REDES ÓPTICAS Alberto Rodríguez Gómez Escuela Técnica Superior de Ingeniería-ICAI. Universidad Pontificia Comillas. Asignatura: Comunicaciones Industriales Avanzadas. Curso 2011-2012 RESUMEN Las Redes Ópticas, como redes de telecomunicaciones (redes WDM), son descritas en este documento desde las redes de primera generación hasta la de tercera generación. Se define y se describe la capa óptica, las capas clientes (SDH, ATM, IP, MPLS. Fibre Channel y Gigabit Ethernet) a las que da servicio en la estructura de red. Como componentes avanzados se detallan las funcionalidades de los terminales ópticos de línea (OLTs), los multiplexores de adición/extracción ópticos (OADMs), y las matrices de conmutación ópticas (OXCs), así como los filtros y los conversores de longitudes de onda, que proveen a la red de los caminos ópticos con una determinada longitud de onda. Se indican las ventajas e inconveniente de los proyectos más representativos de conmutación de paquetes ópticos de la última década. Se concluye, por último, con los aspectos relativos a la evolución futura de estas redes de transporte óptico: necesidad de una nueva plataforma de transporte de datos, o los routers de conmutación de paquetes ópticos. 1. Introducción 1.1. Redes Ópticas Se define una Red Óptica como una red de telecomunicaciones donde los enlaces de transmisión son de fibras ópticas, y la arquitectura se diseña para ser explotada con estas características. El diseño e implementación exige una combinación compleja de elementos ópticos y electrónicos, así como un software que garantice el correcto funcionamiento con una concepción de modelo de capas. En los últimos años se ha experimentado una creciente demanda de ancho de banda con tendencia a seguir en el futuro, provocado por el creciente número de aplicaciones y sistemas de banda ancha accesibles a los usuarios, así como la aparición de aplicaciones multimedia basadas en el protocolo de Internet IP. Este aumento de ancho de banda requiere disponer de redes de transporte que soporten tráfico agregado (suma de tráficos de usuarios finales) por encima del Gigabit por segundo y del Terabit por segundo. En los sistemas actuales la tecnología de fibra y los sistemas de transmisión de canales por multiplexación densa de onda (DWDM) 1 pueden satisfacer este incremento de ancho de banda. Motivos económicos justifican la implantación de estas redes ópticas: mayor ancho de banda por menos precio. Otro motivo radica en la obsolescencia de las tecnologías de las redes de transporte como la jerarquía digital síncrona SDH (Synchronous Digital Hierachy), el modo de transferencia asíncrono ATM (AsynchronouTransfer Mode). Este transporte se percibe como demasiado cargado de cabeceras eléctricas y relativamente ineficientes para la transmisión de datos. 1 Véanse los acrónimos en el Glosario, al final del documento. 1
El transporte de aplicaciones que emplean IP se sustenta a su vez en ATM y SDH como capas servidoras ya que proporcionan funciones como el establecimiento de caminos virtuales, calidad de servicio y mecanismos de protección de red ante fallos que no incorporan IP. El resultado final es que para transmitir paquetes de datos se hace necesario añadir un número considerable de bits de cabeceras correspondientes a las capas intermedias que se emplean para transmitir por la red de transporte. En consecuencia, se necesita el desarrollo de tecnologías que eliminen la necesidad de capas intermedias de la red de transporte y que trasladen las funciones que éstas realizan a una capa superior. Esta capa encargada de la transmisión óptica se denomina capa óptica, implementada en una red con componentes hardware fotónicos. Característica común a muchas de las redes existentes es la falta de capacidad de gestión de la red. La capa óptica de la red proporciona una plataforma para implantar funciones de control, gestión y protección de carácter flexible. 1.2. Redes Ópticas de primera y segunda generación Las redes ópticas de primera generación se caracterizan porque emplean la fibra óptica únicamente como medio de transmisión de alta capacidad sustituyendo el cobre. Las funciones de procesado, encaminamiento y conmutación se realizan en el domino eléctrico. Tiene una gran implantación en las redes públicas de telecomunicaciones y en la red de transporte pero no en la de acceso. Se diferencian muy poco respecto a las redes que no emplean fibra óptica, como en la red de transmisión, salvo el envío de información a alta velocidad a través de sus enlaces. Figura 1. Red Óptica de primera generación. Empleada para transmitir SDH. Esta red está constituida por un conjunto de anillos interconectados. Estos anillos transportan señales de velocidad moderada, y si el medio es fibra óptica transportan normalmente una única longitud de onda. La señal de velocidad moderada/alta es generada por multiplexación de división de tiempo eléctrica (ETDM). Véase la Figura 2. 2
Figura 2. Multiplexación por división en el tiempo eléctrico generando una señal multicanal transportada por una sola longitud de onda. Las señales digitalizadas de diferentes canales eléctricos se multiplexan de forma periódica en tramas de datos de forma que a cada canal le corresponde la misma ubicación temporal dentro de cada trama. La señal se emplea para modular una fuente óptica y poder enviar la señal de banda ancha a través del enlace de fibra óptica. Los sistemas comerciales ETDM disponibles alcanzan velocidades de 10 Gb/s a 40 Gb/s. En la red troncal se emplean anillos de fibra óptica de gran capacidad. Sus nodos están conectados por enlaces de fibra óptica punto a punto que transportan la señal multiplexada en longitud de onda (WDM). Las señales ETDM modulan n transmisores ópticos, cada uno de los cuales emite a una longitud de onda diferente λ 1, λ 2,, λ n, que se combinan al principio como un enlace de fibra mediante un multiplexor WDM. El conjunto de todos los canales se transmite por el enlace de fibra óptica que soporta una velocidad agregada de nnb bits/s, que puede llegar a Terabit por segundo. Finalmente al llegar al final la señal óptica compuesta se separa en los n canales ópticos originales mediante el demultiplexor WDM. Véase la Figura 3. Figura 3. Enlace punto a punto WDM empleado en la parte troncal. Al formarse un múltiplex de banda ancha y llegar a cualquiera de los nodos de la red, la señal se debe convertir necesariamente a formato eléctrico, puesto que cualquier operación de encaminamiento, conmutación, generación de alarmas o activación de la protección se realizará dentro de este dominio. El 85% de tráfico que atraviesa el nodo en una red no va destinado a dicho nodo por lo que la conversión a formato eléctrico va seguida de otra conversión a formato óptico, con el consiguiente desaprovechamiento de recursos y tarjetas eléctricas en los nodos. Se podría ahorrar si se pudiera realizar algunas de las funciones de conmutación y encaminamiento en el dominio óptico. Esta limitación existente en las redes de primera generación se intenta paliar en las redes ópticas de segunda generación. 3
En las redes ópticas de segunda generación se realizan las funciones adicionales a las de transmisión punto a punto en el dominio óptico. Se realizan las funciones de encaminamiento y conmutación dentro del dominio óptico, ahorrando equipos electrónicos en los nodos de las redes que emplean transmisión por fibra óptica. Otras funciones relacionadas con el control, la gestión y la protección de le red en el dominio óptico aportan notables ventajas en la segunda generación. Las funciones anteriores y otras futuras que puedan requerirse se establecen en una nueva capa dentro del modelo de capas de la red denominada capa óptica. Su misión es proporcionar una serie de servicios que permitan realizar las funciones de encaminamiento, conmutación, gestión y protección de forma óptica. Ocupa el nivel más bajo en la jerarquía de red y dará servicios a capas situadas por encima como la capa SDH, la ATM, y la IP que se denominan capas cliente. La misión de la capa óptica es proporcionar una serie de circuitos o caminos ópticos a los clientes: terminales SDH, ATM, routers IP, etc. Un camino óptico es una conexión óptica extremo a extremo donde la transmisión en los enlaces entre nodos intermedios se realiza empleando una longitud de onda. En los nodos intermedios los caminos ópticos son encaminados y/o conmutados a otros enlaces de salida pudiendo cambiarse o no la longitud de onda dependiendo de si se trata de una red que tenga conversión de longitud de onda. El camino óptico comparte muchas similitudes con las conexiones de una red basada en conmutación de circuitos, con la particularidad de que cada uno de ellos viene identificado por una longitud de onda diferente. Luego un enlace físico de fibra puede transportar a la vez varios caminos ópticos siempre y cuando no empleen la misma longitud de onda. La capa óptica de una red de segunda generación está formada principalmente por dispositivos fotónicos. Se presenta en la Figura 4 un esquema simplificado de estas redes de segunda generación. Figura 4. Esquema simplificado de una red óptica de segunda generación. Se distinguen tres elementos hardware principales en la capa óptica: Terminales de línea ópticos: OLTs (Optical Line Terminals). Se encargan de multiplexar/demultiplexar varias longitudes de onda de varias (una) fibras de entrada a una (varias) de salida. Insertores/extractores de canales ópticos: OADMs (Optical Add/Drop Multiplexers). Toman una señal WDM del puerto de entrada extrayendo de forma selectiva algunas 4
