شبكة بصرية متشابكة

شبكة الألياف الضوئية هي نوع من شبكات الاتصالات الضوئية التي تستخدم الاتصالات السلكية بالألياف الضوئية أو الاتصالات الضوئية اللاسلكية في الفضاء الحر في بنية شبكة متشابكة .

تستخدم معظم شبكات الألياف الضوئية المتداخلة تقنية الاتصالات عبر الألياف الضوئية، وتُشغّلها شركات تزويد خدمات الإنترنت في المناطق الحضرية والإقليمية، وكذلك على المستويين الوطني والدولي. وتتميز هذه الشبكات بسرعتها العالية وقلة احتمالية حدوث الأخطاء مقارنةً ببنى الشبكات الأخرى، كما أنها تدعم خطط النسخ الاحتياطي والاستعادة للشبكات القائمة في حال وقوع أي كارثة أو تلف أو عطل. وتهدف مجموعات الأقمار الصناعية المخطط لها حاليًا إلى إنشاء شبكات ألياف ضوئية متداخلة في الفضاء باستخدام تقنية الاتصالات اللاسلكية بالليزر .

تطورت شبكات النقل، وهي الطبقة الأساسية القائمة على الألياف الضوئية لشبكات الاتصالات ، من بنى الشبكات المتداخلة القائمة على نظام الربط الرقمي المتقاطع (DCS) في ثمانينيات القرن الماضي، إلى بنى حلقات SONET/SDH (الشبكات الضوئية المتزامنة/التسلسل الهرمي الرقمي المتزامن) في تسعينيات القرن الماضي. في بنى الشبكات المتداخلة القائمة على نظام الربط الرقمي المتقاطع، قامت شركات الاتصالات بنشر أنظمة استعادة لدوائر DS3 مثل AT&T FASTAR ( الاستعادة التلقائية السريعة ) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} و MCI Real Time Restoration (RTR) ^{[ 4 ]} ، والتي تعمل على استعادة الدوائر في غضون دقائق بعد انقطاع الشبكة. في حلقات SONET/SDH، قامت شركات الاتصالات بتطبيق حماية الحلقة مثل SONET Unidirectional Path Switched Ring (UPSR) ^{[ 5 ]} (تسمى أيضًا Sub-Network Connection Protection (SCNP) في شبكات SDH ) أو SONET Bidirectional Line Switched Ring (BLSR) ^{[ 6 ]} (تسمى أيضًا Multiplex Section - Shared Protection Ring (MS-SPRing) في شبكات SDH )، مما يوفر الحماية من فشل الشبكة والتعافي منه في غضون 50  مللي ثانية أو أقل، ^{[ 7 ]} وهو تحسن كبير مقارنة بوقت التعافي المدعوم في استعادة الشبكة القائمة على DCS ، ودافع رئيسي لنشر الحماية القائمة على حلقات SONET/SDH.

لقد كانت هناك محاولات لتحسين و/أو تطوير بنى الحلقات التقليدية للتغلب على بعض قيودها، مع بنية الحلقة العابرة للمحيطات (المحددة في ITU-T Rec. G.841 ^{[ 8 ]} )، وحماية "دورات P"، ^{[ 9 ]} ومعدات SONET/SDH من الجيل التالي التي يمكنها التعامل مع حلقات متعددة، أو لديها القدرة على عدم إغلاق جانب حلقة العمل أو الحماية، أو مشاركة سعة الحماية بين الحلقات (على سبيل المثال، مع حلقة تبديل الخط الافتراضي (VLSR)).

أدت التطورات التكنولوجية في محولات النقل الضوئي ^{[ 10 ]} خلال العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، إلى جانب الانتشار المتواصل لأنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM)، إلى دفع مزودي خدمات الاتصالات إلى استبدال بنى SONET الحلقية ببنى شبكية لاستيعاب حركة البيانات الجديدة. تدعم الشبكات الشبكية الضوئية الجديدة سرعة الاستعادة نفسها التي كانت متوفرة سابقًا في الشبكات الحلقية، مع تحقيق كفاءة أفضل في السعة وخفض التكاليف الرأسمالية. وتتحقق هذه السرعة في الاستعادة (في غضون عشرات إلى مئات المللي ثوانٍ) في حالة حدوث أعطال (مثل عطل في وصلة الشبكة أو عقدة) بفضل الذكاء المدمج في معدات النقل الضوئي الجديدة، مما يسمح بالاستعادة التلقائية ومعالجتها داخل الشبكة نفسها كجزء من مستوى التحكم ، دون الحاجة إلى نظام إدارة شبكة خارجي .

