Evolution of Optical Networks

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1 SBrT 2012 Brasilia DF Brasil Evolution of Optical Networks from single wavelengths to Tb/s and Photonic Switching Passado, Presente e Futuro Save the humans. Felipe Rudge Barbosa Feec-Unicamp BRASIL mês/2003 Optical Communications Introdução Geral Introdução Geral conceitos básicos e definições; evolução histórica; gerações de tecnologias; aspectos econômicos Bases Tecnológicas componentes ativos e passivos; amplificadores e roteadores óticos; Redes Óticas de Transporte e Acesso redes WDM (tronco e metro) -- Gb/s; Tb/s redes óticas acesso -- Mb/s; Gb/s redes fotônicas [redes avançadas] Comutação Fotônica Novas tecnologias (Si-Photon, redes sensores) 2 Comunicações Ópticas Espectro Eletromagnético tico Dominio da Ótica Raios-X UV Luz visível IV Luz IV próximo médio longo 0,1 1nm µm µm 1 10 Å 1mm UV ultra-violeta (ultra-violet UV) IV infra-vermelho (infra-redir) 1 S = ExB c B Ē Ondas longitudinais que não necessitam meios materiais para propagação. 3

2 Histórico (marcos( tecnologicos) Invenção Laser Laser Semicondutor (77 K) Laser Semicondutor Tamb (300 K) Fibra Óptica (20 db/km) Laser, Fibras Óticas, Sistemas (no Brasil) Laser 1300/1550 e Fibra Monomodo (0,25 db/km) Amplificador Ótico Sistemas WDM Longa Distancia (Internet-WWW) Sistemas WDM Metropolitanos Redes Óticas futuro - Redes Fotônicas Com.Ópticas - Introdução Geral Importante salientar que as várias tecnologias podem evoluir superpondo-se, ou podem ser substituídasao longo do tempo... 4 Optical Communications Introdução Geral Evoluçã ção Sistemas Ópticos Capacidade Redução de Custos de Transmissão e Aumento Capacidade Alcance e Flexibilizaçã ção das Redes de Telecomunicaçã ção Curtos comprimentos de onda Fibra multimodo Longos comprimentos de onda Fibra monomodo Anos 70 Redes Ópticas Faixa-Larga Transparentes aos Redes Serviços Fotônicas Optoeletrônica de alta velocidade Amplificação óptica Anos 80 Redes WDM Redes Ópticas de Acesso Processamento óptico de sinais Anos 90 Anos 2000 Tempo 5 Redes Ópticas -- Conceitos Camadas panorama dinâmico ; motor tecnológico Possibilidades Possibilidades Novas tecnologias Cliente/Usuário Serviços Transporte e Acesso Rede Óptica Planta FísicaF G&C Demandas Demandas O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar os múltiplos usuários;.. (com redes de equipamentos e sistemas inteligentes temos tambem a Internet das Coisas (IoT)!! 6

3 Introdução Geral Protocolos de Rede Cenário Atual (voltaremos a isso..) Serviços Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video Transporte IP Ethernet ATM Rede óptica HFC MPLS PDH SDH WDM Optical Network 7 Optical Communications Histórico Evoluçã ção o Sistemas Ópticos -- detalhamento metal telefonia Anos 80 Anos 90 muitas fibras Regeneradores c/ conv. O-E-O 1R = potencia 2R = + atraso 3R = + forma metal telefonia Rede Acesso Multiserviço muitas fibras cada fibra muitos lambdas (amplificados) sem conv. E-O Rede Acesso Multiserviço 8 Introdução Geral -- conceitos básicos Enlace (link) Óptico ida Cliente Sistema Sistema Cliente Transmissor $ Receptor Fibra $ Nó A Laser Amp. ótico FotoDetetor volta Nó B Laser Semicondutor Led Amplificador Ótico Sistemas WDM Redes óticas) Comutação Fotonica) Fotodetor PIN Fotodetetor APD Fibra Monomodo Fibra Multimodo Free-space... 9

