Mario Carrazana - DSpace@UCLV

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA
INTEGRACIÓN DE IP SOBRE CANALES WDM
Autor: Mario Daniel Carrazana Hernández
Tutor: Dr.C Pedro José Arco Ríos
Santa Clara
2014
“Año 56 de la Revolución”
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA
INTEGRACIÓN DE IP SOBRE CANALES WDM
Autor: Mario Daniel Carrazana Hernández
E-mail: [email protected]
Tutor: Dr.C. Pedro José Arco Ríos
PT Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones
Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV.
E-mail: [email protected]
Consultante: Ing. Dayana Hernández Rodríguez
Santa Clara
2014
“Año 56 de la Revolución”
PENSAMIENTO
“Muchos creen que el talento es cuestión de suerte, pero pocos saben que la suerte es
cuestión de talento”
Jacinto Benavente
I
DEDICATORIA
A mis padres, por dedicar su vida a mostrarme siempre el mejor de los caminos,
aunque yo no lo entendiera.
A mi hermano, por decirme siempre: “sí”.
A mi familia, que me ha brindado amor y apoyo.
A mi novia, por ayudarme a ser una mejor persona.
A todos mis amigos, a los de la infancia, a los de la nueva y de la vieja escuela.
A los que creyeron y a los que dudaron.
II
AGRADECIMIENTOS
Agradezco por haber llegado hasta aquí y ser quien soy a:
…mis padres, mi hermano y a toda mi familia por la confianza que siempre han tenido
en mí.
…mi novia Idarely y toda su familia por el gran apoyo que me han dado en todo
momento.
…mis amigos de la universidad: Roberto Daniel, Dayan, Yuri, el Niche, Iván, el Pelly,
Sandoval, Alejandro; también a los del barrio: Migue, Karel, Melina, Frank y Pedro,
sin importar el orden; por estar en las buenas y en las malas.
…mi tutor Pedro José Arco Ríos por compartir conmigo su experiencia y sabiduría en
medio de tantos tropiezos.
… Dayana por la colaboración y el apoyo incondicional que mi brindó en la
realización de este trabajo.
… todos los profesores que tuve durante toda mi vida de estudiante, en especial a mi
madre Dania, por ser la mejor.
Muchas gracias.
III
TAREA TÉCNICA
Para cumplir con los objetivos propuestos en el presente proyecto se llevaron a cabo las
siguientes tareas:
1. Revisión de la bibliografía existente para conocer el estado de las redes ópticas
usando multiplexación por división de longitudes de onda (WDM).
2. Análisis de los componentes y parámetros fundamentales de una red óptica con
WDM.
3. Evaluación de la actual transmisión de datos sobre WDM.
4. Estudio de la evolución hacia IP/WDM.
5. Elaboración del proyecto final.
Firma del Autor
Firma del Tutor
IV
RESUMEN
En el presente trabajo se hace un estudio abarcador sobre las técnicas de transmisión
con multiplexación por división de longitud de onda, se exponen sus principales
características así como las topologías, componentes y parámetros fundamentales de las
redes que la emplean. Esta tecnología es la más utilizada a nivel físico debido a sus
capacidades de montar señales de cualquier formato y a altas velocidades. Se presentan
también razones por las que la actual red de transmisión de datos debe ser simplificada,
eliminándose pasos intermedios, ganándose en velocidad y eficiencia. Los análisis
realizados develan que el protocolo IP juega un papel importante en estos avances, hoy
en día es el más usado; sus características alientan a evolucionar gradualmente de una
compleja red de transporte de datos de varias capas, a una red con únicamente dos
capas, de ahí que este proyecto persiga como objetivo general fundamental las ventajas
de desarrollar el protocolo IP sobre la tecnología WDM. La bibliografía existente sobre
el tema es abundante pero está muy desorganizada y este documento recoge de manera
concisa e integradora las enormes ventajas de utilizar IP sobre WDM. Como resultado
de esta investigación se muestran las posibilidades palpables y reales que ofrece
IP/WDM, además de comparaciones con tecnologías de Internet.
V
TABLA DE CONTENIDO
PENSAMIENTO ............................................................................................................... I
DEDICATORIA ............................................................................................................... II
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................. III
TAREA TÉCNICA ........................................................................................................ IV
RESUMEN .......................................................................................................................V
TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................ VI
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP ................................................. 4
1.1 Aspectos teóricos de los sistemas WDM................................................................ 4
1.2 Tipos de tecnología WDM ..................................................................................... 5
1.2.1 CWDM ............................................................................................................ 5
1.2.2 DWDM ............................................................................................................ 7
1.2.3 Diferencias entre DWDM y CWDM ............................................................... 8
1.3 Protocolo IP ............................................................................................................ 9
1.4 Conclusiones del Capítulo .................................................................................... 12
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM ...................................................................... 13
2.1 Ventajas de las Redes Ópticas WDM ................................................................... 13
2.2 Topologías de Redes Ópticas WDM .................................................................... 14
2.2.1 Topología punto-a-punto ............................................................................... 14
2.2.2 Topología de anillo ........................................................................................ 15
2.2.3 Topología de malla ........................................................................................ 16
2.3 Principales Componentes ..................................................................................... 17
2.3.1 Multiplexores y Demultiplexores .................................................................. 17
VI
2.3.2 Amplificadores Ópticos ................................................................................. 18
2.3.3 Multiplexores Ópticos de Adición/Sustracción ............................................. 19
2.3.4 Crosconectores Ópticos ................................................................................. 20
2.4 Conclusiones del Capítulo .................................................................................... 21
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM ................................................................................... 22
3.1 Transmisión de Datos sobre WDM ...................................................................... 22
3.1.1 ATM (Asynchronous Transfer Mode) ........................................................... 22
3.1.2 IP/ATM .......................................................................................................... 24
3.1.3 SDH (Synchronous Digital Hierarchy) ......................................................... 25
3.1.4 IP / SDH ........................................................................................................ 27
3.2 Evolución de la Red Óptica .................................................................................. 28
3.2.1 IP sobre ATM sobre SDH/SONET sobre WDM........................................... 29
3.2.2 IP sobre SDH/SONET sobre WDM .............................................................. 30
3.2.3 IP sobre Gigabit Ethernet sobre WDM.......................................................... 32
3.2.4 IP sobre WDM robusto .................................................................................. 33
3.3 Comparación de las Tecnologías de Internet con IP Sobre WDM ....................... 34
3.3.1 SDH vs WDM ............................................................................................... 35
3.3.2 ATM e IP/ATM vs IP/WDM ........................................................................ 35
3.3.3 SDH e IP/SDH vs IP/WDM .......................................................................... 36
3.3
Conclusiones del Capítulo ............................................................................... 36
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 38
Conclusiones............................................................................................................... 38
Recomendaciones ....................................................................................................... 39
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 40
GLOSARIO DE TÉRMINOS ........................................................................................ 42
ANEXOS ........................................................................................................................ 44
VII
Anexo I. Normas UIT para WDM .............................................................................. 44
Anexo II.Tabla comparativa entre tecnologías ATM, SDH y WDM ......................... 45
VIII
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
En los últimos años la fibra óptica ha tomado un lugar primordial cuando se habla de
transportar información; las comunicaciones a través de esta presentan grandes ventajas
en comparación con el tradicional cable de cobre. Dos de las grandes ventajas que
presenta son las altísimas velocidades de transmisión posibles y el enorme ancho de
banda que brinda. En la vida real no se pueden aprovechar al límite estas posibilidades
ya que la tasa a la que puede acceder un usuario final queda reducida a la velocidad
electrónica, alcanzándose así velocidades de solo unos pocos gigabits por segundo. Se
hace evidente entonces que la conversión óptica-electrónica y viceversa, es quien
impide explotar la inmensidad del ancho de banda que provee una fibra; crece así la
necesidad de utilizar una modulación y equipos altamente capaces de resolver este
problema.
Técnicas como la multiplexación por división de longitud de onda (WDM por sus siglas
en Inglés) y equipos como conmutadores de paquetes ópticos son ejemplos del nuevo
desarrollo que contribuyen a superar estas limitaciones. También se está enfatizando en
la eliminación de algunos protocolos para agilizar los procesos de conexión y gestión.
Es por eso que en este trabajo se analiza la tecnología de protocolo de Internet (IP por
sus siglas en Inglés) sobre WDM, la cual consiste en enviar el protocolo IP directamente
por fibra óptica, dispensando protocolos intermedios como el modo de transferencia
asíncrona (ATM por sus siglas en Inglés), la jerarquía digital plesiócrona (PDH por sus
siglas en Inglés) y SDH/SONET (jerarquía digital sincrónica/redes ópticas sincrónicas);
todo sobre WDM para obtener un ancho de banda mucho mayor que por el método
convencional de transmisión por fibra óptica. Todo se realiza teniendo en cuenta que
esta tecnología no está arraigada exclusivamente a protocolos de transmisión, sino
también al hardware adecuado ya que sin el mismo no sería posible su implementación.
El primer sistema WDM en combinar dos señales portadoras hizo su aparición alrededor
del año 1985. A principios del siglo XXI, la tecnología permite combinar hasta 320
señales con un ancho de banda efectivo de unos 10 Gbps. Ya las operadoras están
probando los 40 Gbps, no obstante la capacidad teórica de una sola fibra óptica se
estima en 1600 Gbps, de manera que es posible alcanzar mayores capacidades en el
futuro a medida que avance la tecnología.
1
INTRODUCCIÓN
A nivel mundial y nacional se han realizado numerosos e importantes estudios acerca
de la tecnología IP y de las valiosas técnicas WDM, así como la combinación de
ambos, específicamente en el departamento de Telecomunicaciones de la Facultad de
Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas ya se han
visto por separados estos recursos pero aún no hay investigaciones realizadas sobre la
integración de los mismos. Este estudio se lleva a cabo recabando antecedentes
existentes principalmente en Internet, entre ellos se destacan publicaciones realizadas
por Yunlei Lui, Mazayuki Murata y del ámbito nacional de Jorge Bocalandro Rivero.
En la actualidad la implementación de redes totalmente ópticas presentan varios
inconvenientes tales como: la escasa madurez con dispositivos WDM recientes, o la
existencia de distintos tipos de dispersión en las fibras ya instaladas que, de cierta
manera, opacan el desarrollo de esta tecnología. Sin embargo, la inmensa demanda que
constantemente sigue creciendo exige de comunicaciones más rápidas, eficientes y
efectivas en los días de hoy.
De los señalamientos anteriores se reconoce el siguiente problema científico: ¿Cómo el
protocolo IP puede ser potenciado a través de la utilización de la tecnología WDM?
Según el problema anteriormente planteado, se define como objetivo general:
Fundamentar las ventajas de desarrollar el protocolo IP sobre la tecnología WDM.
