Optičko umrežavanje je tehnologija koja koristi svjetlost za prijenos podataka između uređaja. Nudi visoku propusnost i nisku latenciju te je de facto standard za podatkovnu komunikaciju na velike udaljenosti dugi niz godina. Optička vlakna koriste se za većinu glasovnih i podatkovnih komunikacija na velikim udaljenostima diljem svijeta.
Optičko umrežavanje važno je jer omogućuje brzi prijenos podataka na velike udaljenosti. Na primjer, optička mreža osigurava da korisnici u New Yorku mogu pristupiti poslužiteljima u Nairobiju onoliko brzo koliko to dopuštaju zakoni fizike.
Tehnologija iza optičkog umrežavanja temelji se na principu potpune unutarnje refleksije. Kada svjetlost udari u površinu medija kao što je optički kabel, dio svjetlosti se reflektira od površine. Kut pod kojim se svjetlost odbija ovisi o svojstvima medija i upadnom kutu (kutu pod kojim svjetlost pada na površinu).
Ako je kut upada veći od kritičnog kuta, tada se sva svjetlost odbija; to se zove potpuni unutarnji odraz. Potpuna unutarnja refleksija može se koristiti za izradu optičkih vlakana, vrste stakla ili plastike koja usmjerava svjetlost po svojoj duljini.
Dok svjetlost putuje kroz vlakno, ono prolazi višestruke potpune unutarnje refleksije, uzrokujući da se odbija od stijenke vlakna. Ovaj efekt odbijanja uzrokuje da svjetlost putuje niz duljinu vlakna u cik-cak uzorku.
Pažljivim kontroliranjem svojstava vlakana, inženjeri mogu kontrolirati koliko se svjetlosti reflektira i koliko daleko putuje prije nego što se ponovno reflektira. To im je omogućilo da dizajniraju optička vlakna koja mogu prenositi podatke na velike udaljenosti bez gubitka informacija.
Optičke mreže sastoje se od nekoliko komponenti: optičkih vlakana, primopredajnika, pojačala, multipleksera i optičkih sklopki.
Optičko vlakno
Optičko vlakno je medij koji prenosi optički signal. Sastoji se od različitih materijala, uključujući:
①Jezgra: Središte koje nosi svjetlost.
②Obloženo: Materijal koji okružuje jezgru i pomaže zadržati optički signal.
③Buffer premaz: Materijal koji štiti optičko vlakno od oštećenja.
Jezgra i obloga obično su izrađeni od stakla, dok je tampon sloj obično izrađen od plastike.
Primopredajnik
Primopredajnici su uređaji koji pretvaraju električne signale u optičke signale i obrnuto, obično se postavljaju u posljednjoj milji veze. To je sučelje između optičke mreže i elektroničkih uređaja koji je koriste, poput računala i usmjerivača.
Pojačalo
Kao što naziv sugerira, pojačalo je uređaj koji pojačava svjetlosne signale kako bi mogli putovati na velike udaljenosti bez gubitka snage. Pojačala se postavljaju duž vlakna u pravilnim razmacima kako bi se pojačao signal.
Multipleksor
Multiplekser je samo uređaj koji uzima više signala i kombinira ih u jedan signal. To se postiže tako da se svakom signalu dodjeljuje drugačija valna duljina svjetlosti, omogućujući multiplekseru da šalje više signala istovremeno duž jednog vlakna bez smetnji.
Prekidač za svjetlo
Optički prekidač je uređaj koji usmjerava optičke signale s jednog vlakna na drugo. Optički preklopnici koriste se za kontrolu prometa u optičkim mrežama i obično se koriste u mrežama velikog kapaciteta.
Povijest optičkog umrežavanja
Povijest optičkog umrežavanja započela je 1790-ih kada je francuski izumitelj Claude Chappe izumio optički signalni telegraf, jedan od najranijih primjera optičkog komunikacijskog sustava.
Gotovo stoljeće kasnije, 1880., Alexander Graham Bell patentirao je elektrooptički telefon, optički telefonski sustav. Iako je fotofon bio revolucionaran, Bellov raniji izum telefona bio je praktičniji i imao je opipljiv oblik. Stoga Photophone nikada nije napustio eksperimentalnu fazu.
Do 1920-ih John Logie Baird u Engleskoj i Clarence W. Hansell patentirali su samo ideju korištenja niza šupljih cijevi ili prozirnih šipki za prijenos slika za televizijske ili faks sustave.
