Man kann im übertragenen Sinne sagen, dass heute fast jeder Anruf, jede gesendete SMS, jedes auf YouTube hochgeladene Video irgendwann in elementare Lichtteilchen (Photonen) umgewandelt und mit rasender Geschwindigkeit (über 200.000 km / s) übertragen werden kann sogar entlang des Meeresbodens entlang ultradünner Glasfäden. Mehr als zwei Milliarden Kilometer solcher Fäden sind heute beteiligt, sie können den Globus mehr als 50.000 Mal umhüllen.
Wenn wir nun über optische Netzwerke in einer ernsthafteren Sprache sprechen, können wir Folgendes feststellen. Bis vor kurzem überstieg das Potenzial von Standard-Single-Mode-Fasern das Potenzial, das zur Lösung des Problems des Verkehrswachstums durch die Bandbreite optischer Netzwerke erforderlich ist. Im Vergleich zu dem Versuch, eine grundlegend neue Glasfaserplattform zu entwickeln, gab es lange Zeit viel kostengünstigere Möglichkeiten, den Durchsatz zu steigern. Diese Methoden haben lange mit den globalen Verkehrswachstumsraten Schritt gehalten und wurden beispielsweise durch eine einfache Aktualisierung der Endgeräte implementiert, um die verfügbare Bandbreite effizienter zu nutzen. Die Zeiten ändern sich jedoch und die heutigen Laborexperimente zur Datenübertragung durch Standard-Singlemode-Fasern nähern sich den grundlegenden Bandbreitengrenzen von Singlemode-Fasern. Nach der Informationstheorie wird diese Grenze für aktuelle Fasern auf etwa 100-200 Tbit / s geschätzt. Diese Tatsache gibt Anlass zur Sorge im Zusammenhang mit der Unmöglichkeit einer systematischen Erhöhung der Netzwerkbandbreite um ein Vielfaches in der Zukunft und wurde als „Kapazitätskrise“ optischer Netzwerke bezeichnet. Es werden bereits verschiedene Symposien abgehalten, um die Situation zu diskutieren und Lösungen zu finden. Versuchen wir, das Wesentliche dieser Tatsache weiter zu erklären. Zum besseren Verständnis betrachten wir zunächst die Chronologie der Wachstumsraten der Datenübertragungsraten auf dem Globus zusammen mit der Entwicklung der Geschwindigkeiten linearer Schnittstellen.
Merkmale der Entwicklung der Geschwindigkeit von Kommunikationssystemen und linearen Schnittstellen
Die folgende Grafik zeigt die Werte von Indikatoren, die die Kapazität von Telekommunikationssystemen in den letzten 500 Jahren charakterisieren. Im Allgemeinen kann ein Kommunikationssystem durch die Symbolrate und die Informationsmenge pro 1 Symbol (Anzahl der Bits pro Symbol) quantifiziert werden. Grüne Markierungen in Abb. 1 zeigt den Wert der Geschwindigkeit des Kommunikationssystems in Bit / s zu dem einen oder anderen Zeitpunkt.
Werte von Indikatoren, die die Kapazität von Telekommunikationssystemen in den letzten 500 Jahren charakterisieren.
Abb. 1
Diese Ergebnisse spiegeln die historische Entwicklung der Fähigkeiten von Informationsübertragungssystemen wider, beginnend mit frühen Kommunikationssystemen wie einer Reihe von Relaistürmen, in denen Signale in Form von beleuchteten Lichtern verwendet wurden, um Nachrichten von Station zu Station zu übertragen. Wie Sie wissen, war das Messaging in diesen ersten Kommunikationssystemen langsam und diente normalerweise zur Übertragung eines Alarms. Um komplexere Nachrichten zu übertragen, musste die Produktivität durch Erhöhen des Informationsgehalts jedes Signals erheblich gesteigert werden.
Die Kreuze in der Abbildung kennzeichnen die Geschwindigkeit von drahtlosen Kommunikationssystemen, einschließlich Antidiluvian wie dem optischen Murray-Telegraphen und dem Semaphor der Schapp-Brüder. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, wurde in diesem frühen Zeitraum ein exponentieller Anstieg der Übertragungsrate beobachtet, obwohl die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate unter 10% lag.
Im 19. Jahrhundert. begann elektrische Signale zu verwenden, um Nachrichten zu übertragen, erschien ein Telegraph. Die Wachstumsrate der Leistung von Kommunikationssystemen ist auf etwa 20% pro Jahr gestiegen. Durch die Verwendung elektrischer Signale konnten die Kosten für den Betrieb von Kommunikationsleitungen durch die Einführung elektronischer Verstärker anstelle von vom Menschen gesteuerten Relaistürmen erheblich gesenkt werden. In den nächsten 50 Jahren wurden bereits transatlantische Kabel gebaut, und bald überspannten Kommunikationsleitungen den Globus und erreichten 1872 die australische Stadt Adelaide.
