Análisis del proceso de migración de sistemas ópticos monocanales a sistemas ópticos WDM con tasas de transferencia de 40 GBPS en redes de área metropolitana en anillo

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(2) 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL. Análisis del proceso de migración de sistemas ópticos monocanales a sistemas ópticos WDM con tasas de transferencia de 40 Gbps en Redes de Área Metropolitana en Anillo. C ARLOS YURY H ORTÚA CALDERÓN D AVID M ARCELO TUNAROSA MARIÑO. Proyecto presentado como requisito para optar al título de: I NGENIER O E LECTRÓNICO. Director: I NG. G USTAVO A DOLFO P UERTO L EGUIZAMÓN P H .D.. Línea de Investigación: Telecomunicaciones y Telemática Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad de Ingeniería, Ingeniería Electrónica Bogotá D.C, Colombia 2019. 2.

(3) AVAL DEL DIRECTOR Y EVALUADOR. AVAL DEL DIRECTOR Y EVALUADOR.

(4) 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL. DEDICATORIAS Y AGRADECIMIENTOS. A Dios. Por acompañarme en cada proceso y etapa de mi vida, de no ser por Él no habría llegado hasta este punto, para quien sea la gloria. Que, aunque hubo luchas y problemas por su gracia logré culminar una etapa más en mi vida. Pues todo este trabajo ha sido posible por su misericordia. A mis padres Nancy y Homero… Que con su apoyo en los buenos momentos y malos momentos, fueron las inspiración para seguir adelante. Por su incondicional seguimiento en cada etapa, que cuando pensé desfallecer, estaban para levantarme con sus sabios consejos. Les agradezco por creer en mí y mostrarme el valor para salir adelante. A Carlos Antonio y María Josefa, mis padres… David Tunarosa Mariño. Los incondicionales. Todo lo bueno que he alcanzado es gracias a ustedes. Mis logros, triunfos, manera de ver el mundo, mi camino al éxito se lo debo a ustedes. ¡Gracias Padres!. “La sabiduría es, en sí mismo, la ciencia del resto de ciencias”. Carlos Hortúa Calderón. Platón. “A mí me enseñaron en la escuela que nunca se debe empezar una frase sin saber el final de la misma." Paul Dirac (1902 – 1984). 4.

(5) TABLA DE CONTENIDO. TABLA DE CONTENIDO. 4.1.1 Redes de Comunicación............................................................................................................... 18 4.1.2 Topologías de red ......................................................................................................................... 19 4.1.2.1 Topología de red en Bus ....................................................................................................... 20 4.1.2.2 Topología de red anillo ......................................................................................................... 20 4.1.2.3 Topología en estrella ............................................................................................................. 21 4.1.2.4 Topología en malla ................................................................................................................ 21 4.1.2.5 ¿Cómo se escoge la topología? ............................................................................................. 24 4.1.3 Breve Revisión Histórica de las MAN ....................................................................................... 26 4.1.3.1 Problemas de las tecnologías existentes en MAN ............................................................. 29 4.1.4 Clasificación del tráfico ................................................................................................................ 30 4.1.5 Tecnologías de las MAN .............................................................................................................. 30.

(6) 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL. 4.1.5.1 Tecnología ATM .................................................................................................................... 32 4.1.5.2 SONET..................................................................................................................................... 33 4.1.5.3 Tecnología PoS (Packet Over SONET).................................................................................. 35 4.1.5.4 Tecnología GPF – Generic Framing Procedure (Para redes de almacenamiento) ............ 36 4.1.5.5 MPLS ....................................................................................................................................... 37 4.1.5.6 RPR (2001) ............................................................................................................................... 39 4.5.1.7 WDM ....................................................................................................................................... 42 4.1.6 Topología de las redes metropolitanas en la actualidad ......................................................... 44 4.1.6.1 SONET/SDH ........................................................................................................................... 44 4.1.6.1.1 Topología en anillo ......................................................................................................... 44 4.1.6.1.2 Tasa de línea del anillo ................................................................................................... 44 4.1.6.2 Anillos Metro Core .................................................................................................................. 44 4.1.6.3 Problemas de SONET ............................................................................................................ 47 4.1.6.4 Limitaciones de SONET ........................................................................................................ 47 4.16.5 ¿El porqué de la desconexión de SONET/SDH es una realidad? ..................................... 48 4.1.6.6 Migración a WDM ................................................................................................................. 49 4.1.6.6.1 En la actualidad ............................................................................................................... 49 4.1.7 Migración Grosso modo .............................................................................................................. 49 4.1.7.1 Regularización de la industria ............................................................................................. 51. 4.2.1 Modelo clásico de Jerarquía por Capas ..................................................................................... 51 4.2.2 Concepto de Capa Óptica ............................................................................................................ 53 4.2.3 Elementos....................................................................................................................................... 57 4.2.3.1 Terminales de línea ópticas .................................................................................................. 57 4.2.3.2 Multiplexores de Adición/Extracción Ópticos (OADM) .................................................. 58 4.2.3.2.1 Arquitecturas OADM ..................................................................................................... 60 4.2.3.3 Multiplexores ópticos de Adición/Extracción Reconfigurables (ROADM) ................... 64 4.2.3.4 Matrices de Conmutación Óptica OXC .............................................................................. 69. 4.3.1 ¿Cómo funciona WDM?............................................................................................................... 71 4.3.2 Componentes presentes en WDM .............................................................................................. 72. 6.

(7) TABLA DE CONTENIDO. 4.3.2.1 Emisores de luz y detectores ................................................................................................ 72 4.3.2.2 Amplificadores Ópticos (AO) .............................................................................................. 73 4.3.2.3 Parámetros para la selección de los EDFA ......................................................................... 74 4.3.2.3.1 Ganancia uniforme ......................................................................................................... 74 4.3.2.3.2 Filtro de aplanamiento de ganancia (GFF) .................................................................. 75 4.3.2.3.3 Supresión del transitorio ................................................................................................ 75 4.3.2.3.4 Bajo ruido ......................................................................................................................... 75 4.3.2.4 Atenuador óptico variable .................................................................................................... 76 4.3.2.5 Multiplexores y demultiplexores......................................................................................... 76 4.3.3 ¿Uso de elementos activos o pasivos? ........................................................................................ 76 4.3.3.1 Conmutadores ópticos (OXC) .............................................................................................. 76 4.3.4 Técnicas de filtrado (multiplexación y demultiplexación) ...................................................... 77 4.3.4.1 Rejillas ..................................................................................................................................... 77 4.3.4.2 Fabry Perot ............................................................................................................................. 78 4.3.4.3 Filtros Mach-Zehnder (interferómetro) .............................................................................. 78 4.3.5 Tecnologías de conmutación avanzadas ................................................................................... 79 4.3.6 Fibra óptica monomodo SMF ...................................................................................................... 79 4.3.7 Problemas en la transmisión de fibra óptica ............................................................................. 81 4.3.7.1 Ruido ....................................................................................................................................... 81 4.3.7.2 Efectos lineales y no lineales ................................................................................................ 81 4.3.7.3 Efectos lineales ....................................................................................................................... 83 4.3.7.3.1 Atenuación ....................................................................................................................... 83 4.3.7.3.2 Diafonía (Crosstalk) ......................................................................................................... 84 4.3.7.3.3 Dispersión ........................................................................................................................ 85 4.3.7.3.4 Distorsión de la señal inducida por filtros .................................................................. 90 4.3.7.4 Efectos no lineales .................................................................................................................. 92 4.3.7.5 ¿Impacto en redes de 40 Gbps? ............................................................................................ 95 4.3.7.6 Mezcla de cuatro ondas (FWM) ........................................................................................... 95 4.3.7.6.1 Solución a la mezcla de cuatro ondas .......................................................................... 97 4.3.7.7 Penalización de potencia .................................................................................................... 100 4.3.8 Solución a los problemas de transmisión ................................................................................ 103 4.3.8.1 Modulación On-Off Keying (OOK) ..................................................................................... 106.