Godine 1954. nizozemski znanstvenik Abraham Van Heel i britanski znanstvenik Harold H. Hopkins objavili su svaki svoje znanstvene radove o traktografiji. Hopkins se usredotočio na neobložena vlakna, dok se Van Heel usredotočio samo na jednostavne obložene snopove vlakana - prozirnu oblogu s nižim indeksom loma oko golog vlakna.
Ovo štiti reflektirajuću površinu vlakana od vanjskih deformacija i značajno smanjuje interferenciju između vlakana. Razvoj slikovnih zraka bio je važan korak u razvoju optičkih vlakana. Zaštita površine vlakna od vanjskih smetnji omogućuje točniji prijenos optičkih signala kroz vlakno.
Do 1960. vlakna presvučena staklom imala su gubitke od oko 1 decibela (dB) po metru, pogodne za medicinsko snimanje, ali previsoke za komunikaciju. Godine 1961. Elias Snitzer iz Optical Company of America objavio je teorijski opis optičkog vlakna sa sićušnom jezgrom koje može prenositi svjetlost kroz samo jedan mod valovoda.
Godine 1964. dr. Kao predložio je gubitak svjetlosti od 10 do 20 dB po kilometru. Ovaj standard pomaže u poboljšanju dometa i pouzdanosti telekomunikacijskih sustava. Uz svoj rad na stopama gubitaka, dr. Gao je pokazao potrebu za čišćim staklom kako bi se smanjio gubitak svjetlosti.
U ljeto 1970. skupina istraživača iz tvrtke Corning Glass Works počela je eksperimentirati s novim materijalom koji se zove taljeni silicij. Ova tvar je poznata po svojoj iznimno visokoj čistoći, visokom talištu i niskom indeksu loma.
Tim, koji se sastoji od Roberta Maurera, Donalda Kecka i Petera Schultza, ubrzo je shvatio da se topljeni silicij može koristiti za izradu nove vrste žice nazvane "optičko valovodno vlakno". Ova optička žica može prenijeti 65,000 puta više informacija od tradicionalne bakrene žice. Nadalje, svjetlosni valovi koji se koriste za prijenos informacija mogu se dekodirati na odredištima čak i tisuću milja daleko.
Ovaj izum napravio je revoluciju u komunikaciji na daljinu i otvorio put današnjoj tehnologiji optičkih vlakana. Tim je riješio problem gubitka decibela koji je definirao dr. Gao, a 1973. John MacChesney iz Bell Laboratories poboljšao je proces taloženja kemijskom parom za proizvodnju vlakana. Kao rezultat toga, postala je moguća komercijalna proizvodnja kabela od optičkih vlakana.
U travnju 1977. General Telephone and Electronics Co. prvi je put upotrijebio optičku mrežu za telefonsku komunikaciju u stvarnom vremenu u Long Beachu u Kaliforniji. U svibnju 1977. Bell Labs je ubrzo slijedio primjer, izgradivši optički telefonski komunikacijski sustav koji se proteže 2,5 milje u središtu Chicaga. Svaki par vlakana može prenijeti 672 glasovna kanala, što je ekvivalentno DS3 krugu.
Početkom 1980-ih, druga generacija optičkih komunikacija dizajnirana je za komercijalnu upotrebu, koristeći 13-mikronski InGaAsP poluvodički laser. Ovi su sustavi 1987. godine radili pri bitnim brzinama od čak 1,7 Gbps, s repetitorima udaljenim do 50 kilometara.
Sustavi koji se koriste u mrežama optičkih vlakana treće generacije rade na 1,55 mikrona i imaju gubitak od oko 0.2 dB po kilometru.
Komunikacijski sustavi četvrte generacije od optičkih vlakana oslanjaju se na optičko pojačanje kako bi se smanjio broj potrebnih repetitora i na multipleksiranje valnih duljina (WDM) za povećanje kapaciteta podataka.
2006. postignuta je brzina prijenosa od 14 terabita (Tb) u sekundi na 160-kilometarskoj liniji pomoću optičkih pojačala. Do 2021. japanski znanstvenici moći će prenositi 319 Tbps na 3,000 kilometra pomoću četverožilnog optičkog kabela.
Iako ovi optički komunikacijski sustavi četvrte generacije imaju puno veći kapacitet od prethodnih generacija, osnovni princip je isti: pretvaranje električnih signala u optičke impulse, slanje preko optičkih vlakana, a zatim ih pretvaranje natrag u električne signale na prijemu. kraj.
Međutim, komponente svake generacije postajale su manje, pouzdanije i jeftinije. Kao rezultat toga, komunikacije optičkim vlaknima postaju sve važniji dio naše globalne telekomunikacijske infrastrukture.