longitudes de onda hacia los puertos de salida. Pueden inyectar al mismo tiempo selectivamente longitudes de onda desde sus puertos locales hacia el puerto de salida. Matrices de conmutación óptica: OXC (Optical Crossconnect). Son matrices de conmutación óptica. Es decir dispositivos capaces de conmutar una longitud de onda presente en uno de sus puertos en uno de los puertos de entrada hacia cualquier puerto de salida. La conmutación puede llevar conversión o no de longitud de onda. Los caminos ópticos se pueden establecer para conectar routers IP o equipos SDH que actúan como clientes de la capa óptica. Varios caminos comparten el enlace WDM de fibra óptica entre el OXC 4 y el OXC 5, y pueden hacerlo puesto que emplean longitudes de onda diferentes. La longitud de onda λ 1, puede emplearse para establecer dos caminos ópticos diferentes como lo son los que conectan los terminales SDH B y C y el que conecta los terminales SDH D y E, ya que ambos no comparten ningún enlace de fibra. La introducción de la capa óptica implica una modificación en el modelo da capas de una red de telecomunicaciones que viene recogida en la recomendación G.872 sobre la arquitectura de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU). La capa óptica es una capa de servicio que proporciona caminos ópticos para otras capas clientes y se estructura en tres subcapas. Véase la Figura 5. Figura 5. Arquitectura de la capa óptica Recomendación G.872 de la ITU. SDH es cliente de la capa óptica 1.3. Redes todo ópticas y transparencia Los caminos ópticos proporcionados por la capa óptica pueden ser transparentes al formato, protocolo y velocidad de datos, una vez establecidas las conexiones. En tal circunstancia se dice que la red es transparente. La transparencia posee las siguientes ventajas: Posibilidad de proporcionar diferentes servicios en una única infraestructura. La posibilidad de que la infraestructura de la red soporte modificaciones en los formatos y futuros protocolos. Una red todo óptica (All optical network) es aquélla en la que los datos se transportan desde el nodo origen al nodo final en formato óptico sin que sufra conversiones optoelectrónicas ni electroópticas intermedias. Son redes idealmente transparentes pero inviables, ya que en la práctica se requiere realizar algún tipo de regeneración electrónica. En el otro extremo se encuentran las redes opacas, donde sólo es posible transmitir un determinado formato de señal y una determinada velocidad. Estas redes son poco flexibles y no pueden hacer frente a modificaciones en formato y 5
velocidad de las señales, aunque mantengan la capa cliente que se trasporta. En cambio, poseen la ventaja, con tarjetas y circuitos muy especializados, de la realización de tareas de supervisión y corrección de errores de los canales transportados. Se contempla en la actualidad un enfoque intermedio de las dos soluciones anteriores, para que sea capaz de transportar un determinado conjunto de formatos y velocidades. La regeneración se realiza fuera de determinadas regiones que se denominan islas de transparencia, donde no hay conversiones optoelectrónicas ni electroópticas. En la Figura 6 se muestra un ejemplo de red óptica con características intermedias entre una red todo óptica y una opaca. Se incluyen las islas de transparencia y la conversión optoelectrónica y electroóptica (OEO). Figura 6. Red óptica de características intermedias entre una red todo óptica y una opaca. 1.4. Redes de conmutación de paquetes ópticos Las redes ópticas de segunda generación se consideran redes basadas en conmutación de circuitos dado que se basan en el establecimiento y liberación de caminos ópticos. Ante el crecimiento anual, desde 1999, de la transmisión de datos sobre los servicios de voz, se plantea la posibilidad de que las redes ópticas dispongan de una capa óptica que también proporcione el servicio de conmutación de paquetes en el domino óptico, de modo que la red dé soporte a servicios basados en el establecimiento de circuitos virtuales y servicios de tipo datagrama. En la siguiente figura se dibuja el funcionamiento simplificado de una red de conmutación de paquetes ópticos. Figura 7. Modelo de red de conmutación de paquetes ópticos simplificado. 6
Un equipo o fuente asociada a un nodo de entrada genera la señal de información que se convierte en una serie de paquetes ópticos que se envían a través de los enlaces de fibra óptica de la red. Cada paquete contiene un campo de datos o carga y una cabecera que incluye la dirección del nodo destino. Al llegar a un nodo o router intermedio se deben realizar varias funciones: Primero, se ha de separar la cabecera de la carga. La información contenido en los bits de cabecera se leen para determinar la dirección final del paquete. De acuerdo con la información almacenada sobre el estado de la red en las tablas de encaminamiento, se obtiene el puerto de salida y la longitud de onda que asigna la carga. Mientras tanto, se almacena en memoria o buffer óptico. Determinada la información de salida del paquete se ha de restituir la cabecera antes del envío al próximo router. Véase la Figura 8. Figura 8. Configuración interna posible de un router óptico. Los problemas que se encuentran a nivel de la tecnología se resumen en los siguientes: 1º) La lectura y procesado de las cabeceras directamente en el domino óptico es factible para estructuras de pocos bits (1 ó 2) pero la extensión a un mayor número de bits e incluso a cabeceras de varios bytes. 2º) Otra dificultad reside en la elección técnica de multiplexación de cabecera y carga de paquetes ópticos. Existen varias alternativas como la multiplexación de cabecera y carga en el domino del tiempo o la transmisión de la carga empleando una portadora óptica junto con la cabecera multiplexada en dicho canal empleando una subportadora de radiofrecuencia. 3º) Otra importante dificultad reside en el hecho que no existe posibilidad de implementar buffers ópticos que sean fácilmente controlables que no se basen en líneas de retardo de fibra óptica. En la actualidad se está investigando dispositivos y medios capaces de ralentizar la velocidad de propagación de la luz, si bien los resultados obtenidos son preliminares sin aplicación inmediata comercial. Así mismo se investiga la opción más conveniente para realizar la segmentación de la información, sin tener claro si se prefiere la conmutación basada en paquetes (optical packet switching), etiquetas (optical label swapping) o ráfagas (optical switching). Muchas de las funciones de control del nodo exigen unos requisitos difíciles de implementar en el domino óptico. 7
2. Descripción detallada de la tecnología. 2.1. Capas cliente de una red Óptica Como se ha indicado anteriormente, en la redes de primera generación se emplea la fibra óptica como medio de transmisión, relegando las operaciones de encaminamiento, conmutación, gestión, operación y mantenimiento al dominio eléctrico. No se dispone de una capa física óptica sino que los enlaces de fibra se emplean para transportar en diversos formatos de señal eléctrica que incorporan el resto de funciones, conocidas como capas clientes. En cambio, las redes de segunda generación sí disponen de una capa óptica encargada de realizar una serie de funciones que permiten el establecimiento, mantenimiento y liberación de los caminos ópticos. Dichos caminos se caracterizan por la asignación de una longitud de onda específica que se encarga de transportar señales de formato eléctrico, es decir, capas cliente. Dado que las capas cliente condicionan en el presente y futuro el diseño de las redes ópticas, tanto de primera como de segunda generación, se dedica una reseña a las funcionalidades de dichas capas cliente. 2.1.1. Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH) La Jerarquía Digital Plesiócrona surge a finales de los años 60. Tiene las siguientes características. La unidad básica de PDH es una transmisión de 64 Kb/s que digitaliza una canal telefónico de 4 KHz con muestras de 8 bits. La transmisión multicanal se logra agregando canales digitales o tributarios en grupos (tributarios de orden superior) empleando multiplexación por división en el tiempo (TDM). En todas la jerarquías la unidad básica o nivel 0 es el canal de 64 Kb/s que permite constituir agregados (jerarquías superiores). En Europa con la agrupación de 32 canales de nivel 0 se obtiene un canal de nivel 1 a 2.048 Mb/s; 4 canales de nivel 1 dan uno de nivel 2 a 8.448 Mb/s, hasta llegar al nivel 4 con velocidad binaria de 139.264 Mb/s. Utiliza la multiplexación de canales no totalmente síncrono, de ahí el término plesiócrono. Ajusta las fases de las señales con una serie de bits de relleno entre los bits de datos. Requiere de equipos múltiplexores y demultiplexores para agrega o extraer canales de datos. 8
Figura 9. Jerarquías PDH. Múltiplex/Demúltiplex de canal de 2 Mb/s sobre enlace de 140 Mb/s. 2.1.2. Jerarquía Digital Síncrona (SDH) La Jerarquía Digital Síncrona constituye un esfuerzo por estandarizar las comunicaciones de voz eliminando los inconvenientes de PDH, como son el acceso a SDH a todos los tributarios de baja velocidad, directamente en una señal agregada de mayor capacidad, y el hecho de que la multiplexación es directa, al no haber bits de relleno. Las estructuras de multiplexación son recurrentes, es decir, una señal de mayor velocidad tiene una forma similar a una de menor, aunque de tamaños diferentes. La capacidad de operación, gestión, y administración de red (OAM) en SDH se incluye una información extra que viaja en los canales tributarios a través de toda la red. La flexibilidad que introduce el sincronismo como la sencillez que aporta la estructura recurrente de multiplexación favorece que además de la voz se puedan transmitir datos con SDH. SDH se define para dar soporte a redes de transporte desde los años 90. La ITU ha definido el modelo de capas: una red de transporte de tres capas, donde cada una de ellas realiza una función general y la capa inferior presta servicios a la superior. Esta capas son la de Circuito, con conexiones extremo a extremo, la de Trayecto o camino (path) que establece una ruta a través de los nodos y la capa de Transmisión formada por elementos físicos, fibras, láseres, amplificadores, transmisores de radio y antenas. Figura 10. Detalle de las capas en SDH. 9
