Sistemas Internet Introdução às redes óticas Redes de Longa Distância e Alta Velocidade. Prof. Dr. Ruy de Oliveira IFMT

Sistemas Internet

Introdução às redes óticas

Redes de Longa Distância e Alta

Velocidade

Prof. Dr. Ruy de Oliveira

IFMT

Aplicações residenciais cada vez mais exigentes

Necessidade de VELOCIDADE

A velociade do consumidor vem crescendo de 6-10x a cada 6 anos

Demandas acima 1Gbps são previstas já em 2015

Vantagem competitiva

Novos serviços/tecnologias Ganho operacioanal via

substituição de cabos de cobre Consolidação de centro de controle

UGC Sharing Larger screens require higher resolution Downloading HD & 3D video content Bandwidth Growth Source: Cisco Multi-location 3D HD video

Tráfego global dos usuários da Internet

Tecnologias de alta velocidade

Redes óticas



O mercado demanda fibras óticas



Redes de acesso: PON (Passive Optical Networks)



Redes Metro: SONET/SDH (Synchronous Optical

Networks/Synchronous Digital Hierachy)



Redes de transporte:

D

WDM (

Dense

Wavelength

Division Multiplexing)

 D

WDM pode ser usada também em redes de acesso e

metro, mas devido ao alto custo isso raramente acontece

Redes óticas (Cont.)



Tráfego de dados na Internet continua crescendo

continua e vertiginosamente

 IPTV, VoD, VoIP e Internet banda larga



Somente a transmissão ótica pode suportar as taxas de

transmissão envolvidas nas redes de transporte

Transmissão ótica

Sistema de transmissão por fibra ótica Sistema de transmissão por fibra ótica Sinal

elétrico _elétricoSinal

Sinal ótico

Vantagens da transmissão ótica:

1. Distâncias maiores (resistente a ruído/menor atenuação) 2. Taxas de dados maiores (mais banda passante)

Redes óticas – alta velocidade



Passive Optical Networks (

PON

)

–

rede de acesso



Fiber-To-The-Home: FTTH



Fiber-To-The-Curb/Cabinet: FTTC



Fiber-To-The-Premise(building?):

FTTP



Rede Metropolitana (

SONET/SDH

)



Redes metro de acesso



Redes metro núcleo



Rede de Transporte (

DWDM

)

Arquitetura típica de uma PON (acesso)

Evolução das redes de acesso óticas

Taxa

de dados por assi

nante

(

bps

Típico Backbone IP sem WDM



Dados como carona no transporte tradicional voz/TDM

SONET/SDH DCS SONET/SDH DCS Core Router ATM Switch MUX SONET/SDH ADM Core Router ATM Switch MUX Core Router ATM Switch MUX Core Router ATM Switch MUX SONET/SDH ADM SONET/SDH

Típica rede óptica com

D

WDM no núcleo



SONET é equivalente ao SDH

SONET Data Center SONET SONET SONET DWDM DWDM

Access

Long Haul

Cenário das Redes óticas no Brasil

 “Maior economia da América do Sul, o Brasil perde para os vizinhos quando o assunto é total de acessos via redes de fibra óptica. Uruguai, Argentina e Chile estão na nossa frente, ainda que, há dez anos, todos os países estavam praticamente na mesma fase.” (Convergêcnia Digital, 25/09/2013)

 “Para se ter uma ideia deste potencial, os números da Telcomp mostram que as fibras ópticas chegam a apenas 45% dos municípios brasileiros. Na rede móvel, somente 20% das estações radiobase (ERBs) estão conectadas às redes de fibra. “Isso limita nossa velocidade”, conclui. A CDTV, do portal Convergência Digital, gravou a apresentação do CEO da Furokawa. Assistam” (Convergêcnia Digital, 25/09/2013)

Cenário das Redes óticas no Brasil (Cont.)

 “Brasília, 06/03/2013 – O ministro das Comunicações, Paulo Bernardo, revelou hoje que o governo prepara um grande programa de investimento para levar rede de fibra óptica a todas as regiões do Brasil. A previsão é de investir cerca de R$ 100 bilhões no setor de telecomunicações nos próximos dez anos através de parcerias com o setor privado, incentivos, financiamento do BNDES, Telebras e orçamento fiscal. O anúncio foi feito durante evento no Ministério da Ciência e Tecnologia, em Brasília.” (ministério das Comunicações)

 “Os levantamentos preliminares indicam que serão necessários investimentos de cerca de R$ 100 bilhões. Desse total, R$ 25 bilhões serão usados na construção de backbones (a espinha dorsal de uma rede de fibra óptica) e mais R$ 80 bilhões irão para o backhaul e a última milha, que faz as ligações até as residências.” (ministério das Comunicações)

Cenário das Redes óticas no Brasil (Cont.)