(8) 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL. 4.3.8.2 Modulación Carrier Suppressed Return Zero (CSRZ) ........................................................ 107 4.3.8.3 Modulación Vestigial Sideband (VSB) Y Single-Sidebar (SSB) ........................................... 108 4.3.8.4 Modulación Duo Binary ....................................................................................................... 108 4.3.8.5 Modulación M-ASK............................................................................................................. 108 4.3.8.6 Modulación Differential Phase Shift Keying (DPSK) .......................................................... 108 4.3.8.7 Modulación Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) ................................... 110 4.3.8.7.1 ¿Diferencia entre DPSK y DQPSK? ............................................................................ 110 4.3.8.8 Modulaciones de Polarización ........................................................................................... 110 4.3.9 Soluciones a los efectos no lineales en redes de alta capacidad ........................................... 112 4.3.9.1 Modulaciones CWDM y DWDM ...................................................................................... 113 4.3.9.2 Problema de CWDM ........................................................................................................... 115 4.3.9.3 Diferencias entre CWDM y DWDM.................................................................................. 115. 4.4.1 Generalidades para la simulación ............................................................................................ 116 4.4.1.1 Componentes empleados ................................................................................................... 117 4.4.2 Desarrollo de la simulación ....................................................................................................... 125 4.4.2.1 Primer Escenario: Solo aumentando la tasa de transferencia ........................................ 126 4.4.2.2 Resultados del primer escenario ........................................................................................ 127 4.4.2.2.1 Análisis de los resultados del primer Escenario ....................................................... 131 4.4.2.3 Segundo escenario: Simulación con algunas soluciones a los efectos .......................... 131 4.4.2.4 Resultados de los cambios en el transmisor y receptor .................................................. 133 4.4.2.5 Análisis de los resultados ............................................................................................... 137 4.4.2.5 Escenario 2.1: Implementación de la fibra tipo NZ-DSF ................................................ 138 4.4.2.5 Análisis de los resultados ............................................................................................... 143. 8.

(9) ÍNDICE DE FIGURAS. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 4.1 ESTRUCTURA DE LAS REDES DE COMUNICACIÓN ....................................................................... 19 FIGURA 4.2 CAPA FÍSICA Y LÓGICA DE UNA TOPOLOGÍA .............................................................................. 20 FIGURA 4.3 EJEMPLO DE TOPOLOGÍA EN ANILLO PARA 7 SEDES ................................................................... 24 FIGURA 4.4 JERARQUÍA DE LAS REDES (BACKBONE, METRO Y ACCESS NETWORK). OBTENIDA DE [2].......... 28 FIGURA 4.5 ARQUITECTURA GENERAL DE UNA MAN EN LA ACTUALIDAD. TOMADO DE [23] .................... 29 FIGURA 4.6 CLASIFICACIÓN DEL TRÁFICO POR APLICACIÓN. TOMADO DE [23] ........................................... 31 FIGURA 4.7 ESQUEMA RED ATM PRIVADA Y PÚBLICA. OBTENIDA DE [10] .................................................. 33 FIGURA 4.8 DATOS SOBRE SONET/SDH. OBTENIDO DE [17] ....................................................................... 37 FIGURA 4.9 MPLS (JERARQUÍA VPLS). EXTRAÍDO DE [20] ........................................................................... 39 FIGURA 4.10 RESILIENT PACKET RING (RPR), ARQUITECTURA DE NODOS. TOMADO DE [2] ........................ 41 FIGURA 4.11 ESQUEMA GENERAL DE UNA RED WDM EN ANILLO. N=4 NODOS Y W=4 LONGITUDES DE ONDA. TOMADO DE [2] ............................................................................................................................. 43. FIGURA 4.12 MAPEO DE MUESTRAS DE PROTOCOLOS EN METRO ACTUALIDAD. OBTENIDO DE [23] .......... 43 FIGURA 4.13 ARQUITECTURA DE HOY EN DÍA TOMADO DE [35] .................................................................... 46 FIGURA 4.14 TRANSMISIÓN EN SONET UPSR Y BLSR OBTENIDO DE [35] .................................................. 47 FIGURA 4.15 CAPAS DEL MODELO ISO. NOS ENFATIZAREMOS EN LA CAPA FÍSICA. ADAPTADO DE [16] ... 53 FIGURA 4.16 RED SONET PUNTO A PUNTO. ADAPTADA DE [16] ................................................................ 54 FIGURA 4.17 VISTAZO A UNA RED CONSISTENTE EN CAPA ÓPTICA DE SEGUNDA GENERACIÓN, LA CUAL ES CAPAZ DE OFRECER SOPORTE A UNA GRAN VARIEDAD DE CLIENTES, POR ENCIMA DE ELLA. ADAPTADO DE [17] ....................................................................................................................................................... 55. FIGURA 4.18 DIAGRAMA DE BLOQUE DE UN OLT. ADAPTADO DE [17] ........................................................ 57 FIGURA 4.19 A. COMPARACIÓN DE UN SISTEMA A PUNTA DE TRANSPONDEDORES E/O/E VERSUS LA B. IMPLEMENTACIÓN DE UN OADM. ADAPTADO DE [17] .......................................................................... 58. FIGURA 4.20 DIFERENTES ARQUITECTURAS OADM. (A) PARALELO; (B) VERSIÓN MODULAR DE PARALELO; (C) SERIAL; Y (D) EXTRACCIÓN DE LA BANDA. ADAPTADO DE [17] ........................................................ 62 FIGURA 4.21 ARQUITECTURA DEL ROADM. ADAPTADA DE [17] ................................................................ 66 FIGURA 4.22 (A) ROADM CON TRANSMISOR Y SELECCIONADOR, (B) CON BLOQUEADOR DE LONGITUD DE ONDA, Y. (C) ROADM BASADO EN WSS. ADAPTADO DE [17] .............................................................. 67. FIGURA 4.23 USO DEL OXC EN LA RED. EL OXC SE UBICA ENTRE EL EQUIPO DEL CLIENTE DE LA CAPA ÓPTICA Y LOS OLT DE LA CAPA ÓPTICA ................................................................................................... 69. FIGURA 4.24 ESQUEMA BÁSICO DE WDM. ADAPTADO DE [82] .................................................................... 71 FIGURA 4.25 (A)SISTEMA ÓPTICO SIN EL GFF; (B) SISTEMA ÓPTICO CON EL GFF. EXTRAÍDO DE [66] .......... 75 FIGURA 4.26 CURVA DE ATENUACIÓN DE LA FIBRA MONOMODO. EXTRAÍDO DE [66] ................................ 80 FIGURA 4.27 PROBLEMAS PRESENTES EN REDES ÓPTICAS. EXTRAÍDOS DE [88] Y [65]. .................................. 82 FIGURA 4.28 DIAFONÍA FUERA DE CANAL, FILTRO DE 40 GHZ PARA CANALES DE 10 GBPS (SEPARACIÓN DE 50 GHZ). TOMADO DE [79]...................................................................................................................... 85.

