eng
Выпуск #6/1999
Н. Слепов.
Оптические кросс-коммутаторы. Принципы реализации и архитектура
Оптические кросс-коммутаторы. Принципы реализации и архитектура
Просмотры: 6800
Несмотря на существенные успехи в развитии технологии оптических сетей, связанные с развитием WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны) [1], коммутация каналов, оборудования и данных (пакетов, фреймов, кадров, ячеек) до последнего времени осуществлялась электронными устройствами – маршрутизаторами и кросс-коммутаторами. Это объяснялось рядом особенностей электронных коммутаторов, прежде всего их функциональной гибкостью и универсальностью. Однако применение электронных преобразователей в оптических сетях приводит к двойному преобразованию сигнала – из оптического в электронный и обратно. В результате сеть становится неоднородной, что ведет к существенному удорожанию оборудования. Вот почему столь велико стремление к построению однородных оптических сетей, что возможно только на основе оптических коммутирующих устройств.
Параметры оптических коммутаторов
Все коммутаторы характеризуются двумя важнейшими показателями: скоростью переключения и емкостью. В иерархии скоростей переключения в оптических сетях различают четыре уровня [2].
Низкие скорости переключения (время переключения более 1 мс) приемлемы для операций автоматической конфигурации-реконфигурации оборудования (например, оптическое байпасное переключение для обхода выключенного или вышедшего из строя блока) или обновления таблиц маршрутизации. При этом для большой сети требуются значительные емкости коммутаторов. Средние скорости (~1 мкс) достаточны при защитном переключении колец или альтернативных маршрутов в сетях для коммутации сетевого трафика из одного волокна в другое. Здесь достаточно емкости коммутатора 2х2. Высокие скорости (~1 нс) требуются для коммутации потоков данных – переключения должны происходить существенно быстрее, чем время прохождения пакета (42 нс для 53-байтной ячейки АТМ при скорости потока 10 Гбит/с). Очень высокие скорости переключения (~1 пс) необходимы для внешней модуляции светового потока потоком данных. При этом время коммутации должно быть по крайней мере на порядок меньше длительности одного битового интервала (100 пс для потока 10 Гбит/с).
Емкость – это число коммутируемых каналов или коммутируемых стандартных модулей (например, STM-1). Оптический коммутатор 16х16 считается большим, хотя не идет ни в какое сравнение с электронными коммутаторами емкостью 2048х2048 каналов.
Работу коммутаторов характеризуют еще четыре показателя. Коэффициент ослабления коммутируемого сигнала – это отношение мощности сигнала на выходе в режиме “выключено” по отношению к мощности в режиме “включено”. Он может варьироваться от 40–50 до 10–15 дБ в зависимости от типа коммутатора. Данный показатель стремятся максимизировать. Как можно меньше должны быть вносимые коммутатором потери – ослабление сигнала, вызванное устройством. Переходное затухание коммутатора – отношение мощности сигнала на нужном (скоммутированном) выходе к мощности сигналов на всех остальных выходах – должно быть как можно больше. Минимизировать стараются и поляризационные потери коммутатора – ослабление коммутируемого сигнала, вызванное его поляризацией. Уровень этих потерь зависит от места коммутатора в системе связи. Для их снижения на входе коммутатора используют специальное волокно, препятствующее поляризации сигнала.
Базовые оптические коммутаторы
Существует ряд технологий создания оптических коммутаторов. В соответствии с ними выделяют восемь типов таких устройств:
– механические оптические коммутаторы;
– электрооптические;
– термооптические;
– оптоэлектронные на основе SOA;
– интегральные активно-волноводные;
– на фотонных кристаллах;
– на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах;
– на ИС с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом.
Механические оптические коммутаторы используют механическое перемещение элемента, коммутирующего световой поток от входного оптического порта к выходному. Известны три типа коммутирующих элементов [3]:
– вращающийся отрезок оптического волновода, поворачивающийся на определенный фиксированный угол для соединения входного порта (или пары входных портов) с одним (или парой) из выходных портов, расположенных по окружности;
– вращающаяся призма или зеркало (плоское или сферическое вогнутое), при повороте на определенный фиксированный угол направляющая луч от входного порта на выходной;
– направленные звездообразные/древовидные разветвители, фокусирующие световой поток на одном из выходных портов за счет изменения коэффициента связи при механическом воздействии на разветвитель в зоне оптической связи (например, посредством скручивания или растяжения).
Механические коммутаторы имеют один или два (дуплексные) входных и n выходных портов; их время переключения – от 10 до 500 мс. Следовательно, они применимы только для автоматической реконфигурации сети. Достоинство этих устройств – небольшие вносимые потери (до 0,5 дБ) и большое переходное затухание (до –80 дБ). Емкость коммутаторов данного типа достигает сотен выходных портов (например, у коммутаторов FS-S, FS-M, FS-L компании Fujikura от 50 до 1600 выходных портов). Однако число входных портов, как правило, ограничено одной парой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее проработаны, их применение в системах большой размерности проблематично не только с точки зрения числа входов, но и из-за сложности управления процессом коммутации (табл. 1).
Электрооптические коммутаторы (ЭОК) также используют направленные разветвители для фокусировки светового потока на одном из выходных портов за счет управления коэффициентом связи, но уже посредством изменения коэффициента преломления материала разветвителя в зоне оптической связи. Пример такого устройства – ЭОК с волноводами из ниобата лития LiNbO3, коэффициент преломления которого изменяется под воздействием напряжения, приложенного к двум электродам в зоне оптической связи (рис. 1). ЭОК обладают исключительно высокой скоростью переключения (порядка 10–100 пс), ограниченной паразитной емкостью электродов, и могут использоваться для внешних модуляторов. Емкость коммутаторов этого типа мала (2х2), хотя ее можно увеличить, разместив несколько коммутаторов на одной подложке. Кроме того, у ЭОК относительно высоки вносимые и поляризационные потери (табл. 1).
Термооптические коммутаторы основаны на явлении изменения коэффициента преломления под действием температуры. В качестве коммутирующего устройства используется интерферометр Маха-Цендера (MZI), материал волноводов которого под действием температуры изменяет эффективный коэффициент преломления nэф, а следовательно, и b – постоянную распространения моды (так как b=2pnэф/l). Это в свою очередь ведет к изменению разности фаз между двумя плечами интерферометра (рис. 2), вызывающему эффект коммутации входного сигнала с одного выхода на другой. Базовыми являются коммутирующие элементы емкости 2х2, которые при определенном каскадировании позволяют сформировать коммутаторы 8х8.
Основой базового элемента (БЭ) является MZI, построенный из двух последовательно включенных направленных разветвителей, связанных между собой двумя оптическими волноводами различной длины для обеспечения разности фаз DL. Учитывая, что каждый направленный разветвитель создает на выходах разность фаз p/2, получаем разность фаз на выходах БЭ p+bDL (выход 1) и bDL (выход 2). Выбирая DL так, что bDL=kp, получаем разность фаз между выходами, равную p, т.е. сигнал со входа 1 попадает на выход 1, если для него выполняется равенство bDL=kp при нечетном k, и на вход 2, если это равенство истинно при четном k. Локальный дозированный импульсный нагрев элемента, изменяющий b, эквивалентен смене четности k, т.е. приводит к коммутации сигнала с одного выхода на другой.
Термическая специфика делает данные устройства достаточно инерционными (табл. 1). Кроме того, они обладают большими вносимыми потерями и малым переходным затуханием. Последнее улучшается, если подложки коммутатора выполнены не из кварцевого стекла, а из специальных полимеров.
