Evolution of Optical Networks Evolution of Optical Networks

Transcrição

SBrT´2012 – Brasilia DF – Brasil
Evolution of Optical Networks
from single wavelengths
to Tb/s and Photonic Switching
Passado, Presente e Futuro
Felipe Rudge Barbosa
[email protected]
http://www.dsif.fee.unicamp.br/~rudge/
Feec-Unicamp
BRASIL
Save the humans.
mês/2003
Optical Communications – Introdução Geral
Introdução Geral
conceitos básicos e definições;
evolução histórica; gerações de tecnologias;
aspectos econômicos
Bases Tecnológicas
componentes ativos e passivos;
amplificadores e roteadores óticos;
Redes Óticas de Transporte e Acesso
redes WDM (tronco e metro) -- Gb/s; Tb/s
redes óticas acesso -- Mb/s; Gb/s
redes fotônicas [redes avançadas]
Comutação Fotônica
Novas tecnologias (Si-Photon, redes sensores)
2
Direitos Reservados – Blue Sky Consult 211-212
Comunicações Ópticas
Espectro Eletromagné
Eletromagnético
400
Raios-X
0,1
1
500
UV
1nm 100
10 Å
600
700
Dominio da Ótica
Luz
Luz IV
visível
próximo
300 400
700 800
1µm
IV
médio
3
10
longo
30
300
1000µm
1mm
UV – ultra-violeta (ultra-violet UV)
IV – infra-vermelho (infra-red IR)
S=
1
ExB
c
Ē
B
Ondas longitudinais
que não necessitam
meios materiais para
propagação.
3
Com.Ópticas - Introdução Geral
Histó
tecnologicos)
Histórico (marcos tecnologicos)
1960 1962 1970 1970 -
Invenção Laser
Laser Semicondutor (77 K)
Laser Semicondutor Tamb (300 K)
Fibra Óptica (20 dB/km)
1973-75 - Laser, Fibras Óticas, Sistemas (no Brasil)
1980-84 - Laser 1300/1550 e Fibra Monomodo (0,25 dB/km)
1989-91 - Amplificador Ótico
1992-94 - Sistemas WDM Longa Distancia (Internet-WWW)
1998- Sistemas WDM Metropolitanos
2000-2004 - Redes Óticas
2005- futuro - Redes Fotônicas
Importante salientar que as várias tecnologias podem evoluir
superpondo-se, ou podem ser substituídas ao longo do tempo...
4
Optical Communications – Introdução Geral
Evoluçã
o
Evolução
Sistemas Ópticos
Capacidade
Redes Ópticas FaixaFaixa-Larga
Transparentes aos
• Redes
Serviç
Serviços
Fotô
Fotônicas
Alcance e Flexibilizaçã
o
Flexibilização
das Redes de Telecomunicaçã
o
Telecomunicação
Redução de
Custos de
Transmissão e
Aumento
Capacidade
• Redes WDM
• Redes Ópticas de Acesso
• Processamento óptico
de sinais
• Optoeletrônica de
alta velocidade
• Amplificação óptica
• Longos comprimentos
de onda
• Fibra monomodo
Anos 2000
Anos 90
Anos 80
• Curtos comprimentos
de onda
• Fibra multimodo
Anos 70
Tempo
5
Redes Ópticas -- Conceitos
Camadas → panorama dinâ
dinâmico ; motor tecnoló
tecnológico
Serviç
ços
Servi
Serviços
Transporte
Transporte ee Acesso
Acesso
Rede Óptica
G&C
De
ma
nd
as
Po
ss
ib
ili
da
de
s
Cliente/Usuário
Planta Fí
Física
Novas tecnologias
O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar os múltiplos usuários;..
(com redes de equipamentos e sistemas inteligentes temos tambem a
Internet das Coisas (IoT) !! http://www.telecoms.com/35445/internet-of-things-grows-21/
6
Introdução Geral – Protocolos de Rede
Cenário Atual – (voltaremos a isso..)
Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video
Serviços
IP
Ethernet
Transporte
ATM
PDH
HFC
Rede óptica
SDH
MPLS
WDM Optical Network
7
Optical Communications – Histórico
Evoluçã
o Sistemas Ópticos -- detalhamento
Evolução
metal
muitas fibras
metal
telefonia
telefonia
Anos 80
Regeneradores
c/ conv. O-E-O
1R = potencia
2R = + atraso
3R = + forma
Anos 90
muitas fibras
Rede Acesso
Multiserviço
Rede Acesso
Multiserviço
cada fibra
muitos lambdas
(amplificados)
sem conv. E-O
8
Introdução Geral -- conceitos básicos
Enlace (link) Óptico
ida
Cliente Sistema
Transmissor
$
Sistema Cliente
Receptor
Fibra
Laser
Nó A
Amp.
ótico
$
FotoDetetor
Nó B
volta
Laser Semicondutor
Led
Fotodetor PIN
Fotodetetor APD
Amplificador Ótico
Sistemas WDM
Redes óticas)
Comutação Fotonica)
Fibra Monomodo
Fibra Multimodo
Free-space...
9
Optical Communications – Redes
Redes Ópticas WDM
presente e futuro
Central N
Rede Acesso N
Rede Tronco
Central B
(Anéis SDH)
(comutação e
roteamento)
Rede Acesso A
Fibras Ópticas
Central A
(everywhere)
(comutação e
roteamento)
Rede Acesso B
Rede Acesso C
10
Redes Ópticas
Natureza & Extensã
Extensão
Acesso <30km
Metro 30-50 km
L.dist. > 50 km
Intercont. >1000km
11
Redes Ópticas de Acesso
Arquitetura Atual (e futuro próximo)
Rede Publ.Serviços
HFC
Provedor
Roteador
NóOp
coax
Fibra
UR
Metal
Host Dig.
Central
ER
Comutação
e Roteam. FTTC/ FTTCb
(OLT)
Fibra
Central
par trç.
UR
(ONU)
UR
DO
FTTH/ FTTB
MultServ
BandLarg
(ONU)
FTTA
(ERB)
(ONU)
(ONU)
12
Transmission media – evolution !!
Optical Fibers
Chaos
to
Order
De poucos kb/s
para centenas Gb/s
13
Transmission media -- evolution
Banda Passante – transmissão cabeada
Absorption
and
Attenuation
Bandwidth
(dB/km)
Twisted
pair
100
Coax
10
MM Fiber
1
SM Fiber
0.1
1
10
100
1
10
MHz
GHz
Transmission
Frequency
(Hz)
⇒diferentes meios de transmissão podem coexistir na mesma rede ,
mas cuidado com a rede !!
14
Transmissão
Atenuaçã
o em Fibras Ópticas
Atenuação
Visível
Infra-vermelho
Espaçamento dos canais ópticos
50-100-200 GHz
Atenuação (dB/km)
0.6
1a.
850
0.5
0.4
Rayleigh
OH 80 nm
13 THz
AFDE
30 + 40 nm
140 nm
0.3
18 THz
IR
0.2
2a.
3a.
0.1
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
Comprimento de Onda (nm)
1550 nm=> 100 Ghz ≈ 0,8nm
1310 nm=> 100 Ghz ≈ 0,6nm
15
Transmission media -- evolution
Sistemas WDM em Fibras Ópticas
Wavelength Division Multiplexing – multiplexação por divisão de
comprimentos de onda (lambda);
cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena;
cada lambda suporta dezenas de Gb/s... até mais de 100 Gb/s...
portanto, 100λ
λx100G=10Tb, UMA fibra suporta > 10TeraB/s de informação!
λ1
λ2
λ3
λκ
λn
uma fibra
cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (36, 72, 144)
entretanto, cada fibra requer UM amplificador optico.
