Оптическая сеть — это технология, которая использует свет для передачи данных между устройствами. Он обеспечивает высокую пропускную способность и низкую задержку и уже много лет является стандартом де-факто для передачи данных на большие расстояния. Оптическое волокно используется для передачи голоса и данных на большие расстояния во всем мире.
Оптическая сеть важна, поскольку она обеспечивает высокоскоростную передачу данных на большие расстояния. Например, оптическая сеть гарантирует, что пользователи в Нью-Йорке смогут получить доступ к серверам в Найроби так быстро, как позволяют законы физики.
Технология оптических сетей основана на принципе полного внутреннего отражения. Когда свет падает на поверхность среды, например оптоволоконного кабеля, часть света отражается от поверхности. Угол отражения света зависит от свойств среды и угла падения (угла, под которым свет падает на поверхность).
Если угол падения больше критического угла, то весь свет отражается; это называется полным внутренним отражением. Полное внутреннее отражение можно использовать для изготовления оптических волокон — типа стекла или пластика, которые направляют свет по всей длине.
Когда свет проходит через волокно, он претерпевает множественные полные внутренние отражения, заставляя его отражаться от стенок волокна. Этот эффект отражения заставляет свет распространяться по длине волокна зигзагообразно.
Тщательно контролируя свойства волокна, инженеры могут контролировать, сколько света отражается и как далеко он проходит, прежде чем снова отразиться. Это позволило им разработать оптические волокна, которые могли бы передавать данные на большие расстояния без потери какой-либо информации.
Оптические сети состоят из нескольких компонентов: оптических волокон, трансиверов, усилителей, мультиплексоров и оптических коммутаторов.
Оптическое волокно
Оптическое волокно — это среда, по которой передается оптический сигнал. Он состоит из различных материалов, в том числе:
①Ядро: Центр, несущий свет.
②Clad: материал, который окружает ядро и помогает сдерживать оптический сигнал.
③Буферное покрытие: материал, защищающий оптическое волокно от повреждений.
Сердцевина и оболочка обычно изготавливаются из стекла, а буферное покрытие обычно изготавливается из пластика.
Трансивер
Трансиверы — это устройства, которые преобразуют электрические сигналы в оптические сигналы и наоборот, обычно реализуемые на последней миле соединения. Это интерфейс между оптической сетью и использующими ее электронными устройствами, такими как компьютеры и маршрутизаторы.
Усилитель
Как следует из названия, усилитель — это устройство, которое усиливает световые сигналы, чтобы они могли преодолевать большие расстояния, не теряя силы. Усилители размещаются вдоль волокна через равные промежутки времени для усиления сигнала.
Мультиплексор
Мультиплексор — это просто устройство, которое принимает несколько сигналов и объединяет их в один сигнал. Это достигается путем присвоения каждому сигналу различной длины волны света, что позволяет мультиплексору отправлять несколько сигналов одновременно по одному волокну без помех.
Выключатель света
Оптический коммутатор — это устройство, которое направляет оптические сигналы от одного волокна к другому. Оптические коммутаторы используются для управления трафиком в оптических сетях и обычно используются в сетях с высокой пропускной способностью.
История оптических сетей
История оптических сетей началась в 1790-х годах, когда французский изобретатель Клод Шапп изобрел оптический телеграф, один из самых ранних примеров оптической системы связи.
Почти столетие спустя, в 1880 году, Александр Грэм Белл запатентовал электрооптический телефон — оптическую телефонную систему. Хотя фотофон был новаторским, более раннее изобретение Беллом телефона было более практичным и приняло осязаемую форму. Поэтому Photophone так и не вышел из экспериментальной стадии.
До 1920-х годов Джон Логи Бэрд в Англии и Кларенс В. Ханселл запатентовали только идею использования набора полых трубок или прозрачных стержней для передачи изображений для телевизионных или факсимильных систем.
В 1954 году голландский ученый Абрахам Ван Хил и британский ученый Гарольд Х. Хопкинс опубликовали научные статьи по трактографии. Хопкинс сосредоточил свое внимание на непокрытых волокнах, в то время как Ван Хил сосредоточился только на простых пучках волокон с оболочкой — прозрачной оболочкой с более низким показателем преломления вокруг голого волокна.
Это защищает отражающую поверхность волокна от внешних деформаций и существенно снижает интерференцию между волокнами. Разработка визуализирующих лучей стала важным шагом в развитии оптических волокон. Защита поверхности волокна от внешних помех позволяет обеспечить более точную передачу оптических сигналов по волокну.
К 1960 году потери в стекловолокне составляли около 1 децибела (дБ) на метр, что подходило для медицинской визуализации, но было слишком велико для связи. В 1961 году Элиас Снитцер из Оптической компании Америки опубликовал теоретическое описание оптического волокна с крошечной сердцевиной, которое могло передавать свет только через одну волноводную моду.
В 1964 году доктор Као предположил, что потери света составят 10 или 20 дБ на километр. Этот стандарт помогает улучшить дальность действия и надежность телекоммуникационных систем. В дополнение к своей работе над показателями потерь доктор Гао продемонстрировал необходимость более чистого стекла, которое поможет уменьшить потери света.
Летом 1970 года группа исследователей из Corning Glass Works начала экспериментировать с новым материалом под названием плавленый кварц. Это вещество известно своей чрезвычайно высокой чистотой, высокой температурой плавления и низким показателем преломления.
Команда, состоящая из Роберта Маурера, Дональда Кека и Питера Шульца, вскоре поняла, что плавленый кварц можно использовать для изготовления провода нового типа, называемого «оптическим волноводным волокном». Этот оптоволоконный провод может передавать в 65,000 раз больше информации, чем традиционный медный провод. Более того, световые волны, используемые для передачи информации, могут быть декодированы в пунктах назначения даже за тысячу миль от нас.
Это изобретение произвело революцию в области связи на большие расстояния и проложило путь сегодняшним волоконно-оптическим технологиям. Команда решила проблему потери децибел, определенную доктором Гао, а в 1973 году Джон Макчесни из Bell Laboratories усовершенствовал процесс химического осаждения из паровой фазы для производства волокна. В результате стало возможным коммерческое производство волоконно-оптических кабелей.
В апреле 1977 года компания General Telephone and Electronics Co. впервые использовала оптоволоконную сеть для телефонной связи в реальном времени в Лонг-Бич, Калифорния. В мае 1977 года Bell Labs вскоре последовала этому примеру, построив систему оптической телефонной связи, охватывающую 1,5 мили в центре Чикаго. Каждая пара волокон может передавать 672 голосовых канала, что эквивалентно каналу DS3.
В начале 1980-х годов для коммерческого использования было разработано второе поколение волоконно-оптической связи с использованием полупроводникового лазера InGaAsP с длиной волны 1,3-микрона. В 1987 году эти системы работали со скоростью передачи данных до 1,7 Гбит/с, а ретрансляторы были расположены на расстоянии до 50 километров друг от друга.
Системы, используемые в оптоволоконных сетях третьего поколения, работают на частоте 1,55 микрон и имеют потери около 0,2 дБ на километр.
Волоконно-оптические системы связи четвертого поколения полагаются на оптическое усиление для уменьшения количества требуемых ретрансляторов и на мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) для увеличения емкости данных.
В 2006 году скорость передачи данных 14 терабит (Тб) в секунду была достигнута на 160-километровой линии с использованием оптических усилителей. К 2021 году японские учёные смогут передавать данные со скоростью 319 Тбит/с на расстояние 3000 километров с помощью четырёхжильного оптоволоконного кабеля.
Хотя эти волоконно-оптические системы связи четвертого поколения имеют гораздо большую пропускную способность, чем предыдущие поколения, основной принцип тот же: преобразуйте электрические сигналы в оптические импульсы, отправляйте их по оптоволоконному кабелю, а затем преобразуйте их обратно в электрические сигналы на приемном пункте. конец.
Однако компоненты каждого поколения становились меньше, надежнее и дешевле. В результате оптоволоконная связь становится все более важной частью нашей глобальной телекоммуникационной инфраструктуры.