(10) 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL. FIGURA 4.29 PRINCIPIO DE DISPERSIÓN, FUENTE [66].................................................................................... 85 FIGURA 4.30 VARIACIÓN DEL PARÁMETRO 𝐷𝜆 PARA FIBRA MONOMODO. EXTRAÍDO DE [90] ..................... 86 FIGURA 4.31 COMPONENTES DE LA DISPERSIÓN CROMÁTICA EN FIBRA MONOMODO. EXTRAÍDO DE [66] .. 87 FIGURA 4.32 DISPERSIÓN DE MODO DE POLARIZACIÓN PMD. EXTRAÍDO DE [91] ...................................... 88 FIGURA 4.33 REPRESENTACIÓN DE LA COMPENSACIÓN DE PMD EN UN PULSO ÓPTICO DISTORSIONADO. EXTRAÍDO DE [97] .................................................................................................................................... 90 FIGURA 4.34 ESPECTRO DE UNA SEÑAL DE 10 GBPS CON UN FILTRO DE ANCHO DE BANDA DE 36 GHZ. OBTENIDO DE [79].................................................................................................................................... 91 FIGURA 4.35 ESPACIADO ENTRE CANALES Y CONSIDERACIONES RESPECTO AL DISTANCIAMIENTO DEL FILTRO [76] ................................................................................................................................................ 92. FIGURA 4.36 CLASIFICACIÓN DE LOS EFECTOS NO LINEALES PRESENTES EN LA FIBRA ÓPTICA. EXTRAÍDO DE [71] ........................................................................................................................................................... 93 FIGURA 4.37 MEZCLA DE CUARTA ONDA FWM. EXTRAÍDO DE [66] ........................................................... 96 FIGURA 4.38 MODULACIONES MÁS COMMUNES: (N)RZ: NON RETURN TO ZERO; VSB: VESTIGIAL SIDEBAND; SSB: SINGLE SIDEBAND; OOK: ON/OFF KEYING; C-NRZ: CHIRPED NRZ; DST: DISPERSIONSUPPORTED TRANSMISSION; (A)CRZ: ALTERNATE CHIRPED RZ; CSRZ: CARRIER-SUPPRESSED RZ; AP: ALTERNATE PHASE; DB: DUOBINARY; PSTB: PHASE-SHAPED BINARY TRANSMISSION; PASS: PHASED AMPLITUDE-SHIFT SIGNALING; CAPS: COMBINED AMPLITUDE PHASE-SHIFT CODING; AMI: ALTERNATE-MARK INVERSION; DCS: DB CARRIER SUPPRESSED; M-ASK: MULTILEVEL AMPLITUDESHIFT KEYING; DPSK: DIFFERENTIAL PHASE-SHIFT KEYING; DQPSK: DIFFERENTIAL QUADRATURE PHASE-SHIFT KEYING. EXTRAÍDO DE [106] ........................................................................................... 105 FIGURA 4.39 CODIFICACIÓN NRZ Y RZ. EXTRAÍDO DE [107] ..................................................................... 106 FIGURA 4.40 PROBLEMAS DE NO LINEALIDAD INTERCANAL E INTRACANAL EN SISTEMAS WDM A DIFERENTES TASAS DE BITS POR CANAL. SSMF: STANDARD SINGLE-MODE FIBER; NZDF: NON ZERO. DISPERSION FIBER; XPM: (INTRA-CHANNEL) CROSS-PHASE MODULATION; FWM: (INTRA-CHANNEL) FOUR-WAVE MIXING; SPM: SELF-PHASE MODULATION; IXPM: INTRA CHANNEL XPM. EXTRAÍDO DE [106] ....................................................................................................................................................... 107 FIGURA 4.41 VARIACIONES TEMPORALES DEL CAMPO ELÉCTRICO Y LA POTENCIA ÓPTICA PARA UN CANAL DE 10 GBPS CODIFICADO CON EL FORMATO RZ-DPSK, FUENTE: [79] .................................................. 109. FIGURA 4.42 DIAGRAMA DE OJO PARA DISTANCIA DE 3000KM PARA LOS DOS FORMATOS (RZ-DPSK Y RZASK), FUENTE [79]................................................................................................................................. 109 FIGURA 4.43 COSTES ASOCIADOS A CWDM Y DWDM .............................................................................. 116 FIGURA 4.44 RED ÓPTICA MAN COMPUESTA DE CUATRO NODOS Y OCHO PORTADORAS ÓPTICAS PARA LA SIMULACIÓN. FUENTE PROPIA ................................................................................................................ 117. FIGURA 4.45 SUBSISTEMA QUE SE COMPORTA COMO NODO EN LA RED MAN ........................................... 117 FIGURA 4.46 COMPONENTES EMBEBIDOS EN CADA SUBSISTEMA. A, TRANSMISOR; B, RECEPTOR .............. 118 FIGURA 4.47 TRANSMISOR WDM DE OCHO LONGITUDES DE ONDA ........................................................... 118 FIGURA 4.48. PARÁMETROS DISPONIBLES EN EL TRANSMISOR WDM ......................................................... 119 FIGURA 4.49. MÓDULO DE MULTIPLEXOR WDM ......................................................................................... 119 FIGURA 4.50 CONFIGURACIÓN PARA EL MULTIPLEXOR WDM ................................................................... 120 FIGURA 4.51 MÓDULO OADM PARA CADA UNO DE LOS NODOS ............................................................... 120 FIGURA 4.52 CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS PARA EL OADM ............................................................. 121 10.

(11) ÍNDICE DE FIGURAS. FIGURA 4.53 OPTICAL RECEIVER QUE SIRVE COMO TRANSPONDEDOR DEL DOMINIO ÓPTICO A ELÉCTRICO. ................................................................................................................................................................ 121 FIGURA 4.54. PARÁMETROS DE CONFIGURACIÓN PARA EL RECEPTOR ÓPTICO. INCLUYE PARÁMETROS PARA CADA UNO DE LOS COMPONENTES INCLUIDOS EN EL SUBSISTEMA. ...................................................... 122. FIGURA 4.55 RED METROPOLITANA EN ANILLO IMPLEMENTADA EN OPTISYSTEM .................................... 122 FIGURA 4.56. CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS GLOBALES PARA LA RED METROPOLITANA MOSTRADA EN LA FIGURA 4.55........................................................................................................................................ 123. FIGURA 4.57 DIAGRAMA DEL AMPLIFICADOR DOPADO CON ERBIO EDFA MOSTRADO POR EL SOFTWARE. ................................................................................................................................................................ 123 FIGURA 4.58 PARÁMETROS DEL EDFA ADOPTADOS EN LA SIMULACIÓN ................................................... 124 FIGURA 4.59 DIAGRAMA DEL MÓDULO OPTICAL RING CONTROLLER IMPLEMENTADO EN LA SIMULACIÓN. ................................................................................................................................................................ 124 FIGURA 4.60 PARÁMETROS DE CONFIGURACIÓN PARA EL OPTICAL RING CONTROLLER. SE EVIDENCIA QUE LA VARIABLE NUMBERS OF LOOPS TIENE UN VALOR DE 2. ..................................................................... 125. FIGURA 4.61 MÓDULOS DE MEDICIÓN USADOS EN LA SIMULACIÓN ........................................................... 126 FIGURA 4.62 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN SOBRE EL NODO 1 DE LA SIMULACIÓN.................................... 127 FIGURA 4.63 (A) RESULTADOS DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS PARA LA ENTRADA DEL NODO. (B) AMPLIACIÓN DONDE SE MUESTRA CON MAYOR DETALLE INFORMACIÓN VALIOSA SOBRE LA TERCERA VENTANA ................................................................................................................................................ 128. FIGURA 4.64. (A) RESULTADOS DEL DIAGRAMA DE OJO EN EL RECEPTOR. (B) VALORES QUE TOMA LA CURVA DEL FACTOR Q. NÓTESE QUE ESTE FACTOR SE ENCUENTRA GRAFICADO EN EL PARTE INFERIOR SUBEXPUESTO. ......................................................................................................................................... 129. FIGURA 4.65 DIAGRAMA DE LA SEÑAL ÓPTICA RECIBIDA EN EL DOMINIO DEL TIEMPO.............................. 130 FIGURA 4.66 ELEMENTOS IMPLEMENTADOS AL CAMBIAR EL TIPO DE FILTRADO A FABRY PEROT. TAMBIÉN SE CAMBIÓ EL TIPO DE FOTORECEPTOR A UNO DE TIPO APD ................................................................ 132. FIGURA 4.67 PARÁMETROS DE CONFIGURACIÓN DEL FILTRO FABRY PEROT............................................... 133 FIGURA 4.68 RESULTADOS GRÁFICOS OBTENIDOS A PARTIR DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS PARA ESTA CONFIGURACIÓN. .................................................................................................................................... 134. FIGURA 4.69 (A) DATOS OBTENIDOS A PARTIR DEL ANALIZADOR BER. (B) DIAGRAMA DE OJO DONDE SE EVIDENCIA GRÁFICAMENTE EN ROJO LA CURVA DEL FACTOR DE CALIDAD Q. ..................................... 135. FIGURA 4.70 VISUALIZACIÓN DE LA SEÑAL EN EL DOMINIO DEL TIEMPO. EL RUIDO ESTÁ REPRESENTADO COMO LA FRANJA INFERIOR DE COLOR VERDE. ...................................................................................... 137. FIGURA 4.71 PARÁMETROS DE LA FIBRA TIPO NRZ-DSF ............................................................................ 139 FIGURA 4.72 RESULTADOS GRÁFICOS OBTENIDOS A PARTIR DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS PARA ESTA CONFIGURACIÓN. .................................................................................................................................... 139. FIGURA 4.73 (A) DIAGRAMA DE OJO DONDE SE EVIDENCIA GRÁFICAMENTE EN ROJO LA CURVA DEL FACTOR DE CALIDAD Q. (B) DATOS OBTENIDOS DEL BER.................................................................................... 140. FIGURA 4.74 VISUALIZACIÓN DE LA SEÑAL EN EL DOMINIO DEL TIEMPO. EL RUIDO ESTÁ REPRESENTADO COMO LA FRANJA INFERIOR DE COLOR VERDE. ...................................................................................... 142.