Im Laufe des nächsten Jahrhunderts ermöglichten Kupferkern-Kommunikationskabel die Erhöhung der Netzwerkkapazität, Koaxialkabel erschienen. In Kommunikationssystemen tauchten verschiedene Schemata des Multiplexens, der Modulation usw. auf. Die Kapazitätsgrenze für solche Kommunikationsleitungen betrug jedoch etwa 1 Gbit / s. Darüber hinaus hat die Kombination eines großen Dämpfungskoeffizienten und einer sehr begrenzten Kanalbandbreite den Einsatz von Systemen mit hohem Durchsatz stark eingeschränkt. Eine neue Technologie für die Datenübertragung war erforderlich - Glasfaser erschien. Weiterentwicklung von Netzwerken kann man meiner Meinung nach nicht beschreiben. Wenn jemand mit der Geschichte der Entwicklung von FOCL nicht vertraut ist, dies aber herausfinden möchte, können Sie dies beispielsweise hier nachlesen.
In Schulgeschichtsbüchern konnte festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit kommerzieller linearer Schnittstellen in optischen Transportsystemen seit Mitte der 80er Jahre stetig um etwa 20% pro Jahr gestiegen ist. Aufgrund dieser Raten lag das Datenübertragungsvolumen über eine einzelne Glasfaser bereits Mitte der 90er Jahre in der Größenordnung von zehn Gigabit, was die Entwicklung neuer Technologien erforderte, die die Gesamtbandbreite von Netzwerken erhöhen. Die Lösung war ein WDM-System. Derzeit wächst auch der Netzwerkverkehr rasant und steigt jedes Jahr im Bereich von 30% bis 90%, abhängig von der Art des Verkehrs.
Die folgenden interessanten Punkte können festgestellt werden. In den letzten Jahrzehnten fiel das Wachstum der Routerleistung (aufgrund der Entwicklung von Mikroprozessoren und anderen Computergeräten gemäß dem Moore'schen Gesetz) mit der Zunahme des Datenverkehrs zusammen (siehe Abb. 2). Gleichzeitig betrug die Wachstumsrate der optischen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen nur 20%. Somit kann die folgende Tatsache festgestellt werden: Die Wachstumsrate der Routerleistung erwies sich im Vergleich zur Wachstumsrate ihrer Schnittstellengeschwindigkeiten um ungefähr 40-60% als schneller.
In den letzten Jahrzehnten fiel das Wachstum der Routerleistung (aufgrund der Entwicklung von Mikroprozessoren und anderen Computergeräten gemäß dem Moore-Gesetz) mit der Zunahme des Datenverkehrs zusammen.
Abb. 2 - Vergleich der Geschwindigkeiten optischer Systeme und der Geschwindigkeiten linearer Schnittstellen
Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, begannen die Funktionen optischer linearer Schnittstellen um 2005 herum, die Geschwindigkeitssteigerung von Router-Schnittstellen zu begrenzen. Die Standardisierung der 100G-Ethernet-Schnittstelle und des 100-Gbit / s-OTN-Transportmoduls wurde erst 2010 und die Standardisierung der 400G-Ethernet-Schnittstelle erst 2017 durchgeführt. Eine weitere Konsequenz, die sich aus dem überproportionalen Wachstum der elektrischen und optischen Schnittstellen ergibt, ist die Abnahme des zukünftigen Aggregationsniveaus von Ethernet-Streams zu einem optischen Kanal. Das heißt, wenn zuvor ein einzelner optischer 100G-Kanal zehn 10GE-Komponentenströme enthielt, wird diese Aggregationsebene mit der Standardisierung der 100G-Ethernet-Schnittstelle nicht mehr vorhanden sein.
Heute hat sich die Durchsatzrate von WDM-Übertragungssystemen von einem jährlichen Wachstum von 100% in den neunziger Jahren auf nur noch 20% pro Jahr verlangsamt. Im Jahr 2010 könnten kommerzielle Netzwerke mit WDM-Systemen ungefähr 100 optische Kanäle mit jeweils 100 Gbit / s unterstützen. Somit erreichte der Durchsatz einer Faser 10 Tbit / s. Bei einer jährlichen Verkehrswachstumsrate von 40% ist zu erwarten, dass kommerzielle Systeme im Jahr 2024 eine Kapazität von etwa 1 Pbit / s aufrechterhalten müssen. Dies bedeutet keineswegs, dass solche Systeme bis dahin voll funktionsfähig sein werden, was bei 2010-Systemen nicht der Fall war. Es besteht jedoch wahrscheinlich die kommerzielle Notwendigkeit, mit der Installation solcher Systeme zu beginnen.
Was folgt aus allen präsentierten Fakten? Stellen Sie sich vor, Sie könnten in Ihrer Kindheit mit 6 Jahren einen Apfel und einen kleinen Teller Brei essen. Mit 10 brauchten wir doppelt so viel: Zwei Äpfel plus eine Portion Brei wuchsen zweimal. Mit 14 Jahren essen wir bereits Äpfel, eine Schüssel Haferbrei, eine Schüssel Suppe und brauchen noch Kompott. Unser Appetit wächst mit der Zeit exponentiell und mit 20 essen wir als Sumoist und mit 32 wie Robin Bobin Barabek (wie in Marshaks Gedicht). Wenn also unser Appetit zu Beginn für einen gewöhnlichen Menschen völlig traditionell und real war, dann führten uns in Zukunft mehrere Wachstumsraten zu unvorstellbaren Mengen, die schwer in die Praxis umzusetzen sind. Die gleiche Situation tritt in modernen optischen Netzwerken auf.
Eine konstante Steigerung des Wertes der spektralen Effizienz in bestehenden Netzen kann nicht unbegrenzt fortgesetzt werden - es gibt Einschränkungen in Form grundlegender Grenzen für die Kanalkapazität. Einschränkungen werden sowohl durch technologische Mängel von Sendern, Empfangsmodulen, Multiplexern und optischen Verstärkern (internes Rauschen von optischen Verstärkern) als auch durch die Eigenschaften der Faser selbst (nichtlineare Effekte) verursacht. All dies führt zu verschiedenen Signalverzerrungen und dementsprechend zu praktischen Einschränkungen der Übertragungsgeschwindigkeit. Denken Sie daran, dass die grundlegende Begrenzung der maximalen Übertragungsgeschwindigkeit in einem Kanal als Shannon-Begrenzung bezeichnet wird - die physikalische Begrenzung, die der „Kapazitätskrise“ selbst zugrunde liegt.
Heutzutage werden die Konzepte einer Krise in der Kapazität optischer Netze und der Shannon-Grenze in der wissenschaftlichen Gemeinschaft häufig als Rechtfertigung für die dringende Notwendigkeit der Entwicklung innovativer Lösungen verwendet. Es ist jedoch zu beachten, dass dieser Begriff auf unterschiedliche Weise verstanden und interpretiert werden kann. In der Ölexplorations- und -produktionsindustrie beispielsweise tauchte der Ausdruck „Kapazitätskrise“ oder „Kapazitätskrise“ viel früher auf und implizierte eine bevorstehende Erschöpfung der verfügbaren Ressourcen. Eine weit verbreitete Interpretation dieses Ausdrucks bedeutet eine begrenzte, aber immer noch kontinuierliche Bereitstellung einer begrenzten Menge an Ressourcen. Im gleichen Zusammenhang kann man von der „Kapazitätskrise“ in Bezug auf optische Netze sprechen. Das heißt, in Zukunft wird eine Fähigkeitskrise das Fortbestehen optischer Kommunikationsnetze bedeuten, die den größten Teil der modernen Gesellschaft aus wirtschaftlicher, administrativer und sozialer Sicht unterstützen, jedoch den Zugang zu Netzwerkdiensten einschränken.
Es ist davon auszugehen, dass die „Kapazitätskrise“ zu Änderungen in der Zahlungsreihenfolge von Anbietern für Netzdienste führen kann. Beispielsweise zahlen Dienstkonsumenten den Betreibern die tatsächlich genutzte Bandbreite. Es kann auch davon ausgegangen werden, dass Jahrhunderte nach der Schaffung von Netzwerken mit höherer Bandbreite die Netzwerkressourcen endlich unseren endgültigen Wünschen entsprechen und Verkehrswachstumsraten von über 10% in der Geschichte lediglich als Merkmal des Zeitraums vom Ende des 20. Jahrhunderts bis zur ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts vermerkt werden . Dem Auftreten immer mehr Informationsanwendungen nach zu urteilen, gibt es jedoch keine ausreichenden Beweise dafür, dass die Nachfrage allmählich gesättigt wird. Grundsätzlich herrscht nun der Ansatz "Bauen und es wird kommen" vor, d. H. Zuerst werden neue Technologien geschaffen, und dann werden sie bereits bei den Menschen populär. Es gibt andere Befürworter des Ansatzes „Notwendigkeit, nach Bedarf neue zu entwickeln“. Letztere glauben, dass sich die Menschheit nur mit einem solchen Denken vollständig entwickeln und sich letztendlich nicht in eine Sackgasse treiben wird. Nach welchem Ansatz sollte sich die Gesellschaft und damit auch über Telekommunikationsnetze entwickeln? Das Thema ist umstritten. Die Diskussionen zu diesem Thema sind nicht mehr jung.
Vorbereitet von Dmitry Kusaykin