Redes de Telecomunicações

Transcrição

1 Redes de Telecomunicações João Pires Mestrado em Engenharia de Redes e Sistemas de Comunicações ISUTC/IST

2 Apresentação João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

3 Objectivos Apresentar uma perspectiva geral da estrutura das redes de telecomunicações e dos tipos de serviços. Explicar os princípios fundamentais das tecnologias Ethernet, ATM, SDH e OTN e descrever o seu papel na concepção de redes de transporte. Discutir metodologias de análise de desempenho e de planeamento de redes e estudar soluções de sobrevivência de redes em presença da falhas. Introduzir as soluções usadas para garantir acesso de banda larga e estudar de modo sumário a comutação telefónica. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

4 Programa 1. Introdução 2. Fundamentos das Redes e dos Serviços 3. Redes Ethernet e ATM 4. Redes de Transporte SDH 5. Redes de Transporte Ópticas 6. Redes de Acesso 7. Tópicos sobre Comutação João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

5 Informações Gerais A disciplina está organizada em aulas teóricas e aulas práticas. As primeiras serão dedicadas à apresentação das matérias, enquanto as segundas serão dedicadas à resolução de problemas. A avaliação de conhecimentos será feita por exame. No entanto, uma parte muito significativa (>50%) das questões do exame coincidirá com as questões/problemas da lista fornecida durante as aulas. Bibliografia: - Slides das aulas - João Pires, Sistemas e Redes de Telecomunicações, IST, M. Ellanti et al., Next Generation Transport Networks, Springer, 2005, - Rui Sá, Sistemas e Redes de Telecomunicações, FCA, 2007 Docente: João Pires, Dep. Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Instituto Superior Técnico, Tel: , [email protected]. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

6 Redes de Telecomunicações Capítulo 1 Introdução João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

7 Aspectos da Evolução das Telecomunicações 1837 Telégrafo 1844 Código de Morse º cabo submarino transatlântico º cabo submarino Lisboa-Brasil 1876 Telefone (Bell) 1882 Primeira rede telefónica em Portugal (concessão) 1891 Comutação automática (Strowger) 1894 Telegrafia sem fios (Marconi) 1925 Transmissão de imagens em movimento (Bird) televisão 1928 Teorema da amostragem (Nyquist) 1936 Invenção do PCM (Reeves) transmissão digital 1948 Transistor º cabo submarino telefónico transatlântico analógico (35 circuitos) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

8 Aspectos da Evolução das Telecomunicações 1964 Concepção da comutação de pacotes (Baran) ª satélite geo-estacionário (Intelsat1, 240 circuitos) 1966 Proposta de utilização de fibra óptica (Kao) 1967 Projecto da 1ª rede de comutação de pacotes (ARPAnet) 1968 Primeira central de comutação digital (tecnologia TTL) 1973 Ethernet (Metcalfe) º sistema de rádio móvel celular analógico 1981 TCP/IP 1982 Correio electrónico 1985 Proposta da SONET (Belcore) 1991 GSM (Global System for Mobile Communications) 1996 Cabo submarino óptico TAT12/13 ( circuitos) 2002 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 2008/2009 Instalação em Portugal da FTTH em larga escala João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

9 Princípio do Telefone João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

10 Telefone: instrumento multimédia? Fonte: Rogério Santos, Olhos de Boneca, Uma história das telecomunicações , Edições Colibri e Portugal Telecom, 1999 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

11 Evoluçã ção o Histórica Fases Telefone e telégrafo (XIX) Comunicações via satélite (1960s) Comunicações digitais (1980s) Comunicações ópticas (1980s) Internet (1990s) Telemóvel (1990s) Século XXI: Convergência fixo-móvel, convergência voz, dados e vídeo em suporte IP (Internet Protocol) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

12 Evolução de Diferentes Serviços (Mundial) A evolução do número de utilizadores dos diferentes serviços de telecomunicações a nível mundial mostra um crescimento pouco expressivo para a telefonia fixa e um crescimento muito acentuado para a telefonia móvel e para a Internet. Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

13 Evolução do Tráfego Internet Total (USA) As análises de tráfego nos Estados Unidos mostram que o tráfego Internet passou a ser dominante a partir do ano 2000, com um crescimento que duplica todos os anos. Cresce 35% ao ano Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

14 Evolução do Tráfego Total O tráfego telefónico de voz tem um crescimento entre 10 a 15% ao ano. Tráfego O tráfego de dados (Internet) tem um crescimento superior a 100% ao ano. Telefónico (voz) Actualmente o tráfego de dados é dominante nas redes dorsais. Dados (Internet) Actualmente o planeamento das infraestruturas de telecomunicações deve ser determinado pelo tráfego de dados João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

15 Lei de Moore A lei de Moore diz que a capacidade dos computadores duplica todos os 18 meses, ou seja tem-se um crescimento anual de cerca de 60% Fonte: Wikipedia João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

16 Lei de Nielsen A lei de Nielsen prevê um crescimento na velocidade de acesso à Internet na terminação do utilizador de cerca de 50% ao ano Mbps Mbps Mbps Mbps Fonte: João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

17 Definição e Ramos As redes de telecomunicações compreendem o conjunto dos meios técnicos (de natureza electromagnética) necessários para transportar e encaminhar tão fielmente quanto possível a informação à distância. Ramos das telecomunicações Transmissão: Transporte fiável da informação à distância. Comutação: Encaminhamento da informação (pôr em contacto dois utilizadores quaisquer, de acordo com as suas ordens). Controlo e gestão: Responsável pela dinâmica (controlo) e pela fiabilidade (gestão) das redes. A função de controlo é implementada através da sinalização. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

18 Critérios de Qualidade Fidelidade As redes de telecomunicações devem garantir que a informação nas suas diversas formas (voz, música, vídeo, texto, etc.) é transmitida sem perdas e alterações. Fiabilidade As redes de telecomunicações públicas devem assegurar um serviço permanente e sem falhas (menos de duas horas de indisponibilidade em 40 anos). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

19 Normalização em Telecomunicações O carácter internacional das telecomunicações implica normalização em aspectos tais como: aspectos técnicos (qualidade de serviço, interfaces, etc.); planificação geral da rede (estrutura da rede, números telefónicos internacionais,etc.); problemas de exploração e gestão (preços das chamadas internacionais, análise de tráfego, etc.). No plano das redes nacionais a normalização também é importante de modo a: garantir a compatibilidade dos sistemas de diferentes fabricantes; assegurar uma qualidade de serviço mínima a todos os utilizadores; respeitar as convenções internacionais. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

20 Principais Organismos de Normalização International Telecommunication Union (ITU) Agência da ONU responsável por todos os sectores das telecomunicações. Os seus principais órgãos são: ITU Telecommunications Sector (ITU-T) Estudo de questões técnicas, métodos de operação e tarifas para as redes de transporte, redes telefónicas e de dados. ITU Radiocommunications Sector (ITU-R) Estudo de questões técnicas e operacionais relacionadas com rádio-comunicações, incluindo ligações ponto-a-ponto, serviços móveis e de radiodifusão e ligações via satélite. European Telecommunications Standardas Institute (ETSI) Criado em 1988 para desenvolver as normas necessárias para uma rede de telecomunicações pan-europeia. Teve um papel importante no desenvolvimento da norma GSM. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

21 Redes de Telecomunicações Capítulo 2 Fundamentos das Redes e dos Serviços João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

22 Tipos Básicos de Equipamento O equipamento básico pode-se dividir em vias de transmissão e elementos (dispositivos) de rede. Os elementos de rede incluem equipamento terminal, equipamento de comutação, sistemas de sinalização e gestão e servidores. Vias de transmissão: suporte de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, feixes hertzianos,etc.) + repetidores (amplificadores, regeneradores). Equipamento terminal: interface com a rede (telefone, computador, PPCA, etc.). Equipamento de comutação: comutadores digitais nas redes telefónicas (comutação de circuitos), routers (comutação de pacotes) nas redes de dados. Sistemas de sinalização e gestão: responsáveis por processarem a informação de sinalização e gestão. Servidores: Dispositivos com capacidade para armazenar informação (servidores de WWW e cabeças de rede nas redes CATV,etc.). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

23 Topologias Representação de uma rede por um grafo Fluxo de informação 1 2 v 1 v 2 e 1 e 5 e 6 e 2 Grafo da rede 5 3 v 5 e 4 e 7 v 4 e 3 v 3 4 A estratégia de interligação entre os nós define a topologia da rede, ou mais especificamente a topologia física. O modo como a informação flui define a topologia lógica. Topologia física Topologia lógica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

24 Tipos de Topologias O tipo de topologia condiciona a estratégia de desenvolvimento e o tipo de serviços que a rede pode oferecer. Topologias com meio não partilhado Estrela Anel Malha A Topologias com meio partilhado B C Barramento (Bus) Árvore João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro E D

25 Representação de uma Rede (T. Física) Um rede pode-se representar a partir de um grafo ( V, E) onde V = ( v1, v2,... vn ) representa o conjunto dos vértices ou nós e E = ( e,... ) representa o 1 e2, el conjunto de ligações (links). A topologia física também se pode representar usando uma matriz de adjacências g. Essa matriz tem dimensão NxN. O elemento g ij =1, se existir uma ligação entre i e j. Caso contrário é igual a 0. Define-se o grau do nó como sendo o número de ligações que convergem para um determinado nó, ou seja N δ = i g ij j = 1 O valor médio do grau do nó é dado por G v 1 v 2 v 5 e 4 v 4 e 1 e 5 e g = e e e 2 v 3 Matriz de Adjacências Grafo da rede N 1 < δ >= δi = N i= 1 2L N <δ >= = 2.8 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

26 Representação de uma Rede (T. Lógica) A topologia lógica descreve o fluxo de tráfego que ocorre na rede. Este fluxo também é descrito através do número de pedidos de tráfego. Os pedidos de tráfego podem ser unidireccionais (um sentido) ou bidireccionais (nos dois sentidos). v 5 v 1 v 2 v 3 Topologia Lógica em malha (um sentido) v 4 A topologia lógica também se pode representar através de uma matriz de pedidos d. O elemento d ij =1, se existir um pedido de tráfego entre i e j. Caso contrário é igual a 0. No caso em que o fluxo de tráfego entre dois nós ocorre nos dois sentidos têm-se que o número médio de pedidos N N é dado por 1 < d >= d ij N i = 1 j = 1 d = Matriz de pedidos Para uma topologia lógica em malha (padrão de pedidos uniforme) têm-se < d>= N 1 O número total de pedidos de tráfego unidireccionais é então D1= N( N 1) e bidireccional D = N( N 1) / 2. 2 Dois sentidos < d >= 2= 4 5 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

27 Planos de Rede Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano de gestão. Plano de utilizador: responsável por transferir a informação do utilizador através da rede. Assegura o suporte físico. Plano de controlo: responsável pelo processo de sinalização associado ao estabelecimento, supervisão e terminação de ligações. Exemplo de planos de controlo: Sistema de sinalização nº 7, GMPLS (Generalized multiprotocol label switching), etc. Plano de gestão: Funções a nível de detecção e correcção de falhas (gestão de falhas), configuração dos elementos de rede (gestão de configuração), monitorização de desempenho (gestão de desempenho), autorização de acesso (gestão de segurança). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

28 Classificação das Redes Em termos do modo de transferência de informação as redes podemse classificar em comutadas e de difusão. Por sua vez as comutadas podem ser de comutação de circuitos ou de pacotes. Redes de Telecomunicações Redes comutadas Redes de difusão Rede de satélites Rede de difusão de televisão e rádio Rede Ethernet CSMA/CD Redes de comutação de circuitos Redes de comutação de pacotes Rede telefónica Rede celular Circuitos alugados Redes de transporte (SDH e OTN) Redes não orientadas à ligação (Datagramas) Rede IP Redes orientadas à ligação (Circuitos virtuais) Frame relay ATM (Asynchonous transfer mode) MPLS (Multi-protocol label switching) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

29 Comutação de Circuitos Na comutação de circuitos é estabelecida pela rede uma ligação (circuito) entre dois utilizadores (chamado e chamador) para a transferência de informação a qual é mantida durante toda a comunicação. Envolve três fases: estabelecimento do circuito, transferência de dados, e terminação. Numa ligação telefónica a primeira fase tem lugar quando se marca o número do destinatário e a central de comutação estabelece uma ligação para o telefone do destinatário e envia o sinal de chamada. A segunda fase corresponde à conversação entre os interlocutores. A terceira fase inicia-se quando se pousa o telefone. Os circuitos podem ser comutados ou semi-permanentes. Os primeiros, como é o caso dos circuitos telefónicos, são estabelecidos por acção do plano de controlo. Os segundo, como é o caso dos caminhos nas redes SDH e dos canais ópticos nas redes OTN são estabelecidos pela acção do plano de gestão. Como os recursos usados na ligação são reservados durante todo o tempo em que a ligação está activa esta solução é apropriada para o tráfego de voz, mas não é adequada para o tráfego de dados que é bursty por natureza. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

30 Comutação de Pacotes Na comutação de pacotes a informação é segmentada em pacotes, que por sua vez são enviados através da rede de nó para nó até atingirem o destino. Na comutação com datagramas a cada pacote inclui um cabeçalho com informação do destino e da fonte. Cada pacote é encaminhado individualmente através da rede, podendo diferentes pacotes com o mesmo destino seguirem caminhos diferentes. Comutação por datagramas Fonte D T X U R C B D X T U C R B D T X U R C B Controlo da sequência Nó Na comutação por circuitos virtuais por sua vez requer o estabelecimento prévio de uma circuito virtual entre a fonte e o destinatário, o qual é seguido por todos os pacotes. O processo de comunicação envolve três fases como na comutação de circuitos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

31 Estratificação em Camadas Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de rede de transporte e camada de rede de serviços. A camada de rede de serviços funciona como cliente da camada de rede de transporte. A camada de rede de transporte porpociona caminhos (capacidade de transporte) à camada de serviços. Uma ligação a 34 Mb/s por segundo é um exemplo de uma caminho eléctrico e um comprimento de onda suportando um canal a 10 Gb/s é um exemplo de um caminho óptico. As camadas de serviço são de diferentes tipos (rede telefónica, redes de dados, rede celulares, redes de cabo, circuitos alugados. Rede telefónica Rede de dados Rede celular Rede de cabo Circuitos alugados Rede de Transporte João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

32 Rede de Transporte A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

33 Exemplificação do Papel do Transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). d Camada de rede de serviço CC CC c Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) CC a CC ADM E A ADM ADM Camada de rede de Transporte B b ADM D ADM C João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

34 Hierarquização da Rede Uma rede de telecomunicações de dimensão nacional é representada por uma estrutura hierárquica com três níveis: núcleo, metro e acesso. A estrutura hierárquica é comum à rede de transporte e de serviços. Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta pela camada de transporte. Núcleo 100s-1000s km Malha A rede de acesso usa uma grande variedade de tecnologias e topologias, e é responsável por uma fracção muito importante do investimento feito numa rede. Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica, soluções rádio (FWA). Metro km Anel Acesso <10 km Anel, estrela, etc Utilizadores João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

35 Rede Telefónica Pública Comutada A topologia em estrela é a solução mais simples A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador. CC Central de comutação tefefónia Quando a dimensão da rede aumenta, tornase mais económico dividir essa rede em subredes de pequenas dimensões, cada uma servida pela sua própria central de comutação telefónica. Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central de nível superior: central tandem. Custo nº óptimo de centrais Telefone custo total custo da comutação custo da linha Número de centrais de comutação Estrutura hierárquica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

36 Estrutura Hierárquica Uma rede telefónica pública comutada apresenta uma estrutura hierárquica e uma topologia em árvore não pura, porque à medida que se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações directas entre centrais do mesmo nível. Rede internacional Central internacional Rede de núcleo ou de troncas Rede de junção Rede de acesso ou local Central Tandem Centros de trânsito secundário Centros de trânsito primários Centrais locais Linha de assinante A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta rede é muitas vezes designada por rede de cobre Transmissão a 2 fios João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

37 Rede Digital Integrada Uma rede digital integrada (RDI) é uma rede telefónica pública em que a comutação é digital e a transmissão no núcleo e nas junções também é feita usando transmissão digital. Central analógica Equipamento de rede. Conversão A/D Telefone analógico CT CL Transmissão digital Transmissão analógica CT RDI CT CL Acesso analógico CL CL CL CT Central de trânsito digital CL Central local digital CR CR Concentrador digital A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do número de troços e centrais presentes na ligação. Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

38 Rede Digital com Integração de Serviços A característica fundamental da RDIS é a digitalização do lacete de assinante. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2x64 Kbits canais B para comunicação 1x16 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 160 kbit/s Acesso primário 30x64 Kbits canais B para comunicação 1x64 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s Acesso primário PPCA NT1 Para manter compatibilidade com os telefones analógicos usa-se um adaptador TA Interface S TA Interface T NT1 Interface U Acesso básico Interface U Central de comutação Telefone analógico Telefone digital João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

39 Rede Celular Estrutura básica de uma rede celular Estação base BS RNC MSC Mobile Switching center BS Base station Radio Network Controller Telefone móvel Central local Rede fixa Numa rede celular a componente de acesso designa-se por Radio Network Subsystem, a qual inclui as estações de base (BS) e os controladores da rede de rádio (RNC) A componente de núcleo inclui as MSCs com as bases de dados associadas (HRL, VLR). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

40 Redes Híbridas Fibra-Coaxial As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede de cabo) usam uma infra-estrutura de fibra óptica, para servirem células de 200 a 1000 utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial. Cabeça de Rede Amplificador de tronca com repartição Para o fornecimento de serviços interactivos, é necessário usar amplificadores bidireccionais e um protocolo da acesso múltiplo para evitar colisões entre os sinais de retorno enviados pelos diferentes utilizadores Fibra Óptica Nó de acesso óptico Repartidor coaxial Cabo coaxial Amplificador de linha Utilizador Utilizador A rede coaxial apresenta uma topologia em árvore O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência (FDM). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

41 Rede de Transporte da Rede Híbrida A ligação entre a cabeça da rede e o nó de acesso óptico é realizado pela componente de transporte. Na rede de transporte representada a rede de transporte tem dois níveis. Cabeça Cabeça de de Rede Rede No rede de transporte primária a informação é digitalizada (PCM). No nó de acesso a informação é convertida para o domínio analógico (RF) e em seguida para o domínio óptico. Rede de Transporte Primária Nó Nóde de Acesso Acesso Par de fibras ópticas Nó Nóde de Acesso Acesso No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência (RF) e injectado na rede coaxial Rede de Transporte Secundária Fibra óptica Nó de acesso óptico Rede Coaxial A rede de transporte primária usa a informação digitalizada. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

42 Espectro de Radio-Frequência O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da banda directa situada entre 111 e 750 MHz. A parte entre os 550 e 750 MHz é usada para televisão digital e ligação interactiva descendente. O via de retorno é usada para as ligações interactivas ascendentes. Via de Retorno Canais FM Canais de TV analógicos Canais digitais Upgrade futuro f (MHz) Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM, logo analógicos. Desmodulador (Televisor) Fibra Óptica Receptor Óptico f 1 f N Sinal de radiofrequência Oscilador local sintonizável f f N Filtro Passa Baixo f João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

43 Internet Na Internet usa-se comutação de pacotes por datagramas Rede 2 Encaminhadores (Routers) Pacote Rede 1 Caminho Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, Os pacotes são encaminhados através da Internet. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

44 Arquitecturas de Rede: Modelo TCP/IP TCP: Transmission control protocol UDP: User Datagram Protocol Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

45 Modelo TCP/IP 5 Aplicação: Aplicações de rede distribuídas: FTP, SMTP, HTTP. 4 Transporte: Transferência de dados entre estações: TCP, UDP. 3 Rede: Encaminhamento e expedição de mensagens: IP, protocolos de encaminhamento. 2 Ligação de dados: Transferência de dados entre máquinas vizinhas: PPP, Ethernet. 1 Nível físico: Passagem de bits entre máquinas vizinhas: RS- 232c, V.92. Aplicação Transporte Rede Dados Físico Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

46 Modelo TCP/IP (2) Aplicação HTTP Msg Aplicação Transporte TCP Msg Transporte Rede Pacote IP Rede Rede Dados Trama Ethernet Dados Dados Dados Físico Físico Físico Físico João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro Cliente Comutador Ethernet Router Servidor

47 Redes do Século XXI As palavras chave vão ser banda larga e convergência. A banda larga irá exigir a aproximação da fibra óptica ao utilizador. A convergência irá reduzir o número de tecnologias de rede usadas tanto na camada de serviço, como na camada de transporte. Cobre Cobre ONU Fibra Plataforma de acesso multiserviço Camada de rede de serviço IP/MPLS OTN Utilizador Fibra Camada de rede de Transporte João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

48 Serviços em Telecomunicações João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

49 Serviços Objectivo das redes de Telecomunicações: fornecer serviços aos clientes que estão sobretudo interessados no tipo, qualidade e custo Importa definir classes de serviços permite definir as características que as técnicas e tecnologias utilizadas pelas redes de telecomunicações devem apresentar João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

50 Classificação dos Serviços (quanto às direcções de transferência de informação) Distribuição (difusão) Fluxo contínuo de informação (unidireccional) de uma fonte central para vários utilizadores (ex: difusão de televisão) Classes de serviços Conversacionais Transferência de informação bidireccional em tempo real (telefonia, vídeo-conferência) Interactivos Fluxo de info bi-direccional Consulta Mensagens Consulta de informação guardada em centros de informação públicos na rede (WWW) A troca de informação sem ser em tempo real entre utilizadores com funcionalidades de armazenamento (correio electrónico) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

51 Classificação dos serviços (quanto às exigências feitas às redes) Largura de banda Capacidade de transporte disponível nas ligações da rede para fornecer um dado serviço ao utilizador. Varia entre alguns khz para a telefonia até vários MHz para a televisão. Critérios Simetria/ assimetria da comunicação Os serviços que requerem um débito inferior a 2 Mbit/s, designam-se de banda estreita. Por sua vez os que requerem um débito superior a esse valor de banda larga. A comunicação faz-se nos dois sentidos (comunicação simétrica) ou preferencialmente num sentido (assimétrica). Difusão/ Comutado Serviço difundido: a mesma informação chega todos os clientes. Serviço comutado: diferentes clientes obtêm informação diferente. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

52 Classificação dos Serviços (quanto às formas de representação da informação) Classes de serviços Multimédia Monomédia Usam várias formas de representação de informação num único serviço áudio vídeo Usam uma única forma de representação de informação no serviço dados Rede pública de dados Internet João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

53 Digitalização de um Sinal Analógico (PCM) A digitalização de um sinal envolve as seguintes etapas: filtragem, amostragem, quantificação e codificação. A filtragem é realizada de modo a garantir que o espectro do sinal não apresenta componentes espectrais superiores a um valor B. A amostragem consiste em retirar amostras do sinal a intervalos de tempo regulares designados por T a. (período de amostragem). O valor de T a é obtido a partir da frequência de amostragem f a (T a =1/ f a ), a qual é dada por f a 2B. A quantificação permite discretizar as amplitudes das amostras, num conjunto finito. A codificação permite atribuir a cada nível de amplitude gerado pelo quantificador uma palavra binária com N b bits, gerando um sinal PCM (Pulse Code Modulation) com um débito binário igual a D b =N b f a. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

54 PCM:Exemplo Exemplificação a digitalização de uma sinal Tensão (V) Sinal Analógico Tensão (V) Sinal Amostrado (T a =0.25 μs) t (μs) t (μs) f a = 4 Mamostra/s Sinal Quantificado Tensão (V) t (μs) Tensão (V) 5 0 Sinal Codificado Sinal PCM D b =3x4x10 6 =12 Mb/s 1.0 t (μs) 1.25 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

55 Canal de Voz e Débito da Voz Digitalizada A voz humana cobre as frequência entre os 100 a 7000 Hz. Porém a maior parte do conteúdo inteligível situa-se entre a banda de Hz, chamada banda da voz. Por sua vez admite-se que a banda do canal de voz (telefónico) se situa entre 0 e 4 khz. Banda do canal de voz Amplitude ou tensão Banda da voz As rec. G.132 e G.151 da ITU-T indicam a banda atribuída ao sinal de voz de Hz Frequência (HZ) Na digitalização do sinal de voz considera-se que B é igual à banda do canal ou seja 4 KHz e como frequência de amostragem f a = 8 kamostra/s. A codificação do sinal também é feita com N b =8 bit/amostra. Período de amostragem T a =125 μm Débito binário D b =f a N b =64 kb/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

56 Características de Diferentes Sinais Parâmetro Voz (telefonia) Televisão Música (transmissão) Música (gravação) Frequência de amostragem (Kamostra/s) Mb/s (luminância) Codificação não uniforme uniforme uniforme uniforme Dimensão da palavra PCM (bits) Débito Total Mb/s (kbit/s) No caso do sinal de voz (telefonia) usa-se uma codificação logarítmica: lei A com 13 segmentos (Europa) ou lei μ (EUA e Japão) com 15 segmentos. No caso da televisão digital (ITU-R 601) têm-se 25 imagens/s, amostras de luminância, amostras de cada uma duas crominâncias e 8 bits/amostra, o que conduz a um sinal PCM com um débito de ( ) 8 25 bit/s = ( ) 16 25b/s 166 Mb/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

57 Características de Sinais de Vídeo Parâmetro Televisão de alta-definição Televisão digital Videotelefonia Videoconferência Resolução espacial (pixel) 1920 x x x x 144 Resolução de cor (bit/pixel) Resolução temporal (imagem/s) Débito Total (Mbit/s) Débito comprimido (Mbit/s) Na Internet e na televisão usam-se técnicas de compressão baseadas nas normas MPEG2 e MPEG2 da ISO e a nível da vídeoconferência ou da videotelefonia usamse as normas H. 261 e H.263 do ITU. Fonte: Rui Sá, SRT, FCA, p.36, 37 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

58 Super Hi-Vision/Ultra- HDTV Comparação da ultra-hdtv (UHDTV) com outros formatos Fonte: Wikipedia A UHDTV apresenta uma resolução de pixels, ou seja apresenta uma resolução cerca de 16 vezes superior à HDTV. O débito binário requerido é de 24 Gb/s o qual foi possível ser comprimido para valores entre 180 e 600 Mbit/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

59 Codificadores de Voz Os codificadores de voz dividem-se em codificadores de forma ou onda (temporais) e codificadores de voz (vocoders). Os primeiros baseiam-se no facto de em certos sinais (voz, vídeo) a amplitude da amostra variar pouco de amostra para amostra (forte correlação entre as amostras). Transmite- se a diferença entre as amostras o que requer um número de bits menor. No caso da voz para débitos entre kb/s a qualidade é boa, mas degrada-se rapidamente para valores da ordem dos 16 kb/s. Os codificadores de voz baseiam-se na síntese de voz e são usados para débitos baixos ( kb/s) e a qualidade é fraca. Para débitos entre 6-16 kb/s usam os codificadores híbridos que combinam o melhor dos vocoders e dos codificadores de forma. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

60 Qualidade de Diferentes Codificadores de Voz A qualidade da voz é medida normalmente usado testes subjectivos designados por MOS (mean opinion score). Nestes testes os codificadores de onda (ex: DPCM) têm a classificação máxima e os vocoders (Linear Predictive Coding) os piores resultados Qualidade da voz Excelente Boa Razoável Mediocre Codificadores híbridos Codificadores de onda PCM (64 kb/s) 4.2 ADPCM (40 kbit/s) 4.2 ADPCM(32 kbit/s) 4 ADPCM (16 kbit/s) 2 Má 1 Codificadores LPC Débito Binário (kb/s) ADPCM: Adaptative Differencial PCM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

61 Voz sobre IP Na transmissão de voz sobre IP (Internet Protocol) a sinal de voz depois de digitalizado é segmentado em pacotes e transportado como datagramas IP. Como protocolo de nível 4 usa-se o UDP (User Datagrama Protocol), em vez do TCP, já que é mais rápido do que este. Uma das normas mais usadas para o transporte de voz sobre IP/UDP é a recomendação do ITU-T H.323. Esta norma define nomeadamente os codecs de voz a usar, assim como protocolos de sinalização e transferência de informação. Como numa rede IP os pacotes podem ser perdidos, atrasados ou corrompidos, a norma H.323 define o protocolo RTP (Real-time protocol) para aumentar a fiabilidade das transmissão. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

62 Voz sobre IP (débitos) O protocolo RTP permite que os pacotes cheguem ordenados. Quando os pacotes são perdidos ou sofrem grande atraso, o sinal de voz é interpolado baseado nas amostras anteriores. Usam-se, normalmente na codificação da voz os codecs híbridos, como por exemplo o G Este codec origina um débito de 6.4 kbit/s e apresenta um valor de MOS de 3.9. Será de notar que os cabeçalhos RTP/UDP/IP vão aumentar significativamente aquele valor do débito, originado valores de 17 kbit/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

63 Formação dos Pacotes IP A codificação é feita em tramas. À trama comprimida são adicionados os diferentes cabeçalhos. Voz A/D Amostra Trama comprimida Cabeçalho RTP Cabeçalho UDP Cabeçalho IP Tramas comprimidas RTP UDP IP João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

64 Capítulo 3 Redes Ethernet e ATM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

65 Redes Ethernet João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

66 Introdução A Ethernet foi inventada em 1973 tendo como objectivo interligar diferentes equipamentos, no âmbito das redes locais de computadores (LAN, Local Area Networks). A maior parte do tráfego de dados hoje em dia é gerado através de interfaces Ethernet. A popularidade da Ethernet deve-se ao baixo custo da tecnologia, tendo a preocupação de baixo custo estado sempre associada a todos os desenvolvimentos ulteriores. Um LAN ocupa normalmente uma área relativamente restrita, como seja parte de um edifício, um edifício ou um campus. Nos dias de hoje a aplicação de Ethernet alargou-se às redes metropolitanas (Metro Ethernet) e às redes de núcleo (Carrier Ethernet). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

67 Arquitectura e Modelo OSI A Ethernet foi desenvolvida pelo Grupo de Trabalho IEEE802.3 no comité IEEE 802 responsável pelo desenvolvimento de normas para as redes locais e metropolitanas. OSI Rede Ligação de dados Fisica Ethernet LLC MAC Fisica MAC: Medium Access Control LLC: Logical Link Control A Ethernet inclui a camada física e a camada de ligação de dados do modelo OSI. A ligação de dados subdivide-se em MAC e LLC. A sub-camada LLC é responsável ela interface com as camadas superiores e pelo controlo de fluxo e de erros. A sub-camada MAC é responsável por controlar o acesso ao meio, assim como por garantir uma transmissão de informação sem erros. Organiza a sequência de bits recebida em tramas. A camada física tem a ver com o meio de transmissão/recepção de bits, com as propriedades eléctricas, ópticas e mecânicas, o tipo de fichas, etc. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

68 Papel da Sub-camada MAC Em topologias de rede com meio partilhado é responsável pelo controlo de acesso ao meio entre várias estações usando por exemplo o protocolo CSMA/CD. Endereçamento MAC: O endereço MAC constitui o endereço físico de cada estação ligada à rede. Permite identificar a fonte e o destino das tramas. O endereço físico da maioria das estações está impresso na placa de rede da estação (NIC: Network Interface Card) Processamento da trama: Permite identificar os limites e o tipo de tramas. Detecção e correcção de erros: Usa códigos de redundância cíclica para detectar e corrigir erros. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

69 Endereço MAC (IEEE802.3) O endereço MAC IEEE802.3 é constituído por 6 octetos (48 bits) e apresenta a seguinte estrutura: I/G U/L 48 bits 46 bits I/G bit 0 = endereço individual, 1 = endereço de grupo U/L bit 0 = endereço universal 1 = endereço local O bit I/G é feito igual a 0 para indicar que a trama é destinada a uma estação individual (endereço unicast), ou igual a 1 quando a trama é destinada a uma grupo de estações (endereço de grupo). O endereço de grupo pode ser multicast (um grupo determinado), ou broadcast (todas a estações). O bit U/L indica se o endereço corresponde a um endereço indicado pelo IEEE (U/L=0), ou atribuído via software por uma organização (U/L=1). Normalmente os endereços MAC são representados em hexadecimal. Ex: Octeto Representação Binária Representação Hexadecimal B - 2E EE O número de endereços disponíveis é igual a 2 48 = João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

70 Como Verificar o Endereço MAC? Para verificar o endereço MAC de um computador: > ipconfig /all Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, Endereço MAC João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

71 Formato da Trama (IEEE 802.3) A Ethernet usa o formato da trama representado abaixo. Apesar da evolução da tecnologia a estrutura das tramas tem-se mantido inalterada octetos Preâmbulo S F D Endereço de destino Endereço de fonte Compri mento / Tipo Dados+ Enchimento (Pad) FCS Preâmbulo: sequência de 7 octetos ( ) que permite a sincronização do receptor, pois este opera em modo burst. SFD (StartofFrame): Padrão de 8 bits ( ) que indica o início da trama. Endereço de destino e endereço da fonte são campos com 6 octetos. Comprimento/tipo: sequência de 2 octetos que indica o comprimento, ou o tipo do campo de dados. FCS (Frame Check Sequence): Conjunto de 4 octetos que contem o valor do CRC calculado sobre todos os bits da trama com excepção do preâmbulo e SFD. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

