حدود 50 دلار در ماه هزینه دارد.

هنگامی که سرویس‌های DSL  برای اولین بار در سال 1998 در ژاپن عرضه شدند، حداکثر سرعت خطوط آنها برابر 500 کیلو بیت بر ثانیه بود. امروزه پیشرفت‌های تکنولوژیک، پهنای باند تا 40 مگا بیت بر ثانیه را ممکن ساخته است. البته، بالاترین سرعت، تنها برای تعداد محدودی از کاربران که کمتر از یک کیلومتر با شرکت فراهم‌کننده‌ سرویس اینترنت (ISP)  فاصله دارند مهیا است. امروزه حداکثر سرعت خطوط  FTTH که در سال 2000 معرفی شدند، برابر 100 مگا بیت بر ثانیه است. هیچ شکی وجود ندارد که پیشرفت دستیابی به شبکه‌های باندپهن در ژاپن، تحت تاثیر نرخ‌های اشتراک پایین آن در دنیا قرار دارد. مشترکین می‌توانند با پرداخت  مبلغی کمتر از 25 دلار در ماه، از سرویس DSL استفاده نمایند و  FTTH نیز حدود 50 دلار در ماه هزینه دارد.

در ژاپن، ترافیک اینترنت در نتیجه‌ ورود شبکه‌های باند پهن به سرعت در حال افزایش است. ترافیک پی بستر اصلی اینترنت نیز با نرخ سالانه‌ بیش از 150 درصد، رو به افزایش است. این نرخ توسعه، در مدت 5 سال، افزایشی صد برابر و در مدت 10 سال، افزایشی ده هزار برابر خواهد داشت که نرخ رشدی رعب‌آور است.
البته این روند، تنها محدود به کشور ژاپن نیست. نرخ رشد ترافیک پی‌بستر اصلی اینترنت در آمریکای شمالی که کمتر از 100 درصد است، به این اندازه نگران کننده نیست، اما با این وجود، نرخ قابل توجه و چشمگیری است.

شکل 1- گام 1: معرفی فناوری DWDM  و مسیریابی طول موج.

گام 2: معرفی تسهیم طول موجی فوق العاده چگال،  مسیریاب فوتونی MPLS و زنجیره‌ سوئیچ‌ها، OADM، سیستم‌های نوری OXC

عوامل مهم در طراحی شبکه حجم ترافیک، ظرفیت انتقال و برونداد (Throughput) گره‌ها، سه عامل اساسی در طراحی شبکه‌ها هستند. نمای شماتیک ارتباط بین آن‌ها در شکل 1 نشان داده شده است. اکنون، دنیای صنعتی در آستانه‌ طلوع عصر شبکه‌های همه‌گیر باند پهن قرار دارد. پیشرفت‌های حاصل شده در زمینه‌ پردازش الکترونیکی- شامل TDM Time Division Mulltiplexing و برونداد الکترونیکی اتصال روتر/سرویس‌دهنده، که کم و بیش از قانون مور پیروی می‌کند، حرکت کندتری دارد. برای پر کردن فاصله‌ بین بار ترافیک شبکه و تکنولوژی پردازش‌های الکترونیکی، محققین شبکه‌های نوری، فناوری‌های شبکه‌های نوری را توسعه داده‌اند. به همین سبب فناوری WDM به میزان گسترده‌ای توسعه یافته است و مسیریابی طول موج با استفاده از مالتی‌پلکسرهای نوری OADSM و سیستم‌های اتصال ross  Connect نوری OXS، در حال معرفی هستند.