La unidad básica de transmisión SDH es la transmisión por tramas STM-1 que corresponde a una velocidad de 155.52 Mb/s. Se puede transmitir a mayor velocidad formando agregados estándar mediante la multiplexación entrelazada de las columnas de señales STM-1. En la tabla siguiente (Tabla 1) se especifican las combinaciones tanto de SDH como para SONET en los EE.UU. SONET SDH Bi Rate (MBPS) STS-1 51,84 STS-3 STM-1 155,52 STS-12 STM-4 622,08 STS-24 1.244,16 STS-48 STM-16 2.488,32 STS-192 STM-64 9.953,32 STS-768 STM-256 39.814,32 Tabla 1. Agregados estándar para SDH y SONET. 2.1.3. Modo de Transferencia Asíncrono (ATM) El modo de transferencia asíncrona, ATM, es un estándar desarrollado en los años 80 concebido para ser transportado por SDH. Emplea celdas de tamaño fijo de 53 bytes como compromiso entre la voz y los datos. Tiene una cabecera de 5 bytes y 48 bytes para la carga que transporta la celda. A diferencia de SDH, la transmisión de tramas no es continua, sino que las celdas se transmiten cuando hay información que enviar. La red ATM suele ser mallado, siendo los elementos centrales conmutadores ATM que se interconectan con enlaces punto a punto e interfaces ATM. Ofrece calidad de servicio (QoS) al realizar la conmutación a nivel de celda ATM y ser éstas de tamaño fijo y reducido. Los conmutadores ATM se conecta a equipos SDH por interfaces ópticos. Como servicio orientado a la conexión, antes de la transmisión existen un conjunto de circuitos virtuales establecidos y recursos que se emplean para enviar las celdas desde el origen a destino. Emplea la conmutación incluso en entornos LAN. El carácter fijo de las celdas posibilita la transmisión de diferentes servicios como voz, datos y vídeo. La arquitectura ATM utiliza el modelo de tres planos y cada plano abarca todas las capas: plano de control, de usuario y de gestión. Las capas ATM son: capa física, capa ATM, capa de adaptación a ATM y capas superiores. Figura 11. Capas de la tecnología ATM. 10
2.1.4. Internet Protocol (IP) Es un protocolo muy empleado en las redes actuales. Se extiende su uso desde la red de redes a enlaces e intranets privadas. IP es una tecnología de nivel de red en el modelo OSI y está diseñado para trabajar sobre un diverso conjunto de protocolos de enlace de datos como lo son los relacionados con las redes LAN como Ethernet, Token Ring, sobre líneas de fibra óptica de alta velocidad empleando PPP (Point to Point Protocol) y HDLC (High Level Data Link Control). Figura 12. Capas y tecnologías OSI. Los dos protocolos usados para transmitir IP son: TCP (Transmission Control Protocol). Garantiza la fiabilidad de la conexión extremo a extremo. UDP (User Datagram Protocol). La información en IP se transporta en forma de paquetes y el elemento clave de la red es el router. El router encamina los paquetes procedentes de un enlace a su entrada hacia un el enlace a su salida. Por tanto, cada router mantiene una tabla de encaminamiento que posee, por cada destino final, una o más asignaciones de valores de nodos adyacentes hacia los cuales puede enviarse el paquete a la salida del nodo actual. Cuando un paquete llega al router se inspecciona su cabecera extrayendo la dirección del nodo destino final del paquete. Con la tabla de encaminamiento se determina el nodo adyacente al que se enviará. Por tanto, un aspecto fundamental en la red IP es el mantenimiento de las tablas de encaminamiento. El protocolo de implementación directa de los algoritmos de encaminamiento para las redes LAN se denomina Routing Information Protocol (RIP) que usa como protocolo de transporte para sus mensajes de información el protocolo UDP. 2.1.5. MPLS: Multiprotocol Label Switching MPLS es una tecnología nueva desarrollada para el transporte de paquetes, situada como capa intermedia entre el nivel correspondiente a IP y el nivel de enlace de datos. Se basa en la provisión de un camino basado en la conmutación de etiquetas denominado Label Switched Path (LSP). Los elementos centrales de la red son los routers que incorporan la funcionalidad de poder conmutar en virtud del valor de la etiqueta que acompañan a los datos. Dichos routers se llaman Label Switched Router o LSR. El proceso de encaminamiento es parecido al de IP con ciertas diferencias. Cada paquete entrante a un LSR y transporta una etiqueta asociada con su LSP. El LSR mantiene una tabla de encaminamiento de etiquetas que especifica para cada etiqueta de entrada, tanto para el puerto de salida del LSR como la etiqueta que se debe incorporar a la salida para el siguiente nodo. La diferencial de MPLS es que las etiquetas solo tienen significado local, pero no global. 11
Independiza la tarea de encaminamiento en un router de las tareas de control. Optimiza mejor y hace más rápido el proceso de encaminamiento dentro de un LSR. Proporciona garantía de QoS para el tráfico seleccionado. Planifica rutas extremo a extremo basadas en ciertos criterios. Puede tener LSPs de reserva para poder reencaminar los paquetes de otro LSP, en caso de fallo. Se pueden emplear para soportar múltiples redes privadas virtuales (VPN) y cada una de ellas soportada por un LSP diferente. 2.1.6. SAN: Storage Area Networks Figura 13. Red con encaminamiento en MPLS. Las SAN son redes que se implementan para interconectar sistemas de ordenadores con otros sistemas y con equipos de carácter periférico, sean unidades de disco, impresoras, etc. Figura 14. Figura 14. Esquema de una red SAN. El elemento principal es un conmutador que proporciona conectividad de tipo reconfigurable entre los dispositivos conectados, con conmutación de circuitos. Las redes SAN son concebidas como una extensión del concepto de bus de almacenamiento que permite conectar dispositivos de almacenamiento y servidores empleando componentes similares a los empleados en redes locales (LAN) y redes de área extensa (WAN), tales como routers, hubs, switches. Una red SAN puede estar dedicada o compartida entre varios servidores, y se extiende actualmente al entorno metropolitano. El motivo de su implantación es la de proporcionar robustez frente a desastres mediante la duplicación de centros de almacenamiento de datos que realizan copias de seguridad (backups) constantes en ambos sentidos. Las operaciones típicas de operación van desde los 200 Mb/s hasta 1 Gb/s, añadiendo una cabecera y codificación de línea. Son redes que soportan hasta miles de conexiones entre centros de datos. 12
Los interfaces más conocidos son ESCON (Enterprise Systems Connection), SSA (Serial Storage Architecture), HIPPI (High Performance Parallel Interface) y FC (Fibre Channel). Fibre Channel Data de principios de los 90 y es un estándar para las comunicaciones en redes de área de almacenamiento. En la actualidad es muy empleado permitiendo alta velocidades como la modalidad full speed 100 Mbytes/s con múltiplos como 200 y 400 Mbytes/s. A nivel físico emplea láser multimodo (MM) y fibra monomodo. Dispone de varias capacidades de transferencia de datos y rendimiento en MB/s. Véase la Tabla 2 de velocidades. Velocidad (Gb/s) Rendimiento (MB/s) Año de especificación 1.0625 100 1996 2.125 200 2000 4.25 400 2002 8.55 800 2005 10.5 1200 2003 Tabla 2. Velocidades de transmisión con Fibre Channel. Es un protocolo de red/almacenamiento con una estructura basada en 5 capas. Véase la Figura 15. Figura 15. Estructura del protocolo Fibre Channel. Interconecta nodos utilizando tres topologías diferentes: punto a punto, bucle y topología conmutadas. Ofrece muchas clases de servicios, de acuerdo al protocolo empleado en las capas más altas: desde la Clase 1 (canal dedicado entre dos dispositivos conectados), Clase 2 (servicio sin conexión), Clase 3 (servicio sin conexión reconocido), Clase 4 (intermix: conexión dedicada y permanente) y hasta la Clase 6 (multidifusión). 2.1.8. Gigabit Ethernet Gigabit Ehernet (GbE) es un protocolo empleado en redes metropolitanas que interconecta múltiples redes de empresa. Su estándar 10 Gigabit Ehernet (10GbE) se emplea también a largas distancia sobre fibra óptica. Supera en velocidad el inicial protocolo Ethernet de conmutación de paquetes para redes LAN. Se basa principalmente en el uso de fibra óptica, a excepción del 10 GBASE-CX4, y el estándar del IEEE denominado 10-Gigabit Ehertnet sobre par trenzado. Las especificaciones vienen recogidas en el estándar IEEE 802.3ae con varias subcapas físicas como 10GBASE-X, 10GBASE-R y 10GBASE-W. 13
