Лямбда зонд. Что это такое и как он работает?
В данной статье разберемся что такое лямбда зонд, для чего нужен и принцип его работы.
Жесткие экологические нормы узаконили применение на автомобилях каталитических нейтрализаторов – устройств, способствующих снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах. Катализатор вещь хорошая, но эффективно работает лишь при определенных условиях. Без постоянного контроля состава топливно-воздушной смеси обеспечить катализаторам «долголетие» невозможно – тут приходит на помощь датчик кислорода, он же лямбда зонд.
Что такое лямбда зонд?
Название датчика лямбда зонд происходит от греческой буквы лямбда, которая в автомобилестроении обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. По сути, лямбда зонд — это датчик для измерения состава выхлопных газов, чтобы поддерживать оптимальный состав топлива и воздуха.
При оптимальном составе этой смеси, когда на 14,7 части воздуха приходится одна часть топлива — лямбда равна 1. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи лямбда-зонда.
Избыток воздуха в смеси измеряется весьма оригинальным способом – путем определения в выхлопных газах содержания остаточного кислорода (О2). Поэтому лямбда зонд и стоит в выпускном коллекторе перед катализатором. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления системы впрыска топлива (ЭБУ), а тот в свою очередь оптимизирует состав смеси путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива.
На некоторых моделях автомобилей имеется еще один лямбда-зонд. Расположен он на выходе катализатора. Этим достигается большая точность приготовления смеси и контролируется эффективность работы катализатора.
Принцип работы лямбда-зонда
Схема лямбда зонда на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе.
1 – твердый электролит ZrO2; 2, 3 – наружный и внутренний электроды; 4 – контакт заземления; 5 – «сигнальный контакт»; 6 – выхлопная труба.
Эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до температуры 300 – 400°С. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.
При пуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется без участия этого датчика, а коррекция состава топливо-воздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, числа оборотов коленвала).
Особенностью циркониевого лямбда-зонда является то, что при малых отклонениях состава смеси от идеального напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1 — 0,9 В.

Зависимость напряжения лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха при температуре датчика 500-800°С
Для повышения чувствительности лямбда-зондов при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев. Нагревательный элемент расположен внутри керамического тела датчика и подключается к электросети автомобиля.
Если лямбда зонд не работает
В этом случае ЭБУ начинает работать по усредненным параметрам, записанным в его памяти: при этом состав образующейся топливно-воздушной смеси будет отличаться от идеального. В результате появится повышенный расход топлива, неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, увеличение содержания СО в выхлопе, снижение мощности, но машина при этом остается на ходу.
Перечень неисправностей лямбда зонда достаточно большой и некоторые из них самодиагностикой автомобиля не фиксируются. Поэтому окончательное решение о замене датчика можно принять только после его тщательной проверки, которую лучше всего поручить специалистам. Следует особо отметить, что попытки замены неисправного лямбда-зонда имитатором ни к чему не приведут – ЭБУ не распознает «чужие» сигналы, и не использует их для коррекции состава приготавливаемой горючей смеси, т.е. попросту «игнорирует».
Лямбда зонд – наиболее уязвимый датчик автомобиля с системой впрыска. Его ресурс составляет 40 – 80 000 км в зависимости от условий эксплуатации и исправности двигателя. Особенно чувствителен к качеству топлива – после нескольких таких заправок лямбда зон «умирает» и больше не работает
Всё, что нужно знать о лямбда зондах.
Эту статью сохраняю скорей для себя и как пособие для тех, кто будет задавать такие частые вопросы по поводу датчиков кислорода (тема довольно актуальная).В предыдущей теме мы говорили о наших катализаторах (здесь : www.drive2.ru/l/1861652/). Теперь же узнаем больше и подробней о лямбда зондах:
Основные положения и функции Кислородного датчика :
Теория.
Жесткие экологические нормы во многих странах мира, стали диктовать количество выбросов вредных веществ, тем самым узаконили применение на автомобилях каталитических нейтрализаторов (в обиходе – катализаторы) – устройств, способствующих снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Катализатор — нужный и ответственный узел автомобиля, но эффективно работает лишь при определенных условиях. Без постоянного контроля состава топливно-воздушной смеси катализатор умрёт ( потеряет свои основные свойства и функции) очень быстро – для того чтобы, как можно дольше продлить его жизнь и приходит на помощь датчик кислорода, он же О2-датчик, он же лямбда-зонд (ЛЗ).