Оптоэлектронные коммутаторы можно строить и на основе полупроводниковых оптических усилителей (SOA – Semiconductor Optical Amplifier), например лазерных усилителей с резонатором Фаби-Пэро в цепи обратной связи [3], если в качестве параметра управления коммутацией использовать напряжение смещения. При малом напряжении смещения произойдет поглощение входного сигнала усилителем – состояние “выключено”. При увеличении напряжения восстанавливается нормальное усиление сигнала – состояние “включено”. Таким образом, сочетание нормального усиления с отсечкой сигнала, т.е. моделирование ключевого режима работы устройства, позволяет использовать SOA в качестве оптоэлектронного коммутатора.
Данный коммутатор обладает достаточно высоким быстродействием (1 нс). На его основе совместно с пассивными оптическими компонентами – разветвителями – можно строить коммутаторы большой емкости. Однако высокая стоимость SOA как отдельного элемента делает это решение неконкурентным по сравнению, например, с электрооптическими коммутаторами, у которых сопоставимые по быстродействию характеристики. Развитие интегральных технологий в направлении совместной реализации пассивных (разветвители) и активных (усилители) компонентов может привести к приемлемым по цене решениям, что подтверждает следующий тип коммутаторов.
Разработка интегральных активно-волноводных коммутаторов/переключателей (АВК, AWS – Active-Waveguide Switch) – это логическое развитие идей оптоэлектронных коммутаторов на основе полупроводниковых оптических усилителей (ОУ) [2]. Результатом стало объединение в оптоэлектронную интегральную схему (ОЭИС) полупроводниковых ОУ и оптических волноводных устройств.
ОЭИС представляет собой многослойную ИС, в структуре которой сформированы оптический волновод, ОУ, лазер, оптический модулятор, детектор, приемник и передатчик. Основой ОЭИС является активно-волноводная гетероструктура с выделенным “волноводным” слоем. Показатель преломления такого слоя имеет ступенчатый профиль (SISCH – Step-Index Separate-Confinement Heterostructure), обусловленный квантовыми потенциальными ямами (КПЯ, QW – Quantum Well). КПЯ служат ловушками для носителей заряда (рис. 3). Волноводный слой получен эпитаксиальным выращиванием слоя InGaAsP между двумя слоями InP (p-типа сверху и n-типа снизу), формирующими p–n-переход. Из-за меньшей ширины запрещенной зоны в таком слое происходит приток носителей (дырок и электронов), “оседающих” в КПЯ. В результате образуется избыток носителей, которые могут рекомбинировать под действием оптического сигнала, распространяющегося по волноводу, создавая условия для оптического усиления сигнала в полосе примерно 60 нм с центральной длиной волны 1550 нм. Такая структура называется активно-волноводной.
При обратносмещенном p–n-переходе тока через него нет. КПЯ поглощают фотоны, и устройство работает как оптический аттенюатор. При умеренном токе через переход оно функционирует аналогично оптическому проводнику без потерь. При больших токах волновод становится оптическим усилителем с коэффициентом усиления порядка 18 дБ/мм на длине волны 1550 нм. Управляя током через переход (посредством контакта наверху “гребня” гетероструктуры), можно модулировать световой поток в волноводе. Тот же контакт применим для детектирования фототока в волноводе. Гетероструктура превращается в лазер (источник сигнала), если сформировать отражающие грани на краях ее гребня.
При реализации оптической схемы коммутатора необходимо изменять направление оптического сигнала в волноводе на 90о. Этот поворот происходит посредством полного внутреннего отражения (ПВО) сигнала от граней, вытравленных в гетероструктуре в месте стыка волноводов. ПВО при угле падения до 45о возможно благодаря большому (~3,5) коэффициенту преломления слоя InGaAsP.
Одна из наиболее удачных оптических схем БЭ (2х2) активно-волноводного коммутатора приведена на рис. 4 [2]. Объединяя четыре таких БЭ, получают АВК емкостью 4х4. Как правило, их формируют в виде ОЭИС размером 2х3 мм с 5-мкм оптическими волноводами. Длина волноводов между любыми входными/выходными портами одинакова, чтобы коэффициенты усиления и отношения сигнал/шум были равными. При ширине полосы устройства 10 нм его БЭ можно применять в неблокирующих матричных коммутаторах емкостью 1024х1024.
Одна из основных проблем оптических активно-волноводных коммутаторов – поворот луча на 90о. Для этого в них использованы интегральные аналоги оптических угловых призм. Однако ту же задачу с успехом решают фотонные кристаллы* (ФК) – периодические диэлектрические структуры с запрещенной зоной, препятствующей распространению света определенного частотного диапазона [5].
Создавая в таком кристалле точечные или линейные дефекты – резонансные полости (РП) или внутренние каналы соответственно, можно посредством туннельного эффекта проводить (коммутировать) оптическую несущую через запрещенную зону из одного внутреннего канала в другой. ФК решают три важные для оптических систем проблемы: поворот оси распространения оптического луча на 90о практически без потерь мощности (можно применять в АВК вместо призм); пересечение двух оптических волноводов в одной плоскости с пренебрежимо малым уровнем переходных помех; выделение (отфильтровка) одного или нескольких каналов (несущих) с последующей коммутацией. Последнее позволяет напрямую использовать ФК как элемент или базовый блок оптического коммутатора. На рис. 5 приведена предложенная автором гипотетическая схема такого блока как логическое расширение схемы фильтра канала вывода [6].
Cхема состоит из трех оптических волноводов: общей шины в центре и шин вывода с обеих сторон, связанных между собой оптической резонаторной системой – ОРС (по 2 или 4 резонансных полости с каждой стороны). Оптическая волна, распространяющаяся в общей шине в прямом направлении, возбуждает в резонансных полостях (РП) определенные моды колебаний, которые в результате взаимодействия переходят из РП в шины вывода, распространяясь в прямом или обратном направлении. Конструкция ОРС определяет параметры фильтров (например, число мод) и эффективность передачи энергии несущей из общей шины в шины вывода. При одной резонансной полости на несущую для большей эффективности РП настраивается на одномодовый режим, при двух – используются две зеркально симметричные (четные и нечетные) моды одной частоты. Входные сигналы коммутируют на ту или иную шину вывода, настраивая РП на разные несущие. Если на вход схемы на рис. 5 подаются две несущие, она реализует БЭ размером 2х2, который можно каскадировать для схем размера nxn. Проблемным остается управление перестройкой РП в процессе коммутации.
Коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах используют способность жидких кристаллов изменять прозрачность под действием управляющего напряжения. Принцип действия этих коммутаторов подробно изложен в [7].
Коммутаторы на матрицах оптоэлектронных вентилей онованы на так называемой интеллектуальной глобальной (N4) технологии взаимодействия с помощью оптического луча, распространяющегося в свободном пространстве [8]. Модули таких коммутаторов состоят из трех–пяти фиксированных пространственно разнесенных плоскопараллельных матриц, взаимодействующих с помощью лазерного луча (рис. 6). Элементами входной матрицы выступают лазеры с вертикальной резонаторной полостью и поверхностной эмиссией VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), излучающие лучи на среднюю матрицу, образованную элементами дифракционного оптического взаимодействия DOIE (Diffractive Optical Interconnect Element). Эти элементы в соответствии с хранящимися в них коммутационными шаблонами направляют лазерные лучи на один или несколько интеллектуальных элементов DANE (Detect, Amplify, Negate, Emit) выходной матрицы. Их называют интеллектуальными, поскольку они реализуют четыре функции – детектируют принимаемый сигнал (Detect), усиливают его (Amplify), инвертируют усиленные импульсы (Negate) и возбуждают эмиссию лазера VCSEL (Emit). Элементы DANE реализуют логическую операцию ИЛИ-НЕ над входными данными (лазерными лучами от DOIE).