16
Panorama Nacional (parcial)
Rede Óptica de Transporte da Embratel*
Ano 2000-2009
Man
RiB
PVe
Cui
2005-08
Na verdade tudo isso, e até mais,
está implantado e operando!
*o proprietário da rede (linhas fisicas) é o
Governo brasileiro,
Embratel é concessionaria
17
Panorama Mundial
18
Sistemas Ópticos – Protocolos de Transporte
Protocolos de Transporte em Redes
(décadas de desenvolvimento)
Telecom
PDH – hierarquia digital plesiócrona (meados 1970-1980)
SONET -- rede ótica síncrona (meados 1980-1990-2000)
SDH -- hierarquia digital síncrona (meados 1980-1990-2000)
... e continuam ...
Redes Dados (computadores/Internet)
Ethernet (meados 1980-1990-2000)
TCP/ IP (v2,v4,v6..)
... e continuam ...
19
Sistemas Ópticos
Evoluçã
o Capacidade
Evolução
Multichannel
(WDM)
Terabit Capacity
OPTICAL
FIBER
SYSTEMS
Singlechannel
(EDM)
Gigabit Capacity
“killer technology”
Communication
Satellites
sistemas avançados
coaxiais e satelite
primeiros sistemas coaxiais
multiplex 12 linhas telefone em par cobre
primeiras linhas telefone
=> Optical Communication systems have come to represent a
revolution in telecomm, not just an evolution. (Physics Today, Dec.2001)
20
Aspectos Econômico-Financeiros
=> mas quanto custa isso ??
The Money
...Grana
21
Aspectos Tecno-Economicos e Sociais
Sociedade
Ciência
Tecnologia
Conhecimento
Mercado
Produtos
$$
$$
Paga quem
compra
Quem paga a
conta ??
22
$$ The Money $$
O que aconteceu nos bastidores...
2000-2003
2000
2000-2003
Investimentos em Telecom & TI (nã
(não Receita)
Receita)
Nasdaq
Dow-Jones
WWW
Internet
“popular”
“Quebra”
Nasdaq
Sept. 11
23
$$ The Money $$
O que aconteceu ... recentemente, mas não acabou !
2008-2009
2008
2008-2009
Jun
Nyse, Nasdaq => Eixo vertical US$ x1mi
Bovespa => Eixo vertical pontuação diária
24
The Money (cont.)
O que temos ... HOJE !! (recuperação lenta...)
2009-2010
2009
2009-2010
Nasdaq
Níveis de investimento
em alta-tecnologia
atingiram só em 2011
os níveis Pré-2008 !!
US$ x1mi
NYSE
25
The Money...
Brasil - e a “industria brasileira”... na conta-mão!
≈27%
X
26
Sistemas & Redes de Comunicação Óptica
conclusã
o Geral ...
conclusão da Introduçã
Introdução
Hoje os Sistemas Óticos são a referencia em Redes de
Comunicações; além disso (ou por isso) são :
A única opção para altíssima capacidade (Terabits) nas
Redes Longa Distancia e Metropolitanas tronco (backbone); ..
mais alta capacidade nas Redes de Acesso, (debate nos custos..)
Altíssima confiabilidade e permanência;
Banda passante maior que qualquer outro meio;
o menor (custo/bit) / assinante;
Permitiram o desenvolvimento mundial da Internet, e
viabilizaram telecomunicações (junto com TI ) como uma das
duas maiores atividades econômicas do planeta.
lembrando sempre que,
Combinação/composição com outras tecnologias é em geral
necessária para múltiplas aplicações e para chegar ao usuário !