El sistema 10GBASE Gigabit Ethernet opera únicamente en modo full-dúplex sobre fibra óptica para diseño de redes de área local (LAN) y redes de área metropolitana (MAN). Los medios físicos empleados se denominan con varias letras que indican la longitud de onda empleada en el sistema óptico así como la señal de codificación empleada. 2.2. Componentes avanzados para Redes Ópticas Las redes WDM proveen canales ópticos entre nodos y usuarios conmutados por circuitos, denominados también caminos ópticos. Un camino óptico es un canal a determinada longitud de onda (λ) entre dos nodos de la red de encaminamiento a través de nodos intermedios, donde la señal se conmuta y/o se convierte en longitud de onda. Estas redes se llaman redes con encaminamiento por longitud de onda, como la mostrada en la Figura 16. Contiene terminales ópticos de línea (OLTs), multiplexores de adición/extracción ópticos (Optical Add-Drop Multiplexers, OADMs), matrices de conmutación ópticas (Optical Cross-Connects, OXCs) conectadas mediante enlaces de fibra óptica. Incluyen también, amplificadores ópticos que se sitúan periódicamente en los enlaces de fibra para amplificar la señal. En la actualidad los OLTs y los OADMs están implantados, si bien los OXCs comienzan a emplearse en las redes modernas. Las topologías de estas redes ópticas incluyen desde una estructura lineal punto a punto, hasta topologías complejas en anillo o malla. Los equipos OLT multiplexan varias longitudes de onda en una sola fibra y demultiplexan la señal WDM en longitud de onda individuales. Por tanto, son necesarios en cada extremo de un enlace punto a punto. Figura 16. Topología física de una Red Óptica. Los OADMs son empleados en puntos donde se necesita extraer o insertar una fracción de las longitudes de onda mientras que otras son reencaminadas a otros destinos. Son empleados fundamentalmente en topologías lineales o en anillo. En cambio los OXCs, que incluyen conmutadores espaciales, conversores de onda (WC, Wavelength Conversion) y filtros, realizan una función similar pero a mayor escala en término de número de puertos y longitudes de onda. Son implementados en topologías en malla o interconectando anillos. Con estos componentes, la Red Óptica tiene las siguientes características. Reutilización de longitud de onda, puesto que múltiples caminos ópticos pueden emplear la misma longitud de onda, mientras no se solapen en ningún enlace. Con esta reutilización 14
espacial se da a la red la capacidad de soportar un gran número de caminos ópticos con un número limitado de longitudes de onda. Conversión de longitud de onda. Un mismo camino óptico puede emplear distintas longitud de onda a lo largo de su ruta. También es necesario en las fronteras de la red para adaptar señales que provienen del exterior. Transparencia. Los caminos ópticos pueden llevar distintos tipos de tráfico a velocidades binarias diferentes, empleando una variedad de protocolos. Conmutación de circuitos. El establecimiento y eliminación de caminos ópticos se realiza bajo demanda, diferenciándose de la conmutación de circuitos de los tiempos de establecimiento son muy largos. Si bien este tiempo está cambiando. La conmutación de paquetes se realiza en las capas superiores (IP o ATM). Supervivencia. La red se configura de modo que ante un fallo los caminos ópticos se reencaminen por otros alternativos. 2.2.1. Terminales ópticos de línea (OLTs) Son terminales empleados en los extremos de los enlaces punto a punto para multiplexar y demultiplexar longitudes de onda. Constan de varios equipos: los transpondedores, los multiplexores y los amplificadores. Véase la Figura 17. Figura 17. Terminal óptico de línea. El transpondedor adapta la señal que proviene del cliente por su utilización en la red y a la inversa. El multiplexor de longitud de onda se encarga de multiplexar las señales procedentes de varios transpondedores de diferentes longitudes de onda en una sola fibra empleando diferentes tecnologías: filtros dieléctricos de capas finas (thin film), y AWGs. 2.2.2. Filtros ópticos y OADMS En una red WDM punto a punto (Figura 18) con conexiones bidireccionales se requiere una longitud de onda entre A y B y otra entre B y C y 3 entre A y C. al tener dos enlaces punto a punto cada uno necesita 2 OLTs que incluyen mux/demux y transpondedor. En el nodo B se necesita una longitud de onda de 4 y hay 6 transpondedores para el tráfico, con el consiguiente coste elevado. Una solución es la sustitución de 3 OLTs por un OADM en el nodo B. De este modo, el nodo B extrae únicamente la longitud de onda requerida y sólo se requieren 2 transpondedores. Esto es debido al volumen de tráfico que se cursa por el nodo B. 15
Figura 18. Enlace WDM punto a punto. Los OADMs proporcionan una solución eficiente para gestionar el tráfico de paso en las redes metropolitanas y de área amplia. Sus principales características son: Nº de longitudes de onda que soporta. Restricciones sobre las longitudes de onda extraídas/insertadas (uma, varias, grupos de bandas). Modularidad: coste proporcional al nº de canales. Facilidad de inserción y extracción de canales adicionales. Complejidad de su diseño físico de transmisión. Reconfigurabilidad. Implementación con diversos componentes: redes Bragg, AWGs, filtros multicapas, etc.). Existen OAMDs con diversas configuraciones: la configuración paralelo corresponde a la demultiplexación de todos los canales simultáneamente, mientras que los OADMs serie extraen los canales sucesivamente y según el tipo de bandas demultiplexadas. Figura 19. Configuración en paralelo de un OADM. a) Longitudes de onda ópticas. b) De bandas ópticas. La demultiplexación de portadoras ópticas en paralelo es la opción más cara y menos tolerante frente a variaciones de longitud de onda de láseres y multiplexores, ya que la señal pasa por varios filtros (Véase la Figura 19). Es la menos restrictiva en cuanto a la longitud de onda extraída y añadida. Las pérdidas son fijas y aplican igual a todos los canales y no afecta si se añade o extrae un canal. En la demultiplexación por bandas en paralelo, los canales son extraídos en 2 etapas: en la primera se extraen diversos grupos de longitudes de onda o bandas y en la segunda se realiza la extracción de cada canal a partir de de las bandas. Estas configuraciones en paralelo emplean filtros dieléctricos de capas finas y AWGs (Arrayed Waveguide Grating). En las arquitecturas en serie cada OADM únicamente extrae y permite añadir un canal (SC) o Banda (SB). Figura 20. 16
Figura 20. Configuración en serie de un OADM. a) Longitudes de onda ópticas. b) De bandas ópticas. Se emplean normalmente filtros FBG o filtro de capas finas. La ventaja es que es modular y el coste es proporcional al número de canales extraídos, y el inconveniente es que la adición de un nuevo canal supone la interrupción de los otros. También es más tolerante frente a variaciones en longitud de onda. La configuración de banda tiene algunas ventajas siendo un inconveniente la elevada complejidad en la planificación de red y la repercusión de un fallo de un OADM; sobre el tráfico transportado por todos los canales de la red. Cuando se añaden conmutadores ópticos a la configuración paralela se pueden extraer o añadir una longitud de onda específica cuando se requiera. De este modo existen transpondedores fijos y sintonizables, es decir, que permiten su reutilización para la extracción/adición de canales diferentes y en consecuencia la planificación de red es más flexible. Los OADMs sintonizables deben cumplir los requisitos siguientes: Posibilidad de configuración para extraer un número máximo de canales. La selección de canales a extraer se debe poder realizar mediante control remoto por el usuario, incluyendo los transpondedores, sin que afecte a los ya operativos. No se debe forzar al usuario a realizar una planificación de antemano de los canales que deben de extraerse de un nodo. Se deben mantener las pérdidas constantes, independiente del número de canales que se deban extraer. Figura 21. OADMs sintonizables con configuración (a) paralelo y (b) serie. 17
Redes de difracción de Bragg Es un componente óptico formado por un tramo de fibra óptica, de pocos cm de longitud, en el que se ha modificado el índice del núcleo de forma periódica. Esta variación temporal provoca que la red de Bragg refleje la señal de una región del espectro dejando pasar el resto. La respuesta de la red de Bragg se emplea para configurar un dispositivo de adición-extracción como el formado por dos circuladores y una red de Bragg. Filtros multicapas Los filtros de capas finas o filtros multicapas están constituidos de un tramo de fibra bidireccional, un filtro óptico muy selectivo y un tramo de fibra unidimensional. Consta de múltiples películas delgadas o capas de diferentes materiales que se depositan sobre un sustrato de vidrio en las que se suceden reflexiones y refracciones de forma que la interferencia es constructiva en transmisión para una sola banda mientras que el resto de la señal es reflejada. Son ampliamente usados en comunicaciones ópticas debidos a sus ventajas como son la estabilidad con la temperatura, un menor coste y la reducida diafonía entre canales. Filtros interferométricos Mach-Zehnder Son filtros de doble haz compuestos por dos acopladores 50:50 y dos tramos de fibra de longitud l + l y l, respectivamente. Filtros acusto ópticos La onda acústica se emplea para crear una red de difracción de Bragg en un material que actúa de guía onda para el haz de luz. La red de difracción es la que realiza la selección de la longitud de onda. Filtros AWG (Arrayed Waveguide Grating) El multiplexor-demultiplexor planar, también denominado AWG, es una generalización del interferómetro Mach-Zehnder basado en el empleo de acopladores planares N M idénticos para interconectar y hacer interferir las señales provenientes de N guíaondas planas. 2.2.3. Conmutadores ópticos y OXCS Como se ha indicado, los OADMs están indicados para topologías de tipo enlace lineal o anillo y donde se empleen un número reducido de longitudes de onda. En redes más complejas, con una topología en malla y el empleo de un número elevado de longitudes de onda, se hace preciso emplear la matriz de conmutación óptica: OXC (Optical Cross Connect). Los OXCs son elementos indispensables en redes ópticas reconfigurables que puede estar constituidos internamente por conmutadores ópticos o por un conjunto híbrido de elementos ópticos y eléctricos. Un OXC proporciona diferentes servicios: caminos de bypass o Express para todo el tráfico que no tiene como destino final un equipo conectado al conmutador. Posee puertos para conectar equipos terminales (SDH, ATM, IP o WDM) que origina o termina el tráfico en ellos. No se incluye a los equipos OLTs. En la Figura 22 se representa el esquema de una matriz de conmutación óptica. 18