72 Especificidades da Trama O campo comprimento/tipo indica um valor entre 0 e (65 535). Se o valor desse campo estiver situado entre 0 e 1500 indica o comprimento do campo de dados. Se o seu valor estiver situado entre 1536 e representa o tipo do campo de dados. O parâmetro tipo é usado por exemplo para identificar as tramas de controlo MAC na operação de controlo de fluxo. O campo de dados é o único campo de dimensão variável( octetos). Se o número de octetos do campo de informação for inferior a 46, terão de ser inseridos octetos de enchimento até perfazer esse número. No campo de endereços o primeiro bit colocado a zero indica um endereço unicast (enviado para uma estação),enquanto este bit colocado a 1 indica multicast (grupo de estações). O número total de endereços unicast (ou multicast) é igual a 2 47 = Note-se que o espaço de endereços do IPV4 é igual a 2 32 = João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

73 Ethernet:Tipos Desde a publicação da norma IEEE em 1985 a Ethernet evolui desde um serviço half-duplex operando a 10 Mb/s, até a um serviço full-duplex operando a 10 Gb/s. Tipo Débito Modo Topologia CSMA/ CD Suporte Ethernet 10 Mb/s Halfduplex barramento Sim Par simétrico Fast- Ethernet 100 Mb/s Half e full duplex estrela Sim Par e fibra Gigabit- Ethernet 1 Gb/s Half e full duplex estrela Sim Par e fibra 10 Gigabit Ethernet 10 Gb/s Full duplex estrela Não Fibra 100 Gigabit Ethernet? 100 Gbit/s Full duplex? Não Fibra Half-duplex Full-duplex CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Ethernet Comutada João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

74 Topologias das Redes Locais Bus: Anel: PC Cabo coaxial T coaxial Carga adaptada PC Estrela (Bus Lógico): Estrela : HUB Switch Trama João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

75 Topologias: Bus A transmissão é escutada por todas as estações. Cada estação é identificada através do seu endereço físico. A B C A B C A B C C C C A envia uma trama para C Não é endereçada a B: é ignorada A trama é copiada por C Como o meio é partilhado é necessário definir regras de acesso ao meio, para evitar que uma estação monopolize a rede e para regular a comunicação em presenças de colisões. Para controlar o acesso ao meio (MAC) em redes em bus usa-se o protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess with Collision Detection). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

76 CDMA e Colisões Cada estação monitoriza a actividade do meio físico (Carrier Sence) e só transmite se o meio estiver livre. Todas as estações podem aceder ao meio (Multiple Access). Podem ocorrer colisões se houver duas estações a transmitir simultaneamente. Quando a colisão é detectada (Collision Detection), as estações esperam um tempo aleatório antes de retransmitir. L A B A B Trama gerada a t=0 Trama quase chegar a B (t=t-δ) Colisão detectada t=2t Ocorre uma colisão a t=t B B B A T t =2 x T p = (2x L)/v, T t = N t (mínimo) /Db : Duração da trama T p = tempo de propagação (ida); L = distância máxima D b = débito binário; N t = Número de bits da trama Ethernet v = velocidade de propagação; N t (mínimo)= 64 x 8 = 512 bits A norma IEEE802.3 impõe para D b = 10 Mb/s um L = 2500 m D b = 100 Mb/s L = 250 m D b = 1 Gb/s L = 25 m!!! João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

77 Topologias: Anel Normalmente à topologia física em anel está associada uma topologia lógica também em anel. A C B C Uma das soluções para o controlo do acesso ao meio é a rede Token Ring. Periodicamente é enviado de estação para estação um testemunho (token). Uma estação só pode transmitir tramas na posse desse testemunho. Quando a estação não tem dados a transmitir limita-se a repeti-lo para a estação seguinte. No anel as tramas em circulação são retiradas pelo nó emissor. D A envia uma trama dirigida para C. A trama passa por B. Este nó ignora a trama. A D C Em C a trama é copiada. Esta continua a circular no anel até A onde é removida. C B C C João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

78 Topologias: Estrela A topologia em estrela usando um hub ou concentrador, corresponde a uma topologia lógica em bus. HUB Rede com Hub: topologia lógica em bus Capacidade Total 100 Mb/s Um hub pode ser visto como um repetidor, com múltiplos portos de saída. O hub responsabiliza-se por regenerar o sinal recebido e retransmiti-lo para todos os outros portos. 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s Rede com switch : topologia lógica em estrela Os switches permitem implementar a Ethernet comutada e estender o modo de operação para full-duplex. Switch 100 Mb/s Capacidade Total N x 100 Mb/s Contrariamente aos hubs que só operam a nível da camada física, os switches operam a nível do MAC. 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

79 IEEE 802.3: Ethernet Comutada O elemento central é uma comutador (switch) Ethernet que envia os dados só para a estação de destino usando o endereço MAC. A rede pode transformar-se num conjunto de ligações ponto-a-ponto com uma topologia física em estrela em substituição do barramento clássico da Ethernet Rede Ethernet Comutada com dois níveis hierárquicos Switch JUNIPER Gigabit Ethernet switch Fast Ethernet switch Interfaces:10/100/1000 Base-T 100 Base-Fx/1000 Base X, 10 GbE João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

80 Funções de um Switch Ethernet Usa tabelas semelhantes às de encaminhamento mas apenas com base nos endereços de nível 2: aprende os endereços por observação das transmissões. Recebe tramas com um determinado endereço e realiza uma das seguintes funções: retransmissão (forwarding), difusão (flooding) e filtragem. Quando Z começar a transmitir a SAT aprende o endereço MAC address = Z, Port = 3 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

81 Diagrama Funcional de um Switch O diagrama funcional de um switch inclui uma tabela de endereços ou SAT (Source Address Table), lógica de filtragem/retransmissão, lógica de aprendizagem associada com os portos. SAT Endereço Tabela de endereços Porto A cada entrada da tabela corresponde o endereço de uma estação e o porto do switch através do qual essa estação pode ser alcançada. A tabela de endereços pode ser preenchida automaticamente ou manualmente através do plano de gestão. Lógica de Aprendizagem Interface do porto Lógica de filtragem/retransmissão Lógica de Aprendizagem Interface do porto No modo de aprendizagem automática a lógica de aprendizagem examina o endereço fonte de todas a tramas que chegam ao switch. Quando este endereço não faz parte da tabela, essa lógica insere esse endereço na tabela, assim como o número do porto de entrada da trama no switch. Quando uma trama chega à interface de um porto a lógica de filtragem/retransmissão faz uso do endereço MAC e da SAT para decidir se a trama é difundida, retransmitida ou filtrada. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

82 Problema das Malhas Fechadas Nas redes com malhas fechadas tem-se o problema da tempestade de difusões (broadcast storm), que corresponde a ter-se uma trama que se replica exponencialmente na rede. Y Switch A X Z Switch C Switch B Admita-se que o endereço Z não está na SAT do switch A, e que a estação Y envia uma trama para Z. Deste modo o switch A vai difundir essa trama para todos os seus portos com excepção do porto de chegada. Os switchs B e C recebem essa trama e vão também difundi-la por todos os seus portos com excepção dos portos de chegada. Chega-se a uma situação com uma taxa de replicação da trama quase exponencial, que vai consumir quase todos os recursos de banda da rede. Outro problema com as malhas fechadas está no facto de uma estação poder ser alcançada através de percursos múltiplos o que é uma fonte de confusão para a lógica de transmissão e de aprendizagem. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

83 Spanning Tree Protocol Para garantir a ausência de malhas fechadas nas redes Ethernet usa-se o Spanning Tree Protocol (STP). A implementação do protocolo envolve duas etapas: a eleição do switch raiz (Root switch) e a convergência da topologia. O protocolo tem ainda possibilidade de detectar alterações na topologia e responder a essas alterações. A transmissão de informação de controlo entre os switches é realizada através de mensagens designadas BPDUs (Bridge Protocol Data Units). Campos presentes numa BPDU: identificador (ID) do switch, identificador da raiz (IDR), ID do porto, custo de caminho (C) até à raiz, e informação temporal. Débito Custo O custo de um caminho até à raiz corresponde à soma dos Custo custos de todas as ligações existentes entre o porto de um recomendados 10 Mb/s 100 switch e um porto da raiz. Como não é conveniente 100 Mb/s 18 encaminhar tráfego em ligações de baixa capacidade o custo de uma ligação deve ser inversamente proporcional 1 Gb/s 4 ao seu débito. 10 Gb/s 2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

84 Eleição da Raiz Na primeira etapa é eleito como raiz o switch com o menor valor de ID e todos os outros são considerados switches designados. Para eleger a raiz todos os switches difundem BPDUs, anunciando o seu ID e fazendo o ID da raiz idêntico a esse ID. Se um switch detectar que o seu ID é superior ao do BPDU recebido, termina a suas emissões, limitando-se a difundir as tramas recebidas. No fim do processo só o nó raiz é que continua a emitir, sendo eleito raiz. 1ª fase IDR=S1, ID=S1 IDR=S1, ID=S1 2ª fase S1 IDR=S2, ID=S2 BS IDR=S2, ID=S2 IDR=S2, ID=S2 19 S3 IDR=S2, ID=S IDR=S1, ID=S1 IDR=S1, ID=S1 BS2 19 S1 4 4 IDR=S1, ID=S1 IDR=S1, ID=S1 19 IDR=S1, ID=S1 100 IDR=S1, ID=S1 19 S3 S4 100 S5 S4 100 S5 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

85 Convergência de Topologia A etapa de convergência inicia-se com o switch raiz difundindo tramas BPDUs, indicando um custo mínimo zero. Cada porto repete esta trama e adiciona o custo da sua ligação até à raiz. De entre os diferentes portos de um switch, aquele que receber a trama com o menor custo é considerado porto raiz. Este porto é colocado em estado de retransmissão e todos os outros em estado de bloqueio. Switch raiz Porto raiz Porto Bloqueado Switch designado IDR=S1, ID=S1, C=0 BS2 S IDR=S1, ID=S3, C=4 IDR=S1, ID=S1, C=0 Switch designado S3 S2 recebe uma BPDU através de três portos. Num porto a trama indica C=0, e nos outros C=4 e C=23. Por isso o primeiro porto é um porto raiz e os outros são bloqueados IDR=S1, ID=S2, C= IDR=S1, ID=S2, C=4 S4 Switch designado IDR=S1, ID=S5, C= S5 Switch designado Quando um switch recebe em dois portos tramas com idênticos custos, escolhe com porto raiz aquele que recebe a trama com menor ID. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

86 Convergência de Topologia (II) Topologia convergida Switch raiz Estados dos portos de um switch: A 4 4 Estado BPDU Rx BPDU Tx Dados Rx Dados Tx Switch designado B C Desactivado Bloqueado Escuta Não Sim Sim Não Não Sim Não Não Não Não Não Não Aprendizagem Sim Sim Sim Não D Switch designado 100 E Switch designado Retransmissão Sim Sim Sim Sim -Porto raiz - Porto designado - Porto bloqueado O estado de escuta corresponde à fase de configuração e construção da spanning tree. É proporcionado um caminho bidireccional com uma topologia lógica em árvore entre a raiz e todos os swiches da rede, sem malhas fechadas. No estado bloqueado o porto continua a receber BPDUs. Este portos só impedem a tramas de serem retransmitidas. Quando um porto activo falha, pode ser necessário activar os portos bloqueados. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

87 Arquitectura da Ethernet P2P e P2MP Dentro da camada física a camada PCS, corresponde à sub-camada responsável por gerar a codificação apropriada para a transmissão no meio físico. No caso da Gbit Ethernet usa-se o código 8B10B, o que implica uma transmissão no meio a 1.25 Gbaud/s. A 10 Gigabit Ethernet usa o código 64B66B, conduzindo a Gbaud/s A sub-camada PMA é responsável pela transmissão, recepção, detecção de colisão, recuperação de relógio. A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e MDI corresponde a um conector (ficha). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

88 Implementações IEEE Formato usado na designação: [Valor1] Base [Valor 2] Valor1 = Débito binário de transmissão: Ex: Mb/s Base = Baseband Mode: Transmissão em banda base Valor 2: Tipo de cabo usado (T: Twisted Pair, F, X: Fibra Óptica) Exemplos: 10 Mbit/s Ethernet 10BaseT: Usa pares entrançados UTP de categoria 3 ou 5; max distância = 100 m 10Base F: Usa fibra óptica multimodal 100 Mbit/s Ethernet (PCS: 4B5B) 100BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 100Base FX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 2000 m Gigabit Ethernet (PCS: 8B10B) 1000BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 1000Base SX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 275 m 1000Base Fx; Usa fibra óptica monomodal; max distância = 5000 m João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

89 Tipos de Pares Entrançados Unshielded Twisted Pair (UTP) - Usado em aplicações telefónicas, ethernet, vídeo, etc. - Mais barato e é fácil de instalar - Está sujeito a interferências electromagnéticas externas - Há vários tipos de cabos com diferentes diâmetros Exemplos: Categoria 5: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado na 10 Mb/s e 100 Mb/s Ethernet. Categoria 5e: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado a 100 Mb/s e 1 Gbit/s. Categoria 6: Largura de banda disponível de 250 MHz. Permite débitos de 1Gbit/s a distâncias maiores do que o 5e Shielded Twisted Pair (STP) - Existe uma camada metálica que reduz as interferências - Mais caro e mais difícil de manejar Categoria 7: Largura de banda disponível de 600 MHz. Permite débitos até 10Gbit/s, usando um cabo com quatro pares STP João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

90 Gigabit Ethernet A arquitectura da gigabit Ethernet é a seguinte: MAC 1Gb/s RS GMII PCS PMA PMD MDI PMD Fibra Códificador/Descodificador 8B10B Serializa/Des-serializa Recupera o relogio Transmissor Laser/ Receptor óptico Conector de fibra Normas gigabit Ethernet com fibras ópticas Tipo de Fibra 62.5 μm MMF 1000 BASE- SX (850 nm) Largura de banda (MHZ.km) 160 Alcance (metros) 2 a 220 Tipo de Fibra 62.5 μm MMF 1000 BASE- LX (1300 nm) Largura de banda (MHZ.km) Alcance (metros) RS:Reconsiliation Sublayer GMII: Gigabit Media Independent Interface PCS: Physical Coding Sublayer PMA: Physical Medium Attachment PMD: Physical Medium Dependent MDI: Medium Dependent Interface Outras normas 62.5 μm MMF 50 μm MMF a a μm MMF 50 μm MMF a a Base-ZX (1550 nm) SM ---até 100 km 1000Base-T ( pares de cobre) ---- máx 100 m 50 μm MMF 10 μm SMF 500 N/A 2 a 550 Não suportado 50 μm MMF 10 μm SMF 500 N/A 2 a a 5000 A norma 1000 Base T usa como meio de transmissão o UTP de cat. 5e João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

91 10 Gigabit Ethernet As versões actuais da Ethernet operam a 10 Mbit/s, 100 Mbit/s e 1 Gbit/s. 10 Gbit Ethernet (10GbE) é uma versão ultrarápida (10 Gbit/s), cuja primeira norma foi publicada em As aplicações da 10GbE são: curta distância (<100m ): interligação de equipamento de alta velocidade, e servers com volumes de disco elevados; distância intermédia (<3 km): interligação de edíficios e campus; longa distância (<10 km): redes metropolitanas, redes empresariais; ultra longa distância (até 80 km): redes dorsais (backbones). Arquitectura da 10 GbE Total de 72 bits 10GMII Relógio Gbit/s (3.125 Gbaud com 8B10B) MDI Canais ópticos em paralelo ou em série MAC 10Gb/s 32 linhas de dados+ 4 controlo PCS + PMA PMD ou Relógio João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

92 Camadas e Interfaces do Nível Físico 10GMII (10-Gigabit Media Independent Interface) : interface normalizada entre a camada MAC e a camada física. Permite que a camada MAC trabalhe com diferentes implementações da camada física. PCS (Physical Coding Sublayer): responsável pela codificação/descodificação da informação proveniente da camada MAC. Há vários tipos de códigos que podem ser implementados: 64B66B, baralhamento (scrambling), PAM-5, etc. O PAM-5 é um código multi-nível usado na norma 1000-Base T. PMA (Physical Medium Attachment): responsável pela conversão série/paralelo e vice-versa. A sincronização dos relógios também é efectuada ao nível desta camada. PMD (Physical Medium Dependent): responsável pela transmissão do sinal. Têm-se diferentes dispositivos PMD de acordo com o meio de transmissão. MDI (Medium Dependent Interface): refere-se ao conector usado. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

93 Implementação a Nível Físico Há duas alternativas para implementar o 10GbE a nível físico: solução série e solução paralelo. A solução série divide-se em LAN PHY e WAN-PHY. A solução série baseia-se no uso de um canal físico operando a 10 Gbit/s. Na solução LAN PHY usa-se um débito binário de 10 Gb/s. Na solução WAN-PHY o sinal depois de codificado (64/66B) deverá ser compatível com o STM-64 (9.953 Gb/s). Para construir a trama SDH usa-se uma sub-camada entre a PCS e a PMA designada por WIN (WAN interface sub-layer. MUX Comando de laser Sinal Óptico 10 Gbit/s (sem codificação) Na solução paralelo há vários canais múltiplos, que podem ser implementados usando diferentes fibras, ou diferentes comprimentos de onda (WDM). Laser Fibras em paralelo WDM MUX Comando de laser 4 Lasers 4 Fibras Ópticas Comando 4 Lasers de laser 1 fibra óptica MUX WDM Débito binário por fibra 2.5 Gbit/s (sem codificação) Débito binário por fibra Gbit/s (sem codificação) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

94 Propriedades das Tecnologias Usadas Na implementação série a operação emissão/recepção é relativamente simples e só requer um laser/receptor óptico. A principal desvantagem é que requer electrónica de alta velocidade e lasers com larguras de banda elevadas. Para reduzir a banda de transmissão requerida pode-se usar uma codificação PAM. Na solução paralelo a principal desvantagem é a necessidade de um módulo colector/distribuidor dos diferentes canais e a necessidade de requerer várias fontes/receptores ópticos. A electrónica e as fontes operam, contudo, a débitos mais baixos, o que implica custos mais baixos. As diferentes interfaces para a 10 GbE são as seguintes: Interface Meio Distância Fonte 10GBase-SX Fibra Multimodal m VCSEL, ou FP laser 10GBase-LX Fibra Monomodal ou multimodal 5-15 km VCSEL, FP ou DFB laser 10GBase-Ex Fibra Monomodal >40 km DFB laser 10GBase-Cx Par de cobre <20 m Tensão eléctrica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

95 LAN virtual (VLAN) Uma LAN virtual (VLAN) consiste no agrupamento lógico de vários nós (dispositivos de rede), sobre uma determinada topologia física, de modo a criar a nível lógico uma nova rede com todas as funcionalidades de uma LAN. Vantagens: (1) Limita o tráfego de difusão a pequenos grupos melhorando o desempenho. Cada grupo passa a ter a sua própria spanning tree; (2) Aumenta a segurança e privacidade da rede, separando o tráfego pertencente a diferentes organizações/departamentos; (3) Facilita a gestão da rede na medida que permite ao administrador da rede organizar os utilizadores em grupos de modo a reflectir a estrutura da organização (departamentos, edifícios, etc.), de modo independente da topologia física. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

96 VLANs Agrupadas Logicamente 1a 2a 4 1b 5 1d 3a VLAN1: Grupo de utilizadores que usam uma base de dados localizada em 1a VLAN2: Grupo de utilizadores que requerem acesso a uma mainframe 2a 1c 3b 2b VLAN3: Departamento com utilizadores em diferentes edifícios VLAN4,5: Departamentos com utilizadores no mesmo edifício João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

97 Etiqueta VLAN IEEE802.1Q Os switches capacitados para processar tramas VLAN devem ter possibilidade de segregar as tramas de acordo com a VLAN a que pertencem. Para tal é necessário adicionar uma etiqueta (tag) de 4 octetos, designada por etiqueta - Q (Q tag), a seguir ao campo de endereço fonte da trama octetos Preâmbulo S F D Endereço de destino Endereço de fonte Etiqueta VLAN IEEE802.Q Comprime nto / Tipo Dados+ Enchimento (Pad) FCS O campo de prioridade (Prio ) pode ser usado para implementar classes de serviço. O campo CFI (Canonical Format Indicator) não é usado. 2 2 octetos Identificador do protocolo VLAN (0x8100) Prio. 3 bits CFI 1 bit Indentificador de VLAN 12 bits > 1500 : tipo da trama Só permite suportar 4096 diferentes VLANs João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

98 IEEE 802.1ad Provider Bridges O protocolo Q suporta só 4096 diferentes VLANs. Esse número é demasiado limitado para poder ser usado pelos operadores públicos para oferecer serviços VLAN. De modo a responder a essa limitação e continuar a garantir a aplicação das VLANs Q em ambientes corporativos, foi adicionada uma outra etiqueta, dedicada aos service providers. Norma: IEEE 802.1ad Provider Briges João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

99 Distribuição da Dimensão das Tramas Ethernet João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

100 Redes ATM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

101 Conceito de ATM O ATM (Asynchronous Tranfer Mode) é uma técnica de transferência de informação assíncrona que surge em contraste com Synchronous Transfer Mode que serve de base ao SDH. O ATM foi normalizado em 1988 como um meio de transferência de informação apropriado para o B-ISDN. O ATM foi concebido para transportar diferentes tipos de tráfego (voz, vídeo, dados), com débitos que podem ir desde um E1 até STM- 16. Os diferentes tipos de tráfego tem diferentes tipo de exigências em termos de qualidade de serviço (perdas de pacotes, atraso extremo-aextremo). Contrariamente ao IP o ATM tem possibilidade de proporcionar a diferentes ligações diferentes qualidades de serviço. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

102 Aplicações Antes do advento do MPLS (multi-protocol label switching) o ATM era a única tecnologia de rede que permitia garantir qualidade de serviço por ligação. Aplicações Redes de núcleo dos ISP (Internet Service Providers) Rede de acesso no ADSL Redes APON (ATM passive optical networks) e GPON Rede UTRAN no UMTS Video p2p e p2m Nas redes UMTS o ATM é usado na UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) para interligar os nós B (Base Station) aos RNC (Radio Network Controller) UTRAN na rede UMTS Nó B Nó B Interface Iub RNC UTRAN MSC João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

103 TDM versus Multiplexagem Estatística No TDM a informação transmitida por cada fonte tem de ocupar a posição que lhe está atribuída na trama. No caso da multiplexagem estatística cada fonte envia para o multiplexador toda a informação que tem para enviar sem esperar pelo seu slot. No caso do ATM esta informação é estruturada em células TDM Voz V1 V2 V A área representa o tráfego em bits Dados D2 D1 D3 D5 D4 MUX V1 D1 V2 D2 D3 V3 D4 D5 Bit/s s Os hiatos 4 e 8 vão em branco porque não há informação de voz para transmitir, embora haja dados para transmitir Multiplexagem estatística (ATM) V1 V2 V3 D2 D1 D3 D5 D4 MUX V1 D1 V2 D2 D3 V3 D4 D5 Mais eficiente: Os hiatos não activos são usados para transmitir dados. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

104 Princípios do ATM O ATM (Asynchronous Transfer Mode) usa o modo de transferência assíncrono: as fontes de informação são mutuamente assíncronas e a informação é segmentada em células, as quais são enviadas pelas fontes em instantes independentes. O TDM usa o modo de transferência síncrono: as fontes de informação são sincronizadas, e enviam as suas unidades de informação em intervalos de tempo que lhes são previamente atribuídos. No ATM a informação é estruturada em células com 53 octetos, sendo 48 octetos destinados ao campo de informação e 5 destinados ao cabeçalho. O ATM estabelece conexões entre dois pontos extremos (tecnologia orientada para a conexão). As conexões ATM designam-se por canais virtuais (VC, virtual channel) às quais é atribuído um idendificador VCI (virtual channel identifier). Os VC podem ser agregados formando um caminho virtual (VP, virtual path) também designado por conduta virtual. Cada VP é caracterizado por um identificador VPI (virtual path identifier). Conexão física VPI a VPI b VCI x VCI y VCI x VCI y João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

105 Elementos de Rede e Interfaces (1) Equipamento de utilizador (CEQ, Customer Equipment): Equipamento capaz de comunicar com outro através de uma rede ATM usando canais virtuais (circuitos virtuais). Esse equipamento deve permitir aos seus utilizadores transmitir mensagens de voz, vídeo e dados. UNI User-Network Interface CEQ UNI é uma especificação técnica que permite que equipamento de utilizador comunique com o equipamento de rede UNI VPI a, VCI x Os canais virtuais (VC, Virtual Channel) são estabelecidos e terminados numa base de chamada a chamada, como acontece na rede telefónica. Multiplexador ATM: Permite que diferentes canais virtuais provenientes de diferentes utilizadores sejam agregados de modo a partilharem o mesmo meio de transmissão. A agregação é feita fazendo com que diferentes canais virtuais pertencentes a diferentes caminhos virtuais (VP, virtual path) partilhem um único caminho virtual. VPI=1, VCI=1 NNI Network-Node Interface NNI: interface usada entre os nós da rede ou entre sub-redes UNI MUX ATM NNI VPI=2, VCI=1 VPI=3, VCI=1 VPI=4, VCI=1,2 & 3 Multiplexador João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

106 Elementos de Rede (2) Comutador de cruzamento ou cruzador ATM (ATM crossconnect): Permite reencaminhar os caminhos virtuais sem afectar os canais virtuais por eles transportados. VCI=1 VPI=1 VPI=4 VCI=3 VCI=2 VCI=3 VPI=2 VPI=5 VCI=4 VCI=5 VCI=4 VCI=5 VPI=3 VPI=6 VCI=6 VCI=1 VCI=6 Comutador ATM (ATM switch): Permite não só reencaminhar os caminhos virtuais, mas também comutar os canais virtuais entre os diferentes caminhos virtuais. VCI=1 VCI=2 VPI=1 Comutador de cruzamento VPI=2 VPI=3 VCI=3 VCI=4 VCI=2 O comutador deve possuir a capacidade de processar e de transladar os VPI e VCI transportados nos cabeçalhos das células. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

107 Permuta de Identificadores de Ligação O estabelecimento de um circuito virtual entre dois utilizadores normalmente consiste num caminho através de vários comutadores ATM. Como cada ligação pertencente ao caminho é caracterizada pelo seu identificador próprio (CI={VPI, VCI}) a função do comutador consiste em fazer a permuta de CIs (label swapping). B A VPI=10 VCI=55 VPI=20 VCI= Comutador ATM 3 4 VPI=10 VCI=74 VPI=30 VCI= Tabela de encaminhamento 1 VPI, VCI Porto de entrada Porto de saída Comutador ATM Note-se que os valores VPI/PCI só têm significado local, só são válidos para uma ligação. VPI=50 VCI= Comutador ATM Os circuitos virtuais podem ser permanentes ou comutados. Os primeiros são estabelecidos pelo sistema de gestão e os segundos por sinalização. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro D VPI=70 VCI=66 C O caminho entre A e C é constituído pelos seguintes CIs: 10/55, 30/37 e 70/66. A ligação efectua-se através do porto de entrada 1 do comutador 1 e sai do porto 3 do mesmo comutador, entra em seguida no porto 2 do comutador 2 e sai no porto 3 do mesmo comutador.

108 Modelo de Camadas ATM (1) A rede ATM é descrita em termos da camada de adaptação ATM, da camada ATM e da camada física. A camada física divide-se em sub-camada de suporte físico e sub-camada de convergência de transmissão. A camada de adaptação sub-divide-se em sub-camada de segmentação e agregação e subcamada de convergência. Camada de adaptação Sub-camada de convergência Sub-camada de segmentação Adapta as características dos serviços suportados às características do ATM Segmentação e agregação da informação ou SAR (Segmention and Reassembly) Camada ATM Controlo do fluxo de informação, geração e extracção do cabeçalho, translação do VPI/VCI da célula, multiplexagem/desmultiplexagem da célula Camada física Sub-camada de convergência Sub-camada de suporte físico Verificação/geração do HEC, delimitação da célula, adaptação à trama de transmissão geração e recuperação da trama Temporização de bit, codificação e descodificação (4B/5B e 8B/10B) e meio físico João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

109 Modelo de Camadas ATM(2) Cada camada (com excepção da física) tem um conjunto de octetos que são usados como cabeçalho da camada (cabeçalho de PDU). Estes octetos são adicionados sempre que a camada é introduzida e removidos sempre que esta é terminada. CEQ Comutador ATM CEQ Camada física Camada ATM Camada física Camada ATM Camada de Adaptação ATM Inserção de cabeçalhos de PDU (Protocol Data Unit) Serviços Camadas: Adaptação ATM ATM Física Adaptação ATM-PDU ATM-PDU Equipamento terminal Comutador ATM Equipamento terminal João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

110 Estrutura do Cabeçalho da Célula ATM A estrutura do cabeçalho é diferente conforme o fluxo de dados ATM é transmitido entre um utilizador ATM e a rede através de uma interface UNI, ou entre dois elementos de rede ATM através de uma interface NNI bit bit GFC VPI 1 VPI 1 UNI VPI VCI VCI PT VCI CLP Octeto NNI VPI VCI VCI PT VCI CLP Octeto HEC 5 HEC 5 O controlo de fluxo genérico ou GFC (Generic Flow Control) permite controlar o fluxo de dados enviados pelo equipamento do utilizador para a rede. O conjunto VPI (Virtual Path Identifier) e VCI (Virtual Channel Identifier) constituem a informação de endereçamento da célula. O tipo de capacidade útil (PT, Payload Type) especifica se o campo de informação transporta informação dos clientes ou de gestão. O campo de prioridade de perda de células (CLP, Cell Loss Priority), permite definir dois níveis de prioridade: CLP=0 prioridade alta; CLP=1 prioridade baixa. O campo HEC (Header Error Control) permite detectar vários erros de bit e corrigir 1 erro nos primeiros 4 octetos do cabeçalho e permite realizar o enquadramento da célula. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

111 Função da Camada ATM Multiplexagem/desmultiplexagem de células: células pertencentes a diferentes caminhos virtuais ou diferentes canais virtuais são multiplexadadas/ desmultiplexadas no/do mesmo fluxo de células. Translação do VPI/VCI das células: a função de encaminhamento consiste em mapear o VPI/VCI de uma célula recebida numa via de entrada (por exemplo de um comutador) ATM num novo VPI/VCI e numa via de saída usando uma tabela de encaminhamento presente no comutador. Geração/extracção do cabeçalho: O cabeçalho é inserido (extraído) quando a célula é recebida (enviada) da (para) camada de adaptação. Controlo do fluxo genérico: Esta função é usada para controlar o tráfego na UNI. Permite resolver conflitos entre utilizadores que acedem à mesma UNI, garantindo que cada utilizador só usa a largura de banda que lhe está disponível. Para garantir essa exigência pode ser necessário descartar células não prioritárias. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

112 Sub-camada de Convergência de Transmissão As principais funções são as seguintes: Geração/recuperação da trama de transmissão & adaptação da trama de transmissão Desacoplamento do débito das células Estas funções correspondem em alocar o fluxo de células ATM numa estrutura apropriada para transmissão (baseada no SDH ou na célula). Consiste em inserir (remover) na transmissão (recepção) células inactivas quando não há células provenientes da camada ATM disponíveis, de modo a que o débito do fluxo de células na camada física se mantenha constante. Geração e verificação do campo HEC Consiste em proteger a informação transmitida no cabeçalho das células usando o campo HEC. Este campo permite corrigir um bit errado e detectar até quatro bits errados. É baseado no controlo de redundância cíclica com o polinómio gerador x 8 +x 2 +x+1. O resto da operação é transmitido no campo HEC. ITU-T δ=6, α=7 Modo de procura α HEC incorrectos consecutivos Delimitação de células Modo de sincronismo HEC correcto HEC incorrecto Modo de presincronismo δ HEC correctos consecutivos A delimitação das células consiste em identificar as fronteiras das células no fluxo de bits constituído pela sequência das células transmitidas. A delimitação é feita com base no campo HEC. A ideia é encontrar 40 bits cuja divisão pelo polinómio gerador x 8 +x 2 +x+1 dê como resto 0. Diagrama de alinhamento de células do receptor: No modo de procura é realizada uma procura bit a bit até identificar o cabeçalho. Depois de identificado passa ao modo de presincronismo. Neste modo faz-se uma procura célula a célula. Depois de identificar δ cabeçalhos passa ao modo de sincronismo. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

113 Camada de Adaptação ATM É usada para adaptar as características da informação fornecida pelos utilizadores às características da rede ATM. A camada de adaptação pode proporcinar diferentes classes de serviços. Os principais parâmetros usados para diferenciar as classes são a necessidade de uma relação de temporização entre a fonte e o destinatário, o tipo de débito da fonte (constante ou variável) e o tipo de conexão de suporte ao serviço (orientado para a conexão ou orientado sem conexão). Classe A Classe B Classe C Classe D Relação de temporização Débito Binário Modo de Conexão Constante Requerido Orientado para a conexão Variável Não requerido Orientado s/ conexão O transporte de um sinal de voz a 64 kb/s é um serviço de classe A, o transporte de vídeo codificado com débito variável é um serviço de classe B, a transmissão de dados em modo orientado para a conexão (X.25, frame-relay) é um serviço de classe C e a transmissão de dados em modo orientado sem conexão ( IP) é um serviço de classe D. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