(12) 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL. ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1 RESUMEN DE TOPOLOGÍAS. OBTENIDO DE [28] ............................................................................... 22 TABLA 2 VELOCIDAD DE DATOS EN SONET SDH ........................................................................................ 34 TABLA 3 VELOCIDADES TÍPICAS DE ARQUITECTURA DE TARJETA DE LÍNEA POS [15] ................................... 35 TABLA 4 COMPARATIVA DE DIFERENTES ARQUITECTURAS OADM. W ES EL NÚMERO TOTAL DE CANALES Y D REPRESENTA EL NÚMERO MÁXIMO DE CANALES QUE PUEDEN SER EXTRAÍDOS DESDE UN SIMPLE OADM. ADAPTADO DE [17] ................................................................................................................... 63 TABLA 5 CARACTERÍSTICAS DE TRES FIBRAS COMÚNMENTE USADAS. TOMADA DE [66] .............................. 80 TABLA 6 PORCENTAJE DE POTENCIA DE SALIDA EN FUNCIÓN DE LA PÉRDIDA............................................. 83 TABLA 7 RESTRICCIÓN EN LAS TASAS DE TRANSMISIÓN (CD, PMD, MARGEN DE RUIDO) FUENTE [92] ..... 89 TABLA 8 RELACIÓN DE FWM CON EL NÚMERO DE SEÑALES, FUENTE [68] .................................................. 96 TABLA 9 EFECTOS NO LINEALES Y SU RELACIÓN CON LOS PARÁMETROS DE TRANSMISIÓN. EXTRAÍDO DE [68] ........................................................................................................................................................... 97 TABLA 10. EJEMPLO DE DISEÑO DE UN SISTEMA EN EL CUAL SE ASIGNA PP PARA VARIOS TIPOS DE DEGRADACIÓN EN LA TRANSMISIÓN ...................................................................................................... 102. TABLA 11 CARACTERÍSTICAS DE FORMATOS DE MODULACIÓN. EXTRAÍDO DE [68] .................................. 111 TABLA 12 COMPARACIÓN DE LAS PRINCIPALES MODULACIONES (REDES ÓPTICAS). EXTRAÍDO DE [114]. 111 TABLA 13 COMPARATIVA ENTRE TECNOLOGÍAS ATM, SDH Y WDM. EXTRAÍDO DE [73] ........................ 113 TABLA 14 PARÁMETROS USADOS PARA ESTE ESCENARIO............................................................................. 126 TABLA 15 POTENCIA DE LA SEÑAL RECIBIDA EN EL RECEPTOR. LOS VALORES ESTÁN DADOS EN DBM Y EN W, PARA ASÍ LUEGO MOSTRAR LA RELACIÓN SEÑAL A RUIDO ÓPTICA. ............................................... 130 TABLA 16 PARÁMETROS RECOMENDADOS EN EL OBJETIVO ANTERIOR........................................................ 132 TABLA 17 RESULTADOS DE POTENCIA OBTENIDOS EN EL ANALIZADOR WDM .......................................... 136 TABLA 18 ESTADÍSTICAS DONDE SE DETALLAN VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS EN LA POTENCIA, EL RUIDO Y SU SNR. DE IGUAL MANERA SE MUESTRA LA POTENCIA DEL RUIDO CON RESOLUCIÓN DE 0.1NM ...... 136. TABLA 19 RESULTADOS DE POTENCIA OBTENIDOS EN EL ANALIZADOR WDM .......................................... 141 TABLA 20 ESTADÍSTICAS DONDE SE DETALLAN VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS EN LA POTENCIA, EL RUIDO Y SU SNR. DE IGUAL MANERA SE MUESTRA LA POTENCIA DEL RUIDO CON RESOLUCIÓN DE 0.1NM ...... 12. 141.

(13) CAPÍTULO 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

(14) 2.1 JUSTIFICACIÓN SOCIAL. 14.

(15) CAPÍTULO 2. JUSTIFICACIÓN.

(16) 2.3 JUSTIFICACIÓN ACADÉMICA Y TÉCNICA. 16.

(17) CAPÍTULO 3. OBJETIVOS.

(18) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS 4.1 Topología de red, tecnologías de transporte óptico y capacidad actual de redes MAN 4.1.1 Redes de Comunicación Las redes de comunicación han presentado un sin número de cambios en las últimas décadas, es bien sabido que el término comunicación ha impulsado la exploración desaforada de nuevas técnicas y mecanismos para llevar a cabo una aglomeración de métodos, tecnologías, procedimientos e incluso topologías que han llevado a perfeccionar esta industria. Con el crecimiento de las redes de transporte óptico y el gradual aumento en la demanda, es imperioso encontrar soluciones a problemas de diseño para la optimización de estas redes, en un ámbito más general el encauzamiento principalmente en la calidad de la red (optimización) y la escalabilidad de esta. En las redes ópticas los objetivos primordiales en cuanto al diseño acogen dos principales factores a tener en cuenta: el primero es la reducción (minimización) del costo total de la red (implementación y actualización de la misma), y el segundo el mantener una aceptable calidad de servicio (QoS) [1] [23]. Hoy en día las comunicaciones pueden considerarse como un conjunto que consta de tres subredes: Las redes de acceso (Acces networks), redes metropolitanas (MAN’s networks) y las redes de larga distancia (backbone). Cada una de estas subredes presenta retos generalizados frente al desarrollo tecnológico y su implementación para la interacción y construcción de una red eficaz, segura y lo más transparente posible. Frente a los múltiples problemas de diseño que implica estructurar, conectar y enlazar una red de comunicaciones, se han propuesto diferentes soluciones para acrecentar el interés del sector industrial y comercial. El diseño de la red subyace básicamente en la formulación de un problema de optimización, en donde el operador es el único que puede elegir la solución con base en el perfil del cliente, la demanda de la red, la economía entorno a esta y por supuesto las estrategias de migración a nuevas tecnologías. El factor que prima a la hora de diseñar una red es el costo total pues este se encuentra sujeto a la topología, la demanda y las limitantes en el rendimiento. El diseñador decide donde colocar los nodos y los enlaces, cuál enrutamiento de tráfico es el más conveniente para implementar y además el determinar la capacidad total de la red [1]. Para hondar en la estructura de las redes de comunicación, es importante estudiar cuales topologías son las más comunes.. 18.

(19) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS. Figura 4.1 Estructura de las Redes de Comunicación. 4.1.2 Topologías de red La forma en la que se encuentra diseñada la red tal como lo es un mapa que consta de distintos nodos de interconexión para el intercambio de datos, es lo que se conoce como la topología de una red. Asimismo, la topología de red se divide en dos tipos: la física y la lógica. Generalmente estos se entrelazan, de manera tal que todo diseño físico debe tener a la par el diseño lógico que respalde el funcionamiento de la red. . . Física: Examina la configuración de los elementos de la red y sus interconexiones asociadas. Además, que enfatiza en la asociación de hardware con el sistema incluyendo estaciones de trabajo, terminales remotas, servidores y el cableado asociado entre activos. Lógica: Conocida también como topología de señal, esta enfatiza en la representación del flujo de datos (trafico) entre nodos.. Por otra parte, la topografía lógica de la red puede reconfigurarse dinámicamente, pues esta solamente trata con los elementos principales y no con el hardware presente entre ellos que actúan como intermediarios (conectores) [26]. En cierta forma cualquier operador puede crear e implementar la topología de red como mejor convenga, de acuerdo a las necesidades de esta, pero siempre estableciendo una topología física y lógica de la misma. Las topologías más comunes o las que ya se.

