Cabo de Fibra Óptica. IFPR Instituto Federal do Paraná. REDES DE COMPUTADORES TI - Técnico em Informática

Transcrição

1 IFPR Instituto Federal do Paraná REDES DE COMPUTADORES TI - Cabo de Fibra Óptica Prof. Luis Claudio luis.lima.ifpr.2012@gmail.com 14 de Maio de 2012 Redes de Computadores 2 Cabo de Fibra Ótica - Surgimento Cabo de Fibra Ótica Porque ainda usamos mais o cabo de cobre do que o FO? A comunicação com fibra ótica tem suas raízes nas invenções do século XIX. Um dispositivo denominado Fotofen convertia sinais de voz em sinais óticos utilizando a luz do sol e lentes montadas em um transdutor que vibrava ao entrar em contato com o som. A fibra ótica foi inventada por Narinder Singh Kanpany, físico indiano, e tornou-se mais prática durante a década de 60 com o surgimento das fontes de luz de estado sólido (raio laser e os LEDs) e das fibras de vidro de alta qualidade livres de impurezas. Sendo as primeiras pesquisas na área de redes óticas efetuadas na década de 70. As companhias telefônicas foram as primeiras a se beneficiarem do uso de técnicas de fibra ótica em conexões de longa distância. A resposta está nos dispositivos de interface e no custo das conexões. Por ser uma interface ótica, um conector de fibra ótica deve criar um ângulo reto entre o conector e o meio da fibra, estabelecendo com ela uma conexão perfeita, o que dificulta a instalação. Isso exige mão de obra qualificada, portanto, com um alto custo. Além disso, existem as ferramentas utilizadas nesse processo que ainda tem um custo bastante elevado, assim como os transceptores de fibra ótica, localizados em cada extremidade do cabo. Redes de Computadores 3 Redes de Computadores 4 Cabo de Fibra Ótica Composição (1/3) Cabo de Fibra Ótica Composição (2/3) A Fibra Ótica é formada por um núcleo de vidro muito fino, feito de sílica com alto grau de pureza, e é envolvido por uma camada (também de sílica) com índice de refração (mudança de velocidade da luz ao passar de um meio transparente para outro ) mais baixo, chamada de cladding, o que faz com que a luz transmitida pelo núcleo de fibra seja refletida pelas paredes internas do cabo. O núcleo e o cladding são os dois componentes responsáveis pelo transporte dos dados. Eles formam um conjunto muito fino (com cerca de 125 mícrons* pouco mais de um décimo de milímetro) e frágil, que é recoberto por uma camada mais espessa de um material protetor, que tem a finalidade de fortalecer o cabo e atenuar impactos chamado de coating. * Um mícron (µ) = 1 milésimo de milímetro. Redes de Computadores 5 Redes de Computadores 6

2 Cabo de Fibra Ótica Composição (3/3) Cabo de Fibra Ótica O cabo resultante é então protegido por uma malha de fibras protetoras, composta de fibras de kevlar (que têm a função de evitar que o cabo seja danificado ou partido quando puxado) e por uma nova cobertura plástica, chamada de jacket, ou jaqueta, que sela o cabo. Cabos destinados a redes locais tipicamente contêm um único fio de fibra, mas cabos destinados a links de longa distância e ao uso na área de telecomunicações contêm vários fios, que compartilham as fibras de kevlar e a cobertura externa. Diâmetros mais comuns da fibra central. Redes de Computadores 7 Redes de Computadores 8 Cabo de Fibra Ótica Transmissão (1/2) Cabo de Fibra Ótica Transmissão (2/2) Como os circuitos eletrônicos utilizam eletricidade e não luz, a transmissão de dados usando sinais luminosos passa a ser um grande desafio. Para solucionar o problema, é utilizado um transmissor óptico, que converte o sinal elétrico no sinal luminoso enviado através da fibra a um receptor, que faz o processo inverso. O transmissor utiliza uma fonte de luz, combinada com uma lente, que concentra o sinal luminoso. Do outro lado, é usado um receptor ótico, que amplifica o sinal recebido e o transforma novamente nos sinais elétricos que são processados. Para reduzir a atenuação, não é utilizada luz visível, mas sim luz infravermelha, com comprimentos de onda de 850 a 1550 nanômetros*, de acordo com o padrão de rede usado. Antigamente, eram utilizados LEDs nos transmissores, já que eles são uma tecnologia mais barata, mas com a introdução dos padrões Gigabit e 10 Gigabit eles foram quase que inteiramente substituídos por lasers, que oferecem um chaveamento** mais rápido, suportando, assim, a velocidade de transmissão exigida pelos novos padrões de rede. A transmissão da luz pela fibra óptica segue o princípio da reflexão***. Redes de Computadores 9 * Um nanômetro (nm) = um milionésimo de milímetro. * * Conexão entre a fonte e ó destino. * * * Reflexão é quando a luz, se propagando em um determinado meio, atinge uma superfície e retorna para o meio que estava se propagando. Redes de Computadores 10 Cabo de Fibra Ótica Padrões de cabos FO Cabo de Fibra Ótica Padrões de cabos FO 10BaseF ou 10BaseFL Existem padrões de fibra óptica para uso em redes Ethernet desde as redes de 10 megabits. Antigamente, o uso de fibra óptica em redes Ethernet era bastante raro, mas com o lançamento dos padrões de 10 gigabits a utilização vem crescendo, com os links de fibra sendo usados sobretudo para criar backbones e links de longa distância. Os padrões para cabos de fibra ótica são: 10BaseF ou 10BaseFL 100BaseFX 1000BaseLX Redes de Computadores 11 Estes padrões referem-se ao padrão Ethernet para fibra óticas para tráfego de dados a 10 Mbps. Utilizam a topologia física do tipo estrela, com um repetidor de múltiplas portas (HUB) ou um switch como concentrador. Este padrão utiliza fibras óticas multimodo. Redes que implementam esse padrão podem transmitir dados a distâncias de até 2 km por segmento. Redes de Computadores 12

