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Integración de IP sobre canales WDM

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA INTEGRACIÓN DE IP SOBRE CANALES WDM. Autor: Mario Daniel Carrazana Hernández. Tutor: Dr.C Pedro José Arco Ríos. Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución”. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA INTEGRACIÓN DE IP SOBRE CANALES WDM. Autor: Mario Daniel Carrazana Hernández E-mail: mario.daniel@uclv.edu.cu Tutor: Dr.C. Pedro José Arco Ríos PT Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV. E-mail: parco@uclv.edu.cu Consultante: Ing. Dayana Hernández Rodríguez. Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución”.

(3) PENSAMIENTO. “Muchos creen que el talento es cuestión de suerte, pero pocos saben que la suerte es cuestión de talento” Jacinto Benavente. I.

(4) DEDICATORIA. A mis padres, por dedicar su vida a mostrarme siempre el mejor de los caminos, aunque yo no lo entendiera. A mi hermano, por decirme siempre: “sí”. A mi familia, que me ha brindado amor y apoyo. A mi novia, por ayudarme a ser una mejor persona. A todos mis amigos, a los de la infancia, a los de la nueva y de la vieja escuela. A los que creyeron y a los que dudaron.. II.

(5) AGRADECIMIENTOS. Agradezco por haber llegado hasta aquí y ser quien soy a: …mis padres, mi hermano y a toda mi familia por la confianza que siempre han tenido en mí. …mi novia Idarely y toda su familia por el gran apoyo que me han dado en todo momento. …mis amigos de la universidad: Roberto Daniel, Dayan, Yuri, el Niche, Iván, el Pelly, Sandoval, Alejandro; también a los del barrio: Migue, Karel, Melina, Frank y Pedro, sin importar el orden; por estar en las buenas y en las malas. …mi tutor Pedro José Arco Ríos por compartir conmigo su experiencia y sabiduría en medio de tantos tropiezos. … Dayana por la colaboración y el apoyo incondicional que mi brindó en la realización de este trabajo. … todos los profesores que tuve durante toda mi vida de estudiante, en especial a mi madre Dania, por ser la mejor.. Muchas gracias.. III.

(6) TAREA TÉCNICA. Para cumplir con los objetivos propuestos en el presente proyecto se llevaron a cabo las siguientes tareas: 1. Revisión de la bibliografía existente para conocer el estado de las redes ópticas usando multiplexación por división de longitudes de onda (WDM). 2. Análisis de los componentes y parámetros fundamentales de una red óptica con WDM. 3. Evaluación de la actual transmisión de datos sobre WDM. 4. Estudio de la evolución hacia IP/WDM. 5. Elaboración del proyecto final.. Firma del Autor. Firma del Tutor. IV.

(7) RESUMEN. En el presente trabajo se hace un estudio abarcador sobre las técnicas de transmisión con multiplexación por división de longitud de onda, se exponen sus principales características así como las topologías, componentes y parámetros fundamentales de las redes que la emplean. Esta tecnología es la más utilizada a nivel físico debido a sus capacidades de montar señales de cualquier formato y a altas velocidades. Se presentan también razones por las que la actual red de transmisión de datos debe ser simplificada, eliminándose pasos intermedios, ganándose en velocidad y eficiencia. Los análisis realizados develan que el protocolo IP juega un papel importante en estos avances, hoy en día es el más usado; sus características alientan a evolucionar gradualmente de una compleja red de transporte de datos de varias capas, a una red con únicamente dos capas, de ahí que este proyecto persiga como objetivo general fundamental las ventajas de desarrollar el protocolo IP sobre la tecnología WDM. La bibliografía existente sobre el tema es abundante pero está muy desorganizada y este documento recoge de manera concisa e integradora las enormes ventajas de utilizar IP sobre WDM. Como resultado de esta investigación se muestran las posibilidades palpables y reales que ofrece IP/WDM, además de comparaciones con tecnologías de Internet.. V.

(8) TABLA DE CONTENIDO. PENSAMIENTO ............................................................................................................... I DEDICATORIA ............................................................................................................... II AGRADECIMIENTOS .................................................................................................. III TAREA TÉCNICA ........................................................................................................ IV RESUMEN .......................................................................................................................V TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................ VI INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1 CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP ................................................. 4 1.1 Aspectos teóricos de los sistemas WDM................................................................ 4 1.2 Tipos de tecnología WDM ..................................................................................... 5 1.2.1 CWDM ............................................................................................................ 5 1.2.2 DWDM ............................................................................................................ 7 1.2.3 Diferencias entre DWDM y CWDM ............................................................... 8 1.3 Protocolo IP ............................................................................................................ 9 1.4 Conclusiones del Capítulo .................................................................................... 12 CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM ...................................................................... 13 2.1 Ventajas de las Redes Ópticas WDM ................................................................... 13 2.2 Topologías de Redes Ópticas WDM .................................................................... 14 2.2.1 Topología punto-a-punto ............................................................................... 14 2.2.2 Topología de anillo ........................................................................................ 15 2.2.3 Topología de malla ........................................................................................ 16 2.3 Principales Componentes ..................................................................................... 17 2.3.1 Multiplexores y Demultiplexores .................................................................. 17 VI.

(9) 2.3.2 Amplificadores Ópticos ................................................................................. 18 2.3.3 Multiplexores Ópticos de Adición/Sustracción ............................................. 19 2.3.4 Crosconectores Ópticos ................................................................................. 20 2.4 Conclusiones del Capítulo .................................................................................... 21 CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM ................................................................................... 22 3.1 Transmisión de Datos sobre WDM ...................................................................... 22 3.1.1 ATM (Asynchronous Transfer Mode) ........................................................... 22 3.1.2 IP/ATM .......................................................................................................... 24 3.1.3 SDH (Synchronous Digital Hierarchy) ......................................................... 25 3.1.4 IP / SDH ........................................................................................................ 27 3.2 Evolución de la Red Óptica .................................................................................. 28 3.2.1 IP sobre ATM sobre SDH/SONET sobre WDM........................................... 29 3.2.2 IP sobre SDH/SONET sobre WDM .............................................................. 30 3.2.3 IP sobre Gigabit Ethernet sobre WDM.......................................................... 32 3.2.4 IP sobre WDM robusto .................................................................................. 33 3.3 Comparación de las Tecnologías de Internet con IP Sobre WDM ....................... 34 3.3.1 SDH vs WDM ............................................................................................... 35 3.3.2 ATM e IP/ATM vs IP/WDM ........................................................................ 35 3.3.3 SDH e IP/SDH vs IP/WDM .......................................................................... 36 3.3. Conclusiones del Capítulo ............................................................................... 36. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 38 Conclusiones............................................................................................................... 38 Recomendaciones ....................................................................................................... 39 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 40 GLOSARIO DE TÉRMINOS ........................................................................................ 42 ANEXOS ........................................................................................................................ 44 VII.

(10) Anexo I. Normas UIT para WDM .............................................................................. 44 Anexo II.Tabla comparativa entre tecnologías ATM, SDH y WDM ......................... 45. VIII.