Figura 22. Matriz de conmutación óptica (OXC). El conmutador OXC sirve para aprovisionar caminos ópticos en una red óptica de gran escala de forma automática. Es una propiedad importante al tratar con un elevado número de longitudes de onda por nodo y con un número grande de nodos. Igualmente es importante si los caminos deben ser configurados como respuesta a cambios en el tráfico. Además, el OXC es un elemento inteligente de red con capacidad de proteger los caminos ópticos ante el fallo de una fibra o de otros equipos. Detecta los fallos en la red y re-encamina el tráfico afectado buscando nuevos caminos ópticos. La transparencia es otra propiedad deseable para poder conmutar señales de velocidad y formatos de trama arbitrarios. Un OXC además de conmutar puede incorporar operaciones de conversión de onda. Gestionan señales de entrada y salida correspondientes a canales ópticos (longitudes de onda). Pueden agrupar y conmutar señales de granularidades más finas (grooming). Debe realizarse en formato electrónico por medio de multiplexores TDM SDH incorporado al OXC en vez de emplear un equipo externo. Las partes funcionales de un conmutador OSC son: El núcleo de conmutación: contiene al conmutador central. La zona de puertos: aloja las tarjetas de los puertos que emplean como interfaces para comunicarse con otros equipos. Figura 23. Interconexión de redes mediante un conmutador óptico OXC. De acuerdo con la naturaleza óptica o eléctrica del núcleo del conmutador OXC existen varias configuraciones. Configuraciones con el núcleo eléctrico u óptico con conversores O/E/O (ópticoelectrónico-óptico) donde la señal se convierte en eléctrica al atravesar el conmutador: son de tipo opaco. Figura 24 a) y b). 19
Las señales pueden conmutarse en el dominio eléctrico u óptico. Si es eléctrico utiliza interfaces TDM para multiplexar y demultiplexar tráfico de baja velocidad de línea desde 155 Mb/s hasta 2.5 Gb/s. Los núcleos eléctricos se diseñan para dar una capacidad de conmutación de 512 puertos a 2.5 Gb/s, en total representa 1.28 Tb/s. También los hay de 128 puertos a velocidad de 10 Gb/s por puerto. Otras configuraciones son con el núcleo óptico conectado directamente a transpondedores WDM o son del todo ópticos. Figura 24 c y d). Figura 24. Configuraciones de OXC. a) y b) Núcleo eléctrico u óptico con conversores. C) y d) Núcleo óptico con transpondedores o todo óptico. Los núcleos ópticos suelen ser independientes de la velocidad de línea, de manera que un OXC de 1000 puertos puede conmutar 1000 canales de 2.5 Gb/s o 1000 canales de 10 Gb/s, al mismo coste por puerto. Estos OXCs con núcleo óptico son más escalables en capacidad frente a futuros incrementos en la velocidad transmitida por canal. El conmutador con núcleo todo óptico posibilita conmutar grupos de longitudes de onda o todo el conjunto de longitudes de onda presentes en el puerto de entrada de forma agrupada, por lo que presenta la posibilidad de operar con grandes cantidades de tráfico. No dispone ni de transpondedores ni de convertidores, por lo que no incorpora funciones tales como el agrupamiento de tráfico de baja velocidad, ni conversión de longitud de onda, ni de regeneración de señales. Una posible solución para agrupar canales de baja velocidad en OXC con núcleo todo óptico es la de incorporar un pequeño núcleo eléctrico que permita la conmutación de longitudes de onda (WLXC wavelength crossconnect) y regeneración. Figura 25. Conmutador óptico con un pequeño conmutador eléctrico. Otro enfoque, dentro del OXC todo óptico, es que permite emplear conmutadores más pequeños que se denominan conmutadores en planos de longitud de onda, como se indica en la Figura 26. 20
Figura 26. Conmutadores en planos de longitud de onda. Actúan estos dispositivos como encaminadores de longitud de onda, ya que dirigen las señales que le llegan de sus fibras de entrada hacia las distintas salida, basándose en la longitud de onda que tiene la señal de entrada. Este encaminamiento se lleva a cabo mediante la demultiplexación de las distintas longitudes de onda de cada puerto de entrada, con una conmutación espacial y se multiplexan las señales en cada puerto de salida. Estos dispositivos con núcleo todo óptico pueden ser estáticos o reconfigurables, donde sólo se encaminan un número determinado de entradas en un instante dado. Son los llamados routers WR (wavelength routers) que unidos a los WADM (wavelength add-drop multiplexer) constituyen los elementos clave para el diseño de redes que se encaminan por longitud de onda. Conmutación espacial Los conmutadores ópticos empleados en las redes ópticas requieren distintos números de puertos y tiempos de conmutación, según la aplicación utilizada. Véase la Tabla 3. Aplicación Tiempo de Número de Conmutación puertos Provisión de circuitos 1 10 ms > 1000 Protección 1 10 μs 2-1000 Conmutación de paquetes 1 ns > 100 Modulación OOK 20 ps 1 Tabla 3. Aplicación de los conmutadores ópticos. La provisión de circuitos requiere el empleo de conmutadores espaciales ópticos para establecer los caminos ópticos, y bastan tiempos de conmutación de unos pocos milisegundos y un elevado número de puertos. La conmutación para la protección consiste en conmutar el tráfico de la fibra de trabajo a las fibras de protección ante la eventualidad de un fallo, operación que debe tener una duración de unos pocos microsegundos. El número de puertos oscila entre unos pocos a un millar en función de los esquemas de protección utilizados en la red. En las redes de conmutación de paquetes, en fase de investigación y desarrollo, se requieren conmutadores con tiempos de respuesta del orden de nanosegundos, ya que realizan la conmutación paquete a paquete, con un número elevado de puertos. Los conmutadores también pueden emplearse como modulares externos a la salida de un láser, con tiempos de conmutación del orden de la fracción de un bit, de modo que para una señal de 10 Gb/s supone un tiempo del orden de 10 ps. 21
Mencionar los diferentes tipos de conmutadores existentes en la actualidad: Conmutadores electromecánicos. (acción mecánica). Conmutadores Micro Electro Mecánicos (MEMs) (substrato de silicio). Conmutadores termo-ópticos (interferómetros Mach Zehnder 2x2 substrato de guíaonda). Conmutadores de burbuja (luz por guíaondas impresas substrato de silicio). Conmutadores basado en amplificadores usados como puertas. Conmutadores de Cristal líquido. Conmutación electrónica: empleando receptores ópticos con conversión óptica-electrónica (O-E). 2.2.4. Conversores de longitudes de onda Las redes ópticas requieren la conmutación espacial de la señal y la incorporación de la longitud de onda como variable básica sobre la que poder encaminar. En general, la conversión de onda complica tecnológicamente los conmutadores OXC pero reduce las posibilidades de bloqueo y aumenta la eficiencia de utilización de las distintas longitudes de onda. Por ejemplo, en la Figura 27 solo se pueden usar dos longitudes de onda y las conexiones representadas ya han sido establecidas. Si se pretende establecer una nueva conexión entre los nodos C y E a través de la ruta CDE, resulta imposible dado que la longitud de onda en cada tramo es distinta. Se necesitaría una conversión de longitudes de onda. Figura 27. Red óptica con 5 nodos y 2 longitudes de onda disponibles. Los tipos de conversión de onda están en función de los canales ópticos de salida. Por ejemplo, con una red con 3 longitudes de onda en uso, si el conversor de longitud onda produce un cambio de cada longitud de onda concreta de entrada en una concreta de salida, entonces la conversión es fija. Se dice entonces que el grado o número de longitudes de onda de salida posibles para cada longitud de entrada es d = 1. Si cada longitud de onda de entrada puede emerger sin sufrir cambio o con otro valor diferente, su grado sería d = 2: sería una conversión limitada ya que el número de longitudes de salida es un subgrupo de longitudes de onda de entrada. En cambio, si cualquier longitud de onda de entrada puede emerger con cualquier longitud de onda de la red, entonces la conversión es total, siendo el grado d = 3, coincidente con el número total de longitudes de onda disponibles en la red ejemplo de la Figura 28. 22
Figura 28. Tipos de conversión de longitud de onda. Por tanto, las redes ópticas requieren incorporar conversores de longitud de onda en sus estructuras de conmutación. Las matrices de conmutación OXC tienen conmutadores espaciales ópticos en combinación con elementos demultiplexores y conversores de longitud de onda. Así pues, la señal transportada por cualquier longitud de onda en cualquier fibra de entrada emergerá del conmutador OXC por cualquier fibra de salida con una longitud de onda arbitraria, siguiendo los algoritmos de encaminamiento que se hayan diseñado en la red. Figura 29. Conmutador óptico en longitud de onda. En resumen, un conversor de longitud de onda (WC) es un dispositivo que convierte la longitud de onda de la portadora de datos en otra portadora distinta. Las funciones realizadas por estos convertidores son: Adaptan la portadora óptica de una señal espectro WDM compatible con la red óptica. Permiten la conexión entre redes ópticas no coordinadas. Emplean eficientemente las longitudes de onda disponibles en los enlaces de red. Se clasifican según el rango de longitud de onda con el que trabaja en sus entradas y salidas (entrada y salida variables, entrada variable y salida fija, entrada fija y salida variable). Se debe tener presente el rango de potencias ópticas de entrada con el que pueden trabajar, su transparencia al régimen binario y al formato de modulación de las señales de entrada. Los cuatros mecanismos principales que permiten conseguir la conversión de longitud de onda son: los optoelectrónicos, Optical Gating, los interferométricos y el mezclado de ondas. 23