Para un mejor resultado a la hora de cumplir con este objetivo se trazaron los siguientes
objetivos específicos:
•
Realizar una revisión bibliográfica sobre las técnicas de multiplexación por
división de longitud de onda que se aplican en las comunicaciones por fibra
óptica.
•
Identificar las principales características de las redes ópticas con WDM.
•
Caracterizar las técnicas de transmisión de datos sobre la tecnología WDM.
•
Demostrar las ventajas de la utilización de IP sobre WDM.
Además de estos objetivos puede resultar ventajoso plantearse las siguientes
interrogantes científicas:

¿Cuál es la situación actual que presenta el desarrollo de soluciones para la
integración de IP sobre canales WDM?

¿Cómo tomar en consideración las posibilidades que ofrecen las técnicas WDM
para insertar sobre ellas diferentes servicios a través de protocolos IP?
2
INTRODUCCIÓN
Hoy en día la bibliografía existente sobre el tema es considerada abundante, pero no
está lo suficientemente organizada, o sea, resulta un difícil encontrar documentos
concretos que sean de la calidad necesaria, así como de la actualización requerida que
describan las particularidades de esta tecnología. Los resultados de esta investigación
poseen datos importantes de trascendencia para todos los estudiantes, especialistas,
investigadores de nuestro departamento y del país en general.
Organización del informe.
El informe de este trabajo ha sido organizado en: introducción, desarrollo (compuesto
de tres capítulos), conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas, glosario
de términos y anexos. A continuación se describe brevemente el contenido de los tres
capítulos.
Capítulo 1:TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
Este capítulo aborda
los aspectos generales de la multiplexación por división de
longitud de onda, los tipos de WDM y las diferencias existentes entre ellos. Además se
describen las principales características del protocolo IP.
Capítulo 2: REDES ÓPTICAS WDM
En este capítulo se presentan las ventajas que ofrecen las redes ópticas WDM, aspectos
fundamentales como las topologías de las mismas y los principales componentes por los
cuales están formadas estas redes.
Capítulo 3: IP SOBRE WDM
En el presente capítulo se explican las tecnologías que dan lugar a la implementación de
IP sobre WDM. También se analiza la evolución de las redes ópticas de los días de hoy
hacia la posible y ventajosa integración de IP con la capa óptica
y se hacen
comparaciones de IP/WDM con ciertas tecnologías de Internet.
3
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
Este capítulo aborda
los aspectos generales de la multiplexación por división de
longitud de onda, los tipos de WDM y las diferencias existentes entre ellos. Además se
describen las principales características del protocolo IP.
1.1 Aspectos teóricos de los sistemas WDM
La multiplexación por división de longitud de onda es una tecnología que multiplexa
varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente
longitud de onda, usando luz procedente de un láser, de este modo se puede aprovechar
en mayor medida el enorme ancho de banda que posee la fibra óptica. La distribución de
las longitudes de onda en cada uno de los sistemas WDM posibles actualmente se
encuentra estandarizada en las recomendaciones de la Unión Internacional de
Telecomunicaciones-Sector de Telecomunicaciones (ITU-T por sus siglas en Inglés).
El rango de longitudes de onda utilizado en la fibra puede dividirse en varias bandas o
canales, cada uno de estos canales a distinta longitud de onda puede transmitir señales
de diferentes velocidades y formatos, así como diferentes protocolos de comunicación
donde comúnmente se encuentran SONET/SDH, ATM, PDH e IP. WDM incrementa la
capacidad de transmisión en el medio físico (fibra óptica) asignando a las señales
ópticas de entrada, específicas frecuencias de luz (longitudes de onda) dentro de una
banda de frecuencias inconfundible. Una manera de asemejar esta multiplexación es la
transmisión de una estación de radio, en diferentes longitudes de onda sin interferir una
con otra porque cada canal es transmitido a una frecuencia diferente, la que puede
seleccionarse desde un sintonizador (tuner). Otra forma de verlo es que cada canal
corresponde a un diferente color y varios canales forman un "arco iris", como se
observa en la figura1.1.
Figura 1.1 Conversión de longitud de onda en canal WDM
4
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
En un sistema WDM cada longitud de onda es enviada a la fibra y las señales son
demultiplexadas en el receptor. En este tipo de sistema cada señal de entrada es
independiente de las otras, cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado llegando
todas las señales a su destino al mismo tiempo. Así se puede multiplicar el ancho de
banda efectivo de la fibra óptica y se facilitan las comunicaciones bidireccionales. Se
trata de una técnica de transmisión muy atractiva para las operadoras de
telecomunicaciones ya que les permite aumentar su capacidad sin tender más cables ni
abrir zanjas. (DeCUSATIS, 2002)
1.2 Tipos de tecnología WDM
La familia de WDM se divide en dos grupos que se distinguen cada uno por
características propias haciéndolos diferentes, uno es CWDM y el otro DWDM.
1.2.1 CWDM
Una rama o extensión de la anteriormente mencionada WDM es CWDM (coarse
wavelength division multiplexing), que significa multiplexación por división de longitud
de onda ligera (o espaciada). Es una técnica de transmisión de señales a través de fibra
óptica que se utilizó a principios de los años 80 para transportar señal de video (CATV)
en conductores de fibra multimodo, fue estandarizado por la ITU-T en la
recomendación de la norma G.694.2 en el año 2002. Se basa en una rejilla o separación
de longitudes de onda de 20 nm en el rango de 1270 a 1610 nm, pudiendo así
transportar hasta 18 longitudes de onda en una única fibra óptica monomodo. De
acuerdo con esto se tienen dos importantes características inherentes a los sistemas
CWDM que permiten emplear componentes ópticos más sencillos y por lo tanto
también más baratos, estas son: mayor espaciamiento de longitudes de onda y mayor
espectro óptico. En cuanto a la primera CWDM
puede utilizar rayos láser
desestabilizados con un mayor ancho de banda espectral, es decir, que la longitud de
onda central puede desplazarse debido a imperfecciones de fabricación o a cambios en
la temperatura a la que está sometido el láser y aún estar en banda. Esto permite que la
fabricación del láser que no tengan sofisticados circuitos de refrigeración para corregir
posibles desviaciones de la longitud de onda debidas a cambios en la temperatura a la
que está sometido el chip, lo que reduce sensiblemente el espacio ocupado por el chip,
el consumo de potencia y consecuentemente el costo de fabricación. Por lo general en
5
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
CWDM se utilizan rayos láser de realimentación distribuida modulados directamente y
soportando velocidades de canal de hasta 2.5 Gbps sobre distancias de hasta 80 km en el
caso de utilizar fibra óptica G.652. Por otro lado CWDM utiliza filtros ópticos,
multiplexores y demultiplexores basados en la tecnología de película delgada o TFF
(thin film filter), donde el número de capas del filtro se incrementa cuando el
espaciamiento entre canales es menor. Esto supone de nuevo una mayor capacidad de
integración y una reducción de costos. Estos filtros CWDM de banda ancha, admiten
variaciones en la longitud de onda nominal de la fuente de hasta unos ±6-7 nm y están
disponibles generalmente como filtros de uno o dos canales.(ITU-T, 2003)
Un mayor espectro óptico permite que el número de canales susceptibles de ser
utilizados no se vea radicalmente disminuido a pesar de aumentar la separación entre
ellos, es posible porque en CWDM no se utilizan amplificadores ópticos de fibra
dopada con erbio o EDFA (erbium doped filter amplifier) como ocurre en DWDM para
distancias superiores a 80 km. Los EDFA son componentes utilizados antes de
transmitir o recibir de la fibra óptica, para amplificar la potencia de todos los canales
ópticos simultáneamente, sin ningún tipo de regeneración a nivel eléctrico. Los sistemas
CWDM utilizan regeneración de ser necesario por las distancias cubiertas o número de
nodos en cascada a atravesar, es decir, cada uno de los canales sufre una conversión
óptico-eléctrico-óptico de forma totalmente independiente al resto para ser amplificado.
El costo de la optoelectrónica en CWDM es tal, que es más simple y menos caro
regenerar que amplificar. Por otro lado los regeneradores realizan por completo las
funciones de amplificación, reconstrucción de la forma de la señal y temporización de
la señal de salida, compensando toda la dispersión acumulada. Esto no ocurre en la
amplificación óptica a no ser que se utilicen fibras con compensación de dispersión o
DCF (dispersion compensation fiber), de alto costo y que además suelen requerir de una
etapa de preamplificación previa dada la alta atenuación que introducen. Entre las
ventajas que nos brinda aparecen con mayor relevancia un menor consumo energético,
le da solución a los problemas de cuellos de botella. El hardware y su costo operativo
son más baratos referentes a otras tecnologías de la misma familia permite un sencillo
diseño de red, implementación, configuración, operación y mantenimiento. Su grado de
flexibilidad y seguridad en la creación de redes ópticas metropolitanas es alto, además
puede transportar cualquier servicio de corto alcance como SDH, CATV, ATM, entre
otros.(Tucker, jun 2009)
6
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
1.2.2 DWDM
La otra cara de la moneda es DWDM (dense wavelength division multiplexing), o
multiplexación por división de longitudes de ondas densas, la misma puede ser
subdividida en DWDM metropolitano, DWDM de larga distancia y DWDM de ultra
larga distancia. En general es una técnica de transmisión de señales a través de fibra
óptica monomodo, la misma se desarrolla o trabaja usando la banda C (1550nm). Para
transmitir mediante DWDM es necesario dos dispositivos complementarios: un
multiplexor en lado transmisor y un demultiplexor en el lado receptor. A diferencia del
CWDM, en DWDM se consigue mayor números de canales ópticos reduciendo la
dispersión cromática de cada canal mediante el uso de un láser de mayor calidad, fibras
de baja dispersión o mediante el uso de módulos de compensación de dispersión (DCM
por sus siglas en Inglés). De esta manera es posible combinar más canales reduciendo el
espacio entre ellos. Actualmente se pueden conseguir 40, 80 o 160 canales ópticos
separados entre sí a 100 GHz, 50 GHz o 25 GHz respectivamente.
La fabricación a gran escala de fibra óptica ha posibilitado una disminución de los
costos y una mejora en las características de transmisión de la fibra. Aquí se usan
también amplificadores ópticos de ganancia plana para un rango determinado de
longitudes de onda que acoplados en línea con la fibra actúan como repetidores
eliminando la necesidad de regeneradores. Filtros integrados de estado sólido de menor
tamaño y con posibilidad de ser integrados en el mismo substrato junto con otros
componentes ópticos.