(11) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. En los últimos años la fibra óptica ha tomado un lugar primordial cuando se habla de transportar información; las comunicaciones a través de esta presentan grandes ventajas en comparación con el tradicional cable de cobre. Dos de las grandes ventajas que presenta son las altísimas velocidades de transmisión posibles y el enorme ancho de banda que brinda. En la vida real no se pueden aprovechar al límite estas posibilidades ya que la tasa a la que puede acceder un usuario final queda reducida a la velocidad electrónica, alcanzándose así velocidades de solo unos pocos gigabits por segundo. Se hace evidente entonces que la conversión óptica-electrónica y viceversa, es quien impide explotar la inmensidad del ancho de banda que provee una fibra; crece así la necesidad de utilizar una modulación y equipos altamente capaces de resolver este problema. Técnicas como la multiplexación por división de longitud de onda (WDM por sus siglas en Inglés) y equipos como conmutadores de paquetes ópticos son ejemplos del nuevo desarrollo que contribuyen a superar estas limitaciones. También se está enfatizando en la eliminación de algunos protocolos para agilizar los procesos de conexión y gestión. Es por eso que en este trabajo se analiza la tecnología de protocolo de Internet (IP por sus siglas en Inglés) sobre WDM, la cual consiste en enviar el protocolo IP directamente por fibra óptica, dispensando protocolos intermedios como el modo de transferencia asíncrona (ATM por sus siglas en Inglés), la jerarquía digital plesiócrona (PDH por sus siglas en Inglés) y SDH/SONET (jerarquía digital sincrónica/redes ópticas sincrónicas); todo sobre WDM para obtener un ancho de banda mucho mayor que por el método convencional de transmisión por fibra óptica. Todo se realiza teniendo en cuenta que esta tecnología no está arraigada exclusivamente a protocolos de transmisión, sino también al hardware adecuado ya que sin el mismo no sería posible su implementación. El primer sistema WDM en combinar dos señales portadoras hizo su aparición alrededor del año 1985. A principios del siglo XXI, la tecnología permite combinar hasta 320 señales con un ancho de banda efectivo de unos 10 Gbps. Ya las operadoras están probando los 40 Gbps, no obstante la capacidad teórica de una sola fibra óptica se estima en 1600 Gbps, de manera que es posible alcanzar mayores capacidades en el futuro a medida que avance la tecnología. 1.

(12) INTRODUCCIÓN. A nivel mundial y nacional se han realizado numerosos e importantes estudios acerca de la tecnología IP y de las valiosas técnicas WDM, así como la combinación de ambos, específicamente en el departamento de Telecomunicaciones de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas ya se han visto por separados estos recursos pero aún no hay investigaciones realizadas sobre la integración de los mismos. Este estudio se lleva a cabo recabando antecedentes existentes principalmente en Internet, entre ellos se destacan publicaciones realizadas por Yunlei Lui, Mazayuki Murata y del ámbito nacional de Jorge Bocalandro Rivero. En la actualidad la implementación de redes totalmente ópticas presentan varios inconvenientes tales como: la escasa madurez con dispositivos WDM recientes, o la existencia de distintos tipos de dispersión en las fibras ya instaladas que, de cierta manera, opacan el desarrollo de esta tecnología. Sin embargo, la inmensa demanda que constantemente sigue creciendo exige de comunicaciones más rápidas, eficientes y efectivas en los días de hoy. De los señalamientos anteriores se reconoce el siguiente problema científico: ¿Cómo el protocolo IP puede ser potenciado a través de la utilización de la tecnología WDM? Según el problema anteriormente planteado, se define como objetivo general: Fundamentar las ventajas de desarrollar el protocolo IP sobre la tecnología WDM. Para un mejor resultado a la hora de cumplir con este objetivo se trazaron los siguientes objetivos específicos: •. Realizar una revisión bibliográfica sobre las técnicas de multiplexación por división de longitud de onda que se aplican en las comunicaciones por fibra óptica.. •. Identificar las principales características de las redes ópticas con WDM.. •. Caracterizar las técnicas de transmisión de datos sobre la tecnología WDM.. •. Demostrar las ventajas de la utilización de IP sobre WDM.. Además de estos objetivos puede resultar ventajoso plantearse las siguientes interrogantes científicas: . ¿Cuál es la situación actual que presenta el desarrollo de soluciones para la integración de IP sobre canales WDM?. . ¿Cómo tomar en consideración las posibilidades que ofrecen las técnicas WDM para insertar sobre ellas diferentes servicios a través de protocolos IP? 2.

(13) INTRODUCCIÓN. Hoy en día la bibliografía existente sobre el tema es considerada abundante, pero no está lo suficientemente organizada, o sea, resulta un difícil encontrar documentos concretos que sean de la calidad necesaria, así como de la actualización requerida que describan las particularidades de esta tecnología. Los resultados de esta investigación poseen datos importantes de trascendencia para todos los estudiantes, especialistas, investigadores de nuestro departamento y del país en general.. Organización del informe. El informe de este trabajo ha sido organizado en: introducción, desarrollo (compuesto de tres capítulos), conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas, glosario de términos y anexos. A continuación se describe brevemente el contenido de los tres capítulos.. Capítulo 1:TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP Este capítulo aborda. los aspectos generales de la multiplexación por división de. longitud de onda, los tipos de WDM y las diferencias existentes entre ellos. Además se describen las principales características del protocolo IP.. Capítulo 2: REDES ÓPTICAS WDM En este capítulo se presentan las ventajas que ofrecen las redes ópticas WDM, aspectos fundamentales como las topologías de las mismas y los principales componentes por los cuales están formadas estas redes.. Capítulo 3: IP SOBRE WDM En el presente capítulo se explican las tecnologías que dan lugar a la implementación de IP sobre WDM. También se analiza la evolución de las redes ópticas de los días de hoy hacia la posible y ventajosa integración de IP con la capa óptica. y se hacen. comparaciones de IP/WDM con ciertas tecnologías de Internet.. 3.

(14) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. Este capítulo aborda. los aspectos generales de la multiplexación por división de. longitud de onda, los tipos de WDM y las diferencias existentes entre ellos. Además se describen las principales características del protocolo IP. 1.1 Aspectos teóricos de los sistemas WDM La multiplexación por división de longitud de onda es una tecnología que multiplexa varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser, de este modo se puede aprovechar en mayor medida el enorme ancho de banda que posee la fibra óptica. La distribución de las longitudes de onda en cada uno de los sistemas WDM posibles actualmente se encuentra estandarizada en las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones-Sector de Telecomunicaciones (ITU-T por sus siglas en Inglés). El rango de longitudes de onda utilizado en la fibra puede dividirse en varias bandas o canales, cada uno de estos canales a distinta longitud de onda puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos, así como diferentes protocolos de comunicación donde comúnmente se encuentran SONET/SDH, ATM, PDH e IP. WDM incrementa la capacidad de transmisión en el medio físico (fibra óptica) asignando a las señales ópticas de entrada, específicas frecuencias de luz (longitudes de onda) dentro de una banda de frecuencias inconfundible. Una manera de asemejar esta multiplexación es la transmisión de una estación de radio, en diferentes longitudes de onda sin interferir una con otra porque cada canal es transmitido a una frecuencia diferente, la que puede seleccionarse desde un sintonizador (tuner). Otra forma de verlo es que cada canal corresponde a un diferente color y varios canales forman un "arco iris", como se observa en la figura1.1.. Figura 1.1 Conversión de longitud de onda en canal WDM 4.