Ključni trendovi u optičkom umrežavanju
Usredotočite se na rub mreže
Rub optičke mreže je mjesto gdje promet teče u i iz mreže. Kako bi zadovoljili zahtjeve aplikacija temeljenih na oblaku, optičke mreže sve su bliže krajnjim korisnicima. To omogućuje manju latenciju i dosljedniju izvedbu.
Šifriranje slojeva
Kako cyber napadi postaju sve češći, zaštita podataka u pokretu i dalje će biti glavna briga. SASE (Secure Access Service Edge), korištenje sigurnosnih značajki izvornih u oblaku na krajnjim točkama usluge, nedavno je postalo popularno. Zaštita krajnje točke može učiniti sigurnosne kontrole na povezanim mrežama nepotrebnima.
Iako ovo možda neće eliminirati potrebu za enkripcijom, zaštitit će osjetljive podatke i aplikacije. Bez jedinstvene sigurnosne kontrole, zaštita prvog sloja postaje sve zahtjevnija.
Možemo bolje zaštititi naše resurse šifriranjem kontrole, upravljanja i korisničkog prometa. Zbog toga je hakerima gotovo nemoguće provaliti u sustav, uvelike smanjujući šanse za uspješan cyber napad. Kako se tvrtke sve više oslanjaju na podatke i povezanost, robusna sigurnosna rješenja postat će sve očitija.
Otvorite optičku mrežu
Otvorena optička mreža je optička mreža koja koristi standardna, otvorena sučelja kako bi se omogućila integracija opreme različitih dobavljača. Ovo pruža veći izbor i fleksibilnost za komponente optičke mreže. Osim toga, olakšava dodavanje novih značajki i usluga čim postanu dostupni.
Rast usluga spektra
Kako podatkovni promet raste, tako raste i potreba za većom propusnošću i kapacitetom. Spektralne usluge to omogućuju korištenjem spektra za povećanje kapaciteta postojećih mreža optičkih vlakana. Ove usluge postaju sve popularnije jer pružaju isplativ način za ispunjavanje rastućih zahtjeva za podacima.
Više vanjskih implementacija
Postavljanje na otvorenom u ulične ormare postaje sve češće kako raste potražnja za većom propusnošću i kapacitetom. Vanjska vlakna mogu ići izravno do lokacije korisnika, pružajući izravniju vezu i nižu latenciju.
Kompaktni i modulator
Kako se optičke mreže nastavljaju razvijati, potreba za manjim, kompaktnijim komponentama postaje sve očiglednija. To je zato što je prostor u okruženju podatkovnog centra često ograničen. Kompaktna modularna optika nudi pristup koji štedi prostor, a istovremeno pruža visoku učinkovitost.
Budućnost optičkog umrežavanja
Inteligentna optička mreža
Inteligentne optičke mreže su optičke mreže koje koriste umjetnu inteligenciju (AI) za optimizaciju performansi. Umjetna inteligencija može se koristiti za automatsko prepoznavanje i ispravljanje problema u mreži. To omogućuje učinkovitiju i pouzdaniju mrežu.
Osim toga, AI se može koristiti za predviđanje budućih prometnih obrazaca i zahtjeva. Ove informacije mogu se koristiti za osiguravanje kapaciteta unaprijed, osiguravajući da mreža može zadovoljiti buduće zahtjeve.
Fleksibilna mrežna arhitektura
Fleksibilne mrežne arhitekture postaju sve popularnije jer pružaju način povećanja kapaciteta postojećih vlakana. Fleksibilna mreža omogućuje multipleksiranje različitih valnih duljina svjetlosti na jednom vlaknu. To omogućuje prijenos više podataka na svakom vlaknu, povećavajući kapacitet mreže.
Multipleksiranje valnih duljina na zahtjev
Multipleksiranje valnih duljina je tehnika koja omogućuje prijenos više valnih duljina svjetlosti na jednom vlaknu. WDM na zahtjev je vrsta WDM-a koja omogućuje kapacitet na zahtjev. To znači da se kapacitet može dodati po potrebi bez ugradnje novog vlakna.
Optičko umrežavanje u sve digitalnijem svijetu
Optičko umrežavanje prešlo je dug put u svojoj relativno kratkoj povijesti. Od skromnih početaka, sada je bitan dio mnogih velikih mrežnih infrastruktura. To je ključni stup interneta, revolucionira način na koji komuniciramo i otvara eru tehnološkog napretka bez presedana.
Kako trendovi poput 5G sazrijevaju, čini se da su optičke mreže spremne nastaviti igrati važnu ulogu u našem sve digitaliziranijem svijetu.