Nuevos fotodetectores, fuentes láser, multiplexores y demultiplexores ópticos basados
en difracción óptica pasiva que permiten la integración para que se puedan producir
diseños más compactos. También existen filtros de longitud de onda seleccionable, que
pueden ser empleados como multiplexores ópticos. Los multiplexores ópticos de
adición/sustracción (OADM por sus siglas en Inglés) han permitido que la tecnología
DWDM pueda implantarse en redes de diversos tipos. Los crosconectores ópticos (OXC
por sus siglas en Inglés) que pueden implementarse con diferentes tecnologías de
fabricación y han hecho posible la conmutación puramente óptica. (Rivero, 2010)
El campo de aplicación de DWDM se encuentra en redes de larga distancia de banda
ultra ancha, así como en las necesarias redes metropolitanas o interurbanas de muy alta
velocidad. A medida que crece la implantación de DWDM su costo va decreciendo
progresivamente debido básicamente a la gran cantidad de componentes ópticos que se
fabrican. Consecuentemente se espera que DWDM se convierta en una tecnología de
7
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
bajo costo que permita su implantación en muchos tipos de redes. La tecnología
DWDM requiere dispositivos ópticos especializados basados en las propiedades de la
luz y en las propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas de los semiconductores.
Las fibras monomodo convencionales pueden transmitir en el rango de 1300 a 1550 nm
absorbiendo las longitudes de onda de 1340 a 1440 nm. Los sistemas WDM emplean
longitudes de ondas en los dos rangos posibles (de 1300 a 1340 nm o 1440 a 1550 nm).
Existen fibras especiales que permiten la transmisión en todas las longitudes de ondas
comprendidas entre 1530 y 1565nm sin absorción. Sin embargo no todos los
componentes optoelectrónicos logran trabajar con la misma eficiencia en todo el rango
de las longitudes de onda. Los sistemas DWDM emplean los últimos avances en la
tecnología óptica para generar un gran número de longitudes de onda en el rango
cercano a 1550 nm, según las recomendaciones de la ITU para definir el espaciamiento
entre canales (ver Anexos # I). (ITU-T, 2002)
Un canal no utiliza una única longitud de onda, cada canal tiene un determinado ancho
de banda alrededor de la longitud de onda central. Cada banda se separa de la siguiente
por una banda zona de guarda de unos pocos gigahercios, así se busca evitar posibles
solapes o interferencias entre canales adyacentes. Estos problemas se deben a derivas en
los emisores láser por la temperatura o el tiempo ya que los amplificadores ópticos no
son de ganancia constante frente a todas las longitudes de onda y a los posibles efectos
de dispersión, entre otros. El número de canales depende también del tipo de fibra
óptica empleada. Un único filamento de fibra monomodo puede transmitir datos a una
distancia aproximada de 80 km sin necesidad de amplificación, con 8 amplificadores
ópticos en cascada la distancia a la que podría llegar información asciende a 640 km.
1.2.3 Diferencias entre DWDM y CWDM
Las diferencias no son sólo en la cantidad de longitudes de onda, otra de las principales
diferencias está en el costo de la implementación de estas tecnologías. En comparación
con DWDM los sistemas CWDM proporcionan ahorros del orden de un 35,0% a un
65,0%, esto se debe a la reducción de costos del láser sin necesidad de control de
temperatura y al menor precio de los multiplexores y demultiplexores pasivos.
Básicamente la mayor separación entre canales de los sistemas CWDM permite que las
longitudes de onda del láser de realimentación distribuida puedan sufrir derivas con los
cambios de temperatura, evitando de este modo la necesidad de emplear controladores
8
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
de temperatura. Esto trae consigo un ahorro de espacio y se simplifica el
empaquetamiento del láser, reduciéndose además el consumo de potencia a un valor
medio de 0.5 W para un láser CWDM en comparación con más de 2 W para un
transmisor láser DWDM. Además, CWDM trabaja con pocos parámetros que necesiten
la optimización por parte del usuario, mientras que los sistemas DWDM requieren de
complejos cálculos de balance de potencias por canal, algo que se complica aún más
cuando se añaden y extraen canales o cuando DWDM es utilizado en redes en anillo
sobre todo cuando los sistemas incorporan amplificadores ópticos.(Telnet, 2012)
Debido a la gran importancia que tiene para este trabajo se muestra una comparación en
la Tabla 1 entre la CWDM y los diferentes tipos de DWDM para poder conocer sus
características y explicar las ventajas y desventajas de cada una de estas tecnologías.
Tabla I Comparación de tecnologías WDM(J, 2004)
1.3 Protocolo IP
El protocolo de Internet es un protocolo de comunicación de datos digitales clasificado
funcionalmente en la capa de red según el modelo internacional de interconexión de
sistemas abiertos (OSI por sus siglas en Inglés). La capa de red se encarga
principalmente de la entrega de datos, pero no entre dispositivos de la misma red física
sino entre dispositivos que pueden estar en diferentes redes que se interconectan de
manera arbitraria. Por lo tanto IP se encarga de la entrega de datagramas IP (paquetes)
9
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
de un host a otro basándose solamente en su dirección, aunque no garantiza su entrega;
es un protocolo que no está orientado a la conexión.
Para lograr esta tarea, se definen métodos de direccionamiento y estructuras para
encapsular los datagramas.
A continuación se explican sus principales características:
•
Direccionamiento universal: para enviar datos de un punto A hacia un punto B,
es necesario asegurar que los dispositivos identifiquen cuál dispositivo es el
"punto B". IP define mecanismos de direccionamiento para la red y usa estas
direcciones para entregar los paquetes.
•
Independiente de protocolos de capas inferiores: IP está diseñado para permitir
la transmisión de datos a través de cualquier tipo de subcapa de la red. Un
ejemplo es la habilidad de IP para fragmentar grandes bloques en datos más
pequeños para ajustar su tamaño al de la red física y luego tener un destinatario
que reensamble las piezas otra vez.
•
Entrega sin conexión: IP es un protocolo sin conexión. Esto significa que cuando
un host quiere enviar datos a otro no se establece una conexión entre ellos para
transmitir los datos, los paquetes se hacen y se envían hacia el otro host.
•
Entrega sin fidelidad: se dice que IP es un protocolo sin fidelidad. Esto significa
que cuando los datagramas (paquetes) se envían de un host a otro, solo se envía
cada paquete sin mantener un seguimiento de cada paquete enviado; no
proporciona fidelidad o servicio de calidad (QoS por sus siglas en Inglés). Por
esta razón se dice que IP hace "el mejor esfuerzo", es decir, puede guiar los
paquetes al destino pero no hay garantías de que los datos realmente lleguen.
•
Entrega sin acuse: IP no usa recibos de acuse (reconocimientos) para confirmar
la recepción de los paquetes.
El protocolo IP tiene ya varias versiones que han marcado su desarrollo y el de las redes
en general. Las versiones de la 0 a la 3 están reservadas o no fueron usadas. La versión
5 fue usada para un protocolo experimental. Otros números han sido asignados,
usualmente para protocolos experimentales pero no han sido muy extendidos. Hoy en
día la más usada es la versión número 4 (IPv4), esta es la cuarta versión del protocolo
Internet pero es la primera en utilizarse ampliamente. IPv4 es un protocolo sin conexión
para redes de conmutación de paquetes en la capa de enlace (ej. Ethernet). Una nueva
versión del protocolo IP recibe el nombre de IPv6, sería la versión número 6, aunque
10
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
también se conoce como IPNG (internet protocol next generation) o IP de próxima
generación, los cambios que se introducen en esta nueva versión son muchos y de gran
importancia. El IPv6 se ha diseñado para solucionar todos los problemas que surgen con
IPv4, además ofrece soporte a las nuevas redes de alto rendimiento. Una de las
características más llamativas es el nuevo sistema de direcciones, en el cual se pasa de
los 32 a los 128 bit eliminando todas las restricciones del sistema actual. Otro de los
aspectos mejorados es la seguridad que en IPv4 constituía uno de los mayores
problemas.(Davie, 2003)
En el proceso de integración de la transmisión óptica con la capa IP las mayores
dificultades están presentes en las problemáticas que surgen en la planificación de
sistemas WDM. En esta integración uno de los principales, o la principal tecnología que
pretende aunar esto es la de multiprotocolo de switcheo de etiquetas (MPLS por sus
siglas en Inglés), pero con una nueva propuesta de extensión del estándar: GMPLS,
acrónimo del término MPLS generalizado. Su objetivo es integrar en un mismo plano
de control la red IP y los conmutadores ópticos de forma que el operador vea el
reencaminamiento óptico como una funcionalidad más de los routers IP. Los
promotores de esta propuesta son los fabricantes de routers y su estandarización se
inició a principios del año 2001 en el seno del Internet Engineering Task Force (IETF
por sus siglas en Inglés). Uno de los requisitos principales para que el proceso de
migración hacia la red única se desarrolle con éxito es que las tecnologías de
conmutación de paquetes permitan ofrecer servicios de tiempo real.(Sayeed, 2007)
Las degradaciones del servicio en términos de throughput, retardo y jitter afectan en el
modelo del mejor esfuerzo a todos los servicios por igual y lo que puede no ser
tolerable en las redes de nueva generación, en cuyo seno va a convivir tráfico
perteneciente a servicios de naturaleza muy diferente y con requisitos muy distintos a
aplicaciones no sensibles a retardos como el correo electrónico o la transferencia de
archivos. Existe en la actualidad la idea relativamente extendida, de que el
sobredimensionado de la red en términos de ancho de banda y de prestaciones de
equipos evitará cualquier posible situación de congestión y así evitará los retardos
intolerables para las aplicaciones más exigentes.
La propuesta contribuye decisivamente en el crecimiento de la capacidad de las redes y
la devaluación sostenida del precio de la capacidad de transmisión, es decir, cada vez se
pueden transmitir más bit por segundo de forma más barata. No obstante, desde otros
11
CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP
sectores de considerable influencia como operadores tradicionales y fabricantes de
equipos, se afirma que hasta ahora el incremento de la demanda ha ido siempre en
paralelo a los avances tecnológicos, por lo que se hacen necesarios nuevos mecanismos
que permitan diferenciar el tratamiento de la red a los distintos servicios con requisitos
de calidad heterogéneos. (Barría, 2006)
1.4 Conclusiones del Capítulo
Multiplexar varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de
diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser, permite aprovechar en
mayor medida el enorme ancho de banda que posee la fibra óptica. Esta multiplexación
se divide en dos ramas, una con longitud de onda densa y otra con longitud de onda
espaciada, las que son utilizadas según sus características y posibilidades. El protocolo
IP es el más usado actualmente en la comunicación de datos digitales así que,
integrando en la capa óptica se extienden las potencialidades del mismo; aunque aquí
las mayores dificultades están presentes en las problemáticas que surgen en la
planificación de sistemas WDM.
12
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
En este capítulo se presentan las ventajas que ofrecen las redes ópticas WDM, aspectos
fundamentales como las topologías de las mismas y los principales componentes por los
cuales están formadas estas redes.
2.1 Ventajas de las Redes Ópticas WDM
Las redes de fibra óptica son un modelo de red que permiten satisfacer las nuevas y
crecientes necesidades de capacidad de transmisión y seguridad demandadas por las
empresas operadoras de telecomunicaciones, todo ello además con la mayor economía
posible mediante las nuevas tecnologías y elementos de red puramente ópticos.
Cuando las empresas encargadas de abastecer las necesidades de comunicación por
medio de fibra necesitaron mayor capacidad y ancho de banda para soportar el
crecimiento del tráfico (resultante de la explosión de los servicios en línea de banda
ancha producida en los últimos años), se dieron cuenta de la diversidad de protocolos de
comunicación utilizados incompatibles unos con otros y además de la imposibilidad
con las técnicas actuales de utilizar eficientemente todo el ancho de banda disponible en
las fibras ópticas, no disponían de las tecnologías necesarias o de unas fibras que
pudieran llevar mayor cantidad de datos.
La única opción que les quedaba era instalar más fibras entre estos puntos pero para
llevar a cabo esta solución había que invertir mucho tiempo y dinero, o bien, añadir un
mayor número de señales multiplexadas por división en el tiempo (TDM) en la misma
fibra, lo que también tiene un límite. Es en este punto cuando la multiplexación por
división de longitud de onda (WDM) proporcionó la obtención, a partir de una única
fibra de muchas fibras virtuales, transmitiendo cada señal sobre una portadora óptica
con una longitud de onda diferente, así se podían enviar muchas señales por la misma
fibra como si cada una de estas señales viajara en su propia fibra.(HUAWEI, 2010)
Las ventajas que todo esto trae consigo son verdaderamente asombrosas, destacándose
entre ellas las que ofrece DWDM, algunas de estas son:
•
Se logra aumentar la velocidad añadiendo nuevos canales sobre diferentes
portadoras o aumentando la velocidad por portadora.
•
Se logra un aprovechamiento más eficiente del ancho de banda de la fibra.
13
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
•
Permite conmutar velocidades de transmisión más elevadas operando
directamente sobre las portadoras (no necesita conversión optoelectrónica).
•
Componentes ópticos más fiables que los sistemas electrónicos equivalentes.
•
Permite incorporar diferentes tipos de tráficos sobre la misma red evitando
los problemas de compatibilidad de protocolos.
•
La protección contra los fallos del equipo terminal de línea (LTE por sus
siglas en Inglés) se logra con canales de reserva en un esquema de
redundancia n+1.
A todas ellas se une la capacidad de WDM de restablecer una comunicación en
milisegundos tras una falla en el nivel óptico del sistema sin que se afecten los niveles
superiores gracias a la conmutación óptica.(DeCUSATIS, 2002)
2.2 Topologías de Redes Ópticas WDM
Las arquitecturas de redes están basadas en muchos factores, incluyendo tipos de
aplicaciones y protocolos, distancia, utilización, estructura de acceso y topologías de
redes anteriores. En el mercado metropolitano por ejemplo, topologías punto a punto
pueden ser usadas para conectar puntos de empresas, topología de anillo para conectar
instalaciones inter oficinas y para acceso residencial, y topologías de malla pueden ser
usadas para conexiones inter punto-a-punto y en backbones. En efecto la capa óptica
puede ser capaz de soportar muchas topologías y debido al desarrollo impredecible en
esta área estas topologías pueden ser flexibles. Hoy en día las principales topologías en
uso son la punto-a-punto y anillo.
2.2.1 Topología punto-a-punto
La topología punto-a-punto puede ser implementada con o sin OADMs. Estas redes
están caracterizadas por velocidades de canales ultra rápidos (10 a 40 Gbps), alta
integridad y confiabilidad de la señal con una rápida restauración de trayectoria. En
redes long-haul (larga distancia) la distancia entre transmisor y receptor puede ser de
varios cientos de kilómetros y el número de amplificadores requeridos entre ambos
puntos es típicamente menor que 10. En redes MANs (metropolitan area networks) los
amplificadores no son necesarios frecuentemente. La protección en topologías punto-apunto puede ser proveída en una pareja de caminos. En los equipos de primera
generación la redundancia es un nivel del sistema. Las líneas paralelas conectan
sistemas redundantes a ambos extremos, en los equipos de segunda generación la
14
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
redundancia es al nivel de tarjeta. Las líneas paralelas conectan un solo sistema en
ambos extremos que contienen transpondedores, multiplexores y CPUs redundantes. Un
esquema de este tipo de topología se puede observar en la figura 2.1.(Systems, 2011)
Figura 2.1 Topología punto-a-punto
2.2.2 Topología de anillo
El anillo es la topología más común encontrada en áreas metropolitanas y en tramos de
unas pocas decenas de kilómetros. La fibra en anillo puede contener sólo cuatro canales
de longitudes de onda y típicamente menos nodos que canales. La razón de bit está en el
rango de los 622 Mbps a los 10 Gbps por canal. Con el uso de OADMs, quienes bajan y
suben longitudes de onda en forma transparente (las otras no se ven afectadas), las
arquitecturas de anillo permiten a los nodos tener acceso a los elementos de red tales
como routers, switches y servidores. Con el incremento en el número de OADMs, la
señal está sujeta a pérdidas y se pueden requerir amplificadores. Para la protección en
esta topología se utiliza el esquema 1+1. Se tienen dos líneas de conexión, la
información se envía por una de ellas; si este anillo falla se switchea la trayectoria al
otro anillo. En la figura 2.2 se puede observar un esquema que describe esta
topología.(Systems, 2011)
Figura 2.2 Topología anillo
15
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
2.2.3 Topología de malla
La topología de malla es el futuro de las redes ópticas. Como las redes evolucionan, las
topologías de anillo y punto-a-punto tendrían un lugar pero la malla sería la topología
más robusta. Este desarrollo sería habilitado por la introducción de los OXCs (optical
cross-connects) y switches configurables, que en algunos casos reemplazarían y en otros
suplementarían a los dispositivos WDM fijos.
Desde el punto de vista del diseño hay una airosa trayectoria evolutiva de topologías
punto-a-punto y malla. Los enlaces punto-a-punto dotados de nodos OADM para
flexibilidad se podrían interconectar, así la red puede evolucionar en una malla sin un
rediseño completo. Adicionalmente las topologías de anillo y malla pueden ser
conectadas a enlaces punto-a-punto. Las redes tipo malla por lo tanto, requerirían de un
alto grado de inteligencia para realizar las funciones de protección y administración de
ancho de banda, incluyendo el switcheo de fibra y de longitud de onda. Los beneficios
en flexibilidad y eficiencia realmente son potencialmente grandes. El uso de fibra, el
cual puede ser bajo en soluciones anillo puesto que requieren de protección de fibra en
cada anillo, puede ser mejorado en un diseño de malla.
La protección y restauración pueden estar basadas en caminos compartidos, por esta
razón se requiere de pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y no
desperdiciar longitudes de onda sin usar. En un futuro no lejano la capacidad de los
sistemas crecería tal como adelantos tecnológicos, que permiten estrechos
espaciamientos y en consecuencia gran número de longitudes de onda; pero WDM está
también en movimiento más allá del transporte para convertirse en la base de redes
totalmente ópticas con aprovisionamiento de longitudes de onda y protección basada en
mallas. El switcheo al nivel de fotones habilitaría esta evolución tal como los protocolos
de ruteo, que permiten a trayectorias de luz cruzarse en muchos de los mismos caminos
como lo hacen los circuitos virtuales de hoy en día. Esta y otras ventajas están
convergiendo de manera tal que la infraestructura totalmente óptica puede ser
imaginada.
La figura 2.3 muestra un ejemplo de tal infraestructura usando topologías de malla,
anillo y punto-a-punto en la capa óptica para soportar las posibles necesidades de
empresas, así como también el acceso metropolitano y redes de núcleo metropolitano.
(Systems, 2011)
16
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
Figura 2.3 Próxima generación de redes ópticas metropolitanas
2.3 Principales Componentes
WDM es una tecnología que ha ganado un gran desarrollo en las redes ópticas de todo
el mundo por lo que es de vital importancia conocer los componentes que definen estas
redes. Entre los componentes de una red WDM se pueden encontrar:
•
Emisores de luz láser.
•
Multiplexores y demultiplexores ópticos.
•
En el enlace, fibra óptica con bajas pérdidas.
•
Amplificadores ópticos.
•
Fotodetectores (PIN y APD).
•
Multiplexores ópticos de adición/sustracción.
•
Crosconectores ópticos.
A continuación se realiza una caracterización de los componentes distintivos de una red
WDM, los que marcan la diferencia entre esta y una red de fibra óptica convencional
son: los multiplexores y demultiplexores ópticos; los amplificadores ópticos;
los
multiplexores ópticos de adición/sustracción y los crosconectores ópticos.
2.3.1 Multiplexores y Demultiplexores
Los multiplexores son equipos de vital importancia en las redes WDM ya que son los
encargados de juntar las diferentes longitudes de onda ópticas provenientes de las
diferentes fuentes de luz y convertirlas en un rayo de luz que luego es inyectado en la
fibra óptica mientras que los demultiplexores son los encargados de separar este rayo de
luz en diferentes longitudes de ondas. La demultiplexación se debe hacer antes de la
17
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
detección de la luz porque los fotodetectores inherentemente son dispositivos de banda
ancha y no pueden selectivamente detectar una sola longitud de onda.
Los multiplexores y los demultiplexores pueden ser de diseño pasivo o activo. El diseño
pasivo se basa en prismas, rejillas de difracción o filtros, mientras que el diseño activo
combina dispositivos pasivos y filtros sintonizables. Los principales retos en estos
dispositivos es minimizar la diafonía y maximizar la separación de canal. La diafonía es
una medida de cuanto están separados los canales, mientras que la separación de canales
se refiere a la posibilidad de distinguir cada longitud de onda.(CISCO, 2001)
Los multiplexores y demultiplexores deben tener:
•
Bajas pérdidas por inserción.
•
Baja diafonía.
•
Facilidad de fabricación.
•
Fácil adaptación de conectores, para tener una transmisión directa.
•
Alta confiabilidad.
2.3.2 Amplificadores Ópticos
La amplificación es el proceso de restaurar la señal óptica a su poder óptico original y
sin distorsión después de que la señal ha sido atenuada al pasar a través de un hilo de
fibra. Este proceso es particularmente importante en entornos WDM donde es necesario
amplificar cada cierta distancia para mantener la potencia necesaria de la señal y lograr
una buena razón de error de bit. La aparición de amplificadores como el EDFA y el
RPA (Raman pump amplifier) fueron tecnologías claves para hacer posible el transporte
de gran cantidad de información a través de WDM, así como la transmisión a largas
distancias. La figura 2.4 muestra un esquema general de un EDFA.(LAUDE, 2002)
Figura 2.4 Amplificador EDFA
18
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
En los EDFA la amplificación se obtiene por emisión estimulada de luz cuando la señal
óptica llega al medio amplificador. Esta emisión se produce gracias a una aportación de
energía exterior estática denominada “bombeo óptico”. Entre las características más
importantes de los EDFA se tiene que su perfil de ruido es bajo, no compensan la
dispersión, amplifican simultáneamente todas las longitudes de onda de la banda C de
forma directa, es decir sin conversión electro-óptica u opto-electrónica. Amplificadores
de doble banda pueden amplificar simultáneamente las señales en banda C+L.
