4.3 Optické siete

Hoci sa môže zdať, že optické káble sú novinkou, nie je to tak - používajú sa už niekoľko desaťročí. I v domácnostiach sa už dávno môžeme stretnúť s optickým káblom TOSLINK pre digitálne S/PDIF prepojenie zvukového výstupu (napríklad z PC alebo Blu-ray prehrávača) do zosilňovača zvukovej aparatúry.

Hlavnou výhodou optického spojenia je úplná odolnosť pred elektromagnetickými rušeniami (EMI). Okrem toho má výrazne menší útlm signálu na vzdialenosť, je možné preklenúť aj stovky kilometrov. A v neposlednom rade umožňuje dosiahnuť výrazne vyššie prenosové rýchlosti. Nevýhodou je cena spojenia - ani nie cena káblu, ale predovšetkým cena ukončenia a spojenia káblov. v ideálnom prípade sa optické vlákna spájajú zváraním, k čomu je potrebné drahé špeciálne zariadenie - zváračka optických vlákien.

Foto: optická zváračka Komshine FX39

Lacnejšou alternatívou sú gélové spojky, ku ktorým nie je nutná zváračka a samotné spojenie je lacnejšie, no menej kvalitné - má vyšší útlm signálu. A najlacnejšou alternatívou je kúpa hotového prepájacieho (patch) kábla, s osadenými konektormi podľa želania.

Pri optických sieťach sa môžeme stretnúť s pojmom FTTX (Fiber to the X), ktorý súhrnne označuje rôznu úroveň optického pripojenia z hľadiska dosahu optického pripojenia:

• FTTN (Node): optické pripojenie vedie do uzla (v podobe skrine s elektrickým prívodom) v obci, z ktorého vedú ďalej k jednotlivým budovám, či koncovým zákazníkom metalické káble, napríklad pre DSL;
• FTTB (Building): optické pripojenie vedie do budovy, kde je obvykle prepínač alebo modulátor, z neho vedú zákazníkom metalické káble (ethernet, či koaxiálny);
• FTTH (Home): optické pripojenie vedie až do bytu koncového zákazníka, kde je obvykle modem, konvertor alebo priamo smerovač s optickým portom, z neho sú už klientske zariadenia pripojené ethernet káblom alebo cez Wi-Fi;
• FTTD (Desktop): optické pripojenie vedie až ku každému koncovému zariadeniu (zatiaľ nie je k tomu dostatočný dôvod).

Optické káble a konektory

Optický kábel môže mať (a obvykle aj má) pod vonkajším plášťom viacej optických vlákien. Každé optické vlákno je nezávislým médiom a rýchlosť prenosu z praktického hľadiska obmedzená nie je - limitujúcimi prvkami sú elektronické zariadenia vysielajúce a prijímajúce svetelné pulzy. Tie sú v infračervenom pásme, teda očiam neviditeľné. Ak je v optickom kábli mnoho vlákien, bývajú rozdelené do samostatných zväzkov (buffer) po 12. Každé vlákno v konkrétnom zväzku má farbu v postupnosti podľa štandardu TIA-598: modrá, oranžová, zelená, hnedá, sivá, biela, červená, čierna, žltá, fialová, ružová, tyrkysová. Rovnako sú farebne rozlíšené aj jednotlivé zväzky. Optický kábel so 144 vláknami má teda 12 zväzkov po 12 vláknach a identifikujeme ich podľa farby zväzku a farby vlákna.

Na rozdiel od metalických káblov nie je obvyklé, aby optický kábel prichádzajúci do miestnosti / budovy viedol priamo do cieľového zariadenia. Optický kábel máva viac vlákien - podľa ich počtu končí v prepájacom paneli (patch panel) alebo v menšej krabičke.

Obrázok: optický patch panel

Vo vnútri je každé vlákno ukončené konektorom - obvykle privarením k pigtailu (krátky tenký optický káblik, ktorý má konektor len na jednom konci). Tento konektor je pripojený do spojky (adaptéru) upevnenej v otvore panelu / krabičky. Do spojky sa zapája prepájací kábel (patchcord), vedúci do cieľového zariadenia - smerovača, prepínača, či priamo do servera. Tam končí v NIC pre príslušný konektor alebo v optickom module.

