Tendencias de Internet en el Nivel Físico

Tendencias de Internet en el Nivel Físico
Tema 5 Tendencias de Internet en el nivel físico Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia Ampliación Redes

Sumario SONET/SDH POS (Packet Over SONET) WDM (Wavelength Division Multiplexing) Redes ópticas Redes avanzadas actuales Ampliación Redes

Estructura jerárquica del sistema telefónico de AT&T 3 4 2 5 1 6 10 centrales regionales (completamente interconectadas) 10 7 9 8 1 2 3 65 66 67 67 centrales seccionales 1 2 3 228 229 230 230 centrales primarias 1 Las redes telefónicas tienen una estructura altamente jerárquica. Para poder interconectar entre sí las centrales telefónicas es preciso disponer de mecanismos que permitan multiplexar diferentes conversaciones sobre un mismo canal físico. De lo contrario sería preciso tender mangueras de muchos pares para dar cabida a la gran cantidad de comunicaciones que se establecen entre ellas. Dicha multiplexación ha de ser mayor a medida que se asciende en la jerarquía, ya que el número de comunicaciones crece conforme se sube de nivel. La multiplexación puede realizarse básicamente de dos maneras: por frecuencia (FDM) o por tiempo (TDM). Generalmente se utiliza la TDM ya que se puede utilizar de forma más eficiente en redes digitales, que son las habituales hoy en día. 1.300 centrales de facturación 1 2 3 1298 1299 1300 1 2 3 4 5 centrales finales 200 millones de teléfonos Ampliación Redes

Niveles en jerarquía PDH(*) (caudales en Mb/s) Nivel Canales Nombre Norteamérica Japón ITU-T 1 E0 0,064 24 T1 o DS1 1,544 30 E1 2,048 2 96 T2 o DS2 6,312 120 E2 8,448 3 480 E3 32,064 34,368 672 T3 o DS3 44,736 1440 J3 97,728 4 1920 E4 139,264 4032 T4 o DS4 274,176 Cuando en los años 60 se empezó a utilizar la digitalización para el transporte de voz se estableció una jerarquía de velocidades para la conexión de centrales. Dicha jerarquía, llamada PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) era diferente para América, Japón y el resto del mundo. Cuando se multiplexan diferentes señales en una de nivel superior (por ejemplo cuatro E1 en una E2) las señales originales traen cada una su propia señal de reloj o sincronismo. Para agrupar dichas señales es preciso que compartan un sincronismo común, cosa que se consigue intercalando un conjunto de bits de relleno variable en cada una de las señales. Estos bits de relleno permiten multiplexar unas señales que no son realmente síncronas, aunque se aproximan mucho al sincronismo. De ahí viene la denominación plesiócrono, que quiere decir ‘casi’ síncrono. (*) PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy Los valores en negrita son los utilizados habitualmente para datos Ampliación Redes

Los cinco problemas de PDH
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Los cinco problemas de PDH Incompatibilidad intercontinental No pensada para fibra óptica (diseñada en los 60) Capacidades máximas bajas: Japón 98 Mb/s, Norteamérica 274 Mb/s, Resto mundo 139 Mb/s Carece de herramientas de gestión ni posibilidad de tolerancia a fallos El uso de bits de relleno impide el multiplexado entre niveles no contiguos La jerarquía PDH tiene varios problemas importantes: 1: Su diferente velocidad según los continentes la hace incompatible, por lo que las conexiones intercontinentales requieren el uso de costosísimas ‘cajas negras’ para la conversión de unos formatos a otros. 2: Su diseño no prevé el uso de fibras ópticas, ya que en los años sesenta sólo se utilizaba cable de cobre en las comunicaciones guiadas. 3: Las capacidades máximas previstas resultan insuficientes para las capacidades de los equipos actuales 4: No dispone de mecanismos de gestión ni se prevé la creación de topologías malladas para dotar a la red de una mayor resistencia a fallos. 5: La sincronización de las tramas que componen un determinado nivel jerárquico se realiza mediante el uso de bits de relleno, lo cual impide la extracción o inserción de tramas entre niveles no contiguos. Por ejemplo no es posible extraer una trama E1 de una E3 sin realizar antes la separación de las E2 correspondientes. Ampliación Redes

Las seis soluciones de SONET/SDH
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Las seis soluciones de SONET/SDH El sistema americano (SONET) no es idéntico al internacional (SDH) pero ambos son compatibles Define interfaces de fibra óptica La capacidad llega (de momento) a 10 Gb/s Dispone de herramientas de gestión y tolerancia a fallos (recupera averías en 50 ms) Utiliza punteros; permite el multiplexado entre niveles no contiguos Permite seguir utilizando PDH en enlaces de menor capacidad SONET/SDH es la nueva jerarquía TDM diseñada en los 90 para resolver los problemas que presentaba la PDH. Las soluciones son las siguientes: 1: Aunque el estándar americano no es idéntico al internacional, ambos son compatibles. 2: Ya en el diseño inicial se ha contemplado la posibilidad de utilizar interfaces de fibra óptica y se incluye este tipo de interfaces en todas las especificaciones 3: La capacidad llega (actualmente) a 10 Gb/s 4: Se han previsto multitud de mecanismos y herramientas de gestión de la red. También hay mecanismos de recuperación de averías que permiten restaurar los circuitos en tiempos muy pequeños, del orden de 50 milisegundos o menos. Para ello se utilizan anillos u otras topologías malladas más complejas 5: En vez de bits de relleno se emplean punteros para conseguir la sincronización de las señales multiplexadas. Esto permite realizar la inserción o extracción de tramas entre niveles no contiguos 6: SDH no pretende sustituir a PDH, sino que está pensado para utilizarse conjuntamente con esta, dando servicio en las partes de mayor capacidad de la red. Para esto se ha previsto unas maneras estándar por las cuales se pueden transportar tramas PDH dentro de tramas SDH. Ampliación Redes

Velocidades de SONET (ANSI)
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Velocidades de SONET (ANSI) En 1987 los laboratorios de investigación de la Bell propusieron un nuevo sistema de multiplexado denominado SONET (Synchronous Optical NETwork) para sustituir a PDH, con una velocidad base de 51,84 Mb/s: Señal eléctrica Señal óptica Caudal (Mb/s) STS-1 OC-1 51,84 STS-2 OC-2 103,68 STS-3 OC-3 155,52 STS-4 OC-4 207,36 ... STS-12 OC-12 622,08 Puede transportar un T3 (44,736 Mb/s) El diseño inicial de la nueva jerarquía digital se llevó a cabo en los laboratorios de investigación de la Bell a finales de los ochenta. Esto dio lugar a un estándar aprobado por ANSI (el ente de normalización de EEUU) que se denominó SONET (Synchronous Optical NETwork). SONET utiliza como velocidad fundamental la denominada STS-1 u OC-1, que corresponde a 51,84 Mb/s. La utilización de una u otra denominación depende de que se trate de la interfaz eléctrica u óptica, aunque a menudo se utilizan indistintamente. Todas las velocidades posibles en la jerarquía son múltiplos enteros de la velocidad fundamental, la cual se eligió por ser adecuada para transportar una trama T3, que se utilizaba frecuentemente dentro de la jerarquía PDH americana. Aunque en teoría son posibles todos los múltiplos de la velocidad fundamental, en la práctica sólo se ha extendido el uso de algunos de ellos. Dichos múltiplos son los que se muestran en negrita en la tabla. STS: Synchronous Transfer Signal OC: Optical Carrier Ampliación Redes

Multiplexación SONET T1 T1 . Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico STS-1 T1 STS-3 STS-1 STS-3 STS-12 OC-12 T3 STS-3 STS-1 STS-3 Multiplexor 3:1 Multiplexor 4:1 Tramas PDH (ANSI) Como ya hemos dicho es posible (y frecuente) utilizar tramas SDH para transportar tramas PDH. En esta figura se muestra un ejemplo de coexistencia de PDH y SONET. En el nivel más bajo de multiplexación (STS-1) se combinan en unos casos diversas tramas PDH (T1 o T3) y en otros se transporta la información directamente en tramas SONET. En cada nivel se van agregando o multiplexando las tramas del nivel inferior. Una vez realizadas todas las multiplexaciones los datos se pasan a través de un codificador o ‘scrambler’, el cual se ocupa de transformar los bits de acuerdo con un algoritmo preestablecido para evitar que se envíen por la red determinados patrones o secuencias de bits que podrían provocar la pérdida de sincronismo de los equipos de transmisión. Una vez realizada esta conversión los datos se convierten al formato óptico para su transmisión por fibra. Tramas SONET Ampliación Redes

Velocidades de SDH (ITU-T)
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Velocidades de SDH (ITU-T) La velocidad base de SONET no acoplaba bien con el PDH de la ITU-T, por lo que ésta desarrolló otro sistema parecido denominado SDH (Synchronous Digital Hierarchy), con una velocidad base de 155,52 (igual que STS-3): Señal eléctrica u óptica Equivalencia SONET Caudal (Mb/s) STM-1 STS-3, OC-3 155,52 STM-2 STS-6, OC-6 311,04 STM-3 STS-9, OC-9 466,56 STM-4 STS-12, OC-12 622,08 ... STM-16 STS-48, OC-48 2488,320 Puede transportar un E4 (139,264 Mb/s) Poco después de que ANSI empezara el proceso de estandarización de SONET la ITU-T empezó a estandarizar un sistema muy similar denominado SDH. Mientras que en SONET se fijó el objetivo de transportar eficientemente una trama T3, el de SDH era transportar una E4. Esto dió lugar a la elección de una velocidad diferente para SDH, con lo que habría persistido el problema de la incompatibilidad. Para evitarlo se acordó para SDH una velocidad fundamental que era exactamente el triple que la de SONET; de este modo la trama básica de SDH, denominada STM-1, era equivalente a (y bastante compatible con) la STS-3/OC-3 de SONET. Dicha trama tiene una velocidad de 155,52 Mb/s y permite transportar cómodamente una trama E4. La gran compatibilidad entre SONET y SDH provoca que a menudo se haga referencia conjuntamente a ambos sistemas bajo la denominación SONET/SDH. STM: Synchronous Transfer Module Ampliación Redes

Multiplexación SDH E3 E1 . Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico E1 STM-1 STM-4 E3 STM-1 STM-4 STM-16 OC-48c E3 STM-4 STM-1 E3 STM-4 STM-1 Multiplexor 4:1 Multiplexor 4:1 En esta figura se muestra un ejemplo análogo al anterior, pero utilizando en este caso la jerarquía SDH. Existen unas restricciones en cuanto a la cantidad máxima de tramas de cada tipo que pueden acomodarse, que normalmente están bastante por debajo de lo que en principio cabría esperar de acuerdo a las capacidades de cada una. Por ejemplo, cuando se utiliza una trama STM-1 para transportar tramas E3 sólo es posible acomodar tres tramas E3, aunque por la capacidad parecería factible en principio que se pudieran transportar cuatro. También es posible ‘mezclar’ tramas de diferentes niveles en una misma trama SONET/SDH. Asi vemmos en el primer ejemplo que se utiliza una STM-1 para transportar una E3 y un conjunto de E1s. Tramas PDH (ITU) Tramas SDH Ampliación Redes

Router con interfaces SDH STM-4 (622 Mb/s) STM-1 (155 Mb/s) Ampliación Redes

Elementos físicos de SONET/SDH Una red SONET/SDH está formada por: Repetidores Multiplexores, llamados ADMs (Add-Drop Multiplexor). Permiten intercalar o extraer tramas (p. Ej. una STM-1 en una STM-4). Permiten crear anillos. Digital Cross-Connect: actúan como los ADMs pero permiten interconexiones más complejas (con más de dos puertos). A menudo se utilizan topologías de anillo para aumentar la fiabilidad. Ampliación Redes