(15) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. En un sistema WDM cada longitud de onda es enviada a la fibra y las señales son demultiplexadas en el receptor. En este tipo de sistema cada señal de entrada es independiente de las otras, cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado llegando todas las señales a su destino al mismo tiempo. Así se puede multiplicar el ancho de banda efectivo de la fibra óptica y se facilitan las comunicaciones bidireccionales. Se trata de una técnica de transmisión muy atractiva para las operadoras de telecomunicaciones ya que les permite aumentar su capacidad sin tender más cables ni abrir zanjas. (DeCUSATIS, 2002) 1.2 Tipos de tecnología WDM La familia de WDM se divide en dos grupos que se distinguen cada uno por características propias haciéndolos diferentes, uno es CWDM y el otro DWDM. 1.2.1 CWDM Una rama o extensión de la anteriormente mencionada WDM es CWDM (coarse wavelength division multiplexing), que significa multiplexación por división de longitud de onda ligera (o espaciada). Es una técnica de transmisión de señales a través de fibra óptica que se utilizó a principios de los años 80 para transportar señal de video (CATV) en conductores de fibra multimodo, fue estandarizado por la ITU-T en la recomendación de la norma G.694.2 en el año 2002. Se basa en una rejilla o separación de longitudes de onda de 20 nm en el rango de 1270 a 1610 nm, pudiendo así transportar hasta 18 longitudes de onda en una única fibra óptica monomodo. De acuerdo con esto se tienen dos importantes características inherentes a los sistemas CWDM que permiten emplear componentes ópticos más sencillos y por lo tanto también más baratos, estas son: mayor espaciamiento de longitudes de onda y mayor espectro óptico. En cuanto a la primera CWDM. puede utilizar rayos láser. desestabilizados con un mayor ancho de banda espectral, es decir, que la longitud de onda central puede desplazarse debido a imperfecciones de fabricación o a cambios en la temperatura a la que está sometido el láser y aún estar en banda. Esto permite que la fabricación del láser que no tengan sofisticados circuitos de refrigeración para corregir posibles desviaciones de la longitud de onda debidas a cambios en la temperatura a la que está sometido el chip, lo que reduce sensiblemente el espacio ocupado por el chip, el consumo de potencia y consecuentemente el costo de fabricación. Por lo general en 5.

(16) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. CWDM se utilizan rayos láser de realimentación distribuida modulados directamente y soportando velocidades de canal de hasta 2.5 Gbps sobre distancias de hasta 80 km en el caso de utilizar fibra óptica G.652. Por otro lado CWDM utiliza filtros ópticos, multiplexores y demultiplexores basados en la tecnología de película delgada o TFF (thin film filter), donde el número de capas del filtro se incrementa cuando el espaciamiento entre canales es menor. Esto supone de nuevo una mayor capacidad de integración y una reducción de costos. Estos filtros CWDM de banda ancha, admiten variaciones en la longitud de onda nominal de la fuente de hasta unos ±6-7 nm y están disponibles generalmente como filtros de uno o dos canales.(ITU-T, 2003) Un mayor espectro óptico permite que el número de canales susceptibles de ser utilizados no se vea radicalmente disminuido a pesar de aumentar la separación entre ellos, es posible porque en CWDM no se utilizan amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio o EDFA (erbium doped filter amplifier) como ocurre en DWDM para distancias superiores a 80 km. Los EDFA son componentes utilizados antes de transmitir o recibir de la fibra óptica, para amplificar la potencia de todos los canales ópticos simultáneamente, sin ningún tipo de regeneración a nivel eléctrico. Los sistemas CWDM utilizan regeneración de ser necesario por las distancias cubiertas o número de nodos en cascada a atravesar, es decir, cada uno de los canales sufre una conversión óptico-eléctrico-óptico de forma totalmente independiente al resto para ser amplificado. El costo de la optoelectrónica en CWDM es tal, que es más simple y menos caro regenerar que amplificar. Por otro lado los regeneradores realizan por completo las funciones de amplificación, reconstrucción de la forma de la señal y temporización de la señal de salida, compensando toda la dispersión acumulada. Esto no ocurre en la amplificación óptica a no ser que se utilicen fibras con compensación de dispersión o DCF (dispersion compensation fiber), de alto costo y que además suelen requerir de una etapa de preamplificación previa dada la alta atenuación que introducen. Entre las ventajas que nos brinda aparecen con mayor relevancia un menor consumo energético, le da solución a los problemas de cuellos de botella. El hardware y su costo operativo son más baratos referentes a otras tecnologías de la misma familia permite un sencillo diseño de red, implementación, configuración, operación y mantenimiento. Su grado de flexibilidad y seguridad en la creación de redes ópticas metropolitanas es alto, además puede transportar cualquier servicio de corto alcance como SDH, CATV, ATM, entre otros.(Tucker, jun 2009) 6.

(17) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. 1.2.2 DWDM La otra cara de la moneda es DWDM (dense wavelength division multiplexing), o multiplexación por división de longitudes de ondas densas, la misma puede ser subdividida en DWDM metropolitano, DWDM de larga distancia y DWDM de ultra larga distancia. En general es una técnica de transmisión de señales a través de fibra óptica monomodo, la misma se desarrolla o trabaja usando la banda C (1550nm). Para transmitir mediante DWDM es necesario dos dispositivos complementarios: un multiplexor en lado transmisor y un demultiplexor en el lado receptor. A diferencia del CWDM, en DWDM se consigue mayor números de canales ópticos reduciendo la dispersión cromática de cada canal mediante el uso de un láser de mayor calidad, fibras de baja dispersión o mediante el uso de módulos de compensación de dispersión (DCM por sus siglas en Inglés). De esta manera es posible combinar más canales reduciendo el espacio entre ellos. Actualmente se pueden conseguir 40, 80 o 160 canales ópticos separados entre sí a 100 GHz, 50 GHz o 25 GHz respectivamente. La fabricación a gran escala de fibra óptica ha posibilitado una disminución de los costos y una mejora en las características de transmisión de la fibra. Aquí se usan también amplificadores ópticos de ganancia plana para un rango determinado de longitudes de onda que acoplados en línea con la fibra actúan como repetidores eliminando la necesidad de regeneradores. Filtros integrados de estado sólido de menor tamaño y con posibilidad de ser integrados en el mismo substrato junto con otros componentes ópticos. Nuevos fotodetectores, fuentes láser, multiplexores y demultiplexores ópticos basados en difracción óptica pasiva que permiten la integración para que se puedan producir diseños más compactos. También existen filtros de longitud de onda seleccionable, que pueden ser empleados como multiplexores ópticos. Los multiplexores ópticos de adición/sustracción (OADM por sus siglas en Inglés) han permitido que la tecnología DWDM pueda implantarse en redes de diversos tipos. Los crosconectores ópticos (OXC por sus siglas en Inglés) que pueden implementarse con diferentes tecnologías de fabricación y han hecho posible la conmutación puramente óptica. (Rivero, 2010) El campo de aplicación de DWDM se encuentra en redes de larga distancia de banda ultra ancha, así como en las necesarias redes metropolitanas o interurbanas de muy alta velocidad. A medida que crece la implantación de DWDM su costo va decreciendo progresivamente debido básicamente a la gran cantidad de componentes ópticos que se fabrican. Consecuentemente se espera que DWDM se convierta en una tecnología de 7.

(18) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. bajo costo que permita su implantación en muchos tipos de redes. La tecnología DWDM requiere dispositivos ópticos especializados basados en las propiedades de la luz y en las propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas de los semiconductores. Las fibras monomodo convencionales pueden transmitir en el rango de 1300 a 1550 nm absorbiendo las longitudes de onda de 1340 a 1440 nm. Los sistemas WDM emplean longitudes de ondas en los dos rangos posibles (de 1300 a 1340 nm o 1440 a 1550 nm). Existen fibras especiales que permiten la transmisión en todas las longitudes de ondas comprendidas entre 1530 y 1565nm sin absorción. Sin embargo no todos los componentes optoelectrónicos logran trabajar con la misma eficiencia en todo el rango de las longitudes de onda. Los sistemas DWDM emplean los últimos avances en la tecnología óptica para generar un gran número de longitudes de onda en el rango cercano a 1550 nm, según las recomendaciones de la ITU para definir el espaciamiento entre canales (ver Anexos # I). (ITU-T, 2002) Un canal no utiliza una única longitud de onda, cada canal tiene un determinado ancho de banda alrededor de la longitud de onda central. Cada banda se separa de la siguiente por una banda zona de guarda de unos pocos gigahercios, así se busca evitar posibles solapes o interferencias entre canales adyacentes. Estos problemas se deben a derivas en los emisores láser por la temperatura o el tiempo ya que los amplificadores ópticos no son de ganancia constante frente a todas las longitudes de onda y a los posibles efectos de dispersión, entre otros. El número de canales depende también del tipo de fibra óptica empleada. Un único filamento de fibra monomodo puede transmitir datos a una distancia aproximada de 80 km sin necesidad de amplificación, con 8 amplificadores ópticos en cascada la distancia a la que podría llegar información asciende a 640 km.. 1.2.3 Diferencias entre DWDM y CWDM Las diferencias no son sólo en la cantidad de longitudes de onda, otra de las principales diferencias está en el costo de la implementación de estas tecnologías. En comparación con DWDM los sistemas CWDM proporcionan ahorros del orden de un 35,0% a un 65,0%, esto se debe a la reducción de costos del láser sin necesidad de control de temperatura y al menor precio de los multiplexores y demultiplexores pasivos. Básicamente la mayor separación entre canales de los sistemas CWDM permite que las longitudes de onda del láser de realimentación distribuida puedan sufrir derivas con los cambios de temperatura, evitando de este modo la necesidad de emplear controladores 8.