Ключевые тенденции в оптических сетях
Сосредоточьтесь на границе сети
Граница оптической сети — это место, где трафик входит в сеть и выходит из нее. Чтобы удовлетворить потребности облачных приложений, оптические сети становятся ближе к конечным пользователям. Это обеспечивает меньшую задержку и более стабильную производительность.
Слоевое шифрование
Поскольку кибератаки становятся все более распространенными, защита данных в движении будет по-прежнему оставаться серьезной проблемой. SASE (Secure Access Service Edge), использование облачных функций безопасности на конечных точках службы, в последнее время набирает обороты. Защита конечных точек может сделать ненужным контроль безопасности в подключенных сетях.
Хотя это, возможно, и не избавит от необходимости шифрования, оно защитит конфиденциальные данные и приложения. Без единого элемента управления безопасностью защита уровня 1 становится все более сложной.
Мы можем лучше защитить наши ресурсы, шифруя контроль, управление и пользовательский трафик. Это делает практически невозможным проникновение хакеров в систему, что значительно снижает вероятность успешной кибератаки. По мере того, как предприятия становятся все более зависимыми от данных и возможности подключения, надежные решения по обеспечению безопасности будут становиться все более очевидными.
Открытая оптическая сеть
Открытая оптическая сеть — это оптическая сеть, в которой используются стандартные открытые интерфейсы, позволяющие интегрировать оборудование разных поставщиков. Это обеспечивает больший выбор и гибкость для компонентов оптической сети. Кроме того, это упрощает добавление новых функций и услуг по мере их появления.
Рост спектральных услуг
Поскольку трафик данных продолжает расти, растет и потребность в более высокой пропускной способности и емкости. Спектральные службы обеспечивают это, используя спектр для увеличения пропускной способности существующих оптоволоконных сетей. Популярность этих услуг растет, поскольку они обеспечивают экономически эффективный способ удовлетворения растущих потребностей в данных.
Больше развертываний на открытом воздухе
Наружное развертывание в уличных шкафах становится все более распространенным, поскольку растет спрос на более высокую пропускную способность и емкость. Наружное оптоволокно может проходить непосредственно к месту нахождения клиента, обеспечивая более прямое соединение и меньшую задержку.
Компактный и модулятор
Поскольку оптические сети продолжают развиваться, потребность в более мелких и компактных компонентах становится все более очевидной. Это связано с тем, что пространство в центре обработки данных часто ограничено. Компактная модульная оптика позволяет экономить место, сохраняя при этом высокую производительность.
Будущее оптических сетей
Интеллектуальная оптическая сеть
Интеллектуальные оптические сети — это оптические сети, которые используют искусственный интеллект (ИИ) для оптимизации производительности. Искусственный интеллект можно использовать для автоматического выявления и устранения проблем в сети. Это позволяет создать более эффективную и надежную сеть.
Кроме того, искусственный интеллект можно использовать для прогнозирования будущих моделей трафика и спроса. Эту информацию можно использовать для предварительного выделения пропускной способности, гарантируя, что сеть сможет удовлетворить будущие потребности.
Гибкая архитектура сетки
Гибкие ячеистые архитектуры становятся все более популярными, поскольку они позволяют увеличить пропускную способность существующих волокон. Гибкая сетка позволяет мультиплексировать световые волны различной длины по одному волокну. Это позволяет передавать больше данных по каждому волокну, увеличивая пропускную способность сети.
Мультиплексирование с разделением по длине волны по требованию
Мультиплексирование с разделением длин волн — это метод, позволяющий передавать свет с разными длинами волн по одному волокну. WDM по требованию — это тип WDM, который обеспечивает пропускную способность по требованию. Это означает, что пропускную способность можно увеличивать по мере необходимости без установки нового оптоволокна.
Оптические сети во все более цифровом мире
Оптические сети прошли долгий путь за свою относительно короткую историю. Изначально он был скромным, а теперь стал неотъемлемой частью многих крупных сетевых инфраструктур. Это ключевой столп Интернета, который революционизирует способы нашего общения и открывает эпоху беспрецедентного технологического прогресса.
По мере развития таких тенденций, как 5G, кажется, что оптические сети будут продолжать играть важную роль в нашем все более цифровом мире.
