مقاله معماری شبکه های کامپیوتری نوری

موضوع : مقاله معماری شبکه های کامپیوتری نوری

توضیح: این فایل به صورت ورد و آماده چاپ می باشد

مقدمه :
در سال‌های اخیر، نیاز کاربران شبکه‌های مخابراتی به پهنای باند وسیع افزایش چشمگیری داشته است. به همین دلیل، پاسخگویی به این نیاز و نیز آینده‌نگری برای افزایش سرعت تطابق با نیازهای جدید و در حال رشد کاربران، به مهمترین چالش طراحی شبکه‌های مخابراتی آینده مبدل گشته است. ظهور تکنولوژی‌های فیبر نوری توانسته است تا حدی نگرانی محدودیت پهنای باند را مرتفع کند.   
هدف این نوشتار معرفی تکنولوژی‌های نوری است، به‌گونه‌ای که ضمن پوشش کلیة مباحث مرتبط بتواند درک مناسبی در این زمینه ارایه کند:
تار نوری و کابل نوری
در دهه ۷۰ میلادی استفاده از تار نوری برای انتقال بهینه اطلاعات به صورت جدی توجه محققین کشورهای آمریکا، ژاپن و انگلیس را به خود جلب کرد. از آن تاریخ، پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه‌های مختلف ارتباطات نوری صورت گرفته است. رشد این تکنولوژی به حدی سریع است که پروسسورهای لازم برای پردازش اطلاعات حمل شده، بعضاً دچار محدودیت سرعت پردازش می‌شوند. به همین دلیل، انجام پردازش در حوزة نوری در کانون توجهات قرار گرفته است. آنچه که آشکار به نظر می‌رسد این است که تا مدتها برای انتقال اطلاعات با سرعت بالا جایگزینی برای فیبر نوری نخواهد آمد. تار نوری، به عنوان محیط حامل سیگنال نوری، در حقیقت یک موجبر دی‌الکتریک با مقطع استوانه‌ای است. نور به عنوان حامل اطلاعات، درون این تار منتشر می‌شود. معمولاً در سیستم‌های انتقال، مجموعه‌ای از چند تار نوری تحت عنوان کابل نوری برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شود.
انواع تار نوری
بسته به تعداد مُدهای الکترومغناطیسی قابل حمل توسط تار، تار نوری به دو صورت تک‌مُدی و چندمُدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، بسته به نحوة تغییرات ضریب دی‌الکتریک موجبر، دو نوع دیگر تار قابل تشخیص است: در نوع اول (تار پله‌ای)، ضریب شکست در مقطع هستة تار ثابت است ولی در نوع دوم (تار تدریجی)، ضریب شکست از مقدار ماکزیمم خود در مرکز تار، به صورت تدریجی، تا بدنة تار کاهش می‌یابد. تار تک‌مُدی به صورت پله‌ای و تار چندمُدی به دو صورت پله‌ای و تدریجی استفاده می‌شود. بنابراین سه نوع تار نوری داریم: تک‌مُدی، چندمُدی تدریجی و چندم ُدی پله‌ای؛ نوع اول دارای بیشترین نرخ انتقال اطلاعات و کمترین تضعیف و نوع سوم دارای کمترین نرخ انتقال اطلاعات و بیشترین تضعیف است. تارهای نوری همچنین بسته به مصارف مختلفی که دارند، در اندازه‌ها و با مشخصات متفاوت ساخته می‌شوند؛ طبعاً مشخصات فیزیکی کابل نوری از لحاظ پوشش و محافظ برای کاربردهای کانالی، خاکی، هوایی و دریایی متفاوت خواهد بود.
آیا تار نوری تلفات دارد؟
به صورت تئوری فرض می‌شود که تار نوری دارای تضعیف صفر و پهنای باند بی‌نهایت است؛ ولی در عمل به دلیل محدودیت‌های فیزیکی، پهنای باند تار محدود و تلفات آن غیر صفر است.
تلفات در تار نوری از سه منبع ناشی می‌شود:
۱- نوع اول تضعیف‌ها در اثر ناخالصی‌های موجود در تار است که باعث اتلاف انرژی می‌شود (تلفات جذب).
۲- نوع دوم ناشی از غیر‌همگن بودن چگالی شیشه در طول تار است که باعث پراکندگی نور و تضعیف آن در طول تار می‌شود (تلفات پراکندگی)
۳- نوع سوم ناشی از خمش تار یا غیر یکنواختی شعاع تار است که منجر به خروج شعاع نوری از تار می‌شود (تلفات هندسی).