4 Optical Communications Redes Redes Ópticas WDM presente e futuro Central N Rede Acesso N Rede Acesso A Central A (comutação e roteamento) Rede Tronco (Anéis SDH) Fibras Ópticas (everywhere) Central B (comutação e roteamento) Rede Acesso B Rede Acesso C 10 Redes Ópticas Natureza & Extensão Acesso <30km Metro km L.dist. > 50 km Intercont. >1000km 11 Redes Ópticas de Acesso Arquitetura Atual (e futuro próximo) Rede Publ.Serviços Provedor Roteador Host Dig. Central Comutação e Roteam. (OLT) Central MultServ BandLarg HFC NóOp Fibra FTTC/ FTTCb ER FTTH/ FTTB FTTA Fibra (ONU) coax UR Metal UR (ONU) UR DO (ERB) (ONU) (ONU) par trç. 12

5 Transmission media evolution!! Optical Fibers Chaos to Order De poucos kb/s para centenas Gb/s 13 Transmission media -- evolution Banda Passante transmissão cabeada Absorption and Attenuation Bandwidth (db/km) Twisted pair Coax MM Fiber SM Fiber MHz GHz Transmission Frequency (Hz) diferentes meios de transmissão podem coexistir na mesma rede, mas cuidado com a rede!! 14 Transmissão Atenuaçã ção o em Fibras Ópticas Visível Infra-vermelho 1a. 850 Atenuação (db/km) Rayleigh 80 nm 13 THz Espaçamento dos canais ópticos GHz OH - AFDE nm 140 nm 18 THz 2a. 3a Comprimento de Onda (nm) IR 1550 nm=> 100 Ghz 0,8nm 1310 nm=> 100 Ghz 0,6nm 15

6 Transmission media -- evolution Sistemas WDM em Fibras Ópticas Wavelength Division Multiplexing multiplexação por divisão de comprimentos de onda (lambda); cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena; cada lambda suporta dezenas de Gb/s... até mais de 100 Gb/s... portanto, 100λx100G=10Tb, UMA fibra suporta > 10TeraB/s de informação! λ1 λ2 λ3 λκ λn uma fibra cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (36, 72, 144) entretanto, cada fibra requer UM amplificador optico. 16 Panorama Nacional (parcial) Rede Óptica de Transporte da Embratel* Ano Man RiB PVe Cui Na verdade tudo isso, e até mais, está implantado e operando! *o proprietário da rede (linhas fisicas) é o Governo brasileiro, Embratel é concessionaria 17 Panorama Mundial 18

7 Sistemas Ópticos Protocolos de Transporte Protocolos de Transporte em Redes (décadas de desenvolvimento) Telecom PDH hierarquia digital plesiócrona (meados ) SONET -- rede ótica síncrona (meados ) SDH -- hierarquia digital síncrona (meados )... e continuam... Redes Dados (computadores/internet) Ethernet (meados ) TCP/ IP (v2,v4,v6..)... e continuam Sistemas Ópticos Evoluçã ção o Capacidade Multichannel Terabit Capacity (WDM) OPTICAL FIBER SYSTEMS Gigabit Capacity Communication Satellites Singlechannel (EDM) killer technology multiplex 12 linhas telefone em par cobre primeiras linhas telefone sistemas avançados coaxiais e satelite primeiros sistemas coaxiais => Optical Communication systems have come to represent a revolutionin telecomm, not just an evolution. (Physics Today, Dec.2001) 20 Aspectos Econômico-Financeiros => mas quanto custa isso?? The Money...Grana 21

8 Aspectos Tecno-Economicos e Sociais Sociedade Ciência Conhecimento Quem paga a conta?? Tecnologia Produtos Mercado $$ Paga quem compra 22 O que aconteceu nos bastidores... $$ The Money $$ Investimentos em Telecom & TI (não Receita) Nasdaq Dow-Jones WWW Internet popular Sept. 11 Quebra Nasdaq 23 $$ The Money $$ O que aconteceu... recentemente, mas não acabou! Jun Nyse, Nasdaq => Eixo vertical US$ x1mi Bovespa => Eixo vertical pontuação diária 24