27
Redes Óticas
Advanced Optical Communications
Tecnologias de Transporte Digital
Passado, Presente e Futuro
Felipe Rudge Barbosa
LTF-FEEC
Unicamp
BRASIL
Save the humans.
mês/2003
Redes Óticas
Arquitetura
Nós da
Rede Ótica
Rede
Acesso
WDM fixo
/SDH low
Rede
Tronco
Direitos Reservados – Blue Sky Consulting 211-212
WDM (denso)
/SDH (high
Topologia anel (reconfiguravel p/ malha)
2
Redes Ópticas -- Conceitos
Camadas & Chamadas → compatibilidade “vertical”
vertical” (ou
transversa)
Cliente/Usuário
Cliente/Usuário
Modelo OSI/ ISO
Serviç
ços
Servi
Serviços
Presentation
Application
Modelo OTN/ ITU-T
Application
Transport
Network
Session
Transporte
G&C
Transport
Rede Óptica
Network
Link
Physical
Planta Fí
ísica
FFísica
Physical
Telecom
Novas
tecnologias
Link
Redes Comput
O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar clientes e usuários,
pros quais a rede deve funcionar de modo transparente e ininterrupto.
3
Introdução Geral – Protocolos de Rede
Cenário Atual -Cliente/Usuário
Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video
Serviços
IP
Ethernet
Transporte
ATM
PDH
HFC
Rede óptica
SDH
MPLS
WDM Optical Network
4
Transporte em Redes Ópticas
Enlace (link) Óptico
transparência
Sistema
Sistema
Transmissor
Cliente
Cliente
Receptor
Fibra
Laser
ida
Amplif.
ótico
Cliente
Cliente
FotoDetetor
volta
Sobre um enlace físico, é preciso haver
protocolos de transporte, que são estabelecidos
no sistema de transmissão.
A transparência do enlace diminui nas bordas e
aumenta no backbone óptico.
5
Sistemas Ópticos - Transporte
Evolução Capacidade – três “mundos”...que se integram mais!!
PDH, SDH = ITU-T ; Ethernet = IEEE ; SONET = Telcordia
PDH
Taxa
Canais de Voz
(*)
Sigla
(Mb/s)
E-0
0,064
1
E-1
2,048
30
E-2
8,448
120
E-3
34,368
480
E-4
139,264
1920
(*) equivalencia exata.
Ethernet
Taxa
Sigla
(Mb/s)
10 base T
10
Fast Eth
100
GbE
1 Gb/s
10 GE
10 Gb/s
100 GE
100 Gb/s
SONET
Taxa
Sigla
Sigla
(Mb/s)
(64k)
“STM 0”
OC-1 (STS-1)
51,84
STM-1
OC-3 (STS-3)
155,52
#)
672 (810#
1920
466,56
SDH
Canais Voz
--
OC-9 (…)
STM-4
OC-12
622,08
7680
STM-16
OC-48
STM-64
OC-192
STM-256
OC-768
2488,32
(2,5 Gb/s)
9953,28
(10 Gb/s)
39813,12
(40 Gb/s)
30720
(**)
122880
(**)
491520
(**)
(**) equivalencia ilustrativa apenas.
(#) comunicação digital pura
STM-1 pode ser constituído como:
* 1 E-4 = 1920 can. voz
* 4 E-3 = 1920 can. voz
* 63 E-1 = 1890 can. voz
6
Frame SDH
ITU-T Recom. G.707 (rev. March 1996)
270 × N columns (bytes)
9×N
1
=> except STM-0 = 90 !!
STM-container
261 × N
Synchronous
Transport Module
Section overhead
SOH
3
4
Administrative unit pointer(s)
9 rows
STM-N payload
5
(bits)
Section overhead
SOH
9
T1518000-95
125µs
Tamanho (“área”) de um container::
STM-16 => (270x16)=4320 by ; 4320x9= 38880 bytes ;
Header=1296; Payload=37584 by
The STM frame is continuous and is transmitted in a serial fashion, byte-by-byte, row-by-row,
taking a total time of 125µs. (which is the same basic transmission procedure of Sonet)
7
Frame Sonet -- syncronous optical network
GR-253-CORE from Telcordia (ex-Bellcore)
90 x N bytes
STS-container
3 x N bytes
Synchronous
Transport Signal
87 x N bytes
OC- optical carrier
SPE
TOH
9 rows
(bits)
Synchronous
Payload
Envelope
Transport
Overhead
125 µs
For STS-N, the frame is transmitted as 3xN octets (bytes) of overhead, followed
by 87xN octets (bytes) of payload. This is repeated nine times over until
810xN octets have been transmitted, taking 125 microseconds.