3 Cabo de Fibra Ótica Padrões de cabos FO 100BaseFX Cabo de Fibra Ótica Padrões de cabos FO 1000BaseLX (LX Longo) O padrão Ethernet 100BaseFX trabalham com uma taxa de transferência de até 100 Mbps e permitem conexões de até 2 km do concentrador (HUB ou switch) utilizando fibras multimodo. Esse padrão pode atingir em torno de 20 km quando utiliza fibras monomodo. É o padrão de redes Gigabit Ethernet que usa fibras óticas no modo multimodo ou monomodo. O limite de comprimento de cada segmento de fibra ótica é de 550 metros quando utiliza fibras multimodo. Quando utiliza fibras monomodo, este limite passa para 5 km de comprimento para cada segmento. Redes de Computadores 13 Redes de Computadores 14 Cabo de Fibra Ótica Tipos de FO. Cabo de Fibra Ótica São classificadas em dois tipos: fibra multimodo e fibra monomodo. A escolha de qual usar vai depender da sua finalidade. Se considerarmos a utilização de amplificadores, as fibras multimodo podem transmitir dados em até 100 Mbps, a uma distância próxima de 10 Km, são bastante utilizadas em redes locais. As fibras monomodo podem transmitir dados em até 1 Gbps, a uma distância próxima de 100 Km, ou seja, mais indicado para redes de longo alcance. Imagem de um cabo de fibra ótica Multimodo sendo comparado com uma agulha. Redes de Computadores 15 Redes de Computadores 16 Cabo de Fibra Ótica Tipos de FO Fibra Multímodo (MMF MultiMode Fiber) Cabo de Fibra Ótica Tipos de FO Fibra Multímodo (MMF MultiMode Fiber) A fibra multimodo é composta de um núcleo com diâmetro que varia entre 50 e 85 mícrons*. É utilizada nas redes locais com menos de 2 km de comprimento. Os dados a serem transportados são emitidos por meio de um diodo eletroluminescente (LED Light Emitting Diode) de um comprimento de 850 nanômetros** a 1300 nanômetros**. Fibras do tipo multimodo são mais grossas quando comparadas às fibras monomodo. Esta diferença de espessura implica que a luz seja refletida na parede da fibra e assim chegue ao destino de forma duplicada. O receptor terá o trabalho de detectar a informação correta e eliminar os sinais duplicados, acarretando perda de desempenho. Devido a essa característica, as redes que utilizam fibra multimodo não podem ser longas, pois o problema se agrava quanto maior for a extensão do cabo. * Um mícron (µ) = 1 milésimo de milímetro. ** Um nanômetro (nm) = um milionésimo de milímetro. Redes de Computadores 17 Fibra ótica multimodo Redes de Computadores 18