(19) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. de temperatura. Esto trae consigo un ahorro de espacio y se simplifica el empaquetamiento del láser, reduciéndose además el consumo de potencia a un valor medio de 0.5 W para un láser CWDM en comparación con más de 2 W para un transmisor láser DWDM. Además, CWDM trabaja con pocos parámetros que necesiten la optimización por parte del usuario, mientras que los sistemas DWDM requieren de complejos cálculos de balance de potencias por canal, algo que se complica aún más cuando se añaden y extraen canales o cuando DWDM es utilizado en redes en anillo sobre todo cuando los sistemas incorporan amplificadores ópticos.(Telnet, 2012) Debido a la gran importancia que tiene para este trabajo se muestra una comparación en la Tabla 1 entre la CWDM y los diferentes tipos de DWDM para poder conocer sus características y explicar las ventajas y desventajas de cada una de estas tecnologías. Tabla I Comparación de tecnologías WDM(J, 2004). 1.3 Protocolo IP El protocolo de Internet es un protocolo de comunicación de datos digitales clasificado funcionalmente en la capa de red según el modelo internacional de interconexión de sistemas abiertos (OSI por sus siglas en Inglés). La capa de red se encarga principalmente de la entrega de datos, pero no entre dispositivos de la misma red física sino entre dispositivos que pueden estar en diferentes redes que se interconectan de manera arbitraria. Por lo tanto IP se encarga de la entrega de datagramas IP (paquetes) 9.

(20) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. de un host a otro basándose solamente en su dirección, aunque no garantiza su entrega; es un protocolo que no está orientado a la conexión. Para lograr esta tarea, se definen métodos de direccionamiento y estructuras para encapsular los datagramas. A continuación se explican sus principales características: •. Direccionamiento universal: para enviar datos de un punto A hacia un punto B, es necesario asegurar que los dispositivos identifiquen cuál dispositivo es el "punto B". IP define mecanismos de direccionamiento para la red y usa estas direcciones para entregar los paquetes.. •. Independiente de protocolos de capas inferiores: IP está diseñado para permitir la transmisión de datos a través de cualquier tipo de subcapa de la red. Un ejemplo es la habilidad de IP para fragmentar grandes bloques en datos más pequeños para ajustar su tamaño al de la red física y luego tener un destinatario que reensamble las piezas otra vez.. •. Entrega sin conexión: IP es un protocolo sin conexión. Esto significa que cuando un host quiere enviar datos a otro no se establece una conexión entre ellos para transmitir los datos, los paquetes se hacen y se envían hacia el otro host.. •. Entrega sin fidelidad: se dice que IP es un protocolo sin fidelidad. Esto significa que cuando los datagramas (paquetes) se envían de un host a otro, solo se envía cada paquete sin mantener un seguimiento de cada paquete enviado; no proporciona fidelidad o servicio de calidad (QoS por sus siglas en Inglés). Por esta razón se dice que IP hace "el mejor esfuerzo", es decir, puede guiar los paquetes al destino pero no hay garantías de que los datos realmente lleguen.. •. Entrega sin acuse: IP no usa recibos de acuse (reconocimientos) para confirmar la recepción de los paquetes.. El protocolo IP tiene ya varias versiones que han marcado su desarrollo y el de las redes en general. Las versiones de la 0 a la 3 están reservadas o no fueron usadas. La versión 5 fue usada para un protocolo experimental. Otros números han sido asignados, usualmente para protocolos experimentales pero no han sido muy extendidos. Hoy en día la más usada es la versión número 4 (IPv4), esta es la cuarta versión del protocolo Internet pero es la primera en utilizarse ampliamente. IPv4 es un protocolo sin conexión para redes de conmutación de paquetes en la capa de enlace (ej. Ethernet). Una nueva versión del protocolo IP recibe el nombre de IPv6, sería la versión número 6, aunque 10.

(21) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. también se conoce como IPNG (internet protocol next generation) o IP de próxima generación, los cambios que se introducen en esta nueva versión son muchos y de gran importancia. El IPv6 se ha diseñado para solucionar todos los problemas que surgen con IPv4, además ofrece soporte a las nuevas redes de alto rendimiento. Una de las características más llamativas es el nuevo sistema de direcciones, en el cual se pasa de los 32 a los 128 bit eliminando todas las restricciones del sistema actual. Otro de los aspectos mejorados es la seguridad que en IPv4 constituía uno de los mayores problemas.(Davie, 2003) En el proceso de integración de la transmisión óptica con la capa IP las mayores dificultades están presentes en las problemáticas que surgen en la planificación de sistemas WDM. En esta integración uno de los principales, o la principal tecnología que pretende aunar esto es la de multiprotocolo de switcheo de etiquetas (MPLS por sus siglas en Inglés), pero con una nueva propuesta de extensión del estándar: GMPLS, acrónimo del término MPLS generalizado. Su objetivo es integrar en un mismo plano de control la red IP y los conmutadores ópticos de forma que el operador vea el reencaminamiento óptico como una funcionalidad más de los routers IP. Los promotores de esta propuesta son los fabricantes de routers y su estandarización se inició a principios del año 2001 en el seno del Internet Engineering Task Force (IETF por sus siglas en Inglés). Uno de los requisitos principales para que el proceso de migración hacia la red única se desarrolle con éxito es que las tecnologías de conmutación de paquetes permitan ofrecer servicios de tiempo real.(Sayeed, 2007) Las degradaciones del servicio en términos de throughput, retardo y jitter afectan en el modelo del mejor esfuerzo a todos los servicios por igual y lo que puede no ser tolerable en las redes de nueva generación, en cuyo seno va a convivir tráfico perteneciente a servicios de naturaleza muy diferente y con requisitos muy distintos a aplicaciones no sensibles a retardos como el correo electrónico o la transferencia de archivos. Existe en la actualidad la idea relativamente extendida, de que el sobredimensionado de la red en términos de ancho de banda y de prestaciones de equipos evitará cualquier posible situación de congestión y así evitará los retardos intolerables para las aplicaciones más exigentes. La propuesta contribuye decisivamente en el crecimiento de la capacidad de las redes y la devaluación sostenida del precio de la capacidad de transmisión, es decir, cada vez se pueden transmitir más bit por segundo de forma más barata. No obstante, desde otros 11.

(22) CAPÍTULO 1. TÉCNICAS WDM Y PROTOCOLO IP. sectores de considerable influencia como operadores tradicionales y fabricantes de equipos, se afirma que hasta ahora el incremento de la demanda ha ido siempre en paralelo a los avances tecnológicos, por lo que se hacen necesarios nuevos mecanismos que permitan diferenciar el tratamiento de la red a los distintos servicios con requisitos de calidad heterogéneos. (Barría, 2006) 1.4 Conclusiones del Capítulo Multiplexar varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser, permite aprovechar en mayor medida el enorme ancho de banda que posee la fibra óptica. Esta multiplexación se divide en dos ramas, una con longitud de onda densa y otra con longitud de onda espaciada, las que son utilizadas según sus características y posibilidades. El protocolo IP es el más usado actualmente en la comunicación de datos digitales así que, integrando en la capa óptica se extienden las potencialidades del mismo; aunque aquí las mayores dificultades están presentes en las problemáticas que surgen en la planificación de sistemas WDM.. 12.