9 The Money (cont.) O que temos... HOJE!! (recuperação lenta...) Nasdaq Níveis de investimento em alta-tecnologia atingiram só em 2011 os níveis Pré-2008!! US$ x1mi NYSE 25 The Money... Brasil -e a industria brasileira... na conta-mão! 27% X 26 Sistemas & Redes de Comunicação Óptica conclusão o da Introduçã ção o Geral... Hoje os Sistemas Óticos são a referencia em Redes de Comunicações; além disso (ou por isso) são : A única opção para altíssima capacidade (Terabits) nas Redes Longa Distancia e Metropolitanas tronco (backbone);.. mais alta capacidade nas Redes de Acesso, (debate nos custos..) Altíssima confiabilidade e permanência; Banda passante maior que qualquer outro meio; o menor (custo/bit) / assinante; Permitiram o desenvolvimento mundial da Internet, e viabilizaram telecomunicações (junto com TI ) como uma das duas maiores atividades econômicas do planeta. lembrando sempre que, Combinação/composição com outras tecnologias é em geral necessária para múltiplas aplicações e para chegar ao usuário! 27

10 Redes Óticas Advanced Optical Communications Tecnologias de Transporte Digital Passado, Presente e Futuro Felipe Rudge Barbosa Save the humans. LTF-FEEC Unicamp BRASIL mês/2003 Redes Óticas Arquitetura Nós da Rede Ótica Rede Tronco WDM (denso) /SDH (high Rede Acesso WDM fixo /SDH low Topologia anel (reconfiguravel p/ malha) 2 Redes Ópticas -- Conceitos Camadas & Chamadas compatibilidade vertical (ou transversa) Modelo OTN/ ITU-T Application Transport Network Link Physical Telecom Novas tecnologias Cliente/Usuário Serviços Transporte Rede Óptica Planta FísicaF G&C Modelo OSI/ ISO Application Presentation Session Transport Network Link Physical Redes Comput O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar clientes e usuários, pros quais a rede deve funcionar de modo transparente e ininterrupto. 3

11 Introdução Geral Protocolos de Rede Cenário Atual -- Cliente/Usuário Serviços Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video Transporte IP Ethernet ATM Rede óptica HFC MPLS PDH SDH WDM Optical Network 4 Transporte em Redes Ópticas Enlace (link) Óptico transparência Sistema Transmissor Cliente Cliente Laser ida Fibra Amplif. ótico Sistema Receptor FotoDetetor volta Cliente Cliente Sobre um enlace físico, é preciso haver protocolos de transporte, que são estabelecidos no sistema de transmissão. A transparência do enlace diminui nas bordas e aumenta no backbone óptico. 5 Sistemas Ópticos - Transporte Evolução Capacidade três mundos...que se integram mais!! PDH Taxa Canais de Voz (*) Sigla (Mb/s) E-0 0,064 1 E-1 2, E-2 8, E-3 34, E-4 139, (*) equivalencia exata. Ethernet Sigla Taxa (Mb/s) 10 base T 10 Fast Eth 100 GbE 1 Gb/s 10 GE 10 Gb/s 100 GE 100 Gb/s PDH, SDH = ITU-T; Ethernet = IEEE; SONET = Telcordia SDH SONET Taxa Canais Voz Sigla Sigla (Mb/s) (64k) STM 0 OC-1 (STS-1) 51, (810#) STM-1 OC-3 (STS-3) 155, OC-9 ( ) 466,56 STM-4 OC , STM-16 OC ,32 (2,5 Gb/s) STM-64 OC ,28 (10 Gb/s) STM-256 OC ,12 (40 Gb/s) (**) equivalencia ilustrativa apenas. (#) comunicação digital pura STM-1 pode ser constituído como: * 1 E-4 = 1920 can. voz * 4 E-3 = 1920 can. voz * 63 E-1 = 1890 can. voz (**) (**) (**) 6