La separación entre amplificadores para enlaces submarinos se limita alrededor de 50
km con una ganancia de 10 dB mientras que para los enlaces terrestres puede oscilar
alrededor de 100 km con una ganancia de 20 dB; son transparentes a la velocidad y al
formato de transmisión, bajo consumo energético, permiten disminuir los costos en las
redes al eliminarse los regeneradores convencionales y, también
realizan una
supervisión de la temperatura y corriente del láser de bombeo así como la potencia de
entrada y de salida. Los amplificadores RPA utilizan como principio de operación, la
amplificación directa en la fibra ya que la atenuación inherente a las señales
transmitidas por una fibra puede combatirse en la misma fibra. Una señal de bombeo de
un láser de onda continua (a 1450 nm) se envía por la fibra desde el extremo contrario a
la dirección de propagación de las señales con información.
Usando los efectos no lineales distribuidos del tipo Raman (bombeo de energía de las
señales con  inferiores hacia las superiores, con amplificación de las  mayores) se
genera una ganancia óptica en la banda que va desde 1535 nm a 1565 nm, convirtiendo
a la propia fibra en un amplificador. Un láser de bombeo a 1450 nm con una potencia
de 1W genera una ganancia de 25 dB por el efecto Raman.(Yunlei Lui, 2013)
2.3.3 Multiplexores Ópticos de Adición/Sustracción
Los multiplexores ópticos de adición/sustracción son una parte clave en las redes
ópticas WDM ya que permiten una mayor dinámica y desarrollo de estas. Los OADM
se ubican en puntos intermedios, permitiendo topologías de redes punto a multipunto,
anillos y mallas. Estos dispositivos son capaces de extraer la información contenida en
cualquiera de las longitudes de onda multiplexadas en un solo rayo de luz en la fibra en
cualquier punto intermedio de la misma. Además de la extracción también permiten
introducir canales en cualquier punto de la fibra.
19
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
De modo general su función es tomar una señal WDM del puerto de entrada extrayendo
de forma selectiva algunas 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. En la figura 2.5 se muestra la utilización de OADM en redes
WDM.(Barría, 2006)
Figura 2.5 Utilización de OADM en redes WDM
2.3.4 Crosconectores Ópticos
Un OXC (crosconector óptico) consiste en un conmutador matricial de fibras ópticas de
dimensión M x N, donde M es el número de fibras de entrada que conmutan a N fibras
de salida, todo ello en base a un proceso completamente óptico, es decir, sin ningún tipo
de conversión electro-óptica u opto-electrónica; también existen los modelos híbridos
que hacen una conversión electro-óptica. Conceptualmente un crosconector se puede
definir como un dispositivo que hace que una señal en un determinado punto A se dirija
a un punto B o a un punto C. La función del OXC consiste básicamente en conmutar
longitudes de onda a gran velocidad de una fibra a otra en base a las necesidades de
tráfico. Una de las aplicaciones es la restauración del tráfico y enlace en caso de cortes
en la fibra o fallos en el nodo.
El OXC tiene la capacidad de:
•
Conmutación de fibra: capacidad para enrutar todas las longitudes de onda que
provienen de una fibra hacia otra fibra de salida diferente.
•
Conmutación de longitud de onda: capacidad de controlar la entrada y la salida
de longitudes de onda específicas de una fibra de entrada hacia otra de salida.
20
CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM
•
Conversión de longitud de onda: capacidad para recibir unas longitudes de onda
y convertirlas en otras con distinta frecuencia óptica antes de mandarlas hacia el
puerto de salida.
La aparición de los crosconectores posibilitó el avance de las redes ópticas jugando un
importante papel en el establecimiento de los circuitos ópticos y de diferentes
arquitecturas en estas redes. En la figura 2.6 se observan las funciones que realiza un
conmutador óptico.(Rivero, 2010)
Figura 2.6 Conmutador óptico
2.4 Conclusiones del Capítulo
Las ventaja inmediata que ofrece WDM es el aprovechamiento del gran ancho de banda
que provee la fibra óptica, además hay mayor conectividad, se disminuye el costo de la
infraestructura y todas estas se une su capacidad de restablecer una comunicación en
milisegundos tras una falla en el nivel óptico del sistema sin que se afecten los niveles
superiores, gracias a la conmutación óptica. En cuanto a la topología, se destaca por sus
características, la de malla, es el futuro de las redes ópticas. Como las redes
evolucionan, las topologías de anillo y punto-a-punto tendrían un lugar, pero la malla
sería la topología más robusta. Este desarrollo sería habilitado por la introducción de los
OXCs y switches configurables que en algunos casos reemplazarían y en otros
suplementarían a los dispositivos WDM fijos.
21
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
En el presente capítulo se explican las tecnologías que dan lugar a la implementación de
IP sobre WDM. También se analiza la evolución de las redes ópticas de los días de hoy
hacia la posible y ventajosa integración de IP con la capa óptica
y se hacen
comparaciones de IP/WDM con algunas tecnologías de Internet.
3.1 Transmisión de Datos sobre WDM
Las redes de datos actuales se componen normalmente de cuatro capas: IP para el
transporte de aplicaciones y servicios, ATM para la ingeniería de tráfico, SONET/SDH
para el transporte y WDM para proporcionar la capacidad, como se muestra en la figura
3.1.
Figura 3.1 Capas de las redes de datos actuales
3.1.1 ATM (Asynchronous Transfer Mode)
ATM es un protocolo de transporte de alta velocidad cuyas implementaciones actuales
son en la red local en compañías que requieren grandes anchos de banda. Es capaz de
ofrecer servicios de 155Mbps hasta 622 Mbps en la red amplia como backbone de
conmutación de las redes que lo requieren y que además tiene facilidad de conexión a
redes de alta velocidad. Las características de ATM permiten el transporte de video, voz
y datos. Con esta tecnología, a fin de aprovechar al máximo la capacidad de los sistemas
de transmisión, sean estos de cable o radioeléctricos, la información no se transmite y se
conmuta a través de canales asignados en permanencia, sino en forma de cortos
22
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
paquetes (celdas ATM) de longitud constante y que se pueden enrutar individualmente
mediante el uso de los denominados canales virtuales y trayectos virtuales.
Algunas ventajas de la red ATM:
•
Calidad de servicio: por un lado permite al operador de red establecer distintos
controles de tráfico, ya sean controles de admisión o mecanismos capaces de
manejar prioridades, que permiten garantizar a los flujos una determinada
calidad de servicio en términos de pérdidas de información, retardo y variación
del retardo (jitter). Esta es una de las capacidades imprescindibles para la
integración de varios servicios dentro de una red puesto que permite garantizar
una calidad definida que se ajuste a los requisitos de cada uno de ellos.
•
Redes privadas virtuales: ATM también facilita la configuración de subredes
lógicas dentro de una misma red física de una manera mucho más sencilla y
económica que la solución tradicional basada en el empleo de líneas alquiladas.
•
Gestión: Su orientación a conexión le permite disponer de grandes capacidades
en lo que respecta a la ingeniería de tráfico que permiten a los operadores
gestionar de manera flexible el tráfico de sus redes.
Sin embargo, la especificación de ATM es en gran medida anterior al crecimiento de
tráfico IP, por lo que presenta una serie de inconvenientes o desventajas importantes a la
hora de acomodar tráfico de esta naturaleza:
•
Existe un deterioro de ancho de banda procedente del hecho de que los paquetes
IP deban ser fraccionados para acomodarlos al formato de las células ATM que
además incluyen una nueva cabecera, la cual se traduce en una mayor
proporción de información inútil para el usuario final. Este efecto se denomina
cell-tax y da lugar a un uso poco eficiente del ancho de banda.
•
También existe un defecto a nivel de proceso. En la solución de IP sobre ATM
se dispone de una serie de routers IP que se acoplan entre sí por medio de
enlaces ATM. En esta situación, en cada router se debe esperar a que lleguen
todas las células correspondientes a un mismo paquete para reconstruirlo y que,
a partir de él se puedan tomar las correspondientes decisiones de
encaminamiento. Esto constituye una nueva tara y además introduce una serie de
retardos que hay que controlar sobre todo para cierto tipo de aplicaciones, como
las basadas en el intercambio de información en tiempo real.
23
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
•
Aunque ATM permita llevar a cabo una gestión de la red eficiente esto se hace a
costa de introducir un nivel de complejidad muy elevado. Si el tráfico que
soporta es IP podrían producirse redundancias por el hecho de que alguna
funcionalidad apareciera duplicada en la capa IP, como controles de flujo o de
congestión. (Oppenheimer, 2011)
3.1.2 IP/ATM
La base del modelo IP/ATM está en la funcionalidad proporcionada por el nivel ATM,
es decir, los controles de software (señalización y routing) y el envío de las celdas por
hardware (conmutación). En realidad los PVCs (circuitos virtuales permanentes) se
establecen a base de intercambiar etiquetas en cada conmutador de la red, de modo que
la asociación de etiquetas entre todos los elementos ATM determina los
correspondientes PVCs. Las etiquetas tienen solamente significado local en los
conmutadores y son la base de la rapidez en la conmutación de celdas. La potencia de
esta solución de topologías superpuestas está en la infraestructura ATM del backbone;
el papel de los routers IP queda relegado a la periferia.
En el modelo IP/ATM existe una separación de funciones entre lo que es routing IP
(control y envío de paquetes) y lo que es conmutación (control, señalización y envío de
celdas). Aunque se trata de una misma infraestructura física, en realidad existen dos
redes separadas con diferentes tecnologías, diferente funcionamiento y lo que quizás es
más sorprendente, concebidas para dos finalidades totalmente distintas.
La solución de superponer IP sobre ATM permite aprovechar la infraestructura ATM
existente. Las ventajas inmediatas son el ancho de banda disponible a precios
competitivos y la rapidez de transporte de datos que proporcionan los conmutadores. En
los casos de NSP (network service provider) de primer nivel, ellos poseen y operan el
backbone ATM al servicio de sus redes IP. Los caminos físicos de los PVCs se calculan
a partir de la necesidades del tráfico IP utilizando la clase de servicio ATM UBR
(unspecified bit rate), ya que en este caso el ATM se utiliza solamente como
infraestructura de transporte de alta velocidad, no hay necesidad de apoyarse en los
mecanismos inherentes del ATM para control de la congestión y clases de servicio.