(20) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. han establecido por su forma de interactuar entre nodos, por su organización, estabilidad y mecanismos de comunicación o por su jerarquía son las siguientes: bus, anillo, estrella y malla. [27]. 4.1.2.1 Topología de red en Bus En esta topología una sola conexión (un solo cable) es usada para conectar todos los dispositivos de la red. En otras palabras, la conexión es la columna vertebral de la red, por esa razón la comunicación entre los nodos (dispositivos) de la red se debe dar a manera de “Broadcast”. Algunas de las ventajas de este tipo de topología es la facilidad en la instalación y el uso mínimo de cableado en la red, aunque su principal característica es que a falla de un nodo la red sigue funcionando, pues este no causa efecto alguno en esta, lo que en cierta manera hace que sea un factor clave en el uso de esta topología es que cualquier nodo tiene la capacidad de recibir un paquete, a pesar de ello las desventajas de esta topología están relacionadas con la falla de la conexión backbone (daño total de la red), limitación en rendimiento por causa de los nodos de la red [26] [27].. Figura 4.2 Capa Física y Lógica de una Topología. 4.1.2.2 Topología de red anillo Como su nombre lo indica, en esta topología cada nodo está conectado a dos nodos en cadena (concatenados) desde el origen al destino la conexión se cierra a través de nodos intermedios. Cada nodo actúa como un repetidor activo para el envío de mensajes en la red. En efecto, existen dos tipos de redes para la transmisión de paquetes (datos, mensajes, voz, etc.) unidireccionales o bidireccionales. Para el caso unidireccional, el mensaje se transmite en sentido horario o anti horario entre los nodos. Mientras que, para redes bidireccionales, los mensajes se transmiten en cualquier dirección. Aunque es una de las topologías más empleadas en la actualidad sus desventajas están 20.

(21) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS. asociadas a la seguridad en el envío de paquetes, problemas en la red a causa de la falla de un nodo, bucle infinito al momento de la transmisión, tiempo de transmisión relativamente más largos entre nodos y finalmente la reconfiguración de la red o expansiva de la red. Este tipo de topología es usada en redes con pequeño tráfico entre nodos, pese a sus inconvenientes en redes bidireccionales es posible desviar trafico dada la congestión de algún nodo [26] [27].. 4.1.2.3 Topología en estrella Esta topología requiere de un nivel jerárquico entre nodos, principalmente un nodo central de orden superior a los que estén conectados los otros nodos de la red. Los mensajes recibidos por el nodo superior se pueden transmitir a todos los nodos de orden inferior (subordinados), o en algunos casos si el nodo presenta una complejidad mayor, puede enviar el mensaje (información) al nodo deseado.. Las ventajas de esta topología es la reducción en los retrasos temporales al momento de la transmisión entre nodos, detección de fallas localizadas, inclusive la falla de un nodo inferior o la pérdida de conexión con un nodo subordinado no afecta el funcionamiento de la red. En su mayoría son implementadas en áreas geométricas de mayor tamaño que las topologías bus y anillo. Su aplicabilidad está orientada a las redes LAN. Aunque al ser una de las topologías más usadas en la actualidad presenta desventajas como: en caso de que el nodo de nivel superior presente alguna falla detendrá la comunicación en la red, la necesidad de mayor cableado y problemas asociados a la limitación en el uso de nodos de nivel superior [26] [27].. 4.1.2.4 Topología en malla Esta topología se caracteriza por las múltiples rutas a las que se encuentra conectado un nodo puntual al nodo destino. Aunque en un comienzo esta topología superaba las descritas previamente, su funcionamiento es similar a la topología en anillo bidireccional, puesto que la probabilidad de que exista un fallo en la red es mínima debido a las conexiones redundantes. Al ser su principal característica el aprovechamiento de la redundancia en la red su factibilidad hace que esta topología sea aplicada e implementada en el encauzamiento de grandes volúmenes de tráfico entre nodos. Su principal ventaja es que el nodo origen tiene la capacidad de decidir la mejor ruta desde el transmisor hasta el receptor en función de los factores de conectividad, velocidad, capacidad y disponibilidad. Pese a ser superior en muchos aspectos, su mayor desventaja está orientada a los costos de la infraestructura de la red y a los equipos encargados de procesar el algoritmo de enrutamiento para darle la elección al nodo de escoger la mejor ruta. La topología en malla se presenta en forma parcial y completa, entiéndase la parcial como una red en donde sus nodos no se.

(22) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. encuentran completamente conectados, mientras que la completa todos sus nodos se encuentran conectados asociando la comunicación entre ellos sin la necesidad de hacer uso de un nivel jerárquico. A continuación, se muestra un cuadro con el resumen de las topologías bus, anillo, estrella y malla [26] [27].. Tabla 1 Resumen de Topologías. Obtenido de [28] Topología. Características. Ventajas. - Principalmente en. -. funciona. - Cualquier falla en la. LANs. incluso si un nodo. columna vertebral de. falla. la red, genera un fallo. - No depende de un nodo (host) central Bus. - Nodos se conectan por. una. misma. conexión. red o. deja. de. funcionar. total en esta. -Es de las topologías. - Presenta problemas. menos costosas. en. -. Implementación. la. transmisión. dadas las colisiones. sencilla. -Transmisión Broadcast. - Respuesta rápida. - Se comporta muy. - Conexión punto a. bien en LANs. punto. - No requiere de un. - Mantenimiento de. transmiten a través de. host central o nodo. los enlaces es más. todos los nodos de la. principal. sencillo que en redes. red. un. nodo. problemas. presenta en. su. funcionamiento. regenerar la señal a transmitir - Escalable y altamente modulable. -Ofrece. rutas alternas. - Inserción y exclusión. - Largo diámetro. - Detección de fallas. gran. aisladas. cantidad. y. 2. - En caso de tener un fácil. diámetro de. recuperación. implicada. localizada. comunicación alto señal. 22. máximo. - Estructura simple. de nodos fácil. - Cada nodo debe. - Conexión y cableado - La información se. con múltiples enlaces. -Funciona incluso si Anillo. La. Desventajas. bordes en. atenuando y. la la será la con.

(23) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJ ETIVOS. probabilidad. de. boqueo de la red -. Útil. para. aplicaciones donde el procesamiento. debe. ser centralizado o local. Estrella. - Pequeño exceso de. - Costosa en cuanto a. pérdida.. la. - La pérdida aumenta. instalación. y. mantenimiento. logarítmicamente con. - Dependencia de un. - Requiere de un nodo. base en los nodos de la. nodo. central (pasiva, activa,. red.. superior. inteligente). -. - Conexión punto a punto con el nodo central - No hay regeneración. Reducción. de. retardos temporales -. Falla. en. central. o. - En caso de fallar el nodo principal la red. nodos. deja de funcionar. inferiores no afectan a. -. la red. requieren. de la señal. Muchas. redes de. un. dispositivo inteligente en el nodo central. -. Utilizadas. comúnmente. para. redes con alto trafico -. Uso. de. redundantes. rutas para. cada nodo -. Se. pueden. implementar Malla. parcialmente completas. o en. -. La. comunicación. complejos. la detección de fallas y. enrutamiento en cada. su aislamiento. nodo para la elección. - El mensaje o paquete. de la mejor ruta - El costo es mucho. su destino por las. más. múltiples rutas. instalación. - Permite incorporar protocolos. de. - Rutas alternativas,. - Los problemas de la. equilibran las cargas. red. en la red. diagnosticar.. conexión. de. de información llega a. seguridad. tener (n-1) puertos de. Algoritmos. punto a punto facilita. estructura. - Cada nodo debe. -. son. alto. en. su y. mantenimiento - Requiere un gran número de puertos de. fáciles. de. entrada y salida.

(24) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. 4.1.2.5 ¿Cómo se escoge la topología? En un principio cualquier topología puede ser aplicada a una red. Sin embargo, es importante sopesar cuáles son sus principales características, ventajas y desventajas, porque de ello depende una correcta operatividad, ejecución y manutención de la red. El encargado de escoger la topología de la red es el operador delegado de suministrar el servicio. Ya sea para una backbone, para una MAN o para una red de borde el establece tres factores para determinar la factibilidad de la topología como: . Tiempo de inactividad de la red. . Costos incurridos en el diseño, implementación de la red. . Eficiencia de la red (optimización de la red). Al construir una red, la elección más conveniente depende del propósito de esta y por ende de la topología que implique menor esfuerzo económico y material (como cableado, equipos, host, nodos, direccionabilidad, etc.) [29] [30] [32]. ** A manera de ilustración para entender claramente la posición del operador en la elección de una topología concerniente a los factores mencionados anteriormente. Una empresa está interesada en conectar 7 sedes en una ciudad (metrópoli), por simplicidad y por la geometría de ésta, el operador decide implementar un bosquejo de una red en anillo de tipo bidireccional.. Figura 4.3 Ejemplo de Topología en Anillo para 7 sedes. Se desea transmitir de A a D hacia delante como lo muestra la “Ruta de trabajo” A->B->C->D en la imagen X, en caso de fallo en la red al enviar el paquete de A a D, el mensaje puede llegar por el camino opuesto, por la siguiente ruta A->H->G->F->E->D. Es decir, que la red ante fallas presenta 24.

(25) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJ ETIVOS. soluciones dinámicas debido a su direccionalidad. En otras palabras, la red presenta en esa tipología una latencia más alta en protección. Pese a sus dos únicas rutas alternas, para mantener los efectos negativos que implica el uso de esta topología. Por lo general, se intenta limitar el tamaño en cuanto al diámetro de la red (incursión de nodos) a una circunferencia máxima. No solamente limitar el tamaño de la red, sino también el brindar como operador un tiempo de actividad constante para que exista un adecuado uso del ancho de banda y por supuesto que la instalación este sujeto a los costos de la misma. Aunque en la actualidad paras los distintos tipos de red como las MAN, backbone y de borde se han determinado configuraciones ya preestablecidas por el potencial que requiere cada una de estas redes, el operador tiene libertad para implementar la topología que menor costo le acarree [31]. A pesar de la facilidad que trae al operador el elegir una topología en anillo, la topología en estrella facilita la protección contra cortes de fibra y la supervisión del rendimiento de la red. Los avances de las tecnologías en el transporte óptico han propiciado híbridos en las capas (física y lógica) que constituyen a una topología, en donde es posible mapear conexiones de longitud de onda en un anillo físico de fibra para que todos los nodos estén conectados lógicamente en topología de estrella. Al observar la solución propuesta, se reducen los costos en la implementación, instalación de la red y en cuanto a su manejo y detección de fallas permite optimizar y minimizar los costos de ésta [32]. Para comparar los costos se han realizado en los últimos años diversas investigaciones para determinar la relación costo/rendimiento entre topología en anillo (simple, doble) y estrella. El resultado fue que tanto la topología en anillo doble como la estrella presentan un costo similar, mientras que el anillo simple es la mitad del costo de las topologías anteriores [33]. Entonces, si los costos son similares ¿Por qué no preferir una topología en estrella frente a la de anillo? La clave entre las dos, se encuentra en el costo asociado al rendimiento esperado, puesto que su parámetro asociado y característico es la cantidad de puertos en los enrutadores (nodos) para la conexión de la red. Como tal, el operador no le interesa como se implementará la capa de transporte (uso de más fibra, multiplexación SONET/SDH, WDM), su interés está en el desembolso correspondiente a los gastos de la instalación y ejecución de la red. El operador establece un parámetro característico para definir entre una topología y la otra, dado que su principal objetivo es la versatilidad de la red y en la solución ante posibles fallos de esta. Los costos asociados con la cantidad de puertos en los nodos que deben usar y los conductos que son necesarios (alquilar) para la expansión de la red. Cada nodo lógico en topología anillo requiere un puerto en el nodo para comunicación en sentido horario y anti horario. En tal caso, un solo anillo en cuanto al rendimiento no proporciona suficiente ancho de banda para una aplicación determinada y más con el surgimiento de nuevas tecnologías y servicios. Luego, para aumentar el ancho de banda, habitualmente se instala a la par un anillo en paralelo. Ahora, comparado con la topología en estrella de doble núcleo, los cálculos de puertos por nodo son más sencillos, dos en el centro y dos en el extremo. El rendimiento por nodo en operación normal es el doble de la velocidad de línea, siendo muy similar al comportamiento de la red de doble anillo. Con el respaldo de la información tanto para topología en anillo y en estrella, el operador es libre de decidir cual se adapta mejor [33]. En efecto, ya aclarando las diferencias tanto en costo como en rendimiento de las dos topologías (anillo y estrella), la decisión de la elección correcta se define por la aplicabilidad de la red, a manera.

(26) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. de ejemplo si una red con topología en anillo único, proporciona suficiente ancho de banda para la aplicación requerida, esa solución es la más conveniente pues no se estará desperdiciando rendimiento ni capacidad de la red, en otras palabras no se estará subutilizando la red y más si los costos son bajos respecto a las topologías dobles. En caso de requerir mayor ancho de banda, la solución más propicia es una configuración en estrella por encima de una configuración en anillo, puesto que esta ofrece un mayor ancho de banda a un costo similar que una red en doble anillo. Para constatar el rendimiento en caso de tener una tasa de línea OC-48 y 16 nodos en una topología en anillo, el rendimiento promedio para un solo anillo aproximadamente es OC-12 (622.08 Mbit/s), para un anillo doble es OC-24 (1244.16 Mbit/s) mientras que para una estrella doble es de 2 veces OC-48 (4976,64 Mbit/s) aproximadamente. Incluso la topología en estrella doble presenta una reducción de N/4 puertos (Donde N es el número de nodos), que para el anterior caso de una red de 16 nodos se puede reducir los costos asociados por un factor de cuatro [32] [33]. “Una comparación frente al ancho de banda en el rendimiento de la red determinará el costo dado en una topología de anillo frente a una topología en estrella”. La configuración en estrella, no es usada frecuentemente en redes MAN, debido al alto control de la fibra asociada con la arquitectura. En contraposición, la topología en anillo provee protección al corte de fibra o problemas en la red y al monitoreo. [33] Tradicionalmente, solamente los sistemas en topología en anillo como SONET/SDH proporcionan, protección, detección de fallas localizadas y monitoreo especializado y necesario para la construcción de redes seguras, confiables y operables con certeza a problemas generados en ésta. La mayoría de los anillos que componen una MAN están experimentando agotamiento de la capacidad (abarcando incluso tasas OC-48/192), pues su costosa expansión en fibra se está volviendo muy lenta [2].. 4.1.3 Breve Revisión Histórica de las MAN Las redes de área metropolitana (MAN), comprenden distancias entre 10 – 100 km aproximadamente. Su principal función es la de interconectar redes de acceso y de larga distancia. A menudo interconectan un gran número de redes de área local (LANs), haciendo uso de tecnologías de gran capacidad, asociadas a las redes de larga distancia (backbone), para la movilización de un holgado tráfico por medio de enlaces de fibra óptica proporcionando así servicios “up-link” a redes de área amplia (WAN) e internet. Más exactamente su ubicación geográfica en el mundo de las redes se encuentra entre una red WAN y una LAN. En la actualidad las redes metropolitanas hacen uso de la red óptica síncrona / jerarquía digital síncrona (SONET/SDH) como también de multiplexores de extracción-inserción (ADM) para el transporte de paquetes (voz y datos) desde puntos remotos hasta la oficina central del proveedor de servicios. En la mayoría de casos, significa que el contenido se almacenará en el caché a nivel de metro siendo esto una prueba contundente en donde el mayor crecimiento del tráfico estará situado en el área metropolitana [1] [23]. En un comienzo (primera generación) los enlaces en MAN, en su totalidad estaban implementados en cobre. Con el tiempo estos enlaces fueron reemplazados por fibra óptica, aunque los extremos de 26.

(27) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJ ETIVOS. las MAN (nodos) presentaban conversiones electrónicas para la interconexión con redes de borde Metro (Metro Edge), es decir que los equipos empleaban la conversión opto-electrónica (OEO), no lograron explotar la máxima capacidad de la red. Puesto que cada fibra llevaba solo una longitud de onda como es el caso de FDDI (Fiber Distributed Data Interface) y el IEEE 802.6 DQDB proporcionando así: una red multiacceso, comunicaciones integradas en bus, organización de la información mediante una cola distribuida y facilitando el acceso a la MAN o LAN respectivamente. Para la década de los 90’s se introduce la tecnología WDM (en redes larga distancia) en donde cada fibra se encarga de transportar múltiples longitudes de onda (canales) a tasas arbitrarias. Con la transición de grandes tuberías de cobre a redes ópticas [2]. En febrero de 2003, fue retirado DQDB y dado que en la actualidad no cuenta con respaldo de la IEEE, estuvo en vigencia por muy poco tiempo ya que era demasiado complejo conectar estaciones de trabajo. En otras palabras, la falla en la escalabilidad del estándar la llevo a su obsolescencia. No obstante, fue pensado para manejar tráfico de redes LAN y MAN, además definía un protocolo de acceso al medio compartido de alta velocidad para su uso a través de una subred en bus unidireccional doble de contraflujo. Más tarde fue reemplazado por MPLS y algunos protocolos de Ethernet [2] [3] [4] [5]. En su segunda generación (MAN) la Conversión optoelectrónica (O-E-O) se presenta soló en los nodos de fuente y destino. Mientras que los nodos intermedios son desviados ópticamente por medio de multiplexores ópticos de inserción-extracción (OADM), estos permiten que los nodos caigan localmente y sean capaces de agregar una o más longitudes de onda desde o hacia un enlace de fibra entrante o saliente, al desviar los nodos, alivian el cuello de botella generado por la conversión electróptica. Y el número de puertos se puede reducir en cada nodo, llevando así a estructuras de nodos totalmente ópticos (O-O-O) y reducción significativa en los costos de la red. En otras palabras, los OADM son de los elementos más importantes en cuanto a redes de fibra óptica se refiere. Al igual que los Optical Bypasses (desviadores ópticos) pueden ser implementados fácilmente en redes MAN WDM en anillo para construir arquitecturas de nodos rentables y reducir el número de nodos intermedios lógicos entre pares como fuente-destino llevando a una disminución de la distancia de salto lógico medio. Los caminos ópticos resultantes pueden proporcionar canales transparentes a los usuarios para dar libertad (al usuario) de elegir la velocidad en bits, formato de modulación y protocolos asociados [2] [6]. Por otro lado, la transparencia en la red permite el soporte de varios servicios heredados y futuras tecnologías que sean muy latentes, conjugables y fáciles de adaptar, como:   . Modo de transferencia asíncrona (ATM) Jerarquía digital sincrónica (SDH) y protocolo de internet (IP) Enterprise System Conection (ESCON) y Fibre Channel. La mayoría de la infraestructura en las MAN está basada en redes ópticas sincrónicas SONET/SDH con topología en anillo, como lo muestra la figura 4.3 (conmutación de circuitos). A groso modo, las.

(28) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. MAN están compuestas de pequeños anillos tributarios que se encargan de agregar tráfico a los anillos principales de la oficina central (IOF), las velocidades que manejan estos anillos (tributarios) son de 155Mb/s (OC-3/STM-) y de 622Mb/s (OC-12/STM-4). Los anillos IOF se interconectan a su vez con las ubicaciones de la oficina central (CO – central office) con tasas de velocidad (altas) de 2.5 Gb/s (OC-48/STM-16) a 10 Gb/s (OC-192/STM-64) [2] [6] [23].. Figura 4.4 Jerarquía de las redes (Backbone, Metro y Access Network). Obtenida de [2].. Los nodos de la red incluso acceden al ancho de banda de la misma, por medio de la multiplexación por división de tiempo (TDM). En donde a cada nodo se le asigna periódicamente un número específico de ranuras. El éxito de SONET para la movilización de voz es indiscutible. Sin embargo, a causa de la recesión que generó la crisis de internet en las redes de larga distancia, han sido sometidas a expansiones gracias al uso de multiplexación por división de longitud de onda óptica WDM (produce la mejor relación en cuanto a costo y capacidad de red en la actualidad [2]. Además se han visto soluciones que integran SONET/SDH con WDM para establecer múltiples anillos SONET/SDH en una fibra, incluso esta configuración de la mezcla de las dos tecnologías puede emplear derivación óptica y preparar el tráfico para aliviar la carga computacional y reducir el número de tarjetas de puerto electrónico en nodo anulador. El objetivo de la aparición de la tecnología WDM es la Recopilación de trafico de menor velocidad para enviarlo a canales de onda de alta velocidad que requiere un número menor de longitudes de onda [7].. 28.

(29) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS. Figura 4.5 Arquitectura general de una MAN en la actualidad. Tomado de [23].. 4.1.3.1 Problemas de las tecnologías existentes en MAN El despliegue óptico en su totalidad se ha visto truncado por los distintos servicios que se están prestando en la actualidad. Ahora, el dilema se resume en ¿cuál es la cantidad de tráfico intra-metro que se transportará en relación al volumen de tráfico que simplemente se conectará a un MetroPOP (entiéndase este no como el protocolo POP sino más bien un punto de interfaz entre las entidades que se comunican [1]) para el transporte de redes metropolitanas? El incremento de las tasas de acceso por parte de los equipos, han forzado a la red, como en el caso de grandes clientes corporativos con velocidades iguales o superiores a 10 Gb/s (OC-48 o OC-192) inyectando gran cantidad de flujo de tráfico al núcleo metropolitano. Los problemas no se hacían esperar, pues las tasas de acceso están borrando los límites de acceso tradicional, sofocando las arquitecturas heredadas (centradas en tráfico de voz) que, aunque no se encuentran en declive, presentan un crecimiento lineal constante (línea privada). En otras palabras, el gran error de los diseñadores de las grandes arquitecturas fue el centrarse en la voz y no en los datos. En las áreas en donde el trafico asociado al ancho de banda, por.

(30) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. parte del consumidor representa gran parte del total, concentrará la implementación de fibra, en la vinculación de las oficinas de servicio con un POP para la interconexión de la red central. Estas conexiones deben presentar robustez y confiabilidad. Incluso no es necesario que hagan uso del estándar SONET de failover (50ms) ya que admitirán el tráfico de Ethernet. Ahora es importante aclarar que, si el almacenamiento en búfer se encuentra disponible (para los usuarios), para un servicio determinado el tiempo de conmutación por error no debe ser mayor a dos tercios aproximadamente del intervalo del búfer [1]. Cuando se presenta trafico TDM y trafico orientado a paquetes en un nivel corporativo, la conmutación óptica por error (SONET 50ms) logra ser una solución recomendada al igual que su contraparte Resilient Packet Ring (RPR) [1], mientras que WDM ofrece a los diseñadores de redes ópticas separar el tráfico según los requisitos ópticos de conmutación por error y proporcionar un failover mucho más óptimo cuando sea necesario. En la capa óptica los ROADM (multiplexores ópticos reconfigurables de extracción e inserción) son muy flexibles en cuanto a la adaptabilidad de las diferentes topologías para el manejo de una alta demanda de tráfico. Inclusive, el ofrecer servicios de longitud de onda para clientes metro y de Ethernet con mayor facilidad y compatibilidad [8]. En la actualidad la concentración de tecnologías asociadas en redes metropolitanas está basada en SONET/SDH, dado el agotamiento en las capacidades de las infraestructuras. El problema se ha orientado a la expansión de fibra y la adquisición de nuevos equipos para fortalecer la red y brindar mayor capacidad y recursos ante el aumento de tráfico. Sin embargo, la instalación, adquisición de equipos y mantenimiento conllevan costos elevados para ATM y SONET/SDH. Aun así, la expansión de WDM y su incursión en las soluciones a largo plazo para las redes Metro resulta ser demasiado costosa.. 4.1.4 Clasificación del tráfico A continuación (ver figura 4.4) se presenta un diagrama con la clasificación del trafico existente. Se observa claramente el variado tráfico con el que se debe lidiar a diario, y como el aumento en el tráfico ha llevado al despliegue de mejores tecnologías que propongan una solución eficaz y veraz.. 4.1.5 Tecnologías de las MAN Las tecnologías presentes en las MAN, han marcado una pauta en el estudio, diseño, distribución e implementación de una red metro con escalabilidad, pese al incremento sustancial de la demanda de tráfico de datos. Sus funciones a lo largo del tiempo le han dado vitalidad y sostenibilidad por parte de alternativas para mejorar el rendimiento, capacidad y dinamismo de estas redes que conforman el ambiente urbano, pues son el puente entre las redes de larga distancia y las redes de borde encargadas de conectar a los usuarios (hogares, empresas, HUBs, etc.) LANs con WANs [23]. Las tecnologías que han hecho parte de las MAN en orden cronológico de implementación en las MANs son las siguientes:  . ATM (Modo de Transferencia Asíncrona) – Finales de los 80’s SONET/SDH (Red Óptica Síncrona/Jerarquía Digital Síncrona) – Finales de los 90’s 30.

(31) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS     . PoS (Paquetes sobre SONET) GPF MPLS (Conmutación de etiquetas multiprotocolo) – Año 2001 RPR (Resilient Packet Ring) IEEE 802.17 – Año 2004 WDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda) – Año 1985 Inicio.. descarga asimétrico respaldo remoto disponibilidad estándar interambio P2P simétrico correo No interactivo tele diagnóstico. asimétrico. supervisión de rede. simétrico. almacenamiento de datos médicos. alta disponibilidad. exploración web. Elástico asimétrico. computacion en paralelo telnet. disponibilidad estándar. red de datos. simétrico. Clases de Tráfico. interacivo. red de utilidades. asimétrico. gambling. simétrico. control de red. alta disponibilidad. transmisión por radio bajo ancho de banda. radio en vivo. asimétrico. video por demanda. transmisión de video. disponibilidad estándar. alto bancho de banda. No interactivo. TV en vivo. alta disponibilidad Inelástico. tele vigilancia. disponibilidad estándar interactivo alta disponibilidad. bajo ancho de banda. vox sobre IP. alto ancho de banda. video chat. simétrico. Figura 4.6 Clasificación del tráfico por aplicación. Tomado de [23]..

(32) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. 4.1.5.1 Tecnología ATM ATM es una tecnología de conmutación y multiplexación orientada a celdas, a su vez utiliza celdas de longitud fija para transportar varios tipos de tráfico (datos, voz, video, multimedia, etc.) a través de múltiples clases de servicios (ver figura la de abajo). Del mismo modo, ATM es una tecnología orientada a la conexión, en la que se establece primero el enlace (transmisión) entre dos nodos (puntos) finales antes de que se inicialice el intercambio de datos [9]. Principalmente el apogeo de esta tecnología, fue la de proporcionar calidad de servicio garantizada bajo demanda, mientras se maximiza la utilización de los recursos disponibles de la red. Además, en su auge llevo a mecanismos efectivos de gestión de tráfico, más sin embargo su éxito fue efímero con una implementación generalizada, que solo abarco e transporte para tráfico IP, ya que el objetivo de proporcionar una única tecnología integrada para LAN, redes públicas y servicios para el usuario fracasó [9]. Pese a que en la actualidad ATM es uno de los protocolos de transporte ampliamente utilizados. Los equipos de conmutación de circuitos aún procesan el 80% aproximadamente del tráfico de operadores mapeado en la infraestructura de redes SONET heredadas. Existen dos tipos de servicios ATM: . Circuitos Virtuales Permanentes (PVC): Permite la conectividad directa entre sitios (similar a una línea arrendada), entre sus ventajas garantiza la disponibilidad de una conexión y no requiere procedimientos de configuración de llamada entre conmutadores. Aunque su principal desventaja es la conectividad estática, como además de la configuración manual por parte del operador.. . Circuitos virtuales conmutados (SVC): Son creados y liberados de manera dinámica, su funcionamiento y activación se da únicamente mientras existe transferencia de datos (similar a una llamada telefónica). Por otra parte, el control dinámico de llamadas requiere de un protocolo de señalización entre el nodo extremo (punto) ATM y el interruptor ATM. Entre sus ventajas se encuentran la flexibilidad de conexión y la configuración de llamadas pueden ser controladas de manera automática por un dispositivo de la red. Por el contrario, sus desventajas incluyen el tiempo adicional y la sobrecarga requerida para configurar la conexión [10].. Aunque en su tiempo ATM fue una solución acorde a los servicios orientados en voz, este no logró proporcionar flexibilidad en cuanto al incremento del ancho de banda que requiere una MAN. Con una respuesta sosegada para la gran cantidad de volumen en la demanda para nuevas conexiones y un costo alto en la mejora e implementación de esta arquitectura, su flexibilidad se encontraba lejos del cliente. Pero si cabe recalcar que ofrecía una buena latencia de red, aunque sumara los retardos, generando así pérdida de rendimiento en la misma [9] [10] [19].. 32.

(33) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LOS OBJETIVOS. Figura 4.7 Esquema Red ATM privada y pública. Obtenida de [10].. 4.1.5.2 SONET La evolución de SONET/SDH ha sido consecuencia de la necesidad de estandarizar la interconectividad de múltiples proveedores a nivel de la fibra (Es decir mid-span meet: Se le dice a la interconexión entre dos LECs (Compañía de telefonía pública - Local Exchange Carrier), en donde cada una proporciona sus equipos hasta el punto de encuentro de las instalaciones, este a su vez establece la propiedad y la responsabilidad de cada parte de la LEC de la instalación de transmisión [13]), aunque carece de sistemas precursores de jerarquía digital plesiócrona (PDH) siendo estos una tecnología tradicional en la telefonía que permite enviar varios canales sobre un mismo vinculo usando técnicas de multiplexación por división de tiempo como equipos digitales de transmisión, presentes en la tecnología ATM [11] [12]. La tecnología SONET/SDH fue pensada para tráfico simétrico, empero el aumento de tráfico IP asimétrico ha llevado que esta tecnología sea ineficiente, y conlleve a trasladar los esfuerzos a tecnologías adyacentes. Por esa razón, su capa física define la multiplexación por división de tiempo (TDM) con un formato de duración (125 µs) y una jerarquía de multiplexación asociada (es decir OC-N) [2] [14]. Puesto que la transmisión de datos se presenta solo a tasas especificas a partir de un conjunto ya preestablecido de tasas. [ver tabla 4.1] La red óptica sincrónica (SONET) incluye un conjunto de múltiplos de frecuencia de señal para transmitir señales digitales en fibra óptica. La velocidad base es de 51.84 Mbps hasta 40 Gbps [14]. Las tasas de transferencia se muestran en la siguiente tabla:.

(34) 4.1 TOPOLOGÍA DE RED, TECNOLOGÍAS DE TRANSPORTE ÓPTICO Y CAPACIDAD ACTUAL DE REDES MAN. Tabla 2 Velocidad de Datos en SONET SDH Nivel de Portador Óptico (OPL). Velocidad de Datos. OC-1. 51.84 Mbps. OC-3. 155.52 Mbps. OC-12. 622.08 Mbps. OC-24. 1.244 Gbps. OC-48. 2.488 Gbps. OC-192. 10 Gbps. OC-256. 13.271 Gbps. OC-768. 40 Gbps. * En el caso de modo de transferencia asíncrona (ATM) se utiliza algunos de los niveles de portador óptico En un nivel superior proporciona funcionalidades de red relacionadas a:    . Transporte Multiplexación de extracción-inserción Conexión cruzada/ conmutación Protección. Las anteriores funciones requieren información de control, para que se lleve a cabo mediante bytes designados aproximadamente el 4% de la señal OC-1. Respecto a la topología que puede emplear SONET, esta es muy flexible, pese a los diversos estándares que se han establecido para esta tecnología puede adaptarse por su elasticidad a configuraciones tales como concentradores, cadena lineal, anillo y por supuesto malla. Tradicionalmente, SONET esta implementado en topología anillo, aunque el reflejo de las velocidades en ámbitos metropolitanos difiere de una rápida respuesta como por ejemplo el manejo de velocidades cercanas a OC-3 /STM-1 o OC-12/STM-4.Para reducir la sobrecarga en la red, se debe concatenar virtualmente múltiples conexiones SONET de baja velocidad de datos en una conexión agregada cercana a la velocidad deseada. Es posible agregar LCAS (link Capacity Adjustment Scheme) para adaptar a la velocidad de datos requerida. En otras palabras, los LCAS permiten aumentar o disminuir dinámicamente el ancho de banda de un contenedor virtual concatenado. Tanto la concatenación virtual como el LCAS no requieren ningún cambio dentro de la red SONET/SDH, solamente en el emisor y receptor que es donde se intercambian los paquetes de control. [2] La adaptabilidad de las redes SONET se dan junto a los protocolos de plano de control 34.

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