12 Transporte em Redes Ópticas Frame SDH ITU-T Recom. G.707 (rev. March 1996) 270 N columns (bytes) 9 N 261 N => except STM-0 = 90!! STM-container Synchronous Transport Module 1 Section overhead SOH Administrative unit pointer(s) STM-N payload 9 rows (bits) Section overhead SOH 9 125µs T Tamanho ( área ) de um container:: STM-16 => (270x16)=4320 by ; 4320x9= bytes ; Header=1296; Payload=37584 by The STM frame is continuous and is transmitted in a serial fashion, byte-by-byte, row-by-row, taking a total time of 125µs. (which is the same basic transmission procedure of Sonet) 7 Transporte em Redes Ópticas Frame Sonet -- syncronous optical network GR-253-CORE from Telcordia (ex-bellcore) 90 x N bytes 3 x N bytes 87 x N bytes STS-container Synchronous Transport Signal TOH Transport Overhead SPE Synchronous Payload Envelope 125 µs 9 rows (bits) For STS-N, the frame is transmitted as 3xN octets (bytes) of overhead, followed by 87xN octets (bytes) of payload. This is repeated nine times over until 810xN octets have been transmitted, taking 125 microseconds. OC- optical carrier 8 Transporte em Redes Ópticas Ethernet Frame pacote com tamanho e duração variáveis! FRAME SPD Preâmbulo Endereço de Destino Endereço de Origem Tamanho do campo de dados Dados Soma de Verificação 1 Byte 8 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes Bytes 4 Bytes Header = 23 By (fixo) Reservado SLD Reservado LLID CRC Byes 2 Byes 2 Byes 1 Byte Byte FRAME Preâmbulo EPON Tamanho mínimo 73 By (mesmo vazio = 27+46) 9

13 IEEE (CSMA-CD) MAC - Ethernet Lasers e fibras estão aqui 10 GigabitEthernetcouplestheIEEE (CSMA/CD) MAC to a familyof 10 Gb/s PhysicalLayers. The relationshipsamong 10 Gigabit Ethernet, the IEEE (CSMA/CD) MAC, andthe ISO Open System Interconnection (OSI) reference model are shown in Figure 44-1, above. 10 Protocolos de Transporte Internet Protocol Suite (modelo TCP/IP) Application Layer BGP DHCP DNS FTP GTP HTTP IMAP IRC MGCP NNTP NTP POP RIP RPC RTP RTSP SDP SIP SMTP SNMP SOAP SSH STUN Telnet TLS/SSL XMPP Transport Layer TCP UDP DCCP SCTP RSVP ECN (more) Internet Layer IP IPv4 IPv6) ICMP ICMPv6 IGMP IPsec Link Layer ARP RARP NDP OSPF Tunnels (L2TP) Media Access Control (Ethernet, MPLS,, DSL, ISDN, FDDI) -- Device Drivers Fonte (direta): Wikipedia OSI Application Presentation Session Transport Network Link Physical 11 Sistemas & Redes de Comunicação Óptica Tanenbaum -Computer Networks avançando agora pra OTN -- e detalhes da estrutura SDH 12

14 Transporte SDH e Transporte Óptico WDM (OTN, ASON) ITU-T G.707, G.8080, G (in force) Quadros, Pacotes e Containers Pacotes dezenas até centenas de bytes Quadros centenas até (poucos) milhares Containers vários milhares de bytes Redes Óticas Sistemas Convencionais Redes IP pacotes IP sobre Rede Ethernet quadros Eth sobre Redes SDH/Sonet container/frame STM/STS Redes Avançadas Qualquer Coisa sobre WDM - OTN Transporte SDH Hierarquia digitalsincrona, desenvolvida na década de 1980; Embora SDH seja desde inicio para Redes Óticas, o enorme legado das telecom(outros formatos e outras hierarquias) tem que ser sempre considerado; Historicamente, 22 anos( )...ao que se vê, continuarápor mais um bom tempo! (10, 20 anos)... Definições: STM-N synchronous transport module; éo quadro (frame) que vai efetivamente ser transportado na fibra otica; hierarquia N; AUG administrative unit group; hierarquia N ; TUG tributary unit group; hierarquia N ; VC virtual container ; unidade básica do quadro SDH;

