Karcius D. R. Assis 1

(1)

____________________________________________________________________________________________ Diálogos &_{Ciência – Revista Eletrônica da Faculdade de Tecnologia e Ciências de Feira de Santana. Ano I, n. 3, ago. 2003.}

ISSN 1678-0493 http://www.ftc.br/revistafsa

REDES ÓPTICAS NA ERA DA INTERNET

Karcius D. R. Assis

1

RESUMO – Durante as últimas três décadas do século 20, a evolução das comunicações ópticas foi baseada na exploração da grande capacidade de transmissão da fibra óptica. Este esforço conduziu a taxas de transmissão da ordem do Terabit por segundo (1012 _{bits/s). Tais}

potencialidades da transmissão respondem à pressão da demanda de tráfego gerado pela Internet. No entanto, a dificuldade de processamento nos nós intermediários gera um gargalo eletrônico nas redes ópticas. Isto gerou o projeto de topologias virtuais nas redes ópticas, que aliviou este gargalo. Entretanto, mesmo com a grande demanda, o setor de telecomunicações enfrenta, atualmente, uma crise. Este trabalho faz uma breve análise destes aspectos.

Palavras-chave: Transmissão; tráfego de dados; telecomunicações.

ABSTRACT – In the last three decades of 20th_{century, the evolution of the optical}

communications was based on the exploitation of the great transmission capacity of the optical fiber. Such efforts led to transmission rates of the order of Terabit per second (1012

bits/s). These potentialities come up answer to the pressure exerted the traffic demand generated for Internet. However, the difficulty of processing in intermediate nodes generate an electronic bottleneck in the optical networks, what suggests the need of virtual topologies design for optical networks. However, in spite of increasing demand, the telecommunications market is currently facing a serious crisis. This article makes a brief analysis of these aspects. Key-words: Transmition; data traffic; telecommunications.

1 Redes Ópticas

A sociedade moderna requer dos meios de comunicações a transmissão de informações de forma rápida e eficiente. Estas informações transitam pela malha global de redes de comunicações, cujas implementações atuais requerem altas capacidades de

1 _{Doutorando em Eng. Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP. Pesquisador do Optical}

(2)

transmissão de maneira a apoiar as demandas por grandes bandas passantes, devido aos altos tráfegos (WALDMAN; YACOUB, 1997), (ALENCAR, 1998).

A transmissão de informação por meio de fibras ópticas cresceu e amadureceu enormemente nos últimos 30 anos; e segundo critérios técnicos e econômicos, é a opção mais atraente para as redes de comunicações com serviços de faixa larga. Avanços recentes nesta área vêm revolucionando a infra-estrutura de telecomunicações em todo o mundo. Capacidades de transmissão cada vez mais elevadas (até 40 Gbps em cada canal) têm possibilitado a implantação de redes de comunicações que viabilizam a integração de diferentes tipos de tráfego, a sofisticação dos serviços e a interconexão de redes remotas (ALENCAR, 1998).

Paradoxalmente, desde a invenção do computador até os anos 80, as velocidades de processamento vieram aumentando bem mais rapidamente do que as velocidades de transmissão. Com isso a transmissão era o gargalo das redes de comunicações. No entanto, a

Fig.1: Lei de Moore

partir dos anos 80, com o amadurecimento da tecnologia da transmissão óptica digital, as velocidades de transmissão tiveram um aumento de várias ordens de magnitude, deslocando o gargalo para os nós eletrônicos de processamento. Este electronic bottleneck é demonstrado pela “Lei Empírica de Moore” (COFFMAN; ODLYZKO, 2001). (Fig.1)

Apesar da tecnologia ATM (asynchronous transfer mode) (ATM FORUM) com o padrão de transmissão SDH/SONET (synchronous digital hierarchy) (ALENCAR, 1998) constituir um alargamento deste gargalo, este está ainda, dentro dos limites de desempenho

1995 2000 2005 2010 0 200 400 600 800 1000 1200

Banda passante dobra a cada 6 meses

Capacidade de processamento da CPU dobra a cada 18 meses

C a p a c id a d e Ano

(3)

permitidos pelo processamento eletrônico, sem necessariamente explorar a grande capacidade de transmissão das fibras ópticas, que atinge hoje a marca do Terabit por segundo (WALDMAN; YACOUB, 1997).

A superação desta deficiência pressupõe o uso de tecnologias fotônicas na rede. No limite, ter-se-ia uma rede totalmente fotônica, sem nenhum processamento eletrônico intermediário: a chamada all-optical network (RAMASWAMI ; SIVARAJAN, 1998). Embora este limite ainda esteja longe de ser atendido, é possível perceber que alguns passos nesta direção já são viáveis com a tecnologia disponível.

Internet Óptica

1. A IP/WDM

Na literatura atual é crescente o consenso de que o maior componente da próxima geração da Internet será o protocolo IP (Internet Protocol) baseado em redes ópticas WDM (wavelength division multiplexing) (RAMASWAMI; SIVARAJAN, 1998), (WALDMAN; YACOUB, 1997). Uma rede IP/WDM ou Internet Óptica combina roteadores de grande capacidade (gigabit/terabit) com comutação e transmissão WDM, criando uma rede de

transporte otimizada. Na 1a_{geração dos sistemas IP/WDM, WDM é usado ponto a ponto,}

disponibilizando uma enorme banda-passante entre os roteadores IP adjacentes. Tipicamente SDH/SONET é usado para transportar os frames e as informações de overhead através dos canais WDM. Os pacotes IP são encapsulados nos frames do SDH/SONET usando um esquema “Pacotes- sobre- SDH/SONET” (JONH, 2002). Na 2a_{geração dos sistemas}

IP/WDM, os canais WDM são roteados na rede através de crossconect ópticos, permitindo uma utilização mais eficiente da banda-passante e uma melhor interface de uso com os roteadores IP. Neste sistema os esquemas de proteção e restauração são feitos diretamente na camada óptica, eliminando a necessidade da camada intermediária SDH/SONET. Atualmente os estudos apontam para os sistemas IP/WDM de 3a_{geração, nestes sistemas os pacotes IP são}

diretamente transportados e comutados por comutadores de pacotes WDM, permitindo granularidades muito mais finas através da multiplexação do tráfego nos seus respectivos canais de comprimento de onda.

(4)

1.B Camadas e Topologia Virtual

As camadas em redes ópticas de segunda geração podem ser definidas de acordo com a divisão de camadas da arquitetura de uma rede de transporte. De acordo com o ITU-

Fig.2. Camadas de uma rede “totalmente” óptica

T (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS UNION), Transporte é “um processo de transferência de informações entre pontos de diferentes localizações” e Rede, também de acordo com o ITU-T, consiste de “todas as entidades que juntas provêm os serviços de comunicações, logo Rede de Transporte pode ser definida como “os recursos funcionais da rede que transportam informações de usuários entre as localizações” Uma rede totalmente óptica pode ser vista como consistindo de duas camadas, uma camada de rede do meio físico, também conhecida como topologia física e uma camada logo acima, chamada de camada óptica de rede, também conhecida como topologia virtual. As camadas de uma rede totalmente óptica são vistas na Figura 2. A camada acima da camada óptica de rede é a camada elétrica de rede.

A topologia virtual (camada óptica) em uma rede de transportes consiste de um conjunto de caminhos ópticos entre um subconjunto de pares de nós da rede. Ela é importante no projeto de redes IP/WDM porque permite a conexão entre roteadores IP através dos caminhos ópticos formados na camada óptica. Os caminhos ópticos podem ser

Nó de acesso(Rote

ador IP)

Nó de transição Link de fibra Caminho Óptico

camada física (topologia física) camada óptica (topologia virtual) camada elétrica R e d e T o ta lm e n te Ó p ti c a

(5)

escolhidos baseados na demanda de tráfego entre os pares de nós (RAMASWAMI; SIVARAJAN, 1998), (ASSIS; WALDMAN, 2002 ), (JOHN, 2002).

A matriz de conectividade entre os caminhos ópticos forma a topologia virtual ou topologia lógica. Então, numa topologia virtual um nó corresponde a um roteador da rede e um arco corresponde a um caminho óptico. Se dois nós estão conectados por um caminho óptico, então eles podem se comunicar através de um virtual single-hop.

Devido a limitações tecnológicas no número de comprimentos de onda disponíveis e limitações de custos no número de transmissores/receptores ópticos, não é possível configurar caminhos ópticos entre todos os pares de nós. Se dois nós não estão conectados diretamente por um caminho óptico, mas são conectados por uma seqüência de caminhos ópticos, esses nós podem se comunicar por essa seqüência. Este tipo de comunicação é chamada virtual multi-hop. Neste caso a mensagem reenviada entre dois consecutivos caminhos ópticos é realizada via processamento eletrônico. Por exemplo, dois roteadores IP conectados por um caminho óptico são vizinhos na topologia virtual, mesmo eles não sendo conectados diretamente por um link de fibra na topologia física. O tráfego IP entre roteadores não vizinhos necessitam ser processados eletronicamente em todos os roteadores intermediários, mas não nos nós intermediários da topologia física, o que alivia o Eletronic Bottleneck (ASSIS ; WALDMAN, 2002), (JOHN, 2002).

Nota-se que novas técnicas de projeto permitem que as redes ópticas tenham grande capacidade e aliviem o gargalo eletrônico. Ou seja, estão prontas para suportar as grandes demandas. No entanto, o setor de telecomunicações enfrenta uma crise. Para entender isso, faremos uma breve explanação na próxima seção.

Cenário Atual

O cliente dominante das redes de telecomunicações deixou de ser o serviço de telefonia, que predominava durante o século 20 e passou a ser o tráfego predominante de dados, sobretudo o gerado pela Internet. As grandes empresas da área se desenvolveram ao longo de várias décadas do século 20 em regime de monopólio. A partir dos anos 70 e 80,

(6)

começaram a transitar para o regime de competição, por meio da desregulamentação, que chegou ao Brasil nos anos 90 (WALDMAN, 2003).

Atualmente, a maioria das empresas enfrenta dificuldades. Na verdade, essa crise se sucede à chamada crise das empresas “pontocom”, que foi a “primeira onda”. Logo em seguida, foi a vez das fornecedoras de equipamentos de telecomunicações, porque elas dependem dos pedidos das operadoras. Apesar de o tráfego gerado pela Internet estar aumentando num ritmo considerável de 100% ao ano no mundo, a receita não cresce nesse mesmo ritmo. As empresas se endividaram excessivamente. Elas se prepararam para um crescimento muito maior do que este, em virtude das expectativas geradas pelas empresas “pontocom”. No entanto, esta crise deve ser temporária.

O que se observa, na verdade, é que há um crescimento tanto no tráfego quanto da receita, embora seja inferior ao que se esperava. A mudança que se previa está acontecendo, mas o mercado cresce num ritmo inferior àquele que se pensava.

Conclusões

Diante do exposto, pelo lado da Engenharia Econômica, são necessários investimentos na padronização do sistema para permitir uma operação mais econômica e o uso mais racional dos recursos. Muita infra-estrutura foi construída com um alto grau de ociosidade, mas existem soluções de Engenharia para o problema, de tal maneira que os investimentos em novas obras possam ser adiados. Esta é uma questão complexa, pois, a rigor, é interessante para a economia das empresas operadoras adiar o investimento em novas infra-estruturas. Mas para as empresas que produzem esses sistemas, isso não é bom.

Hoje se sabe que as redes ópticas têm capacidade suficiente para atender a demanda de tráfego atual, como foi fortemente explanado em (CONFERENCE IPoW, 2002), (CONFERENCE WDM; METRO OPTICAL NETWORKING, 2002). Na verdade, as redes foram super-dimensionadas. Isto ocorreu devido a uma previsão muito otimista de que o lucro do investimento seria proporcional ao crescimento do tráfego, ou seja, eles estariam alinhados. No entanto, isto não ocorreu, como pode ser visto pelo gráfico da Fig. 3, onde os

(7)

custos cresceram e o lucro do investimento feito não o acompanhou de forma esperada, gerando até valores negativos.

1997 1998 1999 2000 2001 2002 -10 -5 0 5 10 P o rc e n ta g e m d e L u c ro Estatística do Lucro em %

Fig.3 Estatística de lucro

O “tempo de Internet”, onde tudo muda a cada 18 meses, tem um fundo de verdade, mas é também um mito, o que pode ter gerado esta crise no setor de telecomunicações. Mudanças mais substanciais devem ser observadas em períodos de 5 a 10 anos. Uma máxima diz: “People tend to overestimate what can be done in one year and to understimate what can be done in five or ten years” (LICKLIDER, 1965).

Então, o que se deve fazer é gerenciar melhor a rede atual, proporcionando novos serviços, de maneira a reverter a situação de crise atual do setor de telecomunicações.

Referências

ALENCAR, M. S. Telefonia digital. São Paulo: Érica, 1998.

ASSIS, K.D.R. and WALDMAN, H. An integrated design for topolologies of optical Networks, In: IEEE International Telecommunications Symposium, ITS 2002. Sep. 8-12 , 2002 Natal-RN.

ATM FORUM. Disponível em <http://www.atmforum.com> Acesso em: 23 mar. 2003. COFFMAN, K.G.; ODLYZKO, A.M., Internet growth: Is there a moore law for data traffic?., Handbook of Massive Data Sets, J. Abello, P.M Pardalos, and M. G. C. Resende, Kluwer, 2001.

(8)

CONFERENCE IPoW, Hotel Sofitel, Paris-Bercy, France. 25-28 june, 2002.

CONFERENCE WDM ; Metro Optical Networking, The Noga Hilton Cannes, France, 1st_-5th

july 2002.

INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS UNION. Disponível em: <http://www.itu.org> Acesso em: 23 mar. 2003.

JOHN, W.Y “Advanced in the management and control of optical Internet”, “IEEE J. Select. Areas Communic., vol 20, p. 768-785, may 2002.

LICKLIDER, J. C. R., Libraries of the future, MIT Press, 1965.

RAMASWAMI, R. and SIVARAJAN, K. N. Optical Networks: a practical perspective, Morgan Kaumann Publishers, San Francisco, USA, 1998

WALDMAN, H; YACOUB, M. D., Telecomunicações: princípios e tendências. São Paulo: Érica, 1997.

WALDMAN, H., Novas tecnologias e a nuvem dispersa do conhecimento. Jornal da Unicamp. Campinas, ano 17. n. 213. mai. 2003, p. 04.