 “Segundo Shaikhzadeh [Furukawa], as limitações de investimento provocadas pela alta carga tributária e inseguranças no marco regulatório de telecomunicações fazem com que as empresas não invistam em fibra e aproveitem ao máximo as estruturas de fios de cobre já instaladas. “Apenas 20% das antenas de telefonia móvel no país [as ERBs] estão conectadas por fibra, o que limita a oferta de velocidade das operadoras aos seus clientes”, afirmou o executivo.

 De acordo com Shaikhzadeh, o Brasil registrou 246 mil assinantes de serviço de internet em banda larga por fibra óptica, o FTTH, que oferece velocidades de até 200 megabits por segundo (Mbps) no primeiro semestre. O número é mais que o dobro do registrado no mesmo período do ano passado, mas ainda representa uma base muito pequena em comparação com outros países da América Latina.

 A maior rede de serviços em fibra óptica do país é a da Telefônica, que cobre 1,2 milhão de domicílios, disse o executivo. O número de assinantes, no entanto, é de apenas 10% desse total, bem abaixo do necessário para sustentar o investimento. Segundo Shaikhzadeh, seria

Cenário das Redes óticas no Brasil (Cont.)



“

Vivo, GVT e Oi também trabalham com conexões em que a fibra óptica chega até a residência do assinante. Isso traz diversas vantagens, começando pela maior velocidade. O pioneiro serviço Vivo Fibra e o mais recente Oi Fibra têm planos de até 200 Mbps e oferecem também TV (via rede IP) e telefonia.(Info Exame, 09/08/2013)

 PNBL faz dois anos e aponta mercado em crescimento

 “Brasília, 14/05/2012 – Em dois anos de implementação do Programa Nacional de Banda Larga (PNBL), o número de acessos à internet no Brasil quase triplicou, passando de 27 milhões para 70 milhões, considerando acessos fixos e móveis. E o mercado continua em crescimento. Além de ter como meta a massificação da internet, o programa desenvolve políticas para incentivar a produção de tecnologia, a modernização da infraestrutura e medidas regulatórias para o setor.” (Telebrás, 14/05/2012)

Perguntas



Por que as fibras óticas possibilitam maiores velocidades?



Quais são os tipos de fibras óticas existentes?



Como anda a implantação de banda larga por fibra ótica no

Brasil?

Evolução das redes na direção da ótica pura



As redes de dados podem ser classificadas em gerações

no que

se refere a tecnologia usada no nível físico

 Primeira geração: usa tecnologia baseadas em enlaces de

cabo de cobre ou de microondas (sem fio)

 Ex.: redes PDH

 Segunda geração (rede ótica de 1ª geração): usa esses

enlaces de cobre ou micro-ondas juntamente com fibras

óticas

 Ex.: SONET/SDH

 Terceira geração (rede ótica de 2ª geração): usa a

tecnologia

D

WDM,

que

forma

um

backbone

de

comunicação de fibra ótica. Esta tecnologia multiplexa

múltiplos sinais óticos numa única fibra, usando diferentes

comprimentos de onda ou cor de luz

 Ex.: WDM e DWDM

Redes óti

Evolução das Redes óticas



Primeira geração de redes óticas - Redes

elétricas-óticas

 Basicamente para aumentar capacidade no transporte,

com baixa taxa de erro de bits

 Todo

chaveamente

e

operações

inteligentes

eram

realizadas por equipamentos eletrônicos

 SONET/SDH



Segunda geração de redes óticas - Redes de núcleo

puramente ótico

 Roteamento,

chaveamento

e

demais

operações

inteligentes realizadas no domínio ótico (na camada ótica)

 sem deficiências na conversão elétrico-ótico-elétrico (EOE)

 À medida que as taxas de transmissão aumentam

Backbones de fibra ótica no mundo

Backbones de fibra ótica no mundo

Típico sistema de cabo ótico submarino



Os repetidoress fotônicos são alimentados (por meio das

Típico sistema de cabo ótico submarino (Cont.)



