Sistemas Internet Introdução às redes óticas Redes de Longa Distância e Alta Velocidade. Prof. Dr. Ruy de Oliveira IFMT

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1 Sistemas Internet Introdução às redes óticas Redes de Longa Distância e Alta Velocidade Prof. Dr. Ruy de Oliveira IFMT

2 Aplicações residenciais cada vez mais exigentes Necessidade de VELOCIDADE A velociade do consumidor vem crescendo de 6-10x a cada 6 anos Demandas acima 1Gbps são previstas já em 2015 Vantagem competitiva Novos serviços/tecnologias Ganho operacioanal via substituição de cabos de cobre Consolidação de centro de controle Source: Cisco Bandwidth Growth Downloading HD & 3D video content UGC Sharing Multi-location 3D HD video conferencing Larger screens require higher resolution 2

3 Tráfego global dos usuários da Internet Redes de alta velocidade tornaram-se imprescindíveis! 3

4 Tecnologias de alta velocidade SONET é equivalente ao SDH 4

5 Redes óticas O mercado demanda fibras óticas Redes de acesso: PON (Passive Optical Networks) Redes Metro: SONET/SDH (Synchronous Optical Networks/Synchronous Digital Hierachy) Redes de transporte: DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) DWDM pode ser usada também em redes de acesso e metro, mas devido ao alto custo isso raramente acontece 5

6 Redes óticas (Cont.) Tráfego de dados na Internet continua crescendo continua e vertiginosamente IPTV, VoD, VoIP e Internet banda larga Somente a transmissão ótica pode suportar as taxas de transmissão envolvidas nas redes de transporte 6

7 Transmissão ótica Sinal elétrico Sistema de transmissão por fibra ótica Sinal ótico Sistema de transmissão por fibra ótica Sinal elétrico Vantagens da transmissão ótica: 1. Distâncias maiores (resistente a ruído/menor atenuação) 2. Taxas de dados maiores (mais banda passante) 3. Menor custo/bit 7

8 O DSL do outro lado source: adtran, 2008

9 Redes óticas alta velocidade Passive Optical Networks (PON) rede de acesso Fiber-To-The-Home: FTTH Fiber-To-The-Curb/Cabinet: FTTC Fiber-To-The-Premise(building?): FTTP Rede Metropolitana (SONET/SDH) Redes metro de acesso Redes metro núcleo Rede de Transporte (DWDM) Redes de longa distância 9

10 Arquitetura típica de uma PON (acesso) OLT: Optical Line Terminal ONU: Optical Network Unit 10

11 Taxa de dados por assinante (bps) Evolução das redes de acesso óticas 11

12 Típico Backbone IP sem WDM Dados como carona no transporte tradicional voz/tdm Core Router ATM Switch ATM Switch Core Router MUX MUX SONET/SDH ADM SONET/SDH DCS SONET/SDH ADM SONET/SDH ADM SONET/SDH DCS SONET/SDH ADM MUX MUX Core Router ATM Switch ATM Switch Core Router 12

13 Típica rede óptica com DWDM no núcleo SONET é equivalente ao SDH Data Center SONET SONET DWDM DWDM SONET SONET Access Metro Long Haul Metro Access 13

14 Cenário das Redes óticas no Brasil Maior economia da América do Sul, o Brasil perde para os vizinhos quando o assunto é total de acessos via redes de fibra óptica. Uruguai, Argentina e Chile estão na nossa frente, ainda que, há dez anos, todos os países estavam praticamente na mesma fase. (Convergêcnia Digital, 25/09/2013) Para se ter uma ideia deste potencial, os números da Telcomp mostram que as fibras ópticas chegam a apenas 45% dos municípios brasileiros. Na rede móvel, somente 20% das estações radiobase (ERBs) estão conectadas às redes de fibra. Isso limita nossa velocidade, conclui. A CDTV, do portal Convergência Digital, gravou a apresentação do CEO da Furokawa. Assistam (Convergêcnia Digital, 25/09/2013) 14

15 Cenário das Redes óticas no Brasil (Cont.) Brasília, 06/03/2013 O ministro das Comunicações, Paulo Bernardo, revelou hoje que o governo prepara um grande programa de investimento para levar rede de fibra óptica a todas as regiões do Brasil. A previsão é de investir cerca de R$ 100 bilhões no setor de telecomunicações nos próximos dez anos através de parcerias com o setor privado, incentivos, financiamento do BNDES, Telebras e orçamento fiscal. O anúncio foi feito durante evento no Ministério da Ciência e Tecnologia, em Brasília. (ministério das Comunicações) Os levantamentos preliminares indicam que serão necessários investimentos de cerca de R$ 100 bilhões. Desse total, R$ 25 bilhões serão usados na construção de backbones (a espinha dorsal de uma rede de fibra óptica) e mais R$ 80 bilhões irão para o backhaul e a última milha, que faz as ligações até as residências. (ministério das Comunicações) 15

16 Cenário das Redes óticas no Brasil (Cont.) Segundo Shaikhzadeh [Furukawa], as limitações de investimento provocadas pela alta carga tributária e inseguranças no marco regulatório de telecomunicações fazem com que as empresas não invistam em fibra e aproveitem ao máximo as estruturas de fios de cobre já instaladas. Apenas 20% das antenas de telefonia móvel no país [as ERBs] estão conectadas por fibra, o que limita a oferta de velocidade das operadoras aos seus clientes, afirmou o executivo. De acordo com Shaikhzadeh, o Brasil registrou 246 mil assinantes de serviço de internet em banda larga por fibra óptica, o FTTH, que oferece velocidades de até 200 megabits por segundo (Mbps) no primeiro semestre. O número é mais que o dobro do registrado no mesmo período do ano passado, mas ainda representa uma base muito pequena em comparação com outros países da América Latina. A maior rede de serviços em fibra óptica do país é a da Telefônica, que cobre 1,2 milhão de domicílios, disse o executivo. O número de assinantes, no entanto, é de apenas 10% desse total, bem abaixo do necessário para sustentar o investimento. Segundo Shaikhzadeh, seria necessário alcançar uma faixa de 15% a 17%. (Valor Econômico, 26/09/2013) 16

17 Cenário das Redes óticas no Brasil (Cont.) Vivo, GVT e Oi também trabalham com conexões em que a fibra óptica chega até a residência do assinante. Isso traz diversas vantagens, começando pela maior velocidade. O pioneiro serviço Vivo Fibra e o mais recente Oi Fibra têm planos de até 200 Mbps e oferecem também TV (via rede IP) e telefonia.(info Exame, 09/08/2013) PNBL faz dois anos e aponta mercado em crescimento Brasília, 14/05/2012 Em dois anos de implementação do Programa Nacional de Banda Larga (PNBL), o número de acessos à internet no Brasil quase triplicou, passando de 27 milhões para 70 milhões, considerando acessos fixos e móveis. E o mercado continua em crescimento. Além de ter como meta a massificação da internet, o programa desenvolve políticas para incentivar a produção de tecnologia, a modernização da infraestrutura e medidas regulatórias para o setor. (Telebrás, 14/05/2012) 17

18 Perguntas Por que as fibras óticas possibilitam maiores velocidades? Quais são os tipos de fibras óticas existentes? Como anda a implantação de banda larga por fibra ótica no Brasil? Onde efetivamente há FTTH no Brasil? 18

19 Redes óticas Evolução das redes na direção da ótica pura As redes de dados podem ser classificadas em gerações no que se refere a tecnologia usada no nível físico Primeira geração: usa tecnologia baseadas em enlaces de cabo de cobre ou de microondas (sem fio) Ex.: redes PDH Segunda geração (rede ótica de 1ª geração): usa esses enlaces de cobre ou micro-ondas juntamente com fibras óticas Ex.: SONET/SDH Terceira geração (rede ótica de 2ª geração): usa a tecnologia DWDM, que forma um backbone de comunicação de fibra ótica. Esta tecnologia multiplexa múltiplos sinais óticos numa única fibra, usando diferentes comprimentos de onda ou cor de luz Ex.: WDM e DWDM 19

20 Evolução das Redes óticas Primeira geração de redes óticas - Redes elétricasóticas Basicamente para aumentar capacidade no transporte, com baixa taxa de erro de bits Todo chaveamente e operações inteligentes eram realizadas por equipamentos eletrônicos SONET/SDH Segunda geração de redes óticas - Redes de núcleo puramente ótico Roteamento, chaveamento e demais operações inteligentes realizadas no domínio ótico (na camada ótica) sem deficiências na conversão elétrico-ótico-elétrico (EOE) À medida que as taxas de transmissão aumentam continuamente, tornou-se difícil para os equipamentos eletrônicos processar os dados em tempo hábil 20

21 Backbones de fibra ótica no mundo 21

22 Backbones de fibra ótica no mundo 22

23 Típico sistema de cabo ótico submarino Os repetidoress fotônicos são alimentados (por meio das Pump lasers) pela estação no continente 23

24 Típico sistema de cabo ótico submarino (Cont.) Os repetidores fotônicos são alimentados (por meio das Pump lasers nos Power Feed Equipment) pela estação no continente 24

25 Possibilidades para Comunicação IP de longas distâncias IP over SONET/SDH IP over ATM IP over DWDM IP over Satellite 25

26 Redes óticas como transporte para o protocolo IP Enquanto as redes óticas são tecnologias da camada 1, o IP é uma tecnologia de camada 3 Há necessidade de um protocolo de camada 2 para encapsular pacotes IP em quadros da camada 2 antes do envio desses pacotes na camada ótica ATM (via RFC 2684) SONET/SDH (via PPP) ETHERNET (via GFP) 26

27 Generic Framing Procedure (GFP) Provê mecanismo genérico de camada 2 para adaptação dos sinais das camadas superiores sobre os protocolos de camada 1 SONET/SDH ou OTN (Optical Transport Network) Ethernet IP/PPP Other Client Signals SONET/SDH VC-n Path GFP Client Specific Aspects (Payload Dependent) GFP Common Aspects (Payload Independent) Other octetsynchronous paths OTN ODUk Path 27

28 Redes óticas de 1ª geração Principais redes de camada 1 do modelo OSI SONET/SDH Ethernet Optical Transport Network (OTN) Para transporte genérico sobre fibras óticas: IP, Ethernet, SONET/SDH Combina benefícios do SONET/SDH com o ganho de banda provido pelo DWDM SONET/SDH veio para substituir a tecnologia PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) 28

29 PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy Padrão utilizado antes do SONET/SDH 4KHz amostrado a 8 KHz com 8 bits por amostra 64 kbs Taxa de transmissão de sinais assíncronos e plesiochronous Level North America [Mb/s] Europe [Mb/s] Japan [Mb/s] 0 DS DS1/T E DS2/T E DS3/T E E DS: Digital Signal PDH apresentou muitos problemas, o que levou ao desenvolvimento de um novo padrão de transmissão e Multiplexação SDH/SONET 29

30 PDH mapeado no SONET/SDH Mapeamento das baixas taxas de transmissão do PDH para o transporte no SONET/SDH SONET Signal SDH signal Bit rate [Mb/s] STS STS-3 (OC-3) STM STS-12 (OC-12) STM STS STS-48 (OC-48) STM STS-192 (OC-192) STM STS: Synchronous Transport Signal (SONET) STM: Synchronous Transport Module (SDH) OC: Optical Carrier 30

31 SONET/SDH - Óticos SONET (Synchronous Optical Networking) e SDH (Synchronous Digital Hierarchy) são considerados equivalentes SONET: EUA e Canadá SDH: resto do mundo A indústria de telecomunicações adotou os padrões SONET/SDH para transporte ótico dos dados TDM Esses padrões especificam: Parâmetros de interface, taxas, formato dos quadros, métodos de multiplexação e gerenciamento de TDM síncrono sobre fibras ópticas SONET/SDH podem necessitar conversão elétrico/óptico 31

32 SONET/SDH Típico MUX TDM (Time Division Multiplexing) Novas aplicações (killer applications) e o crescimento vertiginoso da Internet excederam o limite do TDM Fibras óticas também estão no limite e as limitações da infraestrutura SONET (custo, complexidade e escalabilidade) clamam por soluções alternativas 32

33 WDM (Walength Division Multiplexing) Aumenta a capacidade do meio óptico usando técnica totalmente diferente do TDM WDM associa sinais ópticos de entrada a frequências de luz específicas (comprimento de ondas ou lambdas) dentro de banda de frequência própria Pode-se pensar também em termos de cores, em que cada canal possui uma cor ou luz diferente No receptor um seletor de cor é necessário para filtrar o sinal desejado 33

34 WDM (Walength Division Multiplexing) Típico cabo ótico submarino pode comportar até 144 canais OC-192 (10 Gbps), o que equivale a 1.44 Tbps por fibra Incremento dramático de banda transportada por fibra 34

35 TDM (SONET/SDH) e WDM SONET/SDH TDM Recebe sinais síncronos ou assíncronos e multiplexa-os para envio como um único comprimento de onda sobre uma fibra Conversões de sinais elétricoótico e vice-versa podem ser necessárias WDM Recebe múltiplos sinais ópticos, mapeia-os para comprimentos de onda individuais e multiplexa os comprimentos de onda sobre uma fibra WDM pode ainda transportar múltiplos protocolos sem a necessidade de um formato comum de sinal. O SONET não possui essa funcionalidade 35

36 Serviço aos clientes e transporte no núcleo WDM BORDA NÚCLEO (CORE) Frame Relay IP ATM Lease Lines IP Router TDM Switch Frame Relay ATM Switch Sonet ADM OC-3 OC-3 OC-12 STS-1 STS-1 STS-1 Users Services Service Provider Networks Transport Provider Networks 36