معرفی تکنولوژی‌های نوری، سهم اصلی را در پیشرفت کارایی شبکه داشته است. در این دوره، رشد ترافیک، عمدتاً به دلیل استفاده از برنامه‌های کاربردی نظیر برنامه‌های دریافت تصویر، فیلم، موسیقی و نیز برنامه‌های نظیر به نظیر اشتراک‌گذاری فایل است. . پس از این، سرویس‌هایی نظیر پخش جریانی تصاویر با کیفیت بالا (‌1k*2k  پیکسل) و با کیفیت بسیار بالا (‌2k*4k پیکسل)  ترافیک شبکه را به شدت افزایش خواهد داد. برای اشتراک چنین سرویس‌های جدیدی (که به نرخ انتقالی از 20 تا 300 مگابیت بر ثانیه نیاز دارد)، مشترکین به طور فزاینده‌ای به خطوط FTTH نیاز خواهند داشت. برای غلبه بر انفجاری که در حجم ترافیک رخ می‌دهد، باید پیشرفت‌هایی در کارایی شبکه حاصل شود و هزینه‌ها کاهش یابد تا سرویس‌های پخش برنامه‌های با کیفیت بالا از طریق شبکه بتواند با هزینه‌ای کمتر از دو برابر هزینه‌ای که مشترکین فعلی می‌پردازند فراهم شود. برای رسیدن به این هدف، تکنولوژی‌های MPLS :Multi Protocol Label Switching در مسیریاب‌ها به کار گرفته خواهد شد و از تکنولوژی‌های با چگالی فوق‌العاده بالای WDM استفاده خواهد شد.

سیر تکامل شبکه‌های نوری

شکل 2-  سیر تکاملی شبکه های فوتونی. (a) سیستم انتقال 43 گیگابیت بر ثانیه ای مبتنی بر  OTN (سال 2003) (b) سیستم 64 گیگابیت بر ثانیه‌ای OXC (سال 2003) (c) . مسریاب MPLS  فوتونی. مسیریاب هیکاری با ظرفیت بالا از کلاس ترابیت که در سال 2001 معرفی شد.

شکل 2، روند توسعه‌ شبکه‌های انتقال نوری را نشان می‌دهد. سیستم‌های نقطه به نقطه‌ انتقال داده‌ فیبر نوری در سال 1981، هنگامی که ظرفیت انتقال برابر 32 مگابیت بر ثانیه بود، در شبکه‌ NTT معرفی شدند. اخیراً سیستم‌های انتقال داده ‌WDM، در ژاپن به میزان وسیعی به کار گرفته شده‌اند. در سال 2003، حداکثر ظرفیت انتقال WDM  به دست آمده در هر فیبر، برابر 800 مگابیت بر ثانیه بود. سرعت کانال‌هایWDM  امروزی، 5/2 گیگابیت و 10‌گیگا‌‌بایت بر ثانیه است، اما محققینی که آزمایش شبکه‌ انتقال نوری (OTN) را رهبری کردند، میزان انتقال 43 گیگابیت بر ثانیه را گزارش نمودند. در حال حاضر، سیستم‌های 43 گیگابیت بر ثانیه‌ای، در هر کانال، در برخی شبکه‌های تحقیقی در حال پیاده‌سازی است. تکنولوژی‌های مسیر نوری (optical path) برای شبکه‌های نوری در حال به‌کارگیری هستند. سیستم‌های ایستای OADM در سال 2000 در برخی شهرهای صنعتی ژاپن معرفی شدند. همچنین استفاده از سیستم‌های OADM قابل پیکربندی مجدد در سطح جهانی به زودی آغاز خواهد شد.


محققین، یک سیستم  OXC را توسعه داده‌اند که دارای برونداد 320 گیگا‌بیت بر ثانیه (128 2.5Gbit/s x) در هرCabinet می‌باشد، نرخی که به سادگی با به کارگیری یک پیکربندی چهار کابینه، به 28/1 ترابیت بر ثانیه قابل افزایش است. در آغاز سال 1999، این سیستم به صورت آزمایشی در شهر کاناگاوا در نزدیکی توکیو به کار گرفته شد. دوره‌ سه ساله‌ آزمایش، به محققین اجازه داد تا قابلیت اطمینان سیستم‌های OXC را تایید نمایند که از تکنولوژی‌های مدار موج سبک دو‌وجهی PLC  استفاده می‌کنند. سیستم‌های OXC در سال 2003 (در ژاپن) به عنوان بخشی از طرح دولتی توسعه‌ شبکه‌های با کارایی بسیار بالا معرفی شدند.