Configuración de las redes SONET/SDH Según su topología las redes SONET/SDH pueden ser: Punto a punto: todos los circuitos empiezan y terminan en el mismo equipo. Punto a multipunto: los circuitos empiezan o terminan en equipos diferentes. Anillos: permiten disponer de un camino redundante a un costo mínimo. Redes malladas: generalmente se constituyen a partir de anillos interconectados. Ampliación Redes

Topologías SONET/SDH Punto a punto: A B C D A B C D REP Punto a multipunto: X Y Z A B C D A B C E REP D E La topología más sencilla que puede establecerse en una red SONET/SDH es la punto a punto, formada por dos ADMs que se unen entre sí, posiblemente con la utilización de repetidores intermedios. En este ejemplo los ADMs se limitan a agrupar los circuitos STM-1 en un STM-4, que es transmitido tal cual al otro ADM. Evidentemente la suma de las capacidades de los circuitos multiplexados no puede ser nunca superior a la del circuito constituido entre los ADMs. En una configuración punto a multipunto, más compleja, la red dispone de ADMs intermedios en los que se terminan algunos circuitos. Así en este ejemplo los circuitos A, B y C se establecen extremo a extremo (de X a Z), mientras que los circuitos D y E realizan la mitad del trayecto cada uno (D la parte de X a Y y E la de Y a Z). Dado que en todos los casos se transportan cuatro STM-1 entre cada par de ADMs los circuitos STM-4 se encuentran completamente ocupados. Los circuitos SONET/SDH son siempre simétricos full duplex. Esto lo hemos representado por medio de las dobles flechas en la figura. STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) ADM: Add-Drop Multiplexor REP: Repetidor Los enlaces SONET/SDH siempre son full dúplex Ampliación Redes

Enlaces en una red SONET/SDH Sección: unión directa entre dos equipos cualesquiera Línea: unión entre dos ADMs contiguos Ruta: unión entre dos equipos finales (principio-fin de un circuito) Multiplexor Origen Multiplexor Intermedio Multiplexor Destino Repetidor X Y Z A B C D A B C E REP D E Sección Decimos que una ruta es la totalidad del trayecto que constituye un determinado circuito. Normalmente una ruta está comprendida entre un ADM de origen y uno de destino. Asi en el ejemplo de la figura la ruta para los circuitos A, B y C va del ADM X al ADM Z; para D va de X a Y y para E va de Y a Z. Una ruta puede atravesar ADMs intermedios, donde en se insertan o extraen otros circuitos. Cada una de las partes de una ruta comprendida entre dos ADMs se denomina línea. Los circuitos A, B y C tienen dos líneas y los D y E una sola (que coincide con la ruta). La interconexión entre dos dispositivos contiguos cualquiera de la red (ADMs y/o repetidores) se denomina una sección. En el ejemplo de la figura los circuitos A, B y C tienen tres secciones, mientras que D tiene dos y E únicamente uno. En el caso de E, al no haber repetidores ni ADMs intermedios, la sección, la línea y la ruta coinciden. Sección Sección Línea Línea Ruta (A, B y C) Ruta (D) Ruta (E) ADM: Add-Drop Multiplexor Ampliación Redes

Arquitectura de SONET/SDH SONET/SDH divide la capa física en cuatro subcapas: Fotónica: transmisión de la señal y las fibras De sección: interconexión de equipos contiguos De línea: multiplexación/desmultiplexacion de circuitos entre dos ADMs De rutas: problemas relacionados con la comunicación extremo a extremo De Ruta De Línea De sección Fotónica ADM Origen Repetidor ADM Intermedio ADM Destino SONET/SDH corresponde a la capa física del modelo OSI. Siguiendo la estructura de capas de dicho modelo la descripción de SONET/SDH se basa en la especificación de cuatro subcapas. La primera, denominada subcapa fotónica, se ocupa de especificar los parámetros físicos necesarios para la producción y correcta interpretación de las señales transmitidas por la fibra óptica. Por encima de dicha subcapa se encuentran las subcapas de sección, de línea y de ruta que corresponden con la sección, línea y ruta que hemos descrito anteriormente. Sección Sección Sección Línea Línea Ruta Ampliación Redes

Anillo SONET/SDH A B C A B C Topología lógica Y X C Z A El anillo es la topología más común en redes SONET/SDH. Para constituirlo se interconectan de forma circular un conjunto de ADMs y se configura una serie de líneas SONET/SDH entre cada ADM y el siguiente, todas de la misma capacidad. Dicha capacidad vendrá dictada por el tipo de electrónica instalada en los ADMs y determinará la capacidad del anillo. Las líneas actúan como ‘backbone’ o red troncal sobre la cual se transportarán las rutas definidas entre dos ADMs cualesquiera. La capacidad sumada de todas las rutas configuradas en el anillo no podrá superar la capacidad de éste. En el ejemplo de la figura se han configurado un anillo STM-4 entre cuatro ADMs, que denominamos X, Y, Z y W. Sobre el se han constituido tres rutas STM-1: la ruta A interconecta Y con Z, la B conecta Y con W y la C interconecta Y con X. Estas rutas permitirán interconectar por ejemplo un router ubicado en el ADM Y con otros tres routers ubicados respectivamente en los ADMs Z, W y X, configurando desde el punto de vista lógico una topología de estrella. Dado que se han definido tres rutas STM-1 y el anillo tiene una capacidad STM-4 nos queda aún capacidad sobrante para una ruta STM-1, que podría constituirse entre dos ADMs cualesquiera del anillo. W STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) B Ampliación Redes

Funcionamiento de un anillo SONET/SDH usando solo una fibra C A B Ocupación: 3 * STM-1 = 466,56 Mb/s Sobran 155,52 Mb/s (un STM-1) Y Z X En esta figura se muestra como se configurarían las rutas correspondientes al ejemplo de la figura anterior. Cuando se crea una ruta en un anillo SONET/SDH la información viaja solamente en un sentido. Así por ejemplo al configurar la ruta A entre los ADMs Y y Z el sentido de Y a Z viaja por la línea que les une directamente, mientras que el sentido contrario (de Z a Y) lo hace atravesando tres líneas, la Z-W, la W-X y la X-Y. Esta forma de constituir la ruta tiene varias consecuencias interesantes: Aunque la ruta es full dúplex las líneas solo se utilizan en modo simplex, es decir en cada línea la información se transmite únicamente en un sentido. Como consecuencia de esto un anillo SONET/SDH puede definirse utilizando únicamente una fibra óptica entre cada pareja de ADMs contiguos. Cuando se configura una ruta la capacidad correspondiente es ocupada en todas las líneas del anillo, independientemente de donde estén ubicados los ADMs de origen y destino de la ruta. Así en el ejemplo de la figura las rutas A, B y C ocupan cada una de ellas un STM-1 en todo el anillo. Como ya hemos comentado en este caso el anillo tiene todavía capacidad sobrante para definir una ruta STM-1 entre dos ADMs cualesquiera. Una vez definida dicha ruta el anillo quedaría completamente ocupado. W STM-1 (155,52 Mb/s) Con una sola fibra en el anillo se tiene comunicación full dúplex Ampliación Redes

Recuperación de averías en anillos SDH Funcionamiento normal Avería Tráfico de usuario Reserva ADM Tráfico de usuario ADM ADM Tráfico de usuario ADM ADM Corte en la fibra ADM ADM Las topologías en anillo tienen dos grandes ventajas: por un lado permiten crear una red mallada utilizando tan solo un enlace más que en una topología de estrella, que sería el mínimo imprescindible para interconectar todos los nodos, y por otro la sencillez de la topología simplifica mucho la elección de la ruta alternativa en caso de fallo de algún enlace, lo cual permite tomar la decisión con gran rapidez. Sin embargo el anillo simplex que antes hemos descrito no permite la resistencia a fallos. Para ello es preciso constituir un doble anillo, tendiendo dos fibras en cada línea entre los ADMs. Como se muestra en la parte izquierda de la figura, en condiciones normales un anillo SONET/SDH utiliza únicamente uno de los anillos (el de color rojo), ya que como hemos vsito esto es suficiente para constituir rutas full duplex. El otro anillo (verde) se encuentra en situación de reserva o ‘stand-by’, a la espera de entrar en funcionamiento en el momento en que se produzca una avería. Cuando se produce una avería (un corte en la fibra o el fallo de un ADM, por ejemplo) los ADMs más próximos al punto de fallo detectan la pérdida de conectividad entre ellos por el anillo principal y proceden a restaurar la comunicación conectándolo con el de reserva; la combinación de ambos crea un nuevo anillo que da servicio a toda la red, excepto a la parte averiada. Si el fallo se debe a un corte en la fibra el servicio se mantendrá plenamente operativo, mientras que si el fallo se ha producido en un ADM se verán afectadas las rutas que tengan en el uno de sus extremos. En caso de que se produzca una segunda avería en el mismo anillo los procedimientos de recuperación entrarán de nuevo en funcionamiento, quedando entonces dos anillos operativos, pero aislados entre sí. Los ADMs realizan un bucle y cierran el anillo en 50 ms Ampliación Redes

Bastidor de un ADM STM-4 (622 Mb/s) Entrada de fibras monomodo Electrónica redundante Fuentes de Alimentación (redundantes) En esta fotografía se muestra el bastidor de un ADM típico (en este caso con equipos de Alcatel) donde se puede apreciar la entrada de las fibras monomodo (cables amarillos en la parte superior) las tarjetas de electrónica que constituyen el ADM propiamente dicho, las fuentes de alimentación y las baterías. Como es habitual en equipos de alta disponibilidad la alimentación se realiza con corriente continua de 48 voltios que se alimentan mediante fuentes de alimentación redundantes. Esto permite asegurar un funcionamiento autónomo del equipo de varias horas en caso de apagón, aun en el caso de que la instalación no disponga de Sistemas de Alimentación Ininterrumpida. El equipo mostrado aquí está ubicado en el Servicio de Informática de la Universidad de Valencia y soporta las conexiones de la red de Universidades públicas de la Comunidad Valenciana, formada por dos enlaces de 155 Mb/s (uno de la Universidad Politécnica de Valencia y otro del campus de Blasco Ibáñez) así como tres enlaces de 34 Mb/s que corresponden a: La Universidad Jaume I de Castellón Las Universidades de Alicante y Miguel Hernández La Generalitat Valenciana Baterías 48 V Ampliación Redes

Detalle de la electrónica de un ADM STM-1 Rx Anillo principal Tx Anillo de respaldo Rx Tx En esta fotografía se muestra un detalle de la electrónica de un ADM STM-1 con topología de doble anillo. Como puede verse por las conexiones de fibra monomodo cada anillo está formado por un receptor y un emisor. Un anillo está participando activamente en la transmisión de datos, mientras que el otro se encuentra en modo de resplado, es decir está dispuesto para entrar en funcionamiento de forma inmediata en caso de fallo del principal. Este equipo, de la marca Ericsson, se encuentra ubicado en el Servicio de Informática de la Universidad de Valencia y provee un circuito de 155 Mb/s que une la Comunidad Valenciana a RedIRIS. Como es habitual en estos casos se encuentra ubicado en un bastidor provisto de baterías de 48 voltios y fuentes de alimentación redundantes. Tarjeta STM-1 primaria Tarjeta STM-1 de reserva Ampliación Redes