غیر از تلفات، عامل دیگر محدودکنندة عملکرد بهینة تار، پاشندگی اس ت. پاشندگی به زبان ساده عبارت است از پهن‌شدن پالس نوری در اثر انتشار در طول تار. پاشندگی باعث کاهش پهنای باند تار نوری می‌شود. عوامل پاشندگی در تار نوری بسیار متنوع هستند:
۱- پاشندگی مُدی در تارهای چندمُدی به علت اختلاف در زمان رسیدن مدهای مختلف به انتهای تار رخ می‌دهد.
۲- پاشندگی ماده‌ای ناشی از اختلاف سرعت بین طول موج‌های مختلف (رنگ‌های مختلف) موجود در نور در اثر عبور از تار نوری است.
۳- پاشندگی موجبر در تارهای تک‌مُدی که ناشی از اختلاف جزئی بین ضریب‌های دی‌الکتریک هسته و پوستة تار نوری است باعث انتشار نور در دو مسیر هسته و پوسته با سرعت‌های متفاوت می‌شود.
۴- پاشندگی رنگی در واقع مجموع دو پاشندگی موجبر و ماده است. این پاشندگی به طول موج منبع نوری وابسته است.
۵- پاشندگی مد پلاریزه، که در ساده‌ترین حالت ناشی از دایرة کامل نبودن مقطع تار است، به دلیل اختلاف بین سرعت انتشار دو مد پلاریزه رخ می‌دهد. این پاشندگی در سرعت‌های بالای ۱۰ گیگابیت بر ثانیه رخ می‌دهد و در سرعت‌های پایین مسألة جدی محسوب نمی‌شود.
سیستم‌های انتقال نوری
اگر در یک شبکة نوری فیبرها به صورت بهینه انتخاب و نصب شوند، تنها مسألة باقی‌مانده در جهت افزایش پهنای باند ( که در کشور ما به خاطر افزایش نیاز کاربران شبکه است) اعمال تغییرات در سیستم‌های انتهایی شبکة نوری است. در حال حاضر، محدودیت در پهنای باند شبکة نوری، ناشی از محدودیت در تکنولوژی استفادة بهینه از پهنای باند فیبر نوری است. در نتیجه، در سطح ملی و بین‌المللی، افزایش چندین برابر پهنای باند سیستم‌های نوری، فقط با صرف هزینه‌های اندک ممکن خواهد شد. این مسأله اهمیت استفاده از کابل‌های نوری با کیفیت بالا را در پیاده‌سازی اولیة شبکة انتقال نشان می‌دهد. در واقع تحولات صورت‌گرفته در راستای بهینه‌سازی شبکه‌های نوری، عمدتاً به صورت تغییر در ساختار عملیات مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ است.
مطالب فنی تکمیلی:
۱-تکامل شبکه‌های انتقال نوری
استفاده از فیبرهای نوری برای انتقال سیگنال‌های باند وسیع، عملاً با معرفی سیستم‌هایی به نام "سلسله‌مراتب دیجیتال نیمه‌همزمان (PDH ) " عملی گشت. "سلسله‌مراتب" در این اصطلاح به این معنی است که ارسال اطلاعات با نرخ‌های انتقال بالاتر، با استفاده از ترکیب نرخ‌های انتقال پایین، ممکن می‌شود. "همزمانی" نیز به معنی استفاده از یک سیگنال مرجع واحد در سیستم برای انجام عملیات مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ است.