1) Conversión de longitud de onda optoelectrónica. Es el método más sencillo y más práctico. Consiste en convertir la señal de entrada en su forma electrónica, regenerarla y retransmitirla empleando un láser que transmite en una longitud de onda distinta. En el caso más sencillo la transparencia del conversor se implementa cuando el receptor convierte la señal óptica en eléctrica y ésta se amplifica mediante un amplificador RF. De esta forma es transparente al formato de modulación e incluso funciona con señales analógicas. 2) Conversión de longitud de onda mediante Optical Gating. El mecanismo optical gating emplea un dispositivo óptico cuya característica cambia con la intensidad de la señal de entrada. Este cambio se transfiere a una señal sonda no modulada con una longitud de onda diferente. Sirve para señales moduladas en intensidad, empleando la modulación cruzada de ganancia (XGM Cross Gain Modulation) en un SOA (Semiconductor Optical Amplifier). 3) Conversión de longitud de onda mediante técnicas interferométricas. Emplea el cambio de fase que provoca la distorsión de los pulsos en la modulación de ganancia cruzada (XGM) para la conversión de longitud de onda. A medida que aumenta la densidad de portadores en el amplificador con la señal de entrada, se produce un cambio en el índice de refracción que modula la fase de la señal sonora. Se denomina técnica de Modulación Cruzada de Fase (cross phase modulation). La modulación de fase se puede convertir en modulación de intensidad con un interferómetro Mach-Zhender. 4) Conversión de longitud de onda mediante mezclado de ondas. En esta técnica se emplea el fenómeno no lineal de mezcla de 4 ondas, lo que provoca la aparición de una cuarta frecuencia como consecuencia de la combinación de otras tres. La potencia de esta cuarta onda se puede incrementar con un amplificador SOA. La ventaja es la total transparencia al formato de modulación y régimen binario, y como desventaja destacar la necesidad de filtrar el resto de ondas a la salida del SOA, disminuyendo la eficiencia de la conversión de longitud de onda conforme aumenta la separación espectral entre la señal y la sonda. 3. Objetivos de las Redes Ópticas La Red óptica, como tecnología de comunicaciones por fibra óptica para transferir datos sobre la red, tiene en su alcance definido por los desarrolladores varios objetivos que se resumen a continuación. Permitir que varias señales transportadoras puedan funcionar conjuntamente. Conectar sistemas incompatibles. Permitir el multiplexado de numerosas señales digitales y facilitar las labores de mantenimiento del sistema. Establecer caminos ópticos y asignar a cada uno una longitud de onda de manera que se minimice la cantidad de conexiones bloqueantes mientras se maximiza el número de conexiones que se puedan establecer en la red. [3]. Desarrollar el concepto de conmutación de paquetes ópticos y encaminamiento en redes todo-ópticas WDM, de modo que la capa óptica pueda transportar y encaminar paquetes IP directamente en el dominio óptico. (Proyecto KEOPS (Keys to Optical Packet Switching): Proyecto que demostró la viabilidad de lograr conmutación de paquetes ópticos.). Independencia del formato y la tasa binaria. Esto se consigue en las redes de segunda generación basadas en WDM, donde la conmutación y el encaminamiento de señales se 24
realizan en función de la longitud de onda de la señal óptica sin conversión previa al dominio eléctrico. [2] [3]. Redes transparentes o todo-ópticas donde las funciones de enrutado y conmutación deban realizarse directamente en el dominio óptico. La ventaja principal sería la independencia del formato y la tasa binaria. [3]. Proporcionar una gran variedad de nuevos servicio a empresas y clientes residenciales por las operadoras de telecomunicaciones. [4] Transmisión de todo tipo de tráfico voz, datos y vídeo- a través de cables de fibra óptica y proporcionar la capacidad de transmisión masiva de nuevos tipos de servicios y software. Tener acceso a vídeo bajo demanda, descargas de software y audio digital de alta calidad mediante decodificadores y otros aparatos de información sin menoscabo de la calidad ni de retrasos. [4]. 4. Estudio comparativo 4.1. Ventajas y desventajas Se indican las ventajas e inconvenientes de las redes ópticas, presentando una tabla resumen con las características, contribuciones y desventajas de los proyectos reales desarrollados en la última década. Los resultados obtenidos en cada uno de ellos son satisfactorios en la demostración de sistemas de conmutación de paquetes ópticos, manifestando que la principal desventaja que presentan los proyectos está relacionada con la técnica de etiquetado utilizada. Los logros han sido especialmente significativos en el estudio y diseño de dispositivos para el procesado de señales ópticas, especificación de protocolos y señalización para la capa óptica además de contribuir al proceso de estandarización. [3]. 25
PROYECTO Descripción Contribución Desventajas KEOPS (1995 1998) OPERA (1997-1999) Proyecto que explota el encaminamiento de paquetes ópticos para proveer flexibilidad, escalabilidad y capacidad de manejo a las futuras redes de comunicaciones ópticas de de banda ancha conservando la interoperabilidad con el desarrollo de redes IP, ATM y WDM. El proyecto opera se basa en un nodo con interfaces ópticas de red que proveen regeneración óptica y soporta funciones de IP en el dominio óptico tales como intercambio de etiqueta, conmutación y transmisión de paquetes y reutilización de longitud de onda. El encaminamiento está basado en etiquetado por subportadora. Definición de escenarios de aplicación para el desarrollo de redes transparentes de conmutación de paquetes. Análisis de las prestaciones y diseño de estructuras de conmutación para redes de conmutación de paquetes, tales como conmutadores de encaminamiento por longitud de onda y conmutadores de difusión y selección. Progresos en el desarrollo de componentes clave tales como conversores de longitud de onda, fuentes ópticas multicanal, selectores de longitud de onda. El proyecto realizó un paso significativo en la definición de conceptos de las futuras redes de comunicaciones y desarrollo de tecnología para derivar una plataforma que permita transportar paquetes en una infraestructura WDM. Definición de interfaces ópticas y entornos de red para redes de tercera generación, estudio de sistemas de regeneración todo-ópticos para redes de conmutación de paquetes. Estudio de técnicas de detección de etiquetas Diseño de un nodo de conmutación de paquetes con doble etapa de conversión de longitud de onda que soporta borrado y reescritura de etiquetas manteniendo la relación de extinción de la señal. Las operaciones de borrado de etiqueta y reescritura necesitan una sincronización ajustada debido a que el método de etiquetado es TDM. Necesita la inserción de paquetes fantasma en condiciones de tráfico normal para evitar variaciones en la potencia óptica que pueden afectar los amplificadores de fibra dopada EDFA. Debido a que la etiqueta se obtiene mediante detección directa la señal de la subportadora puede verse atenuada debido al efecto de la dispersión cromática. 26
STOLAS (2001 2004) DAVID (2000 2003) Proyectos Universidad de California (2002-2007) Explora el potencial de las redes de datos con etiquetas ópticas apiladas, siendo la longitud de onda de la carga la primera etiqueta y una etiqueta modulada ortogonalmente la segunda etiqueta. Busca mejorar las prestaciones de las redes de transporte para proveer la capacidad requerida en el desarrollo de las futuras redes de Internet. Este proyecto busca mejorar la forma de transportar de manera eficiente el tráfico soportado por IP sobre redes metropolitanas y de área extensa. El trabajo realizado en la Universidad de California ha explorado a nivel teórico y experimental las capacidades de la conmutación de paquetes ópticos así como la viabilidad en la implementación de dichos sistemas y su integración con las actuales redes de datos. Demostración de etiquetado ortogonal, en el cual los paquetes IP son transmitidos en canales WDM y son marcados con dos niveles de etiquetado. El esquema de etiquetado propuesto permite incrementar significativamente el caudal efectivo de las redes de conmutación de paquetes y permite incrementar las capacidades para la provisión de servicios diferenciados en una variedad de niveles de calidad de servicio. El proyecto demostró la viabilidad de la conmutación de paquetes ópticos y la interoperabilidad de dicha red con las redes de datos existentes actualmente mediante el uso de extensiones MPLS. Estudio y diseño de protocolos de bajo nivel para redes metropolitanas y de área extensa que ofrezcan altas capacidades de transmisión y latencias reducidas. Diseño de un nodo de conmutación de paquetes ópticos con capacidad de mapear cualquier longitud de onda entrada en cualquier puerto a un conjunto de longitudes de onda en cualquier puerto de salida. Demostración de temas relacionados con aspectos avanzados de transmisión IP en nodos de conmutación de paquetes tales como resolución de colisiones, procesamiento de paquetes de tamaño variable además de temas relacionados con regeneración óptica de señales. Tabla 4. Comparación de los proyectos más representativos de conmutación de paquetes ópticos. El etiquetado ortogonal presenta un compromiso entre la calidad de la señal de carga y etiqueta limitando la transparencia del sistema. La integración de redes de paquetes y redes síncronas TDM necesitan más investigación, principalmente debido a barreras tecnológicas y costes de implementación. El esquema de nodo definido necesita un conmutador electrónico para enviar la etiqueta que se ha de reescribir al correspondiente puerto de salida. 27