Uso de Digital Cross Connect E F A C B C A, B, C, D A, B, E, F E D Digital Cross-Connect A menudo las redes SONET/SDH requieren topologías complejas que no pueden ser realizadas con un anillo. En estos casos generalmente se recurre a la interconexión de varios anillos, para lo cual se hace uso de los denominados Digital Cross Connect. En la figura se muestran a modo de ejemplo dos anillos interconectados mediante uno de estos dispositivos en el que se han definido seis rutas (de A a F) de las cuales dos (C y D) tienen sus puntos de origen y destino en el anillo izquierdo, otras dos (E y F) los tienen en el anillo derecho, y por último las rutas A y B tienen su origen y destino en anillos diferentes. En este caso las rutas que solo afectan a un anillo (C, D, E y F) ocupan capacidad únicamente en su anillo, mientras que las rutas A y B ocupan capacidad en ambos. Hay por tanto cuatro rutas STM-1 en cada uno por lo que ambos anillos se encuentran al límite de su capacidad. STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) D B F A A y B ocupan capacidad en ambos anillos Los dos anillos están saturados Ampliación Redes

Estructura de trama SONET STS-1 (OC-1) 1 c. 3 col. 86 columnas Overhead Sección Carga útil 86 c x 9 f = 774 Bytes 774 x 8 = 6192 bits 6192 x 8000 = 49,536 Mb/s Overhead Línea Overhead ruta 9 filas La trama STS-1 de SONET se describe normalmente como una matriz de 9 filas por 90 columnas. Cada elemento de la matriz corresponde a un octeto de información, que en el caso de comunicaciones telefónicas representa una conversación. Dado que la telefonía digital utiliza una frecuencia de muestreo de la voz de 8 KHz se producirán 8000 tramas SONET por segundo. A partir de estos datos podemos calcular el caudal que corresponde a un enlace STS-1, que es de 51,84 Mb/s. No toda la capacidad de la matriz STS-1 está disponible para el usuario. Una parte de ella se reserva para información de control y gestión de SONET; en concreto una columna (9 bytes) se reserva para información de ruta, es decir información que acompañará a la trama desde el origen hasta el destino. Otras tres columnas (27 bytes) se requieren para información de sección y de línea. Quedan pues 86 columnas (774 bytes) para información del usuario, o carga útil. Esta información enviada veces por segundo equivale a un caudal de 49,536 Mb/s. La trama OC-1 es idéntica en todos los aspectos a la STS-1, su única diferencia se encuentra en que las señales se transmiten de forma óptica y no eléctrica. Caudal: 90 x 9 = 810 Bytes = 6480 bits 8000 tramas por segundo (una cada 125 s): 6480 bits/tr x 8000 tr/s = bits/s El overhead permite la gestión de la red Ampliación Redes

Trama SONET STS-3 (OC-3) Formada por tres tramas STS-1 (como tres vagones): 1 3 86 col. 1 3 86 col. 1 3 86 col. R S Carga útil L R S Carga útil L R S Carga útil L 9 filas Tamaño: 90 x 9 x 3= 2430 Bytes = bits Caudal: x 8000 = 155, bits/s Carga útil: 86 x 9 x 3 = 2322 Bytes = bits Caudal útil: x 8000 = 148,608 Mb/s La trama SONET STS-1 es el ‘ladrillo’ con el que se construye la trama de cualquier nivel superior en la jerarquía. Por ejemplo el siguiente nivel habitualmente utilizado, el STS-3, utiliza una trama que es una réplica exacta por triplicado de la trama STS-1; por tanto los caudales brutos y netos son exactamente el triple de los enunciados anteriormente para la trama STS-1. Podemos imaginar la trama STS-1 como un tren bastante peculiar, formado por un solo vagón con 90 filas y 9 asientos en cada fila. En la primera fila del vagón se encontrarían los ‘conductores’, nueve en total (información de ruta) y en las tres siguientes se encontraría el personal de seguridad (información de sección) y las azafatas (información de línea). Los ‘trenes’ STS-1 hacen parte de su recorrido solos y otra la hacen combinados de tres en tres, formando ‘trenes’ STS-3. En esa parte del trayecto los tres vagones se enganchan entre sí para ir juntos, pero aún entonces cada vagón mantiene su fila de conductores y sus filas de azafatas y personal de seguridad. Más tarde (en algún ADM) los tres vagones se desengancharán y volverán a viajar de forma independiente como trenes STS-1. Ampliación Redes

Trama SDH STM-1 Como la STS-3 pero la información de ruta sólo aparece en la primera (como tres vagones ‘enganchados’): 1 3 86 col. 3 87 col. 3 87 col. R S Carga útil L S Carga útil L S Carga útil L 9 filas Carga útil: = 260 x 9 = 2340 Bytes = bits Caudal útil: x 8000 = 149,76 Mb/s En SONET se ha definido la trama STS-3c (OC-3c) que es igual a la STM-1 (c = ‘catenated’). También hay STS-12c, STS-48c, etc. La estructura de la trama fundamental de SDH se describe normalmente como tres matrices de 90 x 9 concatenadas. La información de ruta, línea y sección tiene la misma estructura que en SONET, lo cual permite la compatibilidad. Sin embargo, dado que STM-1 es la trama mínima de SDH y no se puede desmultiplexar en otras menores la información de ruta es común a las tres matrices, por lo que se ha optado por colocar dicha información únicamente una vez en la trama STM-1. Como consecuencia de esto, aunque la trama STM-1 tiene el mismo caudal en bruto que la STS-3, su caudal útil es algo mayor, es decir tiene un overhead menor gracias a la reducción en la información de ruta. Los niveles superiores de SDH tienen tramas que son múltiplos exactos de la trama STM-1, con lo que el overhead relativo se mantiene constante. Para permitir la total compatibilidad de SONET con SDH se ha definido en SONET una trama denominada STS-3c (OC-3c) que corresponde exactamente con el formato de la trama STM-1. La c, que significa ‘catenated’, indica que se han suprimido dos de las tres columnas de información de ruta que en principio le correspondería tener a la trama STS-3. De la misma forma se definen las tramas STS-12c, STS-48c, etc. como equivalentes a la STM-4, STM-16, etc. Siguiendo con la analogía anterior podemos decir que el tren STM-1 (o STS-3c) está formado por tres vagones enganchados de los que solo el primero tiene fila de conductores. Por consiguiente los tres vagones no pueden nunca separarse, han de realizar juntos todo el trayecto. Ampliación Redes

Ejemplo de uso de SONET/SDH Se quiere interconectar cuatro routers con una topología de anillo: B A C Veamos ahora un ejemplo práctico de cómo se utilizaría una red SONET/SDH para comunicaciones de datos. Partimos del requerimiento de constituir una WAN de altas prestaciones interconectando entre sí cuatro routers ubicados en cuatro sedes diferentes, mediante una topología de anillo en la que cada router se conecta con otros dos mediante sendos enlaces OC-3c (o STM-1). A su vez cada router dispone de una interfaz LAN (gigabit Ethernet, por ejemplo) para la conexión de su red local con el resto de la WAN.Cada router tendrá por tanto tres interfaces físicas, dos OC-3c y una Gigabit Ethernet. D Enlace OC-3c full dúplex (155 Mb/s) Ampliación Redes

Solución ATM B Enlaces constituidos a través de anillos SONET/SDH Los datagramas se envían por los PVCs mediante Classical IP over ATM C A Red ATM La forma tradicional de transmitir datos por una red SONET/SDH ha sido mediante una red ATM. Por tanto la solución ‘clásica’ al problema planteado sería colocar en cada una de las cuatro sedes un conmutador ATM con cuatro interfaces OC-3c. Dos de estas interfaces se utilizarían para conectarlo con los dos conmutadores vecinos, formando un anillo entre los cuatro. Las otras dos interfaces se utilizarían para conectar el conmutador con su router correspondiente. Para que la comunicación entre los routers sea posible se deberán definir dos circuitos virtuales que conecten cada router con el siguiente y el anterior en el anillo. Una vez definidos los circuitos los routers podrán intercambiar datagramas IP siguiendo alguno de los mecanismos habituales en estos casos, por ejemplo según el RFC 1483 o por Classical IP over ATM. OC-3c f.d. PVC ATM D Ampliación Redes

Visión física de la red B OSPF PNNI Y Anillo saturado C A OSPF OC-12c (622 Mb/s) OSPF PNNI PNNI Z X La comunicación entre los conmutadores ATM se realiza a través de cuatro circuitos OC-3c que se configuran sobre un anillo SONET/SDH OC-12c, que es la capacidad mínima necesaria. El anillo se forma entre cuatro ADMs, cada uno ubicado en una de las cuatro sedes. En realidad hemos constituido tres redes superpuestas con mecanismos de protección en los tres niveles: En el primer nivel tenemos el doble anillo SONET/SDH OC-12c con sus mecanismos ya descritos de recuperación de averías, basados en la existencia de un anillo activo (rojo) y un anillo de reserva (verde). En segundo lugar la red ATM, formada por los cuatro conmutadores conectados en topología de anillo, puede implementar el protocolo de routing PNNI, con lo que podrá recuperar averías. Por ejemplo en caso de fallo del enlace entre X e Y PNNI reencaminaría dicho tráfico a través de Z y W. Por último, si los routers IP disponen de algún protocolo de routing, como OSPF o IS-IS, podrán también reencaminar tráfico por la ruta alternativa en caso de fallo de algún enlace. La principal diferencia entre los mecanismos de protección de SONET/SDH y los protocolos de routing (PNNI, OSPF, etc.) estriba en la rapidez de respuesta. Mientras que el anillo SONET/SDH responde en un tiempo de 50 ms, los protocolos de routing requieren varios segundos para poner en marcha la nueva ruta. OC-3c f.d. OC-12c usuario D OSPF OC-12c reserva PNNI W Ampliación Redes

Overhead de ATM/AAL5 sobre SONET/SDH SDH SONET Caudal físico Caudal ATM Caudal AAL5 Caudal IP típico* OC-1 51,84 49,536 44,862 42,057 STM-1 OC-3c 155,52 149,76 135,63 127,15 STM-4 OC-12c 622,08 599,04 544,08 510,07 STM-16 OC-48c 2488,32 2396,16 2177,9 2041,7 STM-64 OC-192c 9953,28 9584,64 8713,2 8168,4 El formato de trama STM-1 (o STS-3c) y sus múltiplos (STM-4, etc.) es el que se utiliza habitualmente siempre que se transmiten datos a través de una red SONET/SDH (por ejemplo en redes ATM). Aunque a menudo se hace referencia a enlaces OC-3, OC-12, etc. (sin la ‘c’) la trama utilizada tiene siempre la estructura OC-3c, OC-12c, etc. (excepto en el caso de OC-1). Es importante hacer notar que el tráfico de usuario (las celdas ATM por ejemplo) sólo puede hacer uso de la parte de carga útil de las tramas SONET/SDH. La información de control de ruta, línea y sección está reservada para estos fines y no puede ser utilizada para otros fines. Dado que a menudo los datagramas IP sobre redes SONET/SDH se transportan en forma de celdas ATM, resulta interesante calcular cual es el caudal realmente aprovechable para dichos datagramas en estos casos. Como puede verse en la tabla el ‘impuesto’ que hay que pagar cuando se consideran todos los apartados es considerable. El overhead depende en gran medida del tamaño del datagrama a transmitir ya que, sobre todo con tamaños pequeños, la necesidad de rellenar a 48 bytes la última celda produce overheads elevados. Los valores de la tabla están calculados para datagramas de 540 bytes, que según se ha comprobado por mediciones de tráfico real se aproxima bastante al valor promedio del tráfico en Internet. *Calculado para datagramas de 540 bytes (valor medio en Internet) Ampliación Redes