(23) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. En este capítulo se presentan las ventajas que ofrecen las redes ópticas WDM, aspectos fundamentales como las topologías de las mismas y los principales componentes por los cuales están formadas estas redes. 2.1 Ventajas de las Redes Ópticas WDM Las redes de fibra óptica son un modelo de red que permiten satisfacer las nuevas y crecientes necesidades de capacidad de transmisión y seguridad demandadas por las empresas operadoras de telecomunicaciones, todo ello además con la mayor economía posible mediante las nuevas tecnologías y elementos de red puramente ópticos. Cuando las empresas encargadas de abastecer las necesidades de comunicación por medio de fibra necesitaron mayor capacidad y ancho de banda para soportar el crecimiento del tráfico (resultante de la explosión de los servicios en línea de banda ancha producida en los últimos años), se dieron cuenta de la diversidad de protocolos de comunicación utilizados incompatibles unos con otros y además de la imposibilidad con las técnicas actuales de utilizar eficientemente todo el ancho de banda disponible en las fibras ópticas, no disponían de las tecnologías necesarias o de unas fibras que pudieran llevar mayor cantidad de datos. La única opción que les quedaba era instalar más fibras entre estos puntos pero para llevar a cabo esta solución había que invertir mucho tiempo y dinero, o bien, añadir un mayor número de señales multiplexadas por división en el tiempo (TDM) en la misma fibra, lo que también tiene un límite. Es en este punto cuando la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) proporcionó la obtención, a partir de una única fibra de muchas fibras virtuales, transmitiendo cada señal sobre una portadora óptica con una longitud de onda diferente, así se podían enviar muchas señales por la misma fibra como si cada una de estas señales viajara en su propia fibra.(HUAWEI, 2010) Las ventajas que todo esto trae consigo son verdaderamente asombrosas, destacándose entre ellas las que ofrece DWDM, algunas de estas son: •. Se logra aumentar la velocidad añadiendo nuevos canales sobre diferentes portadoras o aumentando la velocidad por portadora.. •. Se logra un aprovechamiento más eficiente del ancho de banda de la fibra. 13.

(24) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. •. Permite conmutar velocidades de transmisión más elevadas operando directamente sobre las portadoras (no necesita conversión optoelectrónica).. •. Componentes ópticos más fiables que los sistemas electrónicos equivalentes.. •. Permite incorporar diferentes tipos de tráficos sobre la misma red evitando los problemas de compatibilidad de protocolos.. •. La protección contra los fallos del equipo terminal de línea (LTE por sus siglas en Inglés) se logra con canales de reserva en un esquema de redundancia n+1.. A todas ellas se une la capacidad de WDM de restablecer una comunicación en milisegundos tras una falla en el nivel óptico del sistema sin que se afecten los niveles superiores gracias a la conmutación óptica.(DeCUSATIS, 2002) 2.2 Topologías de Redes Ópticas WDM Las arquitecturas de redes están basadas en muchos factores, incluyendo tipos de aplicaciones y protocolos, distancia, utilización, estructura de acceso y topologías de redes anteriores. En el mercado metropolitano por ejemplo, topologías punto a punto pueden ser usadas para conectar puntos de empresas, topología de anillo para conectar instalaciones inter oficinas y para acceso residencial, y topologías de malla pueden ser usadas para conexiones inter punto-a-punto y en backbones. En efecto la capa óptica puede ser capaz de soportar muchas topologías y debido al desarrollo impredecible en esta área estas topologías pueden ser flexibles. Hoy en día las principales topologías en uso son la punto-a-punto y anillo. 2.2.1 Topología punto-a-punto La topología punto-a-punto puede ser implementada con o sin OADMs. Estas redes están caracterizadas por velocidades de canales ultra rápidos (10 a 40 Gbps), alta integridad y confiabilidad de la señal con una rápida restauración de trayectoria. En redes long-haul (larga distancia) la distancia entre transmisor y receptor puede ser de varios cientos de kilómetros y el número de amplificadores requeridos entre ambos puntos es típicamente menor que 10. En redes MANs (metropolitan area networks) los amplificadores no son necesarios frecuentemente. La protección en topologías punto-apunto puede ser proveída en una pareja de caminos. En los equipos de primera generación la redundancia es un nivel del sistema. Las líneas paralelas conectan sistemas redundantes a ambos extremos, en los equipos de segunda generación la 14.

(25) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. redundancia es al nivel de tarjeta. Las líneas paralelas conectan un solo sistema en ambos extremos que contienen transpondedores, multiplexores y CPUs redundantes. Un esquema de este tipo de topología se puede observar en la figura 2.1.(Systems, 2011). Figura 2.1 Topología punto-a-punto. 2.2.2 Topología de anillo El anillo es la topología más común encontrada en áreas metropolitanas y en tramos de unas pocas decenas de kilómetros. La fibra en anillo puede contener sólo cuatro canales de longitudes de onda y típicamente menos nodos que canales. La razón de bit está en el rango de los 622 Mbps a los 10 Gbps por canal. Con el uso de OADMs, quienes bajan y suben longitudes de onda en forma transparente (las otras no se ven afectadas), las arquitecturas de anillo permiten a los nodos tener acceso a los elementos de red tales como routers, switches y servidores. Con el incremento en el número de OADMs, la señal está sujeta a pérdidas y se pueden requerir amplificadores. Para la protección en esta topología se utiliza el esquema 1+1. Se tienen dos líneas de conexión, la información se envía por una de ellas; si este anillo falla se switchea la trayectoria al otro anillo. En la figura 2.2 se puede observar un esquema que describe esta topología.(Systems, 2011). Figura 2.2 Topología anillo. 15.

(26) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. 2.2.3 Topología de malla La topología de malla es el futuro de las redes ópticas. Como las redes evolucionan, las topologías de anillo y punto-a-punto tendrían un lugar pero la malla sería la topología más robusta. Este desarrollo sería habilitado por la introducción de los OXCs (optical cross-connects) y switches configurables, que en algunos casos reemplazarían y en otros suplementarían a los dispositivos WDM fijos. Desde el punto de vista del diseño hay una airosa trayectoria evolutiva de topologías punto-a-punto y malla. Los enlaces punto-a-punto dotados de nodos OADM para flexibilidad se podrían interconectar, así la red puede evolucionar en una malla sin un rediseño completo. Adicionalmente las topologías de anillo y malla pueden ser conectadas a enlaces punto-a-punto. Las redes tipo malla por lo tanto, requerirían de un alto grado de inteligencia para realizar las funciones de protección y administración de ancho de banda, incluyendo el switcheo de fibra y de longitud de onda. Los beneficios en flexibilidad y eficiencia realmente son potencialmente grandes. El uso de fibra, el cual puede ser bajo en soluciones anillo puesto que requieren de protección de fibra en cada anillo, puede ser mejorado en un diseño de malla. La protección y restauración pueden estar basadas en caminos compartidos, por esta razón se requiere de pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y no desperdiciar longitudes de onda sin usar. En un futuro no lejano la capacidad de los sistemas crecería tal como adelantos tecnológicos, que permiten estrechos espaciamientos y en consecuencia gran número de longitudes de onda; pero WDM está también en movimiento más allá del transporte para convertirse en la base de redes totalmente ópticas con aprovisionamiento de longitudes de onda y protección basada en mallas. El switcheo al nivel de fotones habilitaría esta evolución tal como los protocolos de ruteo, que permiten a trayectorias de luz cruzarse en muchos de los mismos caminos como lo hacen los circuitos virtuales de hoy en día. Esta y otras ventajas están convergiendo de manera tal que la infraestructura totalmente óptica puede ser imaginada. La figura 2.3 muestra un ejemplo de tal infraestructura usando topologías de malla, anillo y punto-a-punto en la capa óptica para soportar las posibles necesidades de empresas, así como también el acceso metropolitano y redes de núcleo metropolitano. (Systems, 2011). 16.