Используя данный набор матриц, можно коммутировать любой элемент входной матрицы либо на любой из n2 элементов выходной матрицы (соединение точка-точка), либо на несколько таких элементов (соединение точка-многоточка), причем число одновременно соединяемых точек зависит от мощности лазера и порога срабатывания детектора.
Построение многокаскадных коммутаторов
Базовые оптические коммутаторы достаточно легко реализовать только как переключатели 2х2. При увеличении емкости их сложность существенно возрастает, что пока ограничивает размер реализованных коммутаторов на уровне 8х8 (табл. 1). Поэтому для коммутаторов большого размера используют различные технологии каскадирования базовых переключателей 2х2 или 1х2/2х1. Принцип каскадирования применяют еще и потому, что при этом существенно снижается стоимость коммутатора, пропорциональная числу БЭ. Так, для матричного коммутатора nхn требуется n2 БЭ, тогда как в случае каскадной схемы можно добиться числа БЭ порядка nlog2n (табл. 2).
Большие коммутаторы можно представить в виде упорядоченных наборов входных и выходных портов, связанных коммутируемой сетью связи (КСС). При коммутации цепей КСС управляется централизованно. Для коммутации ячеек, пакетов или виртуальных контейнеров схема управления может быть распределенной, с различными типами буферов на входе и выходе, схем организации очередей для устранения внутренних блокировок и т.д.
Рассмотрим более простой случай – коммутацию цепей. Топология сети при этом формально может быть различна, однако с учетом специфики задачи и сложности реализации используют структуры двух типов – дерево и матрица. Основной принцип построения – каскадирование базовых переключательных элементов.
Базовый элемент (как переключатель) можно представить в виде четырехполюсника с двумя входами I1 и I2 и двумя выходами O1 и O2 (рис. 7). Переключатель может находиться в двух основных состояниях: проходного (рис. 7а) и перекрестного соединения (рис. 7б), а также в режиме широковещательной передачи (рис 7в, г) [9].
Функциональную пригодность и эффективность многокаскадных оптических коммутаторов (МОК) обычно оценивают с помощью следующих показателей [3]: требуемое число базовых элементов; однородность коммутации (максимальное и минимальное число БЭ на оптическом пути, соединяющем порты входа-выхода в различных комбинациях и соответствующие им оценки максимальных и минимальных потерь); пересекаемость связующих волноводов (crossover) и характеристики блокировки – (блокирующий или неблокирующий МОК).
Волноводы могут пересекаться потому, что большие МОК изготавливаются как ОИС на единой подложке. ОИС, в отличие от электронных ИС, не может быть многослойной. При пересечении волноводов возникают потери мощности оптического излучения и переходные помехи (crosstalk) взаимодействия световых потоков. Поэтому во избежание такого пересечения топологию МОК желательно реализовывать в виде плоского графа. Отметим, что данное требование снимается при использовании ИС на фотонных кристаллах – фотонных ИС.
Коммутатор называется неблокирующим, если любой незанятый входной порт может быть соединен с любым неиспользуемым выходным портом. В противном случае, если какое-то соединение не может быть реализовано, коммутатор – блокирующий. Неблокирующие коммутаторы делятся [3] на: неблокирующие в строгом смысле (при любом соединении не требуют перемаршрутизации какой-либо связи); неблокирующие в широком смысле (не требуют перемаршрутизации при определенных процедурах коммутации) и перестраиваемые неблокирующие (всегда требуют перемаршрутизации какого-нибудь соединения).
Первый тип наиболее желателен, однако его реализация требуют наибольшего числа БЭ (табл. 2). Второй тип является некоторым компромиссом между первым и третьим и используется очень широко. Преимущество перестраиваемых коммутаторов – относительно малое число БЭ. Однако такие коммутаторы на время перемаршрутизации разрывают установленные соединения, что допустимо не для всех приложений. Кроме того, этот тип коммутаторов требует более сложных алгоритмов управления.
В литературе описаны четыре основных архитектуры КСС для МОК большого размера [3]: матричный кросс-коммутатор (crossbar); схема КСС Бенеша; схема КСС Шпанке-Бенеша и схема КСС Шпанке (табл. 2).
Схема матричного кросс-коммутатора 4х4 (с БЭ 2х2), представлена на рис. 8. На рисунке показан канонический путь коммутации входа 1 с выходом 3 – по “строке” и “столбцу” – тот путь, который нужно соблюдать. Кроме этого пути существует ряд других, неканонических – не обеспечивающих неблокируемость.
Как показывют исследования, схема на рис. 8 является неблокирующей в широком смысле – перемаршрутизация не требуется только при соблюдении канонических правил соединения. Данная схема отличается неоднородностью путей коммутации (длина кратчайшего пути – 1, а наиболее длинного – 2n-1). Отметим, что граф схемы – планарный, следовательно, при ее реализации не будет пересечения волноводов.
Схема КСС Бенеша приведена на рис. 9. Это пример неблокирующих схем, требующих перемаршрутизации некоторых уже осуществленных соединений. Данная схема требует значительно меньше БЭ 2х2, чем матричный коммутатор: для коммутатора nxn достаточно n(2log2n – 1)/2 БЭ, где n= 2m (для размера 8х8 – 20 БЭ вместо 64). Другое преимущество схемы Бенеша в том, что длины всех путей одинаковы (2log2n-1 БЭ). Очевидный недостаток схемы – невозможно избежать пересечения волноводов при изготовлении. Но это не будет служить препятствием при использовании фотонных кристаллов.
Недостаток “непланарности” преодолен в схеме КСС Шпанке-Бенеша, предложенной в 1987 году (рис. 10). Она, как и предыдущая, относится к классу перестраиваемых неблокирующих схем, но требует большего (28) числа БЭ 2х2 – n(n – 1)/2. Такова плата за планарность. Длины кратчайшего и наиболее длинного путей в схеме неодинаковы – n/2 и n БЭ 2х2 соответственно.
Схема КСС Шпанке (1987 год) является примером коммутаторов, неблокирующих в строгом смысле (рис. 11). Данная схема требует БЭ больше, чем даже в матричном коммутаторе (24 против 16). Однако сами БЭ проще – 1х2 и 2х1 вместо 2х2. В общем случае схема Шпанке размера nxn включает n(n-1) БЭ типа 1х2 и столько же БЭ 2х1. Длины всех путей одинаковы – 2log2n БЭ.
В заключение отметим, что несмотря на значительные успехи, создание промышленных образцов полнофункциональных оптических кросс-коммутаторов приемлемой емкости – пока дело будущего. Даже такие гиганты телекоммуникационного бизнеса, как Alcatel, Lucent Technologies, Siemens, Fujitsu, не заявляют о намерении использовать эти устройства в ближайшие два–три года. Но время оптических кросс-коммутаторов приближается. И наиболее перспективным представляется их применение в схемах маршрутизации оптических несущих сетей широкополосной WDM – DWDM (Dense WDM).m
Литература
1. Слепов Н. Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны. – Сети, 1999, № 4.
2. Balestra Ch.L., Shanley J.F. Optical Switches Link Fibers for Fast Cost-Effective Networks. – The Photonics Design & Application Handbook, 44-th International Ed., A Laurin Publishing Co. Inc., 1998.
