Autorem článku je externí redaktor Jiří Jakeš

Vývoj telekomunikačních síťových architektur

Máme rok 2010. S Internetem a sítěmi žijeme cca od roku 1995. Leč telekomunikační sítě existují již od konce 19. století a během 20. století se tiše vyvíjely bez nějaké zvláštní pozornosti veřejnosti. Teprve Internet problematiku telekomunikačních sítí medializoval. Možná by bylo užitečné se trochu ohlédnout do historie a pokusit se ve zkratce rekapitulovat vývoj telekomunikačnách sítí a jejich architektur a podívat se trochu z nadhledu na časy minulé a pokusit se odhadnout budoucí možný vývoj.

Analogový pravěk

Vznik telekomunikační sítí úzce souvisí s přenosem hlasu mezi hlasovými ústřednami. Prakticky celé minulé století souvisely tyto sítě s analogovými přenosy po metalických vedeních a hlavní metodou byly okruhy point-to-point dostupná kapacita linky se celá věnovala jednomu spojení. Lokální okruhy byly prakticky výlučně realizovány topologií hvězda (strom) a protekce těchto okruhů prakticky nebyly možné jak technologicky  tak i komerčně. Dálkové a meziměstské okruhy se realizovaly opět metalicky a jako nosné systémy se používaly nejprve systémy na bázi nosných frekvencí a později na bázi PDH a SDH systémů. Architektonicky již vznikly hlasové sítě s topologií mesh v rámci měst a států, kde jednotlivé ústředny plnily úlohu uzlů sítě. Zajímavé z tohoto pohledu je, že tyto sítě byly konstruovány velmi hieraticky – přísně se rozlišovaly úrovně lokální, městské, meziměstské a mezinárodní.  A z toho vyplývalo i adresování přípojek, které bylo rovněž řešeno velmi strukturovaně a fixně ( místní, městská, mezimestská, mezistátní a mezikontinentální). Již v té době se rozlišovali zákazníci bytoví (residentials) a podnikoví (enterprise). Datové sítě prakticky neexistovaly (resp. existoval dálnopis) a přenosy se řešily pomocí modemů přes hlasovou síť nebo fixní okruhy.

Paketové sítě – nástup digitálu

Zlomovým okamžikem byl v 80. a 90. tých letech vznik paketových sítí, které slibovaly maximální využití drahých linek (hlas byť byl realizován jako full-duplex je nicméně charakteru half-dupex – vždy jeden mluví a druhý poslouchá a z toho vyplývá, že z 50% mrhá přenosovou kapacitou). Principiálně se opíraly o paketovou technologii, datagramovou přenosovou metodu a povětšinou distribuované směrování. A začala exploze budování datových paketových sítí mnoha typů WAN (X.25, ATM, SNA, Decnet ...MPLS) a LAN (Ethernet, IPX, IP, Decnet, Token Ring, FDDI ...). Paketové sítě byly schopny velmi jednoduše realizovat velmi komplexní meshové tologie, obsahovaly routovací protokoly různých typů. Pro propojení různých sítí bylo třeba vyvinout propojovací uzly zvané routery, které uměly více než jeden přenosvý protokol ... . Provoz rostl geometricky a sítě se stávaly velmi rozlehlými a v zásadě podstatně složitější než předešlé analogové systémy. Finálně získal převahu protokol IP na L3 a Ethernet na L2.  Převažující topologií je mesh jak z důvodů protekce, ale zejména z důvodů plného využití kapacity linek a využití paketových uzlů pro retranslaci tandemového provozu.

E(R)voluce Internetu

Zastřešující sítí se stal Internet, který je příkladem sítě bez přísné hierarchie, který se samoreguluje a žije si svým vlastním životem. Zatím všechny pokusy Internet nějak striktně kontrolovat selhaly. Je nicméně zajímavé, že přesto struktura Intenetu i přes svou živelnost a zdánlivou chaotičnost vykazuje velmi podobné hieratické struktutury jako měla původní hlasová síť. Máme lokální sítě ISP a firemní sítě, národní sítě operátorů, centrální národní přepojovací uzly typu NIX, vznikají kontinentální přepojovací uzly IX (Frankfurt, Amsterdam, UK, US , Pacifik) a mezinárodní a mezikontinetální sítě Tier-1 operátorů. Jako celek se Internet jeví chaoticky, neřízený a neředitelný (i když by mnozí rádi), neomezený a neomezitelný, těžko ovladatelný a přesto funguje. Topologie komplexní mesh (měňavka).

GSM anomálie

Dalším velmi významným jevem byl vznik GSM mikrovlnných sítí. Objevily se opět (stejně jako Internet) tak nějak neočekávaně. Jejich úspěch je výsledkem lidské potřeby komunikovat kdykoliv a kdekoliv s kýmkoliv. A to GSM plní excelentně. Jinak jsou GSM sítě pravým nástupcem a hlavním konkurentem původních hlasových sítí, které docela drsně kanibalizují. Obvykle se má za to, že konkurencí fixní hlasové sítě je Internet, ale není tomu tak. Z jiného pohledu jsou GSM sítě velmi zajímavé tím, že si vypěstovaly kartelovou až monopolní obchodní strukturu, která je téměř prosta konkurence ( jak jinak vysvětlit velmi „stabilní“ ceny, když všechny další telekomunikační komodity již dlouho cenově padají dolů). Další zvláštností je jejich konservativnost a svým způsobem zaostalost technologická (stále používají interně E1 komunikace, IP do nich proniká velmi pozvolna, přenášená data jsou oproti datovým sítím zanedbatelná), ale to asi rovněž souvisí s jejich ne úplně tržním prostředím a relativní snadností uspokojení potřeb zákazníků (hlas a SMS).

Fázový přechod digitál - analog

Jak zatím vidíme, tak topologie, protokoly a technologie mají tendenci v čase se stávat stále složitější. Jenže s komplexitou narůstá rovněž cena za tuto složitost – pořizovací a provozní náklady. Sice v průběhu času došlo rovněž k zjednodušení telekomunikačních síti (viz IP protokol a Ethernet), nicméně současné sítě jsou stále značně komplexnější než jejich předchůdci. Rovněž množství přenášených dat narostlo oproti původním hlasovým 64kbps na současnou potřebu cca 30 Mbps pro přenos HDTV a dalších služeb na jednu uživatelskou přípojku. Tedy nárůst 100-1000 x za posledních 15 let. V blízké budoucnosti se v souvislosti s rozvojem SuperHDTV a 3D TV lze očekávat nárůst nad 300 Mbps, což odpovídá nárůstu cca 10 000 x ve sledovaném období. Počet existujících a používaných protokolů na Internetu se odhaduje na cca 600 a stále vznikají nové protokoly a nové verze stávajících. Je přinejmenším zábavné, že naše skvělé digitální paketové komplexně meshové přenosové sítě se začínají tak trochu chovat analogově. Dat a aplikací začíná být tolik, že se začínají chovat poněkud „spojitě“. Objevují se fenomény podobné turbulencím a rušení (ataky),  útlum (ztráta paketů), fázové chvění (paketový jitter) a další. Data a aplikace se na linkách a v uzlech ovlivňují např přes mechanismus společných front, využití procesorů ... .

Meze růstu

Je jasné, že i když jsme stále schopni si poradit, tak budou existovat nějaké meze růstu, které nebudeme schopni efektivně překročit. Zdá se, že by jsme možná měli rezignovat na původní ideu paketových přenosů, datagramů, vícenásobného multiplexu na paketové úrovni a vrátit se zpět k budování pevných okruhů plně dedikovaných partikulární aplikaci. Tento proces již v podstatě  již nějakou dobu probíhá. Souvisí s optikou a CWDM a DWDM systémy. Tedy s přenosovými systémy na bázi frekvenčního multiplexu (ale oproti minulosti nikoliv na elektrické, ale optické úrovni).

Metamorfózy sítí

Výhody nasazení optiky jsou zásadní – pomocí DWDM jsme schopni dosáhnout vzdáleností od stovek metrů do  tisíců kilometrů. Toto má vliv na topologii sítě – nepotřebujeme konstruovat zbytečné regenerační uzly, čili můžeme pronikavě zjednodušit strukturu sítě – místo meshové sítě vystačíme s hvězdou. Praktická spolehlivost optik je řádově vyšší než starých metalických okruhl, tak opět vynechat nabytečné kabelové obchozí trasy – do značné míry není třeba protekce (resp. případné škody jsou nižší než pořízení a provoz záložní linky). Statisticky vzato je většina provozu směřována mimo lokalitu a je směřována do center a je tedy možno zálohovanou síť nahradit topologií stromu či hvězdy. Tím, že máme k dipozici řadu optických spojů, můžeme robněž oddělit data a jejich případné vzájemné nežádoucí interakce. Tento přechod je patrný jak v sítích WAN (viz. koncentrace dat do center) tak v sítích MAN (očekávaný přechod na xPON technologie).

Pokud si projdeme topologickou metamorfozu paketových síti v průběhu času, tak by to mohlo vypadat následovně:

hvězda  =>  strom  =>  strom a částečné protekce (trojúhelníky)  => zálohovaná meshová síť  =>  síť na bázi kruhů (zjednodušená mesh)   =>  strom  => hvězda

Závěr – „forward to the past“

Zdá se tedy, že tak trochu zažíváme renesanci původních analogových přenosových systémů na bázi vlnového multiplexu a renesanci síťové topologie strom/hvězda. Tedy návrat někam, kde jsme byli před 25 lety. Důvodem je tlak na snížení nákladů na aktivní technologie a tomuto tlaku lze vyhovět nárůstem spolehlivosti linek.
 Co bude dále ? Možná cyklus ... .