تشير شبكات النقل الضوئية المتشابكة إلى شبكات النقل التي تُبنى مباشرةً على بنية الألياف الضوئية المتشابكة المنتشرة في المناطق الحضرية والإقليمية والوطنية والدولية (مثل المناطق العابرة للمحيطات)، وذلك باستخدام معدات نقل ضوئية قادرة على تحويل حركة البيانات (على مستوى الطول الموجي أو ما دونه) من الألياف الواردة إلى الألياف الصادرة. إضافةً إلى تحويل الأطوال الموجية، تتميز هذه المعدات عادةً بقدرتها على دمج حركة البيانات منخفضة السرعة في أطوال موجية للنقل، وترتيب حركة البيانات (طالما أن المعدات غير شفافة - انظر القسم الفرعي الخاص بالشفافية). وأخيرًا، توفر هذه المعدات أيضًا إمكانية استعادة حركة البيانات في حالة تعطل الشبكة. ومع تطور معظم شبكات النقل نحو بنى متشابكة تستخدم عناصر شبكية ذكية ( موصلات ضوئية متقاطعة أو مفاتيح ضوئية ^{[ 10 ]} ) لتوفير الخدمات واستعادتها، فقد طُوّرت مناهج جديدة لتصميم ونشر وتشغيل وإدارة شبكات النقل الضوئية المتشابكة.

تم نشر مفاتيح ضوئية من إنتاج شركات مثل سايكامور وسيينا ( بدقة تبديل STS-1 ) وتيليوم ( بدقة تبديل STS-48 ) في شبكات متشابكة عاملة. وقد طورت شركة كالين مفاتيح ضوئية بالكامل تعتمد على تقنية MEMS ثلاثية الأبعاد .

لا توفر شبكات الألياف الضوئية اليوم سعة ربط للشبكات ذات الطبقات العليا فحسب، مثل الاتصال بين أجهزة التوجيه أو بين المحولات في بنية حزم البيانات التي تركز على بروتوكول الإنترنت أو MPLS أو Ethernet ، ولكنها تدعم أيضًا التوجيه الفعال والتعافي السريع من الأعطال لخدمات Ethernet عالية النطاق الترددي من نقطة إلى نقطة وخدمات SONET/SDH.

تهدف العديد من مجموعات الأقمار الصناعية المخطط لها ، مثل مشروع ستارلينك التابع لشركة سبيس إكس والمخصص لتوفير خدمة الإنترنت عالميًا، إلى إنشاء شبكات ضوئية مترابطة في الفضاء. ستستخدم هذه المجموعات، التي تتكون من مئات إلى آلاف الأقمار الصناعية، تقنية الاتصال الليزري لإنشاء روابط ضوئية عالية الإنتاجية بين الأقمار. يتيح تصميم الشبكة المترابطة توجيه بيانات المستخدم مباشرةً من قمر صناعي إلى آخر، مما يُمكّن من إدارة الشبكة بسلاسة وضمان استمرارية الخدمة. ^{[ 11 ]}

حماية مسار النسخ الاحتياطي المشترك

قبل الفشل

بعد الفشل والتعافي

تدعم الشبكات الضوئية المتداخلة إنشاء خدمات موجهة الاتصال في وضع الدائرة. وتتوفر في هذه الشبكات آليات استعادة متعددة توفر مستويات مختلفة من الحماية ^{[ 12 ]} أو الاستعادة ^{[ 13 ]} ضد أنماط الأعطال المختلفة . وتُعد حماية القناة، والوصلة ، والقطاع ، والمسار من أكثر أنظمة الحماية شيوعًا. كما تُعد دورات P ^{[ 9 ]} نوعًا آخر من الحماية التي تستفيد من الحماية القائمة على الحلقات وتوسع نطاقها. وتُعد الاستعادة طريقة استعادة أخرى يمكن أن تعمل بشكل مستقل أو تُكمل أنظمة الحماية الأسرع في حالة حدوث أعطال متعددة.