Overhead de ATM El uso de ATM/AAL5 introduce un overhead medio del 15% 6% mas si hay control de flujo (ABR). El protocolo de señalización y de routing añaden más overhead Además del overhead está el costo del equipamiento ATM A velocidades muy elevadas (10 Gb/s) el uso de ATM no es viable, por el costo de las labores de segmentación y reensamblado Como acabamos de ver el uso de ATM introduce un overhead importante en la transmisión de datagramas IP por una red. El uso de algunas funciones avanzadas de ATM, como el control de flujo (disponible únicamente en el servicio ABR) o el protocolo de señalización (que permite la creación de circuitos virtuales conmutados) añaden aún más overhead. Otro factor importante es el costo y la complejidad que comporta el despliegue y mantenimiento de una red ATM. Además la labor de segmentación y reensamblado que necesariamente han de realizar los hosts impone una limitación en la máxima velocidad que puede obtenerse. Por ejemplo aunque actualmente existen en el mercado productos que permiten establecer enlaces STM-64 (10 Gb/s) la velocidad máxiam de las interfaces en conmutadores ATM es STM-16 (2,5 Gb/s) y en los hosts las interfaces más rápidas se sitúan en STM-4 (622 Mb/s). Ampliación Redes

‘En sus inicios las redes IP fueron guiadas por un conjunto reducido de individuos competentes […]. Por el contrario, los estándares ATM están siendo definidos en el Fórum ATM por un gran número de empresas con intereses mutuamente incompatibles, no todas las cuales tienen experiencia en construir y operar redes ATM’. S. Keshav: An Engineering Approach to Computer Networking, 1997 Por si todo lo anterior no fuera bastante algunos autores han expresado sus dudas sobre la calidad de los estándares ATM, basados fundamentalmente en la labor desarrollada por el ATM Forum. La cita recogida en esta diapositiva es una muestra de ello. Ampliación Redes

La Internet global, que se basa en IP, representa una vasta y siempre creciente infraestructura no ATM. Para introducirse en este mercado, y proteger la inversión en tecnología Internet, las redes ATM deben interoperar con redes IP. Desgraciadamente, esa interoperabilidad es problemática porque las redes ATM e IP tienen filosofías de diseño fundamentalmente distintas. [...] A la vista de estas diferencias crear una red integrada IP/ATM puede ser un ejercicio frustrante. Aun así, si las redes ATM van a ser utilizadas por la siempre creciente población de usuarios IP, deben acomodar los deseos de estos usuarios. Esto es un reto para los diseñadores de los protocolos ATM. S. Keshav: 'An Engineering Approach to Computer Networking‘, 1997 También se han expresado a menudo dudas sobre la idoneidad de ATM como medio para el transporte de datagramas, como lo muestra la cita que recoge la presente diapositiva. Ampliación Redes

POS (Packet Over SONET, o PPP Over SONET) Usando PPP (Point to Point Protocol) el overhead se reduce al 3% (campos de control, CRC y relleno de bits) Además de mejorar el rendimiento se reduce equipamiento y por tanto costos PPP over SONET/SDH está estandarizado en el RFC 2615 (6/99) y el RFC 1619 (5/1994) ya obsoleto Actualmente POS es de uso habitual en redes SONET/SDH de grandes ISPs (solo tráfico IP) Una forma sencilla de evitar los problemas de ATM es prescindir por completo de esta tecnología. En tal caso se maneja desde el router el circuito SONET/SDH como si de un enlace dedicado punto a punto se tratara. Aunque pueda parecer lo más eficiente no es posible acomodar directamente datagramas IP en la parte de carga útil de la trama SONET/SDH, pues hay dos funciones imprescindibles que en ATM realizaba el protocolo de adaptación AAL5: la corrección de errores y la delimitación de las tramas a nivel de enlace. Ambas tareas las desempeña de forma bastante eficiente PPP (Point to Point Protocol), el protocolo de nivel de enlace de IP utilizado en líneas punto a punto. PPP incorpora un delimitador de trama basado en la secuencia ‘ ’, empleada en toda la familia de protocolos que derivan del HDLC, así como un CRC al final de la trama que permite la detección de errores. Esta técnica es lo que se conoce habitualmente como POS, abreviatura que se utiliza para significar tanto Packet Over SONET como PPP Over SONET. Ampliación Redes

ATM/AAL5vs POS Capacidad enlace físico ATM/AAL5 POS Capacidad disponible para el usuario 79% 92% Esta figura muestra de forma gráfica la diferencia que supone el uso de ATM/AAL5 frente a POS en lo que se refiere al overhead añadido por cada uno de los protocolos. El overhead de SONET/SDH es igual en ambos casos (3,7% del total). En cambio el overhead de ATM/AAL5 supone un 14,6% frente al 1,2% de POS. El overhead relativo de IP es en ambos casos igual, aunque al ser mayor el caudal disponible supone en el caso de POS un 3,5% del total frente al 3,0% en el caso de ATM/AAL5. Así pues el caudal disponible para el usuario supone en POS un 92% (por ejemplo 142,37 Mb/s en un enlace OC-3c) frente a un 79% en ATM/AAL5 (122,4 Mb/s en un OC-3c). Todos los valores están calculados para un tamaño de datagrama medio de 540 bytes. IP AAL5 IP ATM POS SONET/SDH SONET/SDH Ampliación Redes

Rendimiento de POS vs ATM/AAL5 Caudal (Mb/s) (enlace OC-3c) 160 140 120 100 POS CRC16 80 POS CRC32 60 ATM/AAL5 40 20 En líneas punto a punto tradicionales PPP normalmente emplea CRCs de 16 bits, si bien excepcionalmente se contempla el uso de CRC de 32 bits. El uso de un CRC mayor permite reducir la probabilidad de que un error pase desapercibido debido a que un valor aleatorio en el campo CRC coincida con el valor esperado. Así con un CRC de 16 bits dicha probabilidad es de una parte en 216 = 65536, mientras que con un CRC de 32 bits la probabilidad se reduce a una parte en 232 = Generalmente se considera suficiente el nivel de seguridad ofrecido por un CRC de 16 bits y se evita utilizar el CRC de 32 bits, ya que en este caso se introduce un mayor overhead. Dado que en AAL5 se utiliza CRC de 32 bits, y que los caudales elevados propios de SONET/SDH aumentan (en términos absolutos) el riesgo de que se produzcan errores, se ha considerado conveniente adoptar el CRC de 32 bits para POS. Aunque esto produce un mayor overhead que el CRC de 16 bits se ha considerado más importante en este caso no reducir la fiabilidad que ofrecía AAL5. Por otro lado, el pequeño overhead que supone el uso de un CRC de 32 bits es menos importante en POS que en las líneas punto a punto tradicionales debido a que la capacidad disponible es mucho mayor. 46 110 238 494 1006 1500 2030 4334 4470 Tamaño de datagrama (bytes) Ampliación Redes

Ejemplo: Conexión de routers con POS B OSPF Comparado con ATM: Mayor rendimiento Menor costo Mayor sencillez En la red SONET/SDH se configuran cuatro circuitos OC-3: A-B, B-C, C-D, D-A A C OSPF OSPF Con POS prescindimos por completo de la estructura de celdas ATM y de todo su equipamiento característico (conmutadores, interfaces, etc.). Una vez suprimida la capa ATM podemos conectar los routers directamente a la red SONET/SDH, es decir a los ADMs. Sobre éstos configuraremos como antes cuatro circuitos entre cada dos routers vecinos (A con B, B con C, C con D y D con A). OC-3c f.d. OC-12c usuario D OSPF OC-12c reserva Ampliación Redes

Ejemplo: Conexión de routers con POS B OSPF   Circuitos: A-B:  B-C:  C-D:  D-A:  A OSPF C OSPF   Las ventajas obtenidas con la evolución a POS son las siguientes: Mayor rendimiento (~13%) al sustituir la estructura ATM/AAL5 por PPP, mucho más eficiente. Menor costo: además de la supresión de los conmutadores ATM las interfaces POS de los routers son más baratas, pues su electrónica es más sencilla. Mayor sencillez: al haber menos equipos que configurar. También se simplifica la configuración de los routers. A pesar de todo la red aún no es óptima. Debido a la forma como funcionan los anillos SONET/SDH seguimos teniendo uno de los anillos de fibra (el de color verde) reservado ante posibles averías. Esto requiere instalar, además de la fibra física, toda la optoelectrónica necesaria en los ADMs (transmisores y receptores) por lo que el costo es considerable. OC-3c f.d. OC-12c usuario OC-12c reserva D OSPF Ampliación Redes

POS (Packet Over SONET) Al suprimir la capa ATM se pierde capacidad de gestión y multiplexación. No se pueden definir circuitos virtuales sobre los enlaces. En POS la multiplexación ha de hacerse con circuitos SONET/SDH. Ej.; un enlace STM-4 se puede dividir en cuatro STM-1, tres para IP y uno para ATM. Interesa usar POS cuando: Todo el tráfico es IP, o La mayor parte del tráfico es IP y el que no lo es se puede encapsular en IP (Ej.: VoIP). La supresión de la red ATM conlleva la pérdida de funcionalidades interesantes. Por ejemplo ATM permite multiplexar tráfico IP y de otro tipo por un mismo circuito SONET/SDH, configurando diversos circuitos virtuales. Incluso si nuestro interés se limita al tráfico IP exclusivamente con ATM podríamos reservar caudales de forma estricta para determinados servicios (por ejemplo con la calidad de servicio CBR). Normalmente el uso de POS está justificado cuando todo el tráfico es IP, o cuando el tráfico no IP puede encapsularse en datagramas IP. Por ejemplo se pueden conectar centralitas telefónicas a través de una red IP utilizando voz sobre IP. Ampliación Redes

Uso de ATM para multiplexar datos, voz y vídeo Circuito OC-3c entre conmutadores ATM Tres PVCs ATM: router-router, vídeo-vídeo y centralita-centralita En esta figura se muestra un caso en el que el uso de ATM facilita el establecimiento de una red multiservicio. Se dispone de dos sedes entre las que se realizan conexiones de datos, voz y vídeo. Para la conexión entre ambas se tiene únicamente un circuito OC-3c a través del cual se conectan los dos conmutadores ATM. Se configuran tres circuitos virtuales, uno entre los routers, otro entre los equipos de vídeo y el último entre las centralitas telefónicas. En este caso la utilización de una red ATM está plenamente justificada. Por sencillez no hemos representado el trayecto real que seguirán los circuitos virtuales, que evidentemente será el que corresponde al circuito SONET/SDH OC-3c, es decir la ida por un lado del anillo y la vuelta por el otro. Dado que se trata de un anillo OC-12c el enlace OC-3c ocupa un 25% de su capacidad total. OC-3c f.d. OC-12c usuario (25% utilizado) OC-12c reserva Circuito virtual (ATM) Ampliación Redes

Combinación de POS (IP) y ATM (voz y vídeo) Dos circuitos OC-3: uno para routers y uno para conmutadores ATM Dos PVCs ATM: vídeo-vídeo y centralita-centralita En este ejemplo se utiliza la red ATM para el servicio de voz y vídeo, y se ha pasado a POS el servicio de datos IP. Es necesario establecer ahora dos circuitos OC-3c, uno para la comunicación de los routers y otro para los conmutadores ATM que se utilizan para la voz y vídeo. Esta opción es adecuada cuando el tráfico de cada tipo justifica un circuito independiente. Podría utilizarse un circuito de menor capacidad (por ejemplo un E3) para los conmutadores, si el tráfico ATM no justificara el uso de un OC-3c. El uso de POS para el tráfico IP permite un mayor rendimiento y aunque en este caso no se prescinde de la red ATM la conexión independiente del router permite reducir el número de interfaces en el conmutador ATM y por tanto también el costo y complejidad de la red. OC-3c f.d. OC-12c usuario (50% utilizado) OC-12c reserva Circuito virtual (ATM) Ampliación Redes

Ejemplo de IP y voz sin ATM: Red CATV HFC Cabecera regional Cabeceras locales Servidor proxy HFC Internet Anillo con 3 * OC-3c y 3 * E3 (saturado) Red telefónica En este ejemplo se muestra una forma habitual de organizar el backbone de una red CATV (televisión por cable), donde coexisten el servicio de datos IP (acceso a Internet mediante cable modem) con el servicio de telefonía tradicional, basado en cable de pares. En las denominadas cabeceras locales, donde termina la red HFC, se utilizan conexiones POS (sobre circuitos SONET/SDH OC-3c por ejemplo) para los routers, y circuitos PDH E3 (o E2 o E1, dependiendo del número de usuarios de la zona) para la telefonía. El equipamiento ATM suele estar ausente de las redes CATV. El hecho de que la la multiplexación de datos y voz se realice al nivel SONET/SDH supone una menor flexibilidad a la hora de modificar los circuitos, y requiere un reparto estático de la capacidad disponible entre ambos servicios. Esto es posible cuando hay una planificación estricta de los caudales en la red. E3 f.d. HFC OC-3c f.d. OC-12c usuario OC-12c reserva Ampliación Redes

Inconvenientes de SONET/SDH
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Inconvenientes de SONET/SDH SONET/SDH se diseñó pensando en telefonía, donde la fiabilidad era fundamental. Sin embargo para datos SONET/SDH presenta varios inconvenientes: La comunicación no siempre va por el camino más corto Hay un reparto estático de la capacidad entre circuitos La fibra de reserva no se utiliza, pero ha de estar preparada con todo su equipamiento (optoelectrónica) por si falla la otra La fiabilidad que incorpora el protocolo de routing (OSPF por ejemplo) es innecesaria al estar presentes las funciones de redundancia de SONET/SDH Solución: prescindir del equipamiento SONET/SDH. A pesar de las ventajas que ofrece, el uso de POS sobre redes SONET/SDH presenta algunos inconvenientes debidos fundamentalmente a que se diseñó pensando en el servicio de telefonía, donde la fiabilidad era fundamental. Veamos algunos de esos inconvenientes: En las topologías en anillo el tráfico sigue un esquema rígido por lo que no siempre va por el camino más corto. Esto requiere mayor cantidad de equipamiento. La capacidad disponible en la red se ha de asignar de manera estática a cada circuito que se constituye (como si se tratara de PVCs) no siendo factible la reasignación dinámica de capacidades no utilizadas La topología en anillo requiere tener una fibra de reserva por cada fibra óptica utilizada. La fibra de reserva no se utiliza normalmente, pero ha de estar ahí con todo su equipamiento (transceivers ópticos, etc.) por si falla la otra. Se da una duplicidad innecesaria de funciones, ya que los mecanismos de recuperación de averías de SONET/SDH desempeñan la misma tarea que OSPF (aunque el tiempo de respuesta es menor). La solución a todos estos problemas es sencillamente prescindir de la infraestructura SONET/SDH. Ampliación Redes

Conexión directa de routers (sin SONET) Se suprime el equipamiento SDH (menor costo) pero se mantiene la estructura de trama Cada router dispone de un enlace f. d. con sus vecinos B OSPF A C El tráfico discurre por el camino más corto (OSPF) OSPF OSPF OSPF consigue redundancia (recupera en 6-10 segundos) D OSPF Los enlaces OC-3c se podrían sustituir por OC-12c o Gigabit Ethernet Volviendo ahora a nuestro ejemplo de las cuatro sedes, si disponemos de un doble anillo de fibra óptica entre las cuatro podemos suprimir todos los ADMs y enchufar directamente cada router con sus vecinos. Analicemos algunas de las ventajas de esta topología: Se suprimen los ADMS, con lo que se reduce sensiblemente el costo de la red. El tráfico discurre siempre por el camino óptimo, de acuerdo con la ruta fijada por OSPF. Por ejemplo tanto el tráfico AB como el B A discurren por el enlace A-B. La velocidad está determinada exclusivamente por las interfaces disponibles en los routers, por lo que fácilemnte se podría aumentar la capacidad a OC-12c, o utilizar en su lugar Gigabit Ethernet. En caso de fallo de algún enlace OSPF restaura el servicio por el camino alternativo. Sin embargo la recuperación tiene un tiempo de reacción de varios segundos, notablemente superior al de SONET/SDH. El uso de OSPF permite un reparto dinámico de la capacidad. Por ejemplo si la comunicación A-B por la ruta directa resulta insuficiente OSPF puede decidir desviar parte del tráfico por la ruta alternativa (A-D-C-B) La capacidad disponible se reparte dinámicamente en toda la red OC-3c Ampliación Redes

IP sin SONET/SDH La fiabilidad la da el protocolo de routing (OSPF por ejemplo). No hay recursos de reserva sin utilizar. El protocolo de routing elige siempre el camino más corto Se tiene mayor rendimiento (OC-12c) y menor costo (se suprime el equipamiento SONET/SDH) Aunque no hay ADMs se sigue utilizando la estructura de trama SONET/SDH También se puede utilizar Gigabit Ethernet (o 10 Gb Ethernet). Ofrece mayor velocidad y resulta aún más barato Problema: no se puede usar la red para otro tráfico (telefonía, por ejemplo) Aun cuando se ha suprimido la infraestructura SONET/SDH las interfaces POS de los routers siguen utilizando el formato de trama OC-3c (dentro de la cual acomodan las tramas PPP). El uso de la trama SONET/SDH permite aprovechar en estos casos las herramientas de gestión y monitorización típicas de las redes SONET/SDH. Alternativamente se pueden utilizar interfaces Ethernet (Gigabit Ethernet o 10 Gigabit Ethernet) que normalmente tienen un costo inferior a las interfaces POS. Ampliación Redes

Interfaz POS de un router Emisor láser refrigerado Láser Alcance Precio 850 nm 300 m $ 1310 nm 2 Km $ 225,000 1550 nm 40 Km $ Velocidad: 10 Gb/s (OC-192c) Ampliación Redes

10 Gbps Ethernet Creado grupo de trabajo 802.3ae en enero del 2000 Estandarizado en julio 2002 Nivel físico basado en OC-192 (9,95 Gbps) Misma estructura de trama que Ethernet. Mismos tamaños máximo y mínimo. Solo funcionamiento Full Duplex. Utilización de fibra MM mejorada (nuevos estándares en discusión) Mas información en Ampliación Redes

Aplicaciones de 10 Gb Ethernet
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Aplicaciones de 10 Gb Ethernet Backbone de grandes redes locales Conexión de servidores de altas prestaciones Posible alternativa a ATM y SDH en WAN (contempla grandes distancias) Redes metropolitanas sobre fibra oscura o WDM (Wavelength Division Multiplexing) Soporte de todo tipo de servicios, incluído voz y vídeo. Ampliación Redes

Medios físicos en 10Gbps Ethernet
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Medios físicos en 10Gbps Ethernet Medio Cable Distancia Emisor Láser Ventana Costo 10GBASE-CX Coaxial < 20 m - Muy Bajo 10GBASE-SX Fibra MM mejorada m VCSEL 1ª Bajo 10GBASE-LX Fibra MM y SM 10Km FP 2ª Alto 10GBASE-EX Fibra SM 40 Km DFB 3ª Muy alto VCSEL: FP: DFB: Vertical cavity Surface Emitting Laser Fabry Perot Distributed Feedback Ampliación Redes

Interfaz 10 GB Ethernet (802.3ae) de un switch LAN Tipo Láser Alcance Precio 10GBASE-LR 1310 nm 10 Km $ 65,000 10GBASE-ER 1550 nm 40 Km $ Ampliación Redes

Evolución de Ethernet 1981: 10 Mb/s compartido 1x 1992: 10 Mb/s conmutado 10x 1995: 100 Mb/s conmutado 100X 1998: 1 Gb/s conmutado 1000X 2002: 10 Gb/s conmutado X 2004: 40 Gb/s conmutado X 2007: 160 Gb/s conmutado X 2010: 640 Gb/s conmutado X Ampliación Redes

Conexión de routers por ATM (sin SONET) B Cada conmutador establece varios PVCs Los PVC obligan a una asignación estática de caminos PNNI A C PNNI PNNI PNNI da redundancia, pero no reparto dinámico de carga Se sufre el overhead de ATM. La única ventaja es que se podrían conectar centralitas También es posible suprimir la infarestructura SONET/SDH manteniendo la red ATM. En esta figura se muestra un ejemplo de este tipo de red. En este caso la recuperación ante fallos la suministra PNNI, el protocolo de routing de ATM. PNNI también tiene unos tiempos de recuperación superiores a SONET/SDH. PNNI E3 f.d. D OC-12c f.d. OC-12c Ampliación Redes

Ejemplo de Red CATV con Gigabit Ethernet HFC Cabecera regional Cabeceras locales OSPF Servidor proxy HFC Routers con VoIP OSPF Anillo Gigabit Ethernet OSPF Internet Red telefónica Este ejemplo muestra como podría evolucionar el backbone de la red CATV mostrado anteriormente. En este caso se ha suprimido el equipamiento SONET/SDH y se han conectado los routers directamente entre sí, mediante interfaces Gigabit Ethernet. Dado que en este caso ya no existe al posibilidad de configurar en la red circuitos PDH para la telefonía se han conectado las centralitas a los routers de las cabeceras locales, y el tráfico telefónico entre estas y la cabecera regional se realiza mediante Voz sobre IP, es decir insertando la voz digitalizada en paquetes IP. Una vez en la cabecera regional el tráfico de voz vuelve a encaminarse por una red telefónica convencional. Para que esto sea posible el backbone IP de la red deberá diseñarse teniendo en cuenta los requerimientos de Calidad de Servicio, especialmente latencia máxima, que impone el servicio de telefonía. OSPF HFC E3 f.d. OC-3c f.d. Gigabit Ethernet f.d. Ampliación Redes

Alternativas de transporte IP IP IP IP AAL5/ATM IP PPP AAL5/ATM IP SONET/SDH SONET/SDH PPP SONET/SDH SONET/SDH ETHERNET En este esquema se muestran a modo de resumen las diferentes opciones que se plantean a la hora de diseñar una red de altas prestaciones. Los rectángulos de color amarillo intenso representan un protocolo completo, mientras que los rectángulos delgados de color amarillo pálido representan el uso de un formato de trama únicamente, sin que exista en este caso una red con equipamiento específico y protocolo propio. La elección de una u otra opción dependerá sobre todo del tipo de servicios que se quieran ofrecer Ampliación Redes

Evolución de los costos de enlaces de datos de alta capacidad en redes WAN Evolución en el costo del hardware SONET/SDH Ampliación Redes

Servicios de fibra oscura
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Servicios de fibra oscura El usuario alquila la fibra al operador y pone los emisores láser, es decir el usuario ‘ilumina’ la fibra El usuario elige el transporte: ATM: OC-3,OC-12, OC-48 POS: OC-3, OC-12, OC-48, OC-192 Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet La distancia máxima suele ser 100 Km aprox. (MAN) para evitar el uso de amplificadores o repetidores Estos servicios se ofrecen ya de forma habitual en algunos países y se están empezando a ofrecer en España Ampliación Redes

Alquiler de fibra oscura
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Alquiler de fibra oscura Ventajas: Desarrollo comercial rápido del servicio Overhead reducido Flexibilidad Inconvenientes: Puede resultar caro si no se aprovecha la capacidad Puede requerir acuerdos a largo plazo Ampliación Redes

Tipos de fibras ópticas Multimodo Cubierta 125 m Núcleo 62,5 m Los múltiples modos que se propagan generan un ‘jitter’ que ensancha los pulsos y limita la distancia o la frecuencia Pulso saliente Pulso entrante Monomodo Cubierta 125 m Núcleo 9 m Al propagarse solo un modo no se produce ‘jitter’ y el pulso no se ensancha La dispersión se mide por el ancho de banda, y se expresa en MHz*Km Ampliación Redes

Dispersión Cromática La velocidad de la luz en el vidrio depende de su ínidice de refracción. El índice de refracción depende de la longitud de onda, por lo que las diferentes componentes de un pulso viajan a diferente velocidad (las frecuencias mayores viajan más deprisa. Como consecuencia de esto el pulso se ensancha. Para atenuar este efecto se han desarrollado en los últimos años fibras especiales: DSF (Dispersion Shifted Fiber) NZDS (Non-Zero Dispersion Shifted) DCF (Dispersion Compensating Fiber) Ampliación Redes

Dispersión Cromática El efecto de la dispersión cromática es más importante cuanto mayor es: La frecuencia de los pulsos (es decir, la tasa en bits/s) y La distancia física que la señal ha de recorrer en la fibra Ampliación Redes

Influencia de la velocidad en la dispersión cromática El efecto de la tasa de bits en la dispersión no es lineal. La dispersión aumenta con el cuadrado de la tasa de bits. Aumentando la tasa de bits en 4 veces se obtiene la misma dispersión que antes en un trayecto 16 veces menor Ampliación Redes

Atenuación en fibra óptica según la longitud de onda Primera ventana 0,85 m Segunda ventana 1,30 m Tercera ventana 1,55 m Cuarta ventana 1,62 m 2,0 1,8 1,6 Los picos corresponden a absorción producida por el ión hidroxilo, OH- 1,4 1,2 OH- Atenuación (dB/Km) OH- 1,0   0,8 OH- 0,6  0,4 Esta gráfica muestra la atenuación de la fibra óptica en función de la longitud de onda. Como se indica en la figura las crestas que aparecen se deben a la absorción debida al ión hidroxilo, OH-. A medida que las técnicas de fabricación de fibra óptica van mejorando la altura de esas crestas disminuye. Se espera que en el futuro se pueda reducir la cresta de 1,4 micras, lo cual permitirá ensanchar la segunda y tercera ventanas. Recientemente se ha defindio una cuarta ventana en la zona de 1,62 micras. A pesar de lo que indica la figura la atenuación en esta cuarta ventana es similar a la de la tercera. Probablemente la discrepancia se deba a que la curva refleje la atenuación de una fibra antigua. 0,2 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Luz visible Luz infrarroja Longitud de onda (m) Uso de WDM Ampliación Redes

Ventanas de la Fibra Óptica
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Ventanas de la Fibra Óptica La fibra óptica no es igualmente transparente a todas las  (longitudes de onda); hay cuatro ‘ventanas’ en las que es más transparente: Ventana  (nm) Atenuac.(dB/Km) Alcance (Km) Costo opto-electrónica Usos 1ª 820 900 2,3 2 Bajo LAN (GE) 2ª (banda S) 1280 1350 0,5 40 Medio LAN (GE, 10GE), WAN (SONET) 3ª (banda C) 1530 1565 0,28 160 Elevado LAN (GE, 10GE), WAN (SONET,WDM) 4ª (banda L) 1625 0,35 Muy elevado DWDM Las bandas de longitud de onda en las que la fibra óptica es más transparente se denominan ventanas. Todas ellas se encuentran fuera del espectro visible, en la zona del infrarrojo, aunque la primera ventana está cerca de la luz visible (750 nm). Cada ventana se caracteriza por una atenuación diferente, lo cual condiciona el alcance máximo de la señal luminosa. Las longitudes de onda mayores tienen atenuaciones menores, por lo que las conexiones de largo alcance se suelen hacer en tercera ventana. Muy recientemente se ha empezado a utilizar también una cuarta ventana un poco más allá de la tercera, en la zona de los 1625 nm. Para largas distancias (más de 2 Km) o altas velocidades (más de 600 Mb/s) se emplean emisores láser exclusivamente. Los emisores más sencillos y baratos son los de primera ventana; los más complejos y caros son los de tercera y cuarta. Como ejemplo ilustrativo podemos dar el dato de que un transceivers de gigabit ethernet de primera ventana cuesta 500 dólares y tiene un alcance máximo de 500 metros, uno de segunda ventana cuesta mil dólares y tiene un alcance de diez kilómetros, y uno de tercera ventana cuesta seis mil dólares y tiene un alcance de cien kilómetros. GE: Gigabit Ethernet 10GE: 10 Gigabit Ethernet Ampliación Redes

Relación señal/ruido y tasa de error Hoy en día es posible garantizar BERs (Bit Error Rate) de 10-15 Ampliación Redes

Problemas de SONET/SDH
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Problemas de SONET/SDH La máxima velocidad disponible en equipos comerciales SONET/SDH es OC-192 (STM-64) = 10 Gb/s. Tecnológicamente es muy difícil superar este límite Si se quiere más capacidad hay que emplear varias fibras. Pero a veces no quedan fibras libres y es muy caro tirar nuevas (especialmente cuando se trata de largas distancias) A pesar de sus ventajas, la interconexión de routers de forma directa mediante interfaces POS plantea algunos problemas, por ejemplo: Con la tecnología actual no es posible disponer de velocidades superiores a 10 Gb/s, y parece que costará superar este límite. Para disponer de caudales superiores a 10 Gb/s se tienen que utilizar varias interfaces conectadas mediante varios pares de fibras ópticas. Pero en los casos en que no hay fibras libres es necesario recurrir a otras soluciones. Ampliación Redes

La solución: WDM WDM (Wavelength Division Multiplexing, multiplexación por división en longitudes de onda) consiste en: Enviar varias señales a diferentes longitudes de onda (diferentes ) por una misma fibra (luz de varios ‘colores’) WDM puede ser: Densa (DWDM, ‘Dense’ WDM): se utilizan 16 o más  Ligera (CWDM ‘Coarse’ WDM): se utilizan 2 ó 4  Ampliación Redes

Funcionamiento de WDM Ampliación Redes

Evolución de WDM Generación Ventana Número de  Denominación Separación Años 1ª (WDM) 2ª y 3ª 2 Wideband WDM 240 nm Finales de los 80 2ª (WDM) 3ª 2-8 Narrowband o Coarse WDM 400 GHz (3,2 nm) Principios de los 90 3ª (DWDM) 16-40 Dense WDM GHz (0,8-1,6 nm) Mediados de los 90 4ª (DWDM) 64-160 25-50 GHz (0,2-0,4 nm) Finales de los 90 Ampliación Redes

Evolución de DWDM OC-768 (40 Gb/s) 16 Canales = 640 Gb/s 40 Canales = 1600 Gb/s OC-192 (10 Gb/s) 16 Canales = 160 Gb/s 40 Canales = 400 Gb/s 80 Canales = 800 Gb/s 128 Canales = 1280 Gb/s Capacidad de una sola fibra (Gbps) OC-48 (2,5 Gb/s) 40 Canales = 100 Gb/s 96 Canales = 240 Gb/s Ampliación Redes

Relación de capacidad por canal y número de canales Durante bastantes años la capacidad de la fibra óptica ha crecido a base de aumentar la multiplexación en el tiempo. Con la difusión de equipos comerciales WDM a partir del año 1993 el crecimiento se produjo también mediante el aumento del número de canales transmitidos por la fibra. Desde la introducción en 1996 de la señal OC-192 (10 Gb/s) no se han producido incrementos en la capacidad de SDH, por lo que todas las mejoras habidas en la capacidad de la fibra se han producido gracias a la utilización de más canales. Resulta técnicamente muy difícil superar el actual valor de 10 Gb/s de la jerarquía SDH, y en el caso de que esto se produzca se prevé que la siguiente velocidad (OC-768, 40 Gb/s) represente un límite tecnológico difícil de superar. Por el contrario, desde la introducción de WDM el número de canales ha crecido de forma exponencial incesantemente. Ampliación Redes

Evolución prevista de WDM
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Evolución prevista de WDM WDM en Campus WDM en Área Metropolitana WDM en Larga Distancia Las técnicas y equipos WDM tienen un rendimiento mayor cuanto mayor es la longitud del enlace de fibra óptica utilizado. Por esto su introducción ha comenzado por los enlaces de largo alcance. A medida que el costo de WDM se reduce se va haciendo rentable su utilización en enlaces de menor alcance. Actualmente ya resulta económicamente viable utilizar WDM en redes de ámbito metropolitano (decenas de kilómetros) y se prevé que en unos años su uso sea rentable incluso en redes de campus, es decir para enlaces de menos de 10 kilómetros. 1995 2000 2005 Ampliación Redes

CWDM (Coarse WDM) DWDM se utiliza en enlaces de largo alcance y gran capacidad, porque es donde sale más rentable. En pequeñas distancias el ahorro en fibras no compensa el costo de los equipos, pero se pueden usar otros de menos  (4-8) que tienen un costo muy inferior. La CWDM (de 4-8 ) es interesante en enlaces de ámbito metropolitano (ver por ejemplo CWDM no usa amplificadores ópticos. Para distancias superiores a 50 Km se usan repetidores. A medida que la tecnología avance aumentará el número de  tanto en CWDM como en DWDM. Los equipos WDM altamente sofisticados utilizados por las operadoras en enlaces de larga distancia permiten un elevado número de canales con una separación estrecha entre ellos. Esto es lo que se concoe como DWDM (Dense WDM). Existen en el mercado otros equipos con una capacidad más reducida en cuanto al número de canales pero que tienen un costo más reducido. Estos equipos tienen también un alcance menor, por lo que resultan idóneos en redes de ámbito metropolitano. Esto se conoce a veces como ‘Coarse’ WDM. Ampliación Redes

Aplicaciones de CWDM Aumento de capacidad: 1000BASE-SX 1000BASE-SX 4 Gb/s Soporte de múltiples servicios: OC-3c multimodo Aquí tenemos un ejemplo de aplicación de CWDM. En el primer caso se utiliza para agregar cuantro enlaces Gigabit Ethernet a través de un par de fibras y suministrar así una capacidad agregada de 4 Gb/s full duplex entre las dos redes. En el segundo caso se utiliza el equipo para transmitir por la misma fibra dos señales diferentes, una de Gigabit Ethernet y la otra de ATM a 155 Mb/s. De esta forma se puede efectuar la conexión de centralitas con toda la funcionalidad y garantías de calidad de servicio de ATM y a la vez aprovechar el rendimiento y bajo costo de Gigabit Ethernet, sin tener que utilizar para ello dos pares de fibras. Además del ahorro de fibras que supone el uso de WDM permite utilizar en los equipos interfaces de corto alcance y bajo costo, utilizando los caros transceivers de tercera ventana únicamente en la conexión entre los equipos WDM. 1000BASE-SX Ampliación Redes