4 Cabo de Fibra Ótica Tipos de FO Fibra Monomodo (SMF SingleMode Fiber) Cabo de Fibra Ótica Preparação e Polimento (1/2) Neste tipo de cabo o núcleo é extremamente fino, com diâmetro de 9 mícrons*. Redes com Fibra Monomodo são mais utilizadas em conexões de longo alcance (600 km a 2000 km). A Fibra Monomodo, por ser mais fina, evita que a luz ricocheteie em suas paredes, assim esse tipo de fibra consegue ter um comprimento e um desempenho maior que as fibras de modo múltiplo. Apesar disso, é mais cara e possui maior dificuldade no momento da instalação, pois é trabalhoso alinhar o feixe de luz da placa de rede com o feixe de luz da fibra. Ao contrário dos cabos de cobre, que podem ser manuseados com ferramentas simples, os de fibra ótica exigem muito mais cuidado no manuseio. Após ser retirada a jaqueta, o kevlar e o coating, resta um fio muito fino composto somente do núcleo e o cladding, que é então limpo com álcool isopropílico e o conector é colado com uma cola de epoxy ou outro adesivo, de acordo com o conector usado. * Um mícron (µ) = 1 milésimo de milímetro. Fibra ótica monomodo Redes de Computadores 19 Redes de Computadores 20 Cabo de Fibra Ótica Preparação e Polimento (2/2) Cabo de Fibra Ótica Conectores e splicing (1/7) Após a montagem do cabo, é necessário o polimento da ponta usando um suporte especial e uma sucessão de microlixas, progressivamente mais finas. Recomenda-se que ao final do processo, a ponta do cabo seja examinada em um microscópio em busca de imperfeições. Sem esses cuidados, a ponta pode ficar irregular e obstrui a passagem do sinal luminoso, inutilizando o cabo. Existem vários tipos de conectores de FO, os quatro mais comuns são LC, SC, ST e MT-RJ. O LC (Lucent Connector) foi desenvolvido pela empresa Lucent. É um conector miniaturizado que vem crescendo bastante em popularidade, sobretudo para uso em fibras monomodo. Ele é o mais comumente usado em transceivers 10 Gigabit Ethernet. O processo de polimento da fibra e o núcleo examinado no microscópio. Redes de Computadores 21 Conector LC Redes de Computadores 22 Cabo de Fibra Ótica Conectores e splicing (2/7) Cabo de Fibra Ótica Conectores e splicing (3/7) O ST (Straight Tip) é um conector mais antigo, muito popular para uso com fibras multimodo. Muito utilizado na década de 90, mas vem perdendo espaço para o LC e outros conectores mais recentes. Ele é um conector estilo baioneta, que lembra os conectores BNC usados em cabos coaxiais. Os ST são um pouco maiores que os conectores LC. O tubo branco cilíndrico que aparece na ponta do conector é chamado ferrolho (ferrule), que é o componente central de todos os conectores, responsável por conduzir o fino núcleo de fibra e fixá-lo dentro do conector. É constituído por uma peça de cerâmica, aço ou polímero plástico, produzido com uma grande precisão, já que com um núcleo de poucos mícrons de espessura, não existe muita margem para erro. Conector ST e cabo de fibra com conectores ST e LC Ferrolhodeum conectorst Redes de Computadores 23 Redes de Computadores 24

5 Cabo de Fibra Ótica Conectores e splicing (4/7) Cabo de Fibra Ótica Conectores e splicing (5/7) O SC (Simplex Conector), que foi um dos conectores mais populares nos anos 90, é um conector simples e eficiente, que usa um sistema simples de encaixe. É bastante popular em redes Gigabit, tanto com cabos multimodo quanto monomodo, mas vem perdendo espaço para o LC. Uma das desvantagens do SC é seu tamanho avantajado; cada conector tem aproximadamente o tamanho de dois conectores RJ-45 colocados em fila indiana, quase duas vezes maior que o LC. O MT-RJ (Mechanical Transfer Registered Jack) um padrão novo, que utiliza um ferrolho quadrado, com dois orifícios (em vez de apenas um) para combinar as duas fibras em um único conector, pouco maior que um conector telefônico. Ele vem crescendo em popularidade, substituindo os conectores SC e ST em cabos de fibra multimodo, mas ele não é muito adequado para fibra monomodo. ConectorMT-RJecabodefibracom conectoresmt-rjelc ConectorSCe cabodefibracom conectoresscelc Redes de Computadores 25 Redes de Computadores 26 Cabo de Fibra Ótica Conectores e splicing (6/7) Cabo de Fibra Ótica Conectores e splicing (7/7) Além do uso de conectores, é possível também unir dois fios de fibra (splicing) ou reparar um fio partido usando dois métodos. O primeiro é o processo de fusão (fusion splicing), onde é usado um arco elétrico para soldar as duas fibras, criando uma junção permanente. Os aparelhos de fusão atuais fazem a junção de forma semi-automatizada, o problema é que eles são muito caros (custam, em média, a partir de US$ ). Aparelho de fusão para cabo de fibra ótica O segundo é um processo mecânico (mechanical splicing), onde é usada uma emenda de aplicação manual. Os dois fios são juntados usando um suporte e colados usando uma resina especial, desenvolvida para não obstruir a passagem da luz. Como a junção é bem mais frágil que o fio original, o trecho é reforçado externamente para evitar uma nova ruptura. Tipo de emenda manual para cabos de Fibra ótica Redes de Computadores 27 Redes de Computadores 28 Cabo de Fibra Ótica Transceivers (1/4) Cabo de Fibra Ótica Transceivers (2/4) O transceiver transforma os sinais ópticos recebidos através do cabo em sinais elétricos que são enviados ao switch e vice-versa. Eles são usados apenas nos padrões de rede que utilizam cabos de fibra óptica, já que nos padrões baseados em fios de cobre a conversão não é necessária. Apesar do pequeno tamanho, os transceivers são quase sempre os componentes mais caros ao criar um link de fibra. É comum que os switches Gigabit e 10 Gigabit high-end incorporem duas, quatro ou oito baias para transceivers, combinados com um certo número de portas para cabos de par trançado. O switch então passa a atuar também como um bridge, unificando os segmentos com par trançado e com fibra, de forma que passem a formar uma única rede. Redes de Computadores 29 Redes de Computadores 30