La ingeniería de tráfico se hace a base de proporcionar a los routers los PVCs necesarios
con una topología lógica entre routers totalmente mallada. El "punto de encuentro" entre
la red IP y la ATM está en el acoplamiento de los subinterfaces en los routers con los
24
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
PVCs, a través de los cuales se intercambian los routers la información de
encaminamiento correspondiente al protocolo interno IGP (Interior Gateway Protocol).
Lo habitual es que entre cada par de routers haya un PVC principal y otro de respaldo,
que entra automáticamente en funcionamiento cuando falla el principal.
El modelo IP/ATM tiene también sus inconvenientes: hay que gestionar dos redes
diferentes, una infraestructura ATM y una red lógica IP superpuesta, lo que supone a los
proveedores de servicio un mayor costo de gestión global de sus redes. Existe además lo
que se llama la "tasa impuesta por la celda", un overhead aproximado del 20,0% que
causa el transporte de datagramas IP sobre las celdas ATM y que reduce en ese mismo
porcentaje el ancho de banda disponible. Por otro lado la solución IP/ATM presenta los
típicos problemas de crecimiento exponencial n x (n-1) al aumentar el número de nodos
IP sobre una topología completamente mallada.
Por ejemplo, en una red con 5 routers externos con una topología virtual totalmente
mallada sobre una red ATM; son necesarios 5 x 4 =20 PVCs (uno en cada sentido de
transmisión). Si se añade un sexto router se necesitan 10 PVCs más para mantener la
misma estructura (6 x 5=30). (FARREL, 2004)
3.1.3 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
La jerarquía digital sincrónica se puede considerar como la evolución de los sistemas de
transmisión, como consecuencia de la utilización de la fibra óptica y de la necesidad de
sistemas más flexibles y que soporten anchos de banda elevados. Uno de los objetivos
de esta jerarquía estaba en el proceso de adaptación del sistema PDH, ya que el nuevo
sistema jerárquico se implantaría paulatinamente y debía convivir con la jerarquía
plesiócrona instalada. La trama básica de SDH es el STM-1, con una velocidad de 155
Mbps.
Cada trama va encapsulada en un tipo especial de estructura denominado contenedor.
Una vez que se haya encapsulado se añaden cabeceras de control que identifican el
contenido de la estructura y el conjunto, después de un proceso de multiplexación, se
integra dentro de la estructura STM-1. Los niveles superiores se forman a partir de
multiplexar a nivel de byte varias estructuras STM-1, dando lugar a los niveles STM-4,
STM-16 y STM-64. Las tramas contienen información de cada uno de los componentes
de la red, trayecto, línea y sección, además de la información de usuario. Los datos son
encapsulados en contenedores específicos para cada tipo de señal tributaria. A estos
contenedores se les añade una información adicional denominada tara de trayecto (path
25
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
overhead) que son bytes utilizados con fines de mantenimiento de la red, dando lugar a
la formación de los denominados contenedores virtuales (VC). El resultado de la
multiplexación es una trama formada por 9 filas de 270 octetos cada fila (270 columnas
de 9 octetos). La transmisión se realiza bit a bit en el sentido de izquierda a derecha y de
arriba abajo. La trama se transmite a razón de 8000 veces por segundo (cada trama se
transmite en 125 μs). De las 270 columnas que forman la trama STM-1 las 9 primeras
forman la denominada tara (overhead), independiente de la tara de trayecto de los
contenedores virtuales antes mencionados, mientras que las 261 restantes constituyen la
carga útil (payload). En la tara están contenidos bytes para alineamiento de trama,
control de errores, canales de operación y mantenimiento de la red y los punteros, que
indican el comienzo del primer octeto de cada contenedor virtual. (Beasley, 2009)
La SDH presenta una serie de ventajas:
•
El proceso de multiplexación es mucho más directo. La utilización de punteros
permite una localización sencilla y rápida de las señales tributarias de la
información.
•
El procesamiento de la señal se lleva a cabo a nivel de STM-1. Las señales de
velocidades superiores son sincrónicas entre sí y están en fase por ser generadas
localmente por cada nodo de la red.
•
Las tramas tributarias de las señales de línea pueden ser subdivididas para
acomodar cargas plesiócronas, tráfico ATM o unidades de menor orden. Esto
supone mezclar tráfico de distinto tipo dando lugar a redes flexibles.
•
Compatibilidad eléctrica y óptica entre los equipos de los distintos
suministradores gracias a los estándares internacionales sobre interfaces
eléctricos y ópticos.
Algunas causas determinan su difícil adaptación al futuro escenario de las redes y son
las culpables de que se plantee la eliminación de la capa SONET/SDH. Estas
características son las siguientes:
•
Necesidad de sincronismo entre los nodos de la red SDH, se requiere que todos
los servicios trabajen bajo una misma referencia de temporización.
•
El principio de compatibilidad ha estado por encima de la optimización de ancho
de banda. El número de bytes destinados a la cabecera de sección es muy grande
lo que lleva a perder eficiencia.
26
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
•
Se trata de una solución muy robusta. Permite restaurar las conexiones punto a
punto en el caso de que se produzca algún problema en una fibra o equipo
intermedio encontrando caminos alternativos para la transmisión. Esta
característica tiene mayor o menor importancia según las funcionalidades que
incorporen las capas superiores. (DeCUSATIS, 2002)
3.1.4 IP / SDH
Se puede decir que IP/SDH puede proporcionar un servicio aceptable teniendo en
cuenta que la velocidad de los modernos routers IP usando MPLS, se aproxima a la de
los conmutadores ATM. Aunque una red IP tiene normalmente un “jitter” mayor que
una red ATM, este efecto es despreciable si la red tiene interfaces de alta velocidad y
ancho de banda suficiente.
En relación a los paquetes enviados sobre SDH, con la ampliación de capacidades de IP
vía MPLS es posible enviar los datagramas IP directamente a SDH eliminando el
overhead de ATM. SDH forma un enlace punto a punto entre los enrutadores IP por lo
que utiliza el protocolo PPP el cual proporciona las siguientes funciones:
•
Encapsula y transfiere paquetes desde múltiples capas de red sobre un mismo
enlace físico.
•
Establece, configura y monitorea la conexión del nivel de enlace.
•
Determina y configura los protocolos de nivel de red.
•
No hay encabezado ATM.
El inconveniente es que SDH solo puede operar en el modo de punto a punto por lo que:
•
No hay circuitos virtuales.
•
No hay ingeniería de tráfico.
Aunque la tecnología IP sobre SDH es viable, su aplicación es reducida al envío de
datos en alta capacidad, ATM por el otro lado es una plataforma multiservicios pero
tiene el inconveniente de tener demasiado overhead. Se abre la puerta para otra
tecnología, la cual pretende eliminar las dos capas ATM y SDH para que el protocolo IP
sea enviado directamente sobre la capa óptica, se está hablando de IP sobre
WDM.(Systems, 2011)
27
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
3.2 Evolución de la Red Óptica
Dado que IP se convertirá en la base de todos los servicios de telecomunicaciones y
WDM en la tecnología de transporte más utilizada, existe un interés creciente en la
integración de IP sobre las redes fotónicas. Esta integración pasa por: conseguir un
plano de control común que permita una administración de la red más sencilla y una
provisión más rápida y sencilla del ancho de banda ofrecido por WDM para el tráfico
IP, y encontrar un mecanismo eficiente para el transporte de los paquetes IP sobre
WDM.
Este epígrafe se centrará en los mecanismos de transporte de IP sobre WDM, para lo
cual es necesario añadir un protocolo de nivel de enlace, ya que IP está asociado al nivel
de red y WDM al nivel físico. Este nivel tendrá la misión de entramar el paquete, incluir
la funcionalidad necesaria para establecer enlaces entre dos nodos, realizar una
codificación de línea eficiente que impida las pérdidas de sincronismo y detectar
errores de bit.
En los análisis será especialmente importante además de la conveniencia para el
transporte sobre la capa óptica, ver la eficiencia en ancho de banda. Dicha eficiencia del
enlace de transmisión se verá afectada por cómo se hace la correspondencia de los
paquetes IP en la capa WDM y por la longitud de dichos paquetes. La mayoría de los
paquetes IP atravesando actualmente Internet son menores a 500 bytes, por lo que en los
análisis realizados se considerará un tamaño de paquete de 350 bytes. Así la evolución
tiende a la introducción de redes de transporte óptico que conllevaría la simplificación
de la actual arquitectura de red IP/ ATM/ SDH/SONET /WDM hacia una arquitectura
IP/WDM como se muestra en la figura 3.2.(Telnet, 2012)
Figura 3.2 Evolución hacia IP/WDM
28
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
3.2.1 IP sobre ATM sobre SDH/SONET sobre WDM
En la red de transporte de datos han existido típicamente cuatro capas: IP sobre ATM
sobre SONET/SDH sobre WDM. Esta arquitectura puede estar constituida por
gigarouters IP con interfaces ATM (que utilizan típicamente SONET/SDH como medio
físico) conectados directamente a la red WDM o como ocurre tradicionalmente, a través
de switches ATM conectados a OADMs SONET/SDH. La figura 3.3 ilustra una red de
este tipo.
Figura 3.3 Ejemplo de IP sobre ATM sobre encapsulación SDH para el transporte
sobre una red WDM
El modo de transferencia asíncrono o ATM estandarizado por el ITU-T es una
tecnología de nivel de enlace de conmutación rápida de pequeñas celdas o paquetes de
longitud fija de 53 bytes, diseñada para transportar cualquier tipo de tráfico (voz, datos,
imágenes o multimedia) basándose en la calidad de servicio o QoS demandada por los
usuarios finales. ATM proporciona un ancho de banda escalable que va desde los 2
Mbps a los 10 Gbps y debido a su naturaleza asíncrona, es más eficiente que las
tecnologías sincrónicas tales como la multiplexación por división en el tiempo o TDM
(time division multiplexing) en la que se basa SONET/SDH.
Las redes ATM están constituidas por switches con arquitecturas malladas. La red
óptica sincrónica o SONET estandarizada por el ANSI (american national standards
institute) para Norte América y la jerarquía digital síncrona o SDH estandarizada por el
29
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
ITU-T para todo el mundo y compatible en parte con SONET, son tecnologías de
transmisión por fibra óptica diseñadas principalmente para transmitir voz. Estas
tecnologías de nivel físico son ampliamente utilizadas teniendo como principales
características su alta estandarización mundial, su flexibilidad, sus potentes mecanismos
de protección y administración, la posibilidad de monitorización de errores y de calidad
del servicio, y su compatibilidad con las tecnologías de transporte predecesoras como la
jerarquía digital plesiócrona o PDH. Estos estándares definen interfaces de tráfico
denominadas STM-N (syncronous transport module level N) para el caso de SDH,
partiendo del STM-1 (155 Mbps).