Esquema funcional de una conexión WDM 1532 1 1536 1 1540 2 2 3 1544 3 Combinador Óptico 4 1548 Filtro DWDM 4 5 1552 Amplificadores 5 6 1556 6 1560 7 7 1310 nm 15xx nm 15xx nm 1310 nm Rx Amplifica Da forma Sincroniza Rx Tx Modulador Externo En este esquema se muestra como funciona un equipo multiplexor WDM de ocho canales. Por la izquierda llegan ocho señales todas ellas a 1310 nm (segunda ventana) por ocho fibras diferentes. Cada una de esas señales es recibida por un transponder, que se encarga de convertirla en una señal eléctrica y generar a partir de ella una señal óptica con un láser de tercera ventana; mediante un modulador externo esta señal óptica se genera en la longitud de onda de tercera ventana que le corresponde a ese transponder de acuerdo con la asignación de canales efectuada. De esta forma se generan ocho señales a longitudes de onda ligeramente diferentes, que se combinan en una misma fibra mediante el combinador óptico. Dependiendo de la distancia a cubrir puede ser necesario utilizar amplificadores intermedios. Una vez recibido el haz luminoso se ha de dividir en las ocho componentes iniciales, para lo cual se emplea un filtro DWDM que básicamente funciona como un prisma, separando la luz por longitudes de onda. Cada una de las ocho señales es recibida entonces por un transponder diferente que se ocupa de convertirla en señal eléctrica y regenerarla a nivel digital como si fuera un repetidor (amplificarla, darle forma y sincronizarla). Después se ocupa de generar a partir de ella una señal óptica en segunda ventana, equivalente a la señal inyectada en el lado del emisor. Por supuesto en un sistema WDM bidireccional (como son la mayoría) habrá una serie equivalente de dispositivos para la multiplexación en sentido opuesto. Láser 3ª vent. Transponder F.O. 2ª vent. Transponder F.O. 3ª vent. Eléctrico Ampliación Redes

Transmisión en fibra óptica a larga distancia
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Transmisión en fibra óptica a larga distancia 2ª ventana: un repetidor cada 40 Km 3ª ventana: un amplificador cada Km. Un repetidor cada Km (4-9 amplificadores) para regenerar la señal Con WDM es preciso que el amplificador tenga un comportamiento lo más lineal posible en todo el rango de . De lo contrario habría que poner repetidores más a menudo (más costo) En 3ª y 4ª ventana se usan amplificadores que tienen fibra óptica dopada con erbio (metal usado en algunas aleaciones) llamados EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) En fibra óptica existe, como en cualquier otro medio físico, una distancia máxima a la que puede transmitirse la señal con un determinado nivel de fiabilidad. Esa distancia máxima es mayor en tercera ventana que en segunda ventana gracias a su menor atenuación. Cuando se supera ese valor máximo se puede recurrir a amplificadores o repetidores. Los amplificadores actúan de manera analógica sobre la señal óptica, sin convertirla en señal eléctrica. En cambio los repetidores la convierten en señal eléctrica, la amplifican, sincronizan y le dan forma (la hacen de nuevo ‘cuadrada’). En 2ª ventana no hay amplificadores, por lo que se utilizan siempre repetidores, teniendo que colocar uno cada 40 Km aproximadamente. En 3ª y 4ª ventana se pueden utilizar amplificadores, que resultan mas baratos y sencillos, pero la señal se degrada gradualmente por lo que cada cierto número de amplificadores es necesario instalar repetidores. La aparición de amplificadores de 3ª ventana ha sido crucial para el desarrollo de WDM, ya que los amplificadores actúan sobre toda la banda de forma transparente e independientemente del tipo de señales transmitidas y del número de canales utilizados. En cambio el uso de repetidores requiere desmultiplexar los canales de la fibra y regenerar cada uno independientemente para volver a multiplexarlos despues hasta el siguiente repetidor. Ampliación Redes

Diseño de un amplificador EDFA Fibra dopada con erbio (10-50 m) Luz de 3ª o 4ª ventana Acoplador WDM Acoplador WDM Luz de 3ª o 4ª ventana Filtro Óptico Aislante Óptico Aislante Óptico Láser de bombeo a 980 nm Láser de bombeo a 1480 nm Los amplificadores de WDM tienen una bobina de 10 a 50 metros de una fibra óptica especial que contiene pequeñas cantidades de un metal denominado erbio. Esta fibra óptica se ilumina con dos fuentes láser de 980 y nm. Los átomos de erbio tienen la propiedad de absorber la energía transmitida por estos láser y pasar a un estado denominado ‘excitado’. Los átomos de erbio liberan la energía que tienen almacenada cuando pasa por la fibra un haz láser de tercera ventana, y la liberan generando luz láser precisamente de la misma frecuencia que la luz recibida, con lo que el dispositivo se convierte en la práctica en un amplificador de luz. Para que el el sistema funcione de forma continuada es preciso inyectar continuamente la luz de 980 y 1480 nm, por lo que el amplifciador requiere una constante aportación de energía externa. Los amplificadores EDFA funcionan en 3ª y 4ª ventana. Ganancia 30 dB Ampliación Redes

Ganancia de un EDFA en 3ª ventana Ganancia (dB) Perfil de ganancia EDFA Lambdas individuales 30  (nm) Para que la señal no se distorsione demasiado cuando se utilizan varios amplificadores en serie es preciso que la curva de ganancia de un amplificador sea lo más plana posible dentro del rango de longitudes de onda utilizado. Afortunadamente los amplificadores EDFA cumplen esta condición, como puede verse por la gráfica. Rejilla ITU-T Ampliación Redes

Rejilla WDM de la ITU-T Frecuencia(THz) Long. onda (nm) 196,1 1528,77 194,6 1540,56 193,1 1552,52 196,0 1529,55 194,5 1541,35 193,0 1553,33 195,9 1530,33 194,4 1542,14 192,9 1554,13 195,8 1531,12 194,3 1542,94 192,8 1554,94 195,7 1531,9 194,2 1543,73 192,7 1555,75 195,6 1532,68 194,1 1544,53 192,6 1556,56 195,5 1533,47 194,0 1545,32 192,5 1557,36 195,4 1534,25 193,9 1546,12 192,4 1558,17 195,3 1535,04 193,8 1546,92 192,3 1558,98 195,2 1535,82 193,7 1547,72 192,2 1559,79 195,1 1536,61 193,6 1548,51 192,1 1560,61 195,0 1537,40 193,5 1549,32 192,0 1561,42 194,9 1538,19 193,4 1550,12 191,9 1562,23 194,8 1538,98 193,3 1550,92 191,8 1563,05 194,7 1539,77 193,2 1551,72 191,7 1563,86 Esta tabla muestra las longitudes de onda (y frecuencias) actualmente estandarizados por la ITU-T para la WDM de tercera ventana. Corresponden a 45 canales centrados en la longitud de onda de 1553,52 nm y separados entre sí 100 GHz. También se ha estandarizado una rejilla con separaciones de 50 GHz para permitir mayor densidad. Otras separaciones de canal son posibles (de hasta 25 GHz), pero cuando no se utilizan los canales estándar la interoperabilidad generalmente sólo ess posible entre equipos del mismo fabricante. En WDM generalmente se expresan los canales por sus respectivas longitudes de onda (en nm), mientras que las separaciones entre canales se suelen indicar en GHz. Para convertir de uno a otro se debe utilizar la fórmula c = * donde c es la velocidad de la luz en el vacío,  es la frecuencia y  la longitud de onda. Conversión: c = * (c: velocidad luz en vacío, : frecuencia, : long. onda Ampliación Redes

Ventaja de DWDM Valencia Km Madrid 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Enlace WAN de 10 Gb/s con SONET/SDH convencional: 2ª Ventana REP REP REP REP REP REP REP REP Repetidor Enlace WAN de 10 Gb/s con DWDM: 2ª Ventana Esta figura muestra de manera gráfica la diferencia entre el equipamiento necesario para establecer cuatro enlaces SONET/SDH OC-48 (2,5 Gb/s) a la manera tradicional, o mediante DWDM. En el primer caso se utilizan cuatro pares de fibras, uno para cada enlace. Además, al utilizar equipos de segunda ventana es necesario colocar cada 40 Km un repetidor para cada uno de los cuatro enlaces, por lo que se necesitan en total 32 repetidores. En el segundo caso se instala un equipo DWDM en cada extremo, con lo que los cuatro enlaces utilizan el mismo par de fibras. Al utilizar equipos de tercera ventana solo es necesario instalar dos amplificadores en todo el trayecto. Cada amplificador actúa simultáneamente sobre todos los canales que se transmiten. Si más tarde fuera necesario aumentar el número de enlaces en el primer caso habría que instalar 8 repetidores por cada nuevo enlace (suponiendo que hubiera fibras ópticas libres). En cambio en el segundo caso solo seria necesario incorporar el módulo correspondiente en los equipos DWDM de los extremos, sin realizar ninguna modificación en los equipos intermedios. 3ª Ventana Amplificador EDFA Interfaces de 2,5 Gb/s Ampliación Redes

WDM Los EDFA permiten amplificar la señal óptica en ruta sin tener que convertirla al dominio eléctrico. Esto reduce mucho el costo de WDM. (los repetidores requieren separar todas las  antes y juntarlas después) Las dificultades técnicas de WDM (dispersión) son proporcionales al cuadrado de la velocidad; por esto es mas normal usar WDM con enlaces OC-48 (2,5 Gb/s) que con OC-192 (10 Gb/s) Los problemas técnicos que presenta la DWDM, fundamentalmente debidos a la interferencia entre canales contiguos, se acentúan en relación al cuadrado de la velocidad de la señal. Por ejemplo una señal OC-192 presenta una dispersión 16 veces mayor que una señal OC-48. Por esto es casi más normal encontrar enlaces OC-48 que OC-192 incluso en redes WDM de alta capacidad. Ampliación Redes

Equipo DWDM de largo alcance UPLx160 de Marconi Características: En esta figura se muestra un equipo DWDM de última generación. Al margen de la elevada capacidad (hasta 1,6 Tb/s) resulta llamativo el alcance de o Km que puede obtenerse sin regeneración eléctrica de la señal, es decir utilizando únicamente amplificadores. 80 canales en banda C (3ª vent.) y 80 en banda L (4ª vent.) Separación entre canales: 50 GHz Capacidad por canal: 10 Gb/s (OC-192 o 4 * OC-48) Capacidad máxima: 1,6 Tb/s Alcance sin repetidores: Km (160 canales), Km (80 canales) Ampliación Redes

Servicios de  oscura El operador alquila al usuario una longitud de onda determinada dentro de la fibra Los equipos DWDM de las grandes redes tienen muchos canales sin utilizar La rentabilidad aumenta con la distancia Es similar a los servicios de fibra oscura, pero permite la reutilización de una misma fibra Normalmente el transporte ha de ser SONET/SDH, pues es para lo que están preparados la mayoría de los los equipos DWDM. 10Gigabit Ethernet tiene una especificación WAN que es compatible con OC-192c. En vez de ir a 10 Gb/s va a 9,58 Gb/s (carga útil de OC-192c) Los servicios de  oscura son el equivalente en DWDM de los servicios de fibra oscura. Permiten al operador literalmente ‘realquilar’ la misma fibra a diferentes usuarios. Una vez el operador decide instalar equipamiento DWDM en sus enlaces pasa a tener una gran cantidad de canales no utilizados, por lo que este servicio se puede ofrecer a los usuarios sin prácticamente realizar ninguna inversión adicional en la red. Evidentemente la rentabilidad será mayor cuanto mayor sea la distancia. Dado que los equipos actualmente disponibles para DWDM en el mercado soportan sobre todo trasnporte SONET/SDH es condición necesaria que el usuario utilice algún transporte compatible con esta tecnología, por ejemplo ATM o POS. En previsión de la difusión de este tipo de servicios los estándares de 10 Gigabit Ethernet especifican una forma de transportar tramas Ethernet a través de enlaces SONET/SDH OC-192. Esto pone de manifiesto (por si quedaba alguna duda) como Ethernet se va convirtiendo cada vez más en una tecnología válida no solo para LAN sino también para WAN. Ampliación Redes