Os repetidores fotônicos são alimentados (por meio das

Possibilidades para Comunicação IP de longas distâncias



IP over SONET/SDH



IP over ATM



IP over

D

WDM

Redes óticas como transporte para o protocolo IP



Enquanto as redes óticas são tecnologias da camada 1,

o IP é uma tecnologia de camada 3

 Há necessidade de um protocolo de camada 2 para

encapsular pacotes IP em quadros da camada 2 antes do

envio desses pacotes na camada ótica

 ATM (via RFC 2684)

 SONET/SDH (via PPP)

 ETHERNET (via GFP)

Generic Framing Procedure (GFP)



Provê

mecanismo

genérico

de

camada

2

para

adaptação dos sinais das camadas superiores sobre os

protocolos de camada 1 SONET/SDH ou OTN (Optical

Transport Network)

GFP

– Common Aspects

(Payload Independent)

GFP

– Client Specific Aspects

(Payload Dependent)

Ethernet

IP/PPP

Other Client Signals

SONET/SDH

VC-n Path

OTN ODUk Path

Other

octet-synchronous

paths

Redes óticas de 1ª geração



Principais redes de camada 1

do modelo OSI

 SONET/SDH

 Ethernet

 Optical Transport Network

(OTN)

 Para transporte genérico

sobre

fibras

óticas:

IP,

Ethernet, SONET/SDH

 Combina

benefícios

do

SONET/SDH com o ganho

de

banda

provido

pelo

DWDM

PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy

Taxa de transmissão de sinais assíncronos e plesiochronous

DS: Digital Signal

PDH apresentou muitos problemas, o que levou ao desenvolvimento de

um novo padrão de transmissão e Multiplexação  SDH/SONET

Level North America [Mb/s] Europe [Mb/s] Japan [Mb/s]

0 DS0 0.064 0.064 0.064

1 DS1/T1 1.544 E1 2.048 1.544

2 DS2/T2 6.312 E2 8.448 6.312

3 DS3/T3 44.736 E3 34.368 32.064

4 139.264 E4 139.264 97.728



Padrão utilizado antes do SONET/SDH

PDH mapeado no SONET/SDH

SONET Signal SDH signal Bit rate [Mb/s] STS-1 51.84 STS-3 (OC-3) STM-1 155.52 STS-12 (OC-12) STM-4 622.08 STS-24 1244.16 STS-48 (OC-48) STM-16 2488.32 STS-192 (OC-192) STM-64 9953.28



Mapeamento das baixas

taxas de transmissão do

PDH para o transporte

no SONET/SDH



STS: Synchronous Transport Signal (SONET)



STM: Synchronous Transport Module (SDH)

SONET/SDH - Óticos



SONET

(Synchronous

Optical

Networking)

e

SDH

(Synchronous

Digital

Hierarchy)

são

considerados

equivalentes

 SONET: EUA e Canadá

 SDH: resto do mundo



A indústria de telecomunicações adotou os padrões

SONET/SDH para transporte ótico dos dados TDM



Esses padrões especificam:

 Parâmetros de interface, taxas, formato dos quadros,

métodos de multiplexação e gerenciamento de TDM

síncrono sobre fibras ópticas

SONET/SDH



Novas aplicações (killer applications) e o crescimento

vertiginoso da Internet excederam o limite do TDM



Fibras óticas também estão no limite e as limitações da

infraestrutura

SONET

(custo,

complexidade

e

escalabilidade) clamam por soluções alternativas

WDM (Walength Division Multiplexing)



Aumenta a capacidade do meio óptico usando

técnica totalmente diferente do TDM



WDM associa sinais ópticos de entrada a frequências

de luz específicas (comprimento de ondas ou

lambdas) dentro de banda de frequência própria



Pode-se pensar também em termos de cores, em que

cada canal possui uma cor ou luz diferente



No receptor um seletor de cor é necessário para

filtrar o sinal desejado

WDM (Walength Division Multiplexing)



Típico cabo ótico submarino pode comportar até 144

canais OC-192 (10 Gbps), o que equivale a 1.44 Tbps por

fibra

TDM (SONET/SDH) e WDM



SONET/SDH TDM



Recebe

sinais

síncronos

ou

assíncronos e multiplexa-os para

envio

como

um

único

comprimento de onda

sobre

uma fibra



Conversões de sinais

elétrico-ótico e vice-versa podem ser

necessárias



WDM



Recebe múltiplos sinais ópticos,

mapeia-os

para

comprimentos

de onda individuais e multiplexa

os comprimentos de onda sobre

uma fibra



WDM pode ainda transportar

múltiplos protocolos sem a

necessidade de um formato

comum de sinal. O SONET

não

possui

essa

Serviço aos clientes e transporte no núcleo WDM

ATM Switch Sonet ADM IP Router TDM Switch

Transport Provider

Networks

Service Provider

Networks

OC-3 OC-3 OC-12 STS-1 STS-1 STS-1 Frame Relay

Users

Services

Frame Relay IP ATM Lease Lines

NÚCLEO (CORE)