بحث مسیریاب فوتونیک، دستگاهی که بیشتر مبتنی بر پروتکل IP است نیز به نوبه‌ خود جذاب است. دو نوع مسیریاب نوری وجود دارد: دسته‌ اول مسیریاب‌های نوری MPLS هستند که طول موج نور را به عنوان علامت در جریان‌های بیتی لایه‌ 1 به کار می‌برند و به عنوان مسیریاب‌های نسل بعدی در نظر گرفته می‌شوند. دسته‌ دوم سوییچ‌های نوری متصل به هم هستند که آن‌ها نیز به نظر می‌رسد پتانسیل چشمگیری داشته باشند، اگرچه هنوز مورد تأیید قرار نگرفته‌اند.

مسیریاب MPLS  فوتونیک‌

شکل 3- مقایسه ای از یک مسیریاب  (a) یک مسیریاب MPLS  فوتونی (b). در مسیریاب MPLS ، به هر بسته‌ IP  یک برچسب و به هر جریان لایه‌ 1، یک برچسب طول موج اضافه می شود.

مسیریاب‌های MPLS فوتونیک، از طول موج نور به عنوان علائمی برای ایجاد مسیرهای نوری علامت-گزین (OLSP)  استفاده می‌کنند. هر OLSP معادل یک بسته‌ IP است و به همان نحو عمل می‌کند. شکل 3 مقایسه‌ای از یک مسیر علامت-گزین (LSP) برای یک MPLS و یک مسیر نوری علامت-گزین برای یک MPLS  فوتونیک را نشان می‌دهد.

برای ایجاد علامت طول موج، دو رهیافت وجود دارد: یک طول موج منفرد می‌تواند به یک مسیر مشخص برای ورود و خروج به مسیریاب اختصاص داده شود و یا این که طول موج، به‌صورت لینک به لینک بین اتصال‌ها مرتباً جا به جا شود. در MPLS، یک لیبل لایه‌ 2 (که یک Shim header نامیده می‌شود) در یک مسیریاب ورودی، به هر بسته، چسبانده می‌شود. سپس در ادامه، در هر اتصال، این لیبل جا به جا می‌شود. در MPLS ‌های فوتونیک، در یک مسیریاب خروجی، یک لیبل طول موج به یک جریان بیتی چسبانده می‌شود و هر بسته‌ IP به صورت یک OLSP، همساز می‌گردد. یکی از اختلافات بزرگ MPLS  و MPLS فوتونیک این است که MPLS اجازه می‌دهد که علائم با هم ادغام شوند که در این حالت در یک مسیریاب علامت-گزین میانی، دو LSP یا تعدادی LSP که در حال عبور از یک مسیر هستند، با هم ادغام شده و به یک LSP تبدیل می‌شوند، در حالی که MPLS  فوتونیک اجازه‌ ادغام‌شدن علامت‌ها را نمی‌دهد. یک اختلاف دیگر این دو مسیریاب، این است که در به‌کارگیری MPLS فوتونیک، به علت محدودیت‌های WDM، تعداد OLSP ‌های قابل استفاده در هر اتصال، محدود است که تعداد آن در حال حاضر برابر 200 می‌باشد. به همین دلیل، MPLS  فوتونیک در ابتدا به عنوان پی‌بستر یا backbone شبکه‌ مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