La compatibilidad con PDH es garantizada mediante distintos contenedores: C-11 para
señales de 1.5 Mbps, C-12 para 2 Mbps, C-2 para 8 Mbps, C-3 para 34 Mbps y C-4 para
140 Mbps. Los restantes STM-N se obtienen mediante el entrelazado de bytes de varias
señales STM-1. En la actualidad se encuentran disponibles comercialmente los valores
de: STM-4 (622 Mbps), STM-16 (2.5 Mbps), STM-64 (10 Gbps) y en un futuro
próximo STM-256 (40 Gbps). SONET/SDH apuesta por arquitecturas en anillo
constituidas por multiplexores de extracción e inserción de señales u OADMs. Los
anillos permiten conseguir redes muy flexibles pudiendo extraer señales tributarias del
tráfico agregado en cualquiera de los OADMs, además de ofrecer potentes mecanismos
de protección y restauración.
Existen varios métodos para transportar IP sobre ATM, pero el clásico consiste en
segmentar los paquetes IP en celdas ATM vía AAL-5 (ATM adaptation layer - 5),
siguiendo la RFC 1483 y la ITU-T I-363. Estas celdas ATM son generalmente
transportadas en tramas SONET/SDH sobre la carga útil de uno o varios VC-4 (virtual
container - 4) concatenados según la ITU-T G-707, aunque se podrían transportar
directamente sobre WDM según la ITU-T I-432.(HUAWEI, 2010b)
3.2.2 IP sobre SDH/SONET sobre WDM
La tecnología SONET/SDH estaba inicialmente optimizada para el transporte de tráfico
de voz, pero la aparición del estándar PoS (packet over SONET), estandarizado en la
RFC 2615 del IETF, la ha convertido también en una alternativa muy eficiente para el
tráfico de datos. El esquema de una red de este tipo puede ser el de gigarouters IP que
simplemente utilizan el formato de trama SONET/SDH para entramar los paquetes IP
30
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
encapsulados para su transmisión directa sobre WDM, o también es posible transportar
el paquete IP mediante SONET/SDH sobre una red de OADMs SONET/SDH junto a
otro tipo de tráfico que utilizará luego enlaces WDM.(FARREL, 2004)
En efecto PoS proporciona un método para optimizar el transporte de paquetes de datos
en tramas SONET/SDH. Para ello primero es necesario que los paquetes IP sean
encapsulados en el nivel de enlace mediante PPP (point-to-point protocol) según la RFC
1662, siguiendo un entramado tipo HDLC (high-level data link control) según la RFC
1661. Finalmente las tramas HDLC son transportadas sobre la carga útil de uno o varios
VC-4s concatenados según la RFC 2615. La sobrecarga promedio de PoS es únicamente
de un 6,0%, bastante inferior a la de IP sobre ATM sobre SONET/SDH que es de un
20,0%, originada por la alta sobrecarga que implica ATM principalmente para paquetes
pequeños. PoS permite además continuar utilizando la excelente funcionalidad de
conmutación, protección, monitorización y supervisión de SONET/SDH. El problema
de eliminar ATM es que se pierde flexibilidad en el manejo del ancho de banda del
enlace virtual. Por otro lado, ATM permite además de crear circuitos virtuales
permanentes con un ancho de banda fijo desde el sistema de gestión, establecer circuitos
virtuales con un ancho de banda arbitrario dinámicamente, pudiendo utilizar también
multiplexación estadística para permitir a ciertos servicios acceder al ancho de banda
extra para pequeñas ráfagas. Esta limitación sería resuelta con la introducción de
GMPLS. En la figura 3.4 se presenta un esquema de red IP/SDH/SONET/WDM, donde
queda eliminada la capa ATM.(Systems, 2011)
Figura 3.4 Ejemplo de IP sobre SDH sobre WDM
31
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
3.2.3 IP sobre Gigabit Ethernet sobre WDM
El estándar IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.3z o Gigabit
Ethernet puede ser utilizado para extender las ampliamente implementadas redes locales
Ethernet y Fast Ethernet a redes mucho más extensas (sobre todo utilizando el modo de
transmisión full-duplex en vez del half-duplex) y de mayor capacidad, empleando
tarjetas de línea Gigabit Ethernet en los gigarouters IP con un costo 5 veces menor que
el de las tarjetas de línea SONET/SDH para una capacidad similar. Por esta razón
Gigabit Ethernet puede ser un mecanismo interesante para el transporte de IP en anillos
WDM metropolitanos o incluso de mayores distancias. Es más, los puertos 10 Gigabit
Ethernet estarán disponibles comercialmente en un futuro próximo. Gigabit Ethernet es
una opción aún más interesante cuando se complementa con MPLS. El protocolo
MPLS, es un estándar recogido en la RFC 3031 del IETF, que permite integrar en IP el
modo de conmutación rápido por etiquetas utilizado por ATM además de proporcionar
ingeniería del tráfico, cursar tráfico con distintas QoS, proteger ciertas rutas y crear
redes privadas virtuales o VPNs (Virtual Private Networks), es decir, MPLS permite de
una manera más sencilla y escalable ofrecer prácticamente la misma funcionalidad de
ATM en IP y además está diseñado para operar sobre cualquier tecnología de nivel de
enlace (ATM, Frame Relay y Ethernet). (Norris, 2003)
Este método ofrece bajo costo, sencillez y alta escalabilidad. La principal desventaja es
la poca eficiencia que presenta en el transporte de datos. La sobrecarga de Gigabit
Ethernet es de un 28,0%, originada principalmente en la codificación de línea para el
transporte óptico, necesaria para mantener el sincronismo. En la figura 3.5 se observa el
mecanismo de transporte IP en un anillo WDM usando el estándar IEEE 802.3z.
Figura 3.5 Ejemplo de IP siendo transportado sobre un anillo WDM con entramado
Gigabit Ethernet
32
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
3.2.4 IP sobre WDM robusto
Evidentemente la única forma de eliminar todas las limitaciones asociadas a estas
arquitecturas es transportar IP directamente sobre la capa WDM con la mayor eficiencia
posible, para lo cual es necesario que IP y WDM adopten la funcionalidad inherente a
otras capas; en concreto, los gigarouters IP tendrían una nueva tarjeta de línea que
utilizaría SDL y digital wrappers (encapsulado digital) para el transporte óptico sobre
sistemas WDM dotados de una mayor flexibilidad que los actuales.
En efecto, WDM está pasando de ser una tecnología muy estática empleada únicamente
en redes punto a punto a ser utilizada en redes en anillo muy flexibles. Ya existen los
primeros R-OADMs (reconfigurable optical add and drop multiplexers) capaces de
extraer e insertar longitudes de onda de la fibra dinámicamente según la configuración
realizada desde el sistema de gestión. Estos combinados con los OXCs que permiten
conmutar dinámicamente las longitudes de onda desde fibras de entrada a fibras de
salida, la capa WDM estará en condiciones de realizar las mismas funciones que ahora
desempeña la capa SONET/SDH creando una red óptica flexible, de alta capacidad y
eficiencia con una gestión del ancho de banda totalmente óptica.
En esta arquitectura aparece SDL (simplified data link) como un nuevo protocolo de
nivel de enlace propuesto por Lucent Technologies para la sustitución de HDLC,
pudiendo ser utilizado sobre SONET/SDH o directamente sobre WDM. Mediante SDL
se consigue una sobrecarga de únicamente el 3,0%. Por otro lado los digital wrappers
estandarizados en la G.709 del ITU-T y en proceso de implementación se encargarían
de añadir bytes de sobrecarga que soporten la gestión y el control del canal óptico,
aprovechando la necesidad de regeneración electroóptica en los puntos de entrada y
salida de los sistemas WDM para adaptar las longitudes de onda y posibilitar su
multiplexación.
La utilización de digital wrappers proporcionará una funcionalidad y fiabilidad
semejante a la trama SONET/SDH, con la ventaja de ser totalmente transparente al tipo
de interfaces utilizadas en los gigarouters que se interconectan (es compatible con
ATM, ESCON, SONET/SDH) y estar más adaptado a la problemática de la capa óptica,
33
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
ofreciendo nuevas mejoras como por ejemplo el uso de FEC (forward error correction)
que puede mejorar significativamente la BER (bit error rate) de la señal óptica
minimizando la necesidad de puntos de regeneración.(Y. Lui, 2012a)
Por otro lado, para mejorar el aprovechamiento del ancho de banda óptico y la
funcionalidad de este esquema es necesario un protocolo que realice la misma misión
que realiza MPLS en la arquitectura de IP sobre Gigabit Ethernet. Este protocolo es
GMPLS (generalized multiprotocol label switching), evolución de MPLS y en proceso
de estandarización por el IETF. Este soporta no sólo dispositivos de conmutación de
paquetes, sino también de conmutación en el tiempo, en longitud de onda y de fibras
ópticas.
Puesto que está diseñado para soportar diferentes tipos de tráfico, las redes podrían ser
escaladas y simplificadas mediante el desarrollo de una nueva clase de elemento
diseñado para manejar diferentes tipos de tráfico simultáneamente. De esta forma
GMPLS ofrece un panel de control único e integrado y extiende la disponibilidad de
recursos y gestión del ancho de banda a lo largo de todas las capas de la red, ofreciendo
así una rápida provisión de servicios de cualquier tipo, en cualquier momento, con
cualquier calidad de servicio, con cualquier grado de disponibilidad y con cualquier
destino. Esta provisión tiene además un costo operativo muy bajo por utilizar las
ampliamente disponibles herramientas de gestión IP y utilizar un plano de control
idéntico para gestionar la red óptica. Pero GMPLS permite también evolucionar
gradualmente de una compleja red de transporte de datos de varias capas a una red con
únicamente dos capas. Esto es debido a que la funcionalidad proporcionada actualmente
por las capas ATM y SONET/SDH como la ingeniería de tráfico, la QoS, o las VPN,
será progresivamente proporcionada por la red fotónica WDM mediante GMPLS y los
digital wrappers.(Masayuki Murata, 2010)
3.3 Comparación de las Tecnologías de Internet con IP Sobre WDM
Generar comparaciones con tecnologías actuales de Internet resulta difícil ya que esta
por sí misma pretende ser un gran conducto de información superando a las actuales
tecnologías del mercado, además,
WDM supone una plataforma de flujo de
información mayor, capaz de transportar protocolos actuales de Internet tales como
ATM y SDH; aunque cada uno tiene características propias que evidencian sus
potencialidades (ver Anexo # II).