114 Protocolos AAL Tradicionalmente havia quatro tipos de protocolos AAL (ATM Adaptation Layer). Os protocolos AAL-1, AAL-2, AAL-3 e AAL-4, respectivamente para os serviços de classe A,B,C e D. Mais tarde os protocolos AAL-3 e AAL-4 foram fundidos no AAL-3/4 e foi normalizado o protocolo AAL-5. A informação associada a cada um destes protocolos consome alguns octetos do campo de informação da célula ATM (cabeçalho da PDU-SAR). A única excepção é o AAL5 que não introduz nenhuma cabeçalho de sub-camada SAR. Suporte físico Mbit/s Convergência de transmissão Cabeçalho SDH Cabeçalho da célula Campo de informação do VC Mbit/s Campo de informação da célula ATM (48 octetos) SAR: Segmention and Reassembly ATM AAL Mbit/s ATM AAL-1 ATM AAL-3/4 1 octeto 5 octetos Cabeçalho de PDU Cabeçalho de PDU Campo de informação do PDU-SAR (47 octetos) Mbit/s Campo de informação do PDU-SAR (44 octetos) 2 octeto 2 octeto Mbit/s Cabeçalho de PDU João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

115 Formato AAL5 O protocolo AAL5 é usado para suportar tráfego IP. Permite transferir unidades de dados de comprimento variável até um máximo de octetos. Para aumentar a eficiência de transmissão insere-se um cabeçalho mínimo antes da operação de segmentação e agregação. A sub-camada de convergência introduz em cada unidade um cabeçalho com oito octetos. Entre estes encontram-se os campos que indicam o comprimento do bloco e um código CRC. Esta sub-camada introduz ainda em cada unidade um certo número de octetos sem informação (enchimento) (0-47) de modo que o número de octetos da PDU- SC resultante seja múltiplo de 48. A sub-camada SAR não introduz nenhum cabeçalho. Esta sub-camada só usa um dos bits do campo PTI (terceiro) do cabeçalho da célula. Este bit é feito igual a 1 se a célula transporta os 48 octetos correspondentes à ultima parte da PDU-CS e igual a zero nos outros casos. 1 a a 47 8 Octetos PDU-CS Dados do utilizador PAD Cabeçalho Cabeçalho da célula PT 48 octetos PT 48 octetos PT 48 octetos PTI=xx0 PTI=xx0 PTI=xx1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

116 Ligações Virtuais Comutadas CEQ B Rede ATM (Plano do utilizador) CEQ E CEQ F CEQ A sinalização CEQ D UNI UNI OA DM CP CP UNI:user network interface CP: call processor CP AD M2 Plano de Controlo CP SW ATM: comutador ATM Ligação virtual comutada SWATM SW ATM SW ATM SW ATM SW ATM Rede ATM SW ATM SW ATM SW ATM As ligações virtuais semipermanentes são estabelecidas sobre o controlo do sistema de gestão João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

117 Categorias de Serviço em Redes ATM CBR (constant bit rate). Débito constante especificado por PCR e garantia de QoS (CLR, CTD máximo e peak-to-peak cell delay variation). Aplicações em tempo real como emulação de circuitos e vídeo a pedido. RT-VBR (real-time variable bit rate): Débito variável com garantia de relação temporal. Os parâmetros especificadores do tráfego são PCR, SCR e MBS e os da QoS são CLR CTD máximo e peak-to-peak cell delay variation. Aplicações em tempo real como vídeo e voz comprimidos. Ex: Aplicações multimédia e teleconferência. NRT-VBR (non-real-time variable bit rate): Débito variável e sem relação temporal. Especifica para o tráfego PCR, SCR e MBS. Para a qualidade de serviço especifica CLR. Aplicações sem ser em tempo real como transferência de dados críticos, interligação de LANs, etc, que requerem uma connectividade orientada para a ligação. UBR (unspecified bit rate): melhor esforço da rede sem garantia de qualquer qualidade de serviço. Aplicações como IP e interligação de LANs. ABR(available bit rate): O débito é variável de acordo com os recursos da rede (nível de congestão). É especificado o PCR e o minimum cell rate. Também pode ser especificado um valor para CLR. Aplicações sem tempo real como IP, ou interligação de LANs. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

118 Multi-Protocol Label Switching (MPLS) O MPLS trabalha adicionando aos pacotes IP um cabeçalho designado por label. O label é similar em termos de funcionalidade ao valor do VPI/VCI associado às células ATM e por isso garante uma operação connectionoriented. Cada label contém 4 campos: o primeiro campo (20 bit) é usado para transportar o valor do label; o segundo campo (3 bit) é usado para transportar informação sobre qualidade de serviço; o terceiro campo (1 bit) indica se o label corrente é o último de uma pilha de labels (S=1), ou não (S=0); o último campo (Time-to-Live) tem um significado similar ao TTL do IP. Label MPLS Label (20 bit) QoS(3 bit) S (1 bit) TTL ( 8 bit) Quando um router recebe um pacote decrementa o TTL. Quando o valor de TTL atinge zero o pacote é descartado. Uma rede MPLS inclui os Label Edge Routers (LER) e os Label Switching Routers (LSR). Os primeiros servem de interface entre a rede MPLS e a rede não MPLS, enquanto os segundo fazem o encaminhamento dos pacotes usando unicamente os labels. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

119 Capítulo 4 Redes de Transporte SDH

120 Estrutura Estratificada das Redes de Telecomunicações Camada de rede de serviços Tecnologias usadas: PDH, SDH, OTN Camada de rede de transporte PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy; SDH: Synchronous Digital Hierarchy; OTN: Optical Transport Network Camada de serviços: Consiste em redes de diferentes serviços (circuitos, IP,etc.) Camada de transporte: Fornece à camada superior uma plataforma apropriada para transferência de informação, que se pretende independente dos serviços. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

121 Rede de Transporte A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

122 Multiplexagem Multiplexagem designa a operação pela qual vários sinais analógicos ou digitais são combinados num único sinal tendo em vista a sua transmissão sobre um único canal. O dispositivo que realiza a operação de multiplexagem designa-se multiplexador (MUX), enquanto o dispositivo que realiza a operação inversa designa-se desmultiplexador (DEMUX). A multiplexagem pode ser realizada no domínio do tempo (TDM, Time-Division Multiplexing), no domínio da frequência (FDM, Frequency Division Multiplexing) ou no domínio do comprimento de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing). A operação de multiplexagem inversa consiste em separar um fluxo de informação em vários fluxos, os quais são transmitidos por diferentes canais e agregados na recepção. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

123 FDM e WDM Na multiplexagem por divisão na frequência (FDM) cada sinal (analógico ou digital) vai modular uma portadora com uma frequência própria. f f f 1 f N M U X f 1 f N f Aplicações: Redes de TV por cabo D E M U X f 1 f N f f Na multiplexagem por divisão no comprimento de onda (WDM) os sinais ópticos obtidos a partir da modulação de lasers são multiplexados. L 1 L 2 L N Laser λ 1 λ 2 λ N M U X Fibra Óptica λ 1, λ 2,...λ Ν Aplicações: Redes OTN e WDM D E M U X λ 1 λ 2 λ Ν R1 R2 R3 Receptor Óptico Na emissão N sinais eléctrícos vão modular N lasers, cada um emitindo num comprimento de onda próprio. Na recepção os N sinais ópticos obtidos a seguir ao DEMUX são convertidos para o domínio eléctrico e regenerados com receptores ópticos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

124 Multiplexagem por Divisão no Tempo (I) A multiplexagem por divisão no tempo permite que uma via de transmissão seja usada simultaneamente por vários utilizadores (canais). Trama N N canais de entrada M U X Bits de sincro Bits do canal 1 multiplexador Bits do canal 2 Bits do canal 3 Via de transmissão Bits do canal N desmultiplexador D E M U X N N canais de saída Desvantagem do TDM A transmissão da informação na via é organizada em tramas. Cada trama contém um número fixo de time-slots. Cada time-slot é atribuído a um determinado canal de entrada. Se esse canal não transmitir informação o time-slot correspondente está vazio. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

125 Multiplexagem por divisão no tempo (II) A multiplexagem TDM pode-se realizar usando interposição de bit ou interposição de palavra. No primeiro caso, a cada canal atribui-se um time-slot constituído por um único bit, enquanto no segundo caso a cada canal corresponde um time-slot constituído por vários bits (palavra). Interposição de palavra: Exemplo da multiplexagem de 4 canais: C 1 Palavra de 8 bit do canal C1 Multiplexagem Desmultiplexagem C 1 C 2 Trama C 2 C 4 C 3 C 2 C 1 C 3 C 4 t 4 t 3 t 2 t 1 Time-slot Sincronismo C 3 C 4 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

126 Relógios e Sincronismo A geração de sinais de sincronismo é feita por relógios. Um relógio ideal gera sinais isócronos, ou seja sinais em que a frequência é constante (pelo menos em valor médio). Sinais de relógio T o Relógio isócrono T 0 t t t Relógio real Desfasagem positiva Desfasagem negativa t Frequência nominal f 0 =1/T 0 A precisão de um relógio expressa em ppm (parte por milhão) traduz o afastamento da frequência real (f r ) da nominal (f 0 ). Estão definidas quatro hierarquias de precisão (níveis stratum). Precisão = f 0 f f 0 r Nível Precisão (ppm) Stratum 1 Stratum 2 Stratum 3 Stratum Os relógios de stratum 1 são relógios atómicos (césio ou rubídio) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

127 Redes Síncronas e Plesiócronas Dois relógios são síncronos se operam com a mesma frequência e com uma diferença de fase constante. Os relógios não síncronos designam-me por assíncronos. Os relógios assíncronos dividem-se em: mesócronos, plesiócronos e heterocronous. Relógios mesócronos: têm a mesma frequência, mas a relação de fase é aleatória. Relógios plesiócronos: têm a mesma frequência nominal, mas a real pode ser ligeiramente diferente. Relógios heterocronous: têm a frequência e fases diferentes. Redes síncronas e plesiócronas Relógio de stratum 1 Rede plesiócrona Rede síncrona Relógios com a mesma frequência nominal, mas independentes NE 1 NE 2 NE 3 NE 4 Relógios com a mesma frequência nominal, controlados por um relógio central NE 1 NE 2 NE 3 NE 4 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

128 Estrutura de uma Trama TDM (E1) A frequência de amostragem mínima (f a ) de um sinal deve ser igual ou superior ao dobro da frequência máxima do sinal (f a 2B). Um canal telefónico usa uma banda entre os 300 e os 3400 Hz. Para uma frequência máxima de 4000 Hz, tem-se uma frequência de amostragem de 8 khz, ou seja, um período de amostragem de 125 μs. Codificando cada amostra com 8 bits tem-se um débito de 64 kbit/s. A trama de um sinal E1 é consituída por 32 time-slots, a que correspondem 32 canais (30 de informação). Time-slot 8 bits μs Trama E1 Cada conjunto de 8 bits (time-slot) não poderá durar mais de 125μs/32=3.9 μs, o que corresponde a ns por bit, ou seja, um débito binário de Mbit/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

129 Sistema de Multiplexagem Primário E1 (ITU-G704) A trama correspondente ao sinal E1 tem uma duração de 125 μs e está dividida em 32 intervalos de tempo. Os intervalos de tempo numerados de 1 a 15 e 17 a 32 são atribuídos a canais de informação, cada um com um débito de 64 kbit/s. Os intervalos de tempo 0 e 16 são usados, respectivamente, para fins de sincronização de trama e sinalização. No intervalo de tempo 0 das tramas ímpares é transmitido o padrão de enquadramento de trama (PET), enquanto nas tramas pares é transmitido um padrão de não enquadramento (NPET) PET 1 2 S1 S PEM: padrão de enquadramento de multitrama de sinalização NPET 1 2 S3 S PET 1 2 S5 S PET 1 2 S29 S NPET 1 2 PEM xxxx Multitrama de sinalização (16x125μs=2 ms) Si: sinalização correspondente ao canal i. A sinalização de cada canal é actualizada de 2 em 2 ms. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

130 Aspectos de Sinalização Para estabelecer, terminar e controlar chamadas telefónicas é necessária sinalização entre os assinantes e a central local e entre as diferentes centrais. A informação de sinalização de assinante (na rede local), corresponde a sinais que variam lentamente, sendo suficiente um débito de 2 kb/s por assinante, e uma actualização da informação de 2 em 2 ms. Exemplo de um sinal de endereçamento (número 32): Pulso Interdígito Dígito ms 60 ms 40 ms Intervalo de amostragem de 2 ms No sistema em que se faz uma actualização da sinalização de cada assinante de 2 em 2 ms designa-se por sistema de sinalização de canal associado. Em alternativa tem-se o sistema de sinalização em canal comum, que proporciona um canal de sinalização a 64 kb/s, que é usado pelos diferentes canais. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

131 Padrão de Enquadramento (E1) O padrão de enquadramento permite sincronizar a trama do lado do receptor. É constituído por uma padrão fixo com 7 bits. O primeiro bit do padrão têm funções especiais. PET b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 Ui(C) No PCM30 o bit 1 (Ui) é usado para aplicações internacionais. No PCM30C o bit 1(C) é usado para o controlo CRC-4 (Código de Redundância Cíclica). O padrão de não enquadramento é usado para transportar informação sobre o estado da ligação e proporciona sinais de controlo para os multiplexadores. No PCM30 o bit 1 (Ui) é usado para aplicações NPET Ui(M) 1 A S a4 S a5 S a6 S a7 S a8 internacionais. No PCM30C o bit 1(M) é usado como padrão Falha de corrente de multitrama para a transmissão do CRC-4. 0:Normal 1:Alarme Falta do sinal E1 MUX A PET NPET MUX B Falha no Codec Erro no PET Taxa de erro do PET> Alarme AIS (Alarm Indication Signal) O bit A é usado como um alarme distante. Quando os bits Sa não são usados são feitos igual a 1. Sa4 pode ser usado para transmissão de dados de serviço, e os outros bits para diferentes aplicações. O NPET pode ser usado para transmitir um alarme distante RAI (Remote Alarm Indicator). Quando A recebe esse alarme deixa de transmitir os sinais de voz e passa a transmitir uma sequência de 1s. O multiplexador em B activa o alarme AIS (Alarm Indication Signal). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

132 Hierarquia Plesiócrona Europeia Na hierarquia PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) os relógios dos diferentes elementos de rede (regeneradores e multiplexadores) não estão perfeitamente sincronizados. A primeira hierarquia PDH (sistema multiplex primário) europeia corresponde à multiplexagem de 30 canais de 64 kbit/s, enquanto as hierarquias de ordem superior obtêm-se multiplexando 4 de ordem inferior. 30 canais (64 kb/s) Mux Mux primário primário X30 X30 E Mbit/s (30 canais) E Mbit/s (120 canais) X4 X4 X4 X4 E Mbit/s (480 canais) X4 X4 E Mbit/s (1920 canais) Os relógios da hierarquia europeia requerem as seguintes precisões: Hierarquia E1 E2 E3 E4 Precisão 50 ppm 30 ppm 20 ppm 15 ppm João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

133 Hierarquia Plesiócrona Americana A nível mundial para além da hierarquia europeia há também as hierarquias plesiócronas americana e japonesa as quais têm a particularidade de serem incompatíveis entre si. As primeiras hierarquias PDH americana e japonesa usam como sistema multiplex primário um sistema com 24 canais de 64 kb/s. Hierarquia plesiócrona americana: 24 canais (64 kb/s) Mux Mux primário primário X24 X24 DS Mbit/s (24 canais) X4 X4 DS Mbit/s (96 canais) DS Mbit/s (672 canais) X7 X7 DS-n: Digital Signal ol Level n X6 X6 DS Mbit/s (4032 canais) Os sinais DS-n são transportadas usando um carrier system (inclui a componente de transmissão e as interfaces) designado por T-n. Assim, o DS1 é transportado através do T1. O DS2 através do T2, etc João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

134 Origem do Plesiocronismo Todos os elementos de rede digitais requerem uma fonte de temporização, ou relógio, de modo a sincronizar todas as operações realizadas por esse elemento. Os relógios reais não são isócronos, ou seja, a sua frequência de emissão está sujeita a ligeiras flutuações relativamente à frequência nominal. Relógio isócrono t Desfasagem positiva Desfasagem negativa Relógio real t Devidos às características referidas, dois relógios independentes com a mesma frequência nominal são plesiócronos (quase síncronos), pois oscilam com frequências que embora diferentes estão muito próximas. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

135 Perturbações Introduzidas no Relógio A temporização necessária para sincronizar os relógios das centrais digitais pode ser derivada a partir da trama E1, a que corresponde um sinal de relógio de MHz. A transmissão deste sinal através de uma rede está sujeita a perturbações. As mais relevantes são a flutuação de fase ou jitter e o vageio de frequência. O jitter corresponde a variações rápidas da frequência do relógio em torno da sua frequência média. As principais fontes de jitter são os regeneradores e os multiplexadores. t Relógio isócrono Desfasagem positiva Desfasagem negativa t Relógio irregular (com jitter) A amplitude do jitter é expresso em termos do intervalo unitário ou UI (unit interval), sendo 1 UI igual ao período de bit (488 ns no E1). Por exemplo, um valor de 0.05 UI, indica que a flutuação temporal não deve ultrapassar 5% do período de bit. O vagueio de frequência corresponde a variações lentas (<10Hz) da frequência de relógio em torno do seu valor nominal, devido a variações do comprimento de transmissão. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

136 Papel das Memórias Elásticas A temporização usada para formar as tramas PDH de ordem superior (E2, E3 e E4) não é derivada do relógio da rede a MHz, mas é gerada localmente no multiplexador com a precisão do relógio interno. O débito de chegada dos dados à entrada do multiplexador para cada um dos canais (tributários), pode ser diferente do débito de leitura imposto pelo relógio do multiplexador. A diferença de velocidades deve-se ao plesiocronismo e também às perturbações de transmissão (jitter e vagueio). Para acomodar essas diferenças usam-se memórias elásticas com capacidade para armazenar uma trama do tributário de entrada. A memória é escrita ao ritmo do tributário e é lida ao ritmo imposto pelo relógio do multiplexador. Sinal de tributário, D k Memória Elástica Sinal de saída, D k Recuperação do relógio f k Escrita Leitura, f k Relógio do multiplexador João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

137 Origem dos Slips Estrutura de uma memória elástica Sinal de entrada, D k Operação da memória elástica (por bit) f k 1 2 Endereços de leitura f k =f k escrita leitura Tempo Endereços de escrita L bits f k f k >f k Dupla escrita Dupla escrita P/S Sinal de saída, D k Uma dupla escrita implica que uma trama (com L bits) é escrita sem a anterior ter sido lida Uma dupla leitura implica que a mesma trama é lida duas vezes Esta perda ou repetição designa-se por slip f k <f k Dupla leitura Dupla leitura Tempo Tempo João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

138 Impacto dos Slips A perda ou repetição de uma trama completa designa-se por slip controlado e ocorre com um período dado por T s = D k L D k = L ΔD k L: comprimento da trama em bit D k : débito binário de entrada D k: débito binário de saída O efeito dos slips depende do serviço considerado. Serviço Voz Fax Multimedia Texto encriptado Dados Dados na banda de voz Impacto dos Slips Cliques, perda de dados de sinalização (SS7) Perda de 4 a 8 linhas de varrimento Perturbação nas tramas de video, salvas de ruído no áudio É necessário retransmitir o código de criptografia Perda ou repetição de dados Erros de transmissão de 0.01 até 2 s, a chamada pode ser perdida Para reduzir a frequência de ocorrência dos slips deve-se aumentar a precisão dos relógios. Por exemplo, para garantir um período de slips de 20 h deveria usar-se no sistema E1 relógios com uma precisão de João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

139 Justificação Como as exigências imposta aos relógios para eliminar os slips são muito elevadas, recorre-se a uma outra técnica, designada por justificação, para evitar os slips. Na justificação positiva a frequência do relógio de leitura é feita igual ao ritmo máximo no canal de entrada, ou seja fk = fk + Δfk. Para evitar o esvaziamento da memória elástica é inserido na sequência de saída um bit sem informação (bit de justificação). Sistema de sincronização do multiplexador: Sinal do tributário, D k Relógio recuperado, f k Memória Elástica Inibidor Sinal de saída, D k Detector fase Comando de inibição f k Relógio interno Controla a ocupação da memória Quando a ocupação desce abaixo de um limiar O relógio de leitura é inibido durante um período de relógio João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

140 Estrutura de um Multiplexador TDM Plesiócrono Um multiplexador TDM plesiócrono inclui um multiplexador síncrono, um sincronizador por cada tributário e um relógio. O multiplexador terminal realiza a multiplexagem por interposição de bit dos bits lidos das diferentes memórias. Sinal do tributário 1 Relógio recuperado do tributário 1 D 1 f 1 Memória elástica f 1 ' Multiplexador síncrono D 2 f 2 Memória elástica f 2 ' Mux D 0 Sinal multiplexer com débito D 0 Sinal do tributário N Relógio recuperado do tributário N D N f N Memória elástica f ' N Controlo de justificação + sincronismo Padrão de enquadram. f 0 Relógio do multiplexador O relógio do multiplexador gera o relógio do sinal multiplexer (f 0 ), enquanto o bloco de controlo de justificação e sincronismo gera os relógios de leitura das diferentes memórias elásticas, usando a referência obtida a partir do relógio do multiplexador. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

141 Estrutura da Trama E2 com Justificação Positiva A posição do bit de justificação na trama é assinalada pelos bits de indicação de justificação (bits C). Com base na informação transmitida pelos bits C os bits de justificação são removidos no desmultiplexador. Estrutura da trama E2 com justificação positiva (G742) F1 F1 F1 F1 F0 F1 F0 F0 F0 F0 X Y I 13 I 212 C k1 = C k2 = C k3 =1 C 11 C 21 C 31 C 41 I 5 I 6 I 7 I 8 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 212 Há justificação C 12 C 22 C 32 C 42 I 5 I 6 I 7 I 8 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 212 C 13 C 23 C 33 C 43 J 1 J 2 J 3 J 4 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 212 C k1 = C k2 = C k3 =0 Padrão de enquadramento de trama Bits F, F1=1 e F0=0 Bits de indicação de justificação Bits C, C kj : controlo de justificação do canal k Não há justificação Bits de justificação Bits J, J k : justificação do canal k Bits de informação Bits I, I 5,I 6,I 7,I 8 bits de informação, respectivamente, do canal 1, 2, 3 e 4 Bits de de serviço Bit X: bit de alarme, bit Y:bit de reserva João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

142 Estrutura da Trama E2 com Justificação Positiva/Negativa Na justificação positiva/negativa o relógio de leitura opera à velocidade nominal. Quando o débito de entrada aumenta são removidos bits da sequência e transmitidos em posições determinadas (justificação negativa). No caso oposto usa-se justificação positiva. Estrutura da trama E2 com justificação positiva /negativa (G745) C k1 = C k2 = C k3 =1 F1 F1 F1 F0 F0 F1 F1 F0 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 264 Justificação positiva C 11 C 21 C 31 C 41 X 1 X 2 X 3 X 4 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 264 C k1 = C k2 = C k3 =0 C 12 C 22 C 32 C 42 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 I 9 I 10 I 11 I 12 I 13 I 264 C 13 C 23 C 33 C 43 J - 1 J - 2 J - 3 J - 4 J + 1 J + 2 J + 3 J + 4 I 13 I 264 Padrão de enquadramento de trama Bits F, F1=1 e F0=0 Bits de indicação de justificação Bits C, C kj : controlo de justificação do canal k Bits de justificação Bits J, J k : justificação do canal k (J - :negativa; J + :positiva) Justificação negativa C kj =1, C kj =0 alternadamente Não há justificação Bits de informação Bits I, I 9,I 10,I 11,I 12 bits de informação, respectivamente, do canal 1, 2, 3 e 4 Bits de de serviço Bits X: bits de alarme, bits Y:bits de reserva João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

143 Desvantagens da PDH (1) Não há normalização para débitos superiores a 140 Mbit/s. Incompatibilidade entre equipamento de diferentes fabricantes. Falta de flexibilidade. É difícil usar o equipamento PDH para funções de inserção/extracção de canais. Difícil a monitorização do desempenho dos canais ao longo da transmissão. Capacidade muito limitada para funções de gestão centralizada (não há canais nas tramas destinados a esta função). Não tem interfaces normalizadas a nível óptico (ex. definição dos códigos a usar, do nível de potência, da largura de linha das fontes). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

144 Desvantagens da PDH (2) Cascata de multiplexadores/desmultiplexadores usados para extrair um E1 de um E4. Terminal de linha de 140 Mb/s DMUX Mb/s 8 Mb/s 2 Mb/s MUX Terminal de linha de 140 Mb/s Mb/s As interfaces só estão normalizadas a nível eléctrico MUX Interface eléctrica normalizada (G.703) Terminal de linha óptica Interface óptica proprietária do fabricante Códigos de linha, níveis de potência óptica, tipo de fibra, não normalizados. Fibra óptica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

145 Hierarquia Digital Síncrona João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

146 Hierarquia Digital Síncrona A hierarquia SONET (Synchronous Optical Network) foi proposta pela Bellcore (Telecordia) em 1985, com o objectivo de transportar os sinais DS-n no domínio óptico. A hierarquia SDH (Synchronous Digital Hierarchy) foi definida posteriomente pelo ITU-T como uma norma internacional, compatível com a SONET e com capacidade para transportar os sinais PDH E-n. A informação transmitida na SDH/SONET está organizada em tramas TDM. O sinal básico SDH designa-se por Synchronous Transport Module (STM). O sinal básico SONET no domínio eléctrico designa-se por Synchronous Tranport Signal (STS), enquanto no domínio óptico designa-se por Optical Carrier (OC). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

147 Débitos SONET/SDH Hierarquias SONET e SDH SONET SONET SDH Débito Binário (Óptico) (Eléctrico) (Mb/s) OC-1 STS OC-3 STS-3 STM OC-12 STS-12 STM OC-48 STS-48 STM OC-192 STS-192 STM OC-768 STS-768 STM As hierarquais SDH também foram definidas para o transporte de células ATM e pacotes IP empacotados em PPP (point-to-point protocol) ou HDLC (high-level data link control). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

148 VantagensdaSDH (1) Há normas até 10 Gbit/s: Apropriada para as rede de transporte. STM Mbit/s, STM Mbit/s, STM Mbit/s, STM Mbit/s, STM Gbit/s (STM: Synchronous Transport Module). Compatibilidade entre o equipamento de diferentes fabricantes e entre as hierarquias europeias e americanas. Função de inserção/extracção simplificada. Como a tecnologia é síncrona é fácil identificar os canais de ordem inferior. Gestão centralizada fácil. A trama SDH dispõe de um número elevado de octetos para comunicação entre os elementos de rede e um centro de gestão centralizada, usando o sistema TMN (Telecommunications Management Network). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

149 VantagensdaSDH (2) Elevada disponibilidade permitindo uma provisão rápida dos serviços requeridos pelos clientes. Tal deve-se ao facto da SDH fazer uso intensivo de software, em contrapartida com a PDH cuja funcionalidade reside no hardware. Elevada fiabilidade. As redes SDH usam mecanismos de protecção que permitem recuperações rápidas a falhas (da ordem dos 50 ms), quer das vias de comunicação, quer dos nós da rede. Normalização das interfaces ópticas (definindo os códigos a usar, os níveis de potência, as características dos lasers e das fibras, etc.). Possibilidade de monitorizar o desempenho dos diferentes canais. Plataforma apropriada para diferentes serviços. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

150 Desvantagens da SDH Técnica complexa devido à necessidade de registar a relação de fase entre os sinais dos tributários e o cabeçalho. A justificação por octeto usada na SDH é mais problemática relativamente ao jitter originado no processo de desmultiplexagem, do que a justificação por bit. A estrutura de multiplexagem não está organizada de modo muito eficiente no que diz respeito ao transporte dos tributários CEPT. Por exemplo, só é possível transportar 3x34 Mbit/s numa trama STM-1, embora a capacidade do STM-1 permitisse 4x34 Mbit/s. A estrutura de multiplexagem não está organizada de modo uniforme no que diz respeito ao transporte dos tributários plesiócronos. Um determinado tributário pode ser transportado usando diferentes opções de multiplexagem. Não suporta de modo eficiente as tramas Ethernet. SDH nova geração João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

151 Exemplificação do Papel do Transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). d Camada de rede de serviço CC CC c Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) CC a CC ADM E A ADM ADM Camada de rede de Transporte B b ADM D ADM C João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

152 Rede de Transporte em Aplicações Telefónicas CT3 Rede de Serviço (circuitos) CL2 CL3 CT1 CT2 CL1 ADM ADM ADM 2.5 Gbit/s ADM ADM DXC ADM Rede de Transporte (SDH) Mbit/s ADM Usada para interligar diferentes centrais telefónicas Elementos de rede SDH DXC: Cruzador digital (digital crossconnect) ADM: Multiplexador de inserção/extracção (add/drop multiplexer) Elementos de rede telefónica CL: Central telefónica local CT: Central telefónica de trânsito João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

153 Rede de Transporte em Aplicações de Dados CR Rede de Serviços (pacotes) ER CR CR ER ER ADM ADM Elementos de rede SDH ADM DXC: Cruzador digital (digital crossconnect) ADM: Multiplexador de inserção/extracção (add/drop multiplexer) 2.5 Gbit/s ADM ADM Elementos de rede de pacotes ER: Edge router CT: Core router DXC ADM Rede de Transporte (SDH) Mbit/s ADM Usada para interligar diferentes routers de uma rede IP ou diferentes comutadores de uma rede Ethernet Numa rede IP (Internet Protocol) os routers são usados para encaminhar os pacotes Os edge routers são aqueles que estão mais próximos do utilizador, enquanto os core routers fazem parte da dorsal da rede. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

154 Estabelecimento de Caminhos Fases do estabelecimento: 1) O sistema de gestão configura os diferentes elementos de rede envolvidos no circuito; 2) Os elementos de rede de serviço iniciam a sua actividade. Interligações representadas: 1: CL3 CT1 2: CL2 CT3 CT3 Rede de Serviços (circuitos) CL2 CL3 CT1 CT2 CL1 ADM ADM Sistema de Gestão de Rede ADM 2.5 Gbit/s ADM ADM DXC ADM Rede de Transporte (SDH) Mbit/s ADM A informação de gestão é enviada através do DCC (Data Communication Channel) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

155 Definição dos Elementos de Rede (1) Regenerador: Regenera o relógio e a forma dos sinais de entrada. Possui canais de comunicação a 64 kb/s para transmitir mensagens. STM-N R STM-N Multiplexador terminal: Agrega sinais plesiócronos ou síncronos de modo a formar sinais STM-N de débito mais elevado. PDH SDH (STM-M) MT STM-N (N>M) Multiplexador de inserção/extracção: Permite extrair/inserir, quer sinais PDH, quer sinais SDH de débito mais baixo do que o da linha. STM-N Oeste ADM STM-N Este Tributários PDH, SDH (STM-M) M<N João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

156 Definição dos Elementos de Rede (2) Comutador de cruzamento ou cruzador (DXC, digital cross-connect): Proporciona funções de comutação apropriadas para estabelecer ligações semi-permanentes a nível do VC-1, VC-3, VC-4, e permite o restauro das redes. STM-N STM-N STM-N STM-N Os comutadores de cruzamento são usados para interligar anéis SDH, ou como nós de redes em malha. 1 E3 C,2 E3 B,3 ADM A ADM ADM DXC ADM 4 ADM C 2 ADM ADM ADM 4 ADM Fibra Óptica 1 ADM B ADM 3 ADM 3 2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

157 Topologias Físicas (1) Topologia em cadeia PDH SDH MT STM-N ADM R ADM STM-N MT PDH SDH PDH SDH PDH SDH Topologia em anel com duas ou quatro fibras ADM ADM ADM ADM ADM ADM Duas fibras ópticas ADM Quatro fibras ópticas ADM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

158 Topologias Físicas (2) Anéis unidireccionais e bidireccionais ADM ADM ADM ADM ADM ADM Anel unidireccional ADM Anel bidireccional ADM Topologia emalhada (usada no núcleo central da rede) DXC DXC DXC DXC DXC DXC A presença dos DXC permite implementar um sistema de restauro dinâmico para fazer face a falhas na rede. Com esta técnica o sistema de gestão da rede reencaminha o tráfego por percursos alternativos àqueles onde ocorreram falhas. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

159 Estabelecimento de um Caminho Exemplo de um caminho (E3) entre o utilizador A e o utilizador B ADM Sinais de controlo A MT ADM STM-4 ADM B E3 STM-1 ADM E3 Sistema de Gestão de Rede O utilizador A gera um sinal E3 que é multiplexado em conjunto com outros E3 num sinal STM-1 usando um multiplexador terminal. O sinal STM-1 é transmitido até um ADM onde é inserido num sinal STM-4. O sinal STM-4 é transmitido em fibra óptica até ao ADM que serve o utilizador B onde é extraído. Na comunicação B A o processo é recíproco. A ligação entre A e B com capacidade E3 é estabelecida por um operador através do sistema de gestão de rede, que envia os sinais de controlo apropriados para configurar cada um dos elementos de rede ao longo da ligação. Ligação semi-permanente e dedicada João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

160 Arquitectura de uma Rede de Transporte DXC DXC DXC DXC DXC DXC Rede Dorsal ( STM-64) ADM ADM ADM DXC ADM ADM ADM ADM Rede Metropolitana (STM-4 ou STM-16) ADM Nó concentrador (Hub) ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM TM ADM Rede de Acesso (STM-1) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