6 Cabo de Fibra Ótica Transceivers (3/4) Cabo de Fibra Ótica Transceivers (4/4) Devido ao custo elevado dos transmissores e receptores para cabos de fibra óptica, principalmente para fibra monomodo, os transceivers (transceptores) são separados em componentes avulsos, que são instalados no switch ou no roteador de acordo com a necessidade. Exemplo: Switch Netgear GSM7328S, que inclui 24 portas Gigabit Ethernet, 4 baias para transceptores SFP Gigabit (os 4 conectores menores ao lado dos RJ-45) e conectores para 4 baias destinadas a transceivers 10 Gigabit (dois na parte frontal e dois na traseira). Transceiver 10GBASE-LR Isso possibilita a aquisição de apenas transceivers referentes ao número de conexões que for utilizar e misturar transceivers de diferentes padrões (10GBASE-LR e 10GBASE-SR, por exemplo) no mesmo switch ou roteador, conforme a necessidade. Esta flexibilidade é importante, pois um único transceiver pode custar mais caro do que o próprio switch. Redes de Computadores 31 A idéia é que os links 10 Gigabits de fibra sejam utilizados para interligar dois ou mais switches a longas distâncias e as portas para cabo de par trançado sejam usadas pelos PCs individuais. Redes de Computadores 32 Cabo Fibra Ótica Ex. Conversor e placa de rede Cabo Fibra Ótica Vantagens e desvantagens Conversor de FO para Par trançado Vantagens perdas de transmissão baixa e banda passante grande: mais dados podem ser enviados sobre distâncias mais longas, desse modo se diminui o número de fios e se reduz o número de repetidores necessários nesta extensão, reduzindo o custo do sistema e complexidade. pequeno tamanho e peso: vem resolver o problema de espaço e descongestionamento de dutos no subsolo das grandes cidades e em grandes edifícios comerciais. É o meio de transmissão ideal em aviões, navios, satélites, etc. imunidade a interferências: não sofrem interferências eletromagnéticas, pois são compostas de material dielétrico, e asseguram imunidade a pulsos eletromagnéticos. Redes de Computadores 33 Redes de Computadores 34 Cabo Fibra Ótica Vantagens e desvantagens Cabo Fibra Ótica Vantagens e desvantagens Vantagens isolação elétrica: não há necessidade de se preocupar com aterramento e problemas de interface de equipamento, uma vez que é constituída de vidro ou plástico, que são isolantes elétricos. segurança do sinal: possui um alto grau de segurança, pois não irradiam significativamente a luz propagada. matéria-prima abundante: é constituída por sílica, material abundante e não muito caro. Sua despesa aumenta no processo requerido para fazer vidros ultra-puros desse material. Desvantagens fragilidade das fibras óticas sem encapsulamento: deve-se tomar cuidado ao se lidar com as fibras, pois elas quebram com facilidade. dificuldade de conexões das fibras óticas: por ser de pequeníssima dimensão, exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização de conexões e junções. falta de padronização dos componentes óticos: o contínuo avanço tecnológico e a relativa imaturidade não tem facilitado o estabelecimento de padrões. alto custo de instalação e manutenção. Redes de Computadores 35 Redes de Computadores 36

7 Referências Bibliográficas Básica: MENDES, D. R. Redes de Computadores: Teoria e Prática. São Paulo: Novatec Editora, LAUREANO, M. A. P.; OLSEN, D. R. Redes de Computadores. Curitiba: Editora do Livro Técnico, SOUSA, L. B.. Redes de Computadores: guia total. São Paulo: Érica, Complementar: COMER, D. E. Redes de Computadores e Internet. Tradução de Álvaro Strube de Lima. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, MORIMOTO, C. E. Redes, guia prático. Porto Alegre: Sul Editores, Redes de Computadores 37