(27) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. Figura 2.3 Próxima generación de redes ópticas metropolitanas. 2.3 Principales Componentes WDM es una tecnología que ha ganado un gran desarrollo en las redes ópticas de todo el mundo por lo que es de vital importancia conocer los componentes que definen estas redes. Entre los componentes de una red WDM se pueden encontrar: •. Emisores de luz láser.. •. Multiplexores y demultiplexores ópticos.. •. En el enlace, fibra óptica con bajas pérdidas.. •. Amplificadores ópticos.. •. Fotodetectores (PIN y APD).. •. Multiplexores ópticos de adición/sustracción.. •. Crosconectores ópticos.. A continuación se realiza una caracterización de los componentes distintivos de una red WDM, los que marcan la diferencia entre esta y una red de fibra óptica convencional son: los multiplexores y demultiplexores ópticos; los amplificadores ópticos;. los. multiplexores ópticos de adición/sustracción y los crosconectores ópticos. 2.3.1 Multiplexores y Demultiplexores Los multiplexores son equipos de vital importancia en las redes WDM ya que son los encargados de juntar las diferentes longitudes de onda ópticas provenientes de las diferentes fuentes de luz y convertirlas en un rayo de luz que luego es inyectado en la fibra óptica mientras que los demultiplexores son los encargados de separar este rayo de luz en diferentes longitudes de ondas. La demultiplexación se debe hacer antes de la. 17.

(28) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. detección de la luz porque los fotodetectores inherentemente son dispositivos de banda ancha y no pueden selectivamente detectar una sola longitud de onda. Los multiplexores y los demultiplexores pueden ser de diseño pasivo o activo. El diseño pasivo se basa en prismas, rejillas de difracción o filtros, mientras que el diseño activo combina dispositivos pasivos y filtros sintonizables. Los principales retos en estos dispositivos es minimizar la diafonía y maximizar la separación de canal. La diafonía es una medida de cuanto están separados los canales, mientras que la separación de canales se refiere a la posibilidad de distinguir cada longitud de onda.(CISCO, 2001) Los multiplexores y demultiplexores deben tener: •. Bajas pérdidas por inserción.. •. Baja diafonía.. •. Facilidad de fabricación.. •. Fácil adaptación de conectores, para tener una transmisión directa.. •. Alta confiabilidad.. 2.3.2 Amplificadores Ópticos La amplificación es el proceso de restaurar la señal óptica a su poder óptico original y sin distorsión después de que la señal ha sido atenuada al pasar a través de un hilo de fibra. Este proceso es particularmente importante en entornos WDM donde es necesario amplificar cada cierta distancia para mantener la potencia necesaria de la señal y lograr una buena razón de error de bit. La aparición de amplificadores como el EDFA y el RPA (Raman pump amplifier) fueron tecnologías claves para hacer posible el transporte de gran cantidad de información a través de WDM, así como la transmisión a largas distancias. La figura 2.4 muestra un esquema general de un EDFA.(LAUDE, 2002). Figura 2.4 Amplificador EDFA. 18.

(29) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. En los EDFA la amplificación se obtiene por emisión estimulada de luz cuando la señal óptica llega al medio amplificador. Esta emisión se produce gracias a una aportación de energía exterior estática denominada “bombeo óptico”. Entre las características más importantes de los EDFA se tiene que su perfil de ruido es bajo, no compensan la dispersión, amplifican simultáneamente todas las longitudes de onda de la banda C de forma directa, es decir sin conversión electro-óptica u opto-electrónica. Amplificadores de doble banda pueden amplificar simultáneamente las señales en banda C+L. La separación entre amplificadores para enlaces submarinos se limita alrededor de 50 km con una ganancia de 10 dB mientras que para los enlaces terrestres puede oscilar alrededor de 100 km con una ganancia de 20 dB; son transparentes a la velocidad y al formato de transmisión, bajo consumo energético, permiten disminuir los costos en las redes al eliminarse los regeneradores convencionales y, también. realizan una. supervisión de la temperatura y corriente del láser de bombeo así como la potencia de entrada y de salida. Los amplificadores RPA utilizan como principio de operación, la amplificación directa en la fibra ya que la atenuación inherente a las señales transmitidas por una fibra puede combatirse en la misma fibra. Una señal de bombeo de un láser de onda continua (a 1450 nm) se envía por la fibra desde el extremo contrario a la dirección de propagación de las señales con información. Usando los efectos no lineales distribuidos del tipo Raman (bombeo de energía de las señales con  inferiores hacia las superiores, con amplificación de las  mayores) se genera una ganancia óptica en la banda que va desde 1535 nm a 1565 nm, convirtiendo a la propia fibra en un amplificador. Un láser de bombeo a 1450 nm con una potencia de 1W genera una ganancia de 25 dB por el efecto Raman.(Yunlei Lui, 2013) 2.3.3 Multiplexores Ópticos de Adición/Sustracción Los multiplexores ópticos de adición/sustracción son una parte clave en las redes ópticas WDM ya que permiten una mayor dinámica y desarrollo de estas. Los OADM se ubican en puntos intermedios, permitiendo topologías de redes punto a multipunto, anillos y mallas. Estos dispositivos son capaces de extraer la información contenida en cualquiera de las longitudes de onda multiplexadas en un solo rayo de luz en la fibra en cualquier punto intermedio de la misma. Además de la extracción también permiten introducir canales en cualquier punto de la fibra.. 19.

(30) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. De modo general su función es tomar una señal WDM del puerto de entrada extrayendo de forma selectiva algunas longitudes de onda hacia los puertos de salida. Pueden inyectar al mismo tiempo selectivamente longitudes de onda desde sus puertos locales hacia el puerto de salida. En la figura 2.5 se muestra la utilización de OADM en redes WDM.(Barría, 2006). Figura 2.5 Utilización de OADM en redes WDM. 2.3.4 Crosconectores Ópticos Un OXC (crosconector óptico) consiste en un conmutador matricial de fibras ópticas de dimensión M x N, donde M es el número de fibras de entrada que conmutan a N fibras de salida, todo ello en base a un proceso completamente óptico, es decir, sin ningún tipo de conversión electro-óptica u opto-electrónica; también existen los modelos híbridos que hacen una conversión electro-óptica. Conceptualmente un crosconector se puede definir como un dispositivo que hace que una señal en un determinado punto A se dirija a un punto B o a un punto C. La función del OXC consiste básicamente en conmutar longitudes de onda a gran velocidad de una fibra a otra en base a las necesidades de tráfico. Una de las aplicaciones es la restauración del tráfico y enlace en caso de cortes en la fibra o fallos en el nodo. El OXC tiene la capacidad de: •. Conmutación de fibra: capacidad para enrutar todas las longitudes de onda que provienen de una fibra hacia otra fibra de salida diferente.. •. Conmutación de longitud de onda: capacidad de controlar la entrada y la salida de longitudes de onda específicas de una fibra de entrada hacia otra de salida.. 20.