15 Transporte Ótico SDH 2007 in force Transporte SDH Hierarquias SDH/Sonet SDH SONET Taxa Canais Voz Sigla Sigla (Mb/s) (64k) STM 0 OC-1 (STS-1) 51, (810#) STM-1 OC-3 (STS-3) 155, OC-9 ( ) 466,56 STM-4 OC , STM-16 OC ,32 (2,5 Gb/s) STM-64 OC ,28 (10 Gb/s) STM-256 OC ,12 (40 Gb/s) (**) equivalencia ilustrativa apenas. (#) comunicação digital pura (**) (**) (**)

16 MuxSDH Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007) Virtual Containers Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007) Frame SDH (bits) Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007)

17 Transporte Ótico G.709--Interfaces para Rede de Transporte Ótico (OTN); Hierarquia digital para redes WDM, (optical transport hierarchy, OTH), desenvolvida no final década de 1990; supports the operation and management aspects of optical networks of various architectures, e.g., point-to-point, ring and mesh architectures; Administra amultiplexaçãode redes WDM em unidades de transporte ótico; transporte SDH (e outros..) estácontido dentro de cada UM canal ótico; continuará por mais algumas décadas...mas evoluindo, e adaptando!! por vezes a evolução requer uns passos atrás!!... Fonte: ITU-T Rec. G.709/Y.1331 (Mar2003) Transporte Ótico OTN in force empacotamento Transporte Ótico Definições: OTM (n.m) optical transport module; éum quadro (frame) que vai administrando o trasnportewdm na fibraotica; the indices n and m define the number of supported wavelengths and bit rates at the interface; OTU (k)-- optical channel transport unit ; the OTUkis the information structure used for transport of an ODUkover one or more optical channel connections. It consists of the optical channel data unit and OTUkrelated overhead (FEC and overhead for management of an optical channel connection). It is characterized by its frame structure, bit rate, and bandwidth. OTUk capacities for k = 1, k = 2, k = 3 are defined ; ODU (k) -- optical channel data unit; the ODUkis an information structure consisting of the information payload (OPUk) and ODUk related overhead; OPU(k) -- optical channel payload unit (OPUk); the OPUkis the information structure used to adapt client informationfortransportoveran optical channel. Itcomprises client information together with any overhead needed to perform rate adaptation between the client signal rate and the OPUk payloadrate; k -- the index "k" is used to represent a supported bit rate and the different versions of OPUk, ODUkand OTUk. k = 1 represents an approximate bit rate of 2.5 Gbit/s, k = 2 represents an approximate bit rate of 10 Gbit/s, and k = 3 represents an approximate bit rate of 40 Gbit/s TUG tributary unit group; hierarquia N ;

18 Frame OTM (bytes) (bits) Client Payload Montagem: OTM OTU ODU OPU client stuff The order of transmission of information in all the diagrams in this Recommendation is first from left to right and then from top to bottom. Columns are bytes and rows are bits. The most significant bit (bit 1) is transmitted first. OTM construction Transporte Ótico o passo atrás passou a frente e de novo foi passado! ASON 2006 ITU-T T Recommendation G.8080/Y.1304

19 Transporte Ótico ASON 2006 Control Plane Management Plane OpticalTransport Plane ITU-T T Recommendation G.8080/Y.1304 (ASON ( ASON) Optical Systems Evolution Fonte: Ram Singh, David Harame, Modest Oprysko, Silicon Germanium Technology, Modeling, and Design, IBM Technology, IEEE Press/ John Wiley, New Jersey, USA, Fim desta parte => Redes Avançadas..OPS,OBS,OCS

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