8
Ethernet Frame
pacote com tamanho e duração variáveis !
FRAME 802.3
SPD
Preâmbulo
Endereço de
Destino
Endereço de
Origem
Tamanho
do campo
de dados
Dados
Soma de
Verificação
1
Byte
8 Bytes
6 Bytes
6 Bytes
2 Bytes
46-1500 Bytes
4 Bytes
Header = 23 By (fixo)
Tamanho mínimo
73 By
Reservado SLD Reservado
LLID
CRC-8
1
Byte
2 Byes
1 Byte
2 Byes
2 Byes
(mesmo “vazio”= 27+46)
FRAME Preâmbulo EPON
9
IEEE 802.3 (CSMA-CD) MAC - Ethernet
Lasers e fibras
estão aqui
⇒ 10 Gigabit Ethernet couples the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC to a family of 10 Gb/s Physical Layers.
The relationships among 10 Gigabit Ethernet, the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC, and the ISO Open
System Interconnection (OSI) reference model are shown in Figure 44-1, above.
10
Protocolos de Transporte
Internet Protocol Suite
(modelo TCP/IP)
Application Layer
BGP · DHCP · DNS · FTP · GTP · HTTP · IMAP ·
IRC · MGCP · NNTP · NTP · POP · RIP · RPC ·
RTP · RTSP · SDP · SIP · SMTP · SNMP · SOAP ·
SSH · STUN · Telnet · TLS/SSL · XMPP ·
Transport Layer
TCP UDP · DCCP · SCTP · RSVP · ECN · (more)
Internet Layer
IP IPv4 IPv6) · ICMP · ICMPv6 · IGMP · IPsec ·
Link Layer
ARP · RARP · NDP · OSPF · Tunnels (L2TP) ·
Media Access Control (Ethernet, MPLS,
, DSL, ISDN, FDDI) -- Device Drivers ·
OSI
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Link
Physical
Fonte (direta): Wikipedia
11
Sistemas & Redes de Comunicação Óptica
avançando
agora pra OTN -e detalhes da
estrutura SDH
Tanenbaum - Computer Networks
12
Transporte SDH e
Transporte Óptico WDM
(OTN, ASON)
ITU-T G.707, G.8080, G.709
2007-2006-2009
(in force)
Quadros, Pacotes e Containers
Pacotes – dezenas até centenas de bytes
Quadros – centenas até (poucos) milhares
Containers – vários milhares de bytes
Sistemas Convencionais
Redes IP – pacotes IP
sobre
Rede Ethernet – quadros Eth
sobre
Redes SDH/Sonet – container/frame STM/STS
Redes
Óticas
Redes Avançadas
“Qualquer Coisa”
sobre
WDM - OTN
Transporte SDH
Hierarquia digital sincrona, desenvolvida na década de 1980;
Embora SDH seja desde inicio para Redes Óticas, o enorme legado das
telecom (outros formatos e outras hierarquias) tem que ser sempre
considerado;
Historicamente, 22 anos (1988-2010..)
... Ao que se vê, continuará por mais um bom tempo! (10, 20 anos)...
Definições:
STM-N – synchronous transport module; é o quadro (frame) que vai
efetivamente ser transportado na fibra otica; hierarquia N;
AUG – administrative unit group; hierarquia N ;
TUG – tributary unit group; hierarquia N ;
VC – virtual container ; unidade básica do quadro SDH;
Transporte Ótico
SDH
2007
in force
Transporte SDH
Hierarquias SDH/Sonet
SDH
SONET
Taxa
Sigla
Sigla
(Mb/s)
(64k)
“STM 0”
OC-1 (STS-1)
51,84
STM-1
OC-3 (STS-3)
155,52
672 (810#
#)
1920
--
OC-9 (…)
466,56
STM-4
OC-12
622,08
7680
STM-16
OC-48
STM-64
OC-192
STM-256
OC-768
2488,32
(2,5 Gb/s)
9953,28
(10 Gb/s)
39813,12
(40 Gb/s)
30720
(**)
122880
(**)
491520
(**)
(**) equivalencia ilustrativa apenas.
(#) comunicação digital pura
Canais Voz
Mux SDH
Fonte: ITU-T Rec. G.707/Y.1322 (Jan2007)
Virtual Containers
Frame SDH
(bits)
Transporte Ótico
G.709 -- Interfaces para Rede de Transporte Ótico (OTN);
Hierarquia digital para redes WDM, (optical transport hierarchy,
OTH), desenvolvida no final década de 1990;
supports the operation and management aspects of optical networks of
various architectures, e.g., point-to-point, ring and mesh architectures;
Administra a multiplexação de redes WDM em unidades de
transporte ótico;
transporte SDH (e outros..) está contido dentro de cada UM canal ótico;
continuará por mais algumas décadas...mas evoluindo, e adaptando !!
por vezes a evolução requer uns passos atrás !!...
Fonte: ITU-T Rec. G.709/Y.1331 (Mar2003)
Transporte Ótico
OTN
2003-2009
in force
Transporte Ótico
Definições:
OTM (n.m) – optical transport module; é um quadro (frame) que vai administrando o
empacotamento
trasnporte WDM na fibra otica; the indices n and m define the number of supported
wavelengths and bit rates at the interface;
OTU (k) -- optical channel transport unit ; the OTUk is the information structure used
for transport of an ODUk over one or more optical channel connections.
It consists of the optical channel data unit and OTUk related overhead (FEC and overhead for
management of an optical channel connection). It is characterized by its frame structure, bit
rate, and bandwidth. OTUk capacities for k = 1, k = 2, k = 3 are defined ;
ODU (k) -- optical channel data unit; the ODUk is an information structure consisting of
the information payload (OPUk) and ODUk related overhead;
OPU (k) -- optical channel payload unit (OPUk); the OPUk is the information structure
used to adapt client information for transport over an optical channel. It comprises
client information together with any overhead needed to perform rate adaptation
between the client signal rate and the OPUk payload rate;
k -- the index "k" is used to represent a supported bit rate and the different versions of
OPUk, ODUk and OTUk .
k = 1 represents an approximate bit rate of 2.5 Gbit/s, k = 2 represents an approximate bit
rate of 10 Gbit/s, and k = 3 represents an approximate bit rate of 40 Gbit/s
TUG – tributary unit group; hierarquia N ;
Frame OTM
Client Payload
(bits)
(bytes)
Montagem: OTM
OTU
ODU
OPU
client “stuff”
The order of transmission of information in all the diagrams in this Recommendation
is first from left to right and then from top to bottom. Columns are bytes and rows are bits.
The most significant bit (bit 1) is transmitted first.
OTM construction
Transporte Ótico
o passo atrás passou a frente...
... e de novo foi passado !
ASON
2006
ITUITU-T Recommendation G.8080/Y.1304
G.8080/Y.1304
Transporte Ótico
ASON
2006
Control
Control Plane
Plane
Management
Management Plane
Plane
OpticalTransport
OpticalTransport
Plane
Plane
ITUITU-T Recommendation G.8080/Y.1304
G.8080/Y.1304 (ASON
(ASON)
ASON)
Optical Systems
Evolution
Fonte: Ram Singh, David Harame, Modest Oprysko, Silicon Germanium – Technology, Modeling,
and Design, IBM Technology, IEEE Press/ John Wiley, New Jersey, USA, 2004.
Fim desta parte
=> Redes Avançadas
..OPS,OBS,OCS

Evolution of Optical Networks Evolution of Optical Networks

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