(31) CAPÍTULO 2. REDES ÓPTICAS WDM. •. Conversión de longitud de onda: capacidad para recibir unas longitudes de onda y convertirlas en otras con distinta frecuencia óptica antes de mandarlas hacia el puerto de salida.. La aparición de los crosconectores posibilitó el avance de las redes ópticas jugando un importante papel en el establecimiento de los circuitos ópticos y de diferentes arquitecturas en estas redes. En la figura 2.6 se observan las funciones que realiza un conmutador óptico.(Rivero, 2010). Figura 2.6 Conmutador óptico. 2.4 Conclusiones del Capítulo Las ventaja inmediata que ofrece WDM es el aprovechamiento del gran ancho de banda que provee la fibra óptica, además hay mayor conectividad, se disminuye el costo de la infraestructura y todas estas se une su capacidad de restablecer una comunicación en milisegundos tras una falla en el nivel óptico del sistema sin que se afecten los niveles superiores, gracias a la conmutación óptica. En cuanto a la topología, se destaca por sus características, la de malla, es el futuro de las redes ópticas. Como las redes evolucionan, las topologías de anillo y punto-a-punto tendrían un lugar, pero la malla sería la topología más robusta. Este desarrollo sería habilitado por la introducción de los OXCs y switches configurables que en algunos casos reemplazarían y en otros suplementarían a los dispositivos WDM fijos.. 21.

(32) CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. En el presente capítulo se explican las tecnologías que dan lugar a la implementación de IP sobre WDM. También se analiza la evolución de las redes ópticas de los días de hoy hacia la posible y ventajosa integración de IP con la capa óptica. y se hacen. comparaciones de IP/WDM con algunas tecnologías de Internet. 3.1 Transmisión de Datos sobre WDM Las redes de datos actuales se componen normalmente de cuatro capas: IP para el transporte de aplicaciones y servicios, ATM para la ingeniería de tráfico, SONET/SDH para el transporte y WDM para proporcionar la capacidad, como se muestra en la figura 3.1.. Figura 3.1 Capas de las redes de datos actuales. 3.1.1 ATM (Asynchronous Transfer Mode) ATM es un protocolo de transporte de alta velocidad cuyas implementaciones actuales son en la red local en compañías que requieren grandes anchos de banda. Es capaz de ofrecer servicios de 155Mbps hasta 622 Mbps en la red amplia como backbone de conmutación de las redes que lo requieren y que además tiene facilidad de conexión a redes de alta velocidad. Las características de ATM permiten el transporte de video, voz y datos. Con esta tecnología, a fin de aprovechar al máximo la capacidad de los sistemas de transmisión, sean estos de cable o radioeléctricos, la información no se transmite y se conmuta a través de canales asignados en permanencia, sino en forma de cortos. 22.

(33) CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. paquetes (celdas ATM) de longitud constante y que se pueden enrutar individualmente mediante el uso de los denominados canales virtuales y trayectos virtuales. Algunas ventajas de la red ATM: •. Calidad de servicio: por un lado permite al operador de red establecer distintos controles de tráfico, ya sean controles de admisión o mecanismos capaces de manejar prioridades, que permiten garantizar a los flujos una determinada calidad de servicio en términos de pérdidas de información, retardo y variación del retardo (jitter). Esta es una de las capacidades imprescindibles para la integración de varios servicios dentro de una red puesto que permite garantizar una calidad definida que se ajuste a los requisitos de cada uno de ellos.. •. Redes privadas virtuales: ATM también facilita la configuración de subredes lógicas dentro de una misma red física de una manera mucho más sencilla y económica que la solución tradicional basada en el empleo de líneas alquiladas.. •. Gestión: Su orientación a conexión le permite disponer de grandes capacidades en lo que respecta a la ingeniería de tráfico que permiten a los operadores gestionar de manera flexible el tráfico de sus redes.. Sin embargo, la especificación de ATM es en gran medida anterior al crecimiento de tráfico IP, por lo que presenta una serie de inconvenientes o desventajas importantes a la hora de acomodar tráfico de esta naturaleza: •. Existe un deterioro de ancho de banda procedente del hecho de que los paquetes IP deban ser fraccionados para acomodarlos al formato de las células ATM que además incluyen una nueva cabecera, la cual se traduce en una mayor proporción de información inútil para el usuario final. Este efecto se denomina cell-tax y da lugar a un uso poco eficiente del ancho de banda.. •. También existe un defecto a nivel de proceso. En la solución de IP sobre ATM se dispone de una serie de routers IP que se acoplan entre sí por medio de enlaces ATM. En esta situación, en cada router se debe esperar a que lleguen todas las células correspondientes a un mismo paquete para reconstruirlo y que, a partir de él se puedan tomar las correspondientes decisiones de encaminamiento. Esto constituye una nueva tara y además introduce una serie de retardos que hay que controlar sobre todo para cierto tipo de aplicaciones, como las basadas en el intercambio de información en tiempo real.. 23.

(34) CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. •. Aunque ATM permita llevar a cabo una gestión de la red eficiente esto se hace a costa de introducir un nivel de complejidad muy elevado. Si el tráfico que soporta es IP podrían producirse redundancias por el hecho de que alguna funcionalidad apareciera duplicada en la capa IP, como controles de flujo o de congestión. (Oppenheimer, 2011). 3.1.2 IP/ATM La base del modelo IP/ATM está en la funcionalidad proporcionada por el nivel ATM, es decir, los controles de software (señalización y routing) y el envío de las celdas por hardware (conmutación). En realidad los PVCs (circuitos virtuales permanentes) se establecen a base de intercambiar etiquetas en cada conmutador de la red, de modo que la asociación de etiquetas entre todos los elementos ATM determina los correspondientes PVCs. Las etiquetas tienen solamente significado local en los conmutadores y son la base de la rapidez en la conmutación de celdas. La potencia de esta solución de topologías superpuestas está en la infraestructura ATM del backbone; el papel de los routers IP queda relegado a la periferia. En el modelo IP/ATM existe una separación de funciones entre lo que es routing IP (control y envío de paquetes) y lo que es conmutación (control, señalización y envío de celdas). Aunque se trata de una misma infraestructura física, en realidad existen dos redes separadas con diferentes tecnologías, diferente funcionamiento y lo que quizás es más sorprendente, concebidas para dos finalidades totalmente distintas. La solución de superponer IP sobre ATM permite aprovechar la infraestructura ATM existente. Las ventajas inmediatas son el ancho de banda disponible a precios competitivos y la rapidez de transporte de datos que proporcionan los conmutadores. En los casos de NSP (network service provider) de primer nivel, ellos poseen y operan el backbone ATM al servicio de sus redes IP. Los caminos físicos de los PVCs se calculan a partir de la necesidades del tráfico IP utilizando la clase de servicio ATM UBR (unspecified bit rate), ya que en este caso el ATM se utiliza solamente como infraestructura de transporte de alta velocidad, no hay necesidad de apoyarse en los mecanismos inherentes del ATM para control de la congestión y clases de servicio. La ingeniería de tráfico se hace a base de proporcionar a los routers los PVCs necesarios con una topología lógica entre routers totalmente mallada. El "punto de encuentro" entre la red IP y la ATM está en el acoplamiento de los subinterfaces en los routers con los 24.

(35) CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. PVCs, a través de los cuales se intercambian los routers la información de encaminamiento correspondiente al protocolo interno IGP (Interior Gateway Protocol). Lo habitual es que entre cada par de routers haya un PVC principal y otro de respaldo, que entra automáticamente en funcionamiento cuando falla el principal. El modelo IP/ATM tiene también sus inconvenientes: hay que gestionar dos redes diferentes, una infraestructura ATM y una red lógica IP superpuesta, lo que supone a los proveedores de servicio un mayor costo de gestión global de sus redes. Existe además lo que se llama la "tasa impuesta por la celda", un overhead aproximado del 20,0% que causa el transporte de datagramas IP sobre las celdas ATM y que reduce en ese mismo porcentaje el ancho de banda disponible. Por otro lado la solución IP/ATM presenta los típicos problemas de crecimiento exponencial n x (n-1) al aumentar el número de nodos IP sobre una topología completamente mallada. Por ejemplo, en una red con 5 routers externos con una topología virtual totalmente mallada sobre una red ATM; son necesarios 5 x 4 =20 PVCs (uno en cada sentido de transmisión). Si se añade un sexto router se necesitan 10 PVCs más para mantener la misma estructura (6 x 5=30). (FARREL, 2004) 3.1.3 SDH (Synchronous Digital Hierarchy) La jerarquía digital sincrónica se puede considerar como la evolución de los sistemas de transmisión, como consecuencia de la utilización de la fibra óptica y de la necesidad de sistemas más flexibles y que soporten anchos de banda elevados. Uno de los objetivos de esta jerarquía estaba en el proceso de adaptación del sistema PDH, ya que el nuevo sistema jerárquico se implantaría paulatinamente y debía convivir con la jerarquía plesiócrona instalada. La trama básica de SDH es el STM-1, con una velocidad de 155 Mbps. Cada trama va encapsulada en un tipo especial de estructura denominado contenedor. Una vez que se haya encapsulado se añaden cabeceras de control que identifican el contenido de la estructura y el conjunto, después de un proceso de multiplexación, se integra dentro de la estructura STM-1. Los niveles superiores se forman a partir de multiplexar a nivel de byte varias estructuras STM-1, dando lugar a los niveles STM-4, STM-16 y STM-64. Las tramas contienen información de cada uno de los componentes de la red, trayecto, línea y sección, además de la información de usuario. Los datos son encapsulados en contenedores específicos para cada tipo de señal tributaria. A estos contenedores se les añade una información adicional denominada tara de trayecto (path 25.

(36) CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. overhead) que son bytes utilizados con fines de mantenimiento de la red, dando lugar a la formación de los denominados contenedores virtuales (VC). El resultado de la multiplexación es una trama formada por 9 filas de 270 octetos cada fila (270 columnas de 9 octetos). La transmisión se realiza bit a bit en el sentido de izquierda a derecha y de arriba abajo. La trama se transmite a razón de 8000 veces por segundo (cada trama se transmite en 125 μs). De las 270 columnas que forman la trama STM-1 las 9 primeras forman la denominada tara (overhead), independiente de la tara de trayecto de los contenedores virtuales antes mencionados, mientras que las 261 restantes constituyen la carga útil (payload). En la tara están contenidos bytes para alineamiento de trama, control de errores, canales de operación y mantenimiento de la red y los punteros, que indican el comienzo del primer octeto de cada contenedor virtual. (Beasley, 2009) La SDH presenta una serie de ventajas: •. El proceso de multiplexación es mucho más directo. La utilización de punteros permite una localización sencilla y rápida de las señales tributarias de la información.. •. El procesamiento de la señal se lleva a cabo a nivel de STM-1. Las señales de velocidades superiores son sincrónicas entre sí y están en fase por ser generadas localmente por cada nodo de la red.. •. Las tramas tributarias de las señales de línea pueden ser subdivididas para acomodar cargas plesiócronas, tráfico ATM o unidades de menor orden. Esto supone mezclar tráfico de distinto tipo dando lugar a redes flexibles.. •. Compatibilidad eléctrica y óptica entre los equipos de los distintos suministradores gracias a los estándares internacionales sobre interfaces eléctricos y ópticos.. Algunas causas determinan su difícil adaptación al futuro escenario de las redes y son las culpables de que se plantee la eliminación de la capa SONET/SDH. Estas características son las siguientes: •. Necesidad de sincronismo entre los nodos de la red SDH, se requiere que todos los servicios trabajen bajo una misma referencia de temporización.. •. El principio de compatibilidad ha estado por encima de la optimización de ancho de banda. El número de bytes destinados a la cabecera de sección es muy grande lo que lleva a perder eficiencia. 26.

(37) CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. •. Se trata de una solución muy robusta. Permite restaurar las conexiones punto a punto en el caso de que se produzca algún problema en una fibra o equipo intermedio encontrando caminos alternativos para la transmisión. Esta característica tiene mayor o menor importancia según las funcionalidades que incorporen las capas superiores. (DeCUSATIS, 2002). 3.1.4 IP / SDH Se puede decir que IP/SDH puede proporcionar un servicio aceptable teniendo en cuenta que la velocidad de los modernos routers IP usando MPLS, se aproxima a la de los conmutadores ATM. Aunque una red IP tiene normalmente un “jitter” mayor que una red ATM, este efecto es despreciable si la red tiene interfaces de alta velocidad y ancho de banda suficiente. En relación a los paquetes enviados sobre SDH, con la ampliación de capacidades de IP vía MPLS es posible enviar los datagramas IP directamente a SDH eliminando el overhead de ATM. SDH forma un enlace punto a punto entre los enrutadores IP por lo que utiliza el protocolo PPP el cual proporciona las siguientes funciones: •. Encapsula y transfiere paquetes desde múltiples capas de red sobre un mismo enlace físico.. •. Establece, configura y monitorea la conexión del nivel de enlace.. •. Determina y configura los protocolos de nivel de red.. •. No hay encabezado ATM.. El inconveniente es que SDH solo puede operar en el modo de punto a punto por lo que: •. No hay circuitos virtuales.. •. No hay ingeniería de tráfico.. Aunque la tecnología IP sobre SDH es viable, su aplicación es reducida al envío de datos en alta capacidad, ATM por el otro lado es una plataforma multiservicios pero tiene el inconveniente de tener demasiado overhead. Se abre la puerta para otra tecnología, la cual pretende eliminar las dos capas ATM y SDH para que el protocolo IP sea enviado directamente sobre la capa óptica, se está hablando de IP sobre WDM.(Systems, 2011). 27.

(38) CAPÍTULO 3. IP SOBRE WDM. 3.2 Evolución de la Red Óptica Dado que IP se convertirá en la base de todos los servicios de telecomunicaciones y WDM en la tecnología de transporte más utilizada, existe un interés creciente en la integración de IP sobre las redes fotónicas. Esta integración pasa por: conseguir un plano de control común que permita una administración de la red más sencilla y una provisión más rápida y sencilla del ancho de banda ofrecido por WDM para el tráfico IP, y encontrar un mecanismo eficiente para el transporte de los paquetes IP sobre WDM. Este epígrafe se centrará en los mecanismos de transporte de IP sobre WDM, para lo cual es necesario añadir un protocolo de nivel de enlace, ya que IP está asociado al nivel de red y WDM al nivel físico. Este nivel tendrá la misión de entramar el paquete, incluir la funcionalidad necesaria para establecer enlaces entre dos nodos, realizar una codificación de línea eficiente que impida las pérdidas de sincronismo y detectar errores de bit. En los análisis será especialmente importante además de la conveniencia para el transporte sobre la capa óptica, ver la eficiencia en ancho de banda. Dicha eficiencia del enlace de transmisión se verá afectada por cómo se hace la correspondencia de los paquetes IP en la capa WDM y por la longitud de dichos paquetes. La mayoría de los paquetes IP atravesando actualmente Internet son menores a 500 bytes, por lo que en los análisis realizados se considerará un tamaño de paquete de 350 bytes. Así la evolución tiende a la introducción de redes de transporte óptico que conllevaría la simplificación de la actual arquitectura de red IP/ ATM/ SDH/SONET /WDM hacia una arquitectura IP/WDM como se muestra en la figura 3.2.(Telnet, 2012). Figura 3.2 Evolución hacia IP/WDM 28.

Figure

Figura 1.1 Conversión de longitud de onda en canal WDM
Tabla I Comparación de tecnologías WDM(J, 2004)
Figura 2.1 Topología punto-a-punto
Figura 2.4 Amplificador EDFA
+7

Referencias

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