Optický modul umožňuje používateľovi zvoliť si typ konektoru i vlákna - sieťové zariadenie je vybavené portom pre modul, napríklad zariadenia MikroTik používajú SFP moduly. Teda pri kúpe zariadenia neriešime konkrétny modul, ale len jeho typ a modul si zaobstaráme samostatne, podľa svojich potrieb. Pôvodný modul SFP má rýchlostný limit 1 Gb/s, takže v dnešnej dobe používame cenovo dostupné SFP+ moduly s 10 Gb/s, prípadne drahšie QSFP moduly s rýchlosťami 40 Gb/s, 100 Gb/s, či dokonca 400 Gb/s. v ďalšom texte budú všetky menované označené ako SFP.

Foto: optické moduly MikroTik s WDM

Do zariadení MikroTik nie je nutné kupovať SFP moduly MikroTik, bez problémov môžeme použiť aj moduly iných výrobcov (Ubiquiti, Huawei, HiLink, MaxLink a podobne). Nemusí to však platiť o zariadeniach všetkých výrobcov!

Foto: duplexný konektor LC/UPC

Pri budovaní optických sietí v dnešnej dobe používame výhradne len optické káble so single-mode (SM - jednovidovými) vláknami. Patch káble (krátke prepájacie) so single-mode vláknom zvyknú byť žltej farby. Staršie káble s multi-mode (MM - mnohovidovými) vláknami mávajú farbu oranžovú. Pre počítačové siete je vhodné používať konektory ukončené nezalomenými hranami - označené sú UPC (Ultra Physical Contact) a sú modrej farby. Pri šírení televízneho signálu (káblovka) sa využívajú zelené APC ukončenia.

Samotných konektorov existuje mnoho, moderné SFP moduly používajú malé LC konektory. Klasický SFP modul používa samostatné vlákno pre odosielanie signálu a samostatné pre príjem, teda využíva „duplexný kábel“ s dvoma LC konektormi. Výhodnejšie je však využiť vyspelejší SFP modul s WDM (Wavelength-Division Multiplexing - vlnový multiplex), zvaný aj BiDi (Bidirectional), ktorý pre odosielanie využíva inú vlnovú dĺžku ako pre prijímanie, a teda postačuje jediné vlákno.

Praktické zhrnutie: Používame single-mode káble s LC/UPC konektormi (žlté káble s modrými konektormi) a SFP+ moduly s WDM (pre jediný LC/UPC konektor a kábel).

Pasívna optická sieť (PON)

Pri optických sieťach môžeme využívať aktívne i pasívne vetvenie. Aktívna optická sieť (AON) funguje rovnako, ako metalická - využíva sa prepínač, teda optický signál z prívodu sa najskôr prevedie na elektrický signál, vytvorený rámec sa spracuje a pošle do príslušného portu, kde sa opäť prevedie do optického signálu. Ak má ISP na jednej lokalite veľa zákazníkov, môže tam umiestniť prepínač (ktorý samozrejme potrebuje elektrické napájanie) a každému zákazníkovi z neho priviesť samostatný kábel.

Pokiaľ ISP nechce umiestňovať prepínač, napríklad v prípade, že zákazníci nie sú koncentrovaní na jednom mieste, môže nasadiť pasívnu optickú sieť (PON) - využíva sa delenie svetla optickým rozbočovačom (splitter). Teda na prívode je silnejší optický signál v jedinom vlákne, ten sa rozbočí do viacerých vlákien pre jednotlivých zákazníkov - ich koncové zariadenie sa označuje ako ONT (Optical Network Terminal). Toto riešenie je ideálne pre jednosmerný prenos spoločných dát, napríklad pri šírení televízneho vysielania, no vďaka WDM ho možno využiť aj pre obojsmerné prenosy. Optický rozbočovač bude v opačnom smere fungovať ako zlučovač.

Praktická implementácia PON

Poskytovatelia internetového pripojenia v dnešnej dobe najčastejšie využívajú PON a optické káble zakopané v zemi. Pri výkopových prácach sa v skutočnosti neukladajú priamo optické káble, ale len prázdne vodiace rúrky (mikrotrubičky). Tieto rúrky nemusia byť v jednom kuse - je ich možné aj spájať. z objektu ISP vedú rúrky do rozbočovacích skriniek (tie môžu byť napríklad na každej ulici) a z každej skrinky vedú ďalšie rúrky ku každému domu s potenciálnym záujemcom - budúcim zákazníkom.

Foto: rúrky optického pripojenia v zemi (Telekom)

Do týchto rúrok je možné dodatočne priviesť špeciálny optický kábel, určený pre takzvané „nafúknutie“ - majú vrúbkovaný povrch, takže silný prúd vzduchu z kompresora ho dokáže pretlačiť z objektu ISP do rozbočovacej skrinky a ďalšie káble z rozbočovacej skrinky ku zákazníkovi.

Foto: skrinka optického pripojenia (Telekom)

Do každej rozbočovacej skrinky postačuje priviesť jediné optické vlákno, v ktorom sú rôzne vlnové dĺžky svetla (využíva sa WDM) a tie je možné využiť rôzne:

• GPON (Gigabit PON): Používajú sa dve vlnové dĺžky - jedna pre prenos smerom ku zákazníkovi a druhá smerom od zákazníka. Prenosy k jednotlivým zákazníkom (download) sa „vysielajú“ spoločne cez broadcast a rozdelia sa cez optický rozbočovač (splitter), teda v kábli jedného zákazníka sa vyskytujú aj údaje pre ostatných zákazníkov, no každý si vo svojom koncovom zariadení (ONT) prečíta len svoje údaje - využíva sa šifrovanie AES. Odosielané údaje od zákazníkov (upload) nie je možné vysielať naraz v rovnakom čase, preto striedajú v časových oknách (TDMA = Time Division Multiple Access) a zákazníci zdieľajú rýchlosť.
• WDM-PON: Tento variant je náročnejší (technologicky náročnejší a drahší) - pre každého zákazníka je určená iná vlnová dĺžka, takže každý môže využiť plnú kapacitu rozhrania v oboch smeroch, no je nutný sofistikovanejší typ optického rozbočovača (AWG = Arrayed Waveguide Grating), ktorý rozdelí rôzne vlnové dĺžky pre jednotlivých zákazníkov.

Útlm signálu

Pri šírení optického signálu nás bude zaujímať útlm signálu. Základnú informáciu o ňom nám zvyčajne poskytnú aj samotné optické moduly (informujú o úrovni odosielaného i prijímaného signálu). Špeciálne meracie zariadenie OTDR však umožňuje veľmi presne zistiť, v akej vzdialenosti a k akému útlmu či odrazu signálu (reflexii) dochádza.

Pre číselné vyjadrenie útlmu signálu sa využíva relatívna jednotka decibel (dB). Je ho možné chápať matematicky na základe desiatkového logaritmu (či naopak - mocniny 10 pre zistenie násobku zosilnenia / útlmu), no v praxi si stačí pamätať jednoduché pravidlá pre výkon a intenzitu:

• každé 3 dB značia 2-násobok (resp. -3 dB polovicu);
• každých 10 dB znamená 10-násobok (resp. -10 dB desatinu).

Samotný decibel nehovorí nič o absolútnej hodnote, ale len o relatívnej hodnote voči nejakej inej hodnote (zosilnenie / zoslabenie), preto sám o sebe nevyjadruje žiadnu veličinu. Ak potrebujeme vyjadriť absolútnu hodnotu, potrebujeme nejakú referenčnú hodnotu v zmysle pevného konkrétneho bodu - tým môže byť podľa potreby napríklad mW (dBm je hodnota dB voči 1 mW) alebo čokoľvek iné. Vďaka tomu je možné objektívne porovnávať napríklad výkony optických modulov.

Decibely potrebujeme aj pri bezdrôtových sieťach - používajú sa pri určovaní vyžarovacieho výkonu, zisku antén a úrovne prijatého signálu.