في شبكات المش المحمية بالمسارات، قد تكون بعض الاتصالات غير محمية، بينما يمكن حماية اتصالات أخرى من أعطال فردية أو متعددة بطرق مختلفة. يمكن حماية الاتصال من عطل فردي بتحديد مسار احتياطي يختلف عن المسار الأساسي الذي يسلكه الاتصال عبر شبكة المش. يمكن تخصيص المسار الاحتياطي والموارد المرتبطة به للاتصال (حماية المسار الاحتياطي المخصص، والمعروفة أيضًا بحماية المسار المخصص (1+1)، أو حماية اتصال الشبكة الفرعية (SNCP) في شبكات SDH ، أو UPSR في شبكات SONET الحلقية)، أو مشاركتها بين اتصالات متعددة (حماية المسار الاحتياطي المشترك)، وعادةً ما تكون هذه الاتصالات هي تلك التي من غير المرجح أن تتعطل مساراتها الأساسية في الوقت نفسه، مما يجنب التنازع على الموارد المشتركة في حالة تعطل رابط أو عقدة واحدة. يمكن تطبيق عدد من مخططات الحماية الأخرى، مثل استخدام المسارات القابلة للمقاطعة، أو المسارات الاحتياطية المتنوعة جزئيًا فقط. أخيرًا، يمكن تصميم مسارات متنوعة متعددة بحيث يمتلك الاتصال مسارات استعادة متعددة، ويمكنه الاستعادة حتى بعد أعطال متعددة (أمثلة على شبكات المش عبر ^{المحيطين} الأطلسي والهادئ [ ¹⁴ ] ⁾ .

تتكون شبكات النقل التقليدية من وصلات ألياف ضوئية بين مكاتب الاتصالات، حيث تُدمج أطوال موجية متعددة لزيادة سعة الألياف. تُنهى هذه الأطوال الموجية على أجهزة إلكترونية تُسمى أجهزة الإرسال والاستقبال ، حيث تخضع لتحويل ضوئي-كهربائي لإعادة تضخيم الإشارة وتشكيلها وتوقيتها (3R) . داخل مكتب الاتصالات، تُعالج الإشارات وتُبدّل بواسطة مُبدّل نقل (يُعرف أيضًا باسم مُوَصِّل ضوئي أو مُبدِّل ضوئي)، ثم تُسقط في ذلك المكتب، أو تُوجّه إلى وصلة ألياف خارجية حيث تُنقل مرة أخرى كأطوال موجية مُدمجة في تلك الوصلة باتجاه مكتب الاتصالات التالي. إن عملية التحويل الضوئي-الكهربائي-الضوئي (OEO) عبر مكتب الاتصالات تجعل الشبكة تُعتبر غير شفافة. ^{[ 15 ]} عندما لا تخضع الأطوال الموجية الواردة لتحويل ضوئي-كهربائي، ويتم توجيهها عبر مكتب اتصالات في المجال الضوئي باستخدام مفاتيح ضوئية بالكامل (تُسمى أيضًا أنظمة التوصيل الضوئي المتقاطع ، أو مُضاعِف الإضافة-الإسقاط الضوئي ، أو مُضاعِف الإضافة-الإسقاط الضوئي القابل لإعادة التكوين (ROADM) )، تُعتبر الشبكة شفافة . ^{[ 16 ]} أما المخططات الهجينة التي تستفيد من التجاوزات الضوئية وتوفر تحويلات ضوئية-كهربائية محدودة في مواقع رئيسية عبر الشبكة، فتُسمى الشبكات شبه الشفافة. ^{[ 17 ]}

تم نشر شبكات الألياف الضوئية الشفافة القائمة على تقنية ROADM في الشبكات الحضرية والإقليمية منذ منتصف العقد الأول من الألفية الثانية. ^{[ 18 ]} وفي أوائل العقد الثاني من الألفية الثانية، لا تزال الشبكات التشغيلية بعيدة المدى تميل إلى أن تكون غير شفافة، نظرًا لوجود قيود على الإرسال واختلالات تمنع توسيع نطاق الشفافية إلى ما بعد حد معين. ^{[ 19 ]}