Название датчика происходит от греческой буквы L (лямбда), которая в автомобилестроении обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. При оптимальном составе этой смеси, когда на 14,7 части воздуха приходится 1 часть топлива (речь идет о объемном соотношении величин), L равна 1 (график 1). «Окно» эффективной работы катализатора очень узкое: L=1±0,01. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным (дискретным) впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи лямбда-зонда. Таким образом, Лямбда зонд создан и поставлен инженерами для информирования компьютера, инжекторного автомобиля об отклонении от нормы соотношения топливно воздушной смеси.
Избыток воздуха в смеси измеряется весьма оригинальным способом ( причем этот способ не является обходным путем, а дает уверенно точные показания ) – определения в выхлопных газах содержания остаточного кислорода (О2). Поэтому лямбда-зонд и стоит в выпускном коллекторе перед катализатором. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления системы впрыска топлива (ЭБУ), а тот в свою очередь оптимизирует состав смеси путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива. Таким образом, происходит регулировка не воздуха, а именно топлива, относительно воздуха, тем самым достигается максимальный процент сгорания топлива в цилиндрах, максимально эффективная работа катализатора, и как следствие максимальный крутящий момент двигателя автомобиля. Причем на большинстве современных моделях автомобилей имеется еще один лямбда-зонд, так же возможна установка дополнительных датчиков работающих в связке (например датчик температуры катализатора, расположен он на выходе катализатора). Этим достигается большая точность приготовления смеси и контролируется эффективность работы катализатора (рис. 1).
Как работает Лямбда Зонд ( кислородный датчик )
Лямбда-зонд действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Один из электродов «дышит» выхлопными газами, а второй – воздухом из атмосферы (рис.2). Эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до температуры 300 – 400оС. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.
При пуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется блоком управления автомобилем ( ЭБУ ) без участия этого датчика, а коррекция состава топливо-воздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, числа оборотов коленвала и др.). Особенностью циркониевого лямбда-зонда является то, что при малых отклонениях состава смеси от идеального (0,97 
Принцип работы кислородного датчика на языке автомобилистов ( основные моменты):
Кислород содержит отрицательно заряженные ионы, которые собираются на платиновых электродах, и когда датчик достигает температуры около 400°C, любая разность потенциалов образует электрическое напряжение. В случае если смесь бедная, содержание кислорода в отработавших газах высокое. При сравнении с содержанием кислорода в атмосфере существует только очень маленькая разность потенциалов, и, как следствие, возникает небольшое напряжение (около 0,2–0,3 В). В случае если смесь богатая, то содержание кислорода в отработавших газах низкое. Создается большая разность потенциалов, поэтому возникает относительно более высокое напряжение (0,7–0,9 В). Система управления двигателем будет непрерывно подстраивать длительность импульсного сигнала под форсунки с целью выйти на среднее напряжение, составляющее около 0,4–0,6 В при значении лямбда около 1.0. Поскольку в процессе движения режимы работы двигателя постоянно изменяются, значение напряжения колеблется в обе стороны от среднего значения. Поэтому данный датчик в силу своей неспособности определить небольшие изменения в содержании кислорода известен как узкополосный. Датчик, установленный после каталитического нейтрализатора отработавших газов, действует по тому же способу, что и датчик перед ним, но с одним очень большим отличием. После того, как газы были обработаны каталитическим нейтрализатором, содержание кислорода в них остается на неизменном уровне. Это обеспечивает постоянное напряжение около 0,4–0,6 В. Теперь система управления двигателем может эффективно отслеживать работу каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Если Лямбда Зонд «врет»
В этом случае ЭБУ начинает работать по усредненным параметрам, записанным в его памяти: при этом состав образующейся топливно-воздушной смеси будет отличаться от идеального. В результате появится повышенный расход топлива, неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, увеличение содержания СО в отработавших газах, снижение динамических характеристик, но машина при этом остается на ходу. В некоторых моделях автомобилей ЭБУ реагирует на отказ лямбда-зонда очень серьезно и начинает так рьяно увеличивать количество подаваемого в цилиндры топлива, что запас горючего в баке «тает» на глазах, из трубы валит черный дым, СО «зашкаливает», а двигатель «тупеет» и на ближайшую СТО вам, скорее всего, придется добираться на буксире. Перечень возможных неисправностей лямбда-зонда достаточно большой и некоторые из них (потеря чувствительности, уменьшение быстродействия) самодиагностикой автомобиля не фиксируются.
