Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones

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1 White Paper Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones By: Werner Habisreitinger Resumen ejecutivo La innovación, es la línea de vida para sobrevivir en el mercado de las telecomunicaciones, ha estimulado la industria de las telecomunicaciones para adoptar la Nueva Generación de SONET/SDH como la solución más económica y tecnológicamente feasible para transmitir Voz y Datos en redes de transporte. De acuerdo con Marian Stasney, analista senior de una organización dedicada al análisis de empresas relacionadas con el mercado de dispositivos electrónicos, Mientras la demanda de ancho de banda se incremente, o el equipo se torne obsoleto en redes metropolitanas, los proveedores de servicios comprarán equipo de Nueva Generación SONET/SDH para ahorrar costos iniciales, gastos a largo plazo, energía y espacio. De hecho la misma organización estima que el mercado de los dispositivos de Nueva Generación SONET/SDH es de $2.7 billones, y con un tasa de crecimiento anual de 34%, se tiene calculado que las ventas mundiales alcancen cerca de $12 billones de dólares en el Diseñada para optimizar el tráfico basado en TDM, la tecnología SONET/SDH es muy robusta y segura, conteniendo mecanismos integrados para proveer 99.99% de disponibilidad de la red. Sin embargo los anillos de SONET/SDH, que son la conexión primaria con la Red de Área Metropolitana (MAN), no están diseñados para manejar eficientemente muchos paquetes de datos. Las limitaciones adicionales en el desempeño son el resultado de las múltiples capas de la MAN excesivamente complejas de tecnologías, pobremente integradas las cuales limitan la flexibilidad. Además de estas dificultades esta la inmensa cantidad de tráfico de datos generados en las redes LAN, con conexiones de banda ancha DSL, Redes de Área de Almacenamiento SAN, y memoria temporal local de los ISP. El estrés que estas aplicaciones causan a la infraestructura ponen a los operadores en un riesgo financiero ya que todavía no están listos para entregar los servicios con los niveles de desempeño demandados por el mercado. Sin mejoras a las redes MAN, los operadores no contáran con la flexibilidad para manejar el ancho de banda o la habilidad para aprovisionar servicios rápidamente y asegurar tanto la escalabilidad de la red como la eficiencia operacional. Sin embargo, los operadores saben que su supervivencia económica depende en tener la capacidad de optimizar la red existente de transporte SONET/SDH sin gastar grandes cantidades de dinero o sacar de servicio la infraestructura actual. Nuevas Ventajas de la Generación SONET/SDH sobre Ethernet La nueva generación SONET/SDH es un término sombrilla que describe un rango de desarrollos basados en estándares y propietarios que están construidos en la infraestructura disponible SONET/SDH. Desplegado en primer lugar por operdores de larga distancia como una forma para soportar nuevos servicios tales como Ethernet, Fibre Channel, ESCON, y DVB, la nueva generación SONET/SDH permite la entrega de datos con alta velocidad, y muy alto ancho de banda aún con presupuestos muy limitados. Propriedades de los servicios de Datos Transporte asíncrono Ancho de Banda Dinámico No orientados a conexiópn Propriedades de SONET/SDH Transporte síncrono Ancho de Banda constante Orientada a conexión La proliferación de Ethernet en redes LAN es debido en gran parte a su simplicidad y su efectividad a bajo precio. Las tasas de las líneas estándares de Ethernet son de 10/100/1000 Mbps con 10 Gbps contendiendo por una presencia significativa en las redes MAN. Debido a que Ethernet esta basado en el principio del mejor esfuerzo, la transferencia de datos no esta garantizada, he allí la preocupación de que Ethernet no puede proveer una buena calidad de servicio, seguridad, redundancia, y capacidad de restauración necesarias para el tráfico de voz y datos. WEBSITE:

2 White Paper: Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones 2 El nuevo estandar de Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, no solo será 10 veces más rápido que su predecesor, si no que estara diseñado para promover la convergencia de las tecnologías de redes. Sin embargo, para enviar una señal de 10 Gigabit Ethernet directamente a un sistema de SONET/SDH ADM, el equipo terminal de línea Ethernet debe almacenar en el buffer la señal entrante y convertirla a una señal soportada por SONET. Aunque Gigabit Ethernet provee una trama común desde la PC hasta el backbone, una tecnología que sirviera como servicio de transporte para almacenamiento de datos brutos y de audio/video, independiente del protocolo, era necesario. Fibre Channel (FC) fue diseñado para eliminar muchas limitantes del desempeño originadas por redes LAN y en canales suministrando tecnología escalable Gigabit, control, auto administración y rentabilidad a distancias de hasta 10 km. Gigabit Ethernet Fibre Channel Aplicaciones Redes de Datos Redes SAN audio/video, datos Velocidad de línea 1.25 Gbps 1.06 Gbps, 2.12 Gbps, 10 Gbps Tamaño de Tramas Variable, kb Variable, 0-2 kb Conexiones No Si Sin embargo, cuando el FC deja la red SAN e interactúa con la SONET/SDH, ocurren errores y pérdidas de tramas. Aunque TCP corrija esto, los retrasos y el reducido ancho de banda, generan problemas de desempeño. LAN Virtual Private Network (VPN) Ethernet LAN PC Core network SONET/SDH Server Fiber Channel Edge network SONET/SDH Storage Area Network (SAN) Storage server Figura1: Los nuevos servicios exigen nuevos requisitos en herencia SONET/SDH La nueva generación de SONET/SDH extiende la utilidad de la red existente de SONET/SDH utilzando la red existente de capa 1 e incluyendo tecnologías tales como la concatenación virtual (VC), el procedimiento genérico de trama (GFP), y el esquema de ajuste de la capacidad de enclaces (). Componentes de la nueva generación SONET/SDH Concatenación Virtual El método tradicional de concatenación, tal como se define en estándares como ITU-T G.707, es llamado contiguo. Esto significa que los contenedores adyacentes son combinados y transportados a través de la red SONET/SDH como un solo contenedor. Las limitaciones de las concatenaciones contiguas son la necesidad de que todos los nodos de la red que forman parte de la trayectoria de transmisión deben ser capaces de reconocer y procesar el contenedor concatenado y la falta de granularidad de ancho de banda, que hacen que el transporte de altas cantidades de señales de datos sea ineficiente. 2

3 White Paper: Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones 3 La concatenación virtual, como recientemente definió la ITU, dirige las desventajas asociadas con el método contiguo. La concatenación virtual mapea contenedores individuales en un enlace virtualmente concatenado. Cualquier número de contenedores puede ser agrupado, esto provee mejor granularidad en el ancho de banda que el obtenido usando técnicas tradicionales. Adicionalmente, esto permite a los operadores de redes ajustar la capacidad de transporte requerido para el servicio del cliente para su mejor eficiencia. Debido a que los nodos intermedios de la red tratan cada contenedor en el enlace como uno estándar, solo el equipo de inicio de trayectoria y el del fin de trayecto necesitan reconocer y procesar la estructura de la señal virtual concatenada. Esto significa que cada enlace puede tomar su propia trayectoria a través de la red, lo cual puede conducir a diferencias de fase entre los contenedores llegando al equipo terminal de trayectoria, requiriendo al equipo almacenar en el buffer los retrasos. Servicio Efficiencia de la capacidad de Transporte sin VC Efficiencia de la capacidad de Transporte con VC Ethernet (10 Mbit) VC-3 --> 20% VC-12-5v --> 92% Fast Ethernet (100 Mbit) VC-4 --> 67% VC-12-47v --> 100% ESCON (200 MByte) VC-4-4c --> 33% VC-3-4v --> 100% Fibre Channel (1 Gbit) VC-4-16c --> 33% VC-4-6v --> 89% Gigabit Ethernet (1000 Mbit) VC-4-16c --> 42% VC-4-7v --> 85% Hoy en día las granularidades del transporte estan definidas por las tasas de líneas estándar STM-0/1/4/16 y STM-64 (OC-1/3/12/48 y OC-192). Por ejemplo, un servicio de 1 Giga es transportado por un canal STM-16. En este caso, la eficiencia actual de la capacidad de transporte es de alrededor del 42%. El grupo VC-4-7v es un grupo virtual concatenado (VCG), donde VC-4 define la granularidad básica y 7v define el número de miembros en el grupo, por aproximadamente un 85% de mejora en la eficiencia. La información requerida para concatenación virtual es transportada en el encabezdo de trayectoria (path overhead) de los contenedores individuales. SDH SONET Trayectoria de alto orden H4 H4 Trayectoria de bajo orden K4 Z7 Los parámetros requeridos para concatenación virtual son el contador de trama (MFI) y el número de secuencia (SQ). Debido a que los miembros de un VCG puedan viajar a través de la red por diferentes trayectorias, no significa que todos los miembros lleguen al puerto de destino al mismo tiempo. Para eliminar este retraso diferencial y garantizar la integridad de todos los miembros en un grupo, un número de secuencia (SQ) es asignado a cada miembro. STS-n-2v VC-n-2v n n Link 1 SONET/SDH STS-n-2v VC-n-2v n n Link 2 Differential delay t Figura 2: Retraso diferencial causado por distintos caminos a través de la red 3

4 White Paper: Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones 4 El MFI puede detectar retrasos diferenciales entre miembros del VCG y compensarlos hasta en 512 ms. Los parámetros que describen el contador de trama y el número de secuencia están resumidos en la siguiente tabla. Número de Tramas Número de Secuencia Trayectoria de alto orden Trayectoria de bajo orden Ethernet Ficon Escon Fiber channel Native interfaces GFP Generic Frame Procedure VC Virtual Concatenation Link Capacity Adjustment Scheme MUX/DEMUX SONET/ SDH Figura 3: Resumen de la Nueva Generación SONET/SDH Procedimiento de Tramado Genérico (GFP) Las técnicas de encapsulado tales como los procedimiento de trama de (GFP) debe ser aplicado para adaptar las ráfagas de tráfico asíncrono y las tramas de distintos tamaños antes que el tráfico de servicio de datos como IP/ PPP, Ethernet MAC, Fibre Channel, ESCON y FICON sea transportado sobre redes SONET/SDH. GFP adapta una corriente de datos basados en tramas en corrientes de datos orientados a bytes, por medio de mapeos de los diversos servicios en una trama de propósito general, la cual es después mapeada en las conocidas tramas de SONET/SDH. Esta estructura de trama es mejor para detectar y corregir errores y para proveer mejor eficiencia en el ancho de banda que los procedimientos tradicionales de encapsulado. Core header Payload headers Client payload information Optional payload FCS Figura 4: Trama GFP Las cuatro partes que comprende la trama del procedimiento GFP son: Encabezado Principal, Encabezado de Carga Útil, Áea de Carga Real, y campos opcionales para detección de errores El Encabezado principal define la longitud de la trama GFP y detecta errores del CRC El Encabezado de Carga Útil define el tipo de información transportada, ya sean tramas de administración o de clientes, así como el contenido del área de carga La información de la carga del Cliente define la carga de transporte real Las tramas opcionales del FCS detectan errores Hay actualmente dos modos de señal del Cliente definidas para el procedimiento GFP: GFP con trama (GFP-F), donde una trama de señal de datos es completamente mapeada a una trama GFP GFP transparente (GFP-T), donde los códigos de los bloques de la señal de datos son los mapeados a una trama GFP periódica El modo usado es dependiente del servicio transportado, sin embargo a la fecha, Ethernet es la señal de datos de Cliente definido por el GFP-F, y próximamente canales de Fibra. El procedimiento GFP-T mapea cualquier 4

5 White Paper: Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones 5 señal de datos del Cliente incluyendo Ethernet, Fibre Channel, y ESCON. Los servicios mapeados vía GFP-F utilizan la menor cantidad de encabezados para garantizar la mejor eficacia del ancho de banda, donde la prioridad de esos mapeos vía GFP-T es el transporte rápido y eficiente de los datos. Adicionalmente al procedimiento GFP como mecanismo de adaptación, existen otros métodos. De estos, el protocolo de acceso de enlance (LAPS) y el control de enlace de datos de alto nivel (HDLC) son dos mecanismos de entramado predominantes. Sin embargo, GFP soporta múltiples servicios, y tiene mayor flexibilidad de tal manera que puede ser usado en combinación con ONT con mayor estabilidad, la cual ofrece la posibilidad de introducir estructuras múltiples de GFP. Modo Descripción Aplicación GFP-F GFP-T El servicio es mapeado trama por trama a la trama GFP Encabezados mínimos Longitud de trama GFP variable El servicio es mapeado byte por byte a la trama GFP. Optimiza el retrazo de transferencia Longitud de trama GFP constante Fast Ethernet, Gig Ethernet, IP, etc. Fibre Channel, FICON, ESCON, Ethernet, DVB, etc. El desarrollo mas reciente de un estándar, es el protocolo, el cual corre entre dos Elementos de Red que están conectados en una interfase del cliente hacia la tradicional red SONET/SDH. Cada byte H4/K4 transporta un paquete de control, el cuál contiene información sobre la concatenación virtual y sobre los parámetros del protocolo. Para determinar que miembros de un grupo VCG están activos y cuales son usados, permite al equipo origen, cambiar dinámicamente el número de contenedores en un grupo concatenado en respuesta a un cambio en tiempo real de los requisitos del ancho de banda. Este incremento o decremento en el ancho de banda de transporte puede ser realizado sin influenciar negativamente el servicio. Por ejemplo, una compañía que tiene un enlace de 500 Mbps entre sucursales durante un día hábil necesita un ancho de banda más grande para ejecutar actualizaciones en horas sin uso. Con, 1 Gig de ancho de banda adicional es automáticamente aprovisionado sin ningún impacto adicional al servicio. Los siguientes parámetros en el paquete de control son relevantes para el protocolo : Comandos de Control (CTRL) sincronizan la fuente y el receptor y transportan la información respetando el estatus de los miembros individuales de los grupos VCG El identificador de fuente (GID) le dice al receptor a cual VCG pertenece cada miembro Resequence Acknowledgement, reconocimiento de re-secuencia (RS-Ack) notifica a la fuente que el receptor recibió los cambios iniciales El estatus del miembro (MST), transfiere el estatus del enlace desde el receptor hasta la fuente de cada miembro del VCG (OK=0, FAIL=1) Error de protección (CRC), detecta errores y desecha paquetes de control erróneos para miembros individuales del VCG 5

6 White Paper: Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones 6 Frame counter VCG sequence indicator control commands source identifier resequence acknowledgement member status error protection MFI SQ CTRL GID RS-Ack MST CRC Virtual concatenation information Figura 5: Control de Paquetes VC/ information Pruebas ínter operables El componente clave para asegurar el servicio Las pruebas son la clave para sobrepasar los retos de entrega de servicios asíncronos sobre redes síncronas SONET/SDH. No es solo el primer paso, es también necesario que en los siguientes procesos para garantizar que todas las capas, desde la capa de servicio hasta la capa GFP así como VC y, funcionen normalmente. Áreas a probar Transparencia de Servicio Las pruebas en servicios orientados a paquetes como Ethernet deben ser ejecutados en todos los Elementos de Red, incluyendo las interfaces de SONET/SDH y PDH entre Clientes, la red MAN, y la red central. Adicionalmente: Cada trama recibida de Ethernet es analizada para encontrar errores y alarmas Los perfiles de tráfico de la utilización de la red son generados para indicar como los usuarios nuevos y finales se comportan y para determinar si el tráfico es constante o intermitente El peor caso de análisis es realizado con el mapeo y demapeo de un gran número de pequeñas tramas Ethernet y otras condiciones anormales como las tramas demasiado grandes Adaptación del Ancho de Banda Para acomodar la demanda del ancho de Banda de Ethernet del Cliente, el cuál ha crecido de 10 Mbps hasta 30 Gbps, GFP, como la capa de adaptación, utiliza todo el ancho de Banda (llenándolo) disponible de la red de transporte. Cuando se necesita mayor ancho de Banda los contenedores Virtuales son agregados al grupo VCG, el cual, GFP, automáticamente lo reconoce disparándolo para proveer ancho de Banda adicional. Por medio de pruebas a los elementos de red, se verifica su habilidad para agregar y remover Contenedores Virtuales y se provee la confirmación de que GFP puede responder de manera apropiada a cualquier cambio. Mecanismo de compensación para Retardo Diferencial Cuando la red soporta la Concatenación Virtual, la carga útil es separada y enviada por diferentes trayectorias por una red de larga distancia. Debido a que esas dos trayectorias no son de la misma longitud y contienen diferente número de Elementos de Red, los miembros del grupo VCG no alcanzan el punto final al mismo tiempo. Antes de reensamblar la carga útil, el equipo terminal debe compensar este diferencial de retardo. Sin embargo, debido a que en este proceso se consume energía computacional y espacio en memoria, este debe ser revisado completamente para asegurarse que esta siendo implementado correctamente. 6

7 White Paper: Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones 7 Para prevenir un bajo throughput, la pérdida de carga útil, o el colapso total de esta conexión, es importante pobar: La habilidad de los Elementos de Red para almacenar los miembros de un grupo para compensar las diferencias por retraso El re-ensamble de los miembros de un grupo en el VCG completo Adaptación del Ancho de Banda Dinámico Si el protocolo es utilizado, simulando el incremento y decremento del uso del ancho de banda por medio de la manipulación del estado de máquina del, se puede verificar si el protocolo fue implementado correctamente. Debido a que el protocolo no es simétrico, es necesaria una prueba hacia delante y hacia atrás simultáneamente manipulando los comandos de control en el Paquete de Control y monitoreando la respuesta de los elementos de red. Tambien es requerida la verificación de cómo los elementos de red responden si algunos comentarios estandarizados no son usados. Es importante tener la habilidad para realizar pruebas con el equipo que tiene capacidad de handshake y que pueda validar la adaptación del ancho de banda sin interrumpir el servicio. OC-48/STM-16 Out In Cross connect In Out VCG GFP MAC Out VCG GFP MAC In Management Ethernet Figura 6: Pruebas ínter operables usando el equipo de Acterna ONT-50 Integridad de las Interfaces de los Elementos de Red Después de que los Elementos de Red de la Nueva Generación se integran a la red SONET/SDH tradicional, estos deberán ser probados para ver su conformidad con las recomendaciones ITU-ANSI/Telcordia. En particular las pruebas están diseñadas para verificar la correcta implementación de reacción de alarmas y los errores de los identificadores de trazos y del contenido de encabezados de trayecto. Aunque hoy en día, la carga útil del cliente del VCG es transportada por un gran contenedor concatenado que proporciona capacidad extra, los grupos VCG combinan un número de pequeños contenedores virtuales para proveer capacidad individual de transporte. Por lo tanto para verificar la conformidad con las recomendaciones ITU, todas las pruebas deben ser realizadas en cada pequeño contenedor. Además de las interfaces SONET/SDH, todas las interfaces del cliente deben ser probadas. 7

8 White Paper: Nueva Generación SONET/SDH Tecnologías y Aplicaciones 8 Conclusión La enorme ventaja de la SONET/SDH de nueva generación es que permite a los operadores introducir nuevas tecnologías a sus redes tradicionales SONET/SDH reemplazando sus elementos de red perimetrales. Con esta capacidad, tanto los servicios TDM y como los orientados a paquetes son manejados eficientemente en la misma longitud de onda. Además, hay mejoras significativas, en el modo en que las redes SONET/SDH manejan el ancho de banda para información en paquetes así como granularidad mas grande mientras se mantiene las funciones críticas de redes TDM tradicionales. La flexibilidad de la SONET/SDH de nueva generación permite a los operadores de red construir una red usando plataformas para multiservicios híbridos TDM/paquetes o proveer solo la transmisión fundamental de tramas de bits lineales. Con la transición de la industria de las telecomunicaciones, el énfasis de los operadores es cumplir con las necesidades del cliente con ajustado presupuesto. La SONET/SDH de nueva generación no solo es rentable sino que aumenta las capacidades de las redes tradicionales. Al integrar redes de nueva generación a redes tradicionales se tienen mayor latencia, calidad y disponibilidad de servicio pero algunas pruebas y monitoreo se utiliza para asegurar que la mezcla de tecnología puedan proveer la demanda creciente de ancho de banda. Los operadores que dejen pasar esos importantes avances, no ahorraran dinero en el largo plazo. Sin la verificación constante de que los elementos de red se desempeñan correctamente, no solo la calidad de servicio se pone en riesgo, los costos a largo plazo asociados con constantes interrupciones al servicio, tiempo de inactividad y mantenimiento innecesario previenen a los operadores,operar provechosamente o consolidar una base de clientes leales. All statements, technical information and recommendations related to the products herein are based upon information believed to be reliable or accurate. However, the accuracy or completeness thereof is not guaranteed, and no responsibility is assumed for any inaccuracies. The user assumes all risks and liability whatsoever in connection with the use of a product or its applications. JDSU reserves the right to change at any time without notice the design, specifications, function, fit or form of its products described herein, including withdrawal at any time of a product offered for sale herein. JDSU makes no representations that the products herein are free from any intellectual property claims of others. Please contact JDSU for more information. JDSU and the JDSU logo are trademarks of JDS Uniphase Corporation. Other trademarks are the property of their respective holders JDS Uniphase Corporation. All rights reserved NEXTGEN.WP.OPT.TM.SP Test & Measurement Regional Sales NORTH AMERICA TEL: FAX: LATIN AMERICA TEL: FAX: ASIA PACIFIC TEL: FAX: EMEA TEL: FAX: WEBSITE: