Evolution of Optical Networks

(1)

Evolution of Optical Networks

from single wavelengths

to Tb/s and Photonic Switching

Passado, Presente e Futuro

Evolution of Optical Networks

from single wavelengths

to Tb/s and Photonic Switching

Passado, Presente e Futuro

mês/2003

Feec-Unicamp

BRASIL

Felipe Rudge Barbosa

[email protected]

http://

www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge/

Save the humans.

SBrT´2012

– Brasilia DF – Brasil

2

Optical Communications – Introdução Geral

Introdução Geral

conceitos básicos e definições;

evolução histórica; gerações de tecnologias;

aspectos econômicos

Bases Tecnológicas

componentes ativos e passivos;

amplificadores e roteadores óticos;

Redes Óticas de Transporte e Acesso

redes WDM (tronco e metro)

--

Gb/s; Tb/s

redes óticas acesso

--

Mb/s; Gb/s

redes fotônicas [redes avançadas

]

Comutação Fotônica

Novas tecnologias (Si-Photon, redes sensores)

3

Espectro Eletromagn

é

tico

Luz

visível

UV

Raios-X

0,1 1nm 100 300 400 700 800 1

µ

m 3 10 30 300 1000

µ

m

1 10 Å

1mm

IV

UV – ultra-violeta (ultra-violet UV)

IV – infra-vermelho (infra-red IR)

médio

longo

400 500 600 700

Ē

B

ExB

c

S

=

1 Luz IV

Comunicações Ópticas

Dominio da Ótica

Ondas longitudinais

que não necessitam

meios materiais para

propagação.

(2)

4

1960 - Invenção Laser

1962 - Laser Semicondutor (77 K)

1970 - Laser Semicondutor T

amb

(300 K)

1970 - Fibra Óptica (20 dB/km)

1973-75 - Laser, Fibras Óticas, Sistemas (no Brasil)

1980-84 - Laser 1300/1550 e Fibra Monomodo

(0,25 dB/km)

1989-91 - Amplificador Ótico

1992-94 - Sistemas WDM Longa Distancia (

Internet-

WWW

)

1998- Sistemas WDM Metropolitanos

2000-2004 - Redes Óticas

2005-

futuro

- Redes Fotônicas

Importante salientar que as várias tecnologias podem evoluir

superpondo-se, ou podem ser substituídas ao longo do tempo...

Hist

ó

rico (

marcos

tecnologicos

)

Com.Ópticas - Introdução Geral

5

Optical Communications – Introdução Geral

• Curtos comprimentos

de onda

• Fibra multimodo

• Longos comprimentos

de onda

• Fibra monomodo

•

Optoeletrônica de

alta velocidade

• Amplificação óptica

• Redes WDM

• Redes Ópticas de Acesso

•

• Processamento

Processamento

ó

ptico

de sinais

• Redes

Redes

Fot

ô

nicas

Anos 70

Anos 90

Anos 2000

Redução de

Custos de

Transmissão e

Aumento

Capacidade

Alcance e Flexibiliza

Alcance e Flexibilizaçã

ção

o

das Redes de Telecomunica

das Redes de Telecomunicaçã

ção

o

Redes

Redes Ó

Ópticas Faixa

pticas Faixa-

-Larga

Larga

Transparentes aos

Servi

Serviç

ços

os

Evolu

çã

o

Sistemas

Ó

pticos

Anos 80

Tempo

Capacidade

6

Camadas

→

panorama din

â

mico ;

motor tecnol

ó

gico

Redes Ópticas -- Conceitos

O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar os múltiplos usuários;..

(com redes de equipamentos e sistemas inteligentes temos tambem a

Internet das Coisas (IoT) !! http://www.telecoms.com/35445/internet-of-things-grows-21/

Cliente/Usuário

G&C

Serviços

Servi

ç

os

Transporte e Acesso

Planta F

Planta Fí

ísica

sica

Rede

Ó

ptica

Po

ss

ib

ili

da

de

s

Po

ss

ib

ili

da

de

s

D

em

an

da

s

D

em

an

da

s

Novas tecnologias

(3)

7

Introdução Geral – Protocolos de Rede

SDH

WDM Optical Network

HFC

PDH

ATM

IP

Cenário Atual –

(voltaremos a isso..)

MPLS

Ethernet

Serviços

Transporte

Rede óptica

Serviços (3P):

voz

; dados [Internet, imagem];

video

8

Optical Communications – Histórico

cada fibra

muitos lambdas

(amplificados)

sem conv. E-O

muitas

fibras

metal

Rede Acesso

Multiserviço

muitas fibras

telefonia

Rede Acesso

Multiserviço

Regeneradores

c/ conv. O-E-O

1R = potencia

2R = + atraso

3R = + forma

Evolu

çã

o Sistemas

Ó

pticos

--

detalhamento

Anos 80

Anos 90

9

Laser Semicondutor

Led

Amplificador Ótico

Sistemas

WDM

Redes óticas)

Comutação Fotonica)

Fotodetor PIN

Fotodetetor APD

Fibra Monomodo

Fibra Multimodo

Free-space...

Sistema

Receptor

FotoDetetor

Fibra

Sistema

Transmissor

Laser

Amp.

ótico

Introdução Geral -- conceitos básicos

ida

volta

Enlace (link) Óptico

Cliente

$

(4)

10

Optical Communications – Redes

Redes

Redes Ó

Ópticas WDM

pticas WDM

presente e futuro

Fibras Ópticas

(everywhere)

Central B

(comutação e

roteamento)

Rede Acesso A

Rede Acesso B

Rede Acesso C

Rede Tronco

(Anéis SDH)

Central A

(comutação e

roteamento)

Central N

Rede Acesso N

11

Natureza & Extens

ã

o

Redes Ópticas

Acesso <30km

Metro 30-50 km

L.dist. > 50 km

Intercont. >1000km

12

Redes Ópticas de Acesso

Arquitetura Atual (e futuro próximo)

FTTC/ FTTCb

FTTH/ FTTB

HFC

Host Dig.

ER

UR

Fibra

Metal

UR

coax

par trç.

Central

MultServ

BandLarg

NóOp

Fibra

(

ONU

)

(

OLT

)

(

ONU

)

(

ONU

)

FTTA

R

e

d

e

P

u

b

l.

S

e

rv

iç

o

s

Provedor

Central

Comutação

e Roteam.

DO

Roteador

(

ONU

)

(ERB)

(5)

13

De

poucos kb/s

para

centenas Gb/s

Transmission media – evolution !!

Optical Fibers

Chaos

to

Order

14

100

10

1

0.1

1

10

100

1

10 MHz

GHz

Absorption

and

Attenuation

Bandwidth

(dB/km)

Twisted

pair

Transmission

Frequency

(Hz)

Coax

MM Fiber

SM Fiber

Transmission media -- evolution

⇒

diferentes meios de transmissão podem coexistir na mesma rede ,

mas cuidado com a rede !!

Banda Passante

–

transmissão cabeada

15

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.6 A

te

n

u

a

çã

o

(

d

B

/k

m

)

AFDE

140 nm

18 THz

Espaçamento dos canais ópticos

50-100-200 GHz

30 + 40 nm

Atenua

çã

o em Fibras

Ó

pticas

Rayleigh

IR

OH

-80 nm

13 THz

1600

1700

1400

1300

1200

1500

1100

Comprimento de Onda (nm)

Transmissão

Visível

Infra-vermelho

2a.

_3a.

1a.

850 1550 nm=> 100 Ghz ≈

0,8nm

1310 nm=> 100 Ghz

≈

0,6nm

(6)

16

Wavelength Division Multiplexing – multiplexação por divisão de

comprimentos de onda (lambda);

cada

fibra

(monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena;

cada

lambda

suporta dezenas de Gb/s... até mais de 100 Gb/s...

portanto, 100

λλλλ

x100G=10Tb,

UMA

fibra suporta > 10TeraB/s de informação!

cabos

de fibras contém dezenas até centenas de fibras (36, 72, 144)

entretanto

, cada fibra requer

UM amplificador optico.

Transmission media -- evolution

Sistemas

W

D

M

em Fibras

Ó

pticas

λλλλ

1111

λλλλ

2222

λλλλ

3333

λλλλ

κκκκ

λλλλ

n

uma fibra

17

Panorama

Nacional

(parcial)

Rede Óptica de Transporte da Embratel*

Ano 2000-2009

Cui Man PVe RiB

2005-08

Na verdade tudo isso, e até mais,

está implantado e operando!

*o proprietário da rede (linhas fisicas) é o

Governo brasileiro,

Embratel é concessionaria

18

(7)

19

Protocolos de Transporte em Redes

(

décadas de desenvolvimento

)

Telecom

PDH – hierarquia digital plesiócrona (meados 1970-1980)

SONET -- rede ótica síncrona (meados 1980-1990-2000)

SDH -- hierarquia digital síncrona (meados 1980-1990-2000)

... e continuam

...

Redes Dados (computadores/Internet)

Ethernet (

meados 1980-1990-2000

)

TCP/

IP

(v2,v4,v6..)

... e continuam ...

Sistemas Ópticos – Protocolos de Transporte

20

Sistemas Ópticos

Multichannel (WDM) Singlechannel (EDM) OPTICAL FIBER SYSTEMS Terabit Capacity Gigabit Capacity

Evolu

çã

o Capacidade

primeiras linhas telefone

multiplex 12 linhas telefone em par cobre primeiros sistemas coaxiais

“killer technology”

sistemas avançados coaxiais e satelite

=> Optical Communication systems have come to represent a

revolution in telecomm, not just an evolution. (

Physics Today, Dec.2001

)

Communication Satellites

21

Aspectos Econômico-Financeiros

The Money

...Grana

(8)

22

Ciência

_Tecnologia

Mercado

Quem paga a

conta ??

Sociedade

Paga quem

compra

Conhecimento

_Produtos

Aspectos Tecno-Economicos e Sociais

$$

23

$$ The Money $$

Investimentos em

Telecom

& TI

(n

ã

o

Receita

)

WWW

Internet

“popular”

“Quebra”

Nasdaq

Sept. 11

O que aconteceu nos bastidores...

Dow-Jones

Nasdaq

2000-2003

2000

-

2003

24

$$

The Money

$$

O que aconteceu ... recentemente,

mas não acabou

!

2008

_2008-2009

2008

-

2009

Jun

Bovespa => Eixo vertical pontuação diária Nyse, Nasdaq => Eixo vertical US$ x1mi

(9)

25

The Money (cont.)

Nasdaq

NYSE

2009-2010

2009

-

2010

O que temos ... HOJE !! (

recuperação lenta...)

US$ x1mi

Níveis de investimento

em alta-tecnologia

atingiram só em 2011

os níveis Pré-2008 !!

26

The Money...

Brasil

- e a “industria brasileira”...

na conta-mão!

X

≈≈≈≈27%

27

Hoje os Sistemas Óticos são a referencia em Redes de

Comunicações; além disso (ou por isso) são :

A única opção para altíssima capacidade (Terabits) nas

Redes Longa Distancia e Metropolitanas tronco (backbone); ..

mais alta capacidade nas Redes de Acesso, (

debate nos custos..)

Altíssima confiabilidade e permanência;

Banda passante maior que qualquer outro meio;

o menor (custo/bit) / assinante;

Permitiram o

desenvolvimento mundial da Internet

, e

viabilizaram telecomunicações

(junto com TI )

como uma

das

duas

maiores atividades econômicas do planeta.

lembrando sempre que,

Combinação/composição com outras tecnologias é em geral

necessária para

múltiplas aplicações

e

para chegar ao usuário

!

conclus

ã

o da Introdu

çã

o Geral ...

Sistemas & Redes de Comunicação Óptica

(10)

Advanced Optical Communications

Tecnologias de Transporte Digital

Passado, Presente e Futuro

Advanced

Optical

Communications

Tecnologias de Transporte Digital

Passado,

Passado, Presente e

Presente e

Futuro

mês/2003

LTF-FEEC

Unicamp

BRASIL

Felipe Rudge Barbosa

Save the humans.

Redes Óticas

2 D ire ito s R es er va do s – B lu e S ky C on su lti ng 21 1-21 2

Redes Óticas

Topologia

anel

(reconfiguravel p/

malha

)

Rede

Tronco

WDM (denso)

/SDH (high

Rede

Acesso

WDM fixo

/SDH low

Nós da

Rede Ótica

Arquitetura

G&C

Serviços

Servi

Serviç

ços

os

Cliente/Usuário

Camadas

& Chamadas

→

compatibilidade

compatibilidade “

“vertical

vertical”

”

(ou

transversa)

Redes Ópticas -- Conceitos

O

objetivo

das Redes de Comunicações é interconectar

clientes e usuários,

pros quais a rede deve funcionar de modo transparente e ininterrupto.

Transporte

Planta Física

Planta F

í

sica

Rede

Ó

ptica

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Link

Physical

Application

Transport

Network

Link

Physical

Modelo OTN/ ITU-T

Modelo OSI/ ISO

(11)

Introdução Geral – Protocolos de Rede

SDH

WDM Optical Network

HFC

PDH

ATM

IP

Cenário Atual

--MPLS

Ethernet

Serviços

Transporte

Rede óptica

Serviços (3P):

voz

; dados [Internet, imagem];

video

Cliente/Usuário

Cliente

Sistema

Receptor

FotoDetetor

Fibra

Sistema

Transmissor

Laser

Amplif.

ótico

ida

volta

Enlace (link) Óptico

Cliente

Sobre um enlace físico, é preciso haver

protocolos de transporte,

que são estabelecidos

no

sistema

de transmissão.

A

transparência

do enlace diminui nas bordas e

aumenta no backbone óptico.

transparência

Transporte em Redes Ópticas

Evolução Capacidade –

três “mundos”

...que se integram mais!!

SDH

SONET

Taxa

Canais Voz

Sigla

(Mb/s)

(64k)

“STM 0”

OC-1 (STS-1)

51,84

672 (810

####

)

STM-1

OC-3 (STS-3)

155,52

1920

--

OC-9 (…)

466,56

STM-4

OC-12

622,08

7680

STM-16

OC-48

2488,32

(

2,5 Gb/s

)

30720

(**)

STM-64

OC-192

9953,28

(

10 Gb/s

)

122880

(**)

STM-256

OC-768

39813,12

(

40 Gb/s

)

491520

(**)

(**) equivalencia ilustrativa apenas. (#) comunicação digital pura

PDH

Taxa Canais de Voz

(*) Sigla (Mb/s) E-0 0,064 1 E-1 2,048 30 E-2 8,448 120 E-3 34,368 480 E-4 139,264 1920 (*)

equivalencia

exata

.

Ethernet

Taxa Sigla (Mb/s) 10 base T 10 Fast Eth 100 GbE 1 Gb/s 10 GE 10 Gb/s 100 GE 100 Gb/s

Sistemas Ópticos - Transporte

STM-1

pode ser constituído como:

* 1 E-4 = 1920 can. voz

* 4 E-3 = 1920 can. voz

*

63 E-1 = 1890 can. voz

(12)

Frame SDH

ITU-T Recom. G.707

(

rev. March 1996

)

T1518000-95 4 3 1 9 5 270 × N columns (bytes) 9 × N 261 × N STM-N payload 9 rows Section overhead SOH Section overhead SOH Administrative unit pointer(s)

Tamanho (“área”) de um container::

STM-16

=> (270x16)=4320 by ; 4320x9=

38880 bytes ;

Header=1296; Payload=37584 by

The STM frame is continuous and is transmitted in a serial fashion, byte-by-byte, row-by-row,

taking a total time of 125

µ

s. (which is the same basic transmission procedure of Sonet)

125 µ

s

(bits)

STM-container

Synchronous Transport Module => except STM-0 = 90 !!

Transporte em Redes Ópticas

Frame

Sonet

--

syncronous optical network

GR-253-CORE from Telcordia (ex-Bellcore)

125 µµµµ

s

For STS-N, the frame is transmitted as 3xN octets (bytes) of overhead, followed

by 87xN octets (bytes) of payload. This is repeated nine times over until

810xN octets have been transmitted, taking 125 microseconds.

9 rows

(bits)

3 x N bytes 87 x N bytes 90 x N bytes

TOH

Transport Overhead

SPE

Synchronous Payload Envelope

STS-container

Synchronous

Transport Signal

OC- optical carrier

Transporte em Redes Ópticas

Ethernet Frame

pacote com tamanho e duração variáveis !

SPD Preâmbulo Endereço de Destino Endereço de Origem Tamanho do campo de dados Dados Soma de Verificação 1

Byte 8 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46-1500 Bytes 4 Bytes

FRAME 802.3

Reservado SLDReservado LLID CRC-8

FRAME Preâmbulo EPON

2 Byes _Byte1 2 Byes 2 Byes 1 Byte

Header = 23 By (fixo)

Tamanho mínimo

73 By

(13)

IEEE 802.3 (CSMA-CD) MAC - Ethernet

⇒

_{10 Gigabit Ethernet couples the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC to a family of 10 Gb/s Physical Layers.}

The relationships among 10 Gigabit Ethernet, the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC, and the ISO Open

System Interconnection (OSI) reference model are shown in Figure 44-1, above.

Lasers e fibras estão aqui 11 D ire ito s R es er va do s – B lu e S ky C on su lti ng 21 1-21 2

Internet Protocol Suite

(modelo TCP/IP)

Application Layer

BGP

· DHCP

· DNS

· FTP

· GTP

· HTTP

· IMAP

· IRC

· MGCP

· NNTP

· NTP

· POP

· RIP

· RPC

· RTP

· RTSP

· SDP

· SIP

· SMTP

· SNMP

· SOAP

· SSH

· STUN

· Telnet

· TLS/SSL

· XMPP

· Transport Layer

TCP UDP

· DCCP

· SCTP

· RSVP

· ECN

· (more)

Internet Layer

IP IPv4 IPv6

) ·

ICMP

· ICMPv6

· IGMP

· IPsec

· Link Layer

ARP

· RARP

· NDP

· OSPF

· Tunnels

(

L2TP

) ·

Media Access Control

(Ethernet, MPLS,

,

DSL

,

ISDN

,

FDDI

) -- Device Drivers

· Fonte (direta): Wikipedia

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Link

Physical

OSI

Protocolos de Transporte

Sistemas & Redes

de Comunicação Óptica

avançando

agora pra OTN

--e d--etalh--es da

estrutura

SDH

Tanenbaum - Computer Networks

(14)

Transporte SDH e

Transporte Óptico WDM

(OTN, ASON)

Transporte SDH

e

Transporte Óptico WDM

(OTN, ASON)

ITU-T G.707, G.8080, G.709

2007

-

2006

-2009

(in force)

Quadros, Pacotes e Containers

Pacotes

– dezenas até centenas de bytes

Quadros

– centenas até (poucos) milhares

Containers

– vários milhares de bytes

Sistemas Convencionais

Redes IP – pacotes IP

sobre

Rede Ethernet – quadros Eth

sobre

Redes SDH/Sonet – container/frame STM/STS

Redes Avançadas

“Qualquer Coisa”

sobre

WDM - OTN

Redes

Ó

ticas

Hierarquia digital sincrona, desenvolvida na década de 1980;

Embora SDH seja desde inicio para Redes Óticas, o enorme legado das

telecom (outros formatos e outras hierarquias) tem que ser sempre

considerado;

H

istoricamente,

22 anos

(1988-2010..)

... Ao que se vê, continuará por mais um bom tempo! (10, 20 anos)...

Definições:

STM-N – synchronous transport module; é o quadro (frame) que vai

efetivamente ser transportado na fibra otica; hierarquia N;

AUG – administrative unit group; hierarquia N ;

TUG – tributary unit group; hierarquia N ;

VC – virtual container ; unidade básica do quadro SDH;

(15)

Transporte Ótico

SDH

2007

in force

Transporte SDH

Hierarquias SDH/Sonet

SDH

SONET

Taxa

Canais Voz

Sigla

(Mb/s)

(64k)

“STM 0”

OC-1 (STS-1)

51,84

672 (810

####

)

STM-1

OC-3 (STS-3)

155,52

1920

--

OC-9 (…)

466,56

STM-4

OC-12

622,08

7680

STM-16

OC-48

2488,32

(

2,5 Gb/s

)

30720

(**)

STM-64

OC-192

9953,28

(

10 Gb/s

)

122880

(**)

STM-256

OC-768

39813,12

(

40 Gb/s

)

491520

(**)

(**) equivalencia ilustrativa apenas. (#) comunicação digital pura

(16)

Mux SDH

Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007)

Virtual Containers

Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007)

Frame SDH

Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007)

(17)

G.709 -- Interfaces para Rede de Transporte Ótico (OTN);

Hierarquia digital para redes

WDM

, (optical transport hierarchy,

OTH), desenvolvida no final década de 1990;

supports the

operation and management aspects of optical networks

of

various architectures, e.g., point-to-point, ring and mesh architectures;

Administra a multiplexação de redes WDM em unidades de

transporte ótico;

transporte SDH (e outros..) está contido

dentro de cada UM canal ótico

;

continuará por mais algumas décadas...mas

evoluindo

, e adaptando !!

por vezes a evolução requer uns passos atrás !!...

Transporte Ótico

Fonte: ITU-T Rec. G.709/Y.1331 (Mar2003)

Transporte Ótico

OTN

2003-2009

in force

Definições:

OTM (n.m)

–

optical transport module; é um quadro (frame) que vai administrando o

trasnporte WDM na fibra otica; the indices

n

and

m

define the number of supported

wavelengths and bit rates at the interface

;

OTU (k)

--

optical channel transport unit ; the OTUk

is the information structure used

for transport of an ODUk

over one or more optical channel connections.

It consists of the optical channel data unit and OTUk related overhead (FEC and overhead for

management of an optical channel connection). It is characterized by its frame structure, bit

rate, and bandwidth. OTUk capacities for k = 1, k = 2, k = 3 are defined ;

ODU (k) --

optical channel data unit; the

ODUk

is an information structure consisting of

the information payload (

OPUk)

and ODUk

related overhead

;

OPU

(k)

--

optical channel payload unit (

OPUk

); the

OPUk

is the information structure

used to adapt client information for transport

over an optical channel. Itcomprises

client information together with any overhead needed

to perform rate adaptation

between the client signal rate and the

OPUk

payload rate;

k --

the index "k" is used to represent a supported bit rate and the different versions of

OPUk, ODUk and OTUk.

k = 1

represents an approximate bit rate of 2.5 Gbit/s, k = 2 represents an approximate bit

rate of 10 Gbit/s, and k = 3 represents an approximate bit rate of 40 Gbit/s

TUG – tributary unit group; hierarquia N

;

Transporte Ótico

e

m

p

a

c

o

ta

m

e

n

to

(18)

Frame OTM

The order of transmission of information

in all the diagrams in this Recommendation

is first from left to right and then from top to bottom.

Columns are bytes and rows are bits

.

The most significant bit (bit 1) is transmitted first.

C

lie

n

t

Pa

y

lo

a

d

Montagem

: OTM

OTU

ODU

OPU

client “stuff”

(bytes)

(b

its

)

OTM construction

Transporte Ótico

ITU

ITU----T Recommendation

T Recommendation

G.8080

/Y.1304

o passo atrás passou a frente...

... e de novo foi passado !

ASON

2006

(19)

Transporte Ótico

ITU

ITU----T Recommendation

T Recommendation

G.8080

/Y.1304 (

ASON

) ) ) )

Control Plane

OpticalTransport

Plane

OpticalTransport

Plane

Management Plane

ASON

2006

Optical Systems

Evolution

Fonte: Ram Singh, David Harame, Modest Oprysko, Silicon Germanium – Technology, Modeling,

and Design, IBM Technology, IEEE Press/ John Wiley, New Jersey, USA, 2004.

Fim

desta parte

=> Redes Avançadas