34
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
3.3.1 SDH vs WDM
SDH es un ejemplo de multiplexación por división de tiempo (TDM). Señales de baja
velocidad se agrupan, se les asigna aperturas de tiempo y se colocan en una salida serial
de alta velocidad. Con esta multiplexación el total del ancho de banda del medio de
transmisión se divide en lapsos de tiempo. Las entradas transmiten una por vez, en
lapsos de tiempo individuales. WDM es un tipo de multiplexación por división de
frecuencia (FDM). Múltiples señales de alta velocidad a cada una de las cuales se le
asigna una longitud de onda distinta y se inyectan en una sola fibra. Multiplexando de
este modo el rango de frecuencia del medio de transmisión se divide en múltiples
canales independientes. Como cada canal se demultiplexa en la salida recuperando su
fuente original se pueden transmitir juntos diferentes formatos de datos con diferentes
razón de datos; específicamente datos IP, SONET, y ATM que pueden viajar al mismo
tiempo dentro de la fibra óptica. Una vez digitalizada la señal, se envía a través del
transporte óptico sin importar el formato, suponiendo que el receptor soporta la señal
transmitida. Un ejemplo se muestra en la figura 3.6.
Figura 3.6 Comparación SDH con WDM
3.3.2 ATM e IP/ATM vs IP/WDM
Una de las diferencias entre las tecnologías ATM y IP/WDM es la “calidad de servicio”.
Como anteriormente se pudo observar, ATM permite al operador de red establecer
distintos controles de tráfico, capaces de manejar prioridades, garantizar a los flujos una
determinada calidad de servicio en términos de pérdidas de información, retardo y
variación del retardo (jitter). Todo esto se hace a costa de introducir un nivel de
complejidad muy elevado. Si el tráfico que soporta es IP podrían producirse
35
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
redundancias por el hecho de que alguna funcionalidad apareciera duplicada en la capa
IP y como controles de flujo o de congestión. Sin embargo IP/WDM viene a corregir
estos inconvenientes y a entregar un mayor ancho de banda por canal, el tráfico de la
red se supone más expedito con una mayor “carretera de la información”.
Aunque WDM es una tecnología que soporta por sí misma toda clase de protocolos, la
implementación de una red directa para IP sin las plataformas como ATM conllevan
una mayor velocidad dentro de la red y por consiguiente una eliminación dentro de la
pila de protocolos que provocan retardo dentro de la red. Por otra parte, IP sobre WDM
todavía no es una tecnología “madura” ya que todavía se está estudiando la forma de dar
calidad de servicio bajo una plataforma directa. Las posibilidades son amplias y tienen
que ver con el desarrollo de proyectos ya en funcionamiento en relación a tecnologías
del tipo Gigabit Ethernet y también con el desarrollo de GMPLS.(Y. Lui, 2012b)
3.3.3 SDH e IP/SDH vs IP/WDM
En epígrafes anteriores se vio que en SDH el principio de compatibilidad ha estado por
encima de la optimización de ancho de banda. El número de bytes destinados a la
cabecera de sección es muy grande, lo que conlleva a una pérdida de la eficiencia.
Resulta de gran utilidad para servicios de tiempo real, ya que SONET/SDH fue
concebido para la transmisión de tráfico telefónico convencional debido a que
contribuye de manera notable a la robustez de la red. En el caso de que la mayor parte
del tráfico viaje en forma de paquetes IP, que es un protocolo no orientado a conexión,
la importancia de SDH es bastante menor puesto que el propio nivel IP cuenta con
mecanismos de encaminamiento que aunque todavía lentos son capaces de reaccionar
de forma robusta ante posibles fallos en equipos o enlaces.
Cuando se solucionen los problemas de convergencia de esos algoritmos de
encaminamiento está claro que existirán redundancias entre ambas capas por lo que no
será imprescindible la utilización de SONET/SDH y su eliminación será entonces un
buen alivio.(Barría, 2006)
3.3 Conclusiones del Capítulo
La transmisión de datos actualmente se realiza a través de una red de cuatro capas: IP,
ATM, SDH/SONET y WDM. Existen en este modelo una serie de inconvenientes que
de una forma u otra afectan el rendimiento y desarrollo de las redes, como por ejemplo
36
CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM
la capa ATM incluye nuevas cabeceras lo que significa menor información útil y mayor
retardo; además hay necesidad de sincronismo entre los nodos de la red SDH, debido a
se requiere que todos los servicios trabajen bajo una misma referencia de temporización.
La combinación de nuevos elementos ópticos con el empleo del protocolo GMPLS y
digital wrappers elimina las problemáticas mencionadas y sustituye las funcionalidades
de ATM y SDH/SONET evolucionando hacia rápida y robusta red de solo dos capas:
IP/WDM.
37
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
La revisión bibliográfica sobre las técnicas de multiplexación por división de longitud
de onda que se aplican en las comunicaciones por fibra óptica reveló que es ese el modo
en que mayor medida se puede aprovechar el enorme ancho de banda que posee la fibra
óptica, pero además, hay mayor conectividad y se disminuye el costo de la
infraestructura ya que no se necesita desplegar más fibras para ganar en velocidad y
capacidad.
Las redes ópticas que emplean WDM pueden trabajar con señales de cualquier formato
y a altas velocidades; se basan en topologías de anillo y punto-a-punto, las que serían el
paso de avance hacia una topología tipo malla, más robusta y confiable con la
introducción de nuevos dispositivos ópticos.
La transmisión de datos sobre la tecnología WDM se realiza mediante una compleja red
de transporte de varias capas que presenta inconvenientes como la inclusión de
cabeceras, y la necesidad de que todos los servicios trabajen bajo una misma referencia
de temporización; esto se traduce en mayor cantidad de información inútil para el
usuario y mayores retardos, afectándose de este manera el rendimiento y desarrollo de la
red.
Contrarrestar estas problemáticas es tarea del protocolo GMPLS y de los digital
wrappers, quienes proporcionarán la funcionalidad y fiabilidad de las capas intermedias
(ATM y SDH/SONET); además ofrecen un panel de control único e integrado y
extienden la disponibilidad de recursos y gestión del ancho de banda, ofreciendo así una
rápida provisión de servicios de cualquier tipo, en cualquier momento, con cualquier
calidad de servicio, con cualquier grado de disponibilidad y con cualquier destino. Esta
provisión tiene además un costo operativo muy bajo por utilizar las ampliamente
disponibles herramientas de gestión IP y utilizar un plano de control idéntico para
gestionar la red óptica.
La eliminación gradual de las capas antes mencionadas posibilitarán la evolución hacia
una rápida y robusta red de solo dos capas: IP/WDM. Con esta tecnología se minimizan
los retardos, redundancias entre protocolos y se entrega un mayor ancho de banda por
canal por lo que el tráfico de la red se supone más expedito con una mayor “carretera de
la información”.
38
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Recomendaciones
Tomando en consideración los aspectos recogidos en la elaboración del documento se
recomienda:
•
Emplear el documento como material de estudio para apoyar las asignaturas
Comunicaciones Ópticas y Redes, tanto para el pregrado como el postgrado.
•
Continuar con el estudio e investigación acerca de la integración de la tecnología
IP sobre técnicas WDM debido a la importancia que esto supone para las
Telecomunicaciones a nivel mundial.
39
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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de Chile.
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KAUFANN, M. (ed.) Third Edition ed.: Elsevier Science (USA).
DECUSATIS, C. 2002. FIBER
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TECHNOLOGICAL TRENDS AND ADVANCES In: CORPORATION, I.
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longitud de onda: Plan de frecuencias con multiplexación por división de
longitud de onda densa.
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longitud de onda: Plan de multiplexación por división aproximada de longitud
de onda.
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WDM Networks with Survivability and Security Constraints.
41
GLOSARIO DE TÉRMINOS
GLOSARIO DE TÉRMINOS
AAL-N: ATM Adaptation Layer N.
ANSI: American National Standards Institute.
APD: Avalanche Photo Diode.
ATM: Asynchronous Transfer Mode.
BER: Bit Error Ratio.
CATV: Cable TV.
CWDM: Coarse Wavelength Division Multiplexing.
DCF: Dispersion Compensation Fiber.
DCM: Dispersion Compensation Module.
DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexer.
EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier.
ESCON: Enterprise System Connection.
FDM: Frequency Division Multiplexing.
FEC: Forward Error Correction.
GMPLS: Generalized MultiProtocol Label Switching.
HDLC: High-level Data Link Control.
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers.
IETF: Internet Engineering Task Force.
IGP: Interior Gateway Protocol.
IP: Internet Protocol.
IPNG: Internet Protocol Next Generation.
ITU-T: International Telecommunication Union-Telecommunication Sector.
LTE: Line Terminal Equipment.
MANs: Metropolitans Area Networks.
42
GLOSARIO DE TÉRMINOS
MPLS: MultiProtocol Label Switching.
NSP: Network Service Provider.
OADM: Optical Add/Drop Multiplexer.
OSI: Open System Interconnection.
OXC: Optical Cross-Connect.
PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy.
PIN: Positive-Intrinsic-Negative.
PoS: Packet over SONET.
PPP: Point-to-Point Protocol.
PVCs: Permanents Virtual Circuits
QoS: Quality of Service.
RFC: Request for Comments.
R-OADM: Reconfigurable Optical Add/drop Multiplexer.
RPA: Raman Pump Amplifier.
SDH: Synchronous Digital Hierarchy.
SDL: Simplified Data Link.
SONET: Synchronous Optical Network.
STM-N: Synchronous Transport Module level N.
TDM: Time Division Multiplexing.
TFF: Thin Film Filter.
UBR: Unspecified Bit Rate.
VC: Virtual Container.
VPN: Virtual Private Network.
WDM: Wavelength Division Multiplexing.
43
ANEXOS
ANEXOS
Anexo I. Normas UIT para WDM
Para que la separación entre canales sea la adecuada la UIT estableció algunas
“recomendaciones ”para el trabajo con WDM, la figura I muestra la norma UIT-TG.692
que establece condiciones el trabajo y posterior aplicación de esta tecnología. También
se establecen otras recomendaciones en el ámbito DWDM y CWDM las cuales son:
• G.694.1: Tecnología DWDM con más de 16 canales, la misma establece bandas de
trabajo en la S, C, y L; con separaciones entre canales de 0.8 nm (100GHz), 0.4
nm (50 GHz), 0.2 nm (25GHz) y próximamente 12.5GHz.
• G.694.2: Tecnología CWDM. En la figura I.I se observan los18 canales separados
entre sí por 20 nm dentro de las Bandas S, C y L.
• Velocidad por canal: 1.25, 2.5, 10 y 40 Gbps.
Figura I Separación de canales según UIT-TG.692
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ANEXOS
Figura I.I Longitudes de onda según norma UIT G.694.2
Anexo II. Tabla comparativa entre tecnologías ATM, SDH y WDM
Tabla II Comparación entre tecnologías ATM, SDH Y WDM
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