37 SONET/SDH versus WDM Traditional Digital Fiber Optic Transport Single Pair of Fibers Digital Transceiver Digital Transceiver Single Pair of Fibers Digital Transceiver Digital Transceiver Single Pair of Fibers Digital Transceiver Digital Transceiver Single Pair of Fibers Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Fiber Optic Transport using WDM WDM MUX WDM MUX Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Single Pair of Fibers Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver Digital Transceiver 37

38 Componentes do WDM Comprimentos de onda (lâmbda) l1 l2 l3 l1...n l1 l2 l3 l1...n Multiplexador ótico Demultiplexador ótico l1 l2 l3 Multiplexador ótico ADD-DROP (Optical Add/Drop Multiplexer - OADM) 38

39 Exemplo de arquitetura de uma rede ótica de 2ª geração O núcleo da rede é composto por dispositivos puramente óticos WDM e DWDM 39

40 O surgimento do DWDM (Dense WDM) O crescimento exponencial da Internet e a revolução nas aplicações de banda larga geraram demandas de capacidade que excederam os limites do tradicional TDM A capacidade das fibras óticas que nos seus primórdios foi considerada inesgotável está sendo esgotada Possibilidades de expansão de capacidade Instalação de novos cabos Aumento da taxa de bits dos sistema para multiplexar mais sinais Uso do DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) A tecnologia DWDM foi desenvolvida para multiplicar a capacidade de uma simples fibra ótica 40

41 Dense Wavelength Division Multiplexing Como os sinais de entrada não são retirados na camada ótica, o DWDM independe do formato e da taxa de bits dos sinais de entrada Facilita integração com equipamentos existentes nas redes convencionais (nas extremidades da rede???) Por ser capaz de trabalhar com sinais de velocidades distintas, protocolos como IP, ATM, SONET/SDH, Ethernet, entre outros, com velocidades entre 100 Mbps e 2,5 Gbps Portanto, DWDM pode transmitir no mesmo canal diferentes tipos de dados a velocidades variadas 41

42 DWDM (Dense Walength Division Multiplexing) DWDM mantém os comprimentos de onda mais próximos (denso), e por isso tem maior capacidade Pode amplificar todos os comprimentos de onda de uma só vez sem a necessidade prévia de conversão para sinais elétricos Pode transportar simultânea e transparentemente sinais de velocidades e tipos distintos sobre a fibra (protocolo e taxa de bit independentes) WDM e DWDM usam a fibra mono-modo para transportar múltiplas ondas de luz de diferentes frequências, em que a luz é injetada na fibra com ângulos distintos, resultando em diferentes modos de luz O - band E - band S - band C - band L - band Wavelength (nm) C Band Range : 1530nm 1560nm L Band Range : 1570nm 1600nm CWDM Window DWDM Window 42

43 Espectro de luz O - band E - band S - band C - band L - band Wavelength (nm) CWDM Window DWDM Window C Band Range : 1530nm 1560nm L Band Range : 1570nm 1600nm Fiber Characteristics Water Peak 1310 Window 1550 Window 43 43

44 WDM e DWDM Característica WDM (CWDM) DWDM Comprimentos de onda (lâmbdas) por fibra Espaçamento entre comprimentos de onda Capacidade de comprimento de onda Capacidade agregada da fibra GHz (20nm) até 2.5 Gbps 100 GHz (0.8nm) até 10 Gbps Gbps Gbps Custo total baixo médio Aplicações Corporações e acesso em rede metropolitana Acesso, núcleo de rede metro e regional 44

45 Analogia com o TDM e o DWDM Antes Depois do TDM (carros vão mais rápidos) Depois do DWDM (todas as faixa são usadas) 45

46 Leitura Complementar 46

47 Bibliografia Básica 1. Mukherjee, B., Optical WDM Networks, Ed. Springer, Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Sasaki, G. H., Optical Networks: A practical perspective, 3ª Edição, Ed. Morgan Kaufmann, Minei, I., Lucek, J., MPLS-Enabled Applications: Emerging Developments and New Technologies (Wiley Series on Communications Networking & Distributed Systems), 3a edição, Ed. Wiley, Stallings, W., High-Speed Networks and Internets: Performance and Quality of Service, 2a edição, Ed. Prentice Hall, Tanenbaum, A., Computer networks, 5ª edição, Ed. Prentice Hall, Kurose, J., Redes de Computadores e a Internet Uma Nova Abordagem, 3ª Edição, Ed. Addison Wesleys,

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