يُعدّ التوجيه جانبًا أساسيًا للتحكم والتشغيل في شبكات الألياف الضوئية. في الشبكات الشفافة أو الضوئية بالكامل، يرتبط توجيه الاتصالات ارتباطًا وثيقًا بعملية اختيار وتخصيص الطول الموجي (ما يُعرف بتوجيه وتخصيص الطول الموجي ، أو "RWA"). ويعود ذلك إلى أن الاتصال يبقى على نفس الطول الموجي من طرف إلى طرف في جميع أنحاء الشبكة (يُشار إليه أحيانًا بقيد استمرارية الطول الموجي، في غياب أجهزة قادرة على الترجمة بين الأطوال الموجية في المجال الضوئي). في الشبكة المعتمة، تتمثل مشكلة التوجيه في إيجاد مسار أساسي للاتصال، وفي حال الحاجة إلى الحماية، مسار احتياطي مختلف عن المسار الأساسي. تُستخدم الأطوال الموجية على كل رابط بشكل مستقل عن الآخر. يمكن استخدام العديد من الخوارزميات ودمجها لتحديد مسار أساسي ومسار احتياطي مختلف (مع أو بدون مشاركة الموارد على طول المسار الاحتياطي) للاتصال أو الخدمة، مثل: أقصر مسار ، بما في ذلك خوارزمية ديكسترا ؛ أقصر مسار k ، ^{[ 20 ]} مثل خوارزمية ين . تشمل طرق التوجيه المتنوعة أو المنفصلة على الحواف والعقد خوارزمية سوربال ؛ ^{[ 21 ]} والعديد من الطرق الاستدلالية . ومع ذلك، فإن مشاكل التوجيه الأمثل لحماية مسار النسخ الاحتياطي المخصص مع مجموعات موارد المخاطر المشتركة العشوائية ، ^{[ 22 ]} وحماية مسار النسخ الاحتياطي المشترك، هي مشاكل NP-كاملة . ^{[ 23 ]}

يُتيح نشر شبكات الألياف الضوئية خدمات وتطبيقات جديدة لمقدمي الخدمات لتقديمها لعملائهم، مثل:

• حماية جودة الخدمة (QoS)، مما يسمح بتوفير خدمات بمستويات حماية مختلفة: قابلة للمقاطعة، وغير محمية، ومحمية مع ضمان الاسترداد ضد فشل رابط واحد أو عقدة واحدة، ومحمية ضد حالات الفشل المتعددة (من خلال مزيج من الحماية ^{[ 12 ]} والاستعادة ^{[ 13 ]} ).
• الخدمات الديناميكية مثل النطاق الترددي عند الطلب (BoD)، ^{[ 24 ]} النطاق الترددي في الوقت المناسب (JIT)، وجدولة النطاق الترددي، ووساطة النطاق الترددي
• الشبكات الخاصة الافتراضية الضوئية ^{[ 25 ]}
• مسارات ضوئية متعددة البث

كما يدعم نماذج الشبكات الجديدة مثل

• بنى الشبكات عبر بروتوكول الإنترنت عبر الألياف الضوئية ^{[ 26 ]}

شبكات المش بشكل عام وشبكات المش اللاسلكية بشكل خاص.

• "موقع إلكتروني حول حماية الشبكة - تقنيات حماية الشبكة، استعادة الشبكة بعد الأعطال، أحداث أعطال الشبكة"أُرشف بتاريخ 30 نوفمبر 2010 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
• "شبكات النقل القابلة للاستمرار القائمة على تقنية المش: الخيارات والاستراتيجيات لشبكات الألياف الضوئية، وMPLS، وSONET، وATM"، بقلم واين غروفرأُرشف بتاريخ 23 مارس 2012 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
• "التحكم في الشبكات الضوئية: البنية والبروتوكولات والمعايير"، بقلم جريج بيرنشتاين، وبالا راجاغوبالان، وديبانجان ساها
• "توجيه المسار في الشبكات الضوئية المتشابكة"، بقلم إريك بوييه، وجورجيوس إليناس، وجان فرانسوا لابورديه، ورامو رامامورثي،،
• "دورات P: نظرة عامة"، آر. أستانا، واي إن سينغ، دبليو دي غروفر، مجلة IEEE للمسح والدروس التعليمية في مجال الاتصالات، فبراير 2010
• "الشبكات القابلة للبقاء: خوارزميات التوجيه المتنوع"، بقلم راميش بهانداري