161 Modelo de Camadas da SDH (1) Rede de transporte SDH Camada de caminho Camada de transmissão Ordem superior Ordem inferior Camada de secção Camada física Sub-camada de secção de multiplexagem Sub-camada de secção de regeneração João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

162 Modelo de Camadas da SDH (2) Algumas das funcionalidades das camadas: Caminho: Identificação da integridade da ligação, especificação do tipo de tráfego transportado no caminho e monitorização de erros. Secção de multiplexagem: Sincronização, comutação de protecção, monitorização de erros, comunicação com o sistema de gestão. Secção de regeneração: Enquadramento de trama, monitorização de erros, comunicação com o sistema de gestão. Física: Forma dos pulsos ópticos, nível de potência, comprimento de onda, sensibilidade dos receptores, etc. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

163 Modelo de Camadas da SDH (3) Cada camada (com excepção da física) tem um conjunto de octetos que são usados como cabeçalho da camada. Estes octetos são adicionados sempre que a camada é introduzida e removidos sempre que esta é terminada. Regenerador Multiplexador de inserção/extracção Multiplexador terminal MT R ADM MT S. Regeneração S. Regeneração S. Regeneração Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem Inserção de cabeçalhos Caminho Serviços Camadas: Caminho Secção de Multiplexagem Secção Regeneração Física Cabeçalho de caminho Cabeçalho de secção de multiplexagem Cabeçalho de secção de regeneração Multiplexador terminal Regenerador Multiplexador ADM Multiplexador terminal João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

164 Modelo de Camadas SDH (4) CL3 CT1 CT3 Rede de Serviços (circuitos) CL2 CL3 CT1 CT2 CL1 ADM ADM ADM 2.5 Gbit/s ADM ADM Caminho ADM Mbit/s TM ADM S. multiplexagem Rede de Transporte DXC: crossconnect TM: multiplexer terminal ADM: multiplexer de inserção/extracção CT: central de trânsito CL: central local João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

165 Estrutura da Trama Básica Uma trama SDH básica (STM-1) contém três blocos: - Cabeçalho de secção (SOH, section overhead) - Ponteiro (PT): permite localizar a informação transportada no VC - Contentor virtual (VC): capacidade transportada + cabeçalho de caminho. A duração da trama é igual a 125 μs, o que corresponde a 8000 tramas/s. Cabeçalho da secção de regeneração Ponteiro Cabeçalho da secção de multiplexagem SOH PT SOH Contentor Virtual Representação bidimensional de uma trama STM-1: matriz com 9 linhas e 270 colunas, a que correspondem 2430 octetos. Os diferentes octetos são transmitidos linha a linha, começando pela 1ª linha e 1ª coluna. 125 μs João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

166 Formação da Trama STM-N Sinais SDH multiplex de ordem superior são obtidos através de uma multiplexagem por interposição de palavra (octeto) de vários STM-1 O débito binário do sinal STM-N é N Mbit/s STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #N SOH SOH SOH PT VC PT VC PT VC SOH SOH SOH 125 μs 125 μs 125 μs 9 N SOH PT SOH 261 N Contentor virtual N 125 μs João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

167 Cabeçalho de Secção da Trama STM-1 (1) Estrutura do cabeçalho de secção Cabeçalho de secção de regeneração Ponteiro A1 B1 D1 H1 A1 Δ Δ h1 A1 Δ Δ h1 A2 E1 D2 H2 A2 Δ Δ h2 A2 h2 J0 F1 D3 H3 X X H3 X X H3 X: usados para uso nacional Δ: informação dependente do meio de transmissão (fibra óptica, feixe hertziano, etc). B2 B2 B2 K1 K2 Cabeçalho de secção de multiplexagem D4 D7 D10 S1 D5 D8 D11 M1 D6 D9 D12 E2 X X Ex: Comandos de aprovisionamento remoto de capacidade; reportagem de alarmes; reportagem de parâmetros de desempenho, etc. Cabeçalho de secção de regeneração A1, A2 : Padrão de enquadramento de trama (A1= , A2= ). Jo: Traço de secção de regeneração. Verifica a integridade da ligação a nível de secção. B1: Monitorização de erros a nível da secção de regeneração. D1- D3: Canal de comunicação de dados. Transporta informação de gestão de rede. E1: Canal de comunicação de voz (64 kb/s) entre regeneradores. F1: Canal de utilizador. Diferentes aplicações. Ex: transmissão de dados, alarmes, etc. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

168 Cabeçalho de Secção da Trama STM-1 (2) Cabeçalho de secção de multiplexagem B2: Monitorização de erros a nível da secção de multiplexagem. K1- K2: Comutação de protecção automática (Transporta o protocolo APS). D4- D12: Canal de comunicação de dados a 576 kbit/s. Transporta informação de gestão de rede entre os elementos que terminam a secção de multiplexagem e entre estes e o sistema de gestão de rede. S1: Indicador da qualidade do relógio. Transporta mensagens referentes ao tipo de relógio usado no processo de sincronização. M1: É usado para transportar uma indicação de erro remoto ou REI (remote error indication) a nível de secção de multiplexagem. O alarme REI é enviado para o ponto onde a secção de multiplexagem é originada e indica o número de blocos detectados errados a partir da informação dada pelo B2. E2: Canal de comunicação de voz (64 kb/s) para comunicações vocais entre as extremidades da camada de multiplexagem. Ponteiro H1, H2: Octetos de ponteiro. Indicam o início do contentor virtual na trama. H3: Octetos de acção do ponteiro. Usados para justificação negativa. h1, h2: Octetos com um valor invariável. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

169 Subestruturas Modulares do STM-1 Contentor (C) Unidade básica usada para transportar informação dos tributários (ex PDH). Inclui ainda octetos de justificação fixa (sem informação) para adaptar os débitos dos tributários aos débitos dos contentores e bits usados para justificação dos tributários PDH. Contentor Virtual (VC) O contentor virtual consiste num contentor mais o cabeçalho de caminho. O VC é uma entidade que não sobre modificações desde o ponto onde o caminho é originado até ao ponto onde é terminado. Os VCs transmitidos directamente no STM-1 designam-se contentores virtuais de ordem superior, e os restantes de ordem inferior. Unidade Administrativa (AU) Consiste num contentor virtual de ordem superior mais um ponteiro de unidade administrativa. O ponteiro regista a relação de fase existente entre o contentor virtual e a trama e específica o início do contentor virtual. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

170 Subestruturas Modulares do STM-1 (2) Grupo de unidade administrativa (AUG) Resulta da combinação por interposição de octeto de várias unidades administrativas. Adicionando o cabeçalho de secção à AUG obtem-se a trama STM-1. Unidade tributária (TU) A unidade tributária consiste num contentor virtual de ordem inferior mais um ponteiro da unidade tributária. Como o VC de ordem inferior pode flutuar dentro do VC de ordem superior, o início do primeiro dentro do segundo é indicado pelo ponteiro da unidade tributária. Grupo de unidade tributária (TUA) Resulta da combinação de várias unidades tributárias por interposição de octeto. Em alguns casos é necessário proceder a justificação fixa, para adaptar débitos binários. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

171 Transporte das Hierarquias E3 e E4 no STM-1 Transporte do E3 e E4 E3 E4 Octetos sem informação Octetos sem informação Mapeamento do E3 C-3 C-4 Cabeçalho de caminho de ordem superior Cabeçalho de caminho de ordem superior Alinhamento VC-3 VC-4 Ponteiro da AU-3 Ponteiro da AU-4 Multiplexagem por interposição de octeto AU-3 Unidade administrativa Multiplexagem de 3 AU-3 AU-4 Unidade administrativa AUG AUG Cabeçalho de secção Cabeçalho de secção STM-1 STM-1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

172 Estrutura de Multiplexagem Estrutura de multiplexagem do SDH ATM E3: Mb/s DS3: Mb/s DS2: Mb/s C-3 C-2 VC-3 VC-2 TU-3 TU VC-3 AU-3 3 AUG 1 STM-N=N Mb/s N STM-N E1: Mb/s DS1: Mb/s E4: Mb/s ATM C-12 C-11 C-4 VC-12 VC-11 C - Contentor VC - Contentor Virtual TU - Unidade Tributária TUG - Grupo de Unidade Tributária AU - Unidade Administrativa AUG - Grupo de Unidade Administrativa TU-12 TU-11 3 Em TUG TUG-3 3 Alinhamento Mapeamento Multiplexagem VC-4 AU-4 A informação entre os routers IP pode ser enviada usando o esquema Packet over Sonet/SDH. Os pacotes IP são encapsulados no protocolo PPP (Point-to- Point Protocol) e o signal resultante é depois transmitido num STM-N. existe processamento de ponteiros João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

173 Contentores Virtuais de Ordem Superior Os contentores virtuais VC-3 e VC-4 obtêm-se adicionando, respectivamente, aos contentores C-3 e C-4 um cabeçalho de caminho de ordem superior J1 J1 B3 B3 VC-4 C2 G1 F2 H4 C4 VC-3 C2 G1 F2 H4 C3 Cabeçalho de caminho de ordem superior F3 K3 N1 Duração=125 μs F3 K3 N1 O cabeçalho de caminho de ordem superior é constituído por 9 octetos iniciando-se com octeto J1, que é também o primeiro octeto do VC. O contentor VC-4 é constituído por 261 9=2349 octetos, o que dá um débito de Mbit/s. Ao VC-3 corresponde um débito de Mb/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

174 Octetos do Cabeçalho de Caminho de Ordem Superior J1: Permite verificar a integridade do caminho. O terminal onde o caminho é gerado envia repetidamente uma mensagem padrão (traço de caminho) através de J1 a qual é confirmada pelo terminal receptor. O traço é constituído por 16 octetos. B3: É usada para monitorizar erros, transmitindo o BIP-8 do caminho. C2: É a etiqueta de sinal, indicando a composição dos contentores virtuais VC3/VC4: Ex: : não transporta tráfego; : usa uma estrutura TUG; : transporta um E4 num C-4, : transporta ATM. G1: É um canal usado pelo terminal receptor para enviar para o terminal emissor informação sobre desempenho do caminho, nomeadamente sobre os erros detectados por B3. F2: Canal de utilizador usado para manutenção pelos operadores da rede. H4: Indicador de super-trama. Usada na formação do VC-2, VC-12 e VC-11. F3: Canal de utilizador. Importante na SDH de nova geração K3: Canal usado para funções de protecção a nível do caminho. N1: Monitorização de ligações em cascata (caminhos por várias sub - redes ). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

175 Unidade Administrativa AU-4 Uma AU-4 é uma estrutura síncrona constituída por 9x261+9 octetos, que inclui um VC-4 mais um ponteiro de unidade administrativa AU-4 (PTR AU-4). 261 colunas PTR AU-4 AU-4 9 linhas H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 H3 H3 J1 B3 C2 VC-4 G1 F2 C4 H4 No ponteiro do AU-4 têm-se h1=1001xx11 e h2= F3 K3 N1 O VC-4 pode flutuar dentro do AU-4. O ponteiro do AU-4 contém a posição (endereço) do primeiro octeto (J1) do cabeçalho de caminho do VC-4. Cada modificação do ponteiro de 1 unidade corresponde a uma deslocação do VC-4 no AU-4 de 3 octetos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

176 Esquema de Endereçamento do Ponteiro do AU-4 A cada posição do ponteiro da AU-4 correspondem 3 octetos. A cada posição do ponteiro do AU-3 corresponde um octeto. 261 colunas Cabeçalho de regeneração Posição indicada pelo ponteiro: 87 Um valor de 0 do ponteiro indica que o J1 do VC-4 se encontra na posição 0 H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 H3 H3 Cabeçalho de multiplexagem Cabeçalho de regeneração H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 Cabeçalho de multiplexagem Trama #n-1 VC-4 #n μs Trama #n João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

177 Esquema de Endereçamento do Ponteiro do AU-4 (II) A cada posição do ponteiro da AU-4 correspondem 3 octetos. A cada posição do ponteiro do AU-3 corresponde um octeto. 261 colunas Cabeçalho de regeneração Posição indicada pelo ponteiro: 522 Um valor de 0 do ponteiro indica que o J1 do VC-4 se encontra na posição 0 H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 H3 H3 Cabeçalho de multiplexagem Cabeçalho de regeneração H1 h1 h1 H2 h2 h2 H3 Cabeçalho de multiplexagem Trama #n μs VC-4 #n Trama #n João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

178 Unidades Administrativa AU-3 A AU-3 é uma estrutura síncrona composta por octetos, que inclui um VC-3 mais um ponteiro da unidade administrativa AU-3 (PTR-AU-3). Como a capacidade de transporte da AU-3 (87 colunas) é superior à requerida pelo VC-3 (85 colunas), são inseridas duas colunas sem informação (justificação fixa) para adaptação de capacidade (colunas 30 e 59) coluna 9 linhas PTR AU-3 H1 H2 H3 J1 A posição do contentor virtual pode flutuar dentro da AU-3. O ponteiro PTR AU-3 contem o endereço do J1. B3 C2 G1 F2 H4 C3 Um alteração do ponteiro de uma unidade corresponde à deslocação do VC-3 na AU-3 de 1 octeto. VC-3 F3 K3 N O ponteiro PTR AU-3 permite endereçar 87 9 =783 posições. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

179 Grupo de Unidade Administrativa O AUG é uma estrutura síncrona constituída por octetos que, por adição do cabeçalho de secção, dá origem à trama STM-1. Um AUG é composto de 1 AU-4 ou de 3 AU-3 usando multiplexagem por interposição de octeto. H1 H2 H3 AU-3 H1 H2 H3 AU-3 H1 H2 H3 AU colunas H1 H1 H1 H2 H2 H2 H3 H3 H3 AUG (Octetos dos 3 AU-3 entrelaçados) AUG obtido a partir de 3 AU-3 usando multiplexagem por interposição de octeto João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

180 Estrutura de Multiplexagem (II) Estrutura de multiplexagem da SDH ATM E3: Mb/s DS3: Mb/s DS2: Mb/s C-3 VC-3 C-2 VC-2 E1: Mb/s C-12 VC-12 DS1: Mb/s C-11 VC-11 E4: Mb/s C-4 ATM 260 TU-3 12 TU-2 4 TU-12 3 TU TUG TUG-3 12x7 = =66 3 VC VC-4 AU-3 3 AUG 1 AU-4 STM-N=N Mb/s N 86x3 = =260 STM-N Justificação fixa 261 colunas + PTR Au-4 C - Contentor VC - Contentor Virtual TU - Unidade Tributária TUG - Grupo de Unidade Tributária AU - Unidade Administrativa AUG - Grupo de Unidade Administrativa Em Alinhamento Mapeamento Multiplexagem Justificação fixa existe processamento de ponteiros João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

181 Concatenação Concatenação é o processo de agregação de X contentores de mesmo tipo de modo a formar um contentor de maior capacidade. A concatenação poder ser contínua ou virtual. Concatenação contínua (CC): Cria contentores de grande capacidade, que não podem ser segmentados, para transmissão. Todos os elementos de rede têm de suportar a funcionalidade concatenação contínua. Concatenação virtual (VC): Corresponde a uma operação de multiplexagem inversa. Os contentores de grande capacidade podem ser segmentados nos VCs usuais para fins de transmissão. Só os elementos de rede fonte e terminação do caminho é que necessitam de suportar a funcionalidade concatenação virtual. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

182 Concatenação Contínua Permite transportar tráfego com um débito binário superior ao permitido pelo C-4. A concatenação é identificada pelo sufixo c e o número de concatenações por X. Por exemplo, um VC-4 concatenado é representado por VC-4-Xc (genérico VC-n-Xc) e uma AU-4 por AU-4-Xc (genérico AU-n-Xc). No caso do AU-4-Xc a concatenação dos ponteiro é feita usando multiplexagem por interposição de octeto. O primeiro ponteiro tem as funções usuais dos ponteiros da AU-4, enquanto os restantes X-1 ponteiros transportam o indicador CI octetos VC-4-4C O cabeçalho de caminho do primeiro VC-4 transporta os octetos normais. Os cabeçalhos de caminho dos outros VC-4 transportam octetos de enchimento (sem informação). J1 B3 C2 G1 F2 H4 F3 K3 N1 C-4-4c Capacidade do C-4-4c Mb/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

183 ATM sobre SDH As células ATM (Asynchronous Tranfer Module) são constituídas por 53 octetos (5 de cabeçalho e 48 de informação). No transporte de ATM sobre SDH o fluxo de células pode ser mapeado num VC-4 ou num VC-4-4c. Note-se que um utilizador ATM não está a transmitir continuamente. Por isso, pode haver necessidade de inserir células sem informação, de modo a gerar um fluxo contínuo. VC-4 J1 B3 C2 G1 F2 H4 F3 K3 N1 C-4 O C-4 suporta um débito de Mb/s. Para adaptar o fluxo ATM a este débito são inseridas células inactivas sempre que é necessário. Estas são caracterizadas por VPI=VCI=0, CLP=1 e PT=0. No processo inverso estas células são ignoradas. O C-4 é constituído por 2340 octetos que não é um número divisível por 53. Assim se as células se dispuserem como na figura há uma célula que se inicia no presente contentor e termina no seguinte. O início das células é indicado no octeto H4 do cabeçalho de caminho. Este octeto indica o número de octetos que vão desde H4 até ao primeiro octeto da primeira célula a seguir a H4. O valor máximo é de 52. Célula ATM x x Indicador da célula H C2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

184 IP sobre SDH Os pacotes IP podem ser transmitidos directamente através de uma rede SDH, mas esses pacotes devem ser encapsulados numa trama HDLC (High-Level Data Link Control) (nível 2). A trama HDLC tem dimensão variável. As tramas HDLC vão ser por sua vez mapeadas linha a linha num contentor virtual (ou num contentor virtual com concatenação contínua) apropriado. Tal como no caso do ATM uma trama pode espraiar-se por dois contentores virtuais. J1 Trama #1 VC-4 B3 C2 G1 F2 Trama #2 As tramas HDLC são limitadas por uma padrão de bits bem definido ( ). Para além desses bits essa trama tem pelo menos mais 4 octetos de cabeçalhos. H4 F3 K3 N1 Trama #3 Quando não há informação (pacotes IP) para transmitir, são envidas tramas HDLC, mas com o campo de informação vazio. Trama HDLC sem informação João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

185 SDH de Nova Geração João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

186 Ineficiências da SDH Convencional A utilização da estrutura de contentores da SDH convencional (incluindo a concatenação contínua ) é muito pouco eficiente para o transporte de dados. Aplicação Débito da aplicação Estrutura/ Ineficiência Ethernet 10 Mbit/s VC-3 /80% Fast Ethernet 100 Mbit/s VC-4/33% Gigabit Ethernet 1 Gbit/s VC-4-16C/58% Enterprise Systems Connection ESCON 200 Mbit/s VC-4-4C/67% A fragmentação dos contentores virtuais vai também contribuir para aumentar a ineficiência. STM-1 livre A B C SDH NE-A STM-16 SDH NE-B D E F STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #3 STM-1 #4 STM-1 #5 STM-1 #6 STM-1 #7 STM-1 #8 STM-1 #9 STM-1#10 STM-1#11 STM-1#12 STM-1#13 STM-1#14 STM-1#15 STM-1#16 Etapa 1: Os primeiros 8 STM-1 são atribuídos à ligação entre A e D, enquanto os últimos 8 STM-1 são usados entre B e E. STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #3 STM-1 #4 STM-1 #5 STM-1 #6 STM-1 #7 STM-1 #8 STM-1 #9 STM-1#10 STM-1#11 STM-1#12 STM-1#13 STM-1#14 STM-1#15 STM-1#16 Etapa 2: Os utilizadores A-B libertam 2 STM-1 e os ultilizadores B-E libertam outros 2. Os utilizadores C-F requerem uma capacidade VC-4-4c. Embora fisicamente haja capacidade disponível, como os STM-1 livres não são contínuos, não é possível satisfazer o pedido de C-F. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

187 Tecnologias Chave da SDH-NG GFP (Generic Framing Procedure) É uma técnica ( ITU-T Rec. G7041) apropriada para mapear o tráfego de pacotes (Ethernet, Escon, etc) em canais SDH ou OTN de débito fixo. O mapeamento pode ser feito de modo transparente (GFP-T), ou usando as tramas dos clientes completas (GFP-F). Concatenação virtual ou VCAT (Virtual Concatenation) É um mecanismo (ITU-T G707) que permite combinar um número variável de contentores virtuais de diferentes ordens de modo a criar canais de capacidade muito elevada. É mais eficiente do que a concatenação contínua para o tráfego de pacotes e contrariamente aquela não requer que todos os elementos de rede suportem essa funcionalidade. LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) Permite modificar dinamicamente a capacidade alocada pelo VCAT através da adição/remoção de membros do caminho estabelecido (ITU-T Rec. G7042). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

188 Protocolo GFP O protocolo GFP foi definido por ITU-T G.7041 e proporciona um mecanismo para encapsular diferentes sinais de dados em redes SDH ou OTN (ver cap. 5). O serviço GFP apresenta dois modos de funcionamento: Modo Transparente ou GFP-T (Transparent) e modo enquadrado ou GFP-F (Framed). A solução GFP-T corresponde a um encapsulamento de nível 1 e vai gerar tramas de comprimento constante. Está optimizado para tráfego que usa o código de blocos 8B10B (Gigabit Ethernet, Fibre Channel, etc.) A solução GFP-F corresponde a um encapsulamento de nível 2 e e vai gerar tramas de comprimento variável. Optimizado para tráfego Ethernet, IP/PPP, DVD, etc. Na solução GFP-F deve ser extraído o pacote completo do cliente antes da trama GFP ser gerada. Isto envolve, por exemplo, a memorização de uma trama completa no caso da Ethernet, o que vai aumentar a latência (atraso) do processo. Na solução GFP-T não se verifica esse atraso porque o processamento é feito a nível de blocos de 10 bits. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

189 Transporte de Pacotes IP sobre SDH/WDM Existem diferentes soluções para o transporte de pacotes, originados que com o protocolo IP, quer com os protocolos SAN, sobre uma rede SDH/WDM. AAL5 ATM PPP IP (Internet Protocol) MPLS VLAN Vídeo DVB SAN Os protocolos SAN, tais como Fibre Channel, Enterprise Systems CONnectivity (ESCON) e Fibre CONnectivity (FICON) eram transportados tradicionalmente sobre soluções proprietárias 10/100/1000 Mbps Ethernet Fibre Channel ESCON FICON SAN: Storage Area Networks DVB: Digital Video Broadcasting HDLC PPP: Point-to-point protocol GFP HDLC: High-level Data Link control Concatenação contínua SDH Concatenação virtual LCAS VLAN: Virtual LAN MPLS: Multiprotocol Label switching WDM, OTN, Fibra óptica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

190 Storage Area Networks De: U. Troppens et al., Storage Networks Explained, Wiley, 2004 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

191 Estrutura da Trama GFP A trama GFP inclui o cabeçalho principal (core header) e a área do campo de informação. A área do campo de informação inclui o cabeçalho do campo de informação, o campo de informação em si e um FCS (CRC-32) para proteger a integridade do campo de informação (detectar e corrigir erros). Os mecanismos de protecção (CRC-16) do cabeçalho principal e do cabeçalho do campo de informação são independentes. Trama GFP Cabeçalho (core header) Área do campo de informação 2 16 =65536 Indicador do comprimento do campo de informação Controlo de erros do cabeçalho Cabeçalho do campo de informação 4 a 64 octetos Campo de Informação octetos FCS (opcional) 4 octetos 2 octetos 2 octetos, Indica o tipo HEC CRC-16 de informação Payload header (CRC-16+payload identifier+ campos opcionais) Frame check sequence (CRC-32) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

192 Trama GFP (continuação) O cabeçalho principal (core header) consiste em dois campos:1) Indicador de comprimento do campo (2 octetos) que indica a dimensão do campo de informação;2) HEC (Header Error Control) usado para proteger a integridade do cabeçalho principal, o qual é baseado no código CRC-16 (permite a correcção de erro de 1 bit e a detecção de erro em vários bits). O cabeçalho do campo de informação é um campo com dimensão variável (entre 4 e 64 octetos). Contém dois campos obrigatórios: Payload Type Identifer (PTI) e o Type Header Error Control( thec). O thec contém um CRC- 16 e é usado para proteger a integridade do cabeçalho do campo de informação. O PTI contém informação sobre o tipo de informação transportada pelo campo de informação e sobre o modo como a informação é mapeada (modo transparente, ou modo enquadrado) Para além das funções de controlo de erros e de indicação do comprimento do campo de informação o cabeçalho principal também é responsável pela delimitação (enquadramento) da trama. A função de delimitação de trama permite identificar o início da trama. Inicialmente quando a primeira trama chega ao receptor, é calculado o CRC-16 sobre os dois primeiros octetos, o qual é comparado com o CRC-16 presente no campo HEC. Se não coincidirem avança um bit e tenta de novo. Se houver coincidência é provável que tenha identificado o início da trama. Para comprovar salta para a segunda trama. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

193 Concatenação Virtual O ponto de partida para implementar a concatenação virtual consiste em segmentar um fluxo de informação (ex: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, etc.) em diferentes contentores de ordem superior ou inferior, ligados entre si a nível lógico através da integração no mesmo grupo de concatenação virtual ou VCG (virtual concatenation group). Os elementos do grupo são transportados individualmente através da rede SDH e recombinados na terminação do VCG de modo a originar o fluxo original. A concatenação virtual é representada por v e o número de contentores que pertencem ao grupo por X. VC-n-Xv Tipo de Número VCs de VCs Concatenação virtual Capacidades dos diferentes contentores em concatenação virtual Contentores VC-11-Xv VC-12-Xv VC-3-Xv Tipo Ordem inferior Ordem inferior Ordem superior Capacidade disponível (Mb/s) X (X=1,..,64) X (X=1,..,64) X (X=1,..,256) VC-4-Xv Ordem superior X (X=1,..,256) Os diferentes elementos do grupo podem ser encaminhado seguindo todos o mesmo percurso, ou diferentes percursos (multi-percurso). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

194 Concatenação Virtual vs. Contínua Uma das vantagens da concatenação virtual consiste no aumento significativo das eficiências de mapeamento. Aplicação Débito da aplicação Eficiência Conc. Contínua Eficiência Conc. Virtual Ethernet 10 Mbit/s VC-3 /20% VC-11-7v /89% Fast Ethernet 100 Mbit/s VC-4/67% VC-3-2v/99% Gigabit Ethernet 1 Gbit/s VC-4-16c/42% VC-4-7v/95% 10 Gb Ethernet 10 Gbit/s VC-4-64c/100% VC-4-64v/100% DVB 270 Mb/s VC-4-4c/37% VC-3-6v (93%) ESCON 160 Mbit/s VC-4-4c/26% VC-3-4v/83% FiCON 850 Mb/s VC-4-16c /35% VC-4-6v /94% Fibre Channel 1700 Mb/s VC-4-16c/42% VC-4-12v/90% João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

195 Vantagens da Concatenação Virtual Permite um transporte eficiente dos débitos usados nas aplicações de dados. Permite ultrapassar o problema da fragmentação dos contentores virtuais. Introduz flexibilidade nas aplicações que exigem elevadas qualidades de serviço e uma largura de banda de transporte garantida na medida em que permite alocar a largura de banda necessária de modo dinâmico. Não introduz novos requisitos nos elementos de rede intermédios. A concatenação virtual só exige a funcionalidade de concatenação nos elementos de rede fonte e destino do serviço. Note-se que a concatenação contínua exige essa funcionalidade em todos os elementos de rede. A utilização da concatenação virtual permite projectar as redes SDH da próxima geração para serem usadas como plataforma de transporte das redes multiserviço baseadas em diferentes protocolos (Ethernet, ESCON, RPR, PDH, etc). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

196 Implementação da Concatenação Virtual Caso do encaminhamento multi-percurso: Etapa 1 Nó fonte H4 VC-3 #0 H4 VC-3 #0 Nó terminção Etapa 5 Etapa 2 VC-3-3v SQ=0 SQ=1 SQ=2 H4VC-3 H4VC-3 VC-3 H4 H4 VC-3 #2 H4 VC-3 #1 H4 VC-3 #1 H4 VC-3 #2 SQ=1 SQ=0 SQ=2 H4 H4VC-3 H4 Etapa 4 VC-3-3v Etapa 3 Etapa1: O elemento de rede fonte aloca o tráfego em memória de modo a formar um sinal SDH contínuo. Etapa2: São constituídos os diferentes contentores virtuais que pertencem ao mesmo VCG os quais são identificados pelo indicador de sequência ou SQ (sequence indicator). Etapa3: Os diferentes contentores virtuais são transportados individualmente através da rede SDH podendo seguir caminhos diferentes, o que conduz a tempos de propagação diferentes- atraso diferencial. Etapa4: Os diferentes contentores são armazenados em memória no nó receptor, para compensar o atraso diferencial. Etapa5: Os contentores são realinhados, colocados em ordem e recombinados de modo a originar o fluxo inicial. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

197 Formato da multi-trama de concatenação virtual (Ordem Superior) O método usado para realizar o alinhamento dos contentores virtuais de ordem superior é baseado numa multitrama, constituída em duas etapas (níveis). Para cada etapa tem-se um indicador de multitrama ou MFI (multiframe indicator). Octeto H4 Cabeçalho de caminho J1 B3 C2 G1 F2 H4 F3 K3 N1 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 MFI2 bits MFI2 bits Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado Reservado SQ bits SQ bts μs = 2 ms O MFI da primeira etapa (MFI1) é constituído pelos quatros últimos bits do octeto H4 do cabeçalho de caminho de ordem superior. Os quais são incrementados todos os 125 μs. O MFI da segunda etapa (MFI2) é constituído pelos primeiros quatro bits das duas primeiras tramas da multitrama da primeira etapa. Suporta um atraso diferencial máximo de 256 ms. A multitrama é constituída por =4096 tramas, com uma duração de 125 μs 4096 = 512 ms. Os bits 1 a 4 das duas últimas tramas da multitrama 1 são usados como indicador de sequência (SQ). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

198 LCAS O LCAS foi concebido para gerir a capacidade alocada a qualquer caminho, de modo dinâmico em resposta a mudanças nos padrões de tráfego, adicionando ou removendo membros de um VCG. Mensagens enviadas entre o nó fonte e terminação Multi-Frame Indicator (MFI): mantém a sequência da multitrama. Sequence Indicator (SQ): indica a sequência dos membros do VCG de modo a permitir reagrupá-los correctamente na recepção. Control (CTRL): mensagens do protocolo que descrevem as acções a executar. Group Identification (GID) : um valor constante para todos os membros do grupo. Mensagens envidas entre o nó terminação e o nó fonte. Member status (MST): informa a fonte do estado de cada membro (OK, fail). Re-Sequence Acknowledege (RS-Ack): confirmação de mudança de indicador de sequência depois de receber uma mensagem normal ou eos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

199 Papel do H4 no LCAS de Ordem Superior O LCAS permite variar a capacidade dos VGC de modo a poder responder a variações nos requisitos de capacidade sem ter qualquer impacto nos dados transmitidos. Octeto H4 LCAS b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 MFI2 bits MFI2 bits CT1 CT2 CT3 CT Reservado GID Reservado C1 C2 C3 C C5 C6 C7 C M1 M2 M3 M M5 M6 M7 M RS-Ack Reservado Reservado Reservado SQ bits SQ bits Pacote de controlo μs= 2 ms O funcionamento do LCAS requer a transmissão de mensagens de controlo entre a fonte do VGC e a terminação e vice-versa. As palavras de controlo entre a fonte e a terminação são enviadas através dos bits de controlo (CRTL), transmitidos no octecto H4 (CT1, CT2, CT3, CT4). As mensagens entre a terminação e a fonte designam-se por MST (message status) e são responsáveis por reportarem o estado de cada um dos elementos do VCG. Usam os bits M1- M8. Cada VCG tem no máximo 256 membros. Cada multitrama transporta o MST de 8 elementos. São necessárias 32 tramas para transportar os MSTs de todo o VCG. 64 ms GID: Group indentification ; Cn: Código CRC ; Rs-Ack: Re-Sequence Acknowledge João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

200 Etapas na Adição de um Novo Membro A codificação dos bits de controlo (CTRL) é feita de acordo com a tabela: CT1 CT2 CT3 CT4 Palavra de controlo FIXED Não se usa LCAS ADD Está-se preste a adicionar um novo membro ao VCG NORM A carga transportada pelo membro é útil EOS Indica que é o último membro do VCG IDLE O membro não faz parte da VCG DNU A carga transportada pelo membro não deve ser usada Exemplo: Adição de um novo membro (ordem superior): 1) O sistema de gestão é usado para configura o novo membro na fonte e na terminação. Na fonte faz-se CTRL= IDLE, SQ=256 (máximo) e na terminação MST=FAIL. 2)Na fonte: o número de sequência é feito o menor possível (não atribuído); CTRL=ADD. A fonte fica a aguardar pela mensagem da terminação. 3) A terminação envia MST=OK. 4) Quando o nó fonte recebe MST=OK coloca o CTRL= NORMAL em todos os novos membros excepto se este for o último do grupo (neste caso CTRL=EOS). A multitrama (pacote de controlo) seguinte passa a transportar tráfego no campo do contentor virtual adicionado. 5) O nó terminal depois de detectar a transição de ADD para normal inverte o bit RS-Ack. 7) Nó fonte quando recebe RS-Ack pode voltar avaliar o status do membro adicionado. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