BORDA

SONET/SDH versus WDM

Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver

Single Pair of Fibers

Single Pair of Fibers

Single Pair of Fibers

Single Pair of Fibers

Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver WDM MUX WDM MUX

Single Pair of Fibers

Traditional Digital Fiber Optic Transport

Componentes do WDM

Multiplexador ótico

Demultiplexador ótico

Multiplexador ótico ADD-DROP l1 l2 l3 l1 l2 l3 l1 l2 l3 l1...n l1...n Comprimentos de onda (lâmbda)

Exemplo de arquitetura de uma rede ótica de 2ª geração



O núcleo da rede é composto por dispositivos puramente

óticos

O surgimento do DWDM (Dense WDM)



O crescimento exponencial da Internet e a revolução nas

aplicações de banda larga geraram demandas de

capacidade que excederam os limites do tradicional TDM



A capacidade das fibras óticas que nos seus primórdios

foi considerada inesgotável está sendo esgotada



Possibilidades de expansão de capacidade

 Instalação de novos cabos

 Aumento da taxa de bits dos sistema para multiplexar mais

sinais

 Uso do DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)



A tecnologia DWDM foi desenvolvida para multiplicar a

capacidade de uma simples fibra ótica

Dense Wavelength Division Multiplexing



Como os sinais de entrada não são retirados na camada

ótica, o DWDM independe do formato e da taxa de bits

dos sinais de entrada

 Facilita integração com equipamentos existentes nas

redes convencionais (nas extremidades da rede???)



Por ser capaz de trabalhar com

sinais de velocidades distintas,

protocolos

como

IP,

ATM,

SONET/SDH, Ethernet, entre

outros, com velocidades entre

100 Mbps e 2,5 Gbps



Portanto,

DWDM

pode

transmitir

no

mesmo

canal

diferentes tipos de dados a

DWDM (Dense Walength Division Multiplexing)



DWDM

mantém

os

comprimentos

de

onda

mais

próximos (denso), e por isso tem maior capacidade



Pode amplificar todos os comprimentos de onda de uma

só vez sem a necessidade prévia de conversão para

sinais elétricos



Pode transportar simultânea e transparentemente sinais

de velocidades e tipos distintos sobre a fibra (protocolo e

taxa de bit independentes)



WDM e DWDM usam a fibra mono-modo para transportar

múltiplas ondas de luz de diferentes frequências, em que

a luz é injetada na fibra com ângulos distintos, resultando

em diferentes modos de luz

O - band E - band S - band C - band L - band

1280 1320 1360 1400 1440 1480 1520 1552 1560 1600 Wavelength (nm) CWDM Window DWDM Window

C Band Range : 1530nm – 1560nm

Espectro de luz



Fiber Characteristics

1550 Window 1310 Window

O - band E - band S - band C - band L - band

1280 1320 1360 1400 1440 1480 1520 1552 1560 1600 Wavelength (nm) CWDM Window DWDM Window

C Band Range : 1530nm – 1560nm

L Band Range : 1570nm – 1600nm

Water Peak

WDM e DWDM

Característica

WDM (CWDM)

DWDM

Comprimentos de onda (lâmbdas) por fibra

8 – 16 40 – 80 Espaçamento entre comprimentos de onda 2500GHz (20nm) 100 GHz (0.8nm) Capacidade de comprimento de onda até 2.5 Gbps até 10 Gbps Capacidade agregada da fibra 20 – 40 Gbps 100 – 1000 Gbps

Custo total baixo médio

Aplicações Corporações e acesso em rede metropolitana

Acesso, núcleo de rede metro e regional

Analogia com o TDM e o

D

WDM

Antes

Depois do TDM (carros vão mais rápidos)

Depois do DWDM (todas as faixa são usadas)

Leitura Complementar



http://mktelecom.50webs.com/pdf/tp_sdhpdh.pdf



http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialrsdh/pagina_1.asp

Bibliografia Básica

1.

Mukherjee, B., Optical WDM Networks, Ed. Springer , 2006.

2.

Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Sasaki, G. H., Optical Networks: A

practical perspective, 3ª Edição, Ed. Morgan Kaufmann, 2010.

3.

Minei,

I.,

Lucek,

J.,

MPLS-Enabled

Applications:

Emerging

Developments

and

New

Technologies

(Wiley

Series

on

Communications Networking & Distributed Systems), 3a edição, Ed.

Wiley, 2011.

4.

Stallings, W., High-Speed Networks and Internets: Performance and

Quality of Service, 2a edição, Ed. Prentice Hall, 2002.

5.

Tanenbaum, A., Computer networks, 5ª edição, Ed. Prentice Hall,

2010.

6.

Kurose, J., Redes de Computadores e a Internet

– Uma Nova

Abordagem, 3ª Edição, Ed. Addison Wesleys, 2006.