3. Слепов Н. Оптические усилители. – Connect! Мир связи,1999, №8.
4. Ramaswami, Rajiv and Sivarajan Kumar N. Optical Networks: A practical perspective. – Morgan Kaufmann Publishers, Inc. San Francisco, California, 1998.
5. Photonic Crystal Research. – http://jdj.mit.edu/photons/index.html
6. Fan Sh., Villeneuve P.R., Joannopoulos J.D., Haus H.A. Channel Drop Filters in Photonic Crystals. – Optics Express 4, 6 July 1998, Vol.3, № 1.
7. Мокрышев В., Мокрышев С. Оптоэлектронный процессор. Новые принципы обработки оптической информации. – Электроника: НТБ, 1999, №4.
8. Peter S. Guilfoyle, William J. Miceli, Robert L. Kaminski. Optoelectronic Architecture for High-Speed Switching and Processing Applications. – The Photonics Design & Application Handbook, 44-th International Ed., A Laurin Publishing Co. Inc., 1998.
9. Baron, Robert J. and Higbie, Lee. Computer Architecture. – Addison-Wesley Publishing Company, Reading, Massachusetts, 1992.
Ведомственные и корпоративные сети связи’99 -
покончим с монополией на связь!
”...проблема создания и взаимодействия ведомственных и корпоративных сетей связи приобретает сегодня “вневедомственный”, общегосударственный характер”.
Зам. Министра путей сообщения РФ А.С. Мишарин.
Ко Второй Международной выставке ВКСС’99 готовились долго. И вот оно свершилось - с 22 по 26 ноября ВВЦ (Москва) встречал посетителей. Более 140 экспонентов из различных регионов России, ближнего и дальнего зарубежья спешили поведать о своих возможностях и достижениях. Их поддержали в этом стремлении 18 информационных спонсоров. Организаторы в грязь лицом не ударили – проблем у участников и посетителей не возникало.
После какого-либо события принято подводить итоги. В случае выставок о каких-то результатах говорить можно по прошествии нескольких месяцев, если выставка прошла успешно (т.е. посетители были какие нужно и в достаточном количестве). В этом плане на ВКСС все было в порядке. Отметить хочется два безусловно положительных момента, которые выявились в ходе выставки. Отечественные предприятия все активнее внедряются на рынок телекоммуникаций, в сектор разработки и производства оборудования в том числе. Назовем только некоторые фирмы - “Зелакс”, “Гранч”, “Информтехника и связь”, “Агат-РТ”, “ИНБИС”, Ижевский радиозавод, “Белавокс”, “Морион”, “Стрела”, “Радиус-2” – продолжать можно долго, простите, кого не назвали.
Вторая недавно наметившаяся, но все ярче проявляющаяся тенденция – официально объявленное стремление владельцев корпоративных сетей государственного масштаба (МПС, Газпром, РАО ЕЭС) стать операторами связи национального масштаба – т.е. прямым конкурентом сегодняшнего безраздельного монополиста – ОАО “Ростелеком”. Первым активную политику в этом направлении начало проводить МПС, учредив ЗАО “Компания ТрансТелеКом”. Так, уже эксплуатируется часть строящейся компанией единой магистральной цифровой сети на основе ВОЛС, общая протяженность которой составит 35 тыс. км. Сеть продублирована спутниковыми каналами связи.
Не желает отставать и Газпром со своей сетью связи, состоящей из увязанных наземного и спутникового сегментов. Наземные системы насчитывают свыше 70 тыс. км магистральных кабельных линий связи и 17 тыс. км многоканальных радиорелейных линий (8 тыс. км из них – цифровые). Вдоль трасс газопроводов развернуты транкинговые и конвенционные системы для связи с подвижными объектами. В систему входят 630 узлов связи и более 350 цифровых АТС. В спутниковом сегменте действует более 100 узловых и абонентских наземных станций. На стадии реализации программа “Ямал-100”, первый спутник которой успешно выведен на орбиту в сентябре.
Не менее мощной является и отраслевая сеть электроэнергетики. РАО “ЕЭС России” обладает более чем 70 тыс. км кабельных линий связи (из них около 7 тыс. км – ВОЛС, включая крупнейшую в мире - 3800 км – с подвеской оптического кабеля на опорах ЛЭП) и 20 тыс. км радиорелейных линий. Внушает уважение и корпоративная сеть ОАО “Связьтранснефть” – более 40 тыс. км наземных линий связи и спутниковый сегмент. Сеть развернута в 51 субъекте РФ.
Безусловно, о серьезной конкуренции Ростелекому говорить пока не приходится, но большая дорога начинается с первого шага - а он уже сделан. Что не может не радовать. В целом выставка ВКСС показала, что прошлогодний экономический кризис оказался не смертельным для отрасли, предприятия работают и развиваются, рынок услуг связи жив. Будем надеяться, что Третья Международная выставка “Ведомственные и корпоративные сети связи – 2000” пройдет не менее успешно. Будем к этому стремиться.
Инф. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ
Supercomputing’99 отмечает высшие достижения 1999 года
В начале ноября в Портленде состоялась конференция Supercomputing’99, одна из самых успешных в 12-летней истории серии конференций Supercomputing. На конференции было объявлено о публикации новой, 14-й редакции списка 500 мощнейших суперкомпьютеров мира - Top500. Список Top500 составляется с учетом реальной производительности систем, измеренной посредством теста LINPACK. На этот раз суммарная производительность всех систем списка составила 51 TFLOPS (из которых 60% принадлежит США и Канаде, а 25% - Европе), что на 30% больше суммарной производительности всех систем в предыдущей, 13-й редакции. Порог минимальной производительности, необходимой для вхождения в список, составил 33 GFLOPS (что на 34% больше порога в 13-й редакции).
По количеству систем в списке на первое место вышла корпорация IBM (141), вслед за которой идет SGI (133), затем Sun (113) и HP (45). По суммарной производительности лидируют суперкомпьютеры SGI/Cray (19,5 TFLOPS, или 38%, тогда как в 13-й редакции SGI принадлежало 48% общей производительности). Суммарная производительность систем IBM составляет 13,6 TFLOPS (27%).
Кроме того, на конференции престижными премиями были отмечены наиболее значимые достижения 1999 года в области высокопроизводительных вычислительных технологий.
Премия им. Фернбаха, учрежденная в 1992 году IEEE Computer Society, была присуждена Майклу Норману за “выдающиеся исследования в области применения параллельных вычислений к большим задачам (grand challenges) в области астрофизики и космологии”. Майкл Норман руководит лабораторией вычислительной астрофики в NCSA (Национальном центре суперкомпьютерных приложений).
Премия им. Сеймура Крея была присуждена Джону Коку, который c 1956 года работал в исследовательском подразделении IBM (IBM Research Division). Кок, в частности, внес неоценимый вклад в развитие современных RISC-технологий.
На конференции также были присуждены четыре премии Gordon Bell Prize за наилучшую производительность, достигнутую при реальных вычислениях. Победителем по абсолютной производительности стала команда из Ливерморской Национальной лаборатории и IBM. Их код высокоточного моделирования турбулентности работал почти неделю на 3840 процессорах системы Blue Pacific с общей вычислительной производительностью в 600 GFLOPS.
Победителем в категории цена/производительность стала группа из Токийского университета (Япония), которая проводила астрофизические вычисления на 32-процессорном кластере стоимостью 40,9 тыс. долл. с производительностью в 592 GFLOPS. Таким образом, наилучший показатель цена/производительность составил 7 долл. за 1 MFLOPS.
В конференции SC’99 приняли участие более 5100 человек. Еще более 34 тыс. человек виртуально посетили проводившуюся в рамках конференции выставку посредством управляемой Web-камеры. SC2000, cледующая конференция серии Supercomputing, пройдет с 4 по 10 ноября 2000 года в Далласе (шт. Техас).
www.parallel.ru
Все коммутаторы характеризуются двумя важнейшими показателями: скоростью переключения и емкостью. В иерархии скоростей переключения в оптических сетях различают четыре уровня [2].
Низкие скорости переключения (время переключения более 1 мс) приемлемы для операций автоматической конфигурации-реконфигурации оборудования (например, оптическое байпасное переключение для обхода выключенного или вышедшего из строя блока) или обновления таблиц маршрутизации. При этом для большой сети требуются значительные емкости коммутаторов. Средние скорости (~1 мкс) достаточны при защитном переключении колец или альтернативных маршрутов в сетях для коммутации сетевого трафика из одного волокна в другое. Здесь достаточно емкости коммутатора 2х2. Высокие скорости (~1 нс) требуются для коммутации потоков данных – переключения должны происходить существенно быстрее, чем время прохождения пакета (42 нс для 53-байтной ячейки АТМ при скорости потока 10 Гбит/с). Очень высокие скорости переключения (~1 пс) необходимы для внешней модуляции светового потока потоком данных. При этом время коммутации должно быть по крайней мере на порядок меньше длительности одного битового интервала (100 пс для потока 10 Гбит/с).
Емкость – это число коммутируемых каналов или коммутируемых стандартных модулей (например, STM-1). Оптический коммутатор 16х16 считается большим, хотя не идет ни в какое сравнение с электронными коммутаторами емкостью 2048х2048 каналов.
Работу коммутаторов характеризуют еще четыре показателя. Коэффициент ослабления коммутируемого сигнала – это отношение мощности сигнала на выходе в режиме “выключено” по отношению к мощности в режиме “включено”. Он может варьироваться от 40–50 до 10–15 дБ в зависимости от типа коммутатора. Данный показатель стремятся максимизировать. Как можно меньше должны быть вносимые коммутатором потери – ослабление сигнала, вызванное устройством. Переходное затухание коммутатора – отношение мощности сигнала на нужном (скоммутированном) выходе к мощности сигналов на всех остальных выходах – должно быть как можно больше. Минимизировать стараются и поляризационные потери коммутатора – ослабление коммутируемого сигнала, вызванное его поляризацией. Уровень этих потерь зависит от места коммутатора в системе связи. Для их снижения на входе коммутатора используют специальное волокно, препятствующее поляризации сигнала.
Базовые оптические коммутаторы
Существует ряд технологий создания оптических коммутаторов. В соответствии с ними выделяют восемь типов таких устройств:
– механические оптические коммутаторы;
– электрооптические;
– термооптические;
– оптоэлектронные на основе SOA;
– интегральные активно-волноводные;
– на фотонных кристаллах;
– на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах;
– на ИС с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом.
Механические оптические коммутаторы используют механическое перемещение элемента, коммутирующего световой поток от входного оптического порта к выходному. Известны три типа коммутирующих элементов [3]:
– вращающийся отрезок оптического волновода, поворачивающийся на определенный фиксированный угол для соединения входного порта (или пары входных портов) с одним (или парой) из выходных портов, расположенных по окружности;
– вращающаяся призма или зеркало (плоское или сферическое вогнутое), при повороте на определенный фиксированный угол направляющая луч от входного порта на выходной;
– направленные звездообразные/древовидные разветвители, фокусирующие световой поток на одном из выходных портов за счет изменения коэффициента связи при механическом воздействии на разветвитель в зоне оптической связи (например, посредством скручивания или растяжения).
Механические коммутаторы имеют один или два (дуплексные) входных и n выходных портов; их время переключения – от 10 до 500 мс. Следовательно, они применимы только для автоматической реконфигурации сети. Достоинство этих устройств – небольшие вносимые потери (до 0,5 дБ) и большое переходное затухание (до –80 дБ). Емкость коммутаторов данного типа достигает сотен выходных портов (например, у коммутаторов FS-S, FS-M, FS-L компании Fujikura от 50 до 1600 выходных портов). Однако число входных портов, как правило, ограничено одной парой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее проработаны, их применение в системах большой размерности проблематично не только с точки зрения числа входов, но и из-за сложности управления процессом коммутации (табл. 1).
Электрооптические коммутаторы (ЭОК) также используют направленные разветвители для фокусировки светового потока на одном из выходных портов за счет управления коэффициентом связи, но уже посредством изменения коэффициента преломления материала разветвителя в зоне оптической связи. Пример такого устройства – ЭОК с волноводами из ниобата лития LiNbO3, коэффициент преломления которого изменяется под воздействием напряжения, приложенного к двум электродам в зоне оптической связи (рис. 1). ЭОК обладают исключительно высокой скоростью переключения (порядка 10–100 пс), ограниченной паразитной емкостью электродов, и могут использоваться для внешних модуляторов. Емкость коммутаторов этого типа мала (2х2), хотя ее можно увеличить, разместив несколько коммутаторов на одной подложке. Кроме того, у ЭОК относительно высоки вносимые и поляризационные потери (табл. 1).
Термооптические коммутаторы основаны на явлении изменения коэффициента преломления под действием температуры. В качестве коммутирующего устройства используется интерферометр Маха-Цендера (MZI), материал волноводов которого под действием температуры изменяет эффективный коэффициент преломления nэф, а следовательно, и b – постоянную распространения моды (так как b=2pnэф/l). Это в свою очередь ведет к изменению разности фаз между двумя плечами интерферометра (рис. 2), вызывающему эффект коммутации входного сигнала с одного выхода на другой. Базовыми являются коммутирующие элементы емкости 2х2, которые при определенном каскадировании позволяют сформировать коммутаторы 8х8.
Основой базового элемента (БЭ) является MZI, построенный из двух последовательно включенных направленных разветвителей, связанных между собой двумя оптическими волноводами различной длины для обеспечения разности фаз DL. Учитывая, что каждый направленный разветвитель создает на выходах разность фаз p/2, получаем разность фаз на выходах БЭ p+bDL (выход 1) и bDL (выход 2). Выбирая DL так, что bDL=kp, получаем разность фаз между выходами, равную p, т.е. сигнал со входа 1 попадает на выход 1, если для него выполняется равенство bDL=kp при нечетном k, и на вход 2, если это равенство истинно при четном k. Локальный дозированный импульсный нагрев элемента, изменяющий b, эквивалентен смене четности k, т.е. приводит к коммутации сигнала с одного выхода на другой.
Термическая специфика делает данные устройства достаточно инерционными (табл. 1). Кроме того, они обладают большими вносимыми потерями и малым переходным затуханием. Последнее улучшается, если подложки коммутатора выполнены не из кварцевого стекла, а из специальных полимеров.
Оптоэлектронные коммутаторы можно строить и на основе полупроводниковых оптических усилителей (SOA – Semiconductor Optical Amplifier), например лазерных усилителей с резонатором Фаби-Пэро в цепи обратной связи [3], если в качестве параметра управления коммутацией использовать напряжение смещения. При малом напряжении смещения произойдет поглощение входного сигнала усилителем – состояние “выключено”. При увеличении напряжения восстанавливается нормальное усиление сигнала – состояние “включено”. Таким образом, сочетание нормального усиления с отсечкой сигнала, т.е. моделирование ключевого режима работы устройства, позволяет использовать SOA в качестве оптоэлектронного коммутатора.
Данный коммутатор обладает достаточно высоким быстродействием (1 нс). На его основе совместно с пассивными оптическими компонентами – разветвителями – можно строить коммутаторы большой емкости. Однако высокая стоимость SOA как отдельного элемента делает это решение неконкурентным по сравнению, например, с электрооптическими коммутаторами, у которых сопоставимые по быстродействию характеристики. Развитие интегральных технологий в направлении совместной реализации пассивных (разветвители) и активных (усилители) компонентов может привести к приемлемым по цене решениям, что подтверждает следующий тип коммутаторов.
Разработка интегральных активно-волноводных коммутаторов/переключателей (АВК, AWS – Active-Waveguide Switch) – это логическое развитие идей оптоэлектронных коммутаторов на основе полупроводниковых оптических усилителей (ОУ) [2]. Результатом стало объединение в оптоэлектронную интегральную схему (ОЭИС) полупроводниковых ОУ и оптических волноводных устройств.
ОЭИС представляет собой многослойную ИС, в структуре которой сформированы оптический волновод, ОУ, лазер, оптический модулятор, детектор, приемник и передатчик. Основой ОЭИС является активно-волноводная гетероструктура с выделенным “волноводным” слоем. Показатель преломления такого слоя имеет ступенчатый профиль (SISCH – Step-Index Separate-Confinement Heterostructure), обусловленный квантовыми потенциальными ямами (КПЯ, QW – Quantum Well). КПЯ служат ловушками для носителей заряда (рис. 3). Волноводный слой получен эпитаксиальным выращиванием слоя InGaAsP между двумя слоями InP (p-типа сверху и n-типа снизу), формирующими p–n-переход. Из-за меньшей ширины запрещенной зоны в таком слое происходит приток носителей (дырок и электронов), “оседающих” в КПЯ. В результате образуется избыток носителей, которые могут рекомбинировать под действием оптического сигнала, распространяющегося по волноводу, создавая условия для оптического усиления сигнала в полосе примерно 60 нм с центральной длиной волны 1550 нм. Такая структура называется активно-волноводной.
При обратносмещенном p–n-переходе тока через него нет. КПЯ поглощают фотоны, и устройство работает как оптический аттенюатор. При умеренном токе через переход оно функционирует аналогично оптическому проводнику без потерь. При больших токах волновод становится оптическим усилителем с коэффициентом усиления порядка 18 дБ/мм на длине волны 1550 нм. Управляя током через переход (посредством контакта наверху “гребня” гетероструктуры), можно модулировать световой поток в волноводе. Тот же контакт применим для детектирования фототока в волноводе. Гетероструктура превращается в лазер (источник сигнала), если сформировать отражающие грани на краях ее гребня.
При реализации оптической схемы коммутатора необходимо изменять направление оптического сигнала в волноводе на 90о. Этот поворот происходит посредством полного внутреннего отражения (ПВО) сигнала от граней, вытравленных в гетероструктуре в месте стыка волноводов. ПВО при угле падения до 45о возможно благодаря большому (~3,5) коэффициенту преломления слоя InGaAsP.
Одна из наиболее удачных оптических схем БЭ (2х2) активно-волноводного коммутатора приведена на рис. 4 [2]. Объединяя четыре таких БЭ, получают АВК емкостью 4х4. Как правило, их формируют в виде ОЭИС размером 2х3 мм с 5-мкм оптическими волноводами. Длина волноводов между любыми входными/выходными портами одинакова, чтобы коэффициенты усиления и отношения сигнал/шум были равными. При ширине полосы устройства 10 нм его БЭ можно применять в неблокирующих матричных коммутаторах емкостью 1024х1024.
Одна из основных проблем оптических активно-волноводных коммутаторов – поворот луча на 90о. Для этого в них использованы интегральные аналоги оптических угловых призм. Однако ту же задачу с успехом решают фотонные кристаллы* (ФК) – периодические диэлектрические структуры с запрещенной зоной, препятствующей распространению света определенного частотного диапазона [5].
Создавая в таком кристалле точечные или линейные дефекты – резонансные полости (РП) или внутренние каналы соответственно, можно посредством туннельного эффекта проводить (коммутировать) оптическую несущую через запрещенную зону из одного внутреннего канала в другой. ФК решают три важные для оптических систем проблемы: поворот оси распространения оптического луча на 90о практически без потерь мощности (можно применять в АВК вместо призм); пересечение двух оптических волноводов в одной плоскости с пренебрежимо малым уровнем переходных помех; выделение (отфильтровка) одного или нескольких каналов (несущих) с последующей коммутацией. Последнее позволяет напрямую использовать ФК как элемент или базовый блок оптического коммутатора. На рис. 5 приведена предложенная автором гипотетическая схема такого блока как логическое расширение схемы фильтра канала вывода [6].
Cхема состоит из трех оптических волноводов: общей шины в центре и шин вывода с обеих сторон, связанных между собой оптической резонаторной системой – ОРС (по 2 или 4 резонансных полости с каждой стороны). Оптическая волна, распространяющаяся в общей шине в прямом направлении, возбуждает в резонансных полостях (РП) определенные моды колебаний, которые в результате взаимодействия переходят из РП в шины вывода, распространяясь в прямом или обратном направлении. Конструкция ОРС определяет параметры фильтров (например, число мод) и эффективность передачи энергии несущей из общей шины в шины вывода. При одной резонансной полости на несущую для большей эффективности РП настраивается на одномодовый режим, при двух – используются две зеркально симметричные (четные и нечетные) моды одной частоты. Входные сигналы коммутируют на ту или иную шину вывода, настраивая РП на разные несущие. Если на вход схемы на рис. 5 подаются две несущие, она реализует БЭ размером 2х2, который можно каскадировать для схем размера nxn. Проблемным остается управление перестройкой РП в процессе коммутации.
Коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах используют способность жидких кристаллов изменять прозрачность под действием управляющего напряжения. Принцип действия этих коммутаторов подробно изложен в [7].
Коммутаторы на матрицах оптоэлектронных вентилей онованы на так называемой интеллектуальной глобальной (N4) технологии взаимодействия с помощью оптического луча, распространяющегося в свободном пространстве [8]. Модули таких коммутаторов состоят из трех–пяти фиксированных пространственно разнесенных плоскопараллельных матриц, взаимодействующих с помощью лазерного луча (рис. 6). Элементами входной матрицы выступают лазеры с вертикальной резонаторной полостью и поверхностной эмиссией VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), излучающие лучи на среднюю матрицу, образованную элементами дифракционного оптического взаимодействия DOIE (Diffractive Optical Interconnect Element). Эти элементы в соответствии с хранящимися в них коммутационными шаблонами направляют лазерные лучи на один или несколько интеллектуальных элементов DANE (Detect, Amplify, Negate, Emit) выходной матрицы. Их называют интеллектуальными, поскольку они реализуют четыре функции – детектируют принимаемый сигнал (Detect), усиливают его (Amplify), инвертируют усиленные импульсы (Negate) и возбуждают эмиссию лазера VCSEL (Emit). Элементы DANE реализуют логическую операцию ИЛИ-НЕ над входными данными (лазерными лучами от DOIE).
Используя данный набор матриц, можно коммутировать любой элемент входной матрицы либо на любой из n2 элементов выходной матрицы (соединение точка-точка), либо на несколько таких элементов (соединение точка-многоточка), причем число одновременно соединяемых точек зависит от мощности лазера и порога срабатывания детектора.
Построение многокаскадных коммутаторов
Базовые оптические коммутаторы достаточно легко реализовать только как переключатели 2х2. При увеличении емкости их сложность существенно возрастает, что пока ограничивает размер реализованных коммутаторов на уровне 8х8 (табл. 1). Поэтому для коммутаторов большого размера используют различные технологии каскадирования базовых переключателей 2х2 или 1х2/2х1. Принцип каскадирования применяют еще и потому, что при этом существенно снижается стоимость коммутатора, пропорциональная числу БЭ. Так, для матричного коммутатора nхn требуется n2 БЭ, тогда как в случае каскадной схемы можно добиться числа БЭ порядка nlog2n (табл. 2).
Большие коммутаторы можно представить в виде упорядоченных наборов входных и выходных портов, связанных коммутируемой сетью связи (КСС). При коммутации цепей КСС управляется централизованно. Для коммутации ячеек, пакетов или виртуальных контейнеров схема управления может быть распределенной, с различными типами буферов на входе и выходе, схем организации очередей для устранения внутренних блокировок и т.д.
Рассмотрим более простой случай – коммутацию цепей. Топология сети при этом формально может быть различна, однако с учетом специфики задачи и сложности реализации используют структуры двух типов – дерево и матрица. Основной принцип построения – каскадирование базовых переключательных элементов.
Базовый элемент (как переключатель) можно представить в виде четырехполюсника с двумя входами I1 и I2 и двумя выходами O1 и O2 (рис. 7). Переключатель может находиться в двух основных состояниях: проходного (рис. 7а) и перекрестного соединения (рис. 7б), а также в режиме широковещательной передачи (рис 7в, г) [9].
Функциональную пригодность и эффективность многокаскадных оптических коммутаторов (МОК) обычно оценивают с помощью следующих показателей [3]: требуемое число базовых элементов; однородность коммутации (максимальное и минимальное число БЭ на оптическом пути, соединяющем порты входа-выхода в различных комбинациях и соответствующие им оценки максимальных и минимальных потерь); пересекаемость связующих волноводов (crossover) и характеристики блокировки – (блокирующий или неблокирующий МОК).
Волноводы могут пересекаться потому, что большие МОК изготавливаются как ОИС на единой подложке. ОИС, в отличие от электронных ИС, не может быть многослойной. При пересечении волноводов возникают потери мощности оптического излучения и переходные помехи (crosstalk) взаимодействия световых потоков. Поэтому во избежание такого пересечения топологию МОК желательно реализовывать в виде плоского графа. Отметим, что данное требование снимается при использовании ИС на фотонных кристаллах – фотонных ИС.
Коммутатор называется неблокирующим, если любой незанятый входной порт может быть соединен с любым неиспользуемым выходным портом. В противном случае, если какое-то соединение не может быть реализовано, коммутатор – блокирующий. Неблокирующие коммутаторы делятся [3] на: неблокирующие в строгом смысле (при любом соединении не требуют перемаршрутизации какой-либо связи); неблокирующие в широком смысле (не требуют перемаршрутизации при определенных процедурах коммутации) и перестраиваемые неблокирующие (всегда требуют перемаршрутизации какого-нибудь соединения).
Первый тип наиболее желателен, однако его реализация требуют наибольшего числа БЭ (табл. 2). Второй тип является некоторым компромиссом между первым и третьим и используется очень широко. Преимущество перестраиваемых коммутаторов – относительно малое число БЭ. Однако такие коммутаторы на время перемаршрутизации разрывают установленные соединения, что допустимо не для всех приложений. Кроме того, этот тип коммутаторов требует более сложных алгоритмов управления.
В литературе описаны четыре основных архитектуры КСС для МОК большого размера [3]: матричный кросс-коммутатор (crossbar); схема КСС Бенеша; схема КСС Шпанке-Бенеша и схема КСС Шпанке (табл. 2).
Схема матричного кросс-коммутатора 4х4 (с БЭ 2х2), представлена на рис. 8. На рисунке показан канонический путь коммутации входа 1 с выходом 3 – по “строке” и “столбцу” – тот путь, который нужно соблюдать. Кроме этого пути существует ряд других, неканонических – не обеспечивающих неблокируемость.
Как показывют исследования, схема на рис. 8 является неблокирующей в широком смысле – перемаршрутизация не требуется только при соблюдении канонических правил соединения. Данная схема отличается неоднородностью путей коммутации (длина кратчайшего пути – 1, а наиболее длинного – 2n-1). Отметим, что граф схемы – планарный, следовательно, при ее реализации не будет пересечения волноводов.
Схема КСС Бенеша приведена на рис. 9. Это пример неблокирующих схем, требующих перемаршрутизации некоторых уже осуществленных соединений. Данная схема требует значительно меньше БЭ 2х2, чем матричный коммутатор: для коммутатора nxn достаточно n(2log2n – 1)/2 БЭ, где n= 2m (для размера 8х8 – 20 БЭ вместо 64). Другое преимущество схемы Бенеша в том, что длины всех путей одинаковы (2log2n-1 БЭ). Очевидный недостаток схемы – невозможно избежать пересечения волноводов при изготовлении. Но это не будет служить препятствием при использовании фотонных кристаллов.
Недостаток “непланарности” преодолен в схеме КСС Шпанке-Бенеша, предложенной в 1987 году (рис. 10). Она, как и предыдущая, относится к классу перестраиваемых неблокирующих схем, но требует большего (28) числа БЭ 2х2 – n(n – 1)/2. Такова плата за планарность. Длины кратчайшего и наиболее длинного путей в схеме неодинаковы – n/2 и n БЭ 2х2 соответственно.
Схема КСС Шпанке (1987 год) является примером коммутаторов, неблокирующих в строгом смысле (рис. 11). Данная схема требует БЭ больше, чем даже в матричном коммутаторе (24 против 16). Однако сами БЭ проще – 1х2 и 2х1 вместо 2х2. В общем случае схема Шпанке размера nxn включает n(n-1) БЭ типа 1х2 и столько же БЭ 2х1. Длины всех путей одинаковы – 2log2n БЭ.
В заключение отметим, что несмотря на значительные успехи, создание промышленных образцов полнофункциональных оптических кросс-коммутаторов приемлемой емкости – пока дело будущего. Даже такие гиганты телекоммуникационного бизнеса, как Alcatel, Lucent Technologies, Siemens, Fujitsu, не заявляют о намерении использовать эти устройства в ближайшие два–три года. Но время оптических кросс-коммутаторов приближается. И наиболее перспективным представляется их применение в схемах маршрутизации оптических несущих сетей широкополосной WDM – DWDM (Dense WDM).m
Литература
1. Слепов Н. Оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны. – Сети, 1999, № 4.
2. Balestra Ch.L., Shanley J.F. Optical Switches Link Fibers for Fast Cost-Effective Networks. – The Photonics Design & Application Handbook, 44-th International Ed., A Laurin Publishing Co. Inc., 1998.
3. Слепов Н. Оптические усилители. – Connect! Мир связи,1999, №8.
4. Ramaswami, Rajiv and Sivarajan Kumar N. Optical Networks: A practical perspective. – Morgan Kaufmann Publishers, Inc. San Francisco, California, 1998.
5. Photonic Crystal Research. – http://jdj.mit.edu/photons/index.html
6. Fan Sh., Villeneuve P.R., Joannopoulos J.D., Haus H.A. Channel Drop Filters in Photonic Crystals. – Optics Express 4, 6 July 1998, Vol.3, № 1.
7. Мокрышев В., Мокрышев С. Оптоэлектронный процессор. Новые принципы обработки оптической информации. – Электроника: НТБ, 1999, №4.
8. Peter S. Guilfoyle, William J. Miceli, Robert L. Kaminski. Optoelectronic Architecture for High-Speed Switching and Processing Applications. – The Photonics Design & Application Handbook, 44-th International Ed., A Laurin Publishing Co. Inc., 1998.
9. Baron, Robert J. and Higbie, Lee. Computer Architecture. – Addison-Wesley Publishing Company, Reading, Massachusetts, 1992.
Ведомственные и корпоративные сети связи’99 -
покончим с монополией на связь!
”...проблема создания и взаимодействия ведомственных и корпоративных сетей связи приобретает сегодня “вневедомственный”, общегосударственный характер”.
Зам. Министра путей сообщения РФ А.С. Мишарин.
Ко Второй Международной выставке ВКСС’99 готовились долго. И вот оно свершилось - с 22 по 26 ноября ВВЦ (Москва) встречал посетителей. Более 140 экспонентов из различных регионов России, ближнего и дальнего зарубежья спешили поведать о своих возможностях и достижениях. Их поддержали в этом стремлении 18 информационных спонсоров. Организаторы в грязь лицом не ударили – проблем у участников и посетителей не возникало.
После какого-либо события принято подводить итоги. В случае выставок о каких-то результатах говорить можно по прошествии нескольких месяцев, если выставка прошла успешно (т.е. посетители были какие нужно и в достаточном количестве). В этом плане на ВКСС все было в порядке. Отметить хочется два безусловно положительных момента, которые выявились в ходе выставки. Отечественные предприятия все активнее внедряются на рынок телекоммуникаций, в сектор разработки и производства оборудования в том числе. Назовем только некоторые фирмы - “Зелакс”, “Гранч”, “Информтехника и связь”, “Агат-РТ”, “ИНБИС”, Ижевский радиозавод, “Белавокс”, “Морион”, “Стрела”, “Радиус-2” – продолжать можно долго, простите, кого не назвали.
Вторая недавно наметившаяся, но все ярче проявляющаяся тенденция – официально объявленное стремление владельцев корпоративных сетей государственного масштаба (МПС, Газпром, РАО ЕЭС) стать операторами связи национального масштаба – т.е. прямым конкурентом сегодняшнего безраздельного монополиста – ОАО “Ростелеком”. Первым активную политику в этом направлении начало проводить МПС, учредив ЗАО “Компания ТрансТелеКом”. Так, уже эксплуатируется часть строящейся компанией единой магистральной цифровой сети на основе ВОЛС, общая протяженность которой составит 35 тыс. км. Сеть продублирована спутниковыми каналами связи.
Не желает отставать и Газпром со своей сетью связи, состоящей из увязанных наземного и спутникового сегментов. Наземные системы насчитывают свыше 70 тыс. км магистральных кабельных линий связи и 17 тыс. км многоканальных радиорелейных линий (8 тыс. км из них – цифровые). Вдоль трасс газопроводов развернуты транкинговые и конвенционные системы для связи с подвижными объектами. В систему входят 630 узлов связи и более 350 цифровых АТС. В спутниковом сегменте действует более 100 узловых и абонентских наземных станций. На стадии реализации программа “Ямал-100”, первый спутник которой успешно выведен на орбиту в сентябре.
Не менее мощной является и отраслевая сеть электроэнергетики. РАО “ЕЭС России” обладает более чем 70 тыс. км кабельных линий связи (из них около 7 тыс. км – ВОЛС, включая крупнейшую в мире - 3800 км – с подвеской оптического кабеля на опорах ЛЭП) и 20 тыс. км радиорелейных линий. Внушает уважение и корпоративная сеть ОАО “Связьтранснефть” – более 40 тыс. км наземных линий связи и спутниковый сегмент. Сеть развернута в 51 субъекте РФ.
Безусловно, о серьезной конкуренции Ростелекому говорить пока не приходится, но большая дорога начинается с первого шага - а он уже сделан. Что не может не радовать. В целом выставка ВКСС показала, что прошлогодний экономический кризис оказался не смертельным для отрасли, предприятия работают и развиваются, рынок услуг связи жив. Будем надеяться, что Третья Международная выставка “Ведомственные и корпоративные сети связи – 2000” пройдет не менее успешно. Будем к этому стремиться.
Инф. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ
Supercomputing’99 отмечает высшие достижения 1999 года
В начале ноября в Портленде состоялась конференция Supercomputing’99, одна из самых успешных в 12-летней истории серии конференций Supercomputing. На конференции было объявлено о публикации новой, 14-й редакции списка 500 мощнейших суперкомпьютеров мира - Top500. Список Top500 составляется с учетом реальной производительности систем, измеренной посредством теста LINPACK. На этот раз суммарная производительность всех систем списка составила 51 TFLOPS (из которых 60% принадлежит США и Канаде, а 25% - Европе), что на 30% больше суммарной производительности всех систем в предыдущей, 13-й редакции. Порог минимальной производительности, необходимой для вхождения в список, составил 33 GFLOPS (что на 34% больше порога в 13-й редакции).
По количеству систем в списке на первое место вышла корпорация IBM (141), вслед за которой идет SGI (133), затем Sun (113) и HP (45). По суммарной производительности лидируют суперкомпьютеры SGI/Cray (19,5 TFLOPS, или 38%, тогда как в 13-й редакции SGI принадлежало 48% общей производительности). Суммарная производительность систем IBM составляет 13,6 TFLOPS (27%).
Кроме того, на конференции престижными премиями были отмечены наиболее значимые достижения 1999 года в области высокопроизводительных вычислительных технологий.
Премия им. Фернбаха, учрежденная в 1992 году IEEE Computer Society, была присуждена Майклу Норману за “выдающиеся исследования в области применения параллельных вычислений к большим задачам (grand challenges) в области астрофизики и космологии”. Майкл Норман руководит лабораторией вычислительной астрофики в NCSA (Национальном центре суперкомпьютерных приложений).
Премия им. Сеймура Крея была присуждена Джону Коку, который c 1956 года работал в исследовательском подразделении IBM (IBM Research Division). Кок, в частности, внес неоценимый вклад в развитие современных RISC-технологий.
На конференции также были присуждены четыре премии Gordon Bell Prize за наилучшую производительность, достигнутую при реальных вычислениях. Победителем по абсолютной производительности стала команда из Ливерморской Национальной лаборатории и IBM. Их код высокоточного моделирования турбулентности работал почти неделю на 3840 процессорах системы Blue Pacific с общей вычислительной производительностью в 600 GFLOPS.
Победителем в категории цена/производительность стала группа из Токийского университета (Япония), которая проводила астрофизические вычисления на 32-процессорном кластере стоимостью 40,9 тыс. долл. с производительностью в 592 GFLOPS. Таким образом, наилучший показатель цена/производительность составил 7 долл. за 1 MFLOPS.
В конференции SC’99 приняли участие более 5100 человек. Еще более 34 тыс. человек виртуально посетили проводившуюся в рамках конференции выставку посредством управляемой Web-камеры. SC2000, cледующая конференция серии Supercomputing, пройдет с 4 по 10 ноября 2000 года в Далласе (шт. Техас).
www.parallel.ru
Отзывы читателей