Поэтому окончательное решение о замене датчика можно принять только после его тщательной проверки, которую лучше всего поручить специалистам. Следует особо отметить, что попытки замены неисправного лямбда-зонда имитатором ни к чему не приведут – ЭБУ не распознает «чужие» сигналы, и не использует их для коррекции состава приготавливаемой горючей смеси, т.е. попросту «игнорирует». При сгоревшем или отключенном лямбда-зонде содержание СО в выхлопе возрастает на порядок: от 0,1 – 0,3% до 3 – 7% и уменьшить его значение не всегда удается, т. к. запаса хода винта качества смеси может не хватить. В автомобилях, система L-коррекции которых имеет два кислородных датчика, дело обстоит еще сложнее. В случае отказа второго лямбда-зонда (или «пробивки» секции катализатора) добиться нормальной работы двигателя практически невозможно. Вообще лямбда-зонд – наиболее уязвимый датчик автомобиля с системой впрыска. Его ресурс составляет 40 – 80 тыс. км в зависимости от условий эксплуатации и исправности двигателя. Плохое состояние маслосъемных колец, попадание антифриза в цилиндры и выпускные трубопроводы, обогащенная топливно-воздушная смесь, сбои в системе зажигания сильно сокращают срок его службы. Применение этилированного бензина категорически недопустимо – свинец «отравляет» платиновые электроды лямбда-зонда за несколько бесконтрольных заправок.
В связи с тяжелыми условиями эксплуатации и минимальными значениями напряжения проблемы могут возникнуть очень легко. Зная, как работает датчик, вы получаете ключ к успешной диагностике кислородных датчиков. Контакт 1 — Нагреватель + Контакт 2 — Нагреватель — Контакт 3 — Сигнал напряжения Контакт 4 — Земля Обратите внимание, что все проверки сопротивления и непрерывности цепи необходимо выполнять при разъединенной цепи. Если у вас есть диагностический код неисправности, он даст вам некоторое представление о целостности цепи, но вы узнаете гораздо больше, если сами проведете испытание датчика. На датчике с четырьмя проводами два провода отвечают за нагревательный элемент, который предназначен для того, чтобы как можно быстрее довести температуру датчика до рабочей температуры 400°C. Самое простое, с чего можно начать, это проверить целостность цепи элемента нагревателя. Отключите датчик и измерьте сопротивление на контактах 1 и 2. Если оно лежит в пределах 5–30 Ом, проверьте сигнал, который поступает от электронного блока управления двигателем. Обычно он приводится в действие за счет сигнала модуляции длительности импульса (PWM), поступающего от электронного блока управления. Чтобы замерить воздействующий сигнал нагревателя, потребуется задействовать осциллоскоп. Следующий шаг — испытание самого датчика; сначала проверьте контакт между зажимом заземления 4 и землей. Если это возможно, исследуйте сигнал только после того, как двигатель достигнет рабочих условий, т.е. достаточно прогреется, и система управления начнет работать с замкнутым контуром. Сигнал должен переключаться между богатым и бедным состояниями ( с 0,2–0,3 В на 0,7–0,9 В); данное переключение должно происходить приблизительно каждую секунду. Если сигнал мал (среднее напряжение 0,3 В) или слишком велик (среднее напряжение 0,7 В), то, вероятно, датчик стал жертвой коррозии на платиновых электродах или загрязнения в отверстиях. Если автомобиль оснащен несколькими кислородными датчиками pre и post, можно получить более точную информацию. Используя данные двух или четырех каналов и накладывая сигналы, можно получить точные сведения о времени реакции и операционной/рабочей эффективности: сигналы от исправных датчиков должны быть зеркальным отражением друг друга».
Виды кислородных датчиков.
Существует несколько классификаций автомобильных кислородных датчиков: 1. По количеству проводов: 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-контактные датчики. 2. По дизайну сенсорного элемента: “пальчиковые” и пластинчатые 3. По способу крепления в выхлопную трубу: резьбовые и фланцевые. 4. По ширине измерений лямбды: узкополосные (детектируют лямбду при величине >1) и широкополосные (детектируют лямбду от 0,7 до 1.6).
Одноконтактные датчики – имеют один сигнальный провод, по которому передаются генерируемые датчиком электрические импульсы.