این سیستم برای ارتباطات نقطه به نقطه بهینه شده بود و محدودیت دسترسی به نرخ‌های انتقال بالاتر، عمدتاً ناشی از خود استاندارد بود و نه تکنولوژی. در ضمن، این سیستم برای پهنای باند مورد نیاز دهة ۸۰ میلادی پاسخگو بود. ولی با افزایش شدید نیاز به پهنای باند بالا و نیز لزوم استفاده از فیبر نوری برای ارتباطات نقطه به چند نقطه (مثل آن چیزی که برای ارتباطات درون شهری نیاز است) کاربری خود را از دست داد. با معرفی سیستم‌های "سلسله مراتب دیجیتال همزمان (SDH ) " در اوایل دهة ۹۰ میلادی، بسیاری از کاستی‌های سیستم قبلی برطرف گشت. در این سیستم یک نرخ بیت پایه ( ۱۵۵ مگابیت بر ثانیه یا STM-۱) برای انتقال اطلاعات در نظر گرفته می‌شود. استاندارد به گونه‌ای طراحی شده است که نرخ بیت‌های بالاتر به صورت مضرب صحیحی از ۴ برابر این نرخ بیت پایه ساخته می‌شوند (STM-۴، STM-۱۶ و STM-۶۴) . در این زمینه، هیچ محدودیتی برای سقف نرخ بیت ارسالی از دیدگاه استاندارد وجود ندارد و تکنولوژی عامل محدودیت است. در این سیستم، ارسال با نرخ‌های بالاتر از طریق عملیات مالتی‌پلکس زمانی (TDM) صورت می‌گیرد. با گسترش روزافزون تقاضا برای پهنای باندهای بیشتر، برخلاف انتظار، این سیستم نیز قادر به برآوردن این نیاز نشد. طبعاً ساده‌ترین راهی که برای حل این مشکل به نظر می‌رسید، خواباندن فیبرهای بیشتر درون خاک بود. این روش غیر از اینکه هزینه‌های هنگفتی را برای گسترش شبکه اعمال می‌کرد، هیچ ضمانتی را برای برطرف کردن نیاز در سال‌های آینده نمی‌داد. در واقع، این مشکل به دلیل محدودیت تکنولوژی بروز کرده بود و طبعاً با گذشت زمان حالت حادتر به خود می‌گرفت؛ تا اینکه ایدة استفاده از چند طول موج در یک فیبر (WDM) به عنوان راه‌حلی بلند‌مدت برای این مشکل مطرح شد. البته این ایده در روزهای آغازین استفاده از فیبر نوری برای انتقال اطلاعات مطرح شده بود، ولی در آن زمان محدودیت تکنولوژی امکان استفادة عملی از آن را نمی‌داد. کلید حل این مشکل در استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری بود که عملیات تقویت سیگنال نوری را بدون تبدیل آن به سیگنال الکتریکی انجام می‌دهند. به مرور زمان، استفاده از حداکثر طول موج در فیبر (DWDM ) مد نظر قرار گرفت. امروزه نیز با استفاده از این تکنولوژی، امکان ارسال ۱۶۰ طول موج در یک فیبر که هریک نرخ ارسال اطلاعات ۸۰ گیگابیت بر ثانیه دارند (۱۲۸۰۰ گیگابیت یا حدود ۱۳ ترابیت بر ثانیه!)، ممکن شده است.
غیر از افزایش پهنای باند در سیستم DWDM ، هزینة تجهیزات برای افزایش پهنای باند بسیار کمتر از سیستم SDH است. دلیل این مسأله نیز این است که در DWDM افزایش پهنای باند نیازی به افزودن تعداد تکرارکننده‌ها ندارد. سیستم DWDM برای کاربردهای راه دور طراحی و بهینه شده است. با افزایش حجم ترافیک درمحدوة شهری، نیاز به استفاده از سیستم‌های باند وسیع، که در محدودة شهری صرفة اقتصادی داشته باشند، احساس شد. سیستم CWDM پاسخگوی این نیاز بود. در این سیستم، نسبت به سیستم DWDM ، تعداد طول موج‌های کمتر با "فاصلة بین طول موج" بیشتر استفاده می‌شود. در واقع تمایز بین نرخ افزایش ترافیک شهری و ترافیک بین‌شهری منجر به به کارگیری سیستم CWDM برای مناطق شهری شد. در مناطق شهری نرخ افزایش ترافیک کمتر از مناطق بین‌شهری است. به عبارت دیگر، در ترافیک‌های شهری هزینة سیستم DWDM به ازای هر کانال خیلی بیشتر از سیستم CWDM است.
۲-مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ
در سیستم‌های PDH و SDH ، عملیات مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ در حوزة الکتریکی صورت می‌گیرد. به عنوان مثال، در ورودی مالتی‌پلکسر سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی تبدیل شده، در صورت نیاز عملیات سوئیچینگ روی سیگنال‌های الکتریکی صورت گرفته و بعد از تبدیل به رده‌های بالای مالتی‌پلکس، مجدداً به سیگنال نوری تبدیل می‌شود. محدودیت سرعت پردازنده‌های الکتریکی و تکنولوژی ارسال این رده‌ها روی فیبرهای نوری، دستیابی به نرخ‌های ارسال بالاتر را محدود می‌کند. با معرفی سیستم DWDM و نیاز به انجام عملیات مالتی‌پلکسینگ در سرعت‌های بالاتر، انجام مالتی‌پلکسینگ در حوزة نوری اهمیت یافت. این مالتی‌پلکسرها روی طول موج‌های متفاوت سیگنال‌های نوری ورودی و خروجی عمل می‌کنند. در صورتیکه انجام سوئیچینگ بین کانال‌های موجود روی یک طول موج نیاز باشد، باید این عملیات توسط سوئیچ‌های الکتریکی صورت گیرد. این عملیات، باعث کاهش سرعت انتقال اطلاعات و کاهش قابلیت مدیریت دینامیک کانال‌ها می‌شود.
مروری بر شبکه‌های انتقال و دسترسی نوری
● روش WDM
روش WDM به‌عنوان روش اصلی در انتقال اطلاعات در سیستم‌های نوری از اوایل دههٔ ۱۹۸۰ مورد توجه و استفاده قرار گرفته است. امروزه نیز تلاش‌های بسیاری برای استفادهٔ بهینه از این روش در کاربردهای مختلف، درحال انجام است. CWDM و DWDM دو روش اصلی مورد استفاده در شبکه‌های نوری است. متن حاضر در ادامهٔ سلسله مطالب مربوط به شبکه‌های نوری، به بررسی روش WDM و خصوصیات روش‌های CWDM و DWDM پرداخته است و آن‌ها را مورد مقایسه قرار داده است.
● روش WDM
اگر نگاهی به مشکلات فعلی صنعت مخابرات، به خصوص در زمینهٔ سرویس‌دهی به کاربران بیندازیم، به اهمیت WDM بیشتر پی خواهیم برد. اولین چالش پیش روی صنعت مخابرات، افزایش روزافزون تقاضا برای سرعت‌های بالاتر و در نتیجه پهنای باند بیشتر است؛ به‌طوری‌که برخی اعتقاد دارند ظرفیت لازم برای شبکه، هر شش ماه، دو برابر می‌شود.
دومین چالش اساسی موجود، تکنولوژی‌های گوناگونی است که برای عملیاتی کردن و استفاده از انواع شبکه به‌کار می‌روند IP ـ ATM و SONET از جملهٔ این موارد هستند که به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و هر یک مزایای خاص خود را دارا هستند؛ اما هر یک به تجهیزاتی برای تبدیل به یکدیگر نیاز دارند.
با استفاده از شبکه‌های نوری و روش WDM می‌توان تا حد زیادی این مشکلات را برطرف کرد. با استفاده از این روش، می‌توان به پهنای باندی تا ۱۶۰۰ گیگابیت در ثانیه دست یافت که با استفاده از این پهنای باند، می‌توان بیش از ۳۰ میلیون تماس تلفنی را فقط با استفاده از یک فیبر منتقل کرد و مشکل تکنولوژی‌های متفاوت نیز به‌راحتی حل می‌شود. با توجه به اینکه اطلاعات بر روی فیبر با استفاده از روش WDM بر روی طول موج‌های مختلفی ارسال می‌شود که مستقل از یکدیگر عمل می‌کنند، لذا می‌توان به‌راحتی انواع مختلف تکنولوژی را در این زمینه مورد استفاده قرار داد و خدمات مختلفی نظیر صوت، تصویر، اطلاعات و مولتی‌مدیا را به کاربران ارائه کرد.
● راه‌حل‌های افزایش ظرفیت در شبکه‌های نوری
برای افزایش ظرفیت شبکه، می‌بایست راه‌حلی انتخاب شود که اقتصادی باشد و کاربر را برای استفاده از آن ترغیب کند. اولین راه‌حلی که به ذهن می‌رسد، استفاده از تعداد بیشتری فیبر برای دسترسی به پهنای باند بالاتر است که این کار اصلاً به صرفه نیست؛ چرا که یک راه‌حل کاملاً سخت‌افزاری است که با صرف هزینه و وقت زیاد همراه است. ضمن آنکه استفاده از تعداد فیبر بیشتر، الزاماً امکان ارائه خدمات جدید را برای ISPها فراهم نمی‌آورد. راه‌حل دوم افزایش سرعت، استفاده از مالتی پلکسینگ زمانی TDM است که با تقسیم‌بندی زمانی امکان ارسال اطلاعات بیشتر را بر روی فیبر فراهم می‌آورد.
این روش به‌طور معمول بر روی شبکه‌های فعلی مخابرات استفاده می‌شود؛ اما افزایش ناگهانی سرعت با این روش امکان‌پذیر است. بنابر استانداردی که تعریف شده است، گام بعدی، دسترسی به سرعت ۴۰ Gbs پس از ۱۰ Gbs است که دستیابی به آن تنها با روش TDM و در آیندهٔ نزدیک امکان‌پذیر نخواهد بود و مستلزم پیشرفت تکنولوژی ساخت قطعات الکترونیکی است. روش TDM هم‌اکنون در شبکه‌های انتقال براساس SONET که استاندارد آمریکای شمالی و SDH که استاندارد بین‌المللی است به‌کار می‌رود. قابل ذکر است که SONET و SDH استانداردهائی هستند که برای سیگنال‌های دیجیتالی تعریف شده‌اند و سرعت ارتباطات، ساختار بسته‌ها و رابط‌های نوری را استاندارد می‌کنند.
راه‌حل سومی نیز برای ISPها وجود دارد و آن استفاده از روش WDM است. در این روش، به هر یک از سیگنال‌های نوری ورودی، یک طول موج و یا یک فرکانس خاص داده می‌شود و سپس تمام سیگنال‌ها بر روی یک فیبر ارسال می‌شوند. از آنجا که هر یک از این طول موج‌ها مستقل از یکدیگر هستند و بر روی هم هیچ گونه تأثیری ندارند، این امکان را به ISPها می‌دهند تا از امکانات موجود شبکه به‌طور بهینه بهره بگیرند و بتوانند از تکنولوژی‌های مختلف استفاده کنند.
فهرست مطالب
مروری بر شبکه‌های نوری
تار نوری و کابل نوری
انواع تار نوری
آیا تار نوری تلفات دارد؟
سیستم‌های انتقال نوری
مطالب فنی تکمیلی:
۱-تکامل شبکه‌های انتقال نوری
۲-مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ
مروری بر شبکه‌های انتقال و دسترسی نوری
● روش WDM
● روش WDM
● راه‌حل‌های افزایش ظرفیت در شبکه‌های نوری
به‌طور کلی می‌توان خصوصیات روش WDM را به‌صورت زیر برشمرد:
▪ فراهم آوردن سرعت‌های بالا بر روی یک فیبر تکی
▪ امکان استفاده از تجهیزات فعلی شبکه
▪ امکان استفاده از فرمت‌های متفاوت نظیر SONET، IP و ATM با سرعت‌های متفاوت
▪ ارائه خدمات جدید به کاربران براساس اختصاص طول موج که روشی کاملاً نرم‌افزاری است.
● DWDM و CWDM
جدول ۱ ـ باندهای طول موجی انتقال اطلاعات بر روی فیبر
نام باند/محدودهٔ طول موج برحسب نانومتر
O-Band/۱۳۶۰-۱۲۶۰
E-Band/۱۴۶۰-۱۳۶۰
S-Band/۱۵۳۰-۱۴۶۰
C-Band/۱۵۶۵-۱۵۳۰
L-Band/۱۶۲۵-۱۵۶۵
شبکه های نوری آینده :
شکل 1- گام 1: معرفی فناوری DWDM  ومسیریابی طول موج.
گام 2: معرفی تسهیم طول موجی فوقالعاده چگال،  مسیریاب فوتونی MPLS و زنجیره‌ سوئیچ‌ها، OADM، سیستم‌های نوری OXC
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 معرفیشد.
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 هرجریان لایه‌ 1، یک برچسب طول موج اضافه میشود.
شکل 4- پیکربندی مسیریاب MPLS  فوتونی‌
شکل 5- تولید پالس چند طول موجی و موج نورپیوسته توسط منبع نوری سوپرکانتینیوم‌
شکل 6-  تولید حامل نوری سوپرکانتینیوم.
(a) حامل‌های با فاصله کانال 50 گیگاهرتزی.
(b) میکروگراف
(c) طیف نورسوپرکانتینیوم تولید شده با استفاده از PM-PCF .
آینده
شبکه نوری سنکرون  SONET
مشخصات SONET
اجزای SONET
باز مولد(Regenarator):
مولتی پلکسر حذف کننده/اضافه کننده (Add/drop Multipelexer)
دی مولتی پلکسرSTS
سرعت سیگنالهایSONET
جدول 2-1 سرعت سیگنالSONET وSDH را نشان میدهد
فرمت فریم درSONET
مراجع