Optisch mesh-netwerk: hoe licht een netwerk zichzelf laat herstellen
Stel je een stad voor waar alle wijken verbonden zijn via één enkele hoofdweg. Werkzaamheden of een ongeluk op die ene weg, en het hele verkeer staat vast. Nu stel je diezelfde stad voor met een rooster van straten, waarbij elk kruispunt met meerdere andere kruispunten verbonden is. Valt er ergens een straat uit, dan rijdt het verkeer gewoon via een andere route verder. Een optisch mesh-netwerk werkt volgens datzelfde principe, maar dan met lichtsignalen in plaats van auto's, en glasvezelkabels (of soms laserstralen door de lucht) in plaats van straten.
In een optisch mesh-netwerk zijn de knooppunten van een netwerk, bijvoorbeeld internetknooppunten van providers, datacenters of zelfs satellieten, met elkaar verbonden via meerdere lichtverbindingen tegelijk in plaats van via één rechte lijn. Data reist als lichtpulsen door glasvezel of laserlicht, en het netwerk kan zelf bepalen welke route op dat moment het snelst of betrouwbaarst is. Valt er een verbinding uit door bijvoorbeeld een gegraven kabel die kapotgaat, dan buigt het verkeer binnen milliseconden af naar een andere weg door het netwerk, vaak zonder dat gebruikers er iets van merken.
Wat is het precies?
De basis van elk optisch netwerk is glasvezel: dunne glasdraden waar informatie doorheen reist als flitsjes licht in plaats van als elektrische stroom door koperdraad. Licht kan enorm veel data per seconde vervoeren en gaat, in tegenstelling tot elektrische signalen, nauwelijks verloren over lange afstanden.
Het woord 'mesh' (Engels voor gaas of net) slaat op de manier waarop de knooppunten met elkaar verbonden zijn: niet in een simpele keten of ster, maar kris-kras, zodat er meerdere paden tussen twee willekeurige punten bestaan. Netwerkingenieurs noemen dit redundantie: er is altijd een reserveroute achter de hand.
Een belangrijke techniek die dit mogelijk maakt heet wavelength division multiplexing (WDM), oftewel golflengte-multiplexing. Hierbij wordt niet één, maar tientallen tot honderden 'kleuren' licht tegelijk door dezelfde glasvezel gestuurd, elk met zijn eigen datastroom. Zo past er veel meer verkeer op één kabel.
Op de knooppunten zelf staan apparaten die reconfigureerbare optische add-drop multiplexers heten, afgekort ROADM. Zo'n ROADM kan een specifieke lichtkleur (en dus datastroom) van de ene glasvezel naar de andere doorsturen zonder het licht eerst om te zetten naar elektrische signalen en weer terug. Dat scheelt vertraging en energie. Software boven op dit hardwarenetwerk, het zogeheten besturingsvlak, houdt continu bij welke verbindingen beschikbaar zijn en herberekent automatisch de beste route als er iets uitvalt of overbelast raakt.
Naast glasvezel bestaat er ook een variant die niet door kabels maar dwars door de lucht of door de ruimte werkt: free-space optics (FSO), oftewel optische verbindingen door de vrije ruimte. Hierbij sturen twee apparaten smalle laserbundels naar elkaar toe. Ketent men veel van zulke laserverbindingen aaneen tussen bijvoorbeeld satellieten onderling, dan ontstaat eveneens een optisch mesh-netwerk, alleen dan zonder fysieke kabel.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is betrouwbaarheid. Internetverkeer, betalingsverkeer, ziekenhuisdata en noodcommunicatie mogen niet plat gaan omdat ergens één graafmachine een kabel doorsnijdt. Een mesh-topologie zorgt voor zogeheten zelfherstellende netwerken die binnen milliseconden tot enkele seconden overschakelen op een alternatieve route.
Daarnaast draait het om capaciteit. De hoeveelheid data die de wereld rondstuurt, groeit al decennia explosief, aangejaagd door video, cloudopslag en recent ook door AI-toepassingen die enorme hoeveelheden data tussen datacenters verplaatsen. Een optisch mesh-netwerk met WDM en ROADM's kan die groei opvangen zonder dat er telkens nieuwe kabels de grond in moeten.
Een derde doel is efficiëntie en lage latency (vertraging). Doordat het netwerk zelf de kortste of minst drukke weg kan kiezen, en doordat licht niet hoeft te worden omgezet naar elektrische signalen op elk tussenstation, blijft de vertraging laag. Voor toepassingen als beursverkeer, videobellen of toekomstige zelfrijdende systemen is elke milliseconde relevant.
Tot slot is er de wens om gebieden te bereiken waar traditionele glasvezel niet praktisch is: afgelegen regio's, gebieden zonder infrastructuur, of de ruimte zelf. Daar biedt de laservariant van optische mesh-netwerken uitkomst, al blijft dit een jonger en minder bewezen vakgebied dan de kabelvariant.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Europese onderzoeks- en onderwijsnetwerk GÉANT verbindt sinds de jaren negentig universiteiten en onderzoeksinstellingen in heel Europa via een optisch mesh-backbone. De meest recente uitbreidingen, met verbindingen tot 800 gigabit per seconde per lichtgolflengte, zijn tussen 2021 en 2024 uitgerold.
Google bouwde voor zijn eigen wereldwijde datacenternetwerk het systeem B4, een softwaregestuurd optisch mesh-netwerk dat vanaf 2013 in gebruik is en sindsdien is opgevolgd door nieuwere generaties. Het idee: laat software in plaats van vaste bekabeling bepalen hoe het verkeer tussen datacenters stroomt.
SpaceX rustte vanaf 2021 zijn Starlink-satellieten uit met laserlinks die satellieten onderling verbinden zonder tussenkomst van een grondstation. Tegen 2024 hadden duizenden Starlink-satellieten zulke laserverbindingen, waardoor in de ruimte een optisch mesh-netwerk is ontstaan dat data over grote afstanden kan doorgeven, bijvoorbeeld over de oceaan, voordat het signaal een grondstation bereikt.
Alphabets onderzoekslab X (voorheen Google X) testte met het project Taara free-space optische verbindingen als alternatief voor glasvezel op de grond. Een bekend voorbeeld is een laserverbinding over de Congo-rivier tussen Brazzaville en Kinshasa, actief sinds 2020, waarmee internetkosten in de regio sterk daalden omdat er geen dure onderwatergasleiding voor kabels nodig was.
In Nederland beheert SURF, de ICT-coöperatie voor onderwijs en onderzoek, een landelijk optisch netwerk (SURFnet) dat universiteiten, hogescholen en onderzoeksinstellingen met een meshachtige, redundante glasvezelstructuur verbindt.
Hoe ver is de techniek?
De kabelvariant van optische mesh-netwerken is volwassen technologie. WDM en ROADM's zijn al sinds begin jaren 2000 gangbaar in telecombackbones, en de snelheid per lichtgolflengte is sindsdien gestaag gestegen: van 10 gigabit per seconde destijds naar 400 en inmiddels 800 gigabit per seconde per golflengte bij de nieuwste, zogeheten coherente transceivers die sinds 2023 breed worden uitgerold.
De grootste huidige uitdaging in de kabelvariant is niet zozeer de optica zelf, maar het zogeheten besturingsvlak: hoe automatiseer en versnel je het herroutingsproces verder, en hoe combineer je meerdere netwerken van verschillende beheerders tot één samenhangend, zelfherstellend geheel? Hier wordt gewerkt aan meer AI-gestuurde verkeersvoorspelling en -sturing.
De laservariant (free-space optics) staat wezenlijk minder ver. Op aarde blijft mist, regen en zelfs trillingen van gebouwen een obstakel: een laserbundel die net naast de ontvanger valt, werkt niet. Projecten als Taara zijn daarom vooralsnog vooral pilots op specifieke trajecten, niet een dekkend wereldwijd netwerk. In de ruimte, waar geen weer of atmosferische verstoring speelt, gaat het sneller: de laserlinks van Starlink zijn in enkele jaren tijd van experiment naar praktisch de standaarduitrusting van nieuwe satellieten gegroeid, al blijft ook daar het aantal gelijktijdige verbindingen per satelliet en de precisie van het richten een technische opgave.
Wie werken eraan?
Op de apparatuurkant zijn bedrijven als Ciena, Infinera, Nokia en Cisco (via de overname van Acacia Communications) toonaangevend in ROADM's en coherente optische transmissietechniek. Ook het Chinese Huawei is wereldwijd een grote speler, al is het gebruik van Huawei-apparatuur in westerse telecomnetwerken de laatste jaren om geopolitieke en veiligheidsredenen omstreden.
Telecomaanbieders en netwerkbeheerders die dergelijke optische mesh-backbones daadwerkelijk exploiteren, zijn onder meer NTT, Deutsche Telekom, Orange en, in Nederland, KPN. Onderzoeksnetwerken zoals GÉANT (Europa), Internet2 (Verenigde Staten) en SURF (Nederland) draaien vaak op vergelijkbare technologie, maar dan gericht op wetenschap en onderwijs in plaats van consumenten.
Op het gebied van laserverbindingen door de lucht en de ruimte lopen SpaceX (Starlink) en, in een eerder stadium, Amazon met zijn geplande Kuiper-satellieten voorop. Alphabets project Taara richt zich op laserverbindingen op aarde. Ook overheids- en defensieorganisaties, zoals het Amerikaanse Space Development Agency, ontwikkelen laser-mesh-netwerken tussen satellieten voor militaire communicatie.
Standaarden voor optische netwerken worden internationaal afgestemd via de ITU-T (een onderdeel van de Internationale Telecommunicatie Unie) en het Optical Internetworking Forum (OIF), waarin fabrikanten en netwerkbeheerders gezamenlijk specificaties vaststellen zodat apparatuur van verschillende merken met elkaar kan samenwerken.