Simplificando a topologia de redes ópticas

Analisando as topologias dos provedores de telecomunicações observarmos quatro arquiteturas presentes: conexões ponto-a-ponto ópticas; anéis SDH/SONET; redes ATM e redes IP.

Conexões ponto-a-ponto: essas conexões feitas através de fibras ópticas dedicadas, conhecidas como “dark fiber”, utilizam a tecnologia DWDM de múltiplos canais ópticos – lambdas – cada um usando uma cor de laser diferente através de uma fibra simples. Esses canais ópticos, tipicamente 160 por fibra, podem transportar diferentes fluxos de bits.

Anéis SDH/SONET: os provedores de telecomunicações organizam suas redes através de anéis SDH (ou SONET pelo padrão americano). Os anéis SDH são formados por canais ópticos ponto-a-ponto – lambdas – conectado através de conectores de passagem digitais (DCE – digital cross-connects) ou por multiplexadores add/drop (ADM – add/drop multiplexor). Esses anéis que podem ser formados por duas ou quatro fibras utilizam o conceito de uma fibra em operação e outra em espera (standby). Quando o circuito principal apresenta uma falha o outro entra em operação. O resultado é um circuito de alta capacidade de transmissão que varia entre 155 Mbps (OC-3) à 10Gbps (OC-192).

Redes ATM: As redes SDH/SONET oferecem conexões de alta capacidade e banda de transmissão fixa através da rede. Porém, os clientes desejam serviços de rede fim-a-fim, na maioria das vezes com taxas de transmissão menores que as oferecidas pelas redes SDH/SONET. Desta forma, os provedores de telecomunicações devem multiplexar a transmissão em diferentes canais para suporte a voz, dados e vídeo. Para fazer isso os provedores utilizam switches ATM (Assynconous Transfer Mode) que criam vários circuitos virtuais (VC) na rede. Em caso de falha de um circuito a rede ATM pode re-rotear o tráfico por outra conexão SDH/SONET. Para assistir ao processo de re-roteamento do tráfico é utilizado o protocolo PNNI que é baseado no protocolo de roteamento OSPF, com a facilidade adicional de identificar a capacidade dos circuitos e atrasos na rede além da métrica de custo do OSPF.

Redes IP: Como os clientes adotaram o padrão IP para as aplicações, os provedores de telecomunicações adicionaram as suas redes serviços de transporte IP. Os roteadores são conectados os switches ATM usando os canais virtuais (VC). As informações entre os roteadores são trocadas através do protocolo OSPF ou IS-IS.

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Figura 1: topologia atual dos provedores de telecomunicações

Uma topologia de rede formada por várias camadas de equipamentos e protocolos é complexa, tornando difícil sua expansão e gerenciamento. A determinação de problemas é igualmente difícil porque é necessário investigar cada elemento da rede para identificar a causa. Em muitos casos as ferramentas de diagnostico só analisar uma determinada camada da rede. A demora na solução de um problema traz um grande prejuízo financeiro para as empresas, uma vez que as operações de negócios estão baseadas em telecomunicações.

Próxima Geração de Rede dos Provedores de Telecomunicações

A Figura 2 apresenta uma topologia mais simples na próxima geração de redes dos provedores de telecomunicações. Essencialmente, teremos conexões Gigabit Ethernet utilizando fibras ópticas, com ou sem DWDM, entre os provedores e os clientes. As conexões Ethernet custam menos que os equipamentos ADM das redes SDH/SONET. Os roteadores IP formarão o “core” da rede dos provedores. Notem que não fazem parte dessa nova topologia os anéis SDH/SONET e as swicthes ATM.

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Figura 2: Próxima Geração de Redes dos Provedores de Telecomunicações

A próxima geração de infraestruturas de redes consistirá em redes Gigabit Ethernet operando em circuitos ópticos (com ou sem DWDM) em uma topologia comum entre provedores de telecomunicações e usuários finais. Uma das vantagens dessas novas redes será o baixo custo dos switches Ethernet comparados com os ADMs ou equipamentos cross-connect. As novas redes, basicamente, utilizarão o roteamento IP tradicional. Uma outra característica é a eliminação dos anéis ópticos SDH/SONET e dos switches ATM na rede. Essas redes suportarão sem dificuldades serviços em tempo real de voz e vídeo com provisionamento de largura de banda, ou seja, a possibilidade de uso de largura de banda por demanda, onde se pode definir o QoS (Quality of Service) para as aplicações.

Alguns provedores de telecomunicações americanos como a Telseon e Yipes já podem estender redes Gibabit Ethernet por mais de 100 km sem amplificação ou repetidores. Com o advento de produtos de 10 Gigabits a mesma escala pode ser estendida para esses circuitos ópticos. Com o uso de 1Gbps Ethernet, 10 Gbps Ethernet é possível operar diretamente em um circuito de fibra óptica, um “clear channel” de 10 Gbps, ou seja, um lambda de uma rede DWDM. Com isso os clientes poderão ter conexões múltiplas de 1 Gbps em um lambda de 10 Gbps. Essa possibilidade é mais econômica que o uso de redes baseadas em SDH/SONET, com ou sem ATM.

A principal vantagem dessa solução é a provisão de banda em função da demanda. Os clientes poderão requerer diferentes taxas de transmissão para o servidor de provisão que agregará incrementos de 1 Mbps (análogo ao CIR do Frame Relay). Por exemplo, o cliente poderá solicitar taxas de transmissão entre 3 Mbps e 15 Mbps dependendo de sua necessidade momentânea.

Essa vantagem resolve um dos problemas dos clientes nas atuais redes. Hoje quando um cliente tem a necessidade de um pequeno acréscimo da taxa de transmissão de um circuito E1 (2 Mbps) é preciso contratar um outro circuito E1, sendo necessário reconfigurar os equipamentos com a adição de novas placas e ativação de facilidades, tais como balanceamento de carga – “load balance”. Nesse novo ambiente, o cliente pode utilizar uma única conexão que varia entre 1 e 1000 Mbps sem qualquer mudança de hardware.

Porém, um dos desafios que as novas redes devem superar as redes SDH/SONET é a restauração de circuitos. Uma rede SDH/SONET tipicamente restabelece uma conexão em 50 milissegundos enquanto uma rede IP leva 30 segundos ou mais até que os roteadores convirjam o tráfego para a nova rota. Uma possível solução é a melhoria dos protocolos das camadas 2 e 3.

Outro desafio a ser superado pelas novas redes é o gerenciamento. Atualmente, em uma rede SDH/SONET é possível o provedor de telecomunicações monitorar cada circuito e determinar o ponto de falha, em uma rede Ethernet operando em uma fibra óptica essa monitoração não é muito eficiente. Existem algumas tentativas de solução para esse problema como a criação de um circuito secundário transmitindo “frames” de controle entre os “frames” Ethernet. Esse canal secundário seria utilizado para coletar informações sobre performance e fazer testes sem afetar o circuito primário Ethernet.

Próxima Geração do Core Backbone Óptico

O núcleo central da rede – core backbone – será formado por “lambda switches”. Esse núcleo operará sob o controle do provedor de telecomunicações que poderá comandar automaticamente conexões fim-a-fim através da rede. Isso trará uma melhoria considerável porque atualmente essas conexões são feitas manualmente, através da configuração e conexões a partir de ADMs ou equipamentos cross-connects para prover circuitos OC-48 ou OC-192.

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Figura 3: Próxima Geração do Core Backbone Óptico

Existem dois tipos de switches lambda disponíveis. Os switches lambda estão introduzindo o conceito chamado “optical-to-electrical-to-optical” (OEO) switches, porque eles devem converter cada sinal óptico em um sinal elétrico antes de usar a matriz de roteamento e os sinais elétricos devem ser convertido em sinais ópticos antes de serem transmitidos no próximo circuito óptico.

No futuro a expectativa é a existência de switches “puramente ópticos”, eliminando a necessidade de um OEO para a conversão dos sinais. Porém, o mais importante é não ter a taxa de transmissão limitada pela matriz de roteamento, que em teoria teria que suportar taxas de transmissão sem limite, determinadas apenas pela multiplexação de ondas de luz da fibra óptica.

Para a implementação plena dessas novas redes algumas dificuldades devem ser superadas: a primeira a monitoração do tráfico da rede para o gerenciamento, a segunda a migração dos atuais anéis SDH/SONET e a terceira é a discussão de como integrar os switches do backbone óptico com o resto da rede.

 

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