Двухконтактные датчики – имеют один сигнальный провод и один провод “на массу” (дублирует заземление через корпус датчика). Заземляющий провод позволяет более точно оценивать показания сигнального провода блоком управления двигателем.
Трёхконтактные датчики – имеют один сигнальный провод, один провод “на массу” и один провод на нагревательный элемент. Эти датчики характеризуются следующими достоинствами: 1. Короткое время достижения датчиком рабочей температуры (более 350 градусов) вследствие чего снижается количество вредных выбросов при работе холодного двигателя; 2. увеличивается срок службы датчика, так как у нагреваемых датчиков изменение температуры происходит, более плавно, чем у датчиков без нагревательного элемента; 3. датчики, снабжённые нагревательным элементом, имеют менее строгие требования к месторасположению в выхлопной системе, что упрощает их техобслуживание. Мощность нагревательного элемента в кислородном датчике составляет либо 12Вт, либо 18Вт. Следует учитывать, что установка датчика с неправильно подобранной мощностью нагревательного элемента может привести к перегреву датчика и быстрому выходу его из строя.
Четырёхконтактные датчики – обязательно имеют один сигнальный провод, один питающий на нагревательный элемент и один заземляющий провод. Функция последнего провода может быть различной и зависит от особенностей устройства системы управления конкретным двигателем. Четвёртый провод может быть либо ещё одним заземляющим (в случаях, когда заземление через корпус датчика не предусмотрено), либо питающим проводом для второго нагревательного элемента. Следует учитывать, что при ошибочной установки датчика с заземлением на корпус вместо датчика без заземления на корпус или наоборот может привести к тому, что блок управления двигателем не распознает сигналы, поступающие с кислородного датчика.
Взаимозаменяемость. Рекомендованный заводом-изготовителем лямбда-зонд и сходные по конструкции циркониевые датчики взаимозаменяемы. Возможна замена не подогреваемых датчиков на подогреваемые (но не наоборот!). Однако при этом может возникнуть проблема несовместимости разъемов и отсутствия в машине цепи питания для нагревателя лямбда-зонда. Недостающие провода можно проложить самостоятельно, а вместо разъема использовать стандартные автомобильные контакты. Цветовая маркировка выводов лямбда-зондов может различаться, но сигнальный провод всегда будет иметь темный цвет (обычно – черный). «Массовый» провод может быть белым, серым или желтым (рис. 4). Титановые лямбда-зонды от циркониевых легко отличить по цвету «накального» вывода подогревателя – он всегда красный. При замене 3-контактного лямбда-зонда на 4-контактный необходимо надежно соединить с «массой» автомобиля провод заземления подогревателя и сигнальный «минус», а накальный провод подогревателя через реле и предохранитель подключить к «плюсу» аккумулятора. Подключение напрямую к катушке зажигания нежелательно, т. к. в цепи ее питания может стоять понижающее сопротивление. Подключиться к контактам топливного насоса достаточно сложно. Лучше всего подключить реле подогревателя лямбда-зонда к замку зажигания.
Расположение Кислородного датчика Ниссан :
Кислородный датчик расположен на выпускном тракте двигателя. Если это рядный двигатель — то кислородный датчик расположен непосредственно на чугунном выпускном коллекторе, если же это V — образный двигатель или иной двигатель не с единым выпускным коллектором, то кислородный датчик располагается в месте схождения основных отводов выпускных коллекторов.
Почему следует заменить неисправный кислородный датчик?
Замена неисправного кислородного датчика на новый датчик позволяет экономить топливо, улучшить динамику автомобиля, уменьшить токсичность выхлопных газов, является профилактикой преждевременного выхода из строя дорогостоящего катализатора.
Инструкция по замене, универсальная: Чтобы снять старый и установить новый кислородный датчик нужно убедиться в том, что зажигание выключено, а провода датчика отсоединены. Перед установкой нового зонда проверяют его маркировку на соответствие указанной в инструкции по эксплуатации, осматривают автомобиль на отсутствие механических повреждений, наличие кольца уплотнения, противопригарной смазки на резьбовой части. Затем датчик кислорода затягивают до полностью герметичного соединения, соединяя электроразъем, после чего можно проверять работоспособность нового датчика. Иногда датчик кислорода присоединяется к трубопроводу специальной пластиной, в пространстве между ней и трубопроводом находится прокладка с функцией герметика. Проверка работоспособности датчика производится только при его нагреве до температуры 350 градусов специальным оборудованием: газоанализатором, осциллографом, вольтметром, омметром. Поэтому сделать правильную замену кислородного датчика на Nissan и других автомобилях можно лишь в специализированном автосервисе.
Восстановление кислородного датчика : Проблема всех легковых автомобилей в России является завышенный расход бензина на подержанных автомобилях. Главной причиной этого не качественное топливо, которое загрязняет систему автомобиля, и в первую очередь лямбда зонт, в простонародье называют кислородным датчиком, который находиться на каталитическом нейтрализаторе(система очистки отработанных газов) Если отказ лямбда-зонда (ЛЗ) не вызван необратимыми изменениями в структуре его основы – слое циркониевой керамики, то датчик можно попробовать «оживить». Дело в том, что рабочая поверхность ЛЗ под защитным колпачком со временем покрывается нагаром и свинцовыми отложениями выхлопных газов. Датчик начинает «врать». Если этот налет удалить, то работоспособность ЛЗ восстанавливается. Поверхность датчика не позволяет производить ее чистку механическим способом (абразивной шкуркой или надфилем), т. к. вместе с нагаром с керамической основы неизбежно удаляются слои платинового напыления. Этот датчик отвечает за качество топливной смеси, ну и соответственно если он загрязнен, сигнал на компьютер автомобиля не будет соответствовать норме. тем самым машинка начинает кушать много бензина, покупка нового датчика сильно бьет по бюджету, его цена иногда доходит до 30 тысяч рублей в зависимости от марки автомобиля. И так оживляем!
Инструкция 2:
1. Выворачивание l-зонда на холодном двигателе может оказаться крайне затруднительным ввиду теплового сжатия металла выпускного коллектора/трубы системы выпуска. Во избежание риска повреждения компонентов, прежде чем приступать к снятию датчика, прогрейте двигатель в течение пары минут, — постарайтесь не обжечься о разогретые поверхности в процессе выполнения процедуры:
a) Кислородные датчики оборудованы вмонтированным жгутом электропроводки с контактным разъемом. Повреждение данного жгута приводит к необратимому выходу датчика из строя, — соблюдайте осторожность; b) Старайтесь не допускать попадания на контактный разъем и жалюзи датчика масла, смазки, грязи, влаги и т.п.;
c) НИ в коем случае не применяйте для чистки датчика никакие растворители;
d) Старайтесь не ронять и резко не стряхивать датчик. 2. Поддомкратьте автомобиль и установите его на подпорки. 3. Аккуратно отсоедините разъем электропроводки кислородного датчика. 4. При помощи специального ключа осторожно выверните зонд из соответствующей секции системы выпуска отработавших газов. 5. Перед вворачиванием датчика смажьте его резьбовую часть антиприхватывающим герметиком. 6. Вверните датчик на свое штатное место и прочно затяните его. 7. Опустите автомобиль на землю и подсоедините к датчику электропроводку. 8. Произведите автомобиля ходовые испытания. Проверьте память модуля управления на наличие кодов неисправностей.
Лямбда в телекоммуникациях что это
НА СМЕНУ СПЕКТРАЛЬНОМУ УПЛОТНЕНИЮ ПРИХОДИТ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЯМБДА-КОММУТАЦИИ
Действительно, в настоящее время практически все операторы дальней связи рассматривают технологию DWDM в качестве едва ли не единственного способа преодолеть исчерпание пропускной способности магистральных каналов и даже создать надежный запас на будущее. Росту ее популярности способствовали также совместимость с существующей инфраструктурой ВОЛС и экономичность по сравнению с традиционными способами наращивания пропускной способности опорных сетей.
Между тем до последнего времени применение WDM-оборудования ограничивалось высокоскоростными соединениями «точка — точка», а в городских сетях и сетях доступа распространения оно не получило. Тому есть несколько причин. Это и высокая гетерогенность городских сетей (множество топологий, протоколов и приложений), и наличие альтернативных решений, зачастую позволяющих операторам не торопиться с переходом на неизвестную им технологию, и ценовой фактор, который нередко заставляет сделать выбор в пользу физического наращивания сетевой инфраструктуры, и, наконец, недостаточная гибкость и практически полное отсутствие интеллектуальности (а без них невозможно ни адаптировать сеть к быстрому росту объемов трафика, ни оперативно предоставлять пользователям разнообразные услуги).
Перечисленными ограничениями были стимулированы исследования, направленные на создание новой технологии обработки оптических сигналов, которая получила название лямбда-коммутации (используются также термины «фотонная коммутация» и «коммутация по длинам волн»). При ее разработке был заимствован принцип коммутации IP-пакетов по меткам, реализованный в протоколе MPLS (MultiProtocol Label Switching). Как известно, MPLS позволяет сформировать виртуальные пути передачи пакетов в сети маршрутизаторов, коммутирующих на основе меток (Label Switching Router, LSR). Каждый пакет снабжается меткой, содержащей сведения о требуемом классе обслуживания (CoS) и адресе узла назначения. Указанная метка считывается только при пересечении пакетом границ домена MPLS-коммутации, в результате чего отпадает необходимость в маршрутизации отдельных пакетов в каждом из промежуточных узлов.
Эта же идея, перенесенная на физический уровень оптической сети, приобрела форму протокола Generalized MultiProtocol Label Switching (GMPLS), иногда именуемого MultiProtocol lambda Switching (MPlS). Коммутация здесь осуществляется уже не на основе меток, содержащихся в заголовках пакетов, а в соответствии с длинами волн, на которых передается трафик того или иного типа.
Применение лямбда-коммутации открывает перед операторами такие возможности: обеспечить высокую масштабируемость сетевой инфраструктуры, минимизировать количество наложенных сервисов, повысить эффективность использования имеющейся полосы пропускания, а главное, получать дополнительную прибыль за счет предоставления сервисов, использующих отдельные длины волн. Эти услуги могут принимать самые разнообразные формы — от обмена частями полосы пропускания между операторами дальней связи до продажи отдельных длин волн крупным корпоративным заказчикам (например, с целью соединить территориально разнесенные офисы). Покупая отдельные длины волн, пользователь получает полный контроль над передаваемой информацией, причем без астрономических затрат на построение собственной коммуникационной инфраструктуры. Оператор же может рассчитывать на ускоренную окупаемость инвестиций, при том что сама оптическая сеть остается в его распоряжении (в отличие от случаев продажи «темного» волокна).
Ключ к развертыванию подобных услуг состоит, во-первых, в прозрачности транспортной инфраструктуры по отношению к типу, формату и методам кодирования трафика, к протоколам и скоростям передачи, а во-вторых, в кардинальном упрощении самой сетевой модели.
Современные оптические сети, как правило, имеют четырехуровневый стек протоколов: за физическую пропускную способность отвечает DWDM, транспортные функции возложены на SONET/SDH, управление трафиком реализовано на ATM-уровне, а приложения используют протокол IP. Общим недостатком подобных многоуровневых архитектур является так называемый эффект наименьшего общего знаменателя: один из уровней нередко ограничивает возможности системы в целом, например снижает масштабируемость сети.
Вместо четырех она будет включать всего два уровня — транспортный (фотонный) и сервисный. Поначалу в первый попадут оптические коммутаторы и системы спектрального мультиплексирования, а во второй — маршрутизаторы, ATM-коммутаторы и мультиплексоры ввода/вывода. Но постепенно некоторые из этих устройств прекратят свое существование в качестве самостоятельных компонентов оптической сети. Взаимодействие между различными элементами сети в новой архитектуре осуществляется через общую стандартизованную платформу управления (control plane). Именно она позволяет интегрировать оптическое оборудование нового поколения и унаследованные устройства в единую гетерогенную среду.
Следует сказать, что переход на обработку трафика в соответствии с несущими длинами волн означает смену парадигмы коммутации/маршрутизации, господствующей в современных сетях передачи данных. Внедрению новой технологии должно предшествовать расширение стандартных протоколов сигнализации и маршрутизации, в частности OSPF и IS-IS. Предстоит ликвидировать нестыковки между GMPLS и оптической версией популярного протокола UNI (Optical User-to-Network Interface, O-UNI), а также между GMPLS и ODSI (Optical Domain Service Interconnect). Появление технологии лямбда-коммутации потребовало создания нового протокола управления соединениями между соседними узлами оптической сети (Link Management Protocol, LMP). И конечно же, в реализации лямбда-коммутации в конкретных сетях решающая роль отводится физическим носителям новой технологии.
Среди всего многообразия компонентов оптических транспортных сетей при переходе на редуцированную (двухуровневую) модель ключевую роль начинают играть мультиплексоры ввода/вывода и оптические коммутаторы. Функции этих устройств состоят в установлении соединений на уровне оптических каналов между входными и выходными портами, терминации каналов, согласовании уровней сигналов и — факультативно — в управлении длинами волн и контроле за соединениями.
Для потребителя различие между мультиплексорами и коммутаторами зачастую сводится к числу поддерживаемых входных оптических портов. Однако при внешней схожести функций в технологическом плане появление оптических коммутаторов (optical cross-connect, OXC; иногда эти устройства называют также лямбда-маршрутизаторами и маршрутизаторами длин волн) ознаменовало собой принципиально новый взгляд на обработку трафика в оптической сети. Исключение фазы преобразования оптических сигналов в электрические и обратно на сетевых узлах открывает путь не только к радикальному повышению пропускной способности, но и к развертыванию новых типов услуг.
Оптический коммутатор осуществляет динамическое изменение конфигурации сети (на уровне отдельных оптических каналов) в целях восстановления транспортировки трафика после отказов или в ответ на изменившиеся потребности в пропускной способности. Помимо управления соединениями и пропускной способностью он отвечает за ввод/вывод каналов, эффективность использования спектрального ресурса, повышение надежности инфраструктуры магистральной сети, особенно при наличии незащищенных портов маршрутизаторов, а также за маршрутизацию трафика.
Следует подчеркнуть, что выполнение столь разнородных функций в мультисервисной среде, например объединяющей низкоскоростные городские сети или сети доступа с высокопроизводительными магистралями, невозможно без вспомогательного компонента, обеспечивающего согласование потоков разной интенсивности. Таким компонентом являются оптические шлюзы, которые, согласно прогнозам аналитиков, со временем неизбежно вытеснят сегодняшние цифровые коммутационные системы (Digital Cross-connect System, DCS) и будут осуществлять преобразование скоростей при передаче трафика между сетями разных типов, согласование форматов передаваемых данных и управление широкополосными услугами на уровне электрических сигналов.
Несмотря на то что первые модели оптических коммутаторов уже демонстрировались на сетевых выставках, их активный выход на рынок еще ждет своего часа. Применение оборудования этого класса не в последнюю очередь будет зависеть от популярности концепции лямбда-коммутации, но рано или поздно операторам придется выбирать между изделиями разных производителей. Кроме традиционного ценового фактора, а также времени коммутации, масштабируемости и продублированности компонентов, на принятие решения о покупке будут влиять несколько дополнительных обстоятельств.
По мнению экспертов, технологии лямбда-коммутации еще долгое время предстоит сосуществовать с сетями SONET/SDH. В этой связи немаловажной представляется поддержка соответствующих протоколов и скоростей передачи (2,5 и 10 Гбит/с). Другой фактор — количество входных и выходных портов коммутатора: со временем оно начнет исчисляться многими тысячами, однако в ближайшей перспективе размер матрицы вряд ли превысит 512х512 (в «одноволновом» эквиваленте).
Среди желательных свойств отметим еще способность работать в неблокирующем режиме при максимальном числе установленных соединений, а также поддержку многоадресной пересылки с одного входного порта на несколько выходных. В идеале коммутатор должен обрабатывать любое число многоадресных передач — без блокировки уже установленных соединений.
Наконец, не меньшее значение имеет и количество поддерживаемых длин волн. Первоначально каждый порт сможет работать только с одним оптическим каналом, но со временем оптические коммутаторы будут наделены функциями спектрального мультиплексирования на отдельных портах. Впрочем, на практике эту возможность удастся реализовать только после появления стандартных «многоволновых» интерфейсов, ведь перспектива на долгие годы оказаться заложником поставщика неуниверсального решения вряд ли вызовет большой энтузиазм у покупателей.
Отсутствие стандартов грозит стать камнем преткновения не только на уровне оптических интерфейсов. Серьезную проблему представляет управление оптическими коммутаторами. Современные системы сетевого администрирования не поддерживают операций с отдельными длинами волн, да и вообще пока отсутствуют общепринятые соглашения о процедурах формирования оптических каналов для конкретных сервисов и о методах мониторинга таких каналов. К тому же мало кто из операторов может похвастать богатым опытом работы с технологией DWDM — что уж говорить о лямбда-коммутации. Вывод очевиден: на первых порах функции управления оптическими коммутаторами будут появляться в составе патентованных систем сетевого администрирования.
Название «оптический коммутатор» в настоящее время употребляется в нескольких смыслах. Неразвитость элементной базы самым негативным образом отразилась на архитектуре устройств этого типа. Еще год назад большинство рекламировавшихся изделий имели электрическую коммутационную матрицу. Преобразование входных оптических сигналов в электрическую форму (O/E) и обратное преобразование (E/O) на выходе коммутатора позволяло удерживать стоимость этих устройств на приемлемом уровне, но сильно ограничивало максимально возможную скорость передачи (примерно до 2,5 Гбит/с). Этот показатель можно поднять до 10 Гбит/с благодаря применению новых материалов (вроде силицида германия), однако уже первые исследования показали, что во избежание перекрестных помех и избыточного энергопотребления емкость подобных коммутаторов останется на уровне 32×32 порта. Не спасает дело и объединение нескольких коммутационных матриц в иерархическую структуру — прежде всего по стоимостным соображениям.
В качестве едва ли не единственного выхода из положения в последние годы рассматривается применение оптической коммутации в буквальном смысле этого слова: коммутационная матрица также является оптической и никаких преобразований O/E/O не производится. Коммутация оптических сигналов, то есть их непосредственная пересылка с входных портов на требуемые выходные, может осуществляться либо с применением микроволноводов, либо при помощи микроскопической электромеханической системы (micro-electromechanical system, MEMS), объединяющей множество отражающих или преломляющих элементов. Несмотря на сохраняющиеся технологические проблемы, второй подход сегодня выглядит более предпочтительным, поскольку он позволяет создать интегрированные многофункциональные устройства, заметно снизить энергопотребление, а также достичь высокой масштабируемости при переходе на трехмерную архитектуру.
Система MEMS применена в коммутаторе LambdaRouter производства Lucent. Эта модель содержит матрицу из 256 зеркал, каждое из которых имеет диаметр 0,5 мм. Суммарная площадь матрицы не превышает 1 кв. дюйма (около 6,5 кв. см). Специальная система управления наклоном зеркал способна обеспечить перенаправление оптических сигналов с любого из 256 входных портов на любой из 256 выходных. На сегодняшний день каждый порт рассчитан на работу с единственной длиной волны при максимальной поддерживаемой скорости передачи 40 Гбит/с. По данным самого производителя, исключение стадии преобразования сигналов в электрическую форму позволило в 100 раз снизить энергопотребление и в 32 раза — форм-фактор коммутационной матрицы (по сравнению с электрическим ее вариантом).
Эксперты выделяют три основных класса «истинных» оптических коммутаторов:
Устройства первого класса являются простейшими представителями данного семейства и фактически функционируют как автоматические коммутационные панели. Тем не менее они могут оказаться весьма полезными в сетях, для которых первостепенное значение имеет защита от повреждения оптического кабеля. Селективные коммутаторы способны демультиплексировать отдельный входной поток по длинам волн и обеспечивают достаточную гибкость для реализации различных услуг, защиты индивидуальных оптических каналов и восстановления сервисов. Эта гибкость только возрастает при переходе к коммутаторам со сдвигом частоты. В частности, их применение позволяет практически полностью исключить конфликты при коммутации, обусловленные «неудачным» спектральным составом входного сигнала.
Оптические коммутаторы сегодня разрабатывают несколько компаний. В их числе Ciena (модель MultiWave CoreDirector), Cisco (ONS 15900 Wavelength Router), Lucent Technologies (Lambda Router), Nortel Networks (OPTera), Siemens (TransXpress OSN). Реализованные этими производителями размеры коммутационных матриц довольно скромны на фоне потребностей современных магистральных сетей, но не исключено, что в течение года-двух они будут увеличены в десятки раз. Возможно, за это время и порты коммутаторов «научатся» работать с множеством длин волн. Эксперты полагают, что переход на двухуровневую модель оптической сети может состояться уже в 2003 г., тогда же будут утрясены неурядицы с протоколами и появятся первые результаты тестирования GMPLS-оборудования. Оптимисты надеются увидеть коммерческие устройства, реализующие технологию лямбда-коммутации, уже во второй половине следующего года, пессимисты ориентируются на 2004 г. Пожалуй, оба варианта смотрятся совсем неплохо. Вопрос в другом: не попадут ли за это время DWDM, лямбда-коммутация и иже с ними в тень какой-нибудь новой революционной оптической технологии?