4.2. Desarrollos futuros En cuanto a la evolución de las redes de comunicaciones ópticas pasa por soportar las futuras demandas en el transporte de tráfico IP. Ello es debido al desarrollo de dispositivos que permitan el procesamiento de señales en el domino óptico. En esta línea los actuales estudios se basan en un modelo de router de conmutación de paquetes ópticos basado en el paradigma de intercambio de etiqueta con capacidad de conmutación de paquetes IP a 10 Gb/s. Estos routers incorporan la capacidad de procesar paquetes de tamaño variable. Las líneas de evolución de redes ópticas de se resumen en los siguientes aspectos: Redes ópticas de tercera generación El rápido incremento del tráfico de datos requiere que las tecnologías completamente ópticas sean capaces de conmutar a nivel de longitud de onda. En este sentido, la conmutación de ráfagas ópticas y la conmutación de paquetes ópticos son dos tecnologías prometedoras para el transporte de tráfico directamente sobre redes ópticas WDM. En la conmutación de ráfagas ópticas los paquetes son concatenados dentro de unidades de transporte referidas como ráfagas, las cuales se enrutan a través de la red de una forma completamente óptica. La conmutación de ráfagas ópticas permite un mejor aprovechamiento de los recursos y es más apropiada para el manejo del tráfico a ráfagas que las redes de conmutación de circuitos ópticos. Se considera la conmutación de ráfagas como un paso de evolución intermedio entre la conmutación de circuitos ópticos y la conmutación de paquetes ópticos. La conmutación de paquetes ópticos genera una buena utilización de los recursos de red ya que fácilmente alcanza un alto grado de multiplexación estadística, es completamente compatible con técnicas de ingeniería de tráfico y ofrece una configuración dinámica de los recursos de red con una granularidad muy fina a nivel de paquete. Se clasifican en dos categorías, ranuradas o síncronas y no ranuradas o asíncronas En una red síncrona todos los paquetes deben ser alineados a la entrada del router para poder ser procesados, los paquetes tienen un tamaño fijo y se ubican junto con su encabezado dentro de una ranura de tiempo fija y de tamaño superior al del paquete con el fin de proveer un tiempo de guarda entre paquetes. En una red asíncrona, los paquetes pueden tener el mismo tamaño o pueden tener diferentes tamaños y no necesitan ser alineados a la entrada del router para ser procesados. Este hecho incrementa las posibilidades de la existencia de colisiones ya que el comportamiento de los paquetes es más impredecible y menos regulado ocasionando que en ciertos casos dos o más paquetes con la misma longitud de onda puedan estar compitiendo por el mismo puerto de salida en el mismo instante de tiempo. Por otro lado, las redes asíncronas son más fáciles y menos costosas de construir además de ser más robustas y más flexibles comparadas con las redes síncronas. En las redes ópticas de tercera generación la conmutación de paquetes ópticos convierte los paquetes IP a paquetes ópticos IP en la entrada de un router de frontera siguiendo una topología similar a la presentada en redes MPLS (MultiProtocol Label Switching). Desde ese momento la transmisión y el enrutamiento de los paquetes dentro de la red se realizarán en el dominio óptico, asignándose una longitud de onda a cada paquete y realizando el enrutamiento paquete por paquete con tiempos típicos de conmutación del orden de microsegundos. La Figura 30 muestra el entorno de red para IP/WDM basado en conmutación de paquetes. 28
Figura 30. Red óptica de tercera generación. Necesidad de una nueva plataforma de transporte de datos Actualmente la mayor parte de las redes de datos ópticas se sustentan en la transmisión de paquetes sobre jerarquías digitales síncronas o plesiócronas. Estos sistemas de transmisión, idealmente diseñados para el tráfico telefónico, no son adecuados para la transmisión de datos, ya que la asignación de ancho de banda no es flexible y la cantidad del mismo destinado a cabeceras e información para la configuración de protección es muy grande. El encaminamiento de los datos debe hacerse previa demultiplexación de la señal, con lo que cada nodo de la red debe incorporar conversores opto-electrónicos y electro-ópticos que los hace costosos y poco eficaces. Por otra parte la tecnología WDM permite una gran flexibilidad en cuanto a señalización, monitorización y restauración de red y parece lógico que la evolución lógica de las redes sea la de transmitir paquetes IP directamente sobre WDM. En consecuencia, esta evolución plantea que las funciones de enrutado y conmutación deban realizarse directamente en el dominio óptico, dando lugar a redes transparentes o completamente ópticas, cuya ventaja principal sería la independencia del formato y la tasa binaria. Esta mejora ya se ha conseguido en varias redes de segunda generación basadas en WDM, donde la conmutación y el enrutamiento de señales se realizan en función de la longitud de onda de la señal óptica sin conversión previa al dominio eléctrico. Este tipo de conmutación, de naturaleza bastante lenta, sólo es válida para el establecimiento de circuitos o rutas de reconfiguración limitada (milisegundos, segundos, minutos), por lo que aunque este tipo de redes son un avance sustancial respecto a las redes actuales, el aprovechamiento del ancho de banda que se hace es todavía moderado, aunque mucho mayor que en las redes de primera generación. Así pues, la evolución tiende a la introducción de redes de transporte óptico que conllevaría la simplificación de la actual arquitectura de red IP/ ATM, SDH /WDM hacia una arquitectura IP/WDM. Las funcionalidades de red proporcionadas por las capas eliminadas tienen que asumirse entonces entre la capa cliente (IP) y la capa de transporte (WDM). En este contexto, la tecnología MPLS aparece como un complemento excelente, capaz de proporcionar las funcionalidades de ingeniería de tráfico y calidad de servicio en la capa cliente, además de un esquema versátil de encaminamiento basado en etiquetas, las cuales transportan la información de control asociado a cada paquete (destino, tamaño del paquete, prioridad, tiempo de vida, etc.) con el fin de incrementar las funcionalidades y eficiencia de la red. 29
Figura 31. Evolución de las Redes Ópticas. Cada etiqueta sólo tiene significado local, es decir, que en cada nodo se debe reescribir una nueva etiqueta con la información de encaminamiento del paquete óptico para el siguiente nodo. Como el protocolo IP se basa en la conmutación de paquetes, parece evidente que realizar una conmutación óptica a nivel de paquete simplifica notablemente la gestión global de la red. Por este motivo las técnicas para realizar la transmisión del tráfico IP en redes ópticas se están estudiando activamente, en particular, la investigación y el desarrollo en las técnicas de conmutación de paquetes ópticos para lograr la transmisión de paquetes por medio de procedimientos fotónicos está adquiriendo gran importancia, debido a los potenciales beneficios en la velocidad de procesamiento, solidez de la implementación, consumo de potencia de los circuitos electrónicos, etc. Si bien un nodo de conmutación de paquetes ópticos tiene una configuración similar a un router convencional (la etiqueta incluye la información correspondiente al destino del paquete, de esta forma los nodos de conmutación de paquetes ópticos pueden colaborar entre sí para crear y actualizar de forma autónoma sus tablas de enrutamiento). Lo interesante del nodo óptico es que el procesamiento de señales en el dominio óptico minimiza la carga de circuitos electrónicos, característico de la conmutación de paquetes ópticos, ya que la introducción de procesamiento óptico se traduce en una mejora significativa en la eficiencia de la transferencia de paquetes y el aprovechamiento del ancho de banda utilizado, al evitar los cuellos de botella que se generan con el procesamiento electrónico de paquetes a alta velocidad. Router de conmutación de paquetes para redes ópticas de tercera generación Son routers de conmutación de paquetes ópticos que procesan etiquetas con la información de enrutamiento y que están codificadas en una subportadora óptica en la misma longitud de onda que transporta el paquete IP. Esta técnica de etiquetado se denomina etiquetado con multiplexación de subportadora (SCM). Los componentes básicos son: Extractor de etiqueta: debe extraer del paquete óptico la correspondiente etiqueta. Identificador de etiqueta óptica: procesa la información de direccionamiento del paquete, además debe operar a una relativa velocidad alta y se puede implementar en circuitos de tamaño reducido a fin de ahorrar consumo de potencia. Buffer óptico: Elemento indispensable para almacenar un paquete en el dominio óptico y evitar incoherencias en el sistema debido al procesamiento electrónico del encabezado. Conversores de longitud de onda: un proceso completamente óptico de conversión de longitud de onda en una red de conmutación de paquetes ópticos puede servir para evitar 30
conflictos en el sistema y a la vez utilizar efectivamente las longitudes de onda a la vez que no depende de la tasa de transmisión de la señal ni de su formato. Re-escritura de etiqueta: proceso mediante el cual la nueva etiqueta generada se adhiere al paquete IP. Elementos de conmutación: permiten trazar la ruta de acuerdo con la información obtenida de las tablas de enrutamiento. Figura 32. Router de conmutación de paquetes óptico. 5. Conclusiones En este trabajo se han descrito los elementos de las Redes Ópticas hasta la de tercera generación, definiendo las redes todo ópticas y las de conmutación de paquetes ópticos. Dentro de las capas clientes actuales se han esbozado las tecnologías SDH, PDH, ATM, IP, MPLS y Gigabit Ehernet. Así mismo, se han detallado los componentes avanzados de estas redes, como los terminales ópticos de línea, filtros ópticos, conmutadores y los conversores de longitud de onda. Reseñar a modo de conclusión los aspectos relativos a la evolución futura de estas redes de transporte óptico. 1º) En el estado actual del arte existe la necesidad de desarrollar una nueva plataforma que soporte los requerimientos actuales y futuros de la demanda de ancho de banda. 2ª) Los nuevos routers para redes ópticas de tercera generación transportan paquetes IP a 10 Gb/s basados en el intercambio de etiquetas a una velocidad de 155 Mb/s. Sus prestaciones dan medidas de calidad de señal a la salida del router, con una correcta operación en términos de la separación de la carga y la etiqueta mediante procesamiento óptico. El estado del router se actualiza en términos de longitudes de onda y puertos de salida. 3ª) Experimentalmente se ha comprobado que las prestaciones del nodo, en el encaminamiento de paquetes de tamaño variable, el procesamiento de los paquetes, se realiza a través de la lectura de la etiqueta, la cual incorpora un campo que identifica el tamaño del paquete que se está procesando actualmente. 31
6. Bibliografía y referencias [1] José Capmany Francoy, Beatriz Ortega Tamarit. Redes Ópticas. Ed. Universidad Politécnica de Valencia (2006). [2] Gustavo Puerto Leguizamón, Beatriz Ortega, José Capmany, Karen Cardona, Urrego, Carlos Suárez Fajardo. Data Networking Evolution: Toward an All-Optical Communications Platform. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia N. 45 pp. 148-156. Septiembre, 2008. [3] Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón. Redes de conmutación de paquetes ópticos basadas en el intercambio de etiquetas multiplexadas por subportadora. Tesis Doctoral dirigida por la Dra. Beatriz Ortega Tamarit. Universidad Politécnica de Valencia (2007). [4] Kenneth C. Laudon, Jane P. Laudon. Sistemas de información gerencial: Administración de la empresa digital. Octava edición. Ed. Pearson Educación. México, 2004. [5] Sadot Alexandres Fernández, José Antonio. Rodríguez Mondéjar. Fundamentos de Comunicaciones Industriales. Dpto. Electrónica y Automática. Universidad Pontificia Comillas. Madrid. 2012. [6] Sadot Alexandres Fernández, José Antonio. Rodríguez Mondéjar. Comunicaciones Industriales Avanzadas. Dpto. Electrónica y Automática. Universidad Pontificia Comillas. Madrid. 2012. [7] C. García, F. Valera, L. Bellido et al. Diseño, despliegue y utilización de una red óptica metropolitana IP-DWDM. http://www.rediris.es/difusion/publicaciones/boletin/66-67/ponencia8.pdf Consulta: 2/03/2012 www.rediris.es/jt/jt2003/archivo-jt/salab/05112003/carlosgarcia.ppt Última consulta: 2/03/2012 [8] David Benito. Presentación de Redes Ópticas. http://www.rediris.es/jt/jt2001/archivo/redesopticas.pdf Última consulta: 2/03/2012 32
Glosario de términos Término Descripción ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ANSI American National Standards Institute ATM Asynchronous Transfer Mode AWG Arrayed Waveguide Grating CVP Circuito Virtual Permanente Frame Relay DECnet Digital's communications network DES Data Encryption Standard DWDM Multiplexación densa de onda DWDM-JDS Dense WDM JDS ebgp Exterior Border Gateway Protocol ESCON Enterprise Systems Connection ETDM Multiplexación de división de tiempo eléctrica FC Fibre Channel GBE Gigabit Ehernet HDLC High Level Data Link Control HIPPI (High Performance Parallel Interface) HTTPS Hyper Text Transfer Protocol Secure HW Hardware ICMP Internet Control Message Protocol IETF Internet Engineering Task Force IOS Integrated Operative System IP Internet Protocol IPSec Internet Protocol Security IPX Internet Packet Exchange ITU Unión Internacional de Telecomunicaciones JDS Jerarquía Digital Síncrona LAN Local Area Network LSP Label Switched Path LSR Label Switched Router MM Láser multimodo MPLS MultiProtocol Label Switching OADM Optical Add/Drop Multiplexers OAM Operación, gestión, y administración de red OLT Terminales ópticos de línea OLT Optical Line Terminal OSI Open System Interconnection OSPF Open Shortest Path First OXC Optical Cross Connect PAP Password Authentication Protocol PAT Port Address Translation (NAT) PPP Point to Point Protocol QoS Quality of Service RDSI Red Digital de Servicios Integrados RFC Request For Comments RIP Routing Information Protocol RMON Remote Monitoring SHDSL Single-Line High-bit-rate Digital Subscriber Line SLA Single Line Adapter SNA Systems Network Architecture SNMP Simple Network Management Protocol 33
Término SOA SSA SSH SSL STM SW TCP UDP VCC WADM WAN WC WDM WLXC WR XGM XGM Descripción Semiconductor Optical Amplifier Serial Storage Architecture Secure SHel Secure Sockets Layer Synchronous Transfer Mode Software Transmission Control Protocol User Datagram Protocol Circuito Virtual ATM Wavelength add-drop multiplexer Wide Area Network Wavelength Conversion Conversor de longitud de onda Wavelength Division Multiplexing JDS Wavelength Crossconnect Wavelength routers Cross Gain Modulation Cross Gain Modulation 34
Índice 1. Introducción...1 1.2. Redes Ópticas de primera y segunda generación...2 1.3. Redes todo ópticas y transparencia...5 1.4. Redes de conmutación de paquetes ópticos...6 2. Descripción detallada de la tecnología...8 2.1. Capas cliente de una red Óptica...8 2.1.1. Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH)...8 2.1.2. Jerarquía Digital Síncrona (SDH)...9 2.1.3. Modo de Transferencia Asíncrono (ATM)... 10 2.1.4. Internet Protocol (IP)... 11 2.1.5. MPLS: Multiprotocol Label Switching... 11 2.1.6. SAN: Storage Area Networks... 12 2.1.8. Gigabit Ethernet... 13 2.2. Componentes avanzados para Redes Ópticas... 14 2.2.1. Terminales ópticos de línea (OLTs)... 15 2.2.2. Filtros ópticos y OADMS... 15 2.2.3. Conmutadores ópticos y OXCS... 18 2.2.4. Conversores de longitudes de onda... 22 3. Objetivos de las Redes Ópticas... 24 4. Estudio comparativo... 25 4.1. Ventajas y desventajas... 25 4.2. Desarrollos futuros... 28 Redes ópticas de tercera generación... 28 Necesidad de una nueva plataforma de transporte de datos... 29 Router de conmutación de paquetes para redes ópticas de tercera generación... 30 5. Conclusiones... 31 6. Bibliografía y referencias... 32 Glosario de términos... 33 Índice de Figuras Figura 1. Red Óptica de primera generación. Empleada para transmitir SDH...2 Figura 2. Multiplexación por división en el tiempo eléctrico generando una señal multicanal transportada por una sola longitud de onda...3 Figura 3. Enlace punto a punto WDM empleado en la parte troncal...3 Figura 4. Esquema simplificado de una red óptica de segunda generación...4 Figura 5. Arquitectura de la capa óptica Recomendación G.872 de la ITU. SDH es cliente de la capa óptica...5 Figura 6. Red óptica de características intermedias entre una red todo óptica y una opaca...6 Figura 7. Modelo de red de conmutación de paquetes ópticos simplificado...6 Figura 8. Configuración interna posible de un router óptico...7 Figura 9. Jerarquías PDH. Múltiplex/Demúltiplex de canal de 2 Mb/s sobre enlace de 140 Mb/s...9 Figura 10. Detalle de las capas en SDH...9 Figura 11. Capas de la tecnología ATM... 10 Figura 12. Capas y tecnologías OSI... 11 Figura 13. Red con encaminamiento en MPLS... 12 Figura 14. Esquema de una red SAN... 12 35
Figura 15. Estructura del protocolo Fibre Channel... 13 Figura 16. Topología física de una Red Óptica... 14 Figura 17. Terminal óptico de línea... 15 Figura 18. Enlace WDM punto a punto... 16 Figura 19. Configuración en paralelo de un OADM. a) Longitudes de onda ópticas. b) De bandas ópticas... 16 Figura 20. Configuración en serie de un OADM. a) Longitudes de onda ópticas. b) De bandas ópticas... 17 Figura 21. OADMs sintonizables con configuración (a) paralelo y (b) serie... 17 Figura 22. Matriz de conmutación óptica (OXC)... 19 Figura 23. Interconexión de redes mediante un conmutador óptico OXC... 19 Figura 24. Configuraciones de OXC. a) y b) Núcleo eléctrico u óptico con conversores. C) y d) Núcleo óptico con transpondedores o todo óptico... 20 Figura 25. Conmutador óptico con un pequeño conmutador eléctrico... 20 Figura 26. Conmutadores en planos de longitud de onda... 21 Figura 27. Red óptica con 5 nodos y 2 longitudes de onda disponibles... 22 Figura 28. Tipos de conversión de longitud de onda... 23 Figura 29. Conmutador óptico en longitud de onda... 23 Figura 30. Red óptica de tercera generación... 29 Figura 31. Evolución de las Redes Ópticas... 30 Figura 32. Router de conmutación de paquetes óptico... 31 Índice de Tablas Tabla 1. Agregados estándar para SDH y SONET... 10 Tabla 2. Velocidades de transmisión con Fibre Channel... 13 Tabla 3. Aplicación de los conmutadores ópticos... 21 Tabla 4. Comparación de los proyectos más representativos de conmutación de paquetes ópticos.27 36