Topologías de redes DWDM A (1) B (2) C (3) D (4) Punto a punto: A (1) B (2) C (3) D (4) OADM: Optical Add-Drop Multiplexor Punto a multipunto: A (1) B (2) C (3) E (4) A (1) B (2) C (3) D (4) Con DWDM se pueden crear topologías muy similares a las de SONET/SDH. Por ejemplo una conexión entre dos equipos DWDM como las que hemos descrito anteriormente, posiblemente con amplificadores intermedios, es equivalente a una configuración punto a punto de SONET/SDH. En el siguiente nivel de complejidad nos encontramos los OADM (Optical Add-Drop Multiplexor) que equivalen a los ADMs de SONET/SDH; en este caso se extrae o inserta una determinada longitud de onda de la fibra. Básicamente un OADM es un dispositivo capaz de extraer un canal de la fibra e insertar otro en su lugar, sin alterar para nada los restantes. Estas conversiones se realizan todas sin convertir las señales a formato eléctrico. Los canales que no son extraídos de la fibra por el OADM sufre una pequeña atenuación como consecuencia de su paso por el equipo, por lo que cuando hay muchos OADMs en un trayecto óptico la atenuación de la señal puede llegar a ser un problema. D (4) E ( 4) 1  (2ª ventana) 4  (3ª ventana) Ampliación Redes

Anillo DWDM B Similar a los anillos SONET/SDH 1 1 Anillo WDM 4  con protección C A 1 1 AB: 1 BC: 2 CD: 3 DA: 4 Siguiendo el paralelismo con las topologías de SONET/SDH podemos mediante OADMs construir anillos WDM en los que cada circuito utiliza una  diferente. En este ejemplo se utiliza 1 para establecer el enlace entre A y B, 2 para el B-C, 3 para el C-D y 4 para el D-A. Como ocurría en SONET/SDH cada enlace es full dúplex, con los datos girando en el mismo sentido a la ida y a la vuelta. De esta forma con cuatro  posible podemos establecer los cuatro enlaces utilizando una sola fibra (Como en SONET/SDH). La segunda fibra está de reserva, como ocurría entonces. Aunque en este ejemplo hemos conectado routers directamente a los OADMs también sería posible conectar ADMs, y constituir cuatro anillos SONET/SDH superpuestos, cada uno utilizando una  diferente. Para esto habría que colocar cuatro ADMs detrás de cada OADM. Los ADMs permitirían por ejemplo configurar en cada anillo cuatro circuitos OC-12. OC-48c f.d. (2ª vent.) D 4 * OC-48c (4  3ª vent.) 4 * OC 48c (4 3ª vent.) reserva Ampliación Redes

Tipos de OXC (Optical Cross Connect) F-OXC Fiber to Fiber Wavelength Routing WR-OXC Wavelength Translating WT-OXC Ampliación Redes

Topologías malladas con cross-connects Optical Cross Connect (OXC) 1310 nm 4 25 7 1310 nm Para la interconexión de anillos WDM o para constituir topologías más complejas se utilizan los OXC (Optical Cross-Connect), que equivalen en WDM a los Digital Cross-Connect de SONET/SDH. Con los OXC se puede fijar la ruta para un determinado circuito de forma que viaje por la parte de la red que se considere más adecuada, por ejemplo la ruta más corta o la que tenga mas  libres. El valor de  puede variar a lo largo del trayecto en función de los canales que haya libres en cada tramo, por lo que fijar la ruta de un circuito a través de la red es algo bastante similar a definir un PVC en una red ATM o Frame Relay. Una vez fijada la ruta esta no es modificable dinámicamente. Los primeros OXC realizaban una conversión eléctrica de las señales para realizar la conmutación, pero los equipos más modernos suelen hacer la conmutación de forma totalmente óptica. 1  32  Circuito OC-48 (2,5 Gb/s) Ampliación Redes

Routers por longitud de onda Con WDM se puede enrutar el circuito del usuario eligiendo la  por separado en cada línea (parte del trayecto) Los routers por longitud de onda (‘wavelength routers’) eligen una  libre para cada línea y convierten el flujo de datos a la nueva  en caso necesario Se trata realmente de un servicio de conmutación de circuitos La selección se puede hacer de forma manual (routing estático) o automática, mediante un protocolo de routing El problema es muy similar a la asignación de etiquetas en el trayecto por una red MPLS. Por eso se ha desarrollado el protocolo conocido como GMPLS (Generalized MPLS). Ampliación Redes

Red con Lambda Switching Routers Ampliación Redes

Red MPLS Ampliación Redes

Evolución de las infraestructuras de transporte Ampliación Redes

Evolución prevista del mercado de equipamiento óptico Ampliación Redes

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Alternativas en redes sobre Fibra Óptica Router/Switch SDH GE/10GE DWDM Fibra Óptica Ampliación Redes

Evolución del transporte de IP Ampliación Redes

Redes Totalmente Ópticas El siguiente paso en la WDM es la conmutación óptica de paquetes, sin convertirlos en señales eléctricas. Esto está ‘a la vuelta de la esquina’. Actualmente ya es posible hacer buffering de paquetes a nivel óptico. Los bits se pueden aguantar ‘rodando’ en una bobina de fibra. Para almacenar 512 byes a 10 Gb/s hacen falta unos 150 m de fibra. De momento no hay productos comerciales, solo prototipos de laboratorio Ejemplo: proyecto europeo KEOPS (Keys to Optical Packet Switching): Con los routers por longitud de onda podemos fijar dinámicamente la ruta de un circuito; se trata pues de una red de conmutación de circuitos. Pero estos routers no analizan el contenido de los datos transmitidos a nivel digital, funcionan como una conexión a nivel de enlace. El paso siguiente sería manejar la red óptica como una red de conmutación de paquetes, esto nos permitiría por ejemplo aprovechar la capacidad no utilizada en un canal para encaminar trafico excedente de otro canal. Esto requiere disponer de routers capaces de conmutar paquetes en formato óptico, y de hacer buffering de los mismos sin transformarlos en formato eléctrico. No existen actualmente productos comerciales que implementen estas funciones, pero algunos experimentos de laboratorio ya lo han conseguido. Para almacenamiento de corta duración se pueden utilizar bobinas de fibra en las que se ‘entretiene’ el haz luminoso que contiene la información. A la velocidad de 10 Gb/s 150 metros de fibra óptica pueden almacenar 512 bytes de dtaos, aunque esto es un almacenamiento de muy corta duración. Para almacenar datos durante un tiempo mayor se ha de convertir a formato eléctrico y almacenar en semiconductores a la manera tradicional. Ampliación Redes

Ampliación Redes

Evolución de las redes ópticas
Tendencias de Internet en el Nivel Físico Evolución de las redes ópticas 1989: WDM (2 ) 1991: WDM (8 ) 1995: WDM (40 ) 1998: OADM, WDM (160 ) 1999: OXC (Optical Cross Connect) 2000: Routers de conmutación de Lambdas 200?: Routers ópticos (conmutación de paquetes) Ampliación Redes

Proyecto iniciado en 1996 en EEUU por el UCAID (University Corporation for Advanced Internet Development) para potenciar el avance de Internet en entornos de I+D Muy relacionado con Internet 2 esta el proyecto NGI (Next Generation Initiative) promovido por el Gobierno Federal de los EEUU Internet 2 es una red ‘virtual’; como infraestructura utiliza principalmente vBNS (desde 1996) y Abilene (desde 1999), dos backbones de alta velocidad de EEUU. También participan redes de otros países, entre ellos TEN-155, la red I+D europea Actualmente engloba 160 universidades, 40 empresas y otras 30 organizaciones Ampliación Redes

Topología de Internet2 C C C C C C GigaPoP GigaPoP GigaPoP vBNS C C L NGIX: Next Generation Internet Exchange Otras Redes L NGIXs C Abilene C C C PoP: Point of Presence GigaPoP GigaPoP GigaPoP C C C C C C Ampliación Redes

Backbone de vBNS Ampliación Redes

Enlaces OC-48 y OC-192 POS y DWDM Mapa ‘climático’: loadrunner.uits.iu.edu/weathermaps/abilene/ Ampliación Redes

CA*net 3 National Optical Internet CA*net 3 Primary Route CA*net 3 Diverse Route GigaPOP ORAN Deploying a 4 channel CWDM Gigabit Ethernet network – 700 km Deploying a 4 channel Gigabit Ethernet transparent optical DWDM– 1500 km Condo Dark Fiber Networks connecting universities and schools Condo Fiber Network linking all universities and hospital Multiple Customer Owned Dark Fiber Networks connecting universities and schools Netera SRnet MRnet ACORN BCnet St. John’s Calgary Regina Winnipeg Charlottetown ONet RISQ Fredericton Vancouver 16 channel DWDM -8 reserved for CANARIE -8 wavelengths for carrier and other customers Montréal Halifax Ottawa Seattle Pacific Wave STAR TAP Toronto Chicago New York Ampliación Redes

Red de fibra óptica de Ebone 1 Tb/s Total fibra: Km Total lambdas: Km Utiliza infraestructura de ferrocarriles europeos Ampliación Redes

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Ejemplo: Evolución en la conectividad de la Comunidad Valenciana a RedIRIS Ampliación Redes

Fase 1 ( ): Servicio ATM (PVC CBR Gigacom de Telefonica) GVA UMH PVC asimétrico UJI UA RedIRIS RedIRIS Madrid UV Red ATM de Telefónica STM-1 (155 Mb/s) E3 (34 Mb/s) UPV E1 (2 Mb/s) PVC ATM Ampliación Redes

Fase 2 (2001): Circuito ATM sobre anillo SDH (STM-1 de Telefonica) UA UMH GVA UJI UCH RedIRIS RedIRIS Madrid UV STM-1 (155 Mb/s) E3 (34 Mb/s) UPV E1 (2 Mb/s) PVC ATM Ampliación Redes

Fase 2,5 (2002): Circuito POS sobre anillo SDH (STM-1 de Telefonica) UA UMH GVA UJI Interfaces POS UCH RedIRIS RedIRIS Madrid UV STM-4 (622 Mb/s) STM-1 (155 Mb/s) UPV E3 (34 Mb/s) E1 (2 Mb/s) PVC ATM Ampliación Redes

Fase 3 (2003): Circuitos POS en red IP mallada (STM-16 de Red Eléctrica) UA UMH GVA UJI Barcelona UCH RedIRIS RedIRIS Madrid UV Sevilla STM-16 (2,5 Gb/s) Gigabit Ethernet STM-4 (622 Mb/s) UPV STM-1 (155 Mb/s) E3 (34 Mb/s) E1 (2 Mb/s) PVC ATM Ampliación Redes

Topología de RedIRIS 2 Funcionamiento previsto primer trimestre 2003 Ampliación Redes

Referencias Redes avanzadas Internet 2: Abilene (USA): vBNS (USA): Next generation Internet (USA): Gigabit testbed (Alemania): Gigaport (Holanda): Redes europeas de I+D: CA*net3 (Canadá): Resumen iniciativas: Redes Ópticas Ampliación Redes

Referencias GMPLS: Vinay Ravuri’s GMPLS/MPLS Page: Monitorización: Cooperative Association for Internet Data Analysis: Abilene NOC: Mapa climático Abilene: loadrunner.uits.iu.edu/weathermaps/abilene/ Estandarización: Optical Interoperability Forum: Aplicaciones Electronic Visualization Laboratory: Internet2 Digital Video Initiative: i2dv.nwu.icair.org International Center for Advanced Internet Research: Distributed Storage Infrastructure: dsi.internet2.edu Ampliación Redes

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