شکل 4- پیکربندی مسیریاب MPLS  فوتونی‌

شکل 4، معماری یک مسیریاب نوری MPLS را که اخیراً توسعه داده شده است، نشان می‌دهد. مسیریاب، از یک MPLS الکتریکی و یک واحد مسیریابی لاندا (LRU) که OLSP ‌ها را با استفاده از پروتکل تعمیم یافته ‌MPLS، مسیریابی می‌کند، تشکیل شده است. LRU وظایف انتقال داده‌ WDM و محافظت از لایه یک شبکه (1+1 و 1:1)، بازیابی توابع آشکارساز خطا و نیز وظایف نظارت بر کیفیت سیگنال‌های نوری را برعهده دارد. به‌منظور ساده‌سازی پردازش ساخت مسیرها، LRU  همچنین وظیفه‌ تبدیل طول موج را نیز برعهده دارد که به طول موج هر OLSP  اجازه می‌دهد که به صورت لینک به لینک جای شود. این کار، از تصادم طول موج‌ها جلوگیری می‌کند و نیاز به تخصیص طول موج را بر‌طرف می‌سازد و باعث حداکثر استفاده از اتصال می‌گردد. کنترل MPLS الکتریکی و LRU همراه با هم است. هماهنگی بین لایه‌های الکتریکی و نوری بدین معنی است که کار به صورت plug-and-play قابل انجام است. پروتکل سیگنال‌دهی، که توسعه‌ای از پروتکل ذخیره‌ منبع RSVP با مهندسی ترافیک می‌باشد، سیستم را گران‌قیمت می‌سازد. تولید چندین طول موج در یک زمان، که به شدت در زمینه‌ شبکه‌سازی و انتقال اطلاعات مفید است، با به کارگیری یک طیف نور متسلسل (SC) به دست

شکل 5- تولید پالس چند طول موجی و موج نور پیوسته توسط منبع نوری سوپرکانتینیوم‌

می‌آید. همان گونه که در شکل 5 نشان داده شده است، تکنولوژی SC، از اثر غیر خطیِ فیبرهای نوری، برای تولید چندین طول موج استفاده می‌نماید. طیف باریک طول موج ناشی از پالس‌های اولیه‌ ورودی، در حین این که آنها فیبر نوری غیرخطی را پیمایش می‌نمایند، انتشار می‌یابد. سپس هنگامی که طیف به یک صافی طول موج، مانند یک شبکه‌ آرایه‌ای هادی موج، پالس‌های چند‌رنگی و یا یک شبکه‌ پیوسته‌ فرکانس موج می‌رسد، طول موج‌ها به طور همزمان تولید می‌شوند. هنگامی که چندین مُد طولی از طیف حذف شدند، پالس‌ها مجدداً با تکرار پالس‌های اولیه‌ تولید می‌شوند و پهنای پالس تولید شده توسط پهنای باند صافی تعیین می‌گردد. هنگامی که تنها یک مُد طولی از طیف انتشار یافته SC حذف می‌شود، چندین حامل موج پیوسته تولید می‌شود. تثبیت طول موج منبع، کار نسبتاً ساده‌ای است. پایداری طول موج پالس‌های چند‌رنگی تولید شده، توسط پایداری طول موج صافی تعیین می‌گردد. پایداری صافی‌های طول موج منفعل از لحاظ مقدار و بزرگی، بالاتر از پایداری صافی‌های طول موج دیودهای لیزری است.

تا به امروز، بیش از هزار حامل نوری با فاصله کانال 5/12 گیگاهرتز و نسبت‌های سیگنال به نویز که امکان انتقال اطلاعات را به میزان5/2 گیگابیت بر ثانیه در هر کانال فراهم می‌آورند، تولید شده‌اند. در یک آزمایش موفقیت‌آمیز دیگر با کانال‌های 10گیگابیتی محققان توانستند انتقال WDM با پهنای باند بسیار بالا را روی بیش از 30 کانال 5 گیگاهرتزی تجربه کنند. حامل‌های نوری ایجاد شده در شکل 6 (الف) نشان داده شده‌اند.

شکل 6-  تولید حامل نوری سوپرکانتینیوم. (a) حامل‌های با فاصله کانال 50 گیگاهرتزی. (b) میکروگراف  (c) طیف نور سوپرکانتینیوم تولید شده با استفاده از PM-PCF .

با افزایش خاصیت غیرخطی فیبرنوری استفاده شده در تولید SC، می‌توان کارایی تولید نور SC را افزایش داد به نحوی که پیک قدرت پالس‌های ورودی اولیه، می‌تواند کاهش یابد. همچنین قابلیت‌های قدرتمند هدایت نوری این فیبرها، شعاع خمیدگی بسیار کوچکی (کمتر از 3 میلیمتر) بدون تلفات نوری اضافی برای فیبر به دست می‌دهد. اخیرا PCF ‌های با تلفات نوری پایین نیز توسعه داده شده‌اند.

تغییر کوچکی در ساختار فیبرها می‌تواند فیبرهای با قابلیت پلاریته (PM) که صفت ممیزه‌ آن‌ها در شکست نور بالای آن‌ها است به دست دهد. سطح شکست نوری که با این فیبرها به دست می‌آید می‌تواند بسیار بیشتر از چیزی باشد که فیبرهای غیر‌پلاریته به دست می‌آورند. هزینه‌ ساخت چنین فیبرهایی به دلیل این که در ساخت آن‌ها، نیازی به عملیات پیچیده‌ای نظیر سوراخ‌کاری یا پر کردن آن‌ها با یک ماده‌  مخصوص وجود ندارد، بسیار پایین است.

شکل  6  (ب) میکروگراف مرکز یک فیبر PM-PCF را که به تازگی برای تولید نور SC با پهنای باند 55/1 میکرومتر ساخته شده است، نشان می‌دهد. محققین، این فیبر را برای دستیابی به تفرق پایین -0.23 ps/km/nm)  در 550/1 میکرومتر) و شیب تفرق پایین (02.10 ps/km/nm در 550/1 میکرومتر) و پلاریزاسیون مورد استفاده قرار دادند. یک فیبر PM-PCF به طول 200 متر می‌تواند یک نور 40 SC نانومتری با پهنای باند 55/1 میکرومتر تولید کند. شکل 6  (ج).

آینده
فوتون‌ها و الکترون‌ها بسیار با هم متفاوتند، اگرچه ویژگی‌های مشترکی نظیر خاصیت ذره‌ای و  موجی بودن دارند. فوتون‌ها نه جرم دارند و نه بار و معمولاً مانند موج عمل می‌کنند. الکترون‌ها، هم جرم دارند و هم بار و معمولاً به صورت ذره‌ای رفتار می‌کنند. اختلاف بنیادین آن‌ها در میزان تعامل آن‌ها با ذرات دیگر است.

در اپتیک امروز، هیچ قطعه اساسی همچون ترانزیستور وجود ندارد. در نتیجه حافظه‌های نوری ساخته نمی‌شوند و به نظر می‌رسد که ساخت آنها نیز بسیار مشکل باشد. به همین دلیل، جایگزینی مسیریاب‌های الکتریکی فعلی با مسیریاب‌های نوری، به سادگی انجام نمی‌گیرد. ما باید بتوانیم از خواص ذاتی نور به‌طور کامل استفاده کنیم. قابلیت مسیریابی براساس طول موج، پیشرفتی است که باید مورد بهره‌برداری قرار بگیرد. برنامه‌های کاربردی شبیه‌سازی پردازش نور در فضا در سیستم‌های انتقال شبکه‌ای (به صورت پردازش دو یا سه بعدی)، که می‌تواند با سرعت نور مورد استفاده قرار بگیرد، باید در آینده بررسی شوند. ممکن است پروتکل‌هایی که با سرعت نور کار می‌کنند توسعه داده شوند. ابزارهای مورد انتظار دیگر، پردازش نوری دو‌بعدی یا سه‌بعدی در ترکیب با اتصال نوری سه‌بعدی با استفاده از باریکه‌های نور کاملاً موازی و یا دستگاه‌های لیزری تابش عمودی نور با سطوح کاو (VCSEL)  هستند.

منبع :سایت ماهنامه شبکه