201 Exemplo de Adição de um Novo Membro Pretende-se adicionar um novo membro ao grupo VC-3-3V H4 SQ=0 H4 SQ=1 SQ=2 VC-3 VC-3 VC-3 H4 VC-3 SQ=3 VC-3 VC-3 H4 VC-3 Etapas Nó fonte Nó terminação Pedido de adição enviado pelo sistema de gestão CTRL=IDLE SQ= 255 CTRL=ADD SQ= 3 MST (M4)=Fail tempo MST (M4)=OK Novo membro passa a transmitir dados. MST deixam de ser avaliados CTRL=EOS SQ= 3 tempo Altera RS-Ack MST voltam de novo a ser avaliados João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

202 Exemplo de Adição de um Membro 1ª Etapa O sistema de gestão configura o novo membro AU3(2,3) 3ª Etapa A terminação responde com MST=OK Cliente A AU3 (1,1), SQ=0, GID=a, CTRL=Normal AU3 (1,1), SQ=0, GID=a, CTRL=Normal Cliente A Cliente B AU3 (1,3), SQ=1, GID=a, CTRL=Normal AU3 (2,1), SQ=0, GID=b, CTRL=Normal AU3 (2,2), SQ=1, GID=b, CTRL=EOS Cliente B AU3 (1,3), SQ=1, GID=a, CTRL=Normal AU3 (2,1), SQ=0, GID=b, CTRL=Normal AU3 (2,2), SQ=1, GID=b, CTRL=Normal AU3 (2,3), SQ=255, GID=b, CTRL=IDLE AU3 (2,3), SQ=2, GID=b, CTRL=EOS 2ª Etapa Na fonte SQ é feito igual a 2 e CTRL=ADD 4ª Etapa A terminação envia Rs-Ack (confirma a nova sequência Cliente A AU3 (1,1), SQ=0, GID=a, CTRL=Normal Cliente A AU3 (1,1), SQ=0, GID=a, CTRL=Normal Cliente B AU3 (1,3), SQ=1, GID=a, CTRL=Normal AU3 (2,1), SQ=0, GID=b, CTRL=Normal AU3 (2,2), SQ=1, GID=b, CTRL=EOS Cliente B AU3 (1,3), SQ=1, GID=a, CTRL=Normal AU3 (2,1), SQ=0, GID=b, CTRL=Normal AU3 (2,2), SQ=1, GID=b, CTRL=Normal AU3 (2,3), SQ=2, GID=b, CTRL=ADD AU3 (2,3), SQ=2, GID=b, CTRL=EOS João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

203 Elementos de Rede SDH-NG (I) Multiservice Provisioning Platform (MSPP) Virtual Private Networks Digital Video Broadcasting StorageAreaNetworks (Fiber Channel, ESCON, etc.) Um MSPP resulta da evolução dos ADMs convencionais com interfaces PDH e ópticas para um nó de acesso que inclui: Interfaces PDH convencionais Interfaces de dados como Ethernet, GigE, Fiber Channel, ou DVB Funcionalidades GFP (Generic Framing Procedure), VCAT(Virtual Concatenation) e LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) Interfaces ópticas desde STM-1 até STM-16 Funcionalidades SDH-NG João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

204 Elementos de Rede SDH-NG (II) Multiservice Switching Platform (MSSP) O MSSP é o elemento de rede SDH-NG equivalente ao cruzador da SDH, realizando agregação de tráfego e cruzamento não só ao nível STM-N, como também ao nível VC. A nível de dados (Ethernet) o MSSP para além das funções de mapeamento de tráfego, suporta também funções de switching. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

205 Exemplo: CISCO SDH MSPP Plataforma apropriada para aplicações multiserviço, em redes metro. Interfaces E1 (75 Ohm) Cartas de temporização, comunicação e controlo Suporta as interface usais, E1, E3, E4, DS3, as soluções 10/100/1000 Mb/s Ethernet e o transporte óptico desde 155 Mb/s (STM-1) até 320 Gb/s (32- STM-64 comprimentos de onda). Cartas de cruzamento Permite diferentes topologias físicas: anel, linear, estrela, etc. Cartas com interfaces ópticas de débitos elevados (STM-64 e STM-16) Suporta diferentes esquemas de protecção: MS-SPRing (2 e 4 fibras), SNCP, caminho em malha, etc. Fonte: João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

206 Cartas do CISCO SDH MSPP (I) Carta Ethernet Multidébito de 10 portos Suporta 10/100/1000 Mbps Base T; 100 Mbps Fx, Lx, Bx; 1000 Mbps SX, LX, Zx. Suporta VCAT e LCAS Suporta encapsulamento GFP- F e Cisco HDLC Suporta esquemas de protecção/restauro SDH com tempos de resposta inferiores a 50 ms Porto Ethernet multidébito: 10/100/1000 Mbps Concatenação virtual e contínua 1000 Mbps: VC4-7v, VC4-8c, VC4-16c, VC3-21v 100 Mpps: VC4; VC3-2v; VC3-3v, VC12-50v João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

207 Cartas do CISCO SDH MSPP (II) Carta STM-64 com interface óptica XFP Carta STM-1 com 8 portos Permite a transmissão de um débito até 10 Gbps, com um BER máximo de a uma distância máxima de 80 km (atenuação máxima =22 db, tolerância à dispersão máxima de 1600 ps/nm). Proporcional 8 interface emissoras/ receptoras, cada uma operando a um débito de 155 Mbps (STM- 1) e usando óptica de 1310 nm. Interface óptica Suporta VC-4-nc ( com N=2, 3, 4, 4,16, 32), assim como VC-11, VC-12, VC-3 e VC-4. Suporta protecção SNCP, e MSP. Suporta esquemas de protecção tais como : SNCP, MS-SPRing de 2 e 4 fibras e protecção de caminho em redes em malha. Suporta sinais concatenados (VC3-3c) e não concatenados (VC- 11/12, VC-3 e VC-4) Interface óptica STM-1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

208 Cartas do CISCO SDH MSPP (III) Carta de temporização, controlo e comunicação (TCC) Carta responsável pelo cruzamento dos VCs (XC-VXC Cross-connect) Permite inicializar o sistema, reporta alarmes, gera sinais de controlo para provisionamento de capacidade, detecta falhas no sistema e outras funções OAM e termina os canais DCC da camada de regeneração e de multiplexagem Incorpora um relógio de stratum 3 o qual é controlado por um sinal de sincronismo exterior. Processa as mensagens SSM, de modo a seleccionar o melhor relógio externo. Suporta cruzamentos a nível de VC-11/12, VC-3, VC-4 e VC-4-Xc (com X=2, 3, 4, 16 e 64). Disponibiliza uma capacidade de comutação de 60 Gb/s para VC de ordem superior (1152x1152 VC-3, ou 384x384 VC-4) e de 5 Gb/s para os VCs de ordem inferior (2016x2016 VC-12). Interface RJ45 Possuí uma interface RJ45 (10 Base T) para interligação com o sistema de gestão de rede. Os sinais de controlo requeridos nas operações de cruzamento são proporcionados pela carta TCC. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

209 Aplicação da NG-SDH em Redes Empresariais MSPP Fonte: Cisco João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

210 Aplicação da NG-SDH na Rede Metro MSSP (MultiService Switching Platform) = MSPP+ Switching Ethernet LH/ELH = Long Haul/Extended Long Haul Fonte: Defining the Multiservice Switching Platform, White Paper, Cisco João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

211 Análise de Desempenho em Redes SDH A análise do desempenho das redes de transporte é baseada na norma G.826 da ITU-T. Os objectivos definidos são independentes do meio de transmissão, são baseados em blocos e permitem fazer uso de medidas de desempenho em serviço. As medidas de desempenho (monitorização dos erros) são realizadas usando o código BIP. Um código BIP-(n,m) genérico pode ser representado pela matriz: x x... xn 1,1 2,1,1 x x x 1,2 2,2... n, x x x 1, m 2, m... n, m y y... y 1 2 n x i,j : bit da sequência de entrada y i : bit de paridade de ordem i y i = xi, 1 xi,2 xi, m Os blocos correspondem aos contentores virtuais ou às tramas STM-N. Tipo de bloco Nº de bits por bloco BIP-(n,m) VC-11 VC-12 VC BIP-(2,416) BIP-(2,560) BIP-(2,1712) Relação entre a dimensão do bloco e o código BIP VC BIP-(8,765) VC BIP-(8,2349) STM BIP-(8,2430) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

212 Código de Paridade de Bits Entrelaçados O código de paridade de bits entrelaçados de ordem n ou BIP-n (bit interleaved parity) é obtido calculando a soma módulo 2 de n grupos de bits e colocando o resultado numa palavra de controlo constituída por n bits. n bits m bits BIP-8 B1 BIP-24 B2 B2 B2 BIP-8 B3 BIP-2 V5 Soma módulo 2 BIP-n Palavra de controlo constituída por n bits O BIP-n é calculada sobre os correspondentes bits da trama actual e o resultado é transmitido nos octetos B1, B2, B3, ou nos dois primeiros bits do V5 da trama seguinte. Na recepção o BIP-n é recalculado, e qualquer discrepância entre este e o valor recebido é vista como um erro de bloco. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

213 Papel de B3 e G1 na Monitorização de Erros Considera-se dois elementos de rede (A e B) e o protocolo associada à transmissão dos códigos BIP para o caso da secção de multiplexagem BIP-24 (1) Cálculo do BIP-24 do VC+MS nº1 NE A NE B MS+VC nº 1 MS+VC nº 0 Incorporação do BIP-24 (1) B2 MS+VC nº 2 BIP-24 (1) Cálculo do BIP-24 do MS+VC nº1 MS+VC nº 1 Incorporação do BIP-24 (2) B2 MS+VC nº 3 B2 MS+VC nº 2 BIP-24 (1) MS+VC nº 1 Comparação entre os B2 e o BIP-24 (1) MS+VC nº 1 MS+VC nº 2 M1 Resultado incorporado em M1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

214 Eventos e Parâmetros de Desempenho Bloco errado (EB, Errored Block): Bloco em que um ou mais bits estão errados. Eventos Segundo com erros (ES, Errored Second): Período de tempo de um segundo com um ou mais blocos errados. Segundo gravemente errado (SES, Severely Errored Second): Período de tempo de um segundo com 30% de blocos errados, ou no mínimo com um defeito. Erro de bloco residual (BBE, Background Block Error): Um bloco errado que não faz parte de um SES. Razão de segundos errados (ESR, Errored Second Ratio): Razão entre os ES e o número total de segundos correspondentes a um determinado intervalo de medida. Parâmetros Todos os parâmetros só consideram o tempo de disponibilidade. Razão de segundos gravemente errado (SESR, SES Ratio): Razão entre os SES e o número total de segundos correspondentes a um determinado intervalo de medida. Razão de erro de bloco residual (BBER, BBE Ratio): Razão entre os BBE e o número total de blocos num intervalo de medida, excluindo os blocos durante SES. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

215 Disponibilidade e Caminho Hipotético O período de indisponibilidade começa no início de um intervalo de tempo que contem no mínimo 10 SESs consecutivos e termina no início de um intervalo de tempo que contem no mínimo 10 segundos não SES. Segundo livre de erros 10 s Detectada a indisponibilidade 10 s Detectada a disponibilidade Segundo gravemente errado Segundo com erros (não SES) Período de indisponibilidade Período de disponibilidade Para a definição dos objectivos extremo-a-extremo a norma G.826 considera um caminho hipotético de referência de km. PEP País terminal CAN IEN Parte nacional IG Países intermédios (assume-se quatro) IG IG Parte internacional IG Ligação interpaís (Ex:cabo submarino) País terminal IG IG Parte nacional PEP Caminho hipotético de referência ( km) PEP: Path End Poin ; IG: International Gateway; CAN: Customer Access Network; IEN: Interexchange Network João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

216 Objectivos Extremo-a-Extremo Objectivos extremo-a-extremo para o caminho hipotético de km Débito bináro (Mbit/s) 1.5 a 5 >5 a 15 >15 a 55 >55 a 160 >160 a 3500 Bits/Bloco 800 a a a a a ESR Não especificado SESR BBER 2x10-4 2x10-4 2x10-4 2x Distribuição dos objectivos extremo-a-extremo da norma G.826 Alocação em bloco 17.5% para cada país terminal Parte Nacional Parte Internacional Países terminais (2x17.5%+2x1%) 37% Países intermédios(4x2%) 8% Função da distância (55x500km) 55% Total 100% Alocação em função da distância 1% por 500 km Alocação em bloco 2% pelos países intermédios 1% por país terminal Alocação em função da distância 1% por 500 km Para obter a distância operacional o ITU- T aconselha a multiplicar a distância geográfica por 1.5 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

217 Relação entre os Parâmetros da Norma e o BER Admite-se que os erros são aleatórios e que os bits são independentes e que apresentam uma razão de erros binários de p. O número de bits transmitidos num segundo é N b (N b = D b débito binário). O parâmetro ESR é dado por ESR = P (ES) = 1 (1 p) N b Admite-se independência estatística dos erros e que o código detector é ideal. Seja R o número de bits por bloco (D b xδt, Δt: duração de um bloco). A probabilidade de erro de um bloco é R = p B = 1 (1 p BBER P( EB) P ( EB) ) Seja N o número de blocos presentes no intervalo de tempo de 1s e N e o número de blocos errados nesse intervalo de tempo. Um segundo gravemente errado corresponde ao evento N e /N 0.3. SESR e P( SES) = P(0.3N N N) = p (1 p ) e e N N = 0.3N N Ne N B B N N e João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

218 Sobrevivência de Rede João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

219 Sobrevivência de Rede A sobrevivência de rede traduz a capacidade de uma rede continuar a oferecer serviços na presença de falhas internas. As falhas podem ocorrer a nível dos nós da rede (equipamento) ou a nível das vias de transmissão, sendo as últimas as mais frequentes. A causa mais comum está associada à danificação dos cabos de fibras ópticas devido a causas de origem natural (tremores de terra, etc. ) ou humana (escavadoras, incêndios, etc.). AT&T fiber optic cable cut in California April 9, :07pm ET An AT&T-owned fiber optic cable was severed in Silicon Valley Thursday, causing Internet, voice, and wireless outages, as well as compromised 911 access for thousands of customers. AT&T confirmed the outage to CNET, and said it is working to fix the issue. Fonte: In December 2006, 4 major fiber optic lines were severely damaged following a major earthquake in Taiwan. The cuts basically erased all eastward data routes from Southeast Asia. It took 49 days for crews on 11 giant cable-laying ships to fix all of the 21 damage points. Fonte: Corte de cabos de fibra óptica em Lisboa deixa... (1/11/2007) Um corte nos cabos de fibra óptica na zona de São Sebastião, junto ao Corte Inglés, em Lisboa, privou cerca de 12 mil clientes da TV Cabo dos serviços da Portugal Telecom na quarta-feira, disse à Lusa fonte oficial da operadora. «Também alguns clientes móveis foram afectados», adiantou a mesma fonte. O corte deveu-se às obras do metropolitano em São Sebastião, onde umas estacas bateram num cabo de fibra óptica e deitaram-no abaixo, indicou à Lusa fonte do Metropolitano de Lisboa. Fonte:metrolisboa.blogspot.com/2007/11/corte-de-cabos-de-fibra-ptica-em-lisboa.html João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

220 Fiber Optic Cable Cuts Isolate Millions From Internet,Future Cuts Likely (January 31, 2008) O cabo submarino FLAG foi um dos cabos afectados Large swaths of the Middle East and Southeast Asia fell into internet darkness after two major underseas fiber optic links were damaged off Egypt s coast on Wednesday. Early reports blamed an errant anchor for severing the cables, but THREAT LEVEL has not yet been able to confirm that s the cause. Telecoms in Egypt, India, Pakistan and Kuwait (among others) are scrambling to find other arrangements to carry their internet and long distance phone traffic. Some telecoms had complete outages since their contingency plans if one cable broke was to use the other. Seventy percent of the networks in Pakistan experienced an out, with Egypt, Malidives, Kuwait, Lebanon and Algeria also suffering severe outages, according to traffic analysis by Renesys. The cuts hit two fiber optic links: FLAG Europe Asia and SEA-ME-WE-4. The two cables are competitors that carry traffic from Europe through the Middle East along to Japan (and vice versa). FLAG runs about 17,000 miles, stretching from London, through the Suez canal, around India, along China s coast to Japan. SEA-ME-WE-4 follows roughly the same geographic path. Fonte: João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

221 Disponibilidade A disponibilidade (availability) de um sistema traduz a probabilidade desse sistema estar perfeitamente operacional num certo instante de tempo. A disponibilidade é normalmente expressa em termos da percentagem de tempo durante um ano em que o sistema está totalmente operacional. Disponibilidade (%) 99% (2 noves) 99.9% (3 noves) 99.99% (4 noves) % (5 noves) % (6 noves) Tempo em baixa/ano 3.65 dias 8.76 h 52.6 m 5.26 m 31.5 s Assumindo que as disponibilidades de um nó (elemento de rede) e de uma ligação (via de transmissão) são independentes, a disponibilidade de um caminho obtém-se multiplicando as disponibilidades DXC DXC DXC Protecção DXC DXC A disponibilidade do caminho representado seria dada por: x0.9995x x0.9998x Para aumentar e disponibilidade do caminho seria necessário ter por exemplo um caminho redundante (caminho de protecção) para o caso de falha do primeiro. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

222 Técnicas de Sobrevivência As técnicas usadas para garantir que uma rede SDH continue a proporcionar serviços mesmo em presença de falhas na rede são as seguintes: Protecção de equipamento; Protecção linear; Protecção de anel; Restauro. A protecção de equipamento é garantida duplicando as cartas e as ligações entre estas. A protecção linear é aplicada em ligações ponto-a-ponto. Essa protecção pode ser realizada a nível de caminho (protecção de caminho), ou a nível de secção de multiplexagem (protecção de secção). A protecção de anel aplica-se a topologias físicas em anel e também pode ser realizada a nível de caminho ou a nível de secção. O restauro aplica-se a redes com uma topologia física em malha e consiste em encontrar caminhos alternativos aos caminhos com falhas, sendo a operação, normalmente, coordenada pelo plano de gestão de rede. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

223 Anomalias, Defeitos e Falhas O sistema de protecção ou de restauro numa rede SDH é activado na presença de falhas graves. Essas falhas desencadeiam um processo de geração de alarmes, que por sua vez são responsáveis por activar o sistema referido. Um comportamento errático em certas funcionalidades da rede pode ser classificado como anomalia, defeito ou falha. Uma anomalia corresponde a uma degradação do desempenho do sistema. Um defeito conduz a uma incapacidade para executar um serviço devido ao mau funcionamento do hardware ou do software do sistema, ou a uma degradação do desempenho muito acentuada, traduzida por uma razão de erros binários igual ou superior a Uma falha é um defeito persistente. A detecção de um defeito a nível de caminho ou secção é realizada monitorizando o sinal recebido. Exemplos de defeitos: perda de sinal ou LOS (loss of signal), perda de trama ou LOF (loss of frame), incoerência do traço de sinal ou TIM (trace identification mismatch), perda de ponteiro ou LOP (loss of pointer), etc. As anomalias são originadas por eventos tais como perda de enquadramento de trama ou OOF (out of frame alignment), sinal degradado ou SD (signal degrade) e os erros de detectados usando B1, B2, B3 e BIP-2 desde que a razão de erros fique abaixo de João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

224 Protecção Linear A protecção linear de caminho protege os caminhos (VCs) individualmente (extremo-aextremo), enquanto a protecção de secção protege todo o sinal STM-N (em cada arco). Qualquer uma dessas protecções ainda pode ser dedicada (1+1) ou partilhada (1:1). Protecção de secção dedicada (1+1) O sinal STM-N é duplicado e enviado simultaneamente pela via de serviço e pela via de protecção (fibras de serviço e protecção). Na recepção é seleccionado o sinal da via de serviço. Quando esse sinal se degrada o receptor comuta para a via de protecção. Funcionamento em estado normal STM-N comutador Fibra de serviço (ou λ) Fibra de protecção (ou λ) NE 1 NE 2 Corte na fibra de serviço (ou λ) comutador Alarmes que desencadeiam a comutação Perda de sinal ou LOS (Loss of Signal) Perda de trama ou LOF (Loss of Frame) Sinal degradado ou DS (Degraded Signal) (Valor de BER elevado 10-3 Funcionamento depois de uma falha Fibra de protecção (ou λ) NE 1 NE 2 O sistema pode funcionar em modo de protecção reversível (volta à situação normal depois da falha ser reparada) ou modo irreversível no caso oposto. Esta forma de protecção é muito rápida e não requer nenhum protocolo de sinalização João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

225 Protecção Linear (secção 1:1) A protecção de secção 1+1 requer a duplicação dos sinais STM-N, sendo por isso uma solução dispendiosa. Tem a vantagem de não requerer sinalização entre os nós da rede, sendo portanto muito rápida. A protecção 1:1 requer o uso de sinalização (mais lenta), mas pode usar o sistema de protecção para tráfego não prioritário. Protecção de secção partilhada (1:1) O sinal STM-N é enviado num certo instante é enviado através de uma única via. Em presença de uma falha na fibra o sinal é comutado para a outra fibra. Requer também o uso de um comutador no emissor e um protocolo APS (Automatic Protection Switching). Funcionamento em estado normal Funcionamento depois de uma falha STM-N comutador Fibra de serviço (ou λ) Fibra de protecção (ou λ) Fibra de serviço (ou λ) Fibra de protecção (ou λ) comutador NE 1 NE 2 comutador NE 1 NE 2 Alarmes que desencadeiam a comutação Perda de sinal ou LOS (Loss of Signal) Perda de trama ou LOF (Loss of Frame) ) Sinal degradado ou DS (Degraded Signal) O NE que detecta a falha (NE 2) deve comunicar com o NE que inicia a secção (NE 1) usando o protocolo APS, para este comutar o tráfego para a via de protecção. O APS é transmitido nos octetos K1 e K2 do cabeçalho de sec. de multiplexagem. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

226 Protecção Linear de Caminho A protecção linear de secção só protege os arcos ou ligações entre os elementos de rede. Como as diferentes fibras ou comprimentos de onda são transportados no mesmo cabo, esse mecanismo não resolve os problemas dos cortes nos cabos, mas unicamente as falhas nas cartas dos NEs. A protecção linear de caminho ( aplicada a sinais VC-n) pode ser dedicada (1+1) ou partilhada (1:1). No último caso o protocolo APS é transmitido no octeto K3 para o caso do VC-3 e VC-4. O esquema de protecção SNCP (Subnetwork Connection Protection) é um exemplo de protecção linear de caminho 1+1. MSSP MSSP Serviço SNCP: MSSP MSSP Vc-n MSSP MSSP MSSP MSSP Protecção MSSP MSSP Protege contra falhas simples nos nós e nas ligações. MSSP MSSP João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

227 Protecção de Anel: Tipos e Estrutura de Anéis Os anéis podem ser unidireccionais ou bidireccionais. No caso dos anéis unidireccionais um caminho (bidireccional) entre dois nós ocupa todo o anel, enquanto nos anéis bidireccionais só ocupa parte do anel. Anel Unidireccional Anel Bidireccional com 2 fibras C A A C Arco C A A C ADM A ADM A ADM D ADM B ADM D ADM B ADM C Fibra de protecção Fibra de protecção ADM C Fibra de serviço C A A C Fibra de serviço Um anel é composto de diferentes arcos, sendo cada um responsável por ligar dois nós. Os anéis podem ainda usar duas ou quatro fibras. C A A C João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

228 Anel Unidireccional com Protecção de Caminho O anel unidirecional com protecção de caminho, designado na terminologia SONET por UPSR (Unidirectional Path-Switched Rings) usa um esquema de protecção dedicado 1+1. O tráfego originado num determinado nó é enviado simultaneamente pela fibra de serviço no sentido dos ponteiros do relógio e pela fibra de protecção no sentido contrário. C A A C C A A C Este tipo de protecção representa uma caso particular da SNCP ADM A ADM A ADM D Estado Normal Fibra de protecção ADM C ADM B ADM D Estado Normal Fibra de protecção ADM C ADM B As entidades comutadas são contentores virtuais Corte nas duas fibras C A A C Fibra de serviço A comutação de protecção é realizada a nível da camada de caminho para cada ligação. A qualidade do sinal é continuamente monitorizada. Quando tem lugar um corte na fibra de serviço o nó que detecta a falha comuta para a fibra de protecção. C A A C Comuta para a protecção João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

229 Protecção de Anel: Protecção a Nível de Secção A protecção de anel a nível de secção de multiplexagem pode ser partilhada ou dedicada. Protecção de secção Anel com protecção partilhada de secção de multiplexagem ou MS-SPRING (Multiplex Section Shared Protection Ring) (ITU-T G.841) Anel com protecção dedicada de secção de multiplexagem ou MS-DPRING (Multiplex Section Dedicated Protection Ring) Os anéis MS-SPRING compreendem duas categorias: anéis de 2 fibras e anéis de 4 fibras. Estes anéis são bidireccionais: os sinais de tráfego normal (canais de serviço) são transmitidos sobre os mesmos arcos mas em sentido oposto. Os canais de serviço são protegidos pelos canais de protecção, que podem ser usados para tráfego não prioritário. Na terminologia SONET, esses anéis designam-se por BLSR (Bidirectional Line- Switched Rings). Os anéis MS-DPRING consistem em dois anéis unidireccionais com propagação em sentido inverso. Um transporta tráfego normal (anel de serviço) e o outro é reservado para proteger este tráfego (anel de protecção). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

230 Anel MS-DPRING No anel com protecção dedicada de secção de multiplexagem, os diferentes nós estão ligados por duas fibras ópticas, uma para a função de serviço e outra para protecção. O anel é unidireccional e no estado de funcionamento normal só a fibra de serviço transporta tráfego. O anel de protecção é usado quando a terminação de secção de multiplexagem detecta uma falha ou uma degradação do sinal na fibra de serviço. C A A C C A A C ADM A ADM A ADM D Estado Normal ADM B Estado de Protecção ADM D ADM B Fibra de protecção ADM C ADM C Derivação Corte nas duas fibras C A A C Fibra de serviço Derivação C A A C Depois de detectada a falha inicia-se o processo de recuperação usando o protocolo APS, o qual permite estabelecer derivações da fibra de serviço para a fibra de protecção nos nós que envolvem a falha e transportar a secção afectada pela fibra de protecção. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

231 Anel MS-SPRING com Duas Fibras No anel MS-SPRING com duas fibras, a capacidade de trabalho entre quaisquer dois nós só usa metade da capacidade bidireccional total, sendo a outra metade destinada a protecção. Assim, por exemplo, num anel com capacidade STM-N, os sinais STM-N transmitidos nos dois sentidos reservam os AU-4 numerados de 1 a N/2 para o transporte de tráfego de serviço e os AU-4 numerados de N/2+1 a N para protecção. Estado Normal C A A C STM-N Estado de Protecção C A A C ADM A ADM A ADM D Protecção ADM B ADM D ADM B ADM C ADM C Derivação Corte nas duas fibras Fibras ópticas C A A C Derivação C A A C A falha é indicada a nível de secção e a recuperação da falha usa o APS João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

232 Protocolo APS de Anel O protocolo de comutação de protecção automática ou APS (Automatic Protection Switching) de secção de multiplexagem usado nos anéis SDH faz também uso dos octetos K1 e K2. Os primeiros quatro bits (b1b2b3b4) de K1 indicam o tipo de pedido. Os últimos quatro bits (b5b6b7b8) identificam o nó destinatário do pedido. Condição: Falha de sinal ou SF(signal fail), degradação de sinal ou SF (signal degrade). Cada condição pode-se aplicar ao anel ou ao arco. Tipos de pedidos Pedidos iniciados externamente ao NE (utilizador ou sistema de gestão). Estado: Atraso de restabelecimento (wait-to-restore), ausência de pedido (no request), pedido reverso (reverse request) a nível de anel ou do arco, etc. Pedido externo: Inibição de protecção (lockout of protection), comutação forçada ou manual (forced and manual switch) a nível de anel ou de arco,etc. Os nós do anel são identificados por um número escolhido entre 0 e 15, o que permite ter no máximo 16 nós por anel. Os primeiros quatro bits de K2 identificam o nó originário do pedido. O bit 5 identifica o tipo de percurso no anel (é igual a 0 para o percurso mais curto e igual a 1 para o percurso mais longo). Os outros três bits são usados, entre outras funções, para a transmissão de alarmes. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

233 Aplicação do Protocolo APS As etapas associadas à aplicação do protocolo APS em presença de um corte da fibra entre o nó B e o nó C são as seguintes: O nó B a partir da detecção de uma perda de sinal detecta a falha da fibra entre C e B. O nó B envia pelos octectos K1 e K2 pelo percuso mais curto e pelo mais longo um pedido de derivação para C. C depois de receber os octectos K1 e K2 e de reconhecer o seu endereço estabelece uma derivação para a via de protecção. A e D ao verificarem que os comandos recebidos não lhe são destinados reenviam-os. O nó C recebe de novo os octectos K1 e K2 pelo percuso mais longo e responde com o seu estado (comutado). Todos os nós são informados do novo estado. Quando B recebe essa informação passa também a comutado. A D Percurso mais longo ADM A 5 Deixa passar K1 e K2 ADM D ADM B 2 1 Detecta a falha do sinal Envia octetos K nos dois sentidos D A 8 Estabelece uma derivação ADM C 6 7 Recebe os octectos K1 e K2 Informa os nós do seu estado Percurso mais curto 4 Estabelece uma derivação 3 Recebe os octectos K1 e K2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

234 Anel MS-SPRING com Quatro Fibras No anel MS-SPRING com quatro fibras usa duas fibras para a capacidade de serviço bidireccional e as outras duas para protecção. Neste anel a protecção pode ser de arco, quando há uma falha só nas fibras de serviço, ou de anel quando há um corte nas quatro fibras. Estado Normal Estado de Protecção (anel) C A A C C A A C ADM A ADM A 2 derivações ADM D ADM B ADM D ADM B Protecção ADM C Protecção ADM C Corte nas 4 fibras Serviço C A A C Serviço C A A C 2 derivações A falha é indicada a nível de secção e a recuperação da falha usa o APS João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

235 Considerações sobre Aplicação do MSPRING Tempo de comutação : Num anel sem tráfego extra, com todos os nós a funcionar em modo normal e com menos de 1200 km de fibra óptica o tempo de comutação do tráfego para a capacidade de protecção (em arco ou anel) na presença de falhas deve ser inferior a 50 ms (ITU-T: G.841). MSPRING em aplicações submarinas : A aplicação directa do protocolo MSPRING poderia levar a situações com trajectos de protecção que atravessassem três vezes o oceano. Como as distâncias entre nós podem atingir vários milhares de km há que alterar o protocolo para estes casos: Na presença de falhas todos os AU-4 afectados pelas falhas são comutados para as vias de protecção pelos próprios nós fonte. Deve-se garantir um tempo de comutação inferior a 300 ms (ITU-T: G.841). Tráfego não protegido : Os MSPRING têm possibiliade de transportar alguns canais com tráfego não protegido, desactivando o protocolo APS para determinados AU-4s. O tráfego entre A e B é protegido pela camada ATM ADM ATM Comutador ATM A ATM ADM MSPRING (STM-16) ADM ATM ATM B STM-1 não protegido ADM STM-1 não protegido João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

236 Interligação de Anéis A interligação de anéis pode ser feita usando DXC ou ADMs. No último caso a interligação é feita ligando as saídas inserção/extraçção de dois ADMs de diferentes anéis. A interligação pode ser feita usando arquitecturas com um nó de interligação simples ou dual. A primeira tem um ponto de falha no ponto onde os anéis se interligam e por isso oferece um nível de fiabilidade baixo. ADM ADM ADM ADM Interligação com nó simples ADM ADM ADM ADM Interligação com nó dual ADM ADM ADM ADM Permite proteger o tráfego que transita entre os dois anéis. Uma falha num ADM de interligação não causa problemas ao tráfego entre anéis. Ponto de falha simples ADM ADM ADM ADM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

237 Facilidade Extrair & Continuar No caso da interligação com nó dual em vez de se estabelecer duas ligações entre o nó original e os dois nós de interligação num determinado anel, podese usar uma facilidade presente nos ADMs designada por extrair & continuar (drop-and-continue) (ITU-T G-842). Selector De C Para C De D Para D ADM C ADM A ADM D Nó 1 S Nó 1 S MSPRING 1 MSPRING 2 ADM E ADM B Nó 2 Nó 2 ADM F Interligação: Eléctrica STM-1 Óptica STM-N O sinal unidireccional transmitido pelo nó C ao chegar ao nó 1 é extraído pelo ADM desse nó e ao mesmo tempo é enviada uma réplica para o nó 2 (função continuar). O selector do nó 1 do anel 2 selecciona o sinal de melhor qualidade e envia-o para o anel. A interligação pode ser STM-1 ou STM-N. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

238 Interligação com Anel Virtual Como no caso da protecção SNCP (protecção de caminho) o tráfego é replicado na origem e enviado por dois caminhos distintos. Tráfego de Serviço De C Para C De D ADM A Nó 1 Nó 1 ADM D Para D ADM C SNCP ring 1 SNCP ring 2 ADM E ADM B Nó 2 Nó 2 ADM F Tráfego de Protecção O encaminhamento de informação deve ser feita de modo que o caminho associado ao tráfego de serviço usa nós de interligação entre os anéis diferentes do caminho de protecção João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

239 Topologias Lógicas nas Redes em Anel O modo como o tráfego é distribuido entre os diferentes nós de um anel leva ao conceito de topologia lógica. Podem-se ter diferentes tipos de topologias lógicas: estrela simples, estrela dupla, anel, malha, misto, etc. Estrela simples Padrão de tráfego em hub simples Estrela dupla Padrão de tráfego em hub duplo Anel Padrão de tráfego adjacente Nó Pedido de tráfego bidireccional Malha Padrão de tráfego uniforme Padrão de tráfego longo Os pedidos de tráfego são entre nós diametralmente opostos João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

240 Exemplos de Padrões de Tráfego num Anel STM-16 Nó A Padrão em hub simples 8 AU-4 Nó B Padrão de tráfego adjacente 8 AU-4 Nó A Nó B 5 AU-4 Nó D 5 AU-4 8 AU-4 O tráfego deve ser 8 AU-4 encaminhado entre dois nós de modo a MSPRING com 2 fibras MSPRING com 2 fibras ocupar o menor (STM-16) número de arcos e (STM-16) de modo a carregar o menos possível 3 AU-4 cada arco. Nó C Nó D 8 AU-4 8 AU-4 8 AU-4 Nó C 8 AU-4 3 AU-4 8 AU-4 Nó A 6 AU-4 6 AU-4 Nó B Padrão de tráfego misto Matriz de tráfego (AU-4) Nós A B C D 5 AU-4 Nó D 5 AU-4 MSPRING com 2 fibras (STM-16) 3 AU-4 2 AU-4 5 AU-4 Nó C 5 AU-4 2 AU-4 Os arcos A-B e A-D estão à capacidade máxima. A B C D AU-4 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

241 Capítulo 5 Redes de Transporte Ópticas João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

242 Espectro Óptico e Comprimentos de Onda Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano). Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica νλ = c Ultra-violeta Visível Infra-vermelho Comprimento de onda Frequência λ (μm) ν (Hz) O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica. Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U λ(nm) As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

243 Largura de Banda de Transmissão A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por c ν Δλ Δ 2 0 onde λ 0 é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio. λ A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte: Banda Designação λ 0 (nm) Δλ (nm) Δν (THz) O Original E Extended S Short C L U Conventional Long Ultralong Total 59 THz João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

244 Transmissão sobre Fibra Óptica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

245 Elementos de uma Ligação Óptica Estrutura de uma ligação óptica Fibra óptica Conector Sinal Eléctrico Emissor Óptico Sinal óptico Repetidor Receptor Óptico Sinal Eléctrico t t t Emissor óptico: consiste numa fonte óptica e em circuitos electrónicos; a fonte óptica é normalmente um díodo laser; faz a conversão dos sinais eléctricos em ópticos. Receptor óptico: consiste num fotodíodo, que é responsável por converter o sinal do domínio óptico para o domínio eléctrico, e por circuitos electrónicos apropriados para amplificar o sinal. Repetidor: pode ser um amplificador óptico, ou um regenerador; o primeiro amplifica o sinal óptico e o segundo dá ao sinal o formato original. Fibra óptica: consiste numa guia cilíndrico geralmente de vidro que permite a transmissão dos sinais ópticos à distância. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

246 Vantagens das Fibras Ópticas Baixa atenuação Na terceira janela (λ=1.55 μm) o coeficiente de atenuação tem um valor de cerca de 0.2 db/km. Largura de banda elevada A largura de banda disponível na terceira janela é de cerca de 200 nm (25 THz). Considerando a 2ª e 3ª janelas têm-se cerca de 400 nm (50 THz). Dimensões e peso reduzidos Um cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção ocupada por um cabo coaxial e o seu peso é de cerca de 1/30. Imunidade à interferência electromagnética A sílica (SiO 2 ) não é sensível à interferência electromagnética. Custo reduzido As fibras ópticas são fabricadas com vidro purificado, cuja matéria prima é a sílica. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

247 Atenuação das Fibras versus Meios Metálicos 100 α (db/km) 50 Par simétrico Cabo Coaxial Fibra multimodal de índice gradual Fibra monomodal Frequência (MHz) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

248 Estrutura das Fibras Ópticas Um fibra óptica é um guia de ondas cilíndrico que guia as ondas luminosas ao longo do seu eixo. As fibras ópticas usadas nas telecomunicações são fabricadas usando vidro de sílica (SiO 2 ). Estrutura genérica de uma fibra óptica: Perfil transversal Perfil longitudinal Núcleo (GeO 2 / SiO 2 ) Vidro bainha (n 2 ) Bainha (SiO 2 ) 2a Vidro núcleo (n 1 ) Revestimento primário (polímeros) n 1 >n 2 O índice de refracção n 2 da bainha deve ser ligeiramente inferior ao do núcleo n 1 para que haja condições para propagação da luz. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

249 Estrutura das Fibras Ópticas (II) Núcleo (GeO 2 / SiO 2 ) n(r) Índice em degrau Bainha (SiO ) 2 2a Índice parabólico g=1 g=2 g= Revestimento primário interior Revestimento primário exterior a r A variação do índice de refracção é dada por n1 1 2Δ n( r) = n2 = n1 r a g ( 1 2Δ) 1/ 2 1/ 2 r a r > a n1: valor máximo do índice de refracção, a: raio do núcleo, g: parâmetro de perfil, Δ: diferença de índices normalizada 2 2 n1 n2 n1 n2 Δ = 2 2n n 1 1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

250 Tipos de Fibras Fibra multimodal - Fibra com indíce em degrau - Fibra com índice de variação gradual (50 ou 62.5μm) 2π V = an1 2Δ > λ Fibra monomodal - Fibra padrão ou G Fibra de dispersão deslocada ou fibra G Fibra de dispersão deslocada, com dispersão não nula ou G655 2π V = an1 2Δ λ A maior dimensão do núcleo facilita a ligação entre fibras ou entre estas e os transceptores Ex: a=10 μm, n 1 =1.5, Δ=0.01 V=0.85 λ=1.55 μm V=2.49, λ=0.85 μm 50 ou 62.5μm 125 μm 8.6 a 9.5 μm 125 μm João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

251 Abertura Numérica O cone de aceitação de uma fibra óptica define um ângulo sólido segundo o qual toda a radiação incidente é transmitida pela fibra. Cone de aceitação θ a n 1 Núcleo Bainha n 0 A abertura numérica (AN) de uma fibra corresponde ao seno do ângulo de aceitação. Para uma fibra com índice em degrau têm-se 2 2 n1 n1 n2 AN = sinθa = 2Δ, com Δ = n 0 : índice de refracção do ar 2 n0 2n Δ: diferença de índices normalizada 1 Para garantir uma injecção de radiação na fibra dentro do cone de aceitação é conveniente usar uma lente convergente. Lente Emissor Óptico Valores típicos: Fibra multimodal 62.5/125 AN=0.275 Fibra multimodal 50/125 AN=0.2 Fibra monomodal AN=0.14 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

252 Propagação nos Diferentes Tipos de Fibras Fonte: Wikipedia Numa fibra óptica somente um número finito de raios a certos ângulos discretos têm possibilidade de se propagar. Esses ângulos estão relacionados com um padrão de distribuição do campo electromagnético denominados modos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

253 Limitações das Fibras Ópticas Atenuação: Traduz-se na redução do valor da potência óptica com a propagação ao longo da fibra. Pulso óptico na entrada t t Pulso óptico na saída 0 L Fibra óptica de comprimento L z Dispersão: Traduz-se na deformação da forma do pulso com a propagação ao longo da fibra. Pode ser intermodal ou intramodal. t t 0 L z Devido à dispersão os pulso vizinhos passam a interferir entre si limitando a velocidade de transmissão João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

254 Caracterização da Atenuação A atenuação (A f ) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (db), ou seja A 10 log p p (0) ( L) o f = p o (0): potência na entrada em mw p o o (L): potência na saída em mw É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dbm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido relativamente a 1 mw, ou seja p o P 0 (dbm) = 10log 1mW 0 dbm = 1 mw 30 dbm= 1W Por sua vez Po ( L)(dBm) = Po (0)(dBm) Af (db) A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja α(db/km) = A f (db)/ L(km) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

255 Atenuação em Função do Comprimento de Onda A atenuação das fibras ópticas de sílica varia em função do comprimento de onda e apresenta um mínimo em cerca de 1.55 μm. O limite fundamental para o coeficiente de atenuação das fibras de sílica em 1.55 μm é de 0.16 db/km. O valor típico desse coeficiente, para 1.55 μm, para as fibras disponíveis no mercado é à volta de 0.2 db/km, mas é possível encontrar fibras com valores entre db/km. Coeficiente de atenuação (db/km) Absorção ultravioleta Difusão de Rayleigh Absorção OH Comprimento de onda (μm) Absorção no infravermelho Coeficiente de Atenuação (db/km) Fibra óptica monomodal Corning SMF-28e (fibra seca) nm db/km Comprimento de Onda (μm) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

256 Física da Atenuação A atenuação num fibra óptica deve-se fundamentalmente a três fenómenos: absorção do material, difusão de Rayleigh e perdas nas curvas. Absorção do material: Traduz-se na conversão da energia luminosa em outra forma de energia. A absorção do material é devida a dois factores: as propriedades intrínsecas do material de fibra (intrínseca) e devida à presença de impurezas (extrínseca). A absorção intrínseca resulta de ressonâncias electrónicas no domínio do ultravioleta e de ressonâncias vibracionais no domínio do infravermelho. A absorção extrínseca resulta hoje em dia fundamentalmente da presença de iões OH, os quais conduzem a uma forte absorção em μm. Hoje em dia, já se produzem fibras em que essa absorção é praticamente eliminada (fibras secas). Difusão de Rayleigh: Resulta do facto da densidade do material não ser homogéneo o que conduz a flutuações microscópicas do índice de refracção. Essas flutuações originam difusão da radiação em todas as direcções e constituem o principal factor de atenuação nas fibras até lambdas da ordem de 1.6 μm. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

257 Perdas nas Curvas Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas. Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura for inferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm). Este problema levou ao desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra. Fibra padrão Fibra insensível a curvas Fonte: Ming-Jun Li, Bend-insensitive optical fibers simplify fiber-to-thehome installations, Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril 2008, SPIE. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

258 Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores. Fonte: H. Kogelnik, OFC2008 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

259 Dispersão Intermodal A dispersão intermodal só ocorre nas fibras ópticas multimodais e resulta do facto de diferentes modos terem diferentes tempos de propagação. L P 0 P δτ t θ c Bainha t τ max τ min O alargamento do pulso, definido a meia potência é aproximado por L δτ = τ max τ min n1δ c :índice em degrau L δτ = τ max τ min n1δ 10c :índice parabólico O desvio padrão do alargamento devido à dispersão intermodal é definido por δτ σ int er = 2 3 : pulsos rectangulares σ int er = 2 δτ 2ln 2 O produto largura de banda óptica comprimento da fibra é dado por B c L :índice em degrau n Δ 1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro B 0 2 : pulsos gaussianos 4.4c L :índice parabólico 2 n Δ 1

260 Dispersão Intramodal A dispersão intramodal ou cromática resulta do facto de diferentes comprimentos de onda de um modo apresentarem diferentes velocidades de propagação na fibra. n(λ) Fibra G.652 v g λ=1.3 μm L Tempo de propagação: τ = = Lτ g v g Comprimento de onda Comprimento de onda Atraso de grupo Um sinal com uma largura espectral Δλ apresenta um alargamento temporal a meia potência Δτ (ou σ intra quando expresso em desvio padrão). dτ Δτ = g LΔλ = Dλ LΔλ dλ D λ 0 σ int ra = Dλ Lσ λ D λ [ ps/(nm.km) ]: parâmetro de dispersão cromática G.652 G.655 G μm 1.55 μm λ João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

261 Produto Débito Binário Comprimento O débito binário de um sistema de transmissão digital óptico é limitado pela dispersão devida à fibra óptica. Para impedir que a interferência intersimbólica seja elevada é necessário garantir que o alargamento do pulso seja inferior ao período de bit (T b =1/D b ), sendo usada normalmente a seguinte regra 1 D b com σ d = σ 2 2 intra : monomodais e σ d = ( σint er+ σint ra) :multimodais 4σ d Para o caso das fontes com largura espectral elevada (LED, Laser FP, Laser DFB com modulação directa) obtém-se (fibras monomodais) 1 D b L ( λ = 1.55 μm, Dλ = 17 ps/(nm.km), σ λ = 0.1nm) 4D λ σ λ L 147 Gbit/s km Para o caso de fontes com largura espectral reduzida (Laser DFB+modulador externo) (fibras monomodais) 2 D b π c L ( λ = 1.55 μm, Dλ = 17 ps/(nm.km) ) 2 12 λ D λ Para um débito de 10 Gbit/s tem-se no primeiro caso um comprimento máximo da ligação de cerca de 14.7 km e no segundo caso de 66.6 km. 2 D b D b L (Gbit/s) 2 km João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

262 Limites do Parâmetro de Dispersão:ITU-T Os valores máximos do parâmetro dispersão são fixados pelo ITU-T (International Telecommunications Union- Telecommunication Sector). A recomendação G-652 impõe o seguinte limite para uma fibra padrão operando entre 1260 e 1360 nm, com um comprimento de onda de dispersão nula (λ 0 ) entre λ 0min =1300nm e λ 0max =1324 nm. D λ 4 S 0 λ 0 = λ ps/(nm.km), Declive de dispersão nula(s0 ) : 0.093ps/(nm 3 4 λ 2.km) 1200 λ 1600 nm Para fibras com dispersão deslocada a recomendação G-653 impõe D λ = S λ 2 ( λ ) ps/(nm.km), S 0.085ps/(nm.km) onde λ 0 é o comprimento de onda de dispersão nula ( 1.55μm) e λ é o comprimento de onda de trabalho. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

263 Compensação de Dispersão Para aumentar a distância entre os regeneradores para além dos limites impostos pela dispersão pode-se usar técnicas apropriadas para compensar os efeitos da dispersão. Fibra compensadora de dispersão Fibra com um parâmetro de dispersão negativo elevado na região de 1550 nm. Razão de compensação Fibra monomodal padrão (L, D λ ) L c, D λc D λ L + Dλ c Lc = 0 Dλc L DCR = D L λ c D l λ L+L L c Fibra compensadora de dispersão Gestão de dispersão Troços de fibra com dispersão alternadamente positiva e negativa. l Factor de mérito = Dλ c α c ps nm.db L 1, D λ1 L 2, D λ2 L 1, D λ1 L 2, D λ2 D λ1 L1 + Dλ 2L2 = 0 D λ l Fibra com parâmetro de dispersão negativa Fibra com parâmetro de dispersão positiva l João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

264 Bandas de Utilização das Fibras Janela Designação Banda (nm) Tipo de fibra Aplicações Primeira Multimodal LAN, Ethernet Ex:1000 Base-Sx Segunda O Monomodal (G.652) Mono λ PON, Ethernet Terceira C Monomodal Mono λ (G.655) e WDM Quarta L Monomodal WDM (G.653) Quinta E Monomodal WDM (All Wave) Sexta S Monomodal WDM, LAN (G.652) PON João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

265 Ligação de Fibras Ópticas As fibras ópticas são fabricadas com comprimentos que variam entre cerca de 2 e 50 km. Para distâncias maiores é necessário ligar diferentes troços. As ligações podem ser permanentes (juntas), ou temporárias. As primeiras são realizadas por fusão das extremidades da fibra, enquanto as segundas são realizadas com fichas (ou conectores). Máquina de fusão Fichas ST Fichas FC Fonte: Yamasaki As juntas apresentam perdas de inserção inferiores a 0.1 db e as fichas entre 0.1 e 0.3 db. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

266 Estrutura dos Cabos Ópticos Os cabos ópticos são projectados tendo presentes dois aspectos: 1) Minimizar a atenuação adicional resultante do fabrico e uso do cabo; 2) Manter a integridade física da fibra (na instalação e em serviço). O cabo é revestido no exterior por uma bainha para proteger o cabo de efeitos mecânicos, térmicos, químicos ainda da humidade. No caso dos cabos submarinos têm-se também uma blindagem metálica para aumentar a resistência mecânica. Há cabos que podem ter várias dezenas (mesmo centenas) de fibras ópticas. Os cabos com mais de 24 fibras estão organizados em subunidades. Tensor central Membro reforçador (dieléctrico ou metálico) Subunidade com várias fibras Fibra com revestimento secundário Bainha do cabo (polietileno João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

267 Cabos de Fibra Óptica Cabo de distribuição Cabo de distribuição Cabo aéreo Cabo blindado Fonte: H. Kogelnik, OFC2008 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

268 Acopladores O acoplador direccional é usado para combinar e derivar sinais nas redes ópticas. Entrada 1 Comprimento de acoplamento Saída 1 P 1 P 2 Entrada 2 Saída 2 P 4 P 3 Parâmetros: Coeficiente de acoplamento: Perdas em excesso: Combinando de modo apropriado acopladores direccionais é possível construir repartidores ópticos passivos 1:N. Repartidor óptico passivo 1x8: P o P o /8 P /8 o P /8 o P o /8 P1 C = 10log A P P 1 3 = 10log d P + P 2 3 Atenuação total do repartidor 1xN At = log 2 N Ad + 10log( N) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

269 Componentes Optoelectrónicos e Sistemas João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

270 Princípios Físicos O princípio de operação dos diferentes componentes optoelectrónicos é resultado de três processos: absorção, emissão espontânea, emissão estimulada. Representação num diagrama com dois níveis energéticos: Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada E 2 E 2 E 2 Fotão de energia hν 12 =E 2 -E 1 hν 12 hν 12 hν 12 hν 12 Aos dois fotões corresponde a mesma fase e frequência E 1 E 1 E 1 No processo de absorção têm-se a transição de um electrão do estado fundamental para o estado excitado através da absorção de um fotão. Na emissão espontânea o electrão decai espontaneamente para o estado fundamental originando um fotão. Na emissão estimulada o decaimento do electrão dá-se pela acção de um fotão estimulante. As ondas associadas aos dois fotões têm a mesma fase e frequência. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

271 Ganho Óptico em Dispositivos de Semicondutor O ganho óptico é obtido por emissão estimulada de radiação, em dispositivos derivados da junção p-n, ou seja os electrões na banda de condução decaem para a banda de valência emitindo radiação (fotões) coerente (mesma direcção frequência, fase e polarização) com a radiação incidente. Radiação luminosa incidente Meio Amplificador Radiação coerente com a radiação incidente Para que haja emissão estimulada permanente é necessário garantir que a concentração de electrões na banda de condução é muito elevada (inversão de população) através de uma corrente de polarização directa suficientemente elevada. Energia _ Banda de condução electrões E g Frequência do sinal a amplificar Banda de valência lacunas ν s > E g h Equilíbrio térmico Inversão de população João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

272 Homo e Heterojunções Para reduzir a corrente de injecção necessária para originar inversão de população usam-se heterojunções em vez de uma simples junção p-n. Homojunção corrente de injecção Heterojunção corrente de injecção y x z p n Região Activa P (InGaAsP) P (InP) n (InP) n (InGaAsP) Potência óptica Potência óptica Ìndice de refracção Ìndice de refracção d y d y d y d y Região activa Região activa João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

273 Díodo Laser O LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um oscilador óptico e é constituído por um amplificador óptico inserido numa cavidade reflectora, a qual origina realimentação positiva. Amplificador de fibra dopada Amplificador de semicondutor Laser de Fibra Laser de Semicondutor (Díodo Laser) Os díodos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot como cavidade ressonante. As faces do material semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras (espelhos) da cavidade. P o /2 Sinal óptico emitido Corrente de injecção (I) R 1 R 2 P o /2 Região activa Potência Óptica (P o ) I <I th : emissão espontânea I I th : emissão estimulada L I th Corrente Eléctrica (I) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

274 Estrutura de uma Fonte Óptica Uma fonte óptica inclui a estrutura modular do laser, o circuito de excitação (responsável pela modulação do sinal óptico), o circuito de controlo de potência e o circuito de controlo de temperatura. V Estrutura modular de um laser t Controlo de potência Circuito de excitação PIN Díodo Laser Adaptação óptica Fibra óptica Guia térmico Termistor Elemento de Peltier Estrutura modular do laser Controlo de temperatura João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

275 Fotodetecção e Materiais Usados No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico. hc λ < λ c =, h = E g 34 J.s Os valores críticos de alguns materiais são os seguintes: E c E v Fotão _ + Par electrãolacuna E g Banda de condução Banda de valência Material Si Ge Ga As Ga x In 1-x As Ga x In 1-x As 1-x P 1-Y E g (ev) λ c (μm) Os semicondutores Si e GaAs não podem ser usados para realizar fotodetectores nas janelas de 1.3 e 1.55 μm. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

276 Fotodetecção No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico. hc λ < λ c =, h = E Fotodíodos PIN g 34 J.s Os fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente. E c E v Fotão _ + Par electrãolacuna Campo Eléctrico E g Banda de condução Banda de valência InP p Região de absorção InPAs i Região de depleção O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção. InP n + João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro x

277 Caracterização dos Fotodetectores Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um. Potência óptica incidente, P o PIN η, R λ Foto-corrente, I η = ritmo de geração de pares electrão - lacuna = ritmo de fotões incidentes Respostividade (A/W) R I ηq = hv λ = = Po I / q P hν o / [ μm] λ η 1.24 q=carga do electrão= C h=constante de Planck= J.s ν:frequência da radiação óptica Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M. Fotão incidente Par electrãolacuna + _ + + _ Ionização por impacto _ Multiplicação de avalanche i( t) = R m( t) P Corrente instantânea: λ 0 Corrente média: I =< i >= Rλ MP0 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

278 Caracterização do Sinal Recebido Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada, respectivamente, para o nível lógico 1 (i 1 (t)) e para o nível 0 (i 0 (t)) por nível lógico1: i1 ( t) = R λ Pr (1) + iq1( t) nível lógico 0 : i0( t) = R λ Pr (0) + iq0( t) Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por Corrente de ruído para o nível 1 nível lógico1: i 1( t) = I1 + n1 ( t) nível lógico 0 : i0 ( t) = Io + n0( t ) Corrente de ruído para o nível 0 Valor médio da corrente para o nível 1 Valor médio da corrente para o nível 0 Densidade de probabilidade I I 1 σ 1 p(i 1) Corrente I 1 Instante de decisão D I 0 p(i o) D I 0 Limiar de decisão σ 0 t 0 Tempo João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

279 Estatística do Sinal Amostrado O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte: Amostragem i(t) i(t 0 ) Decisão e formatação do pulso i(t 0 )> D simbolo 1 i(t 0 )< D simbolo 0 Recuperação de relógio Admite-se que a amostra i(t 0 ) tem uma distribuição Gaussiana com média I 1 e variância σ 12 =<n 12 > para o nível lógico 1 e média I 0 e variância σ 02 =<n 02 > para o nível lógico 0. σ = σ q + σ ,1 c σ = σ q + σ ,0 c 2 2 σ q, 1 = 2qR λ Pr (1) Be, n q, 0 2qR λ Pr (0) Be, n σ = σ 2 c = 4 k BTfnBe, n / Rb B e,n : largura de banda de ruído do receptor; f n : factor de ruído do receptor; R b :resistência de polarização do fotodetector; T :Temperatura em K; K B : constante de Boltzmann ( J/K) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

280 Avaliação de Desempenho A probabilidade de erro é dada por P e = p1 Pr( 0/1) + p0pr (1/ 0) p 1 :probabilidade a priori de enviar o símbolo 1 p 0 :probabilidade a priori de enviar o símbolo 0 Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo 0 tendo enviado o 1 Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão: P e D I0 erfc σ 0 2 A função complementar de erro é definida por erfc( x) = 2 π x e t 2 dt = 1 4 Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo 1 tendo enviado o 0 I1 erfc σ1 O limiar de decisão óptimo (D op ) que minimiza o BER, corresponde a fazer Pr(0/1)=Pr(1/0) e erfc( x) x x 2 π x 3 D 2 x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10 x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11 x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12 D I I D σ I + σ I Q = I op 0 1 op = = Q D op = σ o σ σ1 + σ σ 0 1 +σ 0 1 I P e = 1 erfc Q 2 2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

281 Sensibilidade A sensibilidade do receptor ( P r ) é definida como a potência óptica mínima necessária para obter um valor de P e, normalmente para (Q 7). Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico é desprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por P r = 1 2 P (1) + r Pr (0) = 1 r r Q R 2 σ λ c Ruído de circuito branco P r Be, n D b A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário. Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho. Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm 155 Mbit/s pinfet -36 dbm -7 dbm 622 Mbit/s pinfet -32 dbm -7 dbm 10 Gbit/s pin -20 dbm 0 dbm Sobrecarga:valor máximo da potência na entrada do fotodetector João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

282 Transmissão Digital Óptica Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF): Fonte óptica Fibra Óptica DCF Fotodíodo Préamplificador Filtro v(t) Regenerador P s (1) P s (0) Juntas P r (1) P r (0) Receptor óptico BER Razão de extinção (r) =P s (0)/P s (1) As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo. P 0 Laser modulado directamente P 0 t Laser + modulador externo Modulador externo P 0 t Corrente I V t t João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

283 Dimensionamento de Ligações sem Amplificação Ligação limitada pela atenuação Fonte óptica L Receptor óptico Atenuação total t Ps Acoplador Ligações ponto-a-ponto A ( db) = αl + na + 2A j c n juntas na j Fibra Óptica A c Pr A ( db) = αl + na + 4A + A log2 N + 10log N t Ligações ponto-a-multiponto (1XN) j c d Balanço de potência Potência máxima Potência mínima Sobrecarga Sensibilidade Atenuação mínima(a min ) Atenuação máxima (A max ) Penalidade de caminho óptico ΔP r ( D λ L) Ganho do sistema em potência Margem do sistema G M s s = P ( mín) P s = G s r A ΔP ( D L) Inclui a margem de segurança necessária para suportar variações dos parâmetros devido a variações de temperatura e envelhecimento Devida à dispersão e às reflexões. t r λ João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

284 Sistemas com Amplificação e Regeneração Sistemas com amplificação óptica Usam-se amplificadores ópticos para compensar a atenuação da fibra óptica. O processo de amplificação têm lugar no domínio óptico. Emissor óptico G G Receptor óptico Fibra óptica Amplificador óptico Sistemas com regeneradores Os regeneradores usam-se para combater a distorção (deformação) do sinal devida à dispersão da fibra óptica. O processo de regeneração tem lugar no domínio eléctrico. É necessário converter o sinal do domínio óptico para o eléctrico e vice-versa. Emissor óptico R R Receptor óptico Fibra óptica Regenerador João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

285 Tipos de Amplificadores Ópticos Amplificador de fibra dopada A amplificação tem lugar num troço de fibra dopada (érbio para a banda de 1.55 μm e neodímio para a banda de 1.3 μm). A alimentação é feita por um laser. Sinal óptico de entrada Acoplador Amplificador de Raman Laser Laser bombeador Fibra dopada Sinal óptico de saída A amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal óptico através do efeito de Raman. Sinal óptico de entrada Acoplador Laser Laser bombeador Fibra óptica Sinal óptico de saída Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier) A amplificação tem lugar numa heterojunção de material semicondutor, acoplada à fibra óptica. Corrente de injecção Fibra óptica Fibra óptica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

286 Fundamentos dos EDFAs O amplificador de fibra dopada a érbio ou EDFA (Erbium-doped fibre amplifier) é construído dopando a parte central do núcleo (diâmetro de cerca de 2.5 μm) de uma fibra óptica de sílica com iões de érbio (Er 3+ ). O iões de érbio são activados pela energia fornecida por um laser bombeador, permitindo criar uma inversão de população, e realizar amplificação por emissão estimulada. O EDFA é usualmente bombeado por lasers de semicondutor operando a 980 nm ou 1480 nm. O bombeamento é usado para excitar os iões de érbio da banda fundamental para a banda excitada de maior energia ( 4 I 11/2 ). Os iões excitados decaem rapidamente dessa banda para a banda 4 I 13/2, designada por metaestável. Esta banda é caracterizado por um tempo médio de fluorescência (τ) longo de 14 ms, permitindo realizar uma inversão de população. 980 nm Bombeamento energético 1480 nm Transição não radiativa (1μs) 4 I 11/2 4 I 13/2 Emissão estimulada ( nm) τ = 14 ms 4 I 15/2 O ganho do amplificador permanece insensível às variações do sinal de entrada, desde que estas sejam mais rápidas do que o tempo de fluorescência (τ). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

287 Redes WDM e OTN João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

288 Sistema WDM Ponto-a-Ponto Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX), responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa. Laser 1 λ 1 Sinal multiplex λ1,λ 2,λ 3,..., λ N λ 1 Receptor Óptico 1 Laser 2 λ 2 MUX EDFA EDFA EDFA DMUX λ 2 Receptor Óptico 2 Laser N λ N Fibra óptica monomodal λ N Receptor Óptico N Sistemas DWDM ( Dense WDM) ponto-a-ponto comerciais de ponta (2007) Fabricante Equipamento Capacidade Número de λs Ciena CoreStream 1.9 Tb/s 192 λs 10 Gb/s Alcatel-Lucent 1625 Lambda Extreme Transport 2.56 Tb/s 1.28 Tb/s 64 λs 40 Gb/s 128 λs 10 Gb/s Nortel Optical Long Haul Tb/s 80 λs 10 Gb/s 320 λs 2.5 Gb/s Ericsson Marconi MHL 3000 Core 3.2Tb/s 80 λs 40 Gb/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

289 Técnicas de Multiplexagem WDM A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos. Multiplexagem selectiva Pλ 1 Pλ 2 Pλ Ν α(pλ 1 + Pλ Pλ Ν ) α 2 Pλ 1 D M M α 2 Pλ 2 U U X Fibra Óptica X α 2 Pλ Multiplexador Ν Desmultiplexador α : perdas Multiplexagem não selectiva Pλ 1 Pλ 2 C O M (Pλ 1 + Pλ Pλ Ν )/Ν D E R Pλ 1 /Ν 2 Pλ 2 /Ν 2 Pλ Ν /Ν 2 Pλ Ν Combinador óptico Derivador óptico Filtros ópticos selectores de canal Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas são independentes do número de comprimentos de onda usados. Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

290 Multiplexagem Selectiva MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras λ 1 λ 2 λ N MUX Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica. Grelhas difractoras Lente Fibras ópticas λ 1 + λ λ N DMUX Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço. MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating) Desmultiplexagem 0 Perdas λ 3 λ 2 λ 1 λ 4 λ 5 Acoplador em estrela Acoplador em estrela λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 Transmitância (db) crosstalk f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 2 +FSR Free Spectral Range f Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 db e crosstalk< 33 db. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

291 Normalização dos Comprimentos de Onda A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico. A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz ( 0.4 nm), com a frequência central nominal de THz ( nm) THz 50 GHz 50 GHz 50 GHz frequência Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf 200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

292 Papel da Rede de Transporte Óptica Router B Rede de Serviços (Rede IP) Router E Router F Router A Router C Router D ADM1 OADM: multiplexador de inserção/extracção óptico ADM2 ADM4 OTM: multiplexador óptico terminal Rede de Transporte SDH ADM3 OXC: comutador de cruzamento óptico Caminho Óptico (ADM1 ADM3) OADM OADM OADM OXC OADM OADM OADM Rede de Transporte WDM OTM OADM Caminho Óptico ( router D router F) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

293 Elementos de Rede Ópticas Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA), multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer), multiplexadores de inserção/extracção (OADM, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects). Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.). Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda individuais. Os OADMs são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos. São usados nas redes em anel. Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de uma fibra, para outra fibra, como é o caso das redes em malha. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

294 Amplificadores Ópticos de Linha Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre km. Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda. λ 1, λ 2,... λ N EDFA EDFA Terminação do canal de supervisão óptica λ so Compensação de dispersão λ so Adição do canal de supervisão óptica Receptor Laser O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

295 Multiplexador Óptico Terminal (OTM) O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico. Transponder Router IP Não é ITU λ O/E/O ITU λ 1 ADM SDH Não é ITU λ O/E/O ITU λ 2 MUX EDFA λ 1,λ 2,λ 3,λ so ADM SDH ITU λ 3 Função de adaptação Adição do canal de supervisão óptica Multiplexador óptico terminal Laser λ so A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções: - Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T; - Adição de cabeçalhos para funções de gestão; - Adição de códigos FEC (forward error correction); - Monitorização do BER (bit error rate). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

296 Tipos de OADMs Num OADM o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de onda que requerem processamento local são extraídos e posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam directamente do DMUX para o MUX. Os OADMs podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo, enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças nos padrões de tráfego. OADM fixo λ N OADM reconfigurável λ N λ 1, λ 2,.. λ N DMUX λ 2 λ 2 MUX λ 1, λ 2,.. λ N λ 1, λ 2,.. λ N DMUX MUX λ 2 λ1 λ 1 λ 1 Extracção Inserção Transponders(O/E/O) Transponders (O/E/O) Comutador óptico João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

297 Estrutura de um ROADM Estrutura de um ROADM (Reconfigurable OADM) Comprimento de onda expresso Fonte: I. Kaminow et al., Optical Fiber Telecommunications V. B, Fig. 8.2 WADD: wavelength add/drop device Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

298 Configurações de OXCs A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica. Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica. OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica λ 1 λ 1, λ 2, λ 3 λ OTM 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 λ 1 OTM λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 Matriz de comutação óptica λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 Matriz de comutação eléctrica λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 λ 1, λ 2, λ 3 OTM λ 1 λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 OTM λ 1, λ 2, λ 3 Gera λs ITU- não usa transponders Conversão O/E Conversão E/O João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

299 Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS) Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicos Os sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro. Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent) Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas. A estrutura mais simples é a do espelho 2D. Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

300 Comutadores Ópticos com MEMS Comutadores com espelhos 2D O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência. A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64. Comutadores com espelhos 3D Matriz de espelhos Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos. Fibras de entrada Fibras de saída João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

301 Transparência das Redes Ópticas Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica. Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes. Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc ) são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes. OADM OXC Sub-rede óptica totalmente transparente Cliente da rede óptica OADM OADM OADM OADM OADM OADM Cliente da rede óptica Sub-rede óptica totalmente transparente Processamento opto-electrónico (regeneração) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

302 Elemento de Rede SDH-NG+WDM Multiservice Transport Platform (MSTP) Fonte: José M. Caballero Migration to next generation SDH, Trend Communications Virtual Private Networks Digital Video Broadcasting StorageAreaNetworks (Fiber Channel, ESCON, etc.) Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção extracção no domínio óptico. Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para para funções de conversão O-E-O. Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

303 Rede de Transporte Óptica A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 40 Gb/s. A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical Transport Hierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda no domínio óptico. A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados, conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1: Gb/s; OTU-2: 10.7 Gb/s e OTU-3: 43 Gb/s). A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e m=0, para canais com débito misto e m=1, 2 ou 3, para k=1, 2 ou 3). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

304 Estrutura de Camadas da OTH A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte. Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet) Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k OPU Carga do cliente Domínio eléctrico (Envoltório digital) Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k ODU Canal óptico ou OCh OTU FEC Domínio óptico Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n Secção de transmissão óptica ou OTS-n OTM-n.m Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transport unit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (optical multiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

305 Papel das Camadas Ópticas da OTH As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (OCh, optical channel), camada de secção de multiplexagem óptica (OMS, optical multiplex section) e camada de secção de transmissão óptica (OTS, optical transmission section). Funcionalidades das camadas: Camada de canal óptico: Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal, comutação de protecção de canal. Camada de secção de multiplexagem óptica: Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda, identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de multiplexagem, conversão de comprimento de onda. Camada de secção de transmissão óptica: Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos amplificadores de linha. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

306 Definição das Camadas Ópticas O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um OADM (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação. Amplificador de linha AL OXC OTM Transponder S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem Canal óptico (OCh) S. de Multiplexagem Caminho Óptico OADM AL λ 1 λ 2 OXC OADM Transponder OTM S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão Secção de Multiplexagem Canal óptico (OCh) S. de Multiplexagem Caminho Óptico (usa dois λs) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

307 Subdivisão da Camada de Canal Óptico O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU). Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit ) Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit) Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit) Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito binário desta estrutura ( OPU-1: Gb/s, OPU-2: Gb/s, OPU-3: Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa. Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É comparável aos contentores virtuais da SDH. Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC. OPU/ODU OTU OTU OTU OTM OXC OTM OTM OADM OTM OTM OTM Caminho Transponders/ regeneradores João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

308 Estrutura da Trama da OTU-k Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward Error Correction), este último usado para detecção e correcção de erros. OTU: - Enquadramento de trama (6 octetos) - Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos - Canal de comunicação de dados (2 octetos) - 2 octetos reservados. ODU: - Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo - Canal de comunicação de dados - Protecção de canal. OPU: - Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados Duração das tramas (OTU-k): k= μs; k= μs; k= μs Estrutura da trama OTU-k octetos OTU ODU Cabeçalho de OPU Capacidade transportada Campo FEC FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238) BER=10-4 s/fec BER= c/fec João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

309 Estrutura dos Cabeçalhos A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte: PET PEM SM GCC Res OTU RES TCM TCM6 TCM5 TCM4 FTTL TCM3 TCM2 TCM1 PM RES ODU GCC1 GCC2 APS RES No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte: PET- padrão de enquadramento de trama: conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados; SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc; GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH. RES- reservado. No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte: TCM (Tandem Connection Monitoring)- monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI; PM (Path Monitoring) monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI; APS (Automatic Protection Switching) funções de protecção similares às da SDH; FTTL( Fault Type, Fault Location) identificação do tipo de falha e da sua localização. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

310 Monitorização das Ligações em Cascata A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores. Operador A Operador B Operador A Utilizador Utilizador TCM1 Monitorização de QoS a nível do utilizador TCM2 Monitorização de QoS a nível do operador TCM3 Monitorização dos vários domínios de interligação O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

311 Códigos FEC Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2 m -1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239). Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex: Número do bloco Sequências de entrada Sequências de saída O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 db, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 s/fec e 2x10-13 c/fec). Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

312 Transmissão de Cabeçalhos das Camadas Ópticas Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm. Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho. Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência. Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto. Inserção do piloto Monitorização do piloto Monitorização do piloto Terminação do piloto O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede AL OADM OXC OSC OSC OSC Transponder João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

313 Aspectos de Gestão Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, OADMs e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador), o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede. A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP). Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos Sistema de gestão de elemento Sistema de gestão de rede Sistema de gestão de elemento Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados OADM AL OXC OADM OTM OSC OSC João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

314 Capítulo 6 Redes de Acesso

315 Estrutura Geral da Rede de Acesso A rede local ou de acesso corresponde à componente da rede telefónica pública que liga a central local aos equipamentos de assinante (telefones, modems, etc.). Do repartidor de central local saem vários cabos de pares simétricos, sendo cada cabo constituído por centenas ou mesmo milhares de pares. Estes cabos são separados em feixes, e cada feixe vai alimentar uma determinada área de serviço. Cabo de pares simétricos Limite da área de serviço Central Local Grupos de casas As áreas de serviço podem ter diferentes dimensões, desde umas dezenas de quilómetros nas áreas urbanas até algumas centenas nas áreas rurais Interface de área de serviço Área de serviço João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

316 Estrutura Simplificada da Central Local Na central local pode-se identificar o repartidor principal, as interfaces de linha de assinante (ILA), os multiplexadores, e o comutador. Cabo de pares simétricos Repartidor principal Interface de linha de assinante Comutador Para desligar o telefone de um assinante basta remover o cordão existente no repartidor principal que liga o par simétrico à ILA Cordão 2 fios ILA ILA ILA 4 fios MUX/ DMUX O comutador faz a comutação com base em sinais TDM (2 Mb/s). Por isso é necessário agregar os sinais a 64 kb/s gerados pelas ILA através de um multiplexer. O repartidor principal funciona como terminação dos cabos de alimentação e faz a interligação entre os pares e a ILA. A ILA é usada para passar de dois para quatro fios e para fazer a conversão A/D e D/A, alimentar o telefone (-48 v), etc. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

317 Evolução da Rede de Acesso A rede de acesso convencional das redes telefónicas públicas era constituída por uma infra-estrutura de pares de fios de cobre entrelaçados (pares simétricos) que ligavam a central telefónica local ao telefone do assinante. Cabos de pares simétricos Cabo de alimentacão (centenas de pares) Cabo de distribuição (dezenas de pares) Central Telefónica Local Comutador RP RP: Repartidor principal ASR: Armário de subrepartição CD: Caixa de distribuição Sub-rede de alimentação ou transporte CD ASR CD CD ASR CD ASR CD CD Sub-rede de distribuição João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

318 Rede de Acesso com Concentração Na evolução da rede alguns armários de sub-repartição foram por unidades remotas com capacidade para realizar concentração. Os cabos de alimentação foram substituídos por fibra óptica ou então por ligações via rádio (fixed wireless access). MUX: multiplexador UR: Unidade remota CD: Caixa de distribuição Cabo de alimentacão (centenas de pares) Cabo de distribuição (dezenas de pares) CD UR ASR Central Telefónica Local Comutador MUX UR Fibra óptica UR Sub-rede de alimentação ou transporte CD CD CD CD CD Sub-rede de distribuição João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

319 Sub-rede de Transporte com SDH Na sub-rede de transporte a informação é multiplexada e transmitida em formato digital normalmente sobre fibra óptica. Como alternativa à topologia física em estrela da sub-rede de transporte pode-se usar uma topologia em anel fazendo uso da SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Sub-rede de transporte Sub-rede de distribuição Central local ADM ADM ADM ADM Fibra óptica de protecção ADM ADM Unidade remota UR Unidade óptica de rede ONU Unidade de terminação de rede NT Utilizador ADM ADM Fibra óptica de serviço Fibra óptica ONU Par simétrico NT Par de fibras de fibras de serviço UR ONU: Optical Network Unit NT: Network Termination Outra alteração de relevo consiste em introduzir também ligações ópticas em partes da rede de distribuição. Como soluções em fibra têm-se :FTTCab, FTTC, FTTB, FTTH, dependendo da distância entre a ONU e o assinante (NT). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

320 Funcionamento das Unidades Remotas As unidades remotas podem funcionar em modo concentrado ou não concentrado. Modo não concentrado 1 2 N Unidade remota Mux/ Demux Trama N tempo Central Local Comutador Neste modo se se considerar como exemplo N=30, o número de timeslots disponíveis na trama TDM também é igual a 30. Modo concentrado K<N N/K 1 2 Unidade remota Concentrador Trama K tempo Central Local Comutador Como exemplo podem-se considerar 240 assinantes e 30 time-slots. Tem-se um factor de concentração de 8. Factor de concentração N Os time-slots são atribuídos de acordo com as necessidades Vai introduzir bloqueio João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

321 Acesso à Internet O acesso pode ser directo (utilizadores empresariais), ou indirecto (utilizadores domésticos). O acesso indirecto usa a rede telefónica para aceder ao ISP (Internet Service Provider). O acesso indirecto pode ser de banda estreita ou de banda larga. O acesso de banda estreita é feito através de modems que operam na banda da voz. O acesso de banda larga pode ser feito usando ADSL, ou outras soluções (ex: PON). ISP#1 ISP#2 Canal virtual permanente POP Rede telefónica (Comutação de circuitos) Modem na banda de voz Serviço telefónico ISP#n Rede de banda larga (ATM) POP#n Central local Par simétrico Acesso à Internet O utilizador liga-se ao POP (point of presence) da rede telefónica. Este por sua vez liga-se aos POP dos ISPs através de circuitos alugados, ou canais virtuais permanentes estabelecidos por uma rede ATM. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

322 Acesso de Banda Larga O acesso de banda larga baseado no ADSL faz uso da infra-estrutura de pares simétricos existente entre o assinante e a central. A ligação aos ISPs é feita normalmente usando o ATM, estando-se a evoluir para a Ethernet. Filtro Filtro Rede de circuitos Acesso à rede IP através da rede ATM Comutador local DSLAM Estação local Par simétrico Modem ADSL Instalações do cliente No acesso de banda larga a rede de acesso inclui para além do modem ADSL, os multiplexadores de acesso DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), situados no mesmo edifício onde se encontra a central local. Cada DSLAM interliga várias centenas de modems ADSL à rede IP através de uma rede de banda larga ATM Para ser possível continuar a usar o par simétrico para serviços de banda estreita, usa-se um filtro para separar a banda entre os 0-4 khz do resto da banda. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

323 Desagregação do Lacete Local A desagregação do lacete local descreve a obrigação do operador histórico de alugar a sua infra-estrutura de acesso a operadores alternativos. A desagregação pode ser completa ou parcial. Na desagregação completa o operador alternativo tem acesso completo ao par simétrico do operador histórico. Na desagregação parcial o operador alternativo têm só acesso à banda base, ou a um sinal com a banda base filtrada. Desagregação completa Operador histórico Operador alternativo Comutador local Filtro DSLAM DSLAM R P Estação do operador histórico Repartidor principal Par simétrico Par simétrico Filtro Modem xdsl Modem xdsl Instalações do cliente O operador alternativo instala no edíficio do operador histórico o seu comutador local e a sua DLSAM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

324 Vantagens/Desvantagens da Desagregação O conceito de desagregação do lacete local foi criado dos Estados Unidos em meados da década de 90, de modo a aumentar a concorrência no sector das telecomunicações. A política de desagregação do lacete local pode dissuadir os operadores alternativos de investirem em novas tecnologias para a rede local, e também desmotiva o operador histórico de fazer grandes investimentos. Nova política definida pela FFC (Federal Communications Commission) nos Estados Unidos no último trimestre de ) Qualquer infra-estrutura de acesso baseada na FTTH criada de raiz não fica sujeita à obrigação de desagregação. 2) Em qualquer infra-estrutura de acesso FTTH que resulte da substituição da infraestrutura de cobre existente, somente a banda base destinada ao tráfego da voz terá de ser partilhada. Fiber-to-the-Home João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

325 Evolução da FTTH nos Estados Unidos Fonte: RVA LLC, MarketResearch & Consulting Decisão da FCC (Federal Communication Commission) de desregulamentar o acesso FTTH João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

326 Técnicas de Duplexagem Duplexagem por divisão na frequência (FDD) As direcções de transmissão são separada no domínio da frequência. Duplexagem por divisão no comprimento de onda (WDD) As direcções de transmissão são separadas no domínio do comprimento de onda. Duplexagem por divisão no tempo (TDD) As direcções de transmissão são separadas no domínio do tempo. Esta técnica também se designa por TCM (Time Compressed Multiplexing) Cancelamento de eco (EC) Separa os dois sentidos de transmissão usando um híbrido associado a um cancelador de ecos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

327 FDD e WDD Na duplexagem por divisão na frequência ou FDD (Frequency Divison Duplexing) A comunicação nos dois sentidos é feita em bandas diferentes. Banda de guarda Comunicação no sentido ascende Comunicação no sentido descendente f 1 Frequência Na duplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDD (Wavelength Division Duplexing) a comunicação bidireccional sobre fibra óptica é garantida usando comprimentos de onda diferentes nos dois sentidos. f 2 Fibra óptica Sentido descendente Sentido ascendente λ 1 λ 2 M U X D E M U X Usa-se nas aplicações de fibra óptiva no acesso, quer nas ligações ponto-a-ponto, quer nas ligações ponto-multiponto. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

328 Duplexagem por Divisão no Tempo Δt Bloco de N bits Duração do bloco de N bits Central Local (A) A B B A A B Δt=N/D b Assinante (B) A B B A ΔL Tempo de propagação na linha Δτ N/D b0 τ g Tempo Tempo de guarda Δτ= ΔL /v g D b Débito da sequência binária Assinante Transmissor Receptor Switch T/R Débito de transmissão no lacete D bo >2D b Lacete de assinante (2 fios) Switch T/R Central Local Transmissor Receptor Durante Δt é necessário garantir uma comunicação bidireccional Δt=2N/D b0 +2Δτ+2τ g João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

329 Duplexagem EC Na duplexagem por cancelamento de eco (EC) a comunicação é feita nos dois sentidos usando o mesmo meio de transmissão (usualmente par simétrico). A separação dos dois sentidos é feita no receptor usando um híbrido e um cancelador de ecos. y(t) Emissor Receptor Cancelador de ecos - rˆ ( t) + x(t) Híbrido ecos r(t) Lacete de assinante (2 fios) O cancelador de ecos é filtro adaptativo cujo objectivo é gerar uma réplica do eco ř(t), a qual vai ser subtraída do sinal z(t)= x(t)+r(t). No caso ideal em que a réplica é perfeita tem-se um cancelamento total do eco. O híbrido é um dispositivo que converte ligações de 2 fios em quatro fios. Como este dispositivo não é ideal vai originar ecos, que vão interferir com o sinal recebido. O par também pode originar ecos. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

330 Tecnologias x-dsl O x-dsl é uma designação genérica para um conjunto de tecnologias de acesso de banda larga que operam sobre o par simétrico (cobre) e são derivadas do lacete digital do assinante ou DSL (Digital Subscriber Line). IDSL ADSL ADSL2+ SHDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS). Suporta o acesso básico (2B+D) a 160 kbit/s e o acesso primário (30B+D) a Mbit/s. DSL assimétrico (Asymmetric DSL): Canal até 8 Mbit/s no sentido de cliente ou descendente (downstream) e até 800 kbit/s no sentido da rede ou ascendente (upstream). DSL assimétrico 2+(Asymmetric DSL 2+): Canal até 24 Mbit/s no sentido de descendente e até 1.5 Mbit/s no sentido ascendente. A largura de banda usada duplica em comparação com o ADSL, passando de 1.1 MHz, para 2.2 MHz. Symmetrical High Bit Rate DSL: Suporta débitos (simétricos) desde 192 kbit/s até 2.12 Mbits/s sobre 1 par simétrico, e desde 384 kbit/s até 4.62 Mbit/s sobre 2 pares. Não pode coexistir com o serviço telefónico. VDSL2 Very High Bit Rate DSL 2: Canal até 100 Mbit/s no sentido descendente e até 50 Mbit/s no sentido ascendente. Usa uma largura de banda até 30 MHz. DSL Bonding DSL Bonding: Agrega várias linha DSL para suportar débitos mais elevados. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

331 Configuração de Referência do RDIS Configuração do acesso básico RDIS Interface T NT2 NT1 Interface U Par simétrico R P LT Instalações de cliente Terminação de rede (NT) Terminação de linha (LT) Central de Comutação Local O lacete digital de assinante inclui o par simétrico e os blocos NT1 e LT. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2x64 Kbits canais B para comunicação 1x16 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 160 kbit/s Acesso primário 30x64 Kbits canais B para comunicação 1x64 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

332 ADSL (Asymmetrical DSL) O ADSL é uma tecnologia que permite uma transmissão assimétrica. A duplexagem pode ser por divisão na frequência ou por cancelador de eco. FDD 6 Mb/s :descendente 640 kbit/s: ascendente EC 8 Mb/s :descendente 800 kbit/s: ascendente Espectro Voz (telefonia) Transmissão ascendente Transmissão descendente Espectro Voz (telefonia Transmissão ascendente Transmissão descendente Frequência (khz) Frequência (khz) Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais usada é a modulação multi-tom discreto ou DMT (discrete multitone). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

333 Modulação multi-tom discreto (DMT) A sequência binária de entrada é dividida em blocos de b bits os quais são armazenados numa memória. Os bits são então divididos entre N sub-canais, sendo o número de bits alocados a cada sub-canal dependente da relação sinal-ruído desse canal. Os bits alocados a cada sub-canal vão em seguida modular uma portadora usando a modulação QAM (quadrature amplitude modulation). QAM Filtro D b Conversor S/P & memória f 0 QAM f 1 Filtro Amplitude f 0 f 1 f 2 f 3 f N frequência QAM f N Filtro Como a banda atribuída a cada sub-canal é reduzida, o atraso de grupo e a atenuação são aproximadamente constantes nessa banda. Assim a distorção e a IIS são reduzidas, tornando desnecessário o uso de igualador. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

334 D b D b /2 D b /2 Conversor Série-Paralelo 2 L Portadora Filtro 90º QAM Estrutrura do modulador M-QAM ( L = M ) 1 2 D D 1 b b 2 L Filtro D = = baud s log L log 3 s(t) 2 M 2 2 D 2 b B (min) = D = Hz FI s 2log 3 2 L Db ε = = 2log L 2 B (min) FI = log 2 M bit/s/hz Constelações s( t) = Re{ c ( t) e = a l l l l jωit ( t)cosω t b ( t)sinω t i } l l i QAM b(t) a(t) 16-QAM b(t) a(t) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

335 DMT(2) Efeito da interferência no espectro de um sinal DMT Fonte: J. Bourne, D. Bursteim, DSL, Wiley, João Pires 1.1 f (MHz) diafonia 0.2 Número de bits por sub-canal Interferência de rádios Potência no receptor Potência transmitida por sub-canal Efeito das perturbações de transmissão no número de bits por sub-canal 1.1 f (MHz) Redes de Telecomunicações/Dezembro f (MHz) 335

336 Acesso em ADSL A separação dos sinais telefónicos e ADSL é feita usando um filtro tanto nas instalações de assinante como na central local. Central local (ATR-C) Rede telefónica Rede de Rede de agregação agregação Comutador telefónico DSLAM Par simétrico Splitter+filtro Splitter+filtro Modem PC Instalação de assinante (ATR-R) Acesso à rede IP, em ATM ou Ethernet Multiplexador de Acesso ADSL ATR-C (ADSL transceiver unit, central office ATR-R (ADSL transceiver unit, remote terminal Modem ADSL O tráfego proveniente de vários utilizadores é agregado através de um DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) o qual é usado para multiplexar os sinais provenientes de várias linhas DSL, num sinal de débito elevado. A rede de agregação corresponde a um novo nível de agregação. Tradicionalmente era baseada em comutadores ATM e em DSLAMs ATM (saídas STM-N). Está-se a evoluir para uma rede IP suportada em Ethernet. Neste caso usam-se DSLAMs IP com portos de saída em GbE ou 10 GbE. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

337 Agregação ATM Nas soluções baseadas no ATM podem-se ter arquitecturas com circuitos virtuais (VC, virtual circuits) extremo-a-extremo, ou arquitecturas baseadas na agregação de VC. DSLAM VC extremo-a-extremo Switch ATM Agregação de VC Switch Agregador S. Mervana, C. Le, Design and Implementation of DSL-based Access Solutions, Cisco Press PVC: Permanent virtual circuits Na solução extremo-a-extremo faz-se uso de um PVC (ATM) para interligar um utilizador a um ISP. Este PVC é comutado por vários comutadores ATM antes de atingir o ISP. Na solução agregada vários PVC são agregados num dispositivo agregador em vez de serem simplesmente comutados. Reduz-se assim o numero de PVC que são terminados no ISP. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

338 Rede ADSL BRAS: Broadband Remote Access Server Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

339 Very High-speed DSL (VDSL) O VDSL1 pode ser simétrico ou assimétrico. Assimétrico Simétrico Débito (Descendente) Débito (Ascendente) Alcance Débito (Descendente) Débito (Ascendente) Alcance 54 Mb/s 6.4 Mb/s 0.3 km 25 Mb/s 25 Mb/s 0.3 km 26 Mb/s 3.2 Mb/s 1 km 13 Mb/s 13 Mb/s 1 km 13 Mb/s 1.6 Mb/s 1.5 km 6.5 Mb/s 6.5 Mb/s 1.5 km Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF O VDSL1 usa no percurso descendente uma banda que vai até 12 MHz. Por sua vez o VDSL2 usa uma banda com uma frequência máxima de 30 MHz, permitindo 100 Mb/s. O VDSL2 também substitui o ATM pela Ethernet (PCS:64/65). Espectro Voz (telefonia) Sentido ascendente Sentido descendente f 1 f 2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro RDIS Frequência (Hz)

340 x-dsl ( Largura de banda/distância) Déb (kbps) VDSL2 ADSL2+ ADSL Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio Dist (m) Note-se que o ADSL só permite débitos de 8 Mb/s até distâncias da ordem dos 3 km e o ADSL 2+ só permite 24 Mb/s para distâncias inferiores a km. Para distâncias superiores a 1.6 km, o ADSL2+ conduz a melhores resultados do que o VDSL2. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

341 Evolução dos Débitos no Acesso 100 Mb/s 1 Gb/s Fonte: Heavy Reading ( The Race to the Home: FTTH Technology Option, NetEvents Hong Kong) A linha a azul representa a evolução do débitos do acessos sobre cobre usando: 1) modems, com débitos entre 1.2 kb/s (1990) e 56 kb/s (1996); 2) x-dsl, que permitiu evoluir os débitos até cerca de 2 Mb/s (2005). A linha a verde extrapola a taxa de crescimento histórica: um factor crescimento de 2.29 ao ano. A linha a vermelho admite uma aceleração do crescimento a partir de 2004, para um factor de 3 ao ano. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

342 Fibra Óptica: A Solução Dentro de 3 a 5 anos débitos de 100 Mb/s no acesso será algo trivial. Se as taxas de crescimento de tráfego se mantiveram serão de esperar, daqui a 10 anos, débitos no acesso de 1 Gb/s. As tecnologias x-dsl, especialmente ADSL, estão a atingir os limites: limitações de banda e assimetria. A solução está na generalização da utilização de fibra óptica na rede de acesso. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

343 Arquitecturas de Rede Ponto-a-ponto (P2P) Um porto OLT (conversão O/E+E/O) na central local por cada cliente. Ponto-Multiponto (P2MP) Um porto OLT na central por cada N clientes, com N tipicamente entre 8 e 64. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

344 Arquitecturas de Rede(II) P2P Central Local (OLT) P2MP ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT A ONU/ONT é um dispositivo que termina a componente óptica do lado do cliente. As ligações ao equipamento deste é feita usando Ethernet sobre par simétrico, x-dsl, ou cabo coaxial. ONU: Optical Network Unit (designação IEEE) ONT: Optical Network Terminal (designação ITU-T ) Central Local (OLT) Fibra de alimentação Ponto de derivação O ponto de derivação pode ser activo ou passivo ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT ONU/ONT A OLT (Optical Line Terminal) proporciona uma interface entre a componente óptica da rede e a rede do operador. Pode incluir interfaces 1GbE, 10 GbE, STM-N (SDH). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

345 Ponto-a-Ponto Duas fibras (Ex: IEEE 802.3z 1000BASE-LX) Uma fibra por cada direcção de transmissão (10 1 Gbps) Uma fibra (IEEE 802.3ah, 1000BASE-BX10-D e BX10-U) Fonte: Cisco SFP Optics forgigabit Ethernet Applications Norma Tx _lambda (nm) Rx_lambda (nm) Débito (linha) Distância (km) Potência Óptica Tx (dbm) 1000 Base-BX10-D Gbps 10-3 a Base-BX10-U Gbps 10-3 a -9 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

346 Ponto-Multiponto Estrela Activa ( Ethernet Activa) O ponto de derivação é um nó activo, normalmente um switch Ethernet, que é usado para agregar tráfego proveniente de diferentes ONUs/ONTs: Ethernet comutada+ ponto-a-ponto. Estrela Passiva (PON) O ponto de derivação é passivo, ou seja é constituído por um splitter/combinador óptico passivo: Passive Optical Network (PON). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

347 Soluções em Fibra (FTT-x) Na arquitectura FTTH (fibre to the home) a fibra óptica vai até às intalações do assinante, e deste modo a ONU realiza as funções da NT( Network Termination). Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre to the Building) cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício ( <300 m do assinante). Neste caso há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio. A solução FTTCab ( Fibre To The Cabinet) a ONU está mais afastada do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional. Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

348 Redes Ópticas Passivas para FTT-x FTTEx FTTCab/N Concentrador (UR) Cobre FTTC FTTH/B NT ADSL ( < 6 km ) 8 Mbit/s@3 km Central Local ONU ONU ADSL2+ ( <1.5 km ) NT 24 Mbit/[email protected] km OLT ONU VDSL1 ( < 300 m ) NT FTTEx: Fibre-to-the-Exchange FTTCab/N: Fibre-to-the-Cabinet /Node FTTC: Fibre-to-the-Curb FTTB: Fibre-to-the-Building FTTH: Fibre-to-the-Home OLT: Optical Line Termination ONT: Optical Network Termination Fibra óptica 55 Mbit/[email protected] km 100 Mbit/[email protected] km VDSL2 ONT João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

349 Tipos de PONs Como todos os ONUs partilham a mesma fibra de alimentação e o mesmo porto na OLT, é necessário usar técnicas de acesso múltiplo para evitar colisões na comunicação clientecentral. TDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do tempo (TDMA: Time Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo instante. WDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do comprimento de onda (WDMA: Wavelength Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo comprimento de onda. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

350 PON vs P2P: Dimensão das Condutas Exemplo: rede FTTH com clientes (Fonte FT, Globecom 08) Solução GPON com 1:64: 3 cabos de alimentação, cada cabo com 144 fibras e com um diâmetro de 13.5 mm. Solução P2P: 28 cabos, cada cabo com 720 fibras e com um diâmetro de 25 mm P2P Cabo de 13.5 mm PON A solução P2P requer uma conduta com uma área cerca de 20 vezes superior à PON Cabo de 25 mm Sempre que o espaço disponível nas condutas seja um bem escasso a solução a adoptar deverá ser a PON. Nos outros casos a P2P deverá ser tida em conta no projecto João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

351 Arquitectura TDM-PON A ligação descendente (OLT-ONU) é feita no comprimento de onda de 1490± 10 nm e a ascendente (ONU-OLT) no comprimento de onda de 1310 ±50 nm. OLT Laser Receptor 1490 nm 1310 nm Nó de repartição Repartidor/ combinador O comprimento de onda de 1.55 μm, também é usado para soluções de vídeo overlay, como seja por exemplo televisão em RF. 1310/1490 nm mux/demux Receptor Laser Receptor Laser Receptor Laser ONU 1 As ONUs operam ao débito de linha agregado ONU k A componente de rede entre a OLT e ONU designase ODN (Optical Distribution Network) ONU N Max de 10 ou 20 km As variantes da TDM-PON mais usadas são a GPON (Gigabit PON) e EPON (Ethernet PON). A primeira opera a um débito de linha agregado de 2.488/1.244 Gbps e a segunda a 1.25 /1.25 Gbps. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

352 Dimensionamento Físico da PON Estrutura de uma PON OLT Conectores La Balanço de potências Valor mínimo da potência média emitida Repartidor óptico passivo 1:N mim s r λa=1310 nm Ld s λd=1490 nm a max d ONU ONU ONU P P + M + α( L + L ) + A +ΔP( D L) + A A r = 10log10( N) + Ad log2 N Pr sensibilidade do receptor, Ms margem de funcionamento, A x perdas extra (conectores, duplexores, etc.), A r perdas de derivação, ΔP i ( D λ L) perdas devidas à dispersão, A d perdas de inserção dos acopladores r i (db) Na ONU e na OLT terão de se usar duplexores de comprimento de onda para agregar/separar os diferentes comprimentos de onda. λ x Valor máximo da potência média emitida max s P P M + αl + A + A sc sc a r x Psc potência de sobrecarga, M sc margem de funcionamento para a potência máxima João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

353 Funções da OLT e ONU/ONT na EPON Como acontece na generalidade das PONs a OLT funciona como o controlador de rede. Todas a comunicações têm lugar entre a OLT e as ONUs, ou seja não há interacção directa entre as ONUs. Cada ONU é identificada pelo seu LLID (Logical Link Identifier). Funções da OLT: Processo de descoberta: Verifica se uma nova ONU se juntou ou abandonou a rede. Controlo de registo: Controla o registo das novas ONUs adicionadas à rede. Gestão de banda: Atribui a cada ONU uma banda apropriada no canal ascendente. Processo de alinhamento (ranging) e sincronismo: Calcula o atraso temporal entre a OLT e cada ONU; gera mensagens de sincronismo (time-stamped) de modo a garantir que as ONUs e a OLT tenham uma referência temporal comum. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

354 Arquitectura da EPON (P2MP) A principal diferença entre a EPON e a Ethernet P2P é a presença da sub-camada MPMC. Esta sub-camada é responsável por executar um protocolo de acesso múltiplo que regula o acesso das diferentes ONUs ao canal ascendente. A sub-camada PCS é responsável pela codificação 8B10B, como no caso da GbE. Isto implica que embora à EPON corresponda um fluxo de informação bidireccional a 1 Gbit/s, a transmissão é feita no meio óptico a um débito de símbolo de 1.25 Gbaud/s. Como opção, esta sub-camada também pode implementar um código do blocos RS(255,239). A sub-camada PMA é responsável por converter um fluxo de bits paralelo proveniente da sub-camada PCS num fluxo série. A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e pela ligação à fibra através do MDI. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

355 Formato da Trama (IEEE 802.3) A estrutura da trama EPON é idêntica à da Ethernet (IEEE 802.3),com excepção do campos preâmbulo/sfd octetos Preâmbulo S F D Endereço de destino Endereço de fonte Compri mento / Tipo Dados+ Enchimento (Pad) FCS 0x bytes 8 bytes SLD 1 byte 0x bytes Modo 1 bit LLID 2 bytes ID 15 bits CRC 1 byte O primeiro bit do campo LLID (Logical Link Indentifier) é um bit que indica o modo como o tráfego é enviado: difusão (1) ou unicast (0). No processo de difusão a mesma trama é enviada para todas as ONUs. Os 15 bits restantes são capazes de suportar diferentes ONUs lógicas. A trama começa com o SLD (Start LLID delimiter), que é delimitado de ambos os lados por 2 bytes com um padrão fixo. Segue-se o LLID e um campo CRC para proteger os campos SLD e LLID. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

356 Protocolo MPCP O protocolo MPCP é usado pela EPON para regular o fluxo de tráfego e foi desenvolvido pelo grupo IEEE802.3ah. Usa dois tipos de mensagens REPORT/GRANT. O MPCP é responsável por funções tais como auto-descoberta, registo de ONUs, alinhamento para as novas ONUs adicionadas à rede. O MPCP proporciona ainda um plano de controlo para coordenar a transmissão ascendente, o qual fiscaliza a ocupação das filas de espera nas ONUs e atribui largura de banda para transmissão ascendente a cada ONU em função dessa ocupação. A atribuição da banda é feita usando um algoritmo DBA (Dynamic Bandwidth Assigmnent), o qual usa as mensagens GRANT e REPORT. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

357 Operação da EPON (Descendente) No sentido descendente as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um repartidor (splitter) 1:N e chegam a cada ONU. Todas as tramas são difundidas pela OLT para todas as ONUs, as quais extraiam as tramas que lhe são destinadas com base na etiqueta LLID. Note-se que a LLID só está presente dentro de EPON. Antes de enviar as tramas para o cliente a LLID é eliminada pela ONU. 0& LLID=3 0& LLID=1 Laser OLT ONU 2 Trama Ethernet Repartidor (Splitter) Óptico ONU 1 ONU Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando a etiqueta LLID, e rejeita todas as outras tramas recebidas. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

358 Operação da EPON (Ascendente) No sentido ascendente há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Para ultrapassar esse problema usa-se o protocolo MPCP. Para sincronizar as diferentes ONUs o protocolo MPCP baseia-se num esquema TDMA (Time Division Multiple Access). Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet. Laser Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU. ONU OLT ONU 2 0& LLID=1 0& LLID=2 Time-slot Combinador Todas as tramas enviadas por uma ONU devem ser etiquetadas com o seu próprio LLID ONU 3 Trama Ethernet João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidada máxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot são enviados caracteres de 10 bit sem informação.

359 Algoritmo DBA O conjunto dos N time-slots correspondentes aos N ONUs designa-se por ciclo. A duração de um ciclo é denominada por T. A duração de cada timeslot (janela de transmissão) é variável, sendo atribuída pelo DBA em função da ocupação das filas de espera da ONU. Os time-slots estão organizados sequencialmente, com um intervalo de guarda de modo a evitar colisões na OLT devido a flutuações no RTT (round-trip time). Este é dado por 2d/v, onde d é a distância entre a OLT e a ONU e v é a velocidade de propagação na fibra. Este tempo é calculado pela OLT através das mensagens Report/Grant. Fonte: João Santos, TFC, IST, 2006 A cada ONU é atribuída uma janela de transmissão máxima de W i, max (em bytes). O tempo de ciclo máximo, correspondente a N ONUs, é dado por T max = N i= 1 8 Wi τ g + D,max João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro Na figura uma OLT atribui permissão Gate a uma ONU logo após a recepção do seu Report. No ciclo seguinte essa ONU já vai transmitir na janela de transmissão atribuída pela OLT. τ g : intervalo de guarda (segundos), D: Débito binário na linha

360 GPON vs EPON Norma Débito de linha descendente Débito de linha ascendente Derivação máxima Máximo alcance Atenuação máxima Eficiência média (ε) Tráfego suportado Débito médio por ONU GPON ITU-T G , 2448 Mb/s 155, 622, 1244, 2448 Mb/s 1:64 10/20 km 20/25/30 db (Classe A, B, C) 93% Ethernet, ATM, TDM 70 1:32 (ε=92%) EPON IEEE 802.3ah 1250 Mb/s (1 Gb/s Eth ) 1250 Mb/s (1 Gb/s Eth) 1:32 ; 1:16 (típica) 10/20 km 20/24 db (10, 20 km) 65-70% Ethernet 45 1:16 (ε=72%) A eficiência refere-se à fracção do débito usada para transporte de dados. A menor eficiência da EPON resulta de tempos de guarda maiores e um maior cabeçalho dedicada para correcção de erros e outras funções (8B/10B). No cálculo do débito médio considerou-se um utilização completa e sem bloqueio da PON. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

361 Soluções WDM-PON Nas PON baseadas em WDM (Wavelength Division Multiplexing) a cada ONU é atribuído um comprimento de onda (lambda). Tal como no caso do P2P cada ONU opera ao débito binário individual (e não agregado) e a privacidade da ligação está garantida sem necessidade de encriptação, como acontece na TDM-PON. As redes WDM-PON baseiam-se quer no DWDM (Dense-WDM), quer no CWDM (Coarse-WDM). As soluções DWDM operam na janela de 1550 nm e as principais variantes são: 1) broadcast & select; 2) wavelength routing João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

362 Arquitectura DWDM-PON:broadcast & select Na arquitectura broadcast & select a banda de lambdas usada é difundida para todas as ONUs, para posteriormente cada ONU seleccionar o seu lambda próprio usando um filtro óptico. OLT Nó de repartição λ 1, λ 2,... λ N, λ N+1 Filtro Receptor Laser ONU 1 Matriz de Lasers Matriz de Receptores λ 1, λ 2,...,λ N λ N+1, λ N+2..,λ 2N Repartidor/ combinador λ 1, λ 2,... λ N, Receptor Laser ONU k λ N+k A electrónica de cada ONU opera ao débito individual da ONU λ 1, λ 2,... λ N, Receptor Laser ONU N λ 2N No sentido ascendente cada ONU emite no seu comprimento de onda próprio, as quais são combinadas passivamente no nó de repartição. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

363 Arquitectura DWDM-PON:wavelength routing O derivador óptico é substituído por um encaminhador óptico tipo AWG (Arrayed Waveguide Grating). OLT λ 1, λ 2,...,λ N Nó de repartição λ 1 λ N+1 Splitter Receptor Laser ONU 1 Matriz de Lasers Matriz de Receptores AWG Repartidor/ combinador combinador λ k Receptor Laser ONU k λ N+1, λ N+2..,λ 2N λ N+k Permite suportar mais de 80 lambdas o que corresponde a mais de 40 ONUs, com débitos individuais por ONU até 10 Gb/s λ N, λ 2N Receptor Laser ONU N O encaminhador envia os diferentes comprimentos de onda para os diferentes ONUs. A utilização do AWG vai eliminar as perdas de derivação da solução broadcast & select. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

364 CWDM-PON Usa componentes de baixo custo com os lambdas espaçados de 20 nm. Na segunda e terceira janela ( nm) só são suportados 16 canais, ou seja 8 ONUs Exemplo de uma rede CWDM (Coarse-WDM) com 4 lambdas por cada direcção e 10 Gb/s por canal (Fonte: T. Shih et al., A 40 Gb/s bidirectional CWDM- PON..., OECC08) 1510 nm 1530 nm 1550 nm 1570 nm 1290 nm 1310 nm 1330 nm 1350 nm CWDM MUX CWDM MUX OLT 15xx nm WDM 13xx nm 10 km, 40 Gb/s Mulriplexer de 13xx /15XX WDM CWDM MUX CWDM MUX Ponto de repartição WDM WDM WDM WDM WDM WDM WDM WDM ONU 1510 nm 1290 nm 1530 nm 1310 nm 1550 nm 1330 nm 1570 nm 1350 nm João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

365 Prós WDM-PON: Prós e Contras Suporta todos os serviços (Ethernet, TDM, ATM, etc.) de modo transparente. Suporta débitos por ONU muito elevados (até 10 Gb/s). Contras Requer um número elevado de interfaces ópticas na OLT (16 no caso do CWDM-PON, e várias dezenas no caso da DWDM-PON). Requer interfaces ópticas coloridas na ONU, já que cada ONU processa lambdas diferentes ( problema CAPEX/OPEX). A variante DWDM requer lasers DFB muito estáveis devido ao espaçamento entre canais ser reduzido e por isso muito caros. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

366 WDM-PON: Cenários de Aplicação A variante DWDM conduz a soluções muito caras, não compatíveis com os requisitos de baixo custo da rede de acesso. A variante CWDM conduz a redes de dimensões reduzidas e por isso de fraco interesse prático. A WDM-PON não se afigura como alternativa viável, pelo menos a curto prazo, para aplicações de acesso óptico domésticas. As redes híbridas metro-acesso são o cenário de aplicação mais apropriado para as soluções WDM João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

367 Mercado FTTH/B por tecnologia (previsão 2011) FTTH Market by Technology, Dec 2011 A tecnologia EPON será dominante nos países asiáticos. 26% 23% A tecnologia GPON será dominante nos EU e Europa. 1% GPON EPON Other PON Active 50% Fonte: Heavy Reading report, FTTH Worldwide Market & Technology Forecast, , June 2006 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

368 Penetração das soluções FTTH e FTTB em 2008 Fonte:Fiber-to-the-Home Council, Fev João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

369 Capítulo 7 Tópicos sobre Comutação

370 Circuitos Comutados/Alugados O objectivo principal da rede telefónica pública comutada consiste em estabelecer circuitos. Os circuitos podem ser comutados ou alugados. Circuito comutado: ligação bidireccional extremo-a-extremo estabelecida por acção do plano de controlo, usando sinalização Circuito alugado: ligação bidireccional extremo-a-extremo estabelecida por acção do plano de gestão Os circuitos comutados são estabelecidos em resposta às chamadas telefónicas e são dinâmicos. Um circuito comutado suporta um débito de 64 kb/s. Os circuitos alugados são usados para responder a volumes de tráfego elevados, são implementados com cruzadores (cross-connects), são estáticos e suportam débitos múltiplos de 64 kb/s até 2 Mb/s. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

371 Variação do Tráfego Telefónico HMC O tráfego telefónico medido numa central local varia consideravelmente ao longo do dia, sendo essa variação também muito dependente do tipo de utilizadores (residenciais, empresariais, misto) Normalmente é possível definir uma hora em que o tráfego atinge o valor máximo (HMC, Hora mais carregada). O planeamento de rede deve ser feito para essa hora. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

372 Tráfego Telefónico versus IP O tráfego telefónico tem uma estatística de Poisson e o tráfego IP tem uma distribuição de Pareto (auto-similar). Auto-similar Poisson Packets/timeslot t unit = 10 ms tempo Packets/timeslot t unit = 10 ms tempo Packets/timeslot t unit = 10 s Packets/timeslot t unit = 10 s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

373 Grandezas Relacionadas com o Tráfego O tráfego instantâneo transportado pela conjunto de N linhas é m( t) N 1 = Ki ( t) onde Ki ( t) = 1 0 se a linha i está ocupada se a linha i= i não está ocupada O fluxo de tráfego numa conjunto de linhas N é caracterizado pela intensidade de tráfego. Essa intensidade é definida por T m t dt C h A= ( ) 0 = = λ h T T C: Número média de chamadas no intervalo de tempo T h: duração média de uma chamada, λ: número médio de chamadas por unidade de tempo T: Normalmente o período de medida é um hora (HMC) A unidade de media de intensidade de tráfego é o Erlang. Uma linha que esteja permanentemente ocupada durante 1h transporta o tráfego de 1 Erlang. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

374 Funções das Centrais Telefónicas Sinalização: responsável por transferir a informação sobre o estado das linhas para o sistema de controlo e por gerar os sinais adequados para estabelecer, manter e terminar circuitos. Nos casos em que os caminhos físicos da sinalização e do sinal de voz são os mesmos sinalização em canal associado ou CAS (channel-associated signalling). Nos casos em que a rede de sinalização é independente da rede de voz sinalização em canal comum ou CCS (common-channel signalling), ex: Sistema de Sinalização n 7. Controlo: interacção com o equipamento de comutação de modo a responder aos requisitos da sinalização. O controlo pode ser distribuído ou centralizado. Comutação: responsável por estabelecer, manter e concluir as ligações físicas (circuitos). Terminação da linha de assinante: funções ILA (centrais locais) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

375 Tipos de Comutação As centrais de comutação telefónica usam comutação de circuitos e a redes de dados comutação de pacotes Comutação de circuitos: Na comutação de circuitos estabelece-se uma ligação física entre os intervenientes na chamada, que se mantém durante toda a duração da chamada. Comutação de pacotes: As mensagens trocadas entre os intervenientes na chamada são segmentadas em pacotes, sendo o encaminhamento dos pacotes realizado com base no endereço presente no cabeçalho do pacote. A comutação de circuitos pode ser analógica ou digital. Comutação analógica: A ligação física é mantida continuamente durante toda a duração da chamada. Usa comutação espacial. Passo-a-passo, Barras cruzadas e Electrónica Comutação digital: A ligação física é mantida de uma forma cíclica só durante o time-slot correspondente a essa chamada. Usa comutação espacial e comutação temporal. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

376 Comutação Analógica Passo-Passo (Stronger) Elemento de comutação básico do comutador Strowger é o selector. Conjunto de escovas que se movem sobre um conjunto de contactos fixos em resposta directa aos impulsos decádicos do telefone. O movimento na vertical é controlado pelo dígito marcado e o movimento na horizontal é realizado até encontrar uma linha de saída livre. A comutação analógica Strowger foi usada na rede telefónica portuguesa até meados dos anos 90. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

377 Comutação Passo-a-Passo A ligação é estabelecida progressivamente ao longo dos diferentes andares do comutador, por acção dos pulsos decádicos gerados pelo telefone. Controlo Progressivo Controlo Distribuído 275 Selector #1 2 Selector #2 Selector #3 7 5 Sequência de pulsos decádicos Cada selector avança uma posição por cada pulso de controlo. O selector pode ser de 1 ou 2 movimentos. Neste último caso, os movimentos ocorrem quer na horizontal quer na vertical. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

378 Centrais de Controlo Centralizado Nas centrais de controlo centralizado o plano de controlo é implementado usando um processador e um programa residente, ou seja é baseado em software. Centrais SPC (Stored Program Control) Nas centrais SPC há uma separação entre o plano de utilizador e plano de controlo. Sinalização em canal associado Sinalização em canal comum (SS7) Central A Central B Central A Central B Voz voz Matriz de Comutação sinalização Matriz de Comutação Matriz de Comutação Matriz de Comutação Sistema de controlo Sistema de controlo Sistema de Controlo sinalização Sistema de controlo Os sinais de sinalização e de voz partilham a mesma via de transmissão Tem-se uma rede própria para a sinalização e independente da rede telefónica João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

379 Estrutura de uma Central de Comutação Digital Uma central de comutação digital local é constituída por duas grandes unidades: Unidade de assinante & concentração (UAC) e unidade do grupo de comutação (UGC). A UAC pode em alguns casos estar fisicamente separada da central local fazendo parte da unidade remota. O equipamento de comutação está situado na unidade de concentração e na UGC. Sinais de controlo Unidade de assinante & concentração Unidade do grupo de comutação Linha digital Linha analógica Linha analógica Interface de linha de assinante (1) Interface de linha de assinante (30) Controlador das interfaces Multiplexador Unidade de concentração Sin. MF Tons Bloco do grupo de comutação Sin. MF CAS CCS Tronca digital As centrais de comutação de troncas incluem só a UGC. Sistema de Sinalização nº 7 CCS: Common Channel Signaling CAS: Channel Associated Signalling Sistema de controlo da central Sistema de gestão A primeira central digital da rede telefónica nacional foi instalada em 1987 (Carnide) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

380 Interface de Linha de Assinante Analógico A estrutura de uma interface de linha de assinante (ILA) analógico é a seguinte: Relé de teste de acesso Relé de toque Protecção de sobretensões As funções de uma ILA podem sintetizar-se no acrónimo BORSCHT, ou seja alimentação (Battery), protecção contra sobre-tensões (Overvoltage protection), toque de campainha (Ringing), supervisão de linha (Supervision), codificação A/D e D/A (Coding), híbrido (Hybrid ) e vários tipos de teste (Testing). Alimentação de linha Extracção de sinalização Unidade de supervisão Outras ILAs Controlador de interfaces Sistema de controlo da central A alimentação é responsável por alimentar os telefones analógicos com uma tensão 48 V DC. A protecção contra sobre-tensões protege a linha telefónica contra altas tensões (descargas atmosféricas, linhas de alta tensão). O relé de toque é responsável por gerar o sinal de toque de campainha. A unidade de supervisão extrai/insere a informação de sinalização. O híbrido faz a conversão de 2/4 e 4/2 fios. O codificador / descodificador é responsável pela conversão A/D e D/A. O relé de teste permite testar o lacete local e detectar possíveis falhas. Híbrido Descodificador Codificador Outras ILAs 64 kb/s 64 kb/s Mux 2 Mb/s João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

381 Etapas Associadas à Realização de uma Chamada Local As principais etapas são as seguintes: 1) Estabelecimento de corrente DC na linha (sinal de apresar). 2) O assinante que requereu o pedido de serviço é identificado e é atribuído a esse assinante uma área de memória (registo). 3) Depois de disponibilizar o registo, a central envia para o assinante chamador o sinal de linha. 4) O assinante marca os dígitos correspondentes ao endereço do destinatário. Assinante Chamador Central local Assinante chamado Sinal de apresar 1 Sinal de linha Endereço 4 Identificação de assinante 2 Atribuição de memória 3 Análise dos dígitos 5 5) O sistema de controlo analisa os dígitos e escolhe o circuito de saída apropriado para encaminhar a chamada. Se o circuito de saída estiver ocupado será enviado para o assinante o sinal de linha impedida. 6) Nesta fase são conhecidos os portos de entrada e de saída da matriz de comutação. Para estabelecer um caminho entre o porto de entrada e de saída da matriz de comutação o sistema de controlo deverá enviar para esta um sinal de controlo apropriado. 7) O sinal de chamada é enviado para o destinatário (toque de campainha) e o tom de chamada é enviado para o chamador. Tom de chamada Conversação Sinal de aclarar Estabelece o caminho 6 7 Desliga o sinal e o tom de chamada Supervisão 10 9 Desliga o equipamento Sinal de chamada Sinal de resposta 8 Sinal de aclarar inv. 8) O assinante chamado atende, levando ao estabelecimento de uma corrente DC. A conversação pode iniciar-se usando o circuito estabelecido através da matriz de comutação. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

382 Matriz Espacial com um Único Andar Entradas Esta matriz não apresenta bloqueio de interligação (conectividade total) A complexidade (número de pontos de cruzamento) aumenta com o quadrado da dimensão da matriz (N N): C(1)=N Saídas 4 5 A eficiência (fracção de pontos de cruzamento activos) decresce inversamente com N: ε=n/c(1)=1/n. Mapa das ligações Apresenta baixa fiabilidade (qualquer avaria num ponto de cruzamento implica que uma ligação não se pode efectuar) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

383 Comutação Espacial As matrizes de comutação espacial eram usadas nas antigas centrais de comutação analógicas, como também são usadas nas modernas centrais digitais. São ainda usadas como malhas de interligação nos comutadores de alta velocidade (ATM). Matriz de comutação espacial: consiste numa matriz de pontos de cruzamento, designada por matriz de barras cruzadas. Para ligar N linhas de entrada a M linhas de saída requer NM pontos de cruzamento. Matriz de comutação espacial N M Entradas Ponto de cruzamento N N M Elemento de comutação M M<N: concentrador M>N: expansor M=N: distribuidor N M Saídas João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

384 Arquitecturas Multi-andar É desejável encontrar arquitecturas alternativas que garantam conectividade total e ainda que: permitam caminhos alternativos na malha de comutação (para a aumentar fiabilidade) partilhem pontos de cruzamento entre as diversas ligações possíveis (para aumentar a eficiência) Para resolver essas limitações usam-se as arquitecturas multi-andar Cada andar é composto por sub-matrizes com conectividade total (sem bloqueio) Possibilidade dos diferentes andares serem realizados por diferentes tecnologias João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

385 Arquitecturas com Dois Andares As arquitecturas multiandar são baseadas em sub-matrizes sem bloqueio Só há uma ligação entre as submatrizes de andares diferentes 3 4 Bloqueio Devido ao número limitado de ligações, as arquitecturas com dois andares introduzem bloqueio de interligação Bloqueio ? 4 1? Fiabilidade reduzida João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

386 Matriz de Comutação Espacial com Três Andares Os problemas (bloqueio e baixa fiabilidade) da arquitectura de dois andares, resultantes de só ser possível estabelecer uma ligação entre as sub-matrizes de andares diferentes, podem ser ultrapassados usando arquitecturas com três ou mais andares. N linhas de entrada Matriz espacial com três andares NxN n k r s k n n k r s k n n k r s k n N linhas de saída r=s=n/n as N entradas e as N saídas são divididas em sub-grupos de dimensão n e existem k percursos de uma dada entrada para uma dada saída (um por cada submatriz do andar intermédio). #N/n #k #N/n Complexidade 2 N N N N C(3) = 2 ( n k) + k k 2N 2 n = + n n n João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

387 Bloqueio de Interligação Bloqueio de interligação nulo: é sempre possível estabelecer uma ligação entre uma entrada livre e uma saída livre, independentemente do estado da rede de interligação. Tipos de matrizes sem bloqueio: Em sentido estrito: é sempre possível ligar uma entrada livre a uma qualquer saída livre independentemente do conjunto de interligações já estabelecidas e do algoritmo de conexão. Em sentido lato: é possível ligar uma entrada livre a uma saída livre desde que se use um algoritmo adequado para estabelecer as ligações. Rearranjáveis: para ligar uma entrada livre a uma saída livre pode ser necessário rearranjar as interligações. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

388 Teorema de Clos para Redes comtrês Andares Para demonstrar o teorema de Clos, suponha-se que se pretende realizar uma ligação entre uma entrada livre a e uma saída livre b. A pior situação é representada abaixo. As n-1 entradas da sub-matriz a que pertence a estão ocupadas e as n-1 saídas da sub-matriz a que pertence b também estão ocupadas. Além disso, estas 2(n-1) ligações são realizadas através de sub-matrizes do andar intermédio diferentes. Assim, requer-se uma sub-matriz adicional no andar intermédio, o que perfaz um total de k=2n-1 sub-matrizes intermédias. n-1 entradas ocupadas n-1 saídas do 1ºandar ocupadas 1º andar nxk 2º andar 1 n-1 n 3º andar kxn Teorema de Clos Indica o número mínimo de submatrizes do andar intermédio que garantem ausência de bloqueio de interligação em sentido estrito: k 2n-1 b n-1 saídas ocupadas Saída livre Entrada livre a 2n-2 n-1 entradas no 3ºandar ocupadas É necessária uma sub-matriz adicional 2n-1 #k João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

389 Comutação Digital Telefónica A comutação digital também é conhecida por comutação por divisão no tempo, porque neste tipo de comutação o circuito associado a uma conversação só é activado durante o intervalo de tempo correspondente a essa conversação. Note-se que, neste método, antes da operação de comutação, os canais telefónicos são amostrados à frequência de 8 khz (o que origina um intervalo de amostragem de 125 μs), codificados com 8 bits e multiplexados para formar um sinal TDM. 1 trama Comutador Espacial e 1 1 trama Temporal N N O canal 3 (time-slot 3) da linha 1 de entrada é comutado para o canal 31 (time-slot 31) da linha N de saída. A comutação tem lugar quer no domínio do espaço (linha 1 para a linha N), quer no domínio do tempo (do time-slot 3 para o time-slot 31). João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

390 Princípios da Comutação Temporal A comutação temporal consiste em transferir o conteúdo de um timeslot para outro time-slot. TS2 Trama #1 Trama #2 TS2 Trama #1 Trama #2 TS7 TS7 TS7 TS7 TS2 TS2 Tempo Tempo O conteúdo dos canais de entrada e saída do comutador mantém-se na mesma trama Atraso de 5 time-slots O conteúdo dos canais de entrada e saída do comutador é atrasado até à trama seguinte Se a via de entrada é um E1, 32 canais (time-slots), o atraso introduzido é (32-7)+2 = 27 time-slots O atraso introduzido pode ir de zero até à duração de uma trama menos um time-slot João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

391 Implementação da Comutação Temporal A comutação temporal é implementada usando um dispositivo designado por TSI (Time- Slot Interchange). Exemplifica-se em seguida a utilização de um TSI para realizar o intercâmbio de time-slots entre tramas de entrada e tramas de saída. Entrada do TSI Saída do TSI Trama#1 Trama# A B C D E A B C D E A Implementação (escrita sequencial e leitura aleatória) A B C D E tempo Escrita sequencial controlada pelo contador Contador C B Endereço da célula Escrita pelo sistema de controlo da central A B C D E E Conteúdo da célula D João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro A Memória de dados C B E D A C B Leitura aleatória controlada pela memória de endereços Memória de endereços... Padrão de ligações tempo Alocação do tempo de escrita (E) e leitura (L) Trama TS# 1 E L TS# 2 E L TS# 3 E L TS# 4 E L TS# 5 E L... tempo

392 Dimensão das Memórias do TSI (escrita sequencial e leitura aleatória) Trama Trama A TS#1 TS#w 1 G tempo Escrita sequencial controlada pelo contador Contador 1... w 1 Endereço da célula A G Conteúdo da célula Endereço da célula Memória de dados Para uma trama da via TDM de entrada com w 1 time-slots, e saída com w 2 timeslots, cada um com b bits, Dimensão da memória de dados (w 1 células de b bits cada): b w 1 bits Dimensão da memória de endereços (w 2 células de log 2 w 1 bits cada): w 2 log 2 w 1 bits w 2 w TS#1 TS#w 2 G A Leitura aleatória controlada pela memória de endereços Memória de endereços Conteúdo da célula tempo Padrão de ligações 1 w 2. w 1 1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

393 Dimensão máxima do Sistema de Comutação Temporal A dimensão do sistema de comutação temporal é limitada pelo tempo de acesso à memória. Para uma trama da via TDM (de entrada e saída) com w time-slots, cada um com b bits, e em que o débito binário por canal é D b Débito binário do sinal TDM: w D b bit/s Duração de cada time-slot: b/(w D b ) Em cada time-slot dão-se dois acessos à memória (uma operação de escrita e outra de leitura) o tempo de acesso deve verificar t a b / (2w D b ) b = 8 bits w D b = 64 kbit/s t a (s) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

394 Comutador de Intercâmbio de Time-Slots Exemplo de aplicação de um comutador de intercâmbio de time-slots (TSI): 0 1 H H DMUX & D/A Trama Durante cada time-slot tem lugar uma operação de escrita e uma operação de leitura o tempo de acesso à memória é dado por t a 125μs/(2w), onde w éo número de canais por trama 99 H A/D & MUX Trama Endereço de escrita Contador de time-slots As amostras dos diferentes canais (conteúdo dos time-slots) são escritas sequencialmente na memória de dados (com capacidade para 100 octetos). Os endereços de escrita são gerados por um contador de time slots. A memória de dados é lida segundo a ordem determinada pelo conteúdo da memória de endereços (ou de controlo). No exemplo apresentado, para ligar as linhas telefónicas 1 a 99, a posição de memória de endereços nº1 é programada com o número 99 e a posição 99 com o 1. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro Endereço de leitura Memória de dados Memória de endereços

395 Estrutura Básica de um TSI Estrutura básica de um TSI de 32 canais (w=32) com escrita sequencial e leitura aleatória Controla a leitura da memória de endereços e a escrita da memória de dados Relógio Mbit/s S/P 32 canais 8 khz / canal = 256 khz Do sistema de controlo da central Contador Endereço de leitura 5 bits 8 bits 8 bits Endereços 5 bits Endereço de escrita 5 bits Memória de dados 32x8 Selector Memória de endereços 32x5 Selector E/L E/L P/S Endereço de leitura 5 bits Endereço de escrita TS#1 TS#2 TS#w E L E L E L Selecciona a operação de escrita ou leitura A memória de dados e a memória de endereços são implementadas usando RAMs. Cada RAM tem uma entrada, uma saída, um porto de endereços, um porto de comando de escrita / leitura e uma entrada de relógio. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

396 Comutador Digital Espacial Um comutador digital espacial pode ser visto como uma matriz de pontos de cruzamento cuja configuração (estado dos pontos de cruzamento) pode ser alterada de time-slot para time-slot. Esses pontos de cruzamento são implementados usando portas lógicas rápidas, as quais são controladas por memórias (memórias de conexão). 1 2 m 1 2 O comutador compreende uma matriz nxm e um conjunto de memórias de conexão. As n linhas de entrada transportam vias TDM com w time-slots, enquanto que as m linhas de saída transportam também vias TDM com w time-slots. n Os pontos de cruzamento em cada uma das m colunas são controlados por uma memória de conexão com capacidade para armazenar um número de palavras igual ao número de time-slots w. A cada ponto de cruzamento de uma coluna é atribuído um endereço binário único. Descodificador de endereços Memórias de conexão 1 w 1 w 1 w A dimensão das palavras da memória de endereços deverá ser suficiente para armazenar um endereço binário para cada um dos n pontos de cruzamento de cada coluna, mais um endereço para manter todos os pontos desactivados. São necessários n+1 endereços, cada um identificado por um número binário de log 2 (n+1) bits. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

397 Comutação Digital Espacial (exemplo) Exemplifica-se na figura abaixo a utilização de um comutador espacial para implementar um determinado padrão de ligações. Sinais TDM de entrada com w time-slots tempo tempo w tempo w w Endereço do ponto de cruzamento tempo tempo Descodificador de endereços Padrão de ligações 1/TS1 2/TS1 2/TS1 1/TS1 7/TS1 7/TS1 7/TS2 1/TS2 2/TS2 2/TS2 1/TS2 7/TS2 1/TS3 1/TS3 7/TS3 2/TS3 2/TS3 7/TS Memórias de conexão w w w João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

398 Arquitecturas de Comutação Digital Os comutadores digitais podem ser baseados na matriz espacial digital (andar S), ou no TSI (andar T), ou ainda na combinação de ambos. Os andares S não podem comutar time-slots o que reduz a sua aptidão para interligar quaisquer dois assinantes. Por sua vez, a dimensão dos comutadores digitais baseadas em andares T é limitada pelo tempo de acesso às memórias. Assim, usa-se, normalmente combinações de andares S e T. As arquitecturas com 2 andares introduzem bloqueio. Para ultrapassar o problema do bloqueio é necessário recorrer a arquitecturas com, pelo menos, 3 andares (Ex: TST ou STS). Arquitectura TS Arquitectura TST TSI Comutador TSI Comutador TSI 1 Espacial 15 2 TSI 2 2 TSI Espacial 21 TSI 15 2 N TSI NxN 15 N N TSI NxN 20 TSI 15 N Bloqueio: conflito entre dois time-slots 15 Ligações exemplificadas [1,2] [N,15] [1,8] [2,15] João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

399 Arquitectura STS As arquitecturas de comutação digital usadas normalmente utilizam três andares. A arquitectura STS usa um andar S (comutador digital espacial), seguido de um andar T (comutador de intercâmbio de time-slots) e termina com um andar S. Trama Trama Trama Trama TS#1 TS#w TS#1 TS#w TS#1 TS#w TS#1 TS#w Factor de concentração: N / k 2 tempo tempo tempo tempo 8 1 Comutador Espacial TSI Comutador Espacial TSI 2 1 Ligações exemplificadas [1,2] [N,15] [1,8] [2,15] N N x k w time-slots k x N João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro k TSI 15 N

400 Arquitectura TST A arquitectura TST usa um andar T (TSI), seguido de um andar S (comutador espacial) e termina com um andar T. TS#1 Trama TS#w TS#1 Trama TS#l TS#1 Trama TS#l TS#1 Trama TS#w tempo tempo tempo tempo TSI Comutador TSI 1 Factor de concentração: w / l 2 TSI Espacial N x N 21 TSI 15 2 Ligações exemplificadas [1,2] [N,15] [1,8] [2,15] N TSI w: # time-slots externos l: # time-slots internos João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro TSI 15 N

401 Interligações numa Matriz de Comutação TST Pretende-se estabelecer a interligação: A2/TS10 C1/TS45 A1 MD-A1 TSI Memória de dados Memória de endereços Para realizar este tipo de interligações o sistema de controlo escolhe um timeslot livre na matriz espacial. Neste caso o time-slot considerado é o 124. A ME-A MD-C C1 MD-A ME-C1 ME-A2 Escrita sequencial - Leitura aleatória No time-slot 124 é lido o conteúdo da célula de memória de dados com endereço 10. Matriz espacial digital MC-B2 MC-B3 Escrita aleatória - Leitura sequencial No time-slot 124 é escrita a célula da memória de dados com endereço 45. Memória de conexão MC-B1 No time-slot 124 é activado o ponto de cruzamento com endereço 2. João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

402 Interligações numa Matriz de Comutação STS Pretende-se estabelecer a interligação: A1/TS10 C1/TS45 A1 A2 A3 10 Matriz espacial de entrada B1 MD-B2 Memória de dados Memória de endereços Matriz espacial de saída 45 C1 C2 C B2 10 ME-B B3 MD-B ME-B3 Memórias de conexão MC-A1 2 MC-A Escrita sequencial - Leitura aleatória 45 3 MC-C2 2 MC-C3 2 MC-A3 No time-slot 10 é activado o ponto de cruzamento com endereço 3 da entrada A1 No time-slot 45 é lida a célula da memória de dados com endereço 10 Memória de conexão MC-C1 No time-slot 45 é activado o ponto de cruzamento nº3 da saída C1 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

403 Exemplos de Centrais Digitais Fabricante Designação Ano de Introdução Aplicação Número de linhas Toll = Inter-urbano ESS = Electronic Switching System As dimensões do comutador digital espacial aumentam EAX = Electronic Automated exchange com o quadrado do número de linhas de entrada / saída as matrizes espaciais são implementadas em vários andares estruturas TSSST (EWSD) ou TSSSST (4 ESS) João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro

404 Central de Comutação EWSD Principais sub-sistemas: CP (call processor) CCNC (common channel network control) DLU (digital line unit) SN (switching network) DLU Unidade de assinante e concentração SN Bloco do grupo de comutação CP103: máximo de call attempts na HMC CP112: máximo de call attempts na HMC CP113D: máximo de 10 6 call attempts na HMC CP113C: máximo de call attempts na HMC CP113E: máximo de call attempts na HMC Estrutura da SN TSSST Capacidade Erlang Espaço requerido com linhas: 35 m 2 João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro