Definiciones de conceptos básicos de telecomunicaciones
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Descripción: Este informe trata sobre la importancia de la Convergencia y la Integración en el area de la Telecomunicaciones.
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Introducción a las Telecomunicaciones Fijas y Móviles
Oscar R. Pons ISBN: 978-987-33-4078-9 Tapia Encuadernaciones Formato Electrónico Color Inscripción D.N.D.A. Nro: 5158426, Marzo 2014. Buenos Aires, Argentina.
Desarrollo Global de las Telecomunicaciones .......................................................... 15 1.1
Evolución de las Telecomunicaciones ............................................................................................15
1.2
Indicadores Regionales de Telecomunicaciones ...........................................................................17
1.3
Avances de la Infraestructura de Telecomunicaciones en el Tiempo ..........................................19
1.3.1 1.3.2 1.3.3
1.4
Situación de la Industria en 1975 .................................................................................................................... 19 Situación de la Industria en 1990 .................................................................................................................... 20 Situación de la Industria desde el Año 2000 ................................................................................................... 20
Evolución de la Penetración de la Telefonía Fija desde 1975 .......................................................22
1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4
1.5
Cambios en el Período 1975-2005 .................................................................................................................. 23 Situación Global al año 2010........................................................................................................................... 24 Saturación de la Demanda de Accesos de Telefonía Fija ............................................................................... 26 Desregulación y Competencia con Múltiples Operadores Fijos y Móviles en el 2012 ..................................... 27
Evolución Económica de la Industria de las Telecomunicaciones ..............................................30
1.5.1 1.5.2 1.5.3
1.6
Prestaciones de Servicios Modernos de Telecomunicaciones ........................................................................ 30 Utilización de Redes e Ingresos en Servicios Fijos y Móviles ......................................................................... 31 Evolución de Ingresos por Servicios y Países ................................................................................................. 33
Segmentos Comerciales e Ingresos en Redes Fijas ......................................................................35
1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4 1.6.5
1.7
Servicios Provistos e Ingresos por Telefonía .................................................................................................. 35 Accesos Fijos de Banda Ancha ....................................................................................................................... 36 Servicios de Transporte de Datos Empresariales en Redes Fijas ................................................................... 37 Inversiones de Capital en las Telecomunicaciones ......................................................................................... 38 Referencias del Negocio Económico de la Internet ......................................................................................... 39
Evolución del Tráfico y su Transporte de Larga Distancia ............................................................40
1.7.1 1.7.2
1.8
Tráfico Internacional de Voz y Enrutamientos ................................................................................................. 41 Tráfico Internacional de Datos sobre IP .......................................................................................................... 43
Infraestructura de las Redes de Telecomunicaciones ...................................................................44
1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.8.4
Arquitectura de las Redes de Telefonía y Demografía .................................................................................... 44 Conceptos sobre la Infraestructura de Telecomunicaciones de los EEUU ..................................................... 46 Conceptos Básicos sobre la Infraestructura de Telecomunicaciones de Argentina ........................................ 48 Desarrollo de la Infraestructura de Telecomunicaciones de China ................................................................. 52
1.9
Topología Simplificada de la Red Global de Cables Submarinos ................................................56
1.10
Conglomerados Urbanos y Desarrollo de Redes ...........................................................................59
1.11
Evolución de las Redes de Conmutación para Telefonía Fija .......................................................64
1.11.1 1.11.2 1.11.3 1.11.4
1.12
Ejemplos de Aplicaciones de VoIP y de Redes Convergentes .....................................................71
1.12.1
1.13
2
Tecnologías para las Redes Públicas de Conmutación Telefónica ................................................................. 64 Sustitución de la Conmutación TDM por IP en Redes Empresariales ............................................................. 65 Impacto de los Recursos Humanos en el Recambio Tecnológico ................................................................... 66 Alternativas a la Conmutación y Transmisión TDM ......................................................................................... 67
Tecnologías Carrier VoIP, NGN e IMS ............................................................................................................ 71
Redes de Trasmisión SDH ........................................................................................... 75 1
2.1
Introducción a Redes SDH ................................................................................................................75
2.2
Jerarquías de Multiplexación SDH ...................................................................................................77
2.3
Estructuras de Tramas SDH ..............................................................................................................80
2.4
Generación de Tramas de Niveles Superiores ................................................................................81
2.5
Encabezamiento de Trama STM-1 y Procesos de Transporte.......................................................82
2.6
Caminos SDH y Transporte de Señales ...........................................................................................85
2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.6.6
Encabezamiento HO-POH en Caminos SDH de Orden Alto .......................................................................... 86 Encabezamiento LO-POH en Caminos SDH de Orden Bajo .......................................................................... 87 Tramas en Caminos SDH de Orden Bajo (LO-POH) ...................................................................................... 88 Tramas en Caminos SDH de Orden Alto (HO-POH) ....................................................................................... 92 Transporte Asincrónico de una Trama E4 (139,264 Mbps) ............................................................................. 92 Transporte Asincrónico de una Trama E3 (34,368 Mbps) ............................................................................... 94
2.7
Unidades Administrativas AU, Grupos AU y Tramas STM-N ........................................................95
2.8
Funciones de los Punteros SDH .......................................................................................................97
2.9
Tramas Superiores STM-4, STM-16, STM-64 y STM-256 ..............................................................101
2.10
Elementos de Red SDH (NE) y Topologías ....................................................................................102
2.10.1
2.11
Topologías de Redes SDH...............................................................................................................106
2.11.1 2.11.2
2.12
MSP y Mecanismos de APS.......................................................................................................................... 114 Protección MSP Lineal 1+1, 1:1 ó 1:N.......................................................................................................... 116 Protección en Anillos SDH ............................................................................................................................ 117 Protección de la Sección de Multiplex en Redes Anillo ................................................................................. 117 SNCP (Protección de Conexión de Subredes) .............................................................................................. 119 Interconexión de Dos Anillos SNCP (DRI) ..................................................................................................... 120
Sincronismo en Redes SDH ............................................................................................................121
2.14.1 2.14.2 2.14.3 2.14.4 2.14.5
Evolución desde Sincronismo PDH a SDH y otras Redes ............................................................................ 121 Redes de Sincronismo SDH .......................................................................................................................... 123 Reconfiguración de Red de Sincronismo SDH y Mensajes SSM .................................................................. 125 Suministro de Temporización desde SDH a otras Redes.............................................................................. 127 Relojes de Referencia y Mediciones de Jitter y Wander ............................................................................... 129
2.15
Planificación de Redes SDH ...........................................................................................................134
2.16
Ethernet Sobre SDH (EoSDH) .........................................................................................................135
2.16.1 2.16.2 2.16.3 2.16.4 2.16.5 2.16.6
2.17
3
Resumen de Eventos y Alarmas ................................................................................................................... 109 Performance de Errores en las Redes SDH .................................................................................................. 112
Protección de Redes SDH y Restauración de Servicios ..............................................................113
Introducción al Concepto de WDM ................................................................................................................ 149 Sistemas CWDM y DWDM ............................................................................................................................ 150 Desarrollo en el TIempo de los Sistemas WDM ............................................................................................ 151 Operación Básica de un Sistema DWDM ..................................................................................................... 152 Fibras Ópticas Normalizadas ........................................................................................................................ 153 Codificación de Señales Ópticas ................................................................................................................... 153 Multiplexación y Demultiplexación Óptica en DWDM .................................................................................... 155 Standares ITU-T y Generalidades de Sistemas WDM .................................................................................. 157 Elementos de Red Utilizados en WDM ......................................................................................................... 158 Ejemplos de Red DWDM............................................................................................................................... 161
Introducción ................................................................................................................................................... 162 Tramas y Jerarquías en la Rec. G.709-2003................................................................................................. 164 Concatenación Virtual OPUk-Xv ................................................................................................................... 165 Mecanismo FEC Reed-Solomon ................................................................................................................... 166 Capas de Procedimientos en OTN ................................................................................................................ 166 Jerarquías de Transporte Optico y Multiplexación ITU.T G.709-2009.......................................................... 167 Concatenación Flexible ODUFlex ................................................................................................................. 171 Encabezamiento de Tramas en OTN ............................................................................................................ 172 Tandem Connection Monitoring (TCM) ......................................................................................................... 176 Señalización de Eventos y Acciones OyM en Encabezamientos de OTU y ODU ......................................... 176 Capacidades de Equipos OTN actuales ........................................................................................................ 178
Ethernet. Interfaces, Switching, VLAN y Redes Metro Ethernet ............................. 181 4.1
Tecnologías LAN Ethernet / 802.3 ..................................................................................................181
4.2
Introducción a Ethernet ...................................................................................................................182
4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4
Tramas Ethernet 2.0 y Standart IEEE 802.3 ................................................................................................. 184 Nivel de Enlace en Redes 802.X ................................................................................................................... 185 Subcapa LLC (Logical Link Control) .............................................................................................................. 186 Subcapa MAC (Media Access Control) ........................................................................................................ 188
4.3
Velocidades Standares del Modelo 802.3 ......................................................................................190
4.4
Subcapas MAC (Media Access Control) y MAC Control ..............................................................192
4.5
Nivel Físico (PHY) y Subcapas .......................................................................................................194
Conectores Ópticos y Adaptadores SFP, GBIC y otros ................................................................................ 201
10 Gigabit Ethernet (10GbE)............................................................................................................202 Nivel Físico Ethernet a 10 Gbps .................................................................................................................... 203 Funciones de las Subcapas PHY en Variantes 10G ..................................................................................... 204 Módulos Enchufables para la Capa PHY ...................................................................................................... 206 Jitter de Fase del Reloj en 10 Gbps .............................................................................................................. 207 Interfaces con Redes SONET/SDH ............................................................................................................... 207
40 y 100 Gigabit Ethernet ................................................................................................................208 Introducción ................................................................................................................................................... 208 Procesos en el Nivel Físico ........................................................................................................................... 210 Procesos para Transmisión a Grandes Distancias ........................................................................................ 211 Microelectrónica y Placas de Línea para 100 GbE........................................................................................ 212
3
4.9.5 4.9.6 4.9.7 4.9.8 4.9.9
4.10
Módulos Ópticos ............................................................................................................................................ 213 Tecnologías para Nodos y Hosts a 100 Gbps ............................................................................................... 215 Disponibilidad de Routers y Switches LAN con Ports 40GbE y 100GbE ...................................................... 216 Datacenters y Escenarios de Aplicación para 10GbE y 40GbE .................................................................... 218 Crecimiento del Tráfico IP y Aplicaciones para 100GbE ............................................................................... 219
Switches LAN ...................................................................................................................................219
4.10.1 4.10.2 4.10.3
4.11
STP (Protocolo Spanning Tree) y Enrutamiento LAN ..................................................................224
4.12
Protocolos Rapid Spanning Tree y Multiple STP (RSTP, MSTP) ................................................226
LAN Virtual (VLAN) ...........................................................................................................................227
4.15
Redes Metro Ethernet ......................................................................................................................230
4.15.1
4.16
4.17
VLAN y Puentes de las Redes Metro Ethernet.............................................................................................. 232
Demarcación de Prestaciones en Carrier Ethernet ......................................................................232
4.16.1 4.16.2
5
Evolución de la Conmutación en Redes 802.3 .............................................................................................. 219 Conmutación de Tramas en Switches 802.3 ................................................................................................. 220 Tecnologías para Conmutación en el Backplane de Switches 802.3 ............................................................ 221
Tecnologías Carrier Ethernet ........................................................................................................................ 233 MEF Global Interconnect ............................................................................................................................... 233
Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3................................................... 235 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6
5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3
Multi Protocol Label Switching (MPLS) .........................................................................................235 Antecedentes y Prestaciones de MPLS ........................................................................................................ 235 MPLS en el Mercado Actual .......................................................................................................................... 237 Encabezamiento de Paquetes MPLS ............................................................................................................ 237 Bases del Funcionamiento de MPLS ............................................................................................................ 238 Alternativas a MPLS ...................................................................................................................................... 240 Routers Duales IP/MPLS............................................................................................................................... 240
Cómputo e Implementación del Enrutamiento en IP y MPLS ......................................................241 Actualización de Parámetros y Tablas MPLS ................................................................................................ 243 Creación de Etiquetas para el Tráfico IP Entrante ........................................................................................ 243 Clases de Label Switching Path (LSP) .......................................................................................................... 244
5.3
Distribución de Etiquetas en MPLS ................................................................................................245
Estructura de Mensajes LDP ......................................................................................................................... 246 Procesos de Descubrimiento de LSR ............................................................................................................ 247 Proceso de Establecimiento de Sesión entre LSR ........................................................................................ 247 Procesos de Difusión (Advertisement) durante la Sesión LDP...................................................................... 248 Etiquetas y Vinculaciones.............................................................................................................................. 249 Creación de Etiquetas en los LSR ................................................................................................................. 249 Ejemplo de Señalización con LDP ................................................................................................................ 250
Introducción a RSVP y RSVP-TE ....................................................................................................251 Aspectos Generales ...................................................................................................................................... 251 Control del Flujo de Tráfico ........................................................................................................................... 254 Enrutamiento RSVP-TE en MPLS ................................................................................................................. 256 Constrained Route (CR) ................................................................................................................................ 257 Rutas Explícitas (ER) .................................................................................................................................... 258 Nuevos Objetos en Mensajes RSVP-TE ....................................................................................................... 258 Mensajes PATH RSVP-TE ............................................................................................................................ 259
QoS por Priorización de Tráfico y MPLS DiffServ ........................................................................261
5.6.1 5.6.2 5.6.3
5.7
Implementación de DiffServ en Redes IPv4 .................................................................................................. 262 Niveles de Servicio en DiffServ ..................................................................................................................... 262 Funciones en Routers de Acceso y Núcleo ................................................................................................... 263
DiffServ sobre MPLS ........................................................................................................................264
5.7.1 5.7.2 5.7.3
5.8
Mapeado de DiffServ en MPLS ..................................................................................................................... 265 DiffServ y QoS en Redes MPLS .................................................................................................................... 266 Conclusiones sobre DiffServ ......................................................................................................................... 267
Prestación de Servicios QoS ..........................................................................................................268
5.8.1 5.8.2 5.8.3 5.8.4
5.9
Diferencias entre QoS y Calidad del Servicio Prestado ................................................................................ 268 SLA y QoS en Redes de Conmutación de Paquetes .................................................................................... 269 Retardo, Jitter y Pérdida de Paquetes ........................................................................................................... 270 Herramientas para el Control de QoS en Redes de Conmutación de Paquetes ........................................... 273
Familias de Redes VPN ................................................................................................................................ 275 Variantes en la Clasificación de las redes VPN............................................................................................. 276
VPN de Nivel 3 (BGP/MPLS) ............................................................................................................279
5.10.1 5.10.2 5.10.3 5.10.4 5.10.5 5.10.6
5.11
Establecimiento y Utilización de una VPN BGP/MPLS .................................................................287
5.11.1
5.12
Introducción a VPWS y L2TPv3 .................................................................................................................... 289
Virtual Private LAN Service (VPLS) ................................................................................................291
5.13.1 5.13.2
6
Acceso a la Internet desde una VPN BGP/MPLS ......................................................................................... 288
Redes VPN MPLS de Nivel 2 ...........................................................................................................289
5.12.1
5.13
Prestaciones Básicas de MPLS VPN Nivel 3 ................................................................................................ 279 Asignación de Tablas VRF ............................................................................................................................ 281 RD (Route Distinguisher)............................................................................................................................... 282 Route Targets (RT) ....................................................................................................................................... 283 Distribución de RT en Topologías Malla ó Hub and Spoke ........................................................................... 285 Minimización de Mensajes de Actualización de Tablas VRF......................................................................... 286
Auto Discovery de VPLS ............................................................................................................................... 293 Señalización para Establecimiento de Túneles ............................................................................................. 293
Evolución de las Comunicaciones Multimedia sobre IP ..............................................................295 Nacimiento de las Comunicaciones sobre IP ................................................................................................ 295 Fase 1: Inicios de VoIP Dial-Up y la Telefonía por Internet ........................................................................... 298 Fase 2: El Modelo H.323 ............................................................................................................................... 301 Fase 3: El Modelo Softswitch y Accesos de Banda Ancha............................................................................ 301 Ejemplo de Aplicación del Modelo Softswitch ............................................................................................... 304 Vigencia del Modelo Softswitch ..................................................................................................................... 306 Fase 4: Convergencias Voz-Datos y Fijo Móvil con NGN e IMS ................................................................... 307
Modelo H.323 ....................................................................................................................................309 Elementos de una Red H.323 ....................................................................................................................... 311 Ejemplo de una Red H.323 ........................................................................................................................... 314 Direccionamiento y Protocolos en Redes H.323 ........................................................................................... 314 Señalización RAS .......................................................................................................................................... 318
Introducción ................................................................................................................................................... 330 Entidades de Redes SIP ............................................................................................................................... 332 Ejemplo de una Red SIP Multidominio .......................................................................................................... 333 Direccionamiento en Redes SIP .................................................................................................................... 333 Estructura de los Mensajes SIP .................................................................................................................... 334 Empleo de SDP en Mensajes SIP ................................................................................................................. 337 Extensiones de Prestaciones SIP ................................................................................................................. 344 Servicios Extendidos para PBX/Centrex ....................................................................................................... 352 Interacción de Redes SIP con la PSTN ......................................................................................................... 353 Interacción de Redes SIP con redes H.323 y otras redes VoIP .................................................................... 355 Comparaciones entre SIP y H.323 ................................................................................................................ 356
6.4
MGCP y Control de Media Gateways .............................................................................................359
6.5
H.248/MEGACO y Grandes Redes ..................................................................................................363
6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4
6.6
7
Señalización de Llamada (Q.931 Modificado) ............................................................................................... 321 Señalización de Control H.245 ...................................................................................................................... 323 Modalidades de Llamadas H.323 .................................................................................................................. 324 Parámetros de Mensajes en Señalización RAS H.323 ................................................................................. 325 Interconexión de Dominios H.323 con Elementos de Borde ......................................................................... 326 Mejoras de Prestaciones a partir de H.323 v4............................................................................................... 327 Posición Actual en el Mercado de Sistemas H.323 ....................................................................................... 327 Algunas Prestaciones Avanzadas con H.323 ................................................................................................ 327 Trunking H.323 para Larga Distancia ............................................................................................................ 328
Arquitectura de H.248 y Media Gateways ..................................................................................................... 364 Establecimiento de Llamadas con H.248.1 ................................................................................................... 369 Contextos Multimedia .................................................................................................................................... 370 Soluciones H.248 en el Mercado Actual ........................................................................................................ 371
Redes TDM, Señalización SS7 y SIGTRAN ............................................................... 375 7.1
Telefonía Digital y Redes TDM ........................................................................................................375
7.2
El Modelo Softswitch .......................................................................................................................379
7.3
Interacción entre Redes TDM y VoIP ..............................................................................................381
7.4
Desarrollo del Gateway de Señalización (SG) SS7 para VoIP .....................................................382
7.5
Requerimientos de SS7 y Premisas de Diseño de SIGTRAN ......................................................384
7.6
Redes de Señalización 7..................................................................................................................385
7.6.1
7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.7.4 7.7.5 7.7.6
7.8 7.8.1 7.8.2 7.8.3 7.8.4
Introducción a la Señalización Telefónica CAS y CCS .................................................................................. 385
Elementos de una Red de Señalización 7 ......................................................................................386 Modelo de Capas de la Red SS7 .................................................................................................................. 386 Capas de la Red de Transporte de Mensajes SS7 ....................................................................................... 387 Capas de Gestión de Llamadas de Telefonía Básica .................................................................................... 388 Capa de Interfaz para Servicios Transaccionales ......................................................................................... 388 Capa de Soporte para Servicios Inteligentes ó Avanzados ........................................................................... 388 Nodos y Enlaces de la Red SS7 ................................................................................................................... 389
Direccionamiento y Mensajes en Redes SS7 ................................................................................392 Introducción ................................................................................................................................................... 392 Tramas del Nivel de Enlace (MTP 2) ............................................................................................................. 392 Mensajes del Nivel de Red (MTP 3) .............................................................................................................. 393 ISDN User Part.............................................................................................................................................. 395
6
7.8.5 7.8.6
7.9
Signaling Connection Control Part (SCCP) ................................................................................................... 398 Transaction Capabilities Application Part (TCAP) ......................................................................................... 398
SCTP ............................................................................................................................................................. 399 Protocolos de Señalización en SIGTRAN ..................................................................................................... 403
Next Generation Networks (NGN).............................................................................. 413 8.1
Alcances de la Iniciativa para las NGN ..........................................................................................413
8.2
Historia del Desarrollo de Standares para NGN ...........................................................................414
8.3
Arquitectura General de la NGN ITU-T ...........................................................................................417
8.3.1 8.3.2
8.4
Arquitectura Funcional de la NGN ITU-T Release 1...................................................................................... 419 Estrato de Servicios en NGN ITU-T Release 1 ............................................................................................. 423
Arquitectura Funcional de la NGN ITU-T Release 2 ......................................................................426
8.4.1 8.4.2
8.5
Estrato de Transporte NGN ITU-T Release 2................................................................................................ 427 Estrato de Servicios en NGN ITU-T Release 2 ............................................................................................. 428
Arquitectura General de la NGN TISPAN .......................................................................................431
Introducción ................................................................................................................................................... 431 Arquitectura, Servicios y Releases de NGN TISPAN .................................................................................... 434 Detalles de la Arquitectura NGN TISPAN...................................................................................................... 436 Nivel de Transporte en NGN TISPAN ........................................................................................................... 437 Funciones Controladas de la Red de Transporte .......................................................................................... 440 Nivel de Servicios y Aplicaciones en NGN TISPAN ...................................................................................... 441 Núcleo IMS para Control de Sesiones de Servicios PES e IMS .................................................................... 442 Flujos de Mensajes en el Nivel Servicios ...................................................................................................... 443 Funciones Adicionales de la Arquitectura TISPAN NGN ............................................................................... 444 Equipamiento de Usuario NGN ..................................................................................................................... 445 Interconexiones de Redes NGN TISPAN ...................................................................................................... 445 Comparaciones entre NGN Release 1 de ITU-T y TISPAN .......................................................................... 446
Redes de Telefonía Móvil de Primera y Segunda Generación (1G, 2G) ................. 452 9.1
Crecimiento de la Telefonía Móvil ..................................................................................................452
9.2
Aspectos Básicos de una Red de Telefonía Celular ....................................................................453
9.2.1 9.2.2
9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.3
9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3
Redes de Transmisión Terrestre (Backhauling) ............................................................................................ 455 Redes y Sistemas para OyM ......................................................................................................................... 456
Evolución de la Telefonía Celular ...................................................................................................456 Redes Celulares 1G ...................................................................................................................................... 456 Redes Celulares 2G ...................................................................................................................................... 457 Redes Móviles 3G y 4G................................................................................................................................. 459 Evolución de las Redes IS-95 (cdmaOne) hacia 3G ..................................................................................... 461
Conceptos sobre Redes IS-95 (cdmaOne).....................................................................................463 Introducción a IS-95 ...................................................................................................................................... 463 Interfaz de Aire de cdmaOne......................................................................................................................... 464 Canal Inverso en cdmaOne ........................................................................................................................... 469
9.5
Evolución de las Redes GSM hacia 3G ..........................................................................................472
9.6
Evolución de GSM y 3GPP ..............................................................................................................473
9.6.1
GSM Fase 1 .................................................................................................................................................. 473
Introducción a GSM ....................................................................................................................................... 486 Interfaces Normalizadas en la Arquitectura GSM .......................................................................................... 487 Bandas de Frecuencias de las Redes GSM .................................................................................................. 490 Identificadores Clave en Redes GSM ........................................................................................................... 491 Elementos de las Redes GSM Fase 2 .......................................................................................................... 492 BSS (Base Station Subsystem) ..................................................................................................................... 500 Subsistema de Gestión de Red (OAM&P) ..................................................................................................... 505 Canales Lógicos en la Interfaz Um ................................................................................................................ 506 Señalización en una Llamada Saliente del MS ............................................................................................. 511 Señalización en una Llamada Entrante al MS ............................................................................................... 513 Interfaz de Aire en GSM ................................................................................................................................ 515 Acceso Múltiple en GSM ............................................................................................................................... 515 Jerarquías de Tramas en GSM Fase 2 ......................................................................................................... 519 Flujo de Información en las Multitramas ........................................................................................................ 520 Saltos de Frecuencia en GSM Fase 2 ........................................................................................................... 525 Ajustes de Sincronismo con Time Advance .................................................................................................. 526 Procesos en el Nivel Físico de GSM Fase 2 ................................................................................................. 526 Codificación Diferencial, Modulación y Transmisión RF ................................................................................ 533 Cobertura y Reuso de Frecuencias de una Red GSM .................................................................................. 537 Aspectos de Diseño de una Red de Acceso GSM ........................................................................................ 538 Nuevos Servicios de Datos en GSM Fase 2+ ............................................................................................... 541 HSCSD (High Speed Circuit-Switched Data) en GSM Release 96 ............................................................... 542
General Packet Radio Service (GPRS) ...........................................................................................544
9.8.1 9.8.2 9.8.3 9.8.4 9.8.5 9.8.6 9.8.7
9.9
GSM Fase 2 .................................................................................................................................................. 473 GSM Release 96 (Fase 2+) y HSCSD .......................................................................................................... 474 GSM Release 97 (Fase 2+) y GPRS ............................................................................................................. 474 GSM Release 98 (Fase 2+), EDGE y Dominios CS y PS ............................................................................. 475 3GPP Release 99 y 3G UMTS ...................................................................................................................... 476 3GPP Release 4 y MSC Server-MGW .......................................................................................................... 478 3GPP Release 5, HSDPA e IMS ................................................................................................................... 479 3GPP Release 6 y HSUPA............................................................................................................................ 480 3GPP Release 7 y HSPA ............................................................................................................................. 481 3GPP Release 8 y LTE/SAE ......................................................................................................................... 482 3GPP Release 9 y MIMO .............................................................................................................................. 484 3GPP Release 10 y LTE-Advanced .............................................................................................................. 485 3GPP Release 11 y Convergencia de Redes................................................................................................ 485
Introducción ................................................................................................................................................... 544 Codificación y Transmisión de Canales GPRS ............................................................................................. 548 Seguridad en GPRS ...................................................................................................................................... 550 Calidad de Servicio en GPRS ....................................................................................................................... 550 Canales Lógicos en GPRS ............................................................................................................................ 550 Gestión de Sesiones y Enrutamiento en GPRS ............................................................................................ 553 Acceso a la Internet con GPRS ..................................................................................................................... 556
10 Redes de Telefonía Móvil 3G y LTE .......................................................................... 558 10.1
Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE) ......................................................................558
10.1.1 10.1.2
10.2
Introducción ................................................................................................................................................... 558 Transmisión de Datos en EDGE ................................................................................................................... 559
Evolución hacia Redes 3G y 4G .....................................................................................................561
10.2.1
Marco IMT-2000 y Definiciones sobre 3G ..................................................................................................... 562
8
10.3
Universal Mobile Telecommunications Network (UMTS) .............................................................564
Introducción ................................................................................................................................................... 616 Comparación entre HSDPA y HSUPA........................................................................................................... 617 Canales HSUPA en el Uplink ........................................................................................................................ 618 Canales HSUPA en el Downlink.................................................................................................................... 619 Arquitectura de HSUPA ................................................................................................................................. 621 Procesos en las Subcapas MAC ................................................................................................................... 621 Velocidad Pico Máxima en HSUPA ............................................................................................................... 626 Gestión del Agendamiento en HSUPA .......................................................................................................... 626 Temporizaciones de Canales en HSUPA ...................................................................................................... 628
HSPA y HSPA+ .................................................................................................................................630
10.7.1 10.7.2
10.8
Introducción ................................................................................................................................................... 604 Comparaciones entre WCDMA y HSDPA R5 ................................................................................................ 606 Canales HSDPA ............................................................................................................................................ 607 Procesamiento del Tráfico en el Nodo B ....................................................................................................... 609 Procesamiento del Tráfico en el Terminal Móvil ............................................................................................ 611 Ejemplo de Tráfico HSDPA a 3.84 Mbps....................................................................................................... 612 Velocidades Máximas en HSDPA ................................................................................................................. 613 Categorías y Operación del UE en Releases de HSDPA .............................................................................. 614 Gestión de Conexiones HSDPA y de Movilidad del UE ................................................................................ 615
Introducción ................................................................................................................................................... 587 Canales de Transporte y Canales Físicos ..................................................................................................... 588 Dispersión, Aleatorización y Modulación en WCDMA ................................................................................... 589 Codificación de Bloques y Adaptación de Velocidades en WCDMA ............................................................. 594 Canales Físicos Dedicados en UMTS R99 ................................................................................................... 594 Canal Físicos en el Uplink de UMTS R99 ..................................................................................................... 599 Canal Físicos en el Downlink de UMTS R99 ................................................................................................. 600 Procesos en el Nivel Físico de WCDMA ....................................................................................................... 602
Conceptos Básicos y Evolución de UMTS .................................................................................................... 564 Bandas de Frecuencia UMTS e Interfaces de Aire ....................................................................................... 566 Descripción de UMTS Release 99 ................................................................................................................ 566 Terminales Móviles para UMTS .................................................................................................................... 568 Seguridad en UMTS ...................................................................................................................................... 569 QoS y Servicios de Transporte en UMTS...................................................................................................... 570 Protocolos de la Interfaz de Radio UTRAN ................................................................................................... 572 Arquitecturas y Protocolos en UMTS R99 ..................................................................................................... 574 Traspaso en Redes UMTS R99 .................................................................................................................... 577 Traspaso entre Redes UMTS R99 y GSM .................................................................................................... 578 Interoperabilidad de UTRAN con GERAN ..................................................................................................... 579 Canales Lógicos y Canales de Transporte .................................................................................................... 580 Protocolos de Enlace y Red en UTRA R99 ................................................................................................... 582
Introducción ................................................................................................................................................... 630 Mejoras introducidas con HSPA y HSPA+ .................................................................................................... 632
HSPA+ (Evolved High Speed Packet Access) ...............................................................................632
10.8.1 10.8.2 10.8.3 10.8.4 10.8.5
MIMO (Multiple Input Multiple Output) ........................................................................................................... 632 HSDPA con Celda Doble (DC-HSDPA)......................................................................................................... 633 HSUPA con Doble Celda (DC-HSUPA)......................................................................................................... 634 HSPA Multiportadora (MC-HSPA) ................................................................................................................. 634 Continuos Packet Connectivity (CPC) ........................................................................................................... 635
9
10.8.6 10.8.7
10.9
DPCCH Fraccional (F-DPCCH)..................................................................................................................... 636 Mejoras en Estados Operacionales del Nivel RRC ....................................................................................... 637
LTE (Long Term Evolution) .............................................................................................................641
Introducción ................................................................................................................................................... 641 Elementos de la Arquitectura de Red LTE/SAE ............................................................................................ 643 Interfaces y Arquitecturas Básicas de Planos de Usuario y Control en LTE/SAE ......................................... 647 Interacción de las Subcapas del Nivel de Enlace .......................................................................................... 650 Protocolos de Alto Nivel en el Plano de Control de LTE ............................................................................... 651 Canales e Interconexiones de Capas en LTE ............................................................................................... 653 Canales en el Downlink de LTE .................................................................................................................... 654 Canales en el Uplink de LTE ......................................................................................................................... 656 Estructuras Genérica de Tramas FDD y TDD ............................................................................................... 658 Conceptos de Modulación OFDMA ............................................................................................................... 661 SC-FDMA y Diferencias con OFDMA ............................................................................................................ 664 Mapeado de Canales y Señales en Tramas del Downlink ............................................................................ 666 Mapeado de Canales y Señales en el Uplink ................................................................................................ 669 Búsqueda de Celdas, Sincronismo y Mediciones en el Uplink ...................................................................... 672 Agendamiento de Recursos de Transmisión ................................................................................................. 674 Procesos en el Nivel Físico del Downlink ...................................................................................................... 676 Procesos en el Nivel Físico del Uplink de un UE ........................................................................................... 683 Modos de Transmisión en LTE y Tecnologías MIMO .................................................................................... 687 Velocidades Máximas Teóricas en E-UTRAN ............................................................................................... 693
10.10
IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced) ......................................693
Agregado de Portadoras ............................................................................................................................... 695 Tecnologías MIMO en el Downlink y el Uplink .............................................................................................. 696 Nodos Conmutadores para Extensión de Cobertura de LTE-Advanced ....................................................... 697 Interoperabilidad de redes LTE con redes 3GPP GERAN, UTRAN y otras .................................................. 697
11 Audición, Codificación del Audio y Mediciones de Calidad ................................... 700 11.1
Transmisión de Voz y Audio en Redes de Telefonía ....................................................................700
11.2
Telefonometría y Mediciones Acústicas en Terminales ..............................................................702
11.2.1 11.2.2
11.3
Rangos de Audición, Escalas Psicoacústicas y Sonoridad ........................................................709
11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4
11.4
Rangos de la Audición Humana ................................................................................................................... 709 Escalas Psicoacústicas ................................................................................................................................. 710 Intensidad Sonora y Sonoridad Percibida ..................................................................................................... 711 Psicoacústica y Enmascaramiento del Sonido .............................................................................................. 713
Audición y Habla Humana ...............................................................................................................717
11.4.1 11.4.2 11.4.3
11.5
Standares para Mediciones Electroacústicas ................................................................................................ 702 Mediciones Electroacústicas en Telefonía de Banda Angosta ...................................................................... 705
Anatomía de la Audición................................................................................................................................ 717 Análisis de la Voz .......................................................................................................................................... 718 Síntesis de la Voz .......................................................................................................................................... 721
Codificación del Audio ...................................................................................................................722
11.5.1 11.5.2 11.5.3
Antecedentes de la Telefonía de Banda Angosta ......................................................................................... 722 Digitalización del Audio ................................................................................................................................ 724 Métodos de Codificación del Audio ............................................................................................................... 725
Resumen de Prestaciones de Codecs para Telefonía ..................................................................750
11.8.1 11.8.2 11.8.3
11.9
Antecedentes Históricos de la Transmisión de la Voz ................................................................................... 733 Satisfacción del Usuario en Conexiones sobre Redes de Telecomunicaciones ........................................... 734 Calidad de Experiencia y de Servicio en Redes de Comunicaciones (QoE/QoS) ......................................... 736 Medición de Calidad de la Voz en Redes según la ITU-T ............................................................................. 738 Rec. ITU-T P.800 (Definición del MOS)......................................................................................................... 740 Rec. ITU-T P.830 (Medición del MOS en Banda Ancha) .............................................................................. 741 Rec. ITU-T P.835 (Medición Especial del MOS) ........................................................................................... 742 Rec. ITU-T G.107 (Modelo-E para Cálculo de Pérdidas Boca-Oído) ........................................................... 742 Rec. ITU-T P.861 (Medición Objetiva de Calidad con PSQM) ...................................................................... 744 Rec. ITU-T P.862 (Medición Objetiva de Calidad con PESQ) ....................................................................... 745 Rec. ITU-T P.563 (Medición de Calidad no Intrusiva y MOS-LQO) .............................................................. 747 Rec. ITU-T P.564 (Medición de Calidad de Voz en VoIP) ............................................................................. 748
Ejemplos de Codecs de Telefonía de Banda Angosta .................................................................................. 752 Ejemplos de Codecs ETSI para Telefonía Móvil GSM de Banda Angosta .................................................... 755 Ejemplos de Codecs de Telefonía de Banda Ancha ..................................................................................... 757
12 IPTV, Codecs de Video y Mediciones de Calidad .................................................... 761 12.1
Servicios de TV por Subscripción ..................................................................................................761
12.1.1 12.1.2
12.2
Arquitectura de una red Triple Play con IPTV. ..............................................................................765
12.2.1 12.2.2 12.2.3
12.3
Arquitectura Básica ....................................................................................................................................... 765 Protocolos en Arquitectura IPTV no-NGN ..................................................................................................... 767 IPTV en Redes NGN e IMS ........................................................................................................................... 771
Evolución de Codecs de Video ITU-T e ISO ..................................................................................774
12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5
12.4
Servicios de Video OTT................................................................................................................................. 762 Conceptos Básicos de IPTV .......................................................................................................................... 763
Codecs ITU-T H.26X e ISO MPEG-n ............................................................................................................ 774 ITU-T H.120: Codecs para Videoconferencia con Transmisión Digital Primaria ........................................... 774 ITU-T H.261: Codec de Video para Servicios Audiovisuales a N x 64 Kbps ................................................. 775 ITU-T H.262 (MPEG-2 Parte 2, ISO 13818-2) ............................................................................................... 776 ITU-T H.263: Codec de Video a Baja Velocidad. Video 3gp en Redes Móviles ............................................ 777
Señal de Video de Entrada............................................................................................................................ 782 Niveles y Perfiles Normalizados .................................................................................................................... 785 Proceso General de Codificación .................................................................................................................. 785 Flujo Estructurado de Datos de Video ........................................................................................................... 788 Secuencias GOP y Tramas I, P y B .............................................................................................................. 791 Codificación Espacial (Intra Trama) .............................................................................................................. 792 Codificación Temporal (Inter Trama) ............................................................................................................. 795 Estructura de un Codec MPEG-2 para Video ................................................................................................ 798 Escalabilidad MPEG-2................................................................................................................................... 801
MPEG-4 Parte 2: Codificación de Objetos Visuales ...................................................................................... 803 Estructuras, Objetos y Streams de MPEG-4 P2 ............................................................................................ 805 MPEG-4 Parte 10 (ITU-T H.264 AVC): Codec Avanzado de Video .............................................................. 809
La Visión Humana ............................................................................................................................817
11
12.8.1 12.8.2 12.8.3
12.9
Calidad de Imagen y Video ..............................................................................................................826
12.9.1 12.9.2 12.9.3 12.9.4 12.9.5
12.10
Resolución Visual en Pantallas 2D ................................................................................................................ 817 Aspectos de la Visión Humana ...................................................................................................................... 819 Propiedades de la Visión Humana ................................................................................................................ 824
Introducción ................................................................................................................................................... 826 Artefactos en la Compresión de Video Tipo MPEG ....................................................................................... 827 Evaluación Subjetiva de la Calidad del Video ............................................................................................... 828 Evaluación Objetiva de la Calidad del Video ................................................................................................. 829 ITU-T y la Normalización de la Evaluación Objetiva de la Calidad de Video Multimedia .............................. 831
Prefacio Este libro intenta ilustrar sobre temas fundamentales de las telecomunicaciones modernas, como ser el estado del desarrollo de redes fijas para servicios de telefonía y redes móviles para telefonía y datos, en ambos casos a nivel global, nuevas tendencias en redes públicas de datos, técnicas para medición de la calidad en la recepción de señales de audio y video y el impacto de los codecs, y el funcionamiento de tecnologías y sistemas que forman parte de la infraestructura de la gran mayoría de los operadores de redes públicas. El tratamiento de redes IP, las tecnologías para accesos de banda ancha y un estudio detallado sobre protocolos, tecnologías y servicios de la Internet se han omitido por razones de espacio, asumiendo que el lector tiene una formación básica sobre estos temas, y existe una abundante cantidad de documentos y libros en castellano sobre estos temas en particular. Se enfocan temáticas sobre la infraestructura de transmisión, conmutación y señalización en las redes de telecomunicaciones modernas fijas y móviles, para servicios de voz sobre redes TDM e IP, y datos empresariales y video utilizando tecnologías Ethernet y MPLS, que soportan la conectividad de redes IP. Con la excepción del Capítulo 1, los demás temas tienen un tratamiento técnico de nivel introductorio, y están dirigidos a quienes trabajan en la gestión de sistemas, sus tecnologías, servicios e interoperabilidad en empresas y organismos orientados a las telecomunicaciones públicas. Parte del material del libro puede útil para el personal técnico de empresas de provisión de servicios de Internet (ISP) y empresas de servicios de TV, Internet y telefonía sobre redes de cable, así como para estudiantes de carreras afines. Donde fue posible, se ha buscado presentar la evolución histórica de las diferentes tecnologías y los cambios de paradigmas, particularmente sobre redes de la siguiente generación basadas en IP, destinadas a sustituir la infraestructura actual basada en la conmutación de circuitos TDM y el sistema de señalización SS7. Por múltiples razones, estas iniciativas se han lentificado, como ser su complejidad normativa e industrial, dificultades en emular la calidad de servicio de redes TDM y problemas comerciales con los proveedoes de servicios sobre la Internet, que utilizan las redes fijas y móviles actuales solo para conectividad terminalproveedor externo, en desmedro de nuevos ingresos por servicios para los operadores de redes fijas y móviles. El Capítulo 1 presenta los cambios en las telecomunicaciones en los países industrializados y en desarrollo desde 1975, evolucionando a la par de nuevas tecnologías en un camino de prueba y error y presenta los cambios asociados a la aparición y adopción masiva de las computadoras personales, la telefonía móvil, la Internet y nuevas aplicaciones y servicios multimedia, impensables a principios de los años ‘90. Tambien enfoca los servicios e ingresos en el segmento de las redes fijas y, parcialmente, en las redes móviles. Para enfatizar el vínculo entre las telecomunicaciones y las estructuras sociales en la prestación del servicio de telefonía urbana, se analizan diferentes parámetros demográficos y socioeconómicos en grandes urbes, y la expansión de las redes para proveer conectividad entre diferentes locaciones nacionales y entre países. En los Capítulos 11 y 12, se presentan los medios disponibles para medir, objetiva y subjetivamente, la calidad percibida por los usuarios en la recepción de señales de telefonía y de video, la necesidad de compresión del audio y video que fluye en las redes utilizando codecs, y cuales son los mecanismos más relevantes de la codificación y decodificación del audio telefónico y el video. Junto con esto, se resume el funcionamiento de los sistemas fisiológicos y psicológicos de la audición, el habla y la visión humana y como algunos fenómenos limitantes de la audición, el habla y la visión se explotan en el desarrollo de nuevos codecs. El resto de los Capítulos cubre cuatro áreas tecnológicas que conforman gran parte de la infraestructura de las telecomunicaciones fijas y móviles modernas de voz, datos y video en redes fijas y móviles, y que son:
Tecnologías para la Transmisión Digital Electro-óptica. Capítulo 2: Redes SONET/SDH originales y de la siguiente generación (SDH-NG, mapeado de tramas Ethernet); Capítulo 3: Redes WDM, particularmente DWDM y redes OTN (Optical Transport Network).
Tecnologías para el transporte de datos en redes modernas y redes VPN. Capítulo 4: Interfaces, Switches y Redes Ethernet VLAN locales, MAN y WAN; Capítulo 5: Redes MPLS y redes VPN MPLS de Nivel 2 y Nivel 3.
Prefacio
13
Tecnologías e iniciativas para la sustitución del tráfico bajo TDM por el tráfico sobre redes IP/MPLS. Capítulo 6: Origen de la VoIP; Redes H.323; Redes SIP; Redes MGCP; Redes H.248/MEGACO; Capítulo 7: Conmutación TDM, Señalización SS7 sobre redes TDM y sobre redes IP (SIGTRAN); Capítulo 8: Redes NGN ITU y TISPAN, con introducción a redes IMS (IP Multimedia Subsystem).
Tecnologías que dan forma a las redes móviles de segunda, tercera y cuarta generación. Capítulo 9: Introducción a redes móviles; tecnologías 1G, 2G, 3G y 4G; redes cdmaOne y redes GSM/GPRS (en detalle para RAN y Núcleo); Capítulo 10: Introducción general a redes 3G; UMTS y WCDMA; accesos HSDPA; accesos HSUPA; accesos HSPA y HSPA+; Introducción a redes LTE (pre4G); esquemas de operación de la Interfaz de Aire; Nuevas arquitecturas del Núcleo de redes LTE.
La sección Referencias contiene información sobre documentos, libros y páginas WEB que complementan el contenido de cada Capítulo. Algunas de las fuentes han sido utilizadas como material de consulta y, donde corresponda, se hace mención al origen, generalmente en el dominio público. La totalidad de los diagramas, gráficos, figuras, tablas y fórmulas han sido elaboradas ó han sido recreadas por el autor, teniendo en cuenta las diferentes consideraciones sobre el manejo de material y nombres bajo categorías de Marcas Registradas y Propiedad Intelectual. Aunque se busca no escribir opiniones personales, que deben ser realizadas por expertos en las diferentes temáticas, en algunos casos esto ocurre al tratar sobre tendencias tecnológicas, evoluciones de tecnologías y servicios y otros. Aunque la opinión del autor es públicamente verificable en una gran cantidad de fuentes, no exime al autor de su exclusiva responsabilidad. Para el desarrollo de diversos temas sobre la evolución de las tecnologías hasta la última década, ha sido invaluable el aporte documentario de mi colega y amigo Roberto Ares, con una carrera de más tres décadas en las telecomunicaciones públicas y en la docencia, reflejada en numerosos libros, papers y publicaciones que, generosamente, ha puesto en el dominio público a través de su sitio www.robertoares.com.ar. Cuento tambien con mi propia experiencia y numerosos escritos, papers y apuntes personales desarrollados durante mis actividades en ENTel, Telecom, Telintar, Movicom BellSouth, Iplan, Equitel-Siemens, en servicios de consultoría en algunas de los proveedores de tecnologías más relevantes de la Argentina y en numerosos emprendimientos y estudios personales. El origen y la consistencia de la información aquí presentada está avalado por publicaciones de expertos y entidades de primer nivel, obtenidas a través de la Internet y disponibles en el dominio público, originadas en tesis, presentaciones y white papers de profesionales de centros educativos de los EEUU, Canadá, la Unión Europea y países centrales de Asia-Pacífico, complementada con presentaciones en seminarios públicos de fabricantes, consorcios industriales y organismos internacionales y regionales de normalización y de servicios como la ITU, el Banco Mundial, ETSI, ANSI, ATIS, FCC y numerosos otros. Espero que este documento pueda facilitar el entendimiento de diferentes facetas de la industria de las telecomunicaciones, desde una perspectiva nacional, y que pueda ser útil para lectores de múltiples disciplinas.
Prefacio
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1 Desarrollo Global de las Telecomunicaciones
1.1
Evolución de las Telecomunicaciones
Las telecomunicaciones contribuyen a mejorar la calidad de vida de los individuos en el hogar y en el trabajo, y facilitan el crecimiento en todas las áreas de actividad, si bien la infraestructura soporte y el uso de las redes varía con la economía y la demografía socio-económica de cada país. El progreso se basa en avances en sistemas de comunicaciones y de información personal y corporativa (TIC), los servicios de la Internet y, en forma creciente, con la movilidad y ubicuidad de los terminales portables de voz y datos en solo dos décadas. Las comunicaciones internacionales actuales dependen de la capacidad de transmisión (casi ilimitada) de las redes submarinas y terrestres de fibra óptica y DWDM, que proveen conectividad total con alta capacidad en la transmisión de voz, datos y video. Tales redes potencian la infraestructura de comunicaciones global y hacen posible el uso generalizado de las innovaciones en las TIC desde 1990, con interconexión de redes nacionales de comunicaciones y la integración de la Internet en una red global que permite interconectar miles de millones de personas entre si ó dar acceso a una gran variedad de servicios independientes de su locación geográfica. El progreso ha sido dispar en el mundo, pues los países del grupo G-7 concentran más del 51% de los ingresos de la industria, con altos índices de penetración per cápita de todos los servicios, mientras que los cinco países del grupo BRICS, con casi un 40% de la población mundial, solo generan un 13% del total. Al comparar países en desarrollo ó subdesarrollados con los países más industrializados, se hace visible la brecha digital existente entre ambos grupos, al comparar los índices de penetración de nuevos servicios para redes fijas y móviles, Las redes de telecomunicaciones dan soporte al tráfico de datos de la Internet, donde residen la mayoría de las innovaciones en servicios para terminales fijas y móviles. Los operadores de estas redes proveen nuevos servicios atractivos dentro de sus propias redes, y básicamente interconectan a sus subscriptores con la Internet, aunque son dueños de la infraestructura y los accesos fijos y móviles para esta clase de conectividad.
Figura 1.1: Penetración de Accesos de Telefonía cada 100 Habitantes (1993 – 2011) El análisis de primer orden sobre el crecimiento del uso de las tecnologías TIC en el mundo utiliza indicadores con valores que representan la penetración de servicios cada 100 habitantes ó porcentual. No se discrimina si la utilización es residencial ó para empresas, y se toman promedios nacionales de instalaciones de accesos de telefonía fija, móvil, accesos de banda ancha fijos, cantidad de terminales tipo PC y usuarios de Internet.
1. Desarrollo Global de las Telecomunicaciones
15
Como ejemplo, en la Figura 1.1 se comparan la penetración de las TIC (Tecnologías de la Información y la Comunicación) entre los 19 países con mayor nivel de industrialización y que acumulan el 60% del PBI mundial, que comprenden los países del Grupo G-7, otros 9 países industrializados de Europa Occidental, Corea del Sur, Australia y Nueva Zelanda con 151 países del resto del mundo, abarcando el 99% de la población. Las gráficas muestran el crecimiento de la penetración de diferentes servicios TIC entre los años 1993 y 2011 (x 100 hab). Las curvas de penetración de telefonía móvil se basan en el total de líneas activas, existiendo en promedio 1.8 líneas activas por subscriptor a fines del 2012, la penetración per cápita en telefonía móvil promedia el 45.7% (1 de 2 habitantes), versus un 19.2% de penetración de los accesos para telefonía fija (1 de 5 habitantes). Los 19 países más industrializados tienen el más elevado índice de desarrollo humano (IDH), PBI per cápita, la mayor penetración per cápita de servicios online y controlan la mayor parte del desarrollo y fabricación de tecnologías y ciencia críticas para microelectrónica, fotónica, materiales compuestos y software, entre otras. La Internet contribuye a disminuir el tráfico telefónico fijo ó móvil, y por ende los ingresos asociados a éste. Los mecanismos de comunicación de costo bajo ó nulo disponibles en la Internet proveen aplicaciones interactivas de audio y video (Ej.: Skype), mensajería instantánea en varias modalidades, email, multicasting de información personal (con elevados índices de crecimiento, como Twitter) y servicios interactivos multimedia desde grandes plataformas de redes sociales (Ej.: Facebook) y numerosos otros servicios online de comunicación personal. El aumento de accesos fijos entre 1997 y 2004, en países industrializados se debe, en parte, a la instalación de una segunda línea para acceso dial-up a Internet, evitando interferir con llamadas de voz en el hogar. Existieron incrementos de hasta el 22% del total de líneas residenciales en USA ó del 12% en Argentina. La adopción de los accesos de banda ancha generó las bajas de estas líneas. En numerosos países se verifica un crecimiento negativo y una disminución en subscriptores de telefonía fija, ya saturada la demanda natural de cada mercado. Esto se debe, en parte, a la adopción de la telefonía móvil, la mensajería SMS prepaga, los ITSP y la telefonía VoIP, y nuevos servicios de comunicación interpersonal ó grupal basados en multimedia, con proveedores conectados a la Internet que usan como puente a las redes fijas ó móviles. En general, los ISP utilizan la infraestructura de transmisión de las redes fijas, como ser las redes de acceso de banda ancha xDSL y variantes de FO, los accesos por cablemodems en redes de cable, y accesos 3G y 4G de las redes móviles (no graficados), y utilizan el backbone de los operadores incumbentes para conectividad IP.
Figura 1.2: Penetración de Servicios de Datos y PC cada 100 Habitantes (1993 – 2011) Los servicios de la Internet emplean una infraestructura montada sobre las redes de telecomunicaciones, y que se basa en routers, switches y en tecnologías de la información (IT), como servers, terminales fijos (PC), terminales con movilidad como Notebooks, Tablets y, crecientemente, terminales smartphone y otros que utilizan tecnologías de acceso 3G, LTE y WiFi. La infraestructura comprende los Datacenters, donde residen aplicaciones WEB y otras aplicaciones para mercados residenciales y corporativos. Aun cuando Internet compite con la industria de las telecomunicaciones,
1. Desarrollo Global de las Telecomunicaciones
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utiliza sus redes solo para la conectividad terminal de usuario-proveedor de servicio, sin que esto produzca mayores ingresos en los operadores tradicionales, excepto abonos y cuotas de tráfico (en GB). Las gráficas de la Figura 1.2 complementan a las de telefonía para el período 1993-2011, con penetración per cápita de las PC, usuarios de Internet y accesos de banda ancha en redes fijas (telefonía y cable). El impacto de los smartphones y el uso de accesos de banda ancha móvil se tratan al final de este punto. Los 19 países más industrializados tienen el 13.1% de la población, el 38.5% de las líneas de telefonía fija y el 16.4% de las líneas de telefonía móvil, pero acumulan más del 50% de los ingresos de la industria debido a un mayor poder adquisitivo per cápita y una alta concentración del tráfico comercial, pues están muy integrados con las economías de los países del G-7. En el 2011, la penetración de accesos de banda ancha fue del 30% per cápita en los países más industrializados y casi el 6% en el resto, salvo pocos países intermedios. Estos países consumen la mayor parte del tráfico de voz y datos, por la concentración de actividades económicas. La "brecha digital" en los indicadores de penetración de PCs, usuarios de Internet y disponibilidad de accesos de banda ancha en redes fijas llega a ser cuatro veces mayor entre los grupos de países industrializados que el resto de los países, en promedio. Tal brecha es estructural y tiene sus orígenes en múltiples factores, como el desarrollo socio-económico, el posicionamiento geopolítico, la riqueza interna, el PBI per cápita y la pobreza.
1.2
Indicadores Regionales de Telecomunicaciones
La Tabla 1.3 resume indicadores porcentuales y valores absolutos de la penetración de la telefonía fija y móvil, con una visión regional del crecimiento de la infraestructura de telecomunicaciones, e indica la cantidad de países por región, totales de accesos fijos y móviles en 1990 y en el 2007 y el crecimiento en penetración per cápita, absoluto y relativo ó teledensidad,para las dos clases de accesos. Los países más desarrollados en 1990 tuvieron el menor crecimiento absoluto, en tanto que los países de Asia Oriental, con China a la cabeza, acumulan la mayor parte del crecimiento neto de accesos fijos. América del Norte y Europa mantienen la mayor teledensidad en accesos fijos y móviles, con África relegada al último lugar.
Tabla 1.3: Evolución de la Telefonía Fija y Móvil por Región, entre 1990 y el 2007
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Incluyendo los 19 países miembros del grupo G-20, que tienen el mayor desarrollo económico, más la Unión Europea como bloque económico integrado, la Tabla 1.4 (2010) muestra parámetros económicos y de telefonía de sus miembros. Existe una gran dispersión en el IDH (Índice de Desarrollo Humano) entre países del G-20, tal como el índice de pobreza, aunque representan más del 84.1% del PBI mundial (2012), el 69% de la población, el 79% del total de las líneas de telefonía fija y el 74% de los accesos de telefonía móvil. Cinco de los países del G-20 crearon el grupo BRICS (Brasil, Rusia, India, China y Sudáfrica), con índices de crecimiento muy elevados y gran capacidad tecnológica, financiera y militar. Su gestión busca alternativas a la hegemonía de los países del G-7, desarrollando mercados propios para el trading y cooperación general.
Tabla 1.4: Población, PBI Nominal y per Cápita y Teledensidad en Países del G-20 China se proyecta como el país con mayor fortaleza económica e industrial hacia el 2020. Los demás países del BRICS tienen un importante peso en todos los órdenes de actividad presentes y futuros.
Figura 1.5: Ubicación Geográfica de los Países del G-20 (Fuente: Wikipedia)
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En los países del G-20 (Figura 1.5), las comunicaciones y los sistemas de información (TIC) tienen gran relevancia pues las TIC superan el 5% del PBI en países industrializados, siendo un poco menor en el resto. El mercado que estos países representan para nuevas iniciativas en TIC es enorme, tanto en población como en poder adquisitivo. Sus miembros son los primeros en adoptar tecnologías avanzadas desarrolladas por fabricantes agrupados en foros y consorcios fuera del marco de la ONU y la UIT (Ej.: GSM, 3GPP, WiFi, DVB, etc.). El contexto que se ha descripto asiste, en los últimos años, a una rápida modificación de tecnologías y servicios, a partir de la migración desde terminales móviles hacia smartphones y tabletas 3G HSPA/ LTE. La importancia del mercado de smartphones, variantes de tablets y de computadoras portables con accesos 3G/LTE y/o WiFi es enorme, pues se desarrolla rápidamente un nuevo modelo de servicios de voz, datos y video convergente sobre las terminales móviles, cuyas innovaciones afectan la venta de terminales fijas como las PC de escritorio, en disminución desde el 2012, luego de 30 años de crecimiento sostenido. Con la rápida adopción de los smartphones y servicios 3G (y LTE), a fines del 2012 la migración global hacia estas tecnologías representaba un 14% del total de accesos móviles, con más de 760 millones de accesos 3G y una penetración per cápita del 12%, incluyendo cerca de 65 millones de terminales LTE. La migración hacia smartphones varía con las regiones económicas, como muestra la Tabla 1.6 (2011).
Tabla 1.6: Migración hacia Smartphones 3G/LTE por Región ó Grupo Económico En promedio, el 45% de los usuarios utiliza smartphones en el trabajo y en el tránsito desde y hacia el mismo, mientras que casi el 95% los utiliza en el hogar. Los usuarios de smartphones tienen instaladas un promedio de 25 aplicaciones, de las cuales 5 son pagas, y el uso para visualizar videos promedia el 75% de los usuarios. El mercado de las infocomunicaciones corporativas se acopla a cambios en redes públicas con rediseños del uso de las TIC, siendo un claro ejemplo el impulso de las “redes privadas de comunicaciones unificadas”, las que están centradas en la telefonía VoIP, accesos inalámbricos locales (WiFi), convergencia local fijo-móvil, videoconferencias sobre IP e integración de aplicaciones sincronizadas en terminales fijas y móviles.
1.3
Avances de la Infraestructura de Telecomunicaciones en el Tiempo
Al analizar el status y las capacidades de las redes y servicios de telecomunicaciones desde 1975, se aprecian cambios profundos en un corto período de tiempo, especialmente desde fines de los años ’80.
1.3.1 Situación de la Industria en 1975
Existían 233 millones de líneas de telefonía fija basadas en conmutación analógica de circuitos, con el 87% del total en los 15 países más industrializados. Inicio de la digitalización de las redes de telefonía.
Redes de transmisión basadas en cables coaxiales y satélites geoestacionarios, con canales de voz de 4 Khz multiplexados en FDM (500 canales) y cables submarinos analógicos (485 canales, TAT-5).
Aparecen las primeras redes públicas de datos X.25 (Telenet, Compuserve, Datapac, etc.), basadas en protocolos ITU y propietarios (Tymnet, RETD), con accesos basados en modems telefónicos de hasta 9600 bps, y con enlaces internodales (X.75) en múltiplos de 9.6 Kbps. Algunas redes tenían enlaces a 56 ó 64 Kbps, para la interconexión nodal, de hosts y de terminales no inteligentes. En algunas redes se utilizaban enlaces internodales T1 (1.54 Mbps), y los accesos podía ser fijos ó del tipo dial-up.
Red global de mensajería global basada en terminales télex a 50 baudios, administradas por las telcos.
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Líneas rentadas punto a punto analógicas para redes de datos ó telefonía privadas, empleándose en forma excepcional enlaces digitales punto a punto de 56 y 64 Kbps ó T1, de muy alto costo.
No existía aún el concepto de las computadoras personales (PC), los teléfonos celulares ó la Internet, y aún no se había creado el protocolo IP, que estaba embebido en el protocolo TCP, publicado en 1974. Aún no existía el concepto de multimedia, y las necesidades de comunicaciones a satisfacer eran un conjunto reducido de prestaciones: telefonía, servicios de operadoras, télex, redes X.25 y líneas PP.
1.3.2 Situación de la Industria en 1990
El número de de líneas de telefonía fija alcanzaba 500 millones, con una distribución regional similar a la de 1975. Se avanzaba rápidamente en la digitalización de las redes de conmutación y de transmisión, con centrales de telefonía digital (TDM y SS7) interconectadas con redes de transmisión PDH entre 1.5 y 565 Mbps. Los codecs de telefonía de banda angosta y los compresores de troncales (DCME) eran utilizados para aumentar la capacidad de los enlaces internacionales y, eventualmente, interurbanos.
El recambio llegaba a los radioenlaces (digitales PDH) desde 1980, junto con la primer generación de fibras ópticas para enlaces terrestres. El primer cables submarino de FO entre USA y Europa (TAT-8, 1988), tenía problemas de confiabilidad, pero proveyó hasta 40.000 canales telefónicos en el año 1990. Comenzaban a desplegarse redes SONET/SDH, en reemplazo de las redes PDH, de hasta 622 Mbps.
Se habían desplegado redes públicas X.25 en casi todos los países industrializados ó en desarrollo, las que ahora soportaban nuevos servicios online de mensajería y entretenimiento para PC (Compuserve, AOL, Delphi, GEnie), precursores de servicios de la Internet actual, con casi 5 millones de abonados.
El Télex continuaba su dominancia como red global de mensajería. Las ofertas de servicios de datos de incluían enlaces punto a punto digitales para N x 56 ó N x 64 Kbps (redes DDN ó T1/E1-Fraccional).
Las redes DDN proveían enlaces de tipo digital T1/E1-Fraccional, mientras que hacían su aparición los enlaces HSDL (T1/E1) sobre pares de cobre. La fibra óptica se utilizaba a un ritmo muy acelerado en enlaces terrestres y submarinos, para acompañar la digitalización y SDH.
La Internet, bajo el control del gobierno de los EEUU, era utilizada por un reducido números de centros académicos, de investigación y organizaciones gubernamentales, con la prohibición de uso comercial. Desde 1984 utilizaba IPv4, soportando sesiones TCP/IP entre hosts ó desde estaciones de trabajo.
Existía una base mínima de PC no-multimedia (Windows 3.0 aparece en 1990), redes móviles 1G con una reducida cobertura, X.25 era dominante para interconexiones MAN y WAN, así como el télex para la mensajería corporativa. La telefonía se digitalizaba a paso acelerado, incorporando discado directo de larga distancia, redes IN (Servicios FreePhone, inicialmente).
Los servicios online para PC (con abono y dial-up) junto con redes de información (BBS, Fidonet, etc.) sumaban algunos millones de usuarios, siempre con accesos dial-up a 2.4 Kbps máximo.
La telefonía celular (1G) tenía cerca de 11 millones de líneas, con voluminosos terminales portables.
Las PC se habían instalado en el mercado empresarial y residencial, con múltiples propuestas para las redes LAN, siendo utilizadas como emuladores de terminales de hosts y para productividad personal, con pantallas de texto monocromo de 80 x 25 caracteres, limitada capacidad gráfica, color y potencia.
El protocolo IP era un competidor de IPX, por entonces dominante en redes LAN, y la fusión de Unix con TCP/IP (impulsada por el gobierno de los EEUU) comenzaba a impactar en los sistemas abiertos.
Existían múltiples iniciativas para innovar las tecnologías de infraestructura como las redes ISDN (Red Digital de Servicios Integrados), y se discutían los modelos de redes Frame Relay (Fast X.25) y ATM (Cell Switching), para su uso como redes públicas de datos post-X.25, redes privadas ó redes LAN.
1.3.3 Situación de la Industria desde el Año 2000
En solo una década se había digitalizado la casi totalidad de las redes de conmutación y transmisión fijas y móviles (2G), con tecnologías SDH y DWDM desplegadas masivamente. La capacidad total de cables de FO transatlánticos excedía los 300 Gbps, con un alto porcentaje utilizado para el tráfico IP. En secciones de transmisión de larga distancia de baja capacidad comenzaba a utilizarse el trunking con H.323 y VoIP en los DPME (Digital Packet Multiplier Equipment), reemplazo de los DCME en TDM.
La telefonía fija alcanzaba 916 millones de líneas, con fuerte crecimiento en China y el grupo BRICS.
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La telefonía móvil llegaba a 700 millones de líneas, con un rápido crecimiento en el uso de mensajería SMS, algo imprevisto con las tecnologías de terminales móviles disponibles desde 1998.
Los servicios IN, WIN y CAMEL soportaban la mayoría de las prestaciones disponibles actualmente para redes fijas y móviles, teniendo los dos últimos grandes facilidades para crear nuevos servicios.
Las telecomunicaciones se desregulaban en múltiples mercados, con cientos de nuevos operadores y fuerte desarrollo del mercado mayorista (Wholesale). Una nueva clase de operadores (ITSP) utilizaba VoIP para larga distancia, con tráfico VoIP compartido con el tráfico Internet, por accesos fijos de los proveedores de banda ancha con cablemodems ó ADSL ó accesos dial-up a gateways VoIP.
Las redes de télex se desactivaban en todo el mundo, siendo reemplazadas por e-mail ó fax.
Los servicios de redes de datos MAN se diseñaban sobre la base de Ethernet, finalmente consolidado.
La Internet, habilitada para uso comercial desde 1994, era omnipresente y fortalecía el uso de IP contra el uso de ATM, planteado como sucesor de X.25 y Frame Relay a nivel de redes públicas y redes LAN. Las PC eran de uso común, con entornos gráficos, aplicaciones multimedia y accesos dial-up V.90 a la Internet, aunque comenzaba el despliegue masivo de accesos fijos de banda ancha ADSL, precedido por las tecnologías DOCSIS de cablemodems desde 1997, existiendo casi 16 millones de accesos.
Se definían las bases para redes móviles 3G, WiFi y enlaces multipunto inalámbricos (luego WiMAX), accesos FTTH ó FTTC con fibra óptica, entre otros. La burbuja de las empresas punto.com comenzaba a desinflarse, tras 5 años de crecimiento explosivo, y la masiva instalación de capacidad de transmisión por FO internacional mediante consorcios de operadores ó inversores encontraba un mercado con una oferta muy superior a la demanda, complicando el ROI de la inversión de capital.
La Figura 1.7 muestra el salto cuantitativo en líneas fijas y móviles de telefonía y accesos fijos y móviles de banda ancha, entre 1990 y el 2010, revelando el importante crecimiento en la segunda década. En la misma se afianzó la transformación de la industria de las telecomunicaciones y de los servicios en red, a la par de los cambios en prácticamente cada área de tecnologías para las fábricas, oficinas y el hogar, definiéndose nuevos nuevos conceptos sobre cómo trabajar, comunicarse, estudiar, desarrollar, comercializar y otras actividades.
Figura 1.7: Cambios en Accesos y Servicios en Redes Fijas y Móviles desde 1990 hasta el 2010 Además de la mensajería SMS, introducida sobre las redes GSM (2G) bajo conexiones TDM, con una posterior migración hacia IP y el desarrollo de MMS (multimedia), los servicios de redes sociales en la Internet tuvieron un crecimiento extraordinario desde el año 2006, con más de 1000 millones de usuarios y decenas de sitios. Estos servicios online revolucionaron la comunicación personal sobre grupos de conocidos reales y “virtuales”, además de crear el multicasting de información personal, lo que ha sustituido parte del tráfico de voz en redes fijas y móviles. Aunque la adopción por el segmento demográfico más joven alcanza cifras del 95% en USA, el fenómeno alcanza a todos los segmentos, que han aceptado con entusiasmo estos servicios. Desde mediados del 2012 se ha iniciado un ciclo negativo en el uso de servicios de redes sociales, al crecer la toma de conciencia de que la información personal publica es utilizada por terceras partes para fines diferentes
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a los que llevaron a la creación de tales sitios. El crecimiento de la base de usuarios de sitios populares se ha lentificado, a la vez que aparecen permanentemente nuevas propuestas, con atractivas innovaciones. La aceptación de los accesos de banda ancha móvil sobre terminales telefónicos se aceleró con la introducción del smartphone, y sus prestaciones no tardaron en ser brindadas por todos los fabricantes, estimulados con las capacidades de tecnologías 3G instaladas por los operadores y con el inicio de los servicios LTE, que proveen mayores velocidades. Las capacidades de los terminales móviles y los enlaces impulsan también los servicios de video por demanda, con abono y gratuitos, utilizados en el tránsito al lugar de trabajo ó estudio y el regreso y en áreas públicas. Hasta hace pocos años no visualizaba el elevado nivel de adopción actual. La Figura 1.7 se aplica a servicios de telefonía y accesos de banda ancha fija y móvil y mensajería SMS, integrando usos residenciales y corporativos. Se aprecia que el crecimiento de banda ancha móvil, inexistente en el año 2000, domina el escenario de datos en el 2010, y que el uso de IPv4 es casi excluyente. Desde el año 2000 se desarrollan nuevas arquitecturas de redes fijas y móviles basadas en IP para sustituir la telefonía TDM por VoIP y convergencias voz-datos y redes fijas y móviles. Las nuevas redes minimizan costos de explotación y ofrecen una gran flexibilidad para desarrollar y desplegar rápidamente nuevos servicios de tipo multimedia. Estas capacidades fueron ampliamente publicitadas con nuevos paradigmas como “todo-sobre-IP”.
1.4
Evolución de la Penetración de la Telefonía Fija desde 1975
La importancia de la telefonía fija en el desarrollo social, comercial e industrial de los países justifica conocer como se ha llegado a la instancia actual, a partir de una infraestructura de telecomunicaciones sin inteligencia y con fuerte dependencia del soporte activo de operadoras telefónicas para todas las llamadas de larga distancia. El índice de penetración de la telefonía (teledensidad) está directamente relacionado con el PBI per cápita de un país. Las redes de telefonía fija soportan el desarrollo económico y financiero de los países, a través la conectividad para voz y datos que requieren las actividades humanas. Importa conocer la evolución de las redes de diferentes países y regiones, ya que la telefonía es la mayor fuente de ingresos de los operadores de redes fijas y móviles, casi llegando al 65% del total. Con más de 230 países y protectorados, analizar el desarrollo de la telefonía en cada uno de ellos requiere mucha información y, como un número menor concentra la mayoría de las instalaciones, se presentarán datos globales y por regiones ó grupos económicos de países, con ejemplos de algunos países representativos. El actual nivel de desarrollo se inicia a fines de los años ’70 con la digitalización de la conmutación y la transmisión de los circuitos de voz, y la introducción del sistema de señalización SS7 para llamadas locales y de larga distancia y de servicios de valor agregado. El proceso global de digitalización tomó más de 20 años, con algunos sitios en países menos desarrollados que mantuvieron la telefonía analógica unos años más, y casos como Francia, que completaron sus redes digitales a principios de los años '90. La digitalización, inicialmente basada en el esquema de transmisión PDH, con canales de 64 Kbps y codecs de voz G.711 (Ley A ó Ley ), empleó centrales de abonados Clase 5 (AT&T), centrales de tránsito Clase 4, concentradores remotos con arquitecturas y conexiones propietarias (URA) y de centrales internacionales capaces de adaptar las variantes nacionales de CCS7 a un modelo internacional ITU-T. Los avances de la microelectrónica y el software de centrales permitieron versiones de equipos con capacidad creciente en hardware y software alcanzando, a fines de los años ‘90, la integración de todas las clases de centrales en una única arquitectura modular. La mayor central TDM fabricada soporta 1.000.000 de abonados, provee hasta 8 millones de BHCA (llamadas hora pico) y opera simultáneamente como central de tránsito (Clase 4) e internacional, con troncales PDH y SDH. Tal capacidad de abonados, BHCA y numerosas nuevas prestaciones fueron embebidas en softswitches VoIP de grandes fabricantes, a partir del año 2002. La digitalización masiva tuvo lugar en las centrales TDM y los enlaces internodales, sin modificarse el acceso de los abonados, que continuó siendo analógico, y sin incluir los terminales telefónicos, excepto en accesos de las PBX corporativas con enlaces PDH. Esta red es conocida como POTS (Plain Old Telephone System), a diferencia de las redes ISDN (Integrated Services Digital Networks), que incluye la digitalización del acceso del abonado y especificó diferentes terminales ISDN para voz y datos, con accesos 2B+D de 144 Kbps.
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La arquitectura ISDN, impulsada por la ITU-T y fabricantes alemanes y franceses, permite enlaces para datos de 64 Kbps (ó 128 Kbps), pero tuvo baja aceptación fuera de los países centrales de Europa. En otros países, tal como USA, se utilizó el esquema de transmisión y conmutación de ISDN para accesos conmutados de datos a 56 y 112 Kbps. ISDN se utiliza en centrales internacionales para obtener compatibilidad de origen. En el mundo operan más de 150.000 centrales TDM (abonados y tránsito) con diferentes capacidades, las que se interconectan con una compleja topología malla-estrella-árbol que utiliza, para acceder a algunos países, el tránsito por una central de tránsito internacional, y se conoce como PSTN (Public Switched Telephone System). En algunas publicaciones, para diferenciar centrales POTS, se emplea la denominación PSTN/ISDN. Las redes móviles típicamente utilizan centrales TDM basadas en las empleadas en la PSTN más CCS7 en su núcleo de red, con adaptaciones específicas para los protocolos de señalización de telefonía móvil, basados en CCS7 7. Una red móvil requiere múltiple centrales interconectadas en forma total, pudiendo llegar cada una de ellas a soportar hasta un millón de subscriptores y 4 a 8 millones de BHCA. A partir del año 2003, fabricantes de tecnologías basadas en softswitches conmutadores VoIP con capacidad similar a grandes centrales TDM, utilizando nuevas señalizaciones H.248, SIP y H.323 para conexiones internas y externas, además de CCS7. Aunque existen fuertes presiones para la adopción de softswitches VoIP, y las arquitecturas de núcleo IMS y EPC, la conmutación TDM es dominante en redes móviles. Estas utilizan el el acronismo PLMN (Public Local Mobile Network), para diferenciarse de redes fijas. Es discutible si existe un acronismo para identificar la red global de telefonía, que comprende actualmente casi 6.700 millones de números telefónicos interconectables, aunque podría denominarse PSTN/ISDN/PLMN, ó sencillamente PSTN.
1.4.1 Cambios en el Período 1975-2005 En tal período, las líneas de telefonía fija instaladas aumentaron un 500%, desde los 232 millones iniciales, pasando de una teledensidad global del 5.7% al 18.9%. La Tabla 1.8 resume los accesos de telefonía fija en 1975 y el año 2005, comparando los 15 países con más líneas instaladas en cada año con el resto. Han existido importantes cambios como la disolución de la URSS y la creación de nuevos países en Asia y África. Se observa el posicionamiento dominante de los países del G-7 entre 1975 y 2005 (Canadá se sumó en 1976). España supera a Canadá, en el puesto 15 por menos de 50.000 líneas. Las tablas conjugan todas las líneas PSTN, sean residenciales, comerciales, teléfonos públicos y variantes como party lines, ISDN, Centrex y otras. El avance los países en desarrollo es enorme, especialmente China (2.8 MM líneas en 1975), Brasil, Corea del Sur y México, Egipto, Turquía e Irán. No obstante, casi la mitad de la población mundial continúa relegada, por vivir en países con menor desarrollo socioeconómico. En 1975, casi 3/4 de la población disponía de menos de un teléfono cada 100 habitantes, mientras que en el 2005 la teledensidad creció casi 10 veces. La teledensidad (líneas/100 hab), como indicador nacional de la penetración de la telefonía en un país, con el total de líneas y de la población, no desagrega líneas residenciales de las comerciales, las que pueden llegar al 30% del total. Al carecer de datos precisos, los organismos internacionales utilizan el total de líneas junto con otros indicadores demográficos y de calidad de vida. Otro indicador utilizado al disponer de datos suficientes es la cantidad de hogares con teléfono, aunque es más difícil de relevar en algunos países. Los avances tecnológicos han provisto a la telefonía fija con numerosas innovaciones desde 1975, como ser:
Digitalización de la conmutación de circuitos, con centrales TDM-SPC (Stored Program Control) y concentradores remotos TDM con capacidad local de conmutación e interfaces propietarias ó V.5x.
Desarrollo de modems y radioenlaces digitales, la transmisión por fibra óptica terrestre y submarina, y su aplicación a la digitalización de la transmisión terrestre y satelital, con jerarquías PDH y luego SDH.
Introducción de las redes ISDN, aunque con un éxito moderado, centrado en países europeos.
Introducción de las Redes Inteligentes (IN) y servicios avanzados como la Portabilidad de Números, tarjetas de llamadas prepagas, números gratuitos, números premium, redes VPN, etc.
Avances en potencia y miniaturización de centrales TDM, llegando hasta 1.000.000 abonados, varios millones de BHCA y la operación indistinta como central de abonado (Clase 5) ó de tránsito (Clase 4).
Desarrollo de cientos de servicios de abonado en centrales Clase 5 (no IN), como ser multiconferencia, Centrex, desvío y bloqueo de llamadas, buzones de voz, identificador de llamada entrante, etc.
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Tabla 1.8: Crecimiento de la Telefonía Fija entre 1975 y el 2005 (15 primeros Países y resto) Otro factor de crecimiento en accesos fijos, en países desarrollados, ha sido por accesos de modems dial-up para Internet, aunque su uso es casi nulo actualmente. La tendencia se inicia con los primeros servicios online durante los ‘80, crece fuertemente desde 1995 por el uso para acceder a la Internet, y declina desde el 2004 por el reemplazo con accesos de banda ancha. Con la popularidad de Internet, se adoptó el uso de una segunda línea de TE fijo para el uso de modems dial-up, lo que llegó a ser el 12% del total de las líneas (Argentina, 2001) y hasta el 26% del parque residencial (USA, 2001), siendo dadas de baja posteriormente.
1.4.2 Situación Global al año 2010 La Figura 1.9 presenta la evolución de la telefonía fija entre 1975 y el 2010, comparando países del G-7 con 181 países restantes, en particular el bloque BRICS. En 1997, los países del G-7 acumulaban el 50% de las líneas fijas instaladas, pero el desarrollo económico global posibilitó que, en la siguiente década, cinco países (China, Brasil, México, India, Irán) instalaran el igual de líneas instaladas en el G-7 en 120 años.
Figura 1.9: Evolución de la Telefonía Fija y Líneas Fijas Instaladas al 2010 (G-7, BRICS y resto)
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Los cambios de los esquemas económicos, geopolíticos y comerciales se inician con la caída de la URSS, el estancamiento de Japón, la creación de la Unión Europea, el surgimiento de la China industrial y el impacto de la desregulación globalizada de la actividad económica. Se potencia la tercerización de industria y servicios en países en desarrollo, y se crean numerosos tratados de libre comercio bajo el paradigma de globalización, que no modificó el déficit estructural del desarrollo humano en los países menos industrializados, aún postergados. Se hace visible la declinación en el uso de accesos fijos, sustituidos en numerosos países desde el 2006. La menor inversión en redes fijas desde la crisis global a partir del 2007, obedece a diversas razones, como ser la saturación de la demanda de subscriptores con abono, la elección de accesos móviles por el menor costo en los países menos desarrollados, y por la migración de accesos fijos a telefonía móvil en países industrializados. Un indicador clave, la teledensidad, creció en forma constante hasta el 2005, cuando alcanzó un pico global del 20.6%. Desde entonces, ésta ha disminuido en forma constante, llegando al 19.5% en el año 2010. La caída real en la cantidad de líneas de TE fija instaladas y del tráfico que generan complica la gestión de los operadores incumbentes de redes fijas, las que tienen mayores costos operativos que en las redes móviles, por la mayor complejidad en la OA&M. Es innegable el efecto de costos de la relación, casi 10:1, de empleados por 100 líneas fijas, con respecto al staff requerido para la misma cantidad de líneas activas en redes móviles.
Tabla 1.10: Cambio Bianual en Líneas de Telefonía Fija de los 25 Primeros Países La Tabla 1.10 presenta la evolución de accesos fijos entre el 2001 y el 2010, para 25 países con más líneas de telefonía instaladas, los que comprenden el 87% del total mundial. Se muestran los veinticinco países más relevantes en el valor absoluto de líneas de telefonía fija, en millones, y el cambio porcentual del total de líneas fijas cada dos años, entre el 2002 y el 2010. Hasta el año 2006, la pérdida de líneas de acceso de telefonía puede vincularse con bajas de la segunda línea, utilizada para el acceso dial-up a la Internet, en la medida en que progresa la instalación de accesos de banda ancha. Entre el 2006 y el 2010, convergen diferentes factores como la sustitución de TE fija por TE móvil, una menor capacidad económica por la crisis financiera global a partir del año 2007, el pasaje a líneas VoIP en las
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redes de cable ó de operadores alternativos y otros factores como la sustitución de líneas empresariales por interconexiones de redes privadas y migración a VoIP corporativa, entre otros. Cualquiera sea el caso, el fenómeno de planicidad en las subscripciones en telefonía fija TDM y, según el país, la pérdida real de subscriptores es un fenómeno que se extiende crecientemente a todas las regiones. Los mayores costos y el fin del soporte a tecnologías TDM de conmutación y transmisión lleva a operadores en diferentes países, a migrar de una parte de su base telefónica POTS a tecnologías basadas en softswitches y VoIP, como paso previo a la migración a nueva infraestructura IMS/NGN, que no ha terminado de consolidarse. En estos casos, existen dos variantes: el reuso del acceso por par de cobre para el servicio VoIP y ADSL ó el recambio del plantel exterior basado en cobre por soluciones basadas en fibras ópticas, del tipo FTTx, con una mezcla de tecnologías FTTC y distribuidores de manzana con ADSL2+ ó directamente conexiones FTTH, con terminaciones ONU en las premisas de los abonados. Con este replanteo del acceso en redes de acceso fijas, los operadores cubren la prestación de servicios Triple Play, con IPTV y VoD.
1.4.3 Saturación de la Demanda de Accesos de Telefonía Fija Ya en el año 1990, los 19 países más industrializados utilizados como referencia tenían una penetración de la telefonía residencial que promediaba el 82% de los hogares, mientras que en el resto del mundo este valor era del 4,9%. Hacia el año 2000, en los 19 países de referencia se llegó a la saturación del mercado residencial de telefonía fija, con un promedio general del 104% de penetración residencial, y con países como USA, Canadá, Suiza y Dinamarca con índices superiores al 120%, en gran parte por el uso de una segunda línea para acceso dial-up a la Internet. Esto contrastaba con la penetración promedio de telefonía fija del del resto, que llegaba al 14.7% en el segmento residencial. Desde el 2001 en adelante, 18 de los 19 países de referencia (sin España) acumularon bajas de casi 78 millones de accesos fijos, con una penetración promedio actual del 78%, que es inferior a los índices de 1990. La adopción de la telefonía móvil como servicio telefónico equivalente ha sido un factor fundamental, complementado con el uso de VoIP de los casi 140 ITSP registrados. Este proceso fue en crecimiento desde el 2001, cuando la telefonía móvil residencial llegó al 105% per cápita y superó el promedio de teledensidad de la telefonía fija. En el resto de los países la penetración residencial de telefonía móvil en el 2001 era del 13.7%, aunque pasaría el 100% desde el 2007. La saturación de la demanda en los 19 países, que consumían el 56% del total mundial de líneas de telefonía fijas al año 2000 señalaba que el crecimiento de la telefonía fija TDM se daría en los países de Asia-Pacífico y Latinoamérica, excepto Japón y Corea del Sur, que habían llegado a la saturación en 1997. Era ya visible que el mercado interno de China acumularía casi el 50% de la demanda total de líneas en la década del 2000, con tecnologías de origen mixto, con fabricantes locales proveyendo una porción importante de nuevos accesos. La Tabla 1.31 muestra la evolución, en dos décadas, de la penetración de la telefonía fija residencial en los países con demanda insatisfecha, que se utilizaron para la comparación con los 19 países más industrializados. Es visible la desigualdad y la brecha digital, con este indicador, fuertemente vinculada a la riqueza interna, a la pobreza estructural y a la mayor cantidad de población rural de los países menos privilegiados. En el segmento con penetración superior al 40% está Argentina, con casi un 60% de hogares conectados y un conjunto de países con desarrollo comparable, como Rusia, Brasil, Israel, Ucrania, Polonia, Chile, Colombia y China, entre otros similares. En el segundo segmento están Ecuador, Egipto, Arabia Saudita, Panamá, etc. Los países y protectorados no contemplados, por tener una población inferior a los 2 millones de habitantes, tienen un comportamiento mixto, como el caso de Liechtenstein, Estonia, Groenlandia y Chipre, que superan el 65%, mientras que países como Lesoto, Botswana, Swazilandia y otros similares no superan el 5% al año 2010. La solución para la telefonía básica en los países menos desarrollados se implementó con el desarrollo de las redes móviles 2G, la telefonía satelital VSAT y mediante el uso de accesos inalámbricos multipunto terrestres. Dada la reducción del mercado para la telefonía fija, los fabricantes enfocaron el desarrollo de la conmutación TDM para telefonía móvil, que proveía 450 millones de accesos móviles al año 2000. Aunque era previsible un enorme crecimiento de redes y usuarios, el modo centralizado de la conmutación del tráfico de los BTS sobre centrales TDM (MSC) de alta capacidad, con soporte de hasta 1.000 BTS, más de un millón de abonados por central y más de 3 millones de BHCA hacía evidente que los requerimientos de centrales de conmutación no eran comparables a los demandados en redes fijas, con múltiples unidades por cada gran centro urbano. Si a esto se le agregan las previsiones de tecnologías de conmutación con capacidades muy superiores en los años posteriores al 2000, se hizo evidente para fabricantes y operadores un fin del ciclo de la conmutación TDM.
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Hacia el año 2000 se había saturado la capacidad instalada de redes de fibra óptica y SDH/DWDM terrestres en los países centrales, así como las instalaciones de cables de FO submarinos lo que, junto con la explosión de la burbuja especulativa en la Internet, produjo una crisis recesiva en la industria entre el 2002 y el 2003.
Tabla 1.31: Evolución de la Teledensidad y Cantidad de Países entre 1990 y el 2010 Los resultados, sumados a la crisis global a partir del 2007, condicionó el posicionamiento de los fabricantes históricos de sistemas de telecomunicaciones, con quiebras (Nortel), fusiones (Ericsson, Lucent, Siemens) y el gradual abandono de la fabricación de centrales de conmutación TDM. Siemens dejó de fabricar tecnologías EWSD para los EEUU en el año 2007, y otros fabricantes dieron por terminado el soporte a la fabricación de repuestos para centrales que promediaban un ciclo de vida de 20 años. Esta situación motivó iniciativas para un recambio de la infraestructura de conmutación y transmisión TDM como en los casos de NGN e IMS, y el modelo predecesor de tecnologías basadas en Softswitches, que ha sido la propuesta más aceptada por los operadores de redes fijas y móviles para el recambio generacional. Mientras tanto, la confiabilidad y robustez de las centrales de conmutación TDM, y la experiencia en su gestión, hacen que la gran mayoría del tráfico telefónico descanse en estas tecnologías y la señalización CCS7. Si bien los vendedores de nuevas tecnologías enfatizan ahora acerca de ganancias para los operadores por el menor OPEX de tecnologías Carrier VoIP, este argumento no es adoptado por los grandes operadores, por razones técnicas y económicas. La sustitución de TDM por VoIP continúa, a escala reducida, en pequeños operadores que aprovechan las ventajas que proveen los softswitches para reemplazar viejas centrales ó para brindar, en complemento con sus redes TDM, servicios de telefonía IP empresarial como es el caso de las PBX IP virtuales.
1.4.4 Desregulación y Competencia con Múltiples Operadores Fijos y Móviles en el 2012 La desregulación de los mercados y la casi extinción de los monopolios estatales, que se aceleró desde el año 1996, más la creciente disponibilidad de capital globalizado, cambiaron el escenario de los operadores y de sus interrelaciones en un corto período de tiempo. La aparición de múltiples nuevos operadores fijos y móviles, con cobertura nacional ó regional, dio lugar a contextos típicos de fuerte competencia por captar usuarios. Considerando el efecto de concentración del capital, la innovación como fuente para mayores ingresos de las empresas, sumado a ciclos tecnológicos impulsados por desarrolladores de tecnologías antes que por usuarios, en el año 2013 existe un posicionamiento de la industria de las TIC en la economía mundial como nunca antes. La industria de las telecomunicaciones tiene un impacto en la inversión de capital similar a las industrias de energía y marítimas, y supera a las industrias de minería, gas y petróleo y acero, y aporta casi un 3.5% del PBI mundial, desde índices de casi la mitad de los actuales solo 15 años atrás. La convicción de que las cifras de este mercado son sustentables proyecta un crecimiento de subscriptores de telefonía móvil con un CAGR del 4.2% para el período 2012-2017, luego de crecer con CAGR del 8.3% durante el período 2008-2012. La prestación de los servicios sobre redes fijas, desde la desregulación generalizada en mercados nacionales de todo el mundo, se basa en diferentes modelos de competencia, que van desde la separación geográfica de las áreas de servicio nacionales sin solapamiento de las redes de acceso; la creación del rol de operadores incumbentes (a cargo de las redes de acceso) pero que están obligados a ceder accesos y otros recursos a los operadores en competencia (unbundling,); nuevos operadores en competencia enfocados en el segmento de negocios de áreas metropolitanas, con sus propios tendidos metro de FO; operadores mayoristas de tráfico, con infraestructura propia de transmisión y conmutación y otras variantes.
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Sobreviven algunos monopolios estatales ó mixtos, con inversiones de grandes carriers y que también proveen servicios de telefonía móvil y las entidades cooperativas, con servicios a usuarios rurales ó bajo algún tipo de agrupación en particular. La Tabla 1.11 presenta un resumen del status de operadores fijos y móviles por región, con algunos países de muestra, el total de accesos y, el ARPU mensual promedio en accesos móviles.
Tabla 1.11: Operadores y Accesos de Redes Fijas y Móviles por Región El crecimiento explosivo de la telefonía móvil se debe, en gran parte, al esquema de servicios prepagos, sin un abono mensual. Tres de cada cuatro terminales móviles opera en esta modalidad, la cual es muy variable con la región, pues comprenden el 50% de los accesos en Europa y el 96% en África.
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En el caso de los servicios sobre redes móviles, es posible que la realidad no coincida con las perspectivas de crecimiento, pues si bien el total de accesos móviles ha llegado a casi 5.700 millones a fines del 2012, con una población mundial de casi 7.000 millones de personas, el crecimiento anual es a expensas de un ARPU cada vez menor, contabilizado en ingresos por accesos móviles registrados. Una explicación del fenómeno es la diferencia entre accesos móviles (medidos por módulos GSM-SIM) y subscriptores reales, que se estiman en 3.200 millones de individuos a fines del 2012, con casi 1.8 módulos SIM ó terminales por cada subscriptor. Esto indica que la penetración per cápita real de subscriptores de la telefonía móvil es del 45.7% del total de habitantes, frente al 81.4% que arroja el cálculo contabilizando solo los accesos móviles. Los datos reales indican que se está alcanzando la saturación natural del mercado de comunicaciones con los servicios que se prestan actualmente, incluido el puente hacia la Internet desde los accesos fijos y móviles. Tal situación, más la pérdida real de cerca de 90 millones de subscriptores de líneas de acceso para telefonía fija en la última década, la saturación de la demanda de banda ancha sobre accesos fijos (casi 520 millones) y la disminución del ARPU por acceso fijo, deja a los accesos móviles de voz y datos como motor de la industria. Este mercado, con un ARPS (subscriptor) complejo de calcular, ya que sirve a diferentes intereses del usuario con múltiples accesos (uso del terminal según las mejores tarifas ó el servicio de datos 3G ó LTE), también da señas de amesetamiento debido a una saturación no solo de demanda sino de la postura del usuario frente a los continuos cambios evolutivos en las tecnologías de terminales móviles comercializadas, lo cual causa una retracción de la adquisición de nuevos terminales, generalmente asociados con nuevos planes de negocios. La Tabla 1.11 revela que, a fines del año 2012, de 1.257 operadores de redes fijas y móviles que operan en 190 países. Se han excluido los VMNO y los operadores WiMAX, estos últimos operando en países del sudeste asiático, pero se registran los operadores incumbentes y en competencia. El ARPU es un referente indirecto del índice de pobreza del país, reflejando los bajos costos necesarios para servicios viables. Se presentan solo algunos países como referencia de la región, mientras que los restantes están sumarizados al final de cada región. Como referencia, se han agregado los accesos de telefonía fija, y los países resaltados tienen una cantidad superior a la media de operadores fijos ó móviles, que promedian 3 y 4 respectivamente. En los ejemplos se observa que algunos países mantienen el monopolio con un único operador incumbente, el cual puede ser estatal ó privado. En numerosos casos, el operador de redes fijas también administra una red de telefonía móvil en el país, aunque es generalizado el hecho de que en todos los países existe algún tipo de competencia, sea mediante empresas estatales ó una combinación de estas y operadores privados. En Asia, el mayor número de operadores móviles puede deberse a la competencia de las tecnologías GSM y CDMA, aunque también ocurre una elevada segmentación de licencias geográficas, como en los casos de la India, Pakistán, Rusia y otros casos similares. El cuadro debe complementarse con el ARPU promedio en cada clase de red, para tener una visión más integral del comportamiento del mercado mundial, en el cual proliferan alianzas de capitales locales, regionales e internacionales para establecer redes móviles en competencia. Los operadores en competencia, sin el rol de incumbentes como en las redes de telefonía fija, se han creado bajo diversos contextos, como ser: licencias por anchos de banda de RF 2G en licitaciones públicas, las que generalmente se han conducido para la existencia de al menos dos operadores; licencias de anchos de banda para servicios 3G y LTE, con igual criterio; licencias de bandas extendidas para servicios GSM y CDMA en nuevas bandas; asociaciones posteriores por retiros de licencias a los asignados originalmente; fusiones de operadores 2G existentes y la variante VMNO (Virtual Mobile Network Operator), que es un equivalente a la competencia en redes fijas por mecanismos de unbundling de las redes de acceso inalámbricas. La tabla no contabiliza los operadores de servicios WiMAX (IEEE 802.16e) ó variantes como WiBRO (Corea del Sur), si bien constituyen redes móviles con propiedades similares a las redes 3G ó LTE, más QoS para media. La multiplicidad de operadores en una misma región (LMNO) es uno de los factores de competitividad que ha estimulado la adquisición de líneas de acceso 2G y 3G adicionales por cada subscriptor, pero el proceso está llegando a una saturación de los mercados la que, sumada a la crisis económica global, no solo genera menos ARPU por terminal de acceso sino también bajas de líneas de acceso (conexiones), como en redes fijas. Las expectativas están centradas en el crecimiento del uso de redes 3G tipo HSPA ó redes LTE, aunque el capital requerido para el desarrollo de las mismas puede llevar a una nueva ola de fusiones y asociaciones. Luego de las expectativas del desarrollo de sistemas sobre IP, como los modelos MGC, NGN e IMS, la industria enfrenta una competencia a costos muy bajos ó nulos desde la Internet para telefonía VoIP y para servicios de video (TV, videoconferencias, VoD), dados por los ITSP (Internet Telephony Service Providers) y diferentes redes sociales y buscadores. Las propuestas de nuevas infraestructuras basada en IP no tienen aún
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el consenso esperado por parte de los operadores y fabricantes, lo que ha disminuido el impulso para finalizar standares para servicios avanzados, conectividad de redes NGN e IMS, terminales de usuarios, etc. El objetivo sustituir la infraestructura TDM de conmutación, transmisión y señalización sigue vigente y su recambio por algunas de las arquitecturas mencionadas es predecible a futuro, pues no existe más soporte de sistemas y repuestos para las redes de conmutación TDM. Como las tecnologías TDM son de alta calidad y durabilidad, el inicio de la migración masiva puede retrasarse varios años más, particularmente porque algunos fabricantes de sistemas basados en MGC proveen sistemas para sustituir partes internas de las centrales TDM, con diálogo protocolar directo con su procesador central. Aunque las interfaces TDM internas son propietarias, al menos dos de los grandes fabricantes han licenciado ó vendido el know-how requerido para crear subsistemas basados en IP, que se integran a las centrales TDM operativas, para reparaciones ó expansiones. Existe el problema de que las nuevas redes IP sean utilizadas solo para tránsito hacia los servicios de la Internet, sin que estos proveedores de servicios compartan las ganancias con los operadores de redes. Los proveedores de servicio colocan sus servidores de aplicaciones fuera de la infraestructura de telecomunicaciones y los operadores fijos y móviles tienen ingresos adicionales solo por cargos de exceso de tráfico IP, desde un umbral de 2 a 4 GB mensuales. Este es uno de los motivos por el cual prevalece el uso de la telefonía TDM, con una lenta migración hacia VoIP mediante softswitches, para el recambio de centrales TDM obsoletas, para las cuales los fabricantes han dejado de proveer repuestos y nuevos servicios. Si bien se continúa cautelosamente el desarrollo en IMS, luego de antecedentes de NGN como la red 21CN de British Telecom, que implicaba la migración completa a NGN antes del 2011, los planes están bajo revisión desde el 2008, por los diferentes inconvenientes ya mencionados. Se han emprendido múltiples proyectos para migrar las redes de acceso sobre FO (NGA), con ejemplos como USA, Francia, Reino Unido y Holanda.
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Evolución Económica de la Industria de las Telecomunicaciones
1.5.1 Prestaciones de Servicios Modernos de Telecomunicaciones Los desarrollos tecnológicos en las telecomunicaciones han mejorado la prestación de servicios hasta el estado actual, en el que un operador incumbente multiservicio, en un país industrializado, puede ofrecer prestaciones según la Tabla 1.12, en la mayor parte de (ó toda) su área de cobertura. El camino evolutivo no ha sido lineal, pues muchos desarrollos tuvieron un corto período de vida, ó solo fueron utilizados por un pequeño conjunto de operadores, hasta su reemplazo por nuevos modelos de servicios de voz y/o datos, con mayores capacidades y prestaciones. Si bien se consideran actualmente servicios legacy, y no figuran en la tabla resumen, la oferta de servicios de enlaces digitales TDM punto a punto Nx64 Kbps, E1/T1, E3/T3, telefonía Centrex, conectividad de sucursales mediante redes de datos X.25, Frame Relay ó ATM y otros productos de los '80s ó los '90s siguen disponibles. El segmento Servicios Avanzados refleja los resultados de la intensa actividad en el marketing de tecnologías y servicios sobre IP en los círculos de fabricantes, operadores y organismos de normalización, tema que ocupó una buena parte de la primera década del siglo XXI, al disminuir la adquisición de sistemas de conmutación de tipo TDM. Se generaron diferentes iniciativas para sustituir la infraestructura TDM por otra nueva basada en IP, que impulsaron por años los paradigmas "todo sobre IP", "convergencia voz-datos" y "convergencia fijo-móvil". Ha disminuido el impulso para una nueva infraestructura global basada en NGN e IMS, con convergencia de las redes fijas y móviles, todos los servicios basados en IP, integración de los servicios clásicos con aplicaciones de la Internet, y un vasto mercado de nuevos terminales convergentes (móviles y fijos), debido a las complejidades de las tecnologías involucradas, los grandes costos y factores negativos, percibidos durante el desarrollo de los standares y los subsistemas, lo que ha originado una retracción de los operadores a iniciar masivamente el proceso de sustitución de TDM por IP. La cantidad de elementos de la infraestructura TDM a sustituir en el mundo involucra cientos de miles de sistemas de conmutación, señalización de llamadas y transmisión TDM, sus OSS y, especialmente, los terminales de red para usuarios residenciales fijos.
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Tabla 1.12: Servicios de Comunicaciones Prestados por un Operador Moderno Un factor de peso es la rentabilidad de las inversiones (ROI), ya que los modelos sobre IP no han producido aplicaciones atractivas que hagan que los usuarios permanezcan dentro de las redes de los operadores para la mayoría de sus actividades de comunicaciones. Al contrario, existe una disminución por acceso en llamadas de voz, en aras de otros servicios prestados sobre la Internet, para la cual las redes de operadores fijos y móviles solo proveen conectividad entre el terminal de usuario de la red propia y el prestador de servicios, que reside fuera de la red de los operadores incumbentes, y recoge la mayor parte de los ingresos de la conexión. Se creen necesarios varios años más de maduración conceptual y tecnológica hasta especificar en detalle una arquitectura flexible para la nueva infraestructura de telecomunicaciones, así como modelos de negocios que concilien los intereses económicos de los operadores de redes de telecomunicaciones y los prestadores de los servicios de la Internet, que son los que desean los usuarios de las actuales redes.
1.5.2 Utilización de Redes e Ingresos en Servicios Fijos y Móviles Los ingresos totales de telefonía móvil han sido casi de 1 billón de U$S en el 2012, con un crecimiento anual del 4.2% CAGR desde el 2008, siendo el 61% del total de ingresos de los operadores de telecomunicaciones,
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que alcanzó 1.58 billones de U$S en el 2012. La proporción crece cada año sin cesar, aun cuando el 74% de los accesos móviles son prepagos, sin abono. En redes fijas, descontado ingresos por redes de datos para empresas, y el segmento mayorista, los servicios de telefonía y de accesos de banda ancha promedian 340 millardos de U$S, con un ARPU promedio mensual de 23 U$S por línea fija activa, comparable al ARPS de 25.9 U$S por subscriptor en las redes móviles. Los accesos ADSL y de FO representan casi un 70% del total, con el resto aportado por operadores de cable. Esto representa casi 400 millones de accesos de banda ancha fija, por los cuales fluye la mayoría del tráfico de la Internet, dado que el uso de redes 3G-LTE está en su fase inicial. El tráfico mensual por redes fijas supera la cifra de 20 Exabytes, y ha crecido casi un 100% respecto del 2011. Casi el 50% del tráfico se basa en video en la PC ó en el televisor, mientras que un 35% del tráfico mensual se origina en las redes P2P, utilizadas para el intercambio de archivos de video, audio, software, documentos, etc. El tráfico por servicios WEB conforma el 15% restante. Tomando la totalidad de los accesos de banda ancha, existe un tráfico promedio de 18.3 GBytes por acceso, el cual acumula el tráfico en el downlink y en el uplink. Descontando el tráfico del uplink, que tiene una mayoría de componentes P2P y casi un 20% de tráfico handshake por TV y servicios WEB, una estimación de primer orden arroja un tráfico en el downlink de 8.3 GBytes mensuales, lejos aún de cifras del tráfico móvil. Los valores son dispares según los países, ya que el uso de los accesos fijos de banda ancha en Europa, USA, Canadá, China, Japón, Corea del Sur y Australia son muy superiores a los del resto del mundo, favorecidos por velocidades de acceso de 8 a 14 Mbps, mientras que el promedio mundial es de 2.9 Mbps para el 2012. Tales cifras son muy superiores a las disponibles sobre redes 3G-LTE, que promedian 0.6 Mbps en el 2012. El tráfico telefónico sobre redes fijas se divide en local, larga distancia nacional e internacional. Históricamente, ha existido una proporción 90:9:1 en los valores de minutos de tráfico en cada segmento respectivo. El tráfico internacional en el 2012 ha sido de 280.000 millones de minutos que, asumiendo su origen solo en redes fijas promedia 19 minutos mensuales por acceso fijo. El ITSP Skype agrega un 33% más de tráfico internacional, utilizando la Internet, pero no puede desagregarse ya que puede originarse en cualquier terminal fijo ó móvil. Un acceso fijo promedia 230 minutos de tráfico nacional, que varía según accesos comerciales ó residenciales. En promedio, la línea comercial genera 450 minutos mensuales versus 100 minutos en líneas residenciales. A estos valores se agrega el tráfico local, que en promedio es 9 veces superior al tráfico nacional. En promedio, el tráfico global de telefonía sobre redes fijas supera los 29.8 billones de minutos mensuales, casi tres veces superior al tráfico telefónico sobre las redes móviles durante el 2012. El ARPU por acceso móvil promedia 14.1 U$S mensuales en el 2012, pero el ARPS es de 25.9 U$S, dada la relación de 1.84 accesos móviles activos por subscriptor en el año 2012. Ambos valores caen año tras año, ya que los nuevos subscriptores tienen menor poder adquisitivo que los primeros usuarios del servicio móvil. Las disparidades se mantienen según las regiones geográficas, tal como con la tabla del ARPU móvil mensual, que en África es la cuarta parte que en los EEUU. El tráfico global de voz, mensajería SMS y datos aumenta, pero existe una caída de los dos primeros servicios en la medida en que se activan cada vez más terminales con servicios 3G, que suplantan las comunicaciones no críticas de los dos primeros. Por ejemplo, en Gran Bretaña, un usuario con smartphone promedia casi 130 minutos por día en actividades online en el 2012, pero utiliza 12 minutos para voz GSM y 10 minutos en SMS. El resto del tiempo se emplea en emails, búsquedas WEB, redes sociales, VoIP, mensajería WEB y otros. En promedio, se han transmitido casi 7.5 billones de mensajes SMS en el 2012, con un CAGR del 28% desde el 2008. Esta cifra promedia la transmisión ó recepción de 101 mensajes por terminal móvil, contabilizando el spam generado por operadores ó empresas de comercialización de productos, respecto del promedio de 58 mensajes por terminal móvil en el año 2008. En los EEUU, el promedio ha sido de 678 mensajes por mes, y representan el 31% de los mensajes enviados en todo el mundo durante el 2012. Respecto de las llamadas de voz móvil, se han utilizado 124 minutos por mes a nivel global, cifra que crece a 615 minutos mensuales en los EEUU. Se mantiene una porción del 30% sobre los casi 9.5 billones de minutos telefónicos a nivel global. El crecimiento interanual de las llamadas móviles es casi la mitad del respectivo para SMS, promediando un 13% anual en los últimos 5 años, pero con uso promedio decreciente como en SMS. El uso de redes 3G-LTE con smartphones ha generado un tráfico móvil mensual de 400 Petabytes por mes en todo el mundo, sobre casi 760 millones de smartphones (13.7% del total de móviles). Esto representa un uso de 0.46 GBytes mensuales en el downlink de cada smartphone durante el año 2012, en comparación con unos 6 MBytes en otros terminales 3G. El crecimiento es enorme respecto del 2011, superando el 70% respecto del
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2011, y con la mitad del tráfico en la región Asia-Pacífico. El tráfico de video, con su elevado volumen, es el origen de casi 2/3 del tráfico total de datos en redes móviles.
1.5.3 Evolución de Ingresos por Servicios y Países En los últimos 20 años el esquema de ingresos de la industria de las telecomunicaciones ha sufrido cambios radicales, principalmente debido al crecimiento de la telefonía móvil, la sustitución de los ingresos dial-up para datos por accesos del tipo banda ancha en las redes fijas y la sustitución de líneas de acceso fijas por móviles. La Tabla 1.13 presenta la evolución global de los ingresos de los operadores de redes desde 1995 hasta el año 2012, omitiendo por sencillez los datos anuales entre 1996 y el 2005. Se observa que los ingresos totales casi se han triplicado, lo que se repite en los servicios de redes de datos y accesos de Internet, mientras que el caso de la telefonía móvil registra un crecimiento casi 7.600 veces en el período analizado. Los ingresos en redes fijas por servicios de voz y otras variantes han declinado en forma constante desde 1995, con una caída cercana al 40%. La Figura 1.14 muestra la evolución relativa del ingreso por servicios de telecomunicaciones a nivel global, con notables variaciones por país y por regiones económicas. La caída de ingresos por servicios de redes fijas es, en parte, por el creciente peso de la telefonía móvil, mientras que los ingresos relativos por servicios de para datos (redes, líneas privadas y accesos a Internet) son constantes.
Tabla 1.13: Evolución de los Ingresos Globales por Áreas de Servicio de Telecomunicaciones Los ingresos globales se han triplicado en 17 años, y la disminución en servicios de telefonía de redes fijas se compensa con nuevos ingresos por accesos de banda ancha y cargos por tráfico extra. Al incluir telefonía, datos y accesos a la Internet, la Tabla 1.13 muestra que la suma de los ingresos por servicios en redes fijas es casi constante, reemplazando ingresos por telefonía con la provisión de accesos fijos de banda ancha.
Figura 1.14: Evolución de Ingresos por Clase de Servicios
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Si se considerar que en 1990 los servicios sobre redes fijas de telefonía eran casi el 90% del total, el cambio en la composición del ingreso es notable, pues los montos por telefonía móvil y accesos a Internet eran casi nulos. El crecimiento de la industria ha sido afectado por dos crisis desde el año 2000: la explosión de la burbuja en la Internet y las sobreinversiones en redes fijas y en bandas de RF para redes móviles, con recesión en ingresos e inversiones entre el 2001 y el 2003 y la crisis financiera global del 2007, con fuerte efecto entre el 2008 y el 2009 y coletazos hasta la actualidad, pues la frágil recuperación posterior es inestable. Las consecuencias afectan las economías europeas, de USA, Japón, Corea del Sur y China, al caer la adquisición de bienes de consumo y capital en la mayoría de los países. La enorme economía china ha podido retrasar algunos efectos, solo hasta recientemente. La crisis afecta ventas de equipamiento y el tráfico sobre los nuevos servicios, aunque que las redes LTE (4G-) y nuevos smartphones generan crecimiento. Diferentes iniciativas sufrieron un freno en la década del 2000, como la adopción de NGN e IMS, planteadas para migrar la infraestructura de redes TDM a nuevas tecnologías sobre IP. Tal freno se ha ejercido sobre soluciones menos complejas como VoIP con el modelo Softswitch y soluciones del tipo Triple Play con redes parcialmente solapadas para IPTV, voz y datos. Las nuevas inversiones se están enfocando en la mejora de las redes de acceso fijo, utilizando FTTx y ofreciendo Triple Play y las capacidades de nuevas redes móviles basadas en LTE y EPC, sin cambios significativos en la conmutación de voz TDM El negocio global de las telecomunicaciones creció a una tasa cercana al 7% anual durante los años 90’, y ha recuperado el crecimiento a una tasa menor, cercana al 6% desde el 2009, impulsado por las tecnologías 3G y los servicios sobre los terminales smartphones, con LTE y HSPA factores de crecimiento en redes móviles. En el 2011, los mercados regionales de USA-Canadá, Europa y Asia-Pacífico (con Japón e India), han tenido ingresos similares cerca del 26%, con un 10% para Latinoamérica y un 7% en África, O. Medio y Asia Central. Unos 100 operadores multinacionales concentran el 90% del ingreso total, con USA-Canadá generando el 28% de los ingresos totales (20 grandes operadores), la región Asia-Pacífico (con Japón, China e India) acumulando un 32% de los ingresos (29 grandes operadores) y la Unión Europea, más Rusia, concentrando casi el 33% de los ingresos, con 31 grandes operadores. En síntesis, 79 grandes operadores de redes concentran el 93% del ingreso entre las 100 mayores empresas de telefonía fija, móvil y datos. Entre ellas, las pertenecientes a China y Japón concentran ingresos del 10%, cada una, sobre el mercado global de las telecomunicaciones. Los países del grupo G-7 aportan el 52% del total de los ingresos globales, porcentaje que decrece cada año y el bloque BRICS, con el 40% de la población mundial, aporta el 14% de los ingresos globales, impulsando la integración económica, y disponiendo de la capacidad para fabricar las tecnologías en cualquier rama de las telecomunicaciones, con independencia del G-7. Con índices de penetración de servicios aun bajos, BRICS provee la mayor parte del crecimiento en telefonía, Internet y redes de datos desde 1995. La Tabla 1.15 presenta los ingresos promedio para el año 2011, por país ó región, resaltando el grupo G-7.
Tabla 1.15: Ingresos Totales al año 2011, por País ó Región
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La Tabla 1.16 presenta algunos indicadores relevantes para comparación entre los países miembros de los grupos G-7 y BRICS, así como los totales para cada grupo. Mientras que en los países del G-7, la industria de las telecomunicaciones muestra síntomas de amesetamiento en el crecimiento, e incluso declinación en el uso de los servicios principales en redes fijas y móviles, en los países del grupo BRICS y otros similares persiste el crecimiento, particularmente en servicios de redes móviles y de accesos de banda ancha. Mercados gigantes como China, India y otros países de Asia guardan un enorme potencial de crecimiento, y se estima queen ellos residirá el crecimiento en la próxima década. Se observan amplias diferencias entre ambos grupos, especialmente en el aspecto económico, ya que el G-7 conjuga un PBI (2011) que es 2.4 veces superior al de los países BRICS. Con la gran diferencia en población, esto se traduce en un PBI per Cápita 10 veces superior, en promedio. El menor poder adquisitivo se refleja en los accesos prepagos a telefonía móvil, una menor penetración de banda ancha fija y móvil y la teledensidad en redes fijas, así el ARPU para redes fijas y móviles. No obstante, los países del BRICS tienen potencial para el crecimiento, el cual se ha lentificado que en los países del G-7.
Tabla 1.16: Indicadores de Telecomunicaciones en Países del G-7 y del BRICS
1.6
Segmentos Comerciales e Ingresos en Redes Fijas
1.6.1 Servicios Provistos e Ingresos por Telefonía La provisión de accesos de banda ancha sobre las líneas de acceso local (cobre) ha servido, desde 1999, para compensar la declinación de ingresos por menor uso de redes fijas en el segmento Residencial. Con cerca de Los servicios sobre redes fijas utilizan múltiples subsistemas heterogéneos para componer el portafolio de ofertas de un operador, y pueden proveer accesos e interconectividad local, nacional e internacional para voz y datos en subredes físicas ó virtuales a velocidades muy elevadas. Esta es una diferencia radical con los servicios sobre las redes móviles actuales, en los segmentos Residencial y de Negocios, que se basan exclusivamente en servicios de interconexión de terminales móviles sin proveer una infraestructura dedicada a cada cliente, con ofertas definibles por software en los sistemas de conmutación y de facturación. En un esquema de convergencia fijo-móvil, puede ocurrir que se integren servicios de redes privadas virtuales de ambas redes. Mientras tanto, los servicios para conectividad de voz y datos de sitios de clientes son exclusivos de las redes fijas, que administran anchos de banda de acceso impensables en redes móviles. Es usual dividir a los servicios de las redes fijas en las siguientes áreas, de utilidad para analizar sus ingresos:
Líneas de acceso y tráfico telefónico local (contiene los abonos del subscriptor)
Tráfico de Larga Distancia, Nacional e Internacional.
Servicios de Redes de Datos y Servicios de Líneas Privadas MAN y WAN, incluso internacionales.
Accesos de Banda Ancha a la Internet, basados en xDSL, circuitos TDM ó accesos Ethernet.
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Los ingresos sobre cada una de las áreas provienen de tres segmentos claramente diferenciados:
Segmento Residencial
Segmento de Negocios
Segmento Mayorista
La desregulación de los monopolios nacionales de telecomunicaciones, desde fines de los años '90, ha permitido nuevos operadores en competencia con los incumbentes, estimulado las operaciones en el segmento Mayorista, y la existencia de operadores con una infraestructura híbrida, entre propia y rentada. En cada caso, los operadores entrantes se enfocaron en el segmento Negocios de grandes centros urbanos, ya que el segmento Residencial requiere fuertes inversiones de capital para desplegar las redes de acceso. A partir de este enfoque, algunos de estos nuevos operadores operan en el segmento Residencial existente en el área de cobertura de su infraestructura de red, una vez consolidadas sus operaciones en el primer segmento. El segmento Mayorista se basa en empresas que contratan enormes volúmenes de tráfico de voz y datos, así como un variado número de servicios adicionales para redes fijas, móviles, de datos y de accesos broadband. Los servicios y facilidades contratados con los operadores incumbentes permiten ampliar las capacidades de los nuevos operadores a menores costos y crean la modalidad rebranding en los mercados donde es posible, para operadores virtuales, sin infraestructura propia ó con una mínima capacidad. Para los incumbentes, la existencia de operadores virtuales con rebranding amplía sus ingresos y penetración en mercados, aunque parezca existir una canibalización de sus ingresos directos, al rentar facilidades a la competencia a precios de descuento. Las caídas de ingresos se compensa en forma indirecta, pues los entrantes atienden mercados descuidados por los incumbentes como las PyMEs y SOHO, ó empresas que no operarían con un incumbente por otras razones. La dinámica y el marketing del negocio ha posibiliado que los nuevos operadores capturen hasta el 15 % de los mercados establecidos, generando ingresos indirectos para los incumbentes, sin que estos aumenten sus costos operacionales. El proceso mayorista impacta en el esquema de precios de los operadores de redes fijas y móviles, a la baja. Grandes empresas mayoristas operan como Brokers de Tráfico, interconectando cientos de carriers a los que proveen de terminación de tráfico en destinos de alto y bajo tráfico, a menor costo y en forma dinámica. Las fuertes reducciones de precios pueden desarrollar demandas inelásticas y menores ingresos globales. En el caso de llamadas de larga distancia sobre redes móviles, el roaming automático nacional e internacional en los países es una importante fuente de ingresos adicionales, si bien crea polémicas por los altos costos no visibles a-priori por los usuarios, que se reflejaran en elevadas e imprevistas facturas, y fuertes reclamos. Con variaciones por operador y región económica, las líneas de acceso del mercado Residencial promedian un 64% del total de las líneas locales de telefonía, mientras que el segmento Negocios promedia un consumo del 32% del total de líneas de accesos, quedando un promedio del 4% restante para el segmento Mayorista. Sobre la base instalada de accesos locales, los ingresos del tráfico telefónico de las redes fijas promedian un 54% para el mercado Residencial, un 35% para el segmento de Negocios y un 12% para el negocio Mayorista. En general, las líneas de acceso y la telefonía local aportan el 65% de los ingresos, mientras que la telefonía de larga distancia provee el 35% restante, en declinación. En mercados especiales, como China, los ingresos de telefonía local promedian actualmente un 59% y los ingresos del tráfico de larga distancia son del 41% del total, con la diferencia que la competencia a los operadores incumbentes es casi nula, mientras que en USA ó la UE, la competencia puede absorber un 45 a un 60% del total de ingresos por telefonía de larga distancia.
1.6.2 Accesos Fijos de Banda Ancha La provisión de accesos de banda ancha sobre las líneas de acceso local (cobre) ha servido, desde 1999, para compensar la declinación de ingresos por menor uso de redes fijas en el segmento Residencial. Con cerca de 500 millones de accesos de banda ancha fija a fines del 2011, los accesos xDSL conforman el 65% del total, los cablemodems un 21% (redes de cable) y los accesos por FO el 14% restante (provistos sobre redes fijas). Con un abono promedio de 30 U$S en el el 2011, esto representa casi 150 millardos de U$S contra ingresos inferiores a 3.5 millardos de U$S en el año 2000, con accesos típicos utilizando líneas dial-up adicionales y un ingreso menor solo por tráfico telefónico. Los accesos de banda ancha de operadores fijos representan un 9%
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de los ingresos globales, en el 2011, casi un 30% de los ingresos en redes fijas. Se componen de cargos por acceso físico a la red, conectividad y adicionales por exceso de tráfico mensual (GB). El video streaming online desde sitios como YouTube, NetFlix y otros representa entre un 20 y un 30% del valor pico de tráfico IP. Los operadores de redes fijas están enfocados en proveer conectividad a velocidades de 20 a 100 Mbps con nuevos accesos físicos basados en FO hacia el hogar (FTTH) y la prestación de servicios Triple Play, donde IPTV y VoD en formatos SD y HD para televisores con navegación WEB integrada es clave en la diferenciación con los servicios móviles, que ya proveen Triple Play utilizando la Internet y proveedores de servicios OTT. En el negocio de redes móviles, los ingresos por servicios 3G y 4G crecen fuertemente con la rápida adopción de los smartphones, tabletas y redes móviles de alta velocidad. En el 2012, Japón ha sido el primer país donde los ingresos por servicios de datos móviles y mensajería SMS han superado a los ingresos por voz, un 49% de ingresos por datos versus 41% de ingresos por voz. Se estima que, en el 2018, esto será generalizado. En el 2012, con más de 1.400 millones de smartphones y tabletas activas, el ARPU mensual por los servicios de voz promedia 22 U$S contra 11 U$S por servicios de Internet y SMS, teniendo los últimos el 33% de los ingresos por servicios de datos a nivel global en redes móviles, habiendo crecido desde casi el 10% en el año 2006. Los ingresos globales por servicios de banda ancha y mensajería se distribuían en casi un 60% en redes fijas, un 25% por banda ancha en redes móviles y un 15% por mensajería SMS, pero los ingresos por servicios de datos en redes móviles han crecido, hasta el 2011, un 25.4% anual (CAGR), SMS lo hizo a un 8.7% y, en forma notable, los ingresos por banda ancha en redes fijas crecieron a un 11.1% anual (CAGR). En el 2011, con ingresos por servicios de datos de banda ancha y SMS de casi 283 millardos de U$S, SMS se mantiene en el 14% del total, pero se han igualado los ingresos por banda ancha fija y móvil en el 43% del total. Los ingresos por datos en redes móviles superará al de redes fijas desde el 2012, en adelante Debe remarcarse que el total de ingresos por servicios de datos y banda ancha (2011), constituyen el 39% de los ingresos en redes fijas, es inelástico con la oferta y ha canibalizado ingresos por telefonía de accesos fijos utilizados para banda ancha.
1.6.3 Servicios de Transporte de Datos Empresariales en Redes Fijas El segmento de servicios sobre redes de datos públicas y líneas privadas (rentadas) operando en redes fijas es desigual en cada bloque regional, dependiendo del nivel de desarrollo del país. Se expresarán valores globales con ejemplos aislados de algunos países. Las propuestas de servicios se dividen en tres categorías:
Redes de datos históricas (X.25, Frame Relay, ATM).
Líneas privadas (renta desde 64 Kbps hasta 10 Gbps: STM-64).
Redes de datos modernas (Ethernet, VPN IP/MPLS)
Excluyendo los accesos de banda ancha, el total de ingresos por servicios de transporte de datos ha generado en el 2011 casi 55.000 millardos de U$S, con cerca del 90% originado por servicios en redes de datos como VPN IP/MPLS y Ethernet. En el año 2006 estos servicios representaban un 60% promedio del total de ingresos por transporte de datos, lo que muestra la rápida caída en el uso de las redes históricas como FR y ATM, con velocidades máximas de 45 y 622 Mbps, respectivamente. En contraste, las nuevas redes basadas en Ethernet e IP/MPLS pueden proveen, desde el 2003, accesos de 1 Gbps y, actualmente ofrecen masivamente accesos ó enlaces punto a punto de 10 Gbps, con tecnologías existentes para proveer Ethernet a 40 y 100 Gbps. Por razones de menores costos de capital y operativos, el uso de enlaces públicos Ethernet ó VPN IP/MPLS (L2 y L3) son preferidos a enlaces similares establecidos sobre líneas privadas, existiendo mayor flexibilidad para el usuario, e incluso mayor grado de conectividad que con líneas privadas. Ambas tecnologías tienen alta aceptación en el mercado de Asia-Pacífico (35% del total), por sobre el de USA y la UE, especialmente en China e India. Cuando son provistas por grandes operadores, por ejemplo con redes Carrier Ethernet, E-LINE y E-LAN, la opción del cliente de tercerizar la gestión del servicio es usual. La mayor parte de los nuevos servicios de datos, en particular Ethernet, es utilizada en el mercado minorista. El mercado mayorista es manejado por los grandes carriers para minimizar los costos del backhauling en redes móviles, debido a la proliferación incesante de sitios con antenas 3G y LTE. Una estimación básica computa al menos 2 millones de celdas, a nivel global, que deben ser interconectadas con el resto de las redes móviles, y este número crece sin cesar debido a la necesidad de expandir la cobertura de las redes móviles en todos los países. El uso de Ethernet, en reemplazo de enlaces TDM, soluciona problemas de costos sin pérdidas en la performance de las interconexiones, que utilizan 1GbE y 10 GbE. Los ingresos en este segmento crecen a un ritmo del 20% anual desde el año 2009.
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Uno de los inconvenientes actuales es la insatisfacción de la demanda de conexiones Ethernet por parte de los operadores incumbentes más importantes (Tier 1), lo que abre el mercado para operadores en competencia. La tecnología Ethernet se utiliza para enlaces punto a punto y punto-multipunto de la Capa 2 ISO-OSI, y también es esencial como tecnología de acceso y enlaces para el transporte de IP/MPLS. En las telecomunicaciones y en Internet, la utilización de Ethernet/MPLS/IP es un lugar común para interconectar los diferentes nodos, y ha reemplazado interconexiones históricas del tipo POS (Packet over SONET), por performance y costos. Debido a que los servicios Carrier Ethernet están limitados en su cobertura global, por indefiniciones en la NNI, los servicios de VPN IP/MPLS son preferidos, especialmente por su disponibilidad en el mercado asiático, si bien Ethernet provee mayor velocidad, aunque está limitada a la interconexión de un número reducido de sitios y su oferta se centra, mayoritariamente, en los países más industrializados. Los servicios de renta de líneas privadas se utilizan en los segmentos de Negocios y Mayorista, éste último para operadores en competencia y provisto por los propios carriers u operadores especializados. La oferta comprende una gran variedad de enlaces analógicos y digitales, siendo utilizados los primeros en el loop de abonados (unbundling). Los mismos cubre el ámbito local, de larga distancia nacional e internacional utilizando tecnologías PDH, como ser redes históricas E1/T1 Fraccional que proveen enlaces tipo clear channel desde 56 Kbps hasta 1.9 Mbps, enlaces PDH desde E1/T1 hasta E4/T3, y una variedad de velocidades sobre redes SONET/SDH y DWDM que llegan hasta OC-768/STM.64 (10 Gbps). En los países del grupo G-7, los ingresos por líneas rentadas vienen declinando sin pausa desde el año 2000, con un CAGR que supera el -7% para USA, UK y Canadá, donde un 60% de los ingresos provienen de líneas de larga distancia, a lo que se suma una caída en los precios de renta. En el caso del Reino Unido, el total de ingresos por servicios de datos ha crecido un 0.8% en entre el 2006 y el 2011, con casi 3.000 millardos de U$S (9% del total). Es evidente una sustitución de tecnologías, ya que para el segmento de líneas privadas, los ingresos cayeron un 65% y en servicios FR/ATM la caída supera el 78%, compensados por crecimiento de servicios IP VPN (+ 21%) y de Ethernet (+112%). En el segmento Negocios, los enlaces privados para las redes corporativas implican altos costos de capital y operativos, por la compra de equipos y el staff requerido para gestión de tales redes. Son aprovechados por grandes empresas multinacionales, con filiales en numerosos países y redes multimedia que une las subredes en cada uno de ellos. Las ventajas al utilizar líneas privadas es que puede construir sus redes de voz y datos con tecnologías y métodos OA&M uniformes, creando sus propias VPN de voz y datos, sin los problemas de la NNI (Network to Network Interface) de ATM, Frame Relay ó MPLS ó la carencia de NNI en redes Ethernet. La renta de enlaces de corta y larga distancia a otros operadores es una importante porción del negocio, y es utilizada para suplir necesidades propias de cada red, ó para proveer conexiones multisegmento para clientes cuyos enlaces cruzan múltiples redes. Según el caso, las relaciones costos/beneficios de las rentas cambian en el tiempo, llegando ser beneficioso que cada operador despliegue enlaces propios, por razones estratégicas, lo que es típico para enlaces domésticos, pero menos común para enlaces internacionales. El uso de redes de datos públicas para áreas metropolitanas y de larga distancia ha crecido con un CAGR del 2% (USA, Canadá) en la última década, aunque existe una fuerte competencia con nuevos operadores en los servicios de interconexión Ethernet y VPN IP/MPLS MAN, que llegan a obtener casi un 32% de los ingresos.
1.6.4 Inversiones de Capital en las Telecomunicaciones La inversión global de capital en redes de telecomunicaciones ha promediado, desde los '90, entre 15 y el 20% de los ingresos globales, y es dependiente de la innovación tecnológica aplicada a las redes fijas y móviles. Desde una base de 150 millardos de U$S en 1995, creció a un 15% (CAGR) hasta 1998, pasando a cifras del 20 y 25% anual en 1999 y el 2000, alcanzando entonces cerca de 280 millardos de U$S, hasta que la burbuja especulativa en telecomunicaciones explotó y las inversiones cayeron fuertemente hasta el año 2003, cuando llegaron a un piso de 150 millardos de U$S, que representó una caída del 46% desde su máximo. Entre el 2004 y el 2008, impulsadas por las redes móviles, las inversiones volvieron a crecer a un 14% CAGR y alcanzaron el valor nominal del año 2000, hasta que la crisis financiera global impactó fuertemente, con caídas del 5% en el 2009 y una lenta recuperación al 8% anual CAGR entre los años 2010 y 2012. Se estima que las inversiones de capital crecerán con un CAGR del 4.7% entre el 2013 y el 2017.
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Si bien las áreas de inversión de capital se analizan estratégicamente, al menos en un período de cinco años, en particular para grandes inversiones de infraestructura que involucran nodos, enlaces, cables de FO de larga distancia y obras civiles urbanas, la sobreestimación del mercado en el año 2000 creó un exceso de capacidad en redes de transmisión ópticas, redes inalámbricas e infraestructura para tráfico de servicios de la Internet. El impacto de la primer crisis afectó largamente a la industria, al tiempo que se desarrollaban propuestas para el recambio de las infraestructuras TDM de redes fijas y móviles por arquitecturas NGN e IMS y redes UMTS. La segunda crisis, desde el 2007-2008, produjo un replanteo de estrategias sobre NGN, IMS, 3G e Internet, lo que llevó a orientar inversiones para expandir accesos HSPA y LTE en redes móviles, accesos fijos tipo FTTx
(accesos NGA), servicios de video en redes fijas y móviles y a replanteos sobre la modernización de la infraestructura con base en IP de las redes fijas y móviles, según las propuestas de NGN e IMS. Las inversiones de capital en el año 2012 se han orientado básicamente a la expansión de las redes móviles y los servicios 2G, 3G y LTE, con incrementos en CAPEX del 12% respecto del 2011, mientras que se redujeron las inversiones en tecnologías TDM y ópticas. Se estima que las inversiones se centrarán en migrar de redes 3G hacia hacia LTE en los próximos años, impulsadas por la creciente potencia de los smartphones y similares. Por el momento, la capacidad global instalada en redes de transmisión y de conmutación de voz y de paquetes supera a la demanda, debido a los enormes saltos en capacidad al pasar de una generación a otra. Las redes fijas actuales, exceptuando las inversiones en accesos NGA (FTTx), pueden asimilar todo el tráfico de voz, de datos y video que los usuarios necesitan, particularmente en los países desarrollados. En los mismos existe una incipiente retracción del uso de servicios multimedia, que es mayor aún en servicios de voz. Es posible que los excesos en la promoción y el uso de las nuevas tecnologías y servicios, con los costos y el tiempo que insumen, produzcan una retracción en un segmento de consumidores que no está dispuesto a acoplarse a los breves ciclos de renovación de servicios y terminales, y esté dispuesto a esperar más tiempo que el estimado en los planes de negocios de los operadores, los fabricantes y los proveedores de servicios actuales y nuevos.
1.6.5 Referencias del Negocio Económico de la Internet Aunque la Internet se trata fuera del negocio de las telecomunicaciones tradicionales, su importancia merece una breve reseña sobre el negocio y los ingresos que genera. Para los operadores fijos y móviles, la Internet provee ingresos por accesos y transporte de datos entre terminales de usuarios en sus redes y los prestadores de servicios conectados a la Internet. A este ingreso fijo se suman tasas adicionales por unidad de datos (típico 1 Gbyte adicional) consumida en exceso al umbral mensual de datos (entre 4 y 10 Gbytes). Tomando como referencia el año 2008, y excluyendo inversiones en terminales de usuario (PC, NB, TE Móvil, etc.), los ingresos globales por servicios en la Internet ha representado un total de 1.29 billones de U$S, con un 73% originado en servicios de e-Commerce minoristas (B2C) y mayoristas (B2B). El 27% restante se reparte en ingresos por publicidad, servicios online con abonos e ingresos por derechos de contenido. Ha existido un gran crecimiento sobre los ingresos totales de casi 4 millardos de U$S en 1998, en el inicio de la Internet. Los servicios existentes sobre la Internet, bajo la forma Cliente-Proveedor, se organizaron en dos modalidades:
B2C (Business to Consumer): Del Proveedor al Cliente individual, el modo más conocido, y que suma el 25% del total de los ingresos.
B2B (Business to Business): De un Proveedor a una Empresa, es el modo con mayor nivel de ingresos, ya que acumula el 75% del total de ingresos al año 2008.
El análisis desagregado de los ingresos totales requiere interpretar cada actividades de negocios en la Internet y su impacto en los mercados residenciales y empresariales, lo que está fuera del alcance de este punto. La Internet provee un importante porcentaje de los ingresos en los servicios de redes de telecomunicaciones fijas y móviles, por la provisión de conectividad y, eventualmente, transporte de tráfico IP. El mismo llega al 39% de los ingresos en redes fijas en el 2011, porcentaje que crece permanentemente, y está cerca de ser la mitad de los ingresos en redes móviles a nivel global, desde el 33% actual.
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1.7
Evolución del Tráfico y su Transporte de Larga Distancia
La conectividad global y la capacidad de transmisión de información actual es la base de la red global de alta velocidad, la cual soporta los servicios de la sociedad de la información que se vive en el año 2013. Esta conectividad, que hoy se da por sentada, se basa en tecnologías críticas como la fibra óptica monomodo, el amplificador óptico EDFA, la transmisión por multiplexación de longitud de onda DWDM y los anillos de FO con autorecuperación instantánea. Con ellas ha sido posible multiplicar, con alta confiabilidad, cerca de 1.000 veces el ancho de banda internacional disponible a principios de los años '90. El siguiente cuadro tiene algunos ejemplos de cables intercontinentales desde 1988. La transición de enlaces satelitales a enlaces sobre cables submarinos y terrestres de FO de alta capacidad se aceleró con SDH, y la introducción de EDFA y DWDM a mitad de los años '90, luego de utilizar sistemas PDH de hasta 565 Mbps desde 1988. A fines del 2005 existía una gran disponibilidad de ancho de banda, con casi 6 millones de circuitos internacionales de 64 Kbps y 16.000 enlaces vía satélite. Hacia el 2010, las cifras eran de 34.8 millones de circuitos internacionales de 64 Kbps y menos de 4.000 enlaces satelitales de 64 Kbps. En el pico de la fiebre por la Internet, entre 1997 y 2002, las previsiones de un crecimiento extraordinario del ancho de banda internacional impulsaron numerosos proyectos internacionales privados ó de consorcios de operadores de los países interconectados, creando una base global interconectada de cables de FO con una capacidad superior a la requerida, hasta que la crisis del 2001 produjo un período recesivo en la industria de las telecomunicaciones hasta el 2003, en particular en el segmento de tecnologías ópticas. Una nueva ola de inversiones en cables de corta, media y larga distancia aumentó el dimensionamiento de las redes físicas, con nuevas tecnologías DWDM, transceptores laser y otras. El exceso de capacidad se aplica al tráfico de datos y al de voz, por lo que solo una parte de las instalaciones estén activadas actualmente.
Tabla 1.17: Ejemplos del Crecimiento de Capacidad en Cables Submarinos de FO Con la abundancia de ancho de banda, se produjo una caída de precios en llamadas internacionales, el costo de unidades en Gbps para el tráfico de datos y el costo unitario de circuitos rentados para uso privado, que han decrecido sin cesar. Un proceso de quiebras y fusiones condujo al esquema actual, con varios carriers globales que controlan la mayor parte del ancho de banda internacional y los costos (ver Tabla 1.17). Nuevas tecnologías y el fin de ciclos de vida útil de las instalaciones dan lugar a nuevos proyectos de alta capacidad y larga distancia para la sustitución de la base instalada en los 90. Avances en tecnologías de FO permiten transmisiones de alta capacidad sin necesidad de regeneración por miles de Km, a la par que pueden modularse longitudes de onda ópticas a 25 y 40 Gbps por cada . Existen proyectos, a ser habilitados en el
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2014 ó 2015, con capacidades de entre 10 y 70 Tbps, con longitudes superiores a 15.000 Km, que cubren el globo por nuevas rutas, por el Ártico, el Atlántico Sur y otras conocidas (ROTACS, Artic Fibre, WASACE, etc.). Con casi 1 millón de Km de cables de FO submarina instalada desde 1990 en el mundo (> 60MM Km de FO), la capacidad instalada crece sin pausa. En el caso de la capacidad trans-oceánica en el Atlántico, llegó a unos 5 Tbps en los año '90, se agregaron casi 18 Tbps en la década del 2000 y, en antes del 20145 solo tres cables de FO submarina agregarán 100 Tbps. En el caso cables trans-pacífico, las cifras son de 2.7, 15 y 24 Tbps en las mismas décadas, con el cable ROTACS aportando 60 Tbps interoceánicos desde el 2014, uniendo todo el bloque euroasiático entre Londres y Tokio, con múltiples accesos intermedios, con un tendido entre el Océano Ártico y Eurasia, abarcando el mar de Barents, Laptev, Siberiano Este, Chuckchi y Bearings. Hacia el 2015, los continentes del Hemisferio Norte serán unidos por un anillo de transmisión de 30 a 100 Tbps, siendo el backbone de USA el conector entre los diferentes cables. Se predice que el tráfico internacional de datos tendrá un crecimiento de dos dígitos en los próximos años, por el tráfico de video en tiempo real, el uso de datos en terminales 3G-LTE, y se nuevas aplicaciones sin pausa, para impulsar el uso de la multimedia en terminales móviles tipo smartphones, tabletas y notebooks, que manejan hasta 8 veces más tráfico de datos. El tráfico telefónico internacional se ha duplicado cada 5 años entre 1995 y 2005, desde casi 60.000 millones de minutos, en gran parte por la creciente disminución del costo del minuto telefónico. Desde el año 2005 su crecimiento ha comenzado a declinar, acumulando solo un 30% entre 1995 y el 2012. El factor más importante es el bypass de las redes fijas por carriers VoIP que utilizan la Internet, a los que se agrega Skype, que es un operador con un modelo de negocios Peer-to-Peer basado en la Internet y en terminaciones sobre la PSTN. Las mismas totalizan casi un tercio del tráfico internacional 2012. La versatilidad de Skype, con sus bajos costos, ofertas de videoconferencia y mensajería, sumada a una base de cientos de millones de subscriptores afecta hasta el tráfico urbano y de larga distancia nacional, aunque no existen datos firmes sobre este tema. Mientras que el tráfico internacional se duplicó en el período 1995-2005, el costo del minuto se redujo un 75%, llegando al 85% en el año 2012. Un minuto de llamada saliente de los EEUU costaba en promedio 0.49 U$S en el año 2000, y cayó hasta 0.07 U$S en el 2010. En los EEUU, entre el 2005 y el 2010, el ingreso promedio por llamadas salientes declinó un 49%, con una caída de ingresos de hasta el 63% hacia países asiáticos, aunque existió un aumento de ingresos del 17% en llamadas hacia África. Con mayores ó menores variaciones por país, según la desregulación y la cantidad de competidores, la declinación en los ingresos por el tráfico de larga distancia sobre redes fijas es constante, con menos minutos facturables por el impacto de carriers VoIP. En promedio, el tráfico internacional de voz representa un 20% del tráfico total de larga distancia hacia el 2010, porcentaje que se ha incrementado desde 1995, por la caída en los precios para llamadas nacionales en la mayoría de los países. Por este motivo, los abonos de subscriptores de redes fijas son una importante porción del valor de una factura promedio, debido a varios factores como el menor uso de las redes fijas, la caída en el costo de una llamada local ó de larga distancia y factores específicos de cada país. Aunque tienen un peso menor en el mercado nacional, el otorgamiento de licencias a los operadores de redes de cable para telefonía, de tipo TDM en los años '90, y luego con telefonía VoIP sobre DOCSIS, estos tienen la ventaja de una importante cobertura residencial (casas pasadas por instalaciones de cable). Con operaciones protegidas para la prestación de TV en algunos mercados, son pioneros en ofrecer servicios Triple Play, con un bundling para servicios de voz, datos y video. En algunos países, representan una fuerte competencia.
1.7.1 Tráfico Internacional de Voz y Enrutamientos El fuerte crecimiento del tráfico internacional de voz y datos es mayoritariamente soportado por cables de FO submarinos regionales e intercontinentales. A esta capacidad de transporte se suman numerosas instalaciones terrestres de cables de FO para la interconexión fronteriza de países y, en algunos casos como en China, para suplir estratégicamente instalaciones submarinas de larga distancia internacional, que pueden ser vulnerables. 9
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El tráfico internacional de voz creció de 4x10 minutos anuales en 1975 a 65x10 minutos en 1995, creciendo a 9 un 16% anual sostenido hasta el año 2005, cuando alcanzó los 264x10 minutos anuales, para desacelerar con 9 un CAGR del 5.7%, hasta 460x10 minutos en el año 2012. Parte del crecimiento en los últimos 15 años está originado en la disminución del costo del minuto de tráfico por competencia de precios entre carriers, la mayor cantidad de terminales telefónicos, la abundancia de ancho de banda internacional y el uso de las tecnologías VoIP de los ITSP como Skype, que hoy son casi un 30% del total del tráfico, y por medios alternativos a la voz. Hasta el año 2005, los EEUU administraban hasta el 37% del total de minutos de tráfico internacional saliente, en USA, en el destino ó por tránsito. El total comenzó a declinar hasta llegar a un 19.6% del total mundial de
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minutos salientes en el 2012. El crecimiento del tráfico internacional originado en otros países aumentó desde un 73% en el 2005 hasta un 80.4% en el 2012, principalmente originado en la zona Asia-Pacífico. En Europa, casi el 75% del tráfico internacional se inicia y termina en países de la Unión Europea, mientras que el tráfico entre América del Norte y Europa es de casi el 12% del total, tanto entrante ó saliente. En los EEUU, casi el 50% de las llamadas salientes se acumulan en tres países: India (25.5%), México (13.1%) y Canadá (12.9%). El 65% del tráfico entrante a los EEUU proviene de Canadá, Reino Unido, México, Alemania e India, en orden decreciente. El tráfico de los EEUU con América Central y Canadá es del 30%, y sube al 35% con Asia-Pacífico los que, junto con Europa, conforman el 85% del tráfico saliente. El tráfico hacia África es del 3.8%, mientras que el tráfico hacia América del Sur es del 8%. Los porcentajes expresan una disminución del rol de USA como hub mundial del tráfico en la última década, impulsado por el desarrollo de redes regionales de transmisión y la disminución de costos del tráfico entre países contiguos, debido a la creciente capacidad de las redes de transmisión por cables submarinos y terrestres de F.Optica. Con un promedio de 5 minutos por llamada internacional, casi constante durante la última década, en el 2012 el tráfico internacional de telefonía es cercano a 85.000 millones de llamadas anuales, que es cursado por las FO terrestres y submarinas instaladas. Por ejemplo, el tráfico saliente de USA hacia la región Asia-Pacífico en el 2012 fue del 35%, equivalente a unos 6.500 millones de llamadas anuales. Con tales datos se puede aproximar una cifra de primer orden, mediante el cálculo con Erlangs B, un factor de hora ocupada del 10% y un Grado de Servicio del 1% (probabilidad de bloqueo de una llamada). Si la transmisión se realiza utilizando SDH y DWDM, con un flujo STM-64 por , se necesitan asignar 2 x STM-64 a esta ruta en particular, ó casi 250.000 circuitos de 64 Kbps para satisfacer las necesidades de tráfico saliente. Si se desea aumentar la calidad de servicio, con la disminución de la probabilidad de bloqueo de una llamada al 0.1%, se requerirían casi 312.000 circuitos, que equivale a agregar 2 x STM-16 a los 2 x STM-64 utilizados previamente. Traducido en ancho de banda medido en Gbps, el tráfico telefónico saliente 2012 USA a la región Asia-Pacífico requiere un mínimo de 20 Gbps (GOS 1%) ó de 25 Gbps (GOS 0.1%). Con las capacidades instaladas que acumulan más de 10.000 Gbps, en esquemas de cable de FO organizados en múltiplos de STM-64 por cada DWDM, se aprecia que existe un exceso de capacidad potencial, por lo que numerosos sistemas de cable se utilizan inicialmente al 15 ó 20% de su capacidad final proyectada. En la actualidad, existen más de 260 cables submarinos internacionales de corta, media y larga distancia. Los mismos tienen capacidad escalable de 80 a 10.000 Gbps en distancias de 300 hasta 24.000 Km, interconectan múltiples POI en su tendido y crean la infraestructura de transmisión para la conectividad moderna. Sin tales capacidades, a veces soslayadas, se dependería de redes satelitales y de transmisión inalámbrica terrestre, con escaso anchos de banda, baja calidad por eco y cobertura y vulnerabilidad por diversas clases de fallas. Por la naturaleza actual de los negocios financieros, comerciales, industriales y el flujo logístico de bienes de uso, centrada actualmente en el Hemisferio Norte, el corredor que une Europa, América del Norte y países de Asia-Pacífico como Japón, China y Corea del Sur transporta la mayoría del tráfico de voz y datos internacional. Este corredor, que transporta casi 4 Tbps de tráfico, se complementa con ramas hacia el Hemisferio Sur de menor capacidad, existiendo una relación regional entre las áreas de influencia de los países del Hemisferio Norte con el resto del Sur, y dicta una topología natural de trazado de los cables de FO submarina. Los EEUU operan como unl importante hub del tráfico internacional, tanto para llamadas de voz como para el tráfico de datos, sea Internet ó para comunicaciones corporativas. En el caso de la Internet, los bajos costos de soporte de sitios WEB debido a la gigantesca infraestructura de los datacenters de los EEUU, hacen de este país una necesidad insoslayable en las comunicaciones de datos de la actualidad. Si bien Europa y varios países de Asia-Pacífico pueden aportar capacidades similares dado el grado actual de conectividad, el rol de los EEUU es central para la mayoría de las sesiones de datos sobre la Internet. En la última década, y solo para el tráfico IP, se han desarrollado centros regionales distribuidos para evitar un nivel de congestión elevado en USA, los cuales están basados en redes CDN (Content Delivery Networks) de alta capacidad que, en algunos casos, tienen presencia en más de 100 países con sincronismo simultáneo del contenido, actualizado desde los EEUU. Esta actividad es transparente para el usuario de datos, pero es uno de los factores más importantes del aumento de la performance del backbone IP mundial, además de la alta capacidad de transmisión de la base instalada de cables submarinos.
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Para la terminación del tráfico de voz, los EEUU tienen el mayor grado de conectividad existente en el mundo, alcanzando todos los destinos posibles que surgen del discado telefónico internacional, y es un país de tránsito obligado para equiparar la conectividad del resto de los países. Europa aporta, en un segundo orden, tránsito hacia países de Asia y África. Un operador de telefonía fija ó móvil de un país como Argentina se vale de tales capacidades para la terminación de interconexiones con destinos de bajo tráfico, si bien tiene rutas directas, en las que utiliza trunking DCME ó DPME, con una veintena de países de mayor tráfico. El diseño de las tablas de enrutamiento de las centrales de conmutación telefónica de todos los operadores es dependiente de criterios de costo por tránsito y terminación, los cuales se actualizan permanentemente por la competencia de operadores básicos y mayoristas de tráfico. Es típico que existan divisiones con staff dedicado full-time al análisis de acuerdos bilaterales de intercambio de tráfico, y que crean los planes de negocios para promociones de llamadas por destinos, franjas horarias, origen de las llamadas, etc. Tales promociones se trasladan inmediatamente a las tablas de enrutamiento de llamadas y, si se dispone de tecnologías avanzadas, con OSS/BSS (Operational Support System/Business Support System) integrales, es posiblepprovisionar las redes desde posiciones en los escritorios de tales divisiones de tráfico. Con tales tecnologías, es posible instalar en las tablas de enrutamiento prioridades, numerosas exclusiones y filtros de llamadas por origen ó destino, y otros parámetros tales como días y horarios de aplicación de cada diseño del producto comercial para conectividad local ó de larga distancia en llamadas de voz, ó capacidades de mensajería y volumen de datos por navegación y servicios online en sesiones de datos.
1.7.2 Tráfico Internacional de Datos sobre IP Las cifras de tráfico IP son enormes, pero continuarán creciendo debido a las premisas de uso que se afianzan, luego de 15 años de evolución de la Internet. En la industria IT, cada generación tecnológica ha presentado la paradoja de que una capacidad increíble se transforma luego en insuficiente. Se comprueba con discos rígidos, RAM, MPixels, poder de cómputo ó cualquier parámetro de referencia. Como ejemplo del aumento del tráfico de datos, una proyección de la industria indica que pocos cientos de miles de hogares generan 1 TByte/mes de datos en el 2010, pero la cifra pasará a 6 millones de hogares en el 2015. 18
Se estima que el tráfico global IP es de 20.4 exabytes por mes en el 2012 (1 exabyte = 10 bytes), y será del doble para el año 2015. Para el 2011, la proporción de tráfico no solapado entre diferentes regiones del mundo ha llegado a 11.6 Tbps (terabits/seg), de los que el 90% pasa por los EEUU, que opera como un hub mundial de tráfico. Este tráfico, que es la suma de los sentidos uplink y downlink, se reparte casi por igual con Europa (50%) y Asia-Pacífico y América Latina. El tráfico directo entre Europa y Asia-Pacífico (China, Japón, etc.) es casi el 10% del total, mientras que el tráfico Europa-África está en el orden de 400 Gbps y cae 10 veces entre África y Asia-Pacífico. El tráfico entre África y los EEUU ó entre Europa y Latinoamérica no supera 10 Gbps. Generalmente, el tráfico IP es transportado en flujos SDH utilizando unidades STM-64 (10 Gbps) y, en algunos casos, STM-256 (40 Gbps). La transmisión de IP sin utilizar SDH abre el camino a redes Carrier Ethernet y del tipo OTN (Optical Transport Network), que se diseñan con capacidades iniciales de 40 y 100 Gbps por . Tales temas se tratan en capítulos específicos, donde se analizan pros y contras de las tecnologías de transmisión. Las razones de fondo de estas cifras deben contemplar aspectos geopolíticos, culturales y económicos, ya que la dependencia de África respectos de Europa es histórica por razones de idiomas, colonización histórica y la estructura del comercio internacional. Un tráfico entre África y Asia-Pacífico que cuadruplica el que existe con los EEUU se debe a un nuevo esquema de actividades económicas, donde China es un enorme factor de peso en el desarrollo económico de África, en casi todos los órdenes de actividad. El bajo valor del tráfico de América Latina con Europa se debe al efecto de triangulación (hub) de los EEUU, en donde no solo el costo de conectividad, sino de soporte de aplicaciones en Datacenters no tiene competencia. Los valores internacionales de tráfico están fuertemente influenciados por el uso del idioma inglés como lengua universal. No existen datos ciertos sobre el tráfico regional para bloques de países afines, pero se presume que el mismo es muy elevado, siendo razones culturales un factor clave en el tráfico intraregional en Asia-Pacífico. Con las tendencias actuales, se asume que casi la totalidad del tráfico será generado en partes iguales por los EEUU, la Unión Europea y los países asiáticos del Pacífico, en particular China, en sus áreas de influencia. Por ejemplo, actualmente el contenido en sitios WEB bajo los idiomas inglés y chino representa casi el 50% del contenido global, mientras que el contenido en español es del 8% y en japonés no supera el 5%. Si se toma en términos de cultura regional y asumiendo la creciente tendencia de sitios WEB multilenguaje, Europa contiene
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casi un 25% del contenido multimedia, mientras que Asia-Pacífico oriental supera el 42% del total. El resto, en su mayoría basado en inglés, tiene proporciones de otros lenguajes como el arábico (3%), ruso (3%) y otros, en sitios multilenguaje. Es importante el impulso al reposicionamiento geopolítico de Rusia, con sitios que operan en cuatro ó cinco lenguajes diferentes, mecanismo cada vez más utilizado por países con baja presencia WEB.
1.8
Infraestructura de las Redes de Telecomunicaciones
1.8.1 Arquitectura de las Redes de Telefonía y Demografía Desde sus inicios, la telefonía se basa en centros de conmutación, primero manuales y luego automáticos. Las centrales han sido instaladas, en todo el mundo, comenzando con las ciudades con mayor nivel de riqueza y actividad económica, siguiendo luego otras según su importancia económica y estratégica. El área de cobertura 2 de una central telefónica con pares de abonado tipo 24 AWG promedia los 40 Km , en un radio de 3.5 Km. Así, según la demanda y la superficie geográfica urbana, pueden requerirse varios centros de conmutación por sitio. Un centro de conmutación es un edificio técnico que alberga las centrales y las terminaciones de los pares de abonado y de los circuitos troncales, los que son requeridos para interconectar entre sí a diferentes centros urbanos, así como diferentes ciudades y países. Con el avance de las técnicas de transmisión y conmutación, las centrales se especializaron en dos grandes clases: para abonados y para tránsito urbano ó interurbano. La evolución en las arquitecturas de las redes telefónicos ha probado que la topología de conmutación más eficiente es de tipo árbol, en la cual las centrales de abonados están en la base jerárquica y diferentes clases de centrales de tránsito urbano, interurbano e internacional ocupan los niveles superiores. En teoría, dos centrales urbanas se interconectarían entre si utilizando una central de tránsito urbano mientras que, en la práctica, las tecnologías permiten interconexiones horizontales para mayor eficiencia ó menores costos. Como resultado, la topología general de conmutación de un operador es un híbrido entre árbol (mandatorio) y malla parcial. Los caminos múltiples origen-destino permiten que las tablas de enrutamiento de las centrales sean diseñadas con rutas directas y un número variable de rutas alternativas. Este mecanismo soluciona llamadas que fallan en un enrutamiento por caídas de enlaces ó centrales de tránsito ó por congestión de troncales.
Figura 1.18: Jerarquías de Interconexión de Centrales de Conmutación Telefónica El desarrollo de la infraestructura de comunicaciones de un país, se origina proveyendo servicios a localidades más relevantes en términos demográficos y económicos, habida cuenta que el negocio operador de telecomunicaciones es estimular la mayor cantidad de tráfico posible, y cobrar por interconexiones entre usuarios. La incorporación de localidades de menor rentabilidad obedece a estrategias de los operadores y/o por mandatos de los entes reguladores, en forma subsidiada inicialmente.
las del las las
En una evolución temporal que ha llevado décadas, las redes nacionales de telefonía fija han ido incorporando localidades periféricas de menor importancia. En los casos en que esto no era económicamente viable,
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aparecieron entidades cooperativas regionales para proveer servicios en sus áreas de influencia con redes propias, las cuales fueron interconectadas a las redes nacionales. Recientemente, el desarrollo de las infraestructuras nacionales para telefonía móvil siguieron el mismo proceso que con las redes de telefonía fija, con la diferencia de que los menores costos y la necesidad de cubrir a los usuarios viajeros, aceleraron la penetración de la telefonía móvil en menos de dos décadas. La infraestructura de redes comprende recursos físicos no electrónicos, como los edificios técnicos y administrativos, torres y antenas de transmisión terrestres y satelitales, redes de cables de cobre, fibra óptica y ductos, sistemas de energía, climatización, cableados internos, etc., y un amplio conjunto de sistemas basados en electrónica y software, como las centrales de conmutación, los nodos de transmisión ópticos y eléctricos y diversos subsistemas para las redes de acceso, de agregación y backbone, gateways internacionales, sistemas de gestión (OSS, NOC, Call Centers, etc.), y recursos para la gestión OAM&P. Los elementos de red más relevantes, para este punto, forman la infraestructura de conmutación y de transmisión. Los avances tecnológicos en los años '80 y '90 hacen visible una diferencia entre un centro de conmutación y las centrales telefónicas que el centro de conmutación aloja. A mediados de los años '80, una central de conmutación para 100.000 abonados representaba el estado del arte mientras que, hacia el año 2000, se fabricaban centrales modulares para hasta un millón de abonados. En ese período se realizó un recambio tecnológico generacional en los centros de conmutación, que permitió integrar múltiples centrales de abonados en una sola, e incluso proveer a estas con capacidades para tránsitos nacionales e internacionales. No todos los operadores realizaron las actualizaciones tecnológicas posibles, por lo que hoy conviven en una misma red, centrales multirol de alta capacidad y centrales de abonados básicas. La red global de telefonía integra cada red fija y móvil de telefonía nacional existente utilizando una compleja topología que interconecta los nodos internacionales (Clase 1). En estos se adaptan los diversos standares nacionales (codecs, señalización, etc.), típicamente variantes de normas ITU-T ó ANSI, con normas ITU-T para la conmutación, transmisión y señalización de las llamadas. Como una topología malla total entre redes de países es impráctica y costosa, las redes nacionales se interconectan utilizando un híbrido malla-árbol, madurado durante décadas, y simplificado con nuevas tecnologías de transmisión y conmutación digital. Los países se conectan directamente con destinos de mayor tráfico y, en su mayoría, utilizan tránsito en nodos internacionales para los destinos con bajo tráfico bilateral. En un nodo internacional, por confiabilidad, se utilizan múltiples rutas hacia un destino, de tipo primario, secundario, terciario, etc., para el establecemiento de una llamada. Cuando el enrutamiento se base en el menor costo de conexión extremo-extremo, la secuencia de rutas utilizadas, en el caso de congestión, no sigue las premisas de priorizar por capacidad ó calidad (ASR). Al utilizar los mismos standares y normas internacionales, ó proveer adaptación de codecs y señalización en los nodos Clase 1, es posible interconectar un par arbitrario de terminales entre dos redes fijas y/o móviles. Tal flexibilidad permite interconectar 6.900 millones de líneas de todo el planeta en el año 2012. La infraestructura que posibilita tal conectividad telefónica utiliza millones de elementos de redes fijas y móviles en todo el mundo, considerando centrales de tránsito y de abonados, nodos de acceso inalámbricos, de transmisión y varios otros. La infraestructura global para las telecomunicaciones fijas y móviles define una única topología internacional y cientos de topologías nacionales, cuyos diseños varían de país en país. Cada red nacional ó regional emplea topologías derivadas de la histórica estructura jerárquica tipo árbol originalmente propuestas por Bell y AT&T, con cinco niveles de conmutación para cubrir un área geográfica del país, lo que se aprecia en la Figura 1.18. Con la evolución tecnológica, las topologías de conmutación se optimizaron, como muestra la Figura 1.18 (derecha), que ejemplifica una red telefónica nacional moderna, con centrales de abonado, tránsito local y de larga distancia y una ó más centrales internacionales, interconectadas con redes SONET/SDH y PDH. No obstante los avances tecnológicos, la cuantificación de los centros de conmutación requeridos en la red de un operador depende de la demografía, la riqueza y la geografía de cada área urbana. Esto es porque casi todas las redes de telefonía fija instaladas se basan en pares de cobre para el servicio de los abonados, lo que limita el radio de acción de un centro de conmutación a unos 3.5 Km. Así, la cobertura de una ciudad como Buenos Aires, con unos 250 Km2, se obtiene con 10 a 12 centros de conmutación (edificios técnicos). Los números finales dependen del contorno geográfico y de estrategias trazadas décadas atrás para interconectar las centrales de la ciudad con las del Gran Buenos Aires, lo que aumenta el número de centros de conmutación.
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Como el valor del centro de conmutación depende de las instalaciones del plantel exterior de pares de cobre, típicamente enterrados, los edificios técnicos no son facilmente migrables y continúan siendo utilizados, aunque 2 utilizando una fracción de los m planificados para las centrales analógicas instaladas décadas atrás. Este fenómeno se repite en todo el mundo, aunque los avances en tecnologías de plantel exterior (FO y concentradores para exteriores) permiten redefinir el rol de los centros de conmutación en redes de operadores que están realizando inversiones desde mediados del 2000.
1.8.2 Conceptos sobre la Infraestructura de Telecomunicaciones de los EEUU Antes de la separación de AT&T, en 1984, su red soportaba 200 millones de líneas y 19.000 centrales Clase 5, 1.300 centrales Clase 4, 230 centrales Clase 3 y 67 centrales Clase 2, con topologías árbol n-ario, más 10 centrales Clase 1 (topología malla integral). A esta red nacional, casi monopólica, se agregaban casi 9.500 centrales de operadores locales independientes, siendo algunos regionales como GTE. Con nuevas tecnologías para conmutación y la transmisión digital PDH y SONET/SDH, con centrales TDM más poderosas (mayores tablas de enrutamiento, tarificación, manejo de tráfico, etc.), las centrales Clase 2 y 3 se eliminaron, posibilitando redes nacionales con centrales Clase 4 (primarias y secundarias), centrales de abonados Clase 5, y Clase 1 (internacionales). En 1994, AT&T utilizaba solo 116 centrales Clases 1 y 4 y dos centros de gestión. Las centrales telefónicas Clase 5 proveen interconexiones locales en los centros urbanos y emplean troncales urbanos para tráfico entre centrales adyacentes. Si el área metropolitana es de grandes dimensiones se utilizan centrales de tránsito local (Clase 4), interconectadas como en la gráfica previa, para disminuir la cantidad de troncales urbanos utilizados para conectividad total sumada a una red de alta disponibilidad.
Tabla 1.19: Total de Centrales TDM de Incumbentes en USA y Total de Locaciones (2010) Para interconectar ciudades de diferentes niveles, siendo usual un gran número de pequeñas y medianas localidades, se utiliza una red de transmisión nacional de alta capacidad SONET/SDH (backbone), para unir los centros más poblados. A partir de esta red, y según la matriz de tráfico telefónico, se emplean redes de transmisión de segundo y tercer orden PDH y SONET, con rutas alternativas para mayor confiabilidad, siguiendo topologías árbol, hasta cubrir a las ciudades más pequeñas utilizando un esquema de accesos tipo estrella, sin redundancia. En países con miles de localidades, el resultado una red de transmisión terrestre de alta complejidad y capacidad variable, complementada con cables submarinos de FO y enlaces satelitales. La topología física de una red de transmisión nacional es una consecuencia de la topología lógica de la red de conmutación urbana e interurbana. Como esta última depende de las ciudades y su demografía económica, lo que es la base de la telefonía comercial, se puede visualizar las necesidades de la red de transmisión mediante un mapa geográfico del país donde se marcan los centros urbanos por categorías. Si el mapa incluye las trazas de redes viales terrestres, acuáticas y ferrocarriles, que son caminos históricos para el flujo logístico de bienes transados en actividades comerciales y de otros flujos, como el correo tradicional, la topología natural para la transmisión se hace evidente al unir, con diferentes jerarquías de enlaces, los centros urbanos.
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El diseño de las redes de transmisión integra múltiples factores como rutas alternativas, cierres de topologías anillo para redes de FO, decisiones sobre uso de enlaces alámbricos ó radioenlaces, el rediseño del backbone de transmisión, puntos de acceso internacional terrestres y/ó satelitales, uso de nuevas tecnologías como son WiMAX y DWDM, ubicación de los POI (Points of Interconnection) y numerosos otros aspectos. La Tabla 1.19 muestra datos demográficos del Censo 2010 para 3.592 áreas urbanizadas y clusters urbanos desde 2.500 habitantes, más la población rural. Ambas clases de asentamientos involucran casi 18.500 sitios (áreas múltiples, ciudades, pueblos y villas). Las RBOC emplean 9.251 centrales en áreas múltiples con más de 100.000 habitantes y 6.406 centrales para servicios en el resto de las localidades. Los CLEC suman 9.447 centrales en localidades sin servicio de las RBOC, más concentradores remotos hacia las centrales Clase 5. El 66.7% de la población de los EEUU se concentra en áreas urbanizadas con más de 100.000 hab., y el 19.2% está disperso en áreas rurales, con un 14.1% viviendo en sitios intermedios de 2.500 a 100.000 habitantes. El 33.3% de la población de USA vive en localidades de menos de 100.000 habitantes y en áreas rurales, una gran diferencia con el promedio mundial del 81%, pues el 19% de la población mundial vive en 4.300 ciudades con más de 100.000 habitantes, cerca de áreas costeras ó grandes vías fluviales. Si se considera la incidencia de las áreas múltiples (grandes conglomerados urbanos con localidades contiguas), el total crece al 41% de la población del planeta, una concentración en aumento que se estima llegará al 60% en el año 2024. La Tabla 1.19 resumen el total de centrales de la red nacional de conmutación TDM de los RBOC (Baby Bells) en los EEUU al año 2005. Las RBOC se crearon en 1984, cuando AT&T fue separado en siete companías regionales, con AT&T como Carrier de larga distancia. Existían pequeñas companías locales ó regionales independientes (ILEC), siendo la mayor GTE (absorbida por Verizon). El desguace del monopolio privado duró menos de dos décadas, pues al desregularse el mercado en 1996, para permitir la competencia, no se vislumbró la importancia de las redes móviles y de la banda ancha. Para el 2006, las fusiones recrearon una red oligopólica con AT&T, Verizon y Qwest dominando el mercado del acceso local por pares de cobre (POTS), con cientos de ILEC y CLEC que proveen competencia local y de larga distancia, como Sprint, aunque AT&T y Verizon son hegemónicas.
Figura 1.20: Backbone de Transmisión SONET de Operadores Incumbentes y Ciudades con más de 100K Hab. La Figura 1.20 representa, en forma simplificada, el backbone de conectividad para tráfico telefónico TDM y tráfico IP y MPLS de los principales carriers de USA al año 2010, el cual interconecta casi 200 ciudades con
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100.000 ó más habitantes. El backbone completo, agregando carriers en competencia y operadores regionales, es muy complejo por caminos redundantes y el empleo de ciudades adicionales, menores, para nuevos POI. El backbone de transmisión utiliza enlaces SONET OC-192 (10 Gbps) y DWDM para incrementar la capacidad de los cables de FO instalados, con más de 90.000 Km de cables de FO siguiendo caminos de ferrocarriles, de gasoductos, a la vera de los principales caminos, y a través de campo abierto. Utilizando hasta 96 FO por cable, esto implica más de 80 millones de Km. de FO, teniendo un bajo grado de encendido, quizás inferior al 20%. AT&T ha ampliado el despliegue desde el año 2009, con cables de FO de un backbone OC-768 (40 Gbps) para IP/MPLS. El backbone interconecta casi todas las ciudades más relevantes, y cada nodo sirve como POI para el acceso de las redes secundarias de transmisión óptica, de carácter regional. Variando con cada operador regional, el área cubierta tiene una compleja subred con jerarquías de anillos de FO redundantes y enlaces lineales redundantes, para dar servicio a localidades de 40.000 ó más habitantes. Las locaciones con menos de 40.000 habitantes, que superan las 35.000, se interconectan con enlaces de FO ó radioenlaces SONET ó PDH, según la factibilidad. La mayor parte de los cables de FO utilizados reutilizan tendidos de los años ’90 con DWDM, para mayor capacidad en tráfico TDM ó IP/MPLS, según sea necesario. La demografía de los EEUU se basa en una distribución geográfica uniforme de ciudades grandes y medianas, lo que favorece una red física de tipo malla, a diferencia de numerosos países, en los que la distribución de las grandes áreas metropolitanas favorece una red física tipo árbol ó estrella (sin redundancia). En diversos países, la concentración de la población en ciudades costeras facilita el uso de cables multipunto de FO submarinas. La cantidad de oficinas técnicas (CO) y el dimensionamiento de las centrales Clase 5 dependen de parámetros demográficos, económicos, tecnológicos y de previsiones de crecimiento del área de cobertura. Puesto que la mayoría de los accesos de telefonía fija utilizan pares de cobre 22 AWG (0.5 mm) ó 24 AWG (POTS), el radio de cobertura de una central telefónica varía entre 3 y 5 Km, según la antigüedad y calidad del plantel instalado. 2 El área de cobertura de un centro de conmutación puede promediarse en 50 Km , y en áreas urbanas de gran superficie definen un Área Múltiple (AM), con más de una central Clase 5 para cubrir la demanda. Por ejemplo, 2 Los Ángeles tiene 3.9 millones de habitantes que residen en un área de 1.200 Km , requiriendo un mínimo de 24 edificios técnicos para casi 2.2 millones de líneas de acceso, con 87.400 líneas promedio por CO. El total de centrales Clase 4 y 5 es mayor, por el uso de diferentes tecnologías y actualizaciones de versiones de equipos. La telefonía móvil utiliza la infraestructura de transmisión fija, para interconectar diferentes elementos de transmisión y conmutación entre sí y con la PSTN, aprovechando diferentes facilidades de transmisión en áreas urbanas y en enlaces de larga distancia para crear redes PLMN de amplia cobertura. La gran mayoría de las estaciones base residen en centros urbanos, pero porcentaje del total da cobertura a las principales vías de comunicación terrestres y áreas aisladas, requiriendo el despliegue de enlaces adicionales para el backhauling, así como sustitutos de energía de la red eléctrica (casi un 10% del total). Se estima un total global de 1.5 MM de macroceldas, con 285.000 en USA (FCC, 2012), 400.000 en India, 200.000 en África y O.M y casi un 33% en toda la región Asia-Pacífico. El crecimiento de estaciones base, macro, pico y femtoceldas es permanente, para mejorar la cobertura de las redes móviles, estimándose un total global de 4 MM de pico y femtoceldas en áreas urbanas, en adición a las macroceldas. Estos números vuelven crítico el factor costo de transmisión para backhauling urbano, lo que impulsa el transporte sobre Ethernet y tendidos de FO pasivas.
1.8.3 Conceptos Básicos sobre la Infraestructura de Telecomunicaciones de Argentina En el caso de Argentina, la teledensidad nacional al año 2010 es del 22.5%, con un 23.5% en las 7 urbes más pobladas sin contemplar Cap. Federal (41% total de líneas, 42% del total de la población). La Capital Federal tiene una teledensidad del 58% en (25% líneas, 8% del total de la población). La Tabla 1.21 resume, al año 2011, la distribución de la población en varias jerarquías de centros urbanos. El AMBA es un gran conglomerado que integra la Capital Federal y 17 Partidos del conurbano y se presenta por separado. La segunda línea contiene los conglomerados Gran Rosario, Gran Córdoba y Gran Mendoza, y la tercera línea los conglomerados Gran San Miguel de Tucumán, Gran Salta, Gran La Plata y Mar del Plata. Se observa que en ocho conglomerados reside más del 50% de la población. La red de transmisión nacional utiliza una topología hibrida malla-árbol-estrella para interconectar diferentes localidades al backbone de red.
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Tabla 1.21: Población y Total de Localidades por Categorías en Argentina (2011) La evolución de la infraestructura de la red de telecomunicaciones de Argentina tiene un punto de inflexión con la privatización de la empresa estatal ENTel y la división de su red nacional en dos mitades, norte y sur, las que fueron asignadas a dos grandes operadores incumbentes. Al privatizarse, en Noviembre 1990, la red telefónica nacional, con ENTel, dos operadores privados provinciales (CAT y CET) y 300 Cooperativas, era analógica en su mayor parte, con notables excepciones en la subred del AMBA. En 1990 se proveía el servicio telefónico a más de 1.200 localidades con 1.000 ó más habitantes con centrales y concentradores remotos de 100 líneas ó más, por localidad. Para el servicio a localidades con menos de 1.000 habitantes, se sigue utilizando una gran variedad tecnológica de concentradores rurales de baja capacidad, de 2 a 200 líneas por nodo, con diversas tecnologías de transmisión, como ser enlaces de radio monocanal, WLL (Wireless Local Loop) y otros. Hacia 1999, las redes de CAT y CET habían sido adquiridas por los incumbentes, y la red nacional tenía un alto grado de digitalización, incluyendo la adopción casi total de la señalización CCS7, faltando algunos centros de menor jerarquía con señalización R2N. Para entonces, se había logrado la división completa en dos topologías interrelacionadas solo a través de centrales de tránsito. La sustitución de centrales electromecánicas por otras digitales de Clase 5 ó híbridos Clase4/Clase 5, más el uso intensivo de transmisión digital SDH y PDH en FO y radioenlaces generó una topología más simple en áreas múltiples y a nivel interurbano. Salvo excepciones, las topologías de cada operador incumbente se perfeccionaron con el agregado de centrales de tránsito regional y nacional, consolidando redes jerárquicas tipo árbol basadas en diferentes jerarquías de centrales: Tributaria y Primaria (Clase 5), Secundaria (mix Clase 4/5), CAI (Centro Automático Interurbano) y CTN (Tránsito Nacional). Incluyendo las Cooperativas y excluyendo el AMBA (Área Múltiple Buenos Aires), hacia 1999 la red nacional para localidades con más de 1.000 habitantes, comprendía las siguientes categorías de centrales:
Más de 800 centrales Tributarias (URA, minicentrales de hasta 1.000 líneas, analógicas, etc.)
Más de 200 centrales Primarias (Clase 5), a las que se conectan la mayoría de las Tributarias.
Más de 100 centrales y URA para dar servicio al AMBA (Área Metropolitana Buenos Aires), con cerca de 15 centrales hibridas para tránsito zonal, a los efectos de simplificar la topología de conmutación del AMBA, que tenía un complejo esquema mallado, con hasta 12 rutas alternativas por central en C. Fed.
Casi 50 CAI, para tránsito regional y conexiones a los CTN (Tránsito Nacional ó Nodal).
10 centrales CTN (Centros de Tránsito Nodal, ubicadas en las principales ciudades del backbone) y dos centros internacionales, luego aumentados a cuatro.
A lo anterior se suman las centrales de baja y media capacidad de 300 cooperativas telefónicas, anteriores a la privatización de ENTel y las centrales de los operadores en competencia, instaladas desde 1999, enfocados en el segmento Negocios para las PyMEs en grandes ciudades, que agregan hasta 12 centrales TDM y VoIP. Se deben incluir cientos de concentradores de baja capacidad, para localidades remotas y/o debajo de 1.000 Hab. Hasta este punto se ha tratado la infraestructura de telecomunicaciones para telefonía fija, siendo necesario un resumen sobre el impacto de la telefonía móvil y el tráfico de Internet, siendo que ambas impactan fuertemente en el dimensionamiento del backbone de transmisión, así como el de las redes de agregación de tráfico.
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La telefonía móvil se inicia en 1990, en el Área I (área geográfica entre Zárate y La Plata, de 40 Km de ancho) con la empresa Movicom y fue introducida en las Áreas II y III (resto del país) en el año 1993 por la empresa Miniphone, una sociedad en partes iguales de los operadores incumbentes, hasta la separación formal en dos empresas (norte y sur) en el año 1999, al tiempo de la introducción de la telefonía 2G PCS por Movicom. En 1995 comenzó a operar un cuarto operador nacional (CTI, Áreas II y III), en un mercado sin regulaciones de la autoridad de aplicación y sin standares específicos (GSM, NAMPS, PCS). Entre el 2002 y 2003, Movicom fue adquirida por uno de los incumbentes, que amplió su cuota del mercado al 50% de las líneas, quedando solo tres operadores con cobertura nacional para telefonía móvil desde principios del año 2004. El impacto en la infraestructura de transmisión ha sido notable desde entonces, debido a la proliferación de los POP (Point of Presence) en todo el país, para soportar más de 45 millones de líneas móviles hacia el 2012. Un complejo proceso de rentas y tendidos adicionales de FO y capacidad de radioenlaces para el backbone de la red móvil nacional ha multiplicado varias veces el ancho de banda utilizado por la telefonía fija, siendo crítico el backhauling de torres con celdas y estaciones base hacia las más de 50 centrales de telefonía móvil instaladas. En la actualidad, la cobertura de la telefonía móvil comprende más de 550 localidades del país, y el tráfico de voz que genera es comparable al tráfico generado en la red de telefonía fija, con proyecciones de superar el mismo en pocos años más. La cobertura de la PLMN de cada operador se basa en un complejo esquema de transmisión con facilidades propias y rentadas, utilizando compresión del tipo DPME en los troncales por costos, creando cascadas de transcodificación que deterioran la calidad de las llamadas fuera del ámbito urbano. En los grandes centros urbanos, el explosivo crecimiento de las líneas móviles activas no ha sido acompañado con mayores inversiones en la infraestructura de la telefonía móvil, lo que es suplido con una mayor compresión de la codificación de la voz y una red de conmutación móvil que genera numerosas quejas por caídas de llamadas en el handover ó en el núcleo de conmutación. Este tema está siendo enfocado por la autoridad de aplicación en el 2013, para forzar las necesarias inversiones sobre la infraestructura actual. Las redes de cable, con backbone urbano propio, proveen un 23.3% del total de 4.08 millones de accesos de banda ancha fija a fines del 2012 mientras que los accesos ADSL son 3.13 millones (76.7%). A Diciembre del 2012, los accesos de banda ancha móvil son 6.98 millones y representan una penetración del 15.5% en la base de líneas móviles activas, de acuerdo a estadísticas del Ministerio de Economía. La distribución de los accesos es del 67% en el AMBA, 8% en las provincias de Santa Fe y Córdoba y 5% en Mendoza, con un 12% para el resto del país. En el interior, los accesos se concentran en las grandes áreas metropolitanas, con velocidades pico promedio de 1 Mbps, mientras que en el AMBA es de 2 Mbps. La mayor parte del tráfico es generado por los accesos fijos, diseñados por los ISP para un valor promedio de 40 Kbps en el AMBA y 20 Kbps para el resto del país (métodos de booking de los ISP). Considerando el tráfico promedio del downlink de todos los accesos ADSL, la velocidad promedio agregada nacional es de 104 Gbps, con 83 Gbps en el AMBA y 21 Gbps para el resto del país. Como la topología lógica del tráfico de Internet es de tipo estrella, todo el tráfico IP se concentra sobre la Capital Federal, corriendo sobre redes Metro Ethernet. El tráfico IP del interior del país fluye por el backbone físico nacional, sobre canales SDH/DWDM específicos, sin interferir con el tráfico de telefonía fija y móvil. La capacidad del backbone puede aumentarse en módulos STM-16 (2.5 Gbps) ó módulos STM-64 (10 Gbps) y, contando con el transporte sobre redes Metro Ethernet en Córdoba, Rosario y Mendoza, no plantea criticidades a la capacidad disponible, efectiva ó planificada. ADSL es utilizado como una red solapada con la de telefonía fija, pues los concentradores de acceso DSLAM están co-locados en los edificios de las centrales de conmutación de los sitios más relevantes, y se acoplan al par de abonado utilizando un splitter en el repartidor general donde accede el plantel exterior, y un segundo splitter en las premisas del abonado. Los operadores incumbentes rentan accesos, espacio físico y energía en la mayoría de las centrales para ISP en competencia ó para la reventa mayorista de accesos y tráfico IP. Con el uso de sistemas de caching local de multimedia con nodos de las redes CDN como Akamai y Limelight, para video streaming y otros servicios WEB, además de la presencia local de nodos Google, Yahoo y otros, el tráfico internacional se minimiza y a la vez se mejora la velocidad "aparente" de Internet. Con estas tecnologías el tráfico IP internacional, que es casi simétrico debido a la proliferación de redes P2P (BitTorrent y similares), se reduce notablemente a valores del 25% del promedio agregado nacional, con valores cercanos a 25 Gbps para todos los ISP del país. Esta capacidad, que se paga por picos promediados de tráfico, es suplida por grandes carriers internacionales con POI en Buenos Aires y otras ciudades.
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Representación de la Infraestructura Básica de Telecomunicaciones Se representa el esquema del backbone nacional de transmisión (multioperador) y las principales ciudades que se interconectan mediante Figura 1.22, con la ubicación de 310 ciudades con 10.000 ó más habitantes (sin Cooperativas). Se utiliza una geocodificación cartesiana específica para este documento.
Figura 1.22: Localidades con 10.000 ó más Habitantes y Backbone de Transmisión (parcial) Existe una alta concentración de localidades con 10.000 ó más habitantes en la región central (Pampa Húmeda), que disminuye en la Patagonia y al norte de las ciudades de Córdoba y Santa Fé. Las formas que adoptan la ubicación de los centros urbanos anticipa que las redes de transmisión nacional emplean una topología estrella/árbol fuera de la región centro-este de la Argentina. Para securizar la red con caminos alternativos de FO en modo anillo, fuera de la región central, se requieren grandes inversiones, ya que los mismos son extensos y cubren zonas con baja penetración telefónica y población rural dispersa en cientos de asentamientos con menos de 1.000 habitantes, complicando su aplicación más allá de la restauración. Al incorporar las Cooperativas Telefónicas, casi no se modifica la concentración de puntos, excepto en la zona cordillerana y en la Patagonia, originalmente cubiertas con enlaces satelitales de muy baja capacidad.
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La Figura 1.22 contiene las ciudades más relevantes y los backbone de FO de operadores incumbentes, a lo que se agrega (líneas de puntos) las trazas principales de la Red Federal de Fibra Óptica (Dec.1552/2010), con una primer etapa de 10.000 Km de tendidos adicionales a las trazas actuales. Los trabajos para esta red se han iniciado en el 2012, cubriendo 1.583 Km en dos segmentos: Puerto Madryn (Chubut) a San Antonio Oeste (Río Negro) y Rio Gallegos (Santa Cruz) a Rawson (Chubut). El objetivo de la Red Federal es soportar el Plan Argentina Conectada, para complementar la infraestructura existente en zonas de baja teledensidad, mejorar la capacidad de restauración del backbone nacional, que también tiene inversiones de otros operadores, y ofrecer mejoras en los precios mayoristas de transporte de datos, lo que disminuye el costo final de accesos de banda ancha en el interior del país. La Figura 1.22 presenta las secciones más relevantes de la Red Federal de Fibra Óptica y del backbone de cada operador incumbente. Se observa la gran concentración demográfica en la denominada Pampa Húmeda, con cientos de pequeñas localidades de menos de 10.000 habitantes, que se interconectan mediante radioenlaces digitales SDH, PDH ó tendidos de media distancia de cables de FO multipunto, los que cubren múltiples localidades en topologías tipo estrella ó bus, a partir de POI asociados al backbone. Los operadores incumbentes utilizan tecnologías DWDM sobre los cables de FO, instalados desde los años ’90, (hasta 96 fibras/cable), con crecimiento modular en unidades STM-16 (2.5 Gbps) ó STM-64 (10 Gbps, datos IP). Los proyectos para aumentar el número de localidades con accesos ADSL (desde 128 Kbps) no generan por si solos un crecimiento a índices per cápita equivalentes a los países industrializados, pues existen diferencias de naturaleza estructural en ingresos, esquemas educativos y laborales, programas de inducción para la adopción de nuevas tecnologías y servicios, así como el costo final al usuario en regiones con PBI per cápita por debajo del promedio nacional y áreas con mayoría de pueblos originarios. Tales regiones son extensas en norte y sur del país, en latitudes superiores e inferiores a las ciudades de Córdoba y Bahía Blanca. En la Figura 1.22 se muestra el núcleo del backbone nacional de transmisión, con cinco puntos de conexión internacional mediante cables de FO terrestres y submarinos. Se muestran dos gateways hacia el Este y dos hacia el Oeste, para su interconexión con los de FO submarinos internacionales desplegados por consorcios de operadores ó privados. Gateways adicionales, hacia Bolivia y Paraguay, son utilizados por el incumbente del norte del país, existiendo además respaldos satelitales de mediana capacidad para ambos, no representados.
1.8.4 Desarrollo de la Infraestructura de Telecomunicaciones de China En solo dos décadas, China ha desarrollado casi desde cero la infraestructura nacional de telecomunicaciones más grande del mundo, a la par del crecimiento de una industria nacional que cubre casi todas las disciplinas de las TIC, con fabricantes y operadores en los primeros lugares en el ranking mundial. Tomando como punto de partida el año 1990, en China existía una red fija de telefonía con 6 millones de líneas, tecnologías obsoletas y una teledensidad de 0.07 líneas/100 habitantes. Los accesos móviles eran inexistentes. La Figura 1.23 presenta el crecimiento de las redes fijas y móviles, en millones de accesos, en el período de 18 años entre 1993 y 2011. Tanto las magnitudes como los valores económicos de inversión superan a las realizaciones de todos los países de la Unión Europea (UE) ó del conjunto de países USA-Canadá-Japón. Hacia el año 2012, la red de telefonía fija tiene actualmente 294 millones de acceso (desde 354 millones en el 2007) y una teledensidad de 22.6 líneas/100 habitantes. La red de telefonía móvil creció desde cero hasta casi 1.000 millones de accesos, con una penetración per cápita del 77.7% a mediados del año 2012, mientras que el backbone nacional de transmisión (SDH/DWDM, N x STM-64) consiste en una red con 120.000 Km de cable de FO (2.2 millones de Km de fibra óptica), que interconecta 342 ciudades (POI) con un backbone de 320 Gbps, que llega a 800 Gbps en algunas áreas, más redes de agregación de FO, radioenlaces digitales SDH y PDH y enlaces satelitales para incorporar al backbone de FO cientos de ciudades adicionales. Un conjunto de planes y procesos geopolíticos clave en la reformulación del modelo de desarrollo nacional de las telecomunicaciones permitió pasar del monopolio estatal China Telecom , con un mercado cerrado a las inversiones y tecnologías extranjeras a un oligopolio estatal de dos operadores nacionales de redes fijas (China Telecom y China Unicom) y de tres operadores nacionales de redes móviles: China Telecom (CDMA y CDMA 2000), China Mobile (GSM y UMTS TD-SCDMA) y China Unicom (GSM y UMTS W-CDMA). Los mismos han invertido más de 25.000 millones de U$S en los últimos años para aumentar las capacidades de sus redes.
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Figura 1.23: Crecimiento de Accesos de TE Fija y Móvil en China Aunque el Estado Chino es dueño de la mayor parte de los operadores, el ingreso formal de China a la WTO (World Trade Organization) en el año 2001 impuso condiciones para la apertura gradual a las inversiones extranjeras. Así, los principales inversores globales han aportado hasta el 50% del capital para la expansión de la Internet en toda China, hasta un 48% en operadores móviles sobre las 17 ciudades más importantes y casi un 25% del CAPEX para expandir servicios de redes fijas en Pekín, Shangai y Canton.
Figura 1.24: Backbone Primario de Transmisión y Ciudades con más de 100.000 Habitantes en China Entre los principales procesos políticos y estratégicos que han permitido evolucionar hasta el estado actual, se citan la autorización a la propiedad privada de bienes y la participación privada local en empresas fabricantes y de servicios a mitad de los años '80, cuando se replantea el rol estratégico del estado comunista. Esto posibilitó
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que la iniciativa privada creara numerosas empresas y emprendimientos en todas las áreas de actividad, y fue decisivo en la aparición de empresas como ZTE (1988) y Huawei (1994), fabricantes líderes a nivel mundial. Un factor activador de gran peso fue la devolución de Hong Kong a China por parte del Reino Unido en 1998, luego de los 100 años posteriores a la guerra del opio en el siglo XIX. Hong Kong opera como una región de China con carácter autónomo, lo que le ha permitido conservar y mejorar sus capacidades financieras y comerciales, siendo un importante centro de operaciones en estos rubros para China. Durante la década del '90, los fabricantes chinos de tecnologías para telecomunicaciones no habían llegado a los niveles de capacidad y calidad requeridos para centrales, routers y sistemas de transmisión clase telco, por lo que dependieron de tecnologías extranjeras para el desarrollo de redes fijas y móviles 2G (Alcatel-Lucent, Nortel, Ericsson, Siemens, Cisco, Nokia, Motorola, etc.). Tal situación comenzó a revertirse desde el año 2001, cuando la maduración tecnológica lograda por un grupo de fabricantes liderados por ZTE y Huawei iniciaron actividades masivas de ventas de sistemas de telecomunicaciones y redes de datos de media y alta capacidad, así como subsistemas soporte y terminales fijos y móviles en mercados de África, Medio Oriente, resto de Asia y Latinoamérica, ganando prestigio por las capacidades, flexibilidad y costos de sus productos, lo que les abrió las puertas de Europa, donde comenzaron a competir con fabricantes europeos y japoneses en licitaciones de redes fijas y móviles 3G, con Huawei desplazando a líderes como Nokia-Siemens, Alcatel-Lucent, Fujitsu, etc. El mayor desarrollo de la industria de telecomunicaciones de China se produjo a partir del año 2001, a través del despliegue masivo de BTS requeridos para la cobertura de la telefonía móvil 3G en sus diferentes variantes, incluida la tecnología UMTS TD-SCDMA, desarrollada por China para el mercado interno, y que opera en modo full duplex TDMA utilizando una única frecuencia de operación. TD-SCDMA es una de las tecnologías UMTS aprobada por la UIT en el año 2000. China ha desplegado actualmente casi 300.000 BTS (Base Transceiver Station) en las diferentes ciudades, las que soportan todas las variantes de tecnologías de acceso móvil, y ha instalado más de 600.000 TRX (RF Transceiver-Receiver) para soportar el tráfico de voz y datos móviles. De este total, ZTE y Huawei han fabricado casi el 55%, con Datang en tercer lugar. El resto ha sido provisto, con licitaciones internacionales, por fabricantes de la envergadura de Nokia-Siemens y Ericsson, los que reciben estímulos para soportar la fabricación de tecnologías TD-SCDMA. Huawei es el fabricante líder de WCDMA, HSPA y LTE, tecnologías clave para la exportación a la mayoría de los mercados internacionales. Hacia el año 2008, los fabricantes chinos ZTE, Huawei y Datang tenían el 63.8% de participación del mercado interno de redes 3G, con un 11% para Ericsson y un 6.8% para Alcatel-Lucent y 6.8% para Nokia-Siemens. El 11.4% restante se repartía entre companías locales y extranjeras como Motorola, Nortel y otros. Desde el 2008, el escenario mundial de fabricantes de tecnologías 3G se ha modificado nuevamente, con la quiebra de Nortel, y adquisiciones como Motorola (terminales móviles) por parte de Nokia-Siemens, al igual que la compra de la división terminales de Ericsson por Sony y otros casos. Al escenario 3G, no agotado, se incorpora la contienda por el enorme mercado de tecnologías LTE (hacia 4G), liderado por Huawei, Ericsson y Samsung, con el 81%. En los casos de tecnologías de transmisión, China ha logrado un nivel de desarrollo que iguala ó supera al de los fabricantes líderes de Europa, USA y Japón, con la capacidad de autoabastecerse y de exportar tecnología. La Figura 1.24 representa la mayoría de las ciudades chinas con más de 100.000 habitantes y la topología principal de la red de transmisión SDH/DWDM, desplegada desde mediados de los años ’90. Se nota la concentración de la población urbana en el Este de China, dado que la mitad hacia el Oeste es montañosa ó desértica, así como toda la línea fronteriza del Norte, con Mongolia y Rusia. El acceso para las zonas aisladas es provisto mediante tecnologías satelitales, de lo que cabe destacar que China desarrolla y pone en órbita sus propios satélites, además de ser parte del consorcio Intelsat. La cobertura del backbone nacional de fibra óptica con SDH/DWDM es muy elevada, siendo la red nacional más densa del mundo, con múltiples niveles de protección en anillos y conexión para cientos de ciudades. El diagrama es un esquema aproximado, y muestra gateways internacionales terrestres y submarinos. Los casos de Hong Kong, en el sur y sudeste del país se incluyen por ilustración, ya que son dos regiones administrativas de carácter cuasiautónomo, cedidas luego de ser asentamientos británicos y portugueses desde el siglo XVIII. Otra área a destacar es la fabricación de las tecnologías para redes híbridas VoIP y TDM, con sofswitches de muy alta capacidad, gateways de acceso y de troncales, MSAN, etc., para el mercado interno e internacional. Con estas tecnologías, China penetró en el mercado de Europa, desplazando a fabricantes líderes en nodos de acceso MSAN para la red NGN de British Telecom, y sus posteriores adecuaciones.
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Un obstáculo político de ventas en el mercado mundial es la veda explícita del mercado de USA y Canadá a las tecnologías de telecomunicaciones chinas, lo que priva a fabricantes chinos de un importante mercado. Las razones están directamente relacionadas con la desconfianza de ambos gobiernos sobre la posibilidad de que las tecnologías chinas tengan embebidas puertas de acceso encriptadas e invisibles, tanto en sistemas centrales como en terminales móviles, lo que puede dejar vulnerable a ambos países frente a ciberataques. La interconexión de la infraestructura de transmisión con el exterior comprende grandes proyectos que China desarrolla en alianzas con otros países, como es el caso del primer cable terrestre de FO entre China e India, con una capacidad máxima de 4.8 Tbps, en módulos de 10 y 40 Gbps, el cual tiene redundancia completa. El proyecto ha superado trabas similares a las de USA y Canadá, que produjeron demoras inicialmente. La Tabla 1.25 presenta valores comparativos de China e India, los dos países más poblados del mundo. Se contabilizan las ciudades con 100.000 ó más habitantes de ambos gigantes asiáticos, el total de habitantes de cada país, las líneas de telefonía fija, teledensidad y, como dato particular, la cantidad de centrales de telefonía fija de diferentes categorías que se emplean en las redes nacionales de ambos países. Aunque ambos países utilizan casi igual cantidad de centrales de conmutación, la red de China ha instalado hasta 10 veces más líneas que India, proporción que luego declina por la migración a TE móvil. Las diferencias de infraestructura de las redes de ambos países son grandes, por distintos niveles de desarrollo industria, por diferencias geopolíticas, demográficas y de pobreza estructural de ambos países.
Tabla 1.25: Comparaciones entre Indicadores de China e India Aunque la mayoría de las centrales de TE fija de baja capacidad de India son desarrolladas localmente, los planes estratégicos del mayor operador (BSNL) son diferentes a los de China Telecom. En telefonía fija existen dos operadores estatales (80% del plantel) y más de una decena de operadores privados. En el área de TE móvil, en India operan más de una docena de operadores, en alianzas con carriers extranjeros. A diferencia de China y su planificación centralizada para las telecomunicaciones, en India está fragmentada por estrategias diferentes de cada operador, que incluso incurren en competencias de precios que minan las capacidades del mercado. India se divide en 640 Distritos, con diferencias en políticas locales de desarrollo. Sobre la telefonía fija predomina la influencia del impacto colonial de UK, donde el terminal fijo es un símbolo de status antes que de conveniencia. India tiene menor producción de commodities, menos riquezas naturales, menor nivel de industrias primarias (acero, cemento, químicos, etc.), menor producción de energía a costos superiores, exportaciones casi seis veces inferiores a China, una industria turística con casi 20 veces menos visitantes, un nivel de pobreza que triplica el de China, una expectativa de vida casi 10 años menor, sumada a una mayor tasa de natalidad, una deuda pública que llega al 82% del (29% en China), un presupuesto nacional cuatro veces menor, una fuerza laboral casi un 35% inferior a la de China, un mercado de consumo interno atomizado y otras diferencias. Se destaca que el desarrollo acelerado de la economía china también depende de su fuerza laboral disciplinada, instruida y orientada al objetivo del crecimiento de China como potencia.
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En India, la solución para la demanda de servicios de telecomunicaciones descansa en el desarrollo de redes de telefonía móvil, que implican menores inversiones y costos operacionales. Además, India administra la red de telefonía satelital más extensa de mundo (INSAT), con 10 satélites geoestacionarios que proveen cerca de 100 transponders en bandas C y Ku para uso doméstico, y gran uso de estaciones VSAT multipunto, lo que provee servicios de telefonía fija pública (TP) ó de servicios residenciales en localidades con baja demanda. Hoy, India ejecuta procesos de actualización de su infraestructura para recuperar años de retraso relativo a los países del Sudeste Asiático, como China, Indonesia, Singapur y Filipinas, entre otros.
1.9
Topología Simplificada de la Red Global de Cables Submarinos
Además de su rol vital en las conexiones intercontinentales, con cables de FO submarina que cubren distancias de 1.000 a 25.000 Km, las redes de FO submarinas se han expandido para la conexión regional de países en todo el mundo. Esto, sumado a proyectos de FO terrestres regionales de corta, media y larga distancia crearon una capacidad de interconexión impensable dos décadas atrás. Las ventajas de estos despliegues, impulsados por el crecimiento del tráfico de datos y telefonía móvil, son de tipo económico (al evitar pagos por tránsito) y estratégico (al controlar el ancho de banda regional), entre otros. Algunos proyectos, como el cable de FO transiberiano (Peking hasta Oslo) ó el tendido entre India y China, han sido construidos en forma estratégica entre países del bloque BRICS, para controlar sus interconexiones sin el uso de modelos de consorcios internacionales occidentales. En otros casos, como en África, el despliegue de segmentos submarinos de FO para interconectar a los países del continente, persiguen objetivos de crear una infraestructura de comunicaciones con autonomía y economía para el tráfico regional, siguiendo intereses de la concentración servicios de operadores locales con inversión extranjera, que tiene raíces en operadores del sudeste asiático, entre otros. En el caso de Latinoamérica, otra vez las estrategias de grupos concentrados de operadores impactan en la decisión de las inversiones, pues el 30% del tráfico es regional. Tales desarrollos son, a largo plazo, disminuyen el rol central de hub de los EEUU. La Figura 1.26, centrado en Asia, muestra tendidos de FO regionales e internacionales, y solo representan una pequeña porción del total de las instalaciones activas y planeadas. La mayoría, al ser instalaciones nuevas, son de alta tecnología y con capacidad de crecimiento modular por el uso de DWDM y sistemas ópticos modernos. En varios casos, las instalaciones complementan el backbone de FO terrestre nacional, pero básicamente se muestran algunos tendidos regionales e internacionales. Cabe remarcar que la información utilizada para el diagrama ha sido obtenida a través de Wikipedia y el sitio de Greg Mahlknecht (www.cablemap.info), que los trazados son aproximados, no son precisos en rutas de tendido, profundidades ó puntos de amarres. Para mejor entendimiento de las estrategias de cada proyecto, se invita al análisis de la información pública de cada red en particular, algo más allá de los objetivos de este documento. Por simplificación, se omiten cables entre países contiguos ó tendidos inferiores a 1.500 Km. Los cables de FO representados tienen una longitud promedio de 12.000 Km, llegando a 30.000 Km en proyectos securizados con topologías submarinas en anillo. En la mayoría de los casos, por costos, la securización en anillo se hace con segmentos terrestres de FO, no representados. La conexión de países utilizando FO submarinas es generalizada en el 2013, cubriendo más de 90 países y protectorados en forma directa. Excepto algunos países del sudeste asiático, que agrupan una gran cantidad de islas y algunos países de África Central, que utilizan vínculos satelitales ó radioenlaces, el resto complementa su conectividad con el backbone nacional, basado principalmente en redes terrestres de FO. En la actualidad, la capacidad total entre USA-Canadá y Europa es de 25.6 Tbps, con un sustancial incremento desde el año 2004. La capacidad actual máxima entre USA-Canadá y los países de Asia-Pacífico acumula más de 44.5 Tbps. Esto convierte a USA-Canadá en el par de países con la mayor capacidad existente, indicativo del rol de concentrador-distribuidor de tráfico de voz y datos (hub). Tal situación, ya histórica, se mantendrá en el futuro próximo (2014-2016), con capacidades que duplican ó triplican las instaladas al año 2012. La evolución tecnológica en los todos los subsistemas de transmisión óptica, desde FO, regeneradores, EDFA, esquemas de transmisión OTN y otros, permiten proyectos con un salto de capacidad 4x ó 10x por longitud de onda y por fibra óptica respecto de los sistemas de la última década, basados en flujos de 10 Gbps por. Para el 2015, los países del Hemisferio Norte aumentarán su conectividad con proyectos que utilizan 40 y 100 Gbps por, agregando una capacidad de 40 a 60 Tbps para el transporte de datos, video y voz.
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En el Pacífico, los proyectos Artic Fiber y SJC conectarán Londres, Canadá, USA, Tokio y otros países de AsiaPacífico a 24 Tbps (24 x 100 Gbps), y el proyecto ROTACS, unirá UK, Rusia, Japón y China a 60 Tbps (100 x 100 Gbps). Estos proyectos casi duplicarán la capacidad máxima disponible al año 2012. En el Atlántico Norte, los futuros proyectos Artic Fiber, WASACE (Norte, Sur, Brasil y Africa), con 4 a 6 pares de FO a 100 x 100 Gbps, y Emerald Express (similar) aportarán 104 Tbps, desde el 2014. Nuevamente, tales proyectos duplicarán la capacidad instalada al año 2012. En el Atlántico Sur, con una capacidad nula al 2012, los proyectos BRICS y SAex aportarán 65.6 Tbps entre Brasil, 5 países de África y los países del grupo BRICS. El proyecto Artic Fiber, una iniciativa canadiense, está diseñado para proveer enrutamiento alternativo por las fallas en las instalaciones actuales, debido a movimientos sísmicos y otros eventos, y promete una latencia por debajo de los 100 mseg extremo-extremo, mientras que ROTACS está diseñado para latencias de 80 mseg. En América, los proyectos WASACE Brasil y Seabras-1 aportarán 72 Tbps entre USA y Brasil, aumentando en más de 30 veces la capacidad actual, y posibilitando que Brasil adopte un rol de hub regional para Sudamérica. Aunque no se registran en el mapa esquemático, diversos proyectos de cables internacionales complementan el tendido submarino con instalaciones terrestres de larga distancia, para interconexiones de países sin acceso marítimo en África y Asia, ó por necesidades de completar la infraestructura de conectividad nacional. Si se analiza el tendido de cables de los años `90, con capacidades básicas de 0.56 ó 1.2 Tbps, basadas en flujos de 2.5 Gbps máximo, y el tendido de cables durante la década del 2000, con 10 Gbps por , se generó una compleja topología cuya capacidad, en varios segmentos, está siendo saturada. Las nuevas instalaciones, a 40 y 100 Gbps por , sobre rutas no tradicionales, permitirán securizar los tendidos actuales, que sufren permanentemente fallas y cortes, y con mayor latencia por regeneración poco espaciada. Con la experiencia ganada en dos décadas de despliegue de esta clase de sistemas de transmisión, es posible una red global más segura, simplificada y con capacidades máximas para cubrir muchos años en el futuro. En el esquema actual, queda pendiente mejorar la conectividad de América del Sur y África (excepto Brasil y S.A.). En África, el sistema de cables que interconecta por el Atlántico África y Europa (WACS, GLO-1, ACE) desde el 2010, suman una capacidad de 12.74 Tbps, que se distribuye entre 14 países. Por el Pacífico, desde el 2010, los cables SEACOM y EASSY aportan 6 Tbps sobre el resto de países y conectan, además India y otros. En Sudamérica, los cables SAM-1 (2001) y SAC1 (2007) proveen rodean el subcontinente distribuyendo hasta 6.7 Tbps entre 10 países, A esto se suma el anillo Globenet, con 1.36 Tbps desde el 2001, entre Brasil, Venezuela y USA. El proyecto WASACE, impulsado desde África, aportará 40 Tbps entre 7 países como USA, Brasil, España y múltiples países africanos. El proyecto PCSS aportará 80 Tbps entre USA, Colombia y Venezuela y el proyecto BRICS unirá los países del bloque a 12.8 Tbps.
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Figura 1.26: Principales Cables Submarinos de FO en Operaciones y a ser Activados antes del 2015
NOTA: Es remarcable el impulso del bloque BRICS para construir una infraestructura compartida, con proyectos propios de cables submarinos de 12.8 a 60 Tbps y cables de FO terrestres (no representados) que unen China, Rusia e India, entre ambos Océanos.
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1.10 Conglomerados Urbanos y Desarrollo de Redes La instalación de centrales de telefonía fija se conecta fuertemente con la densidad poblacional y la dispersión geográfica urbana de las ciudades. Existe una relación básica entre la demografía de los conglomerados urbanos y sus parámetros socioeconómicos para el desarrollo de la infraestructura de comunicaciones, siendo la teledensidad uno de los indicadores más utilizados para indicar grados de desarrollo. La teledensidad es definida por la ITU-T como un indicador promedio para un país, y representa la cantidad de líneas de TE fija cada 100 habitantes. Aunque útil para análisis comparativos entre diferentes países y regiones, el promedio nacional tiene asimetrías entre los grandes centros urbanos y el resto de localidades de un país. En el mundo existen 843 conglomerados urbanos con más de 500.000 habitantes, donde reside el 19.5% de la población mundial, en los cuales reside el mayor PBI per cápita de cada país y la mayor teledensidad. Otras 3.430 ciudades tienen entre 100.000 y 500.000 habitantes, y albergan el 10.1% de la población global, totalizando 4.273 urbes con más de 100.000 habitantes, con el 29.6% de la población mundial, computando locaciones que acumulan el 95% de la población total (cifras 2011-2012). 2
En forma aproximada, estos conglomerados ocupan 262.000 Km de superficie urbana, con una densidad 2 promedio de 4.800 habitantes por Km . En los EEUU, Canadá, Japón, Corea del Sur y Australia, más los principales países de Europa Occidental, en donde la teledensidad nacional varía entre el 32 y el 58%, puede estimarse que su valor en los dos grupos de conglomerados es casi similar, aunque en las grandes capitales puede superar un 10% ó más el promedio nacional. En los países con desarrollo medio, como en China, Rusia, Brasil, algunos países de Europa Oriental y de Latinoamérica, con teledensidades entre el 20 y el 30%, y donde entre el 30 y el 55% de la población vive en grandes conglomerados, la penetración de la telefonía fija en las grandes urbes es muy superior al promedio del resto de las ciudades de 100.000 habitantes ó menos, especialmente en aquellos países con bajo PBI per cápita. Salvo excepciones, en la mayoría del resto de los países (Ej.: India, Sudáfrica, Argelia, Filipinas, etc.) el desarrollo de la infraestructura de telefonía fija está rezagado y la teledensidad nacional es inferior al 10%. En estos países, y por diferentes motivos demográficos y económicos, la teledensidad en las capitales y las ciudades más importantes es varias veces superior al promedio nacional. Para interpretar esta realidad, es importante conocer el grado de desarrollo económico, la demografía, la geografía y la infraestructura vial y ferroviaria del país, ya que estos factores inciden fuertemente en el desarrollo de redes nacionales terrestres. En general, en países con desarrollos comparables en la franja media de conglomerados urbanos (10K a 500K), el número de centrales que cubren la geografía urbana está más relacionado con la base potencial de clientes que con la teledensidad urbana en esos países. En grandes conglomerados, el PBI per cápita es determinante en la teledensidad, al margen de que el número proporcional de centrales está relacionado casi linealmente. Solo en USA, Canadá, UK y China existen casi casi 45.000 centrales de telefonía fija de media y alta capacidad, por lo que una estimación básica expresa que hay casi 150.000 centrales TDM operando en el mundo. India contabiliza unas 28.000 centrales de telefonía TDM, pero con un promedio de 1.300 abonados por central, debido a la baja penetración de la telefonía fija en el país, que utiliza radioenlaces terrestres y satelitales en una importante porción de su red nacional, administrada por múltiples operadores.
Tabla 1.27: Total de Ciudades según Rangos de Población por Continente
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Es común que diferentes organismos (ITU-T, ONU, Banco Mundial, CIA WFB, etc.) informen sobre promedios nacionales y/o utilicen métodos estadísticos para proyectar datos faltantes. El uso de parámetros demográficos, PBI, energía, redes de transporte, superficie de países y áreas múltiples y numerosos otros se conjugan con la información puntual sobre tecnologías adquiridas para la conmutación telefónica y la transmisión. Los datos necesarios son provistos por países miembro de la ONU, fabricantes de equipos, operadores de redes y otros. Por lo general, existe una relación directa entre la teledensidad el PBI per cápita de un país, el cual es función de la actividad económica nacional, que varía fuertemente con el nivel de desarrollo del país. Dos países con igual teledensidad pueden tener diferentes grados de desarrollo de su infraestructura de telecomunicaciones. Un país con 10 millones de habitantes y 2 millones de líneas de TE fija tiene una teledensidad del 20%, un promedio que puede provenir de diferentes combinaciones según la demografía, geografía y otros parámetros del país, por lo que es poco útil para estimar las líneas telefónicas por localidad, aunque sean grandes urbes. Pueden definirse tres rangos de teledensidades sobre 154 países con más de 1 millón de habitantes. De ellos, 35 países tienen teledensidades entre el 30 y el 68% y conjugan el 15% de la población global y el 40% de las líneas de TE fija. Otros 71 países tienen teledensidades entre el 0.1 y el 10%, y representan el 40% de la población y el 7% del total de líneas fijas, con la mayoría instaladas en las ciudades con mayor actividad económica. Una franja intermedia de 48 países en vías de desarrollo cubre las teledensidades entre el 12 y el 40%, y representan el 45% de la población mundial y el 50% de los accesos telefónicos fijos, quedando el 3% de la población mundial restante en pequeños países distribuidos en los tres rangos de teledensidad descriptos. La Tabla 1.27, con estimaciones al año 2012, contabiliza 4.273 ciudades con más de 100.000 habitantes, en cuatro rangos de población, y que albergan el 29% de la población del planeta. En Asia y África representan el 25% del total de habitantes. En Europa, América y Oceanía la población en grandes ciudades sube al 50% del total. Al contabilizar los asentamientos como grandes áreas múltiples, con ciudades satélite de las grandes urbes y que ya se solapan geográficamente (desde 40.000 a 100.000 habitantes), la población en los grandes conglomerados urbanos asciende al 40% de la población mundial, y representará el 60% del total en el 2024. Las 4.273 áreas urbanas con más de 100.000 habitantes se ubican típicamente en las zonas costeras, debido a la importancia del comercio y el transporte de bienes basado en el transporte marítimo. Este aspecto facilita la interconexión nacional e internacional de los países de origen mediante cables submarinos de FO.
Figura 1.28: Relación entre Teledensidad Nacional (TE Fija) y PBI per Cápita La Figura 1.28, para el año 2012, muestra que el progreso en los últimos 30 años no es suficiente para cerrar la brecha en las facilidades para un pequeño grupo de países desarrollados ó en desarrollo con el resto.
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No existe una contabilidad exacta de la cantidad total de asentamientos en el mundo, pues la denominación se utiliza para diferentes clases de sitios. En el Getty Thesaurus of Geographic Names (TGN) se registra un total de 248.752 nombres de sitios habitados (ciudades, pueblos, villas, etc.). Asumiendo como no-rurales aquellos sitios con 2.500 ó más habitantes, el número de localidades potenciales para servicios de telefonía básica es del orden de 160.000. La infraestructura requerida en cada país para su integración a la red global depende de la topología geográfica y la concentración urbana, con variantes como países en el Pacífico con la población dispersa en decenas de islas, países de Asia ó África con un terreno semidesértico, montañoso ó con amplias selvas tropicales. Las soluciones para las redes de transmisión son heterogéneas, utilizando medios terrestres alámbricos e inalámbricos, satelitales y cables de FO submarina. El costo de la infraestructura para redes fijas, en países con menores recursos es evitado con el despliegue de redes de telefonía móvil (África, Asia). La correlación entre el PBI per cápita y la teledensidad promedio de un país, presentada en la Figura 1.28, con 121 países que representan la mayor parte de la población mundial, verifica que los países más pobres tienen un menor desarrollo de las telecomunicaciones. El posicionamiento de los países del G-7 es claramente superior, así como el resto de Europa y casos particulares como Corea del Sur (60%) y, en la mitad derecha, Singapur, Kuwait y Nueva Zelanda. El bloque BRICS no se destaca particularmente al año 2012, pero tiene el potencial de recuperar los retrasos en la infraestructura de comunicaciones en pocos años. La teledensidad promedio para los países graficados es del 17.1%, ó de 17.1 líneas cada 100 Habitantes. El PBI utilizado en la Figura 1.28 está ajustado con el PPP (Power Purchasing Parity), que ecualiza los valores de las monedas locales contra el valor del dólar estadounidense, respecto de la potencia local de cada moneda para adquirir la misma canasta de bienes, y contiene ajustes por diferencias de inflación. La teledensidad urbana promedio varía fuertemente con el ingreso per cápita de la localidad. Para grandes ciudades, con 100.000 ó más habitantes, casi triplica el promedio nacional en los países con bajos ingresos, llega al doble del promedio nacional en los países con ingresos medios, y es entre un 20 y un 30% superior al promedio nacional en países con altos ingresos per cápita. Es razonable asumir la premisa que los países con una importante infraestructura de telecomunicaciones son los que registran los mayores niveles de ingresos por servicios telefónicos fijos, móviles y de datos. Siendo que la industria de las telecomunicaciones representa entre el 1.5 y el 2.5% del PBI de un país, la capacidad para realizar inversiones de infraestructura, que tiene un promedio global del 10 al 15% del total de ingresos, tiene un impacto directo en la infraestructura ya establecida, para mejoras incrementales. Un país subdesarrollado con un bajo PBI anual y una infraestructura con importantes carencias ó retrasos en su despliegue, tiene más obstáculos que un país industrializado para proveer servicios avanzados, generar planes de recambio generacional de su infraestructura básica ó para aumentar el nivel de penetración de los servicios de telefonía básica, por razones tan elementales como que una importante parte de la población no puede afrontar costos de abonos mensuales. Esto es una limitación si se plantea la industria como un negocio, en lugar de tratar los servicios de comunicaciones como esenciales a la vida diaria, como salud y educación. El mapamundi de la Figura 1.30 ubica todas las localidades con más de 100.000 habitantes registradas al año 2012, en donde reside el 29% de la población mundial. Por sus jerarquías, en las mismas es donde se registran las mayores inversiones en infraestructura de telecomunicaciones, dada su relevancia histórica en actividades comerciales, industriales y financieras. Las 4.273 ciudades con más de 100.000 habitantes son el el 2.7% del total estimados de 160.000 localidades diferentes. En estas urbes vive casi un tercio de la población mundial, con una creciente tendencia a la concentración en conglomerados urbanos, con grupos de ciudades. Existen tres tipos de estructuras urbanas: ciudades monocéntricas radiales alrededor de un centro comercial y población decreciente desde el centro, ciudades multicéntricas con numerosos suburbios dispersos alrededor y una mezcla de los dos casos previos, con grupos de ciudades monocéntricas que han crecido hasta fusionarse en una nueva estructura multicéntrica con regiones de baja densidad en la periferia. La Figura 1.30 presenta los dos primeros casos, de allí el bajo número global de ciudades. Al considerar la tercera clase de conglomerados, los números aumentan hasta abarcar el 40% de la población mundial (no graficado) viviendo en megaciudades que no existían solo 40 años atrás y con tendencias a aumentar la concentración al 60% de la población hacia el año 2024. Los datos sobre el número de localidades que integran estos grandes conglomerados urbanos en cada país (Ej.: Gran Buenos Aires, Gran Córdoba, Greater New York, etc.), son variables y de reciente formación. Este fenómeno, reciente en el desarrollo de las civilizaciones tanto occidental como oriental, coexiste con otro proceso que crea "regiones de ciudades", lo que es visible en el mapamundi. En las últimas cuatro décadas, la
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población de pequeñas y medianas localidades dispersas en amplias áreas geográficas, como en la Pampa Húmeda y el Noreste de los EEUU, migra desde los sitios con menor desarrollo hacia los centros urbanos de mayor jerarquía que están próximos, por factores como mayor empleo, educación, salud y otras facilidades. El resultado de este proceso migratorio es visible con fotos satelitales compuestas de la luminosidad eléctrica en todo el planeta (http://visibleearth.nasa.gov/view.php?id=55167), donde se evidencia la acumulación de la población alrededor de las grandes ciudades, con patrones similares al mapa de la Figura 1.30, con las grandes ciudades del Hemisferio Norte concentradas en áreas de países desarrollados, por la correlación entre PBI y consumo de energía per cápita, que es muy inferior en África y la mayoria de Asia. Según la Tabla 1.27, Europa concentra la mitad de su población en esta categoría de ciudad, donde reside el 3.5% de la población mundial. El mapa muestra una alta concentración en un área geográfica reducida, con países que tienen un alto PBI y un desarrollo centenario en su infraestructura general, por lo que es una región con un alto grado de penetración de servicios de telefonía e Internet sobre redes fijas y móviles. En particular, los países de Europa Occidental, una minoría dentro de la UE-27, tienen las redes y servicios más modernos.
Tabla 1.29: Distribución de la Población Urbana en Ciudades y Centrales de Conmutación en 30 Países La Tabla 1.29 presenta información sobre los 30 países con mayor cantidad de ciudades con más de 100.000 habitantes, presentando datos demográficos de población urbana de grandes ciudades, teledensidad nacional y porcentaje de población que vive en esas ciudades.
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Figura 1.30: Ubicación Geográfica de todas las Ciudades con más de 100.000 Habitantes (est. año 2012) NOTA: Las Ciudades han sido representadas por su geocodificación en un plano cartesiano, al que se agregaron los contornos de los Continentes para mejor referencia.
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1.11 Evolución de las Redes de Conmutación para Telefonía Fija 1.11.1 Tecnologías para las Redes Públicas de Conmutación Telefónica El grueso de las tecnologías utilizadas hasta principios del siglo XXI ha sido provisto por un reducido grupo de grandes fabricantes con un historial centenario, como AT&T, Alcatel, Siemens, Ericsson, NEC, Nortel, Plessey, GTE y Fujitsu. Nuevos actores, favorecidos por la crisis 2001-2003 de la industria, emergieron per-se ó a través de fusiones y adquisiciones. El crecimiento de la telefonía móvil y de la telefonía VoIP introdujo nuevos actores desde el 2000, como Huawei, ZTE y numerosos otros, explotando la potencia del modelo Softswitch (MGC) y su capacidad de adaptarse a la conmutación telefónica en redes fijas y móviles 2G. Cinco grandes fabricantes, AT&T, Alcatel, Siemens, Ericsson y Nortel, con tecnologías clave disponibles entre 1981 y 1987, son responsables de la provisión e instalación de casi 700 millones de líneas POTS e ISDN (con un 10% de líneas para trunking), instaladas en más de 45.000 centrales Clase 4 y Clase 5 de alta capacidad. La migración analógica a digital insumió diferentes plazos, según el país, promediando 20 años para completar la transición. Hacia el año 2000, la gran mayoría de los países había completado la digitalización de sus redes de telefonía fija, con excepciones como Francia, que con planes muy agresivos, completó la digitalización en solo 10 años. Francia fue el primer país en tener una red telefónica con alta confiabilidad, bajo el paradigma de una disponibilidad de servicio el 99.995% del tiempo. Como ejemplos, se tiene la tecnología AXE de Ericsson, instalada en 135 países, soportando 180 millones de líneas en más de 6.000 centrales de conmutación Clase 4 y Clase 5. La tecnología EWSD de Siemens ha sido instalada en más de 100 países y 300 operadores, superando 160 millones de líneas y 12.000 centrales EWSD. Alcatel utilizó dos tecnologías de conmutación diferentes en unos 120 países, con casi 170 millones de líneas y más de 10.000 centrales. Los tres fabricantes europeos superan 500 millones de líneas instaladas para telefonía TDM, de las cuales un 10% corresponden a troncales de interconexión y el resto a líneas de abonados POTS e ISDN. En USA, Canadá y en países de la zona Asia-Pacífico, las tecnologías DMS de Nortel fueron pioneras en la digitalización de las redes analógicas de telefonía, con volúmenes instalados similares, y las tecnologías ESS de AT&T superan los 100 millones de líneas y 10.000 centrales digitales instaladas. Hacia el año 2000, 850 millones de líneas de telefonía fija digital fueron instaladas desde 1985, sobre los 350 millones existentes. Casi 550 millones (35.000 centrales Clase 5 y Clase 4) se desplegaron en países con una infraestructura obsoleta ó casi nula. El resto fue absorbido por los países centrales, en sus procesos de migración de analógico a digital. En este punto, y al inicio de un nuevo ciclo de renovación tecnológica (MGC, IMS, NGN), los datos superiores dan una idea de la magnitud de las inversiones requeridas solo en redes de telefonía fija, a nivel global. Una estimación de primer orden, y estimando que cada central móvil TDM (ó basada en MGC) administra un millón de abonados (por la capacidad promedio de sus bases de datos), y contemplando la infraestructura instalada en 184 países, las redes móviles suman no menos de 20.000 centrales adicionales que, en los próximos años, son candidatas potenciales al reemplazo por tecnologías convergentes basadas en IMS, NGN y otras. El desarrollo en redes de conmutación, sin contabilizar el crecimiento en redes móviles, fue acompañado por grandes inversiones en redes de transmisión terrestres (FO y radioenlaces digitales) y, en un grado menor, por redes satelitales del tipo VSAT para cubrir regiones aisladas con bajo tráfico. Las conexiones internacionales, inicialmente basadas en enlaces satelitales analógicos y cables coaxiles de baja capacidad, tuvieron un fuerte crecimiento de capacidad durante la década del '90, al desplegar cables submarinos de FO (con tecnologías PDH y luego SDH). La capacidad de transportar tráfico telefónico tuvo un rápido crecimiento al instalar cables de FO submarina de gran capacidad, aumentando miles de veces la capacidad de los años ’90 hacia el 2003. La mayor parte de las inversiones en los países con carencias en la infraestructura de telecomunicaciones, se hicieron en Europa Oriental (ex URSS), Asia (principalmente China), Latinoamérica, Medio Oriente y selectos países de África. El tendido de cables de fibra óptica nacionales e internacionales ha realizado promediando 70 millones de Km por año (casi 500.000 Km de cables de FO multifibra anuales), desde 1997, con más de la mitad instalada en países de Asia, América Latina, África y Oceanía ó en tendidos internacionales. El despliegue de las nuevas tecnologías de transmisión basadas en FO fue acompañado por las instalaciones de radioenlaces digitales PDH y SDH, para reemplazar las instalaciones analógicas y para el crecimiento de la infraestructura de redes de agregación al backbone, en las mismas regiones citadas en el párrafo anterior. Si bien la mayor parte de las tecnologías involucradas fueron suplidas por menos de 10 fabricantes líderes, en países como China, India, Brasil, Rusia y otros, un importante porcentaje corresponde a diseños y fabricación
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local. En una veintena de países en vías de desarrollo, los grandes fabricantes tradicionales hicieron acuerdos con empresas nacionales para la fabricación local, obedeciendo a estrategias de desarrollo de esos países. Estos acuerdos fueron utilizados para el uso doméstico de las tecnologías de conmutación y transmisión, así como para la exportación a otros países del Hemisferio Sur. Esta estrategia permitió que grandes volúmenes de compras a nivel mundial pudieran ser satisfechos en un menor período de tiempo, al descentralizar fases para la fabricación, aunque generalmente sin incluir la fabricación de la microelectrónica asociada. Este punto crítico para el crecimiento tecnológico de un país fue descentralizado parcialmente en países del Sudeste de Asia, hasta la plena emergencia de China como fabricante y diseñador de clase mundial, status que mantiene actualmente y perfecciona, con desarrollos propios en todas las áreas de las telecomunicaciones que superan en performance a las tecnologías de los grandes fabricantes occidentales. Utilizando parámetros generales de grandes fabricantes y los datos publicados de países como USA, UK, India, etc., puede aproximarse un promedio de líneas por central de conmutación y por nivel de desarrollo del país, lo que será utilizado luego para una estimación global de la cantidad de nodos de conmutación TDM, dato que es relevante para estimar la complejidad de la migración futura de TDM hacia IP. Al año 2010, el 99.99% de las líneas de telefonía fija residen en 125 países sobre un total registrado de 224. El 0.01% restante corresponde a 5.07 millones de accesos distribuidos en 96 países, promediando 52.800 líneas en cada país, con un máximo de 200.000 líneas fijas. De los 125 países, solo 80 superan el millón de líneas y con ello acumulan el 98.01% del total, lo que implica una elevada concentración del servicio de telefonía fija. Los ambiciosos planes de China para su desarrollo cubren todos los órdenes en redes fijas, móviles y datos. En un período de tiempo muy breve, de menos de dos décadas, China es el principal proveedor mundial de equipos de telecomunicaciones y de microelectrónica. Los chips de China son utilizados en las fábricas de origen de las empresas más importantes de Europa, Japón y los EEUU, aún con las reticencias de este último. India es otro gigante de Asia que ha optado, estratégicamente, por el desarrollo de una industria local para la fabricación de centrales de conmutación, tecnologías de radio y otras, aunque tecnológicamente está muy por detrás de China debido a un conjunto de factores estructurales, políticos, económicos y sociales. Así, para las tecnologías críticas de alta capacidad y performance, aún depende de la provisión de fabricantes europeos y norteamericanos (USA, Canadá), como en el caso de tecnologías ópticas y switches de alta capacidad. La mayor parte de las centrales y concentradores remotos TDM terrestre son de abonados POTS, pues ISDN representa menos del 1,5% del total de líneas fijas. Una estimación del total de conmutadores TDM requiere una segmentación en, al menos, cinco categorías según la cantidad de líneas que manejan, y este aspecto está directamente relacionado con la cantidad de centros poblacionales y su propia segmentación. A grandes rasgos, un 60% ó más de los elementos de conmutación TDM son concentradores remotos con menos de 1.000 líneas, utilizados en unos 200.000 centros poblacionales aislados, en todo el mundo. Este valor obra como referencia pues estas tecnologías, de alta capacidad y estabilidad, son utilizadas en los centros más importantes y se complementan con decenas de tecnologías de conmutación de baja capacidad, en varios casos de fabricación local, que se instalan en ciudades con 5.000 líneas ó menos. Adicionalmente, los grandes fabricantes proveen concentradores remotos (hasta 1.000 líneas) controlados por la central Clase 5 con protocolos propietarios. Finalmente, un valor muy apreciado de estas tecnologías es la performance como centrales Clase 4 (tránsito), especialmente para uso internacional, ya que constituyen el aspecto más complejo de las redes de telefonía por las exigencias de interoperabilidad con las redes de señalización global.
1.11.2 Sustitución de la Conmutación TDM por IP en Redes Empresariales El mercado de VoIP empresarial es relevantes para los operadores de redes públicas, quienes pueden ofrecer trunking SIP ó H.323 para interconectar sucursales, hosting virtual de PBX IP, servicios integrados en IP de voz y datos, tercerización de la gestión de las redes privadas, securización IP y otras soluciones. Desde el año 2000 se impulsa la migración hacia VoIP en las redes corporativas, inicialmente con las PBX IP y nuevos terminales inteligentes, cableado Cat 5 y conectores de redes LAN, y con servicios integrados de voz y datos como "click to call", videoconferencias IP y otros basados en servidores de aplicación internos ó externos. En grandes empresas, con múltiples sucursales nacionales e internacionales, la migración hacia VoIP permite desarrollar redes de comunicaciones integradas, con mayores prestaciones integradas a menor costo.
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La aparición de operadores en competencia en grandes áreas metropolitanas, utilizando softswitches cada vez más desarrollados abrió el camino, hacia el 2003, para la oferta de servicios de PBX IP virtuales (hosted) en el segmento de PyME y Call Centers de hasta 100 ó más líneas (80 Kbps full duplex por línea). Este servicio tiene la ventaja de eliminar la PBX física en la empresa, reemplazada por gateways para voz y datos, que reutilizan el cableado y los terminales POTS existentes, pudiendo tercerizarse la gestión OAM&P en el operador VoIP. El mercado global de líneas PBX es enorme, con casi igual cantidad de líneas internas en PyMEs (asientos) y en grandes empresas, las que pueden migrar hacia VoIP con algunos de los dos esquemas previos. El impulso para migrar desde PBX TDM analógicas hacia PBX IP reales ó virtuales se ha apoyado en una fuerte campaña de marketing de fabricantes de estas tecnologías y operadores en competencia, y la solución es adoptada por menores costos y por razones de imagen empresarial (modernidad). Solo las empresas con múltiples filiales nacionales ó internacionales aprovechan los menores costos del trunking IP, pues en la mayoría de las PyME y SOHO, el tráfico entrante y saliente se acopla a la PSTN por gateways con troncales E1/T1 ó líneas POTS, ya que el total de carriers VoIP y los terminales interconectables en modo IP es todavía reducido, con menos del 10% de las líneas de telefonía fija públicas operando sobre IP, con señalización intercarrier SIP-T, H.323, etc. A fines del año 2003 existían casi 7 millones de teléfonos VoIP instalados en PBX IP empresariales de más de 30.000 grandes y medianas organizaciones en todo el mundo, generalmente coexistiendo con las instalaciones de PBX TDM, con problemas de interoperabilidad como el eco. A fines del 2011, el mercado de negocios de los EEUU verificaba una penetración de líneas de telefonía VoIP en sobre el total cercana al 31%, equivalente a unos 18 millones de teléfonos VoIP operando con centrales PBX IP. Este valor contrasta con el 19% de las líneas de la PSTN de USA que operan bajo VoIP, considerando que los accesos fijos utilizan terminales POTS. Con un mercado VoIP corporativo de USA, Europa y Asia Pacífico dividido en partes casi iguales, un cálculo de primer orden posiciona el mercado mundial de líneas privadas empresariales (Dic. 2011), en unos 210 millones de líneas (asientos) de PBX, de las que cerca de 75 millones se basan en VoIP (35% de penetración). Las proyecciones de diferentes consultoras, por lo general optimistas, indican que la penetración de VoIP en el mercado empresarial global llegará al 66.5% hacia el 2015, quedando una base del 33.5% de líneas TDM. Es poco probable que, para entonces, la infraestructura global de telecomunicaciones haya migrado hacia VoIP en igual proporción, por lo que los gateways de troncales TDM y de señalización CCS7 hacia la PSTN seguirán siendo necesarios para disponer de conectividad global con el resto de las líneas fijas y móviles. Tal cuestión no descarta el empleo de gateways VoIP con señalización SIP-T ó equivalente desde grandes corporaciones hacia carriers mayoristas VoIP, para implementar interconexiones VoIP extremo-extremo donde sea posible. La versatilidad del servicio de PBX IP virtuales, provisto por operadores incumbentes y en competencia, tiene un impacto negativo en el mercado de centrales PBX IP. El uso de VoIP empresarial soporta el estigma de la vulnerabilidad de los sistemas basados en IP a los ataques informáticos, la intrusión y la disponibilidad de los servicios, factores que no existían en las tecnologías TDM tradicionales. Este aspecto es relevante al decidir la actualización de las redes empresariales de telecomunicaciones, más allá de las ventajas publicitadas sobre la convergencia de la infraestructura de las redes internas de voz y datos, por ejemplo la necesidad de cableado con topología estrella desde los switches LAN, que está espacialmente separado por servicio si se utilizan los terminales VoIP en paralelo con las PC de escritorio. Solo con softphones en las PC se emplea el mismo port. La adopción de nuevas y radicales tecnologías no solo requieren de una maduración en su fabricación y operación que requieren al menos una década, sino que el rol del usuario en la adopción de tales tecnologías es fundamental y frecuentemente soslayado por la necesidad de nuevas ventas, las que se apoyan en campañas de marketing masivas y plurianuales. Más allá de un grupo inicial de usuarios, que siempre está dispuesto a utilizar tecnologías avanzadas, el grueso de los compradores corporativos tiene un carácter conservador, como se ha probado sin pausas en la historia de las nuevas tecnologías. En algún momento, quienes toman decisiones de compra suman opiniones y resultados de los primeros y, factores tales como el QoS y la confiabilidad de las redes VoIP se hacen sentir y producen una retracción a su adopción.
1.11.3 Impacto de los Recursos Humanos en el Recambio Tecnológico Un indicador histórico, utilizado para medir la eficiencia operacional de los operadores de telecomunicaciones, ha sido la cantidad de líneas fijas por empleado, y su equivalente para la telefonía móvil. En las redes actuales, promedios de 200 líneas fijas ó 2.000 líneas móviles por empleado es aplicable a operadores occidentales y, si se utiliza a nivel global para resultados de primer orden, se obtienen cifras de 4.1 millones de empleados para el negocio de telefonía fija y de 2,4 millones de personas trabajando en operadores de telefonía móvil. Con la estimación de que al menos 1/3 del personal está afectado a tareas técnicas, casi 2.2 millones de personas en
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todo el mundo trabajan diariamente para la gestión operacional de casi 6.500 millones de líneas fijas y móviles que, en su gran mayoría, utilizan conmutación con tecnologías TDM para los servicios de telefonía. Este personal trabaja sobre las redes de acceso, de transmisión y de conmutación, en diferentes roles OAM&P, planificación, diseño, especificaciones, etc. La gestión de los procesos de conmutación TDM (OSS, NMS y el control de la performance, bases de datos de enrutamiento, clientes, tráfico, señalización, etc., ocupa hasta un 25% del personal técnico, mientras que la gestión de las diversas subredes de transmisión puede emplear un 30% del personal técnico, los cuales tienen una formación basada en conmutación y transmisión digital TDM. El resto del personal está afectado a tareas de OyM, con conocimientos acumulados en telefonía POTS, ISDN y plantel exterior de pares de cobre, que incluye accesos xDSL y en nuevos accesos basados en FTTx. Cuando se plantean iniciativas globales hacia infraestructuras de transmisión y conmutación basadas en IP, si bien la primer fase se basa en la emulación de redes TDM para las interconexiones con la PSTN/ISDN, hasta que la migración finalice, no es adecuadamente contemplado el hecho de que dos perfiles técnicos deben ser utilizados en la transición: la "gente TDM" y "la gente IP". Los perfiles del know-how de ambas clases son muy diferentes, generados con numerosos años de formación en diferentes disciplinas y, aun así, deben cooperar en un contexto de conocimientos solapados para la interconectividad entre secciones TDM e IP de las redes. Por ejemplo, adquirir los conocimientos básicos sobre una determinada tecnología de softswitches, requiere de una formación por parte del fabricante no inferior a cuatro meses, a lo que debe agregarse al menos un año de maduración de conocimientos en la práctica. Esto es independiente del origen base TDM ó IP del conocimiento del empleado en su "re-entrenamiento", aunque por la diferente formación, existirán ventajas muy parciales en el entendimiento de técnicas TDM ó IP. El problema en la formación "gente IP" para sistemas para VoIP basados en Softswitches, NGN ó IMS aparece al enfocar el know-how subyacente en conmutación y transmisión TDM, la cual es emulada. Para el caso de la "gente TDM", el problema aparece en el entendimiento de las redes IP/MPLS, los SBC, sistemas de seguridad en IP, gestión del QoS, impacto de los codecs y la paquetización IP y en otros sistemas IT complementarios. El problema de los recursos humanos es uno de los cuellos de botella de la migración TDM a IP, dado que para muchos empleados con el know-how en redes TDM se aproxima la edad de retiro, pero tienen el know-how que es imprescindible para la migración de TDM a IP. La fuerza laboral de la "gente IP" tiene menos de 40 años, ya que la mayoría del conocimiento sobre redes IP tiene menos de dos décadas de antigüedad. Si al problema anterior, que no es tratado públicamente, se agrega el hecho de que la migración hacia IP hace obsoleta la gran mayoría de la fuerza laboral en TDM, pues el uso de las tecnologías VoIP cambia el indicador de 200 líneas a más de 2.000 líneas por empleado, el espectro del desempleo en el área técnica no goza de la simpatía de quienes deben ceder el know-how en TDM a la siguiente generación de la "gente IP". Tal situación no es parte de la sensibilidad de los fabricantes, consultoras y operadores hasta que se transforma en crítica cuando se ponen en marcha proyectos de subredes basadas en IP, que requieren de la estrecha colaboración de ambos grupos: la "gente TDM" y la "gente IP". No se conoce una solución práctica a este problema, ya que su impacto es socio-económico y no tecnológico, por lo que no existen "diseños de laboratorio" que funcionen. En la historia de las telecomunicaciones y de las tecnologías basadas en la electrónica, han existido múltiples casos de abruptos cambios generacionales, como la introducción de la telefonía digital fija, las redes móviles, las fibras ópticas, etc., ó, como en la microelectrónica, las introducciones del transistor, el IC VLSI y el DSP. En la mayoría de los casos, las transiciones se realizaron durante una generación humana (20 años), dando lugar a que el problema se resuelva por sí mismo y cuidando transiciones bruscas que pueden crear inestabilidades y fallas difíciles de solucionar en el contexto donde las nuevas tecnologías son implementadas. El tema aquí tratado ha tenido un impacto importante en los proyectos de migración total a NGN en un espacio de siete años, desde el 2004, en países como Holanda y el Reino Unido, dando lugar a replanteos. A esto debe sumarse el hecho de que la maduración de tecnologías masivas requiere muchos años de pruebas y errores.
1.11.4 Alternativas a la Conmutación y Transmisión TDM La anunciada migración masiva de TDM a IP durante la década anterior no se ha cristalizado aún. En el 2013, VoIP (Softswitch, IMS) en redes públicas de telefonía fija tiene una penetración del 10% del total de líneas, en parte por la resistencia de los operadores a invertir para reemplazar sus centrales TDM Clase 4 y Clase 5, de muy alta confiabilidad y diseñadas para durar décadas. No se invierte en la sustitución de tecnologías TDM.
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Este punto repasa las cuestiones críticas por las cuales la propuesta de sustitución de las tecnologías TDM por IP en redes fijas no ha logrado el éxito previsto, y presenta el escenario actual y las ventajas y desventajas de estas tecnologías y sus diferentes modelos, desarrollados desde 1999. Se asume un conocimiento básico del modelo Softswitch para su adopción en redes fijas y en el núcleo de conmutación de las redes móviles. Entre las razones a favor o en contra de la adopción masiva de voz sobre IP en redes públicas se citan:
La desaparición de empresas líderes ó la decisión de discontinuar el soporte de hardware y software de tecnologías de conmutación con una gran base instalada, por parte de los grandes fabricantes.
El impacto en los operadores de la baja de subscripciones de accesos POTS ó ISDN en los países más desarrollados, por la sustitución de líneas adicionales para accesos dial-up a la Internet por accesos de banda ancha, y la adopción del acceso móvil como línea primaria, sea con abono mensual ó prepaga.
Las complejidades de los modelos convergentes NGN e IMS para la sustitución TDM, con pendientes para la normalización, como ser los terminales convergentes, redes de acceso, gateways residenciales con propiedades convergentes de voz y datos, incluyendo el cableado interior, el QoS extremo-extremo, el uso de IPv4 ó IPv6, junto con vulnerabilidades e inestabilidades detectadas en las redes prototipo instaladas en países centrales desde el año 2005.
El problema de los recursos humanos técnicos, divididos entre "la gente TDM" y "la gente IP" en los operadores de telefonía, y la dificultad de transferencia cruzada de know-how entre los dos grupos, aun cuando el propósito inicial es instalar subsistemas de emulación de conmutación TDM en el mundo IP.
La dominancia de la Internet para proveer nuevas aplicaciones multimedia, potenciada con la explosión del uso de comunicaciones sobre redes sociales. Los operadores de telefonía no disponen de servicios con una percepción de alto valor agregado, tal que motiven a los usuarios a la adopción masiva de los servicio VoIP. La menor calidad subjetiva del audio VoIP (MOS), las limitaciones de la Internet "walled garden" en redes fijas ó móviles y otros aspectos, fueron recibidos negativamente por los usuarios.
La demora en proveer servicios Triple Play en los nuevos modelos de redes fijas basadas en IP, con obstáculos de tipo regulatorio, legales por los dueños del contenido (los estudios de cine y TV) y las complejidades de las tecnologías Server-STB para autenticar y prevenir copias de contenidos (DRM).
El impacto socioeconómico de la fuerte reducción de la fuerza laboral requerida para operar las nuevas redes, afectando cientos de miles de empleados, debido a que las nuevas tecnologías requieren hasta 10 veces menos empleados técnicos que en las redes de conmutación TDM.
Elevados niveles de inversión inicial de capital para el cambio de infraestructura TDM hacia IP.
Nuevos problemas, inexistentes en TDM, como el uso de modems dial-up, faxes y señales de alarmas.
Actualmente, por algunas de las razones previas u otras, la activación de los proyectos de migración de TDM a IP carecen de atractivo para los grandes operadores del mercado. Si, en cambio, son una solución para nuevos operadores en competencia, nuevos proveedores de telefonía fija por redes de cable ó para pequeñas telcos que requieren el reemplazo de tecnologías TDM obsoletas, sin soporte de los fabricantes originales. Dentro de las soluciones prácticas, la utilización de softwitches carrier-grade (VoIP Carrier) es una solución económica. El modelo Softswitch tuvo un pico de demandas entre el 2003 y el 2007, declinando desde el 2008 en adelante con fuertes caídas en las ventas de conmutadores VoIP, con un mercado sostenido por ventas de subsistemas como gateways de acceso VoIP/MSAN, gateways de trunking a la PSTN/ISDN y algunos softswitches de nueva generación para redes móviles. Es visible el abandono de la fabricación por parte de los mayores fabricantes, excepto en algunas tecnologías mejoradas sobre IMS, como la extensión para IPTV y VoD bajo control DRM. Este modelo se enfoca en replicar, por emulación, cada una de las capacidades de las centrales TDM y permite el desarrollo de prestaciones adicionales en telefonía, con productos desarrollados por el fabricante original ó por terceros, como Centrex, Hosted PBX, nuevos servicios Clase 5 e IN, etc.). Varios diseños han licenciado ó adquirido el know-how de grandes fabricantes de centrales TDM, cuyos procesos se emulan y/o mejoran con hardware y software específico para el entorno de conectividad bajo IP. La emulación de TDM en software y hardware aprovecha años de maduración de centrales TDM, como el caso de tecnologías Nortel DMS y la adquisición del know-how por parte de Genband. Utilizando placas blade en racks con capacidad de crecer por módulos, se replican en el softswitch cada función del procesador maestro de la central TDM, como ser procesos de gestión de llamadas, de señalización CCS7, gestión de bases de datos (abonados, enrutamiento, servicios Clase 5, OyM, etc.). Una de las propiedades de estas arquitecturas
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abiertas, es la disponibilidad de diferentes APIs, basadas en SIP u otros, para crear nuevas aplicaciones en servers externos integrando aplicaciones y elementos de redes IN. A la vez, el modelo permite descentralizar los subsistemas de acceso de abonados, de troncales y señalización CCS7, que pueden residir a miles de Km de distancia, con diferentes prefijos telefónicos. La clave, a diferencia de la conmutación TDM, es la separación del plano de servicios y de transporte cuando se substituye la matriz de conmutación TDM por una red IP/MPLS WAN de alta capacidad y con el QoS necesario para VoIP. La red IP distribuye la conmutación en una geografía WAN, mientras que la matriz TDM de una central existe en racks dentro del mismo piso de tecnología que el resto de la central TDM. La flexibilidad de la red IP permite asignar a cada gateway de acceso una numeración arbitraria, por lo que un softswich puede operar sobre un gran número de jurisdicciones nacionales, e incluso diferentes países, para nuevos servicios que no se pueden implementar en las redes de conmutación TDM, como ser la operación de un número E.164 con independencia de la locación física del gateway de acceso. Estas capacidades crean singularidades que requieren de nuevos marcos regulatorios, ya que las fronteras geopolíticas son abstractas para las prestaciones. En los últimos años, un argumento de venta de los fabricantes de sistemas VoIP públicos ha sido la mejora de las ganancias por disminución del OPEX, debido a la concentración del staff para operar sistemas Carrier VoIP, lo cual no ha sido suficiente para la adquisición masiva de estas tecnologías, cuyas ventas han caído sin cesar desde el año 2008. Fallas y carencias registradas en grandes emprendimientos NGN (caso emblemático de BT y red 21CN) y su abandono parcial hacia el año 2007 favorecen el uso de redes solapadas para voz y datos. Actualmente, las redes solapadas de voz POTS y ADSL, con accesos que utilizan el mismo par de abonado y splitters pasivos, proveen la mayor parte de los ingresos de los operadores de redes fijas. El uso de FDM en el par de cobre permite transportar voz en banda base y modulación xDSL en altas frecuencias, señales que se separan en el repartidor general de acceso a las Oficinas de Conmutación (CO), para procesarse por separado en redes de conmutación telefónica TDM y concentradores DSLAM hacia redes IP con gateways a la Internet. En modelos con Softswitch ó tecnologías pre-NGN, el teléfono POTS utiliza un adaptador con RJ-11 en un ATA acoplado a un modem ADSL, un MTA en cablemodems ó un e-MTA (VoIP en cablemodems) ó en ports RJ-11 de un ONT (Optical Network Terminal) en accesos FTTx. Si un terminal VoIP está homologado por el operador, puede conectarse a un port RJ-45 de la LAN local y señalizar en SIP contra el softswitch de la red VoIP. Las telcos, frente al cese del soporte de hardware y software en sus tecnologías de conmutación TDM, resisten la migración forzada hacia IP, para lo cual tienen procesos internos de sustitución de partes utilizando centrales de conmutación dadas de baja y/o relocalizando subsistemas TDM sin servicio, como un concentrador remoto, en otras áreas geográficas. Debido a la calidad de las tecnologías de conmutación TDM, con elevados MTBF (Mean Time Between Failures), el servicio actual puede seguir por varios años hasta que las centrales lleguen al fin de su ciclo activo y demanden su reemplazo por fallas frecuentes ó insolubles. Es posible que esto ocurra luego de 25 a 30 años de servicio activo, lo que ocurrirá casi masivamente desde el año 2020 en adelante. Para entonces, ya habrá madurado la fabricación de las tecnologías de sustitución (IMS, NGN otras), pudiendo los operadores disponer de medios y recursos para el recambio generalizado de sus infraestructuras. Los casos de accesos basados en FTTx son aún escasos, pues el despliegue de accesos NGA residenciales solo es significativo en tres países: Corea del Sur (55%), Japón (32%) y los EEUU (10.9%), mientras que en otros pocos no supera el 3%. Generalmente los accesos FTTx son ofrecidos con servicios Triple Play, siendo VoIP opcional. Un factor atractivo de VoIP en NGA es la disponibilidad de codecs para telefonía de banda ancha (G.711.1: 50 Hz -7500 Hz), aunque esta capacidad solo será útil cuando la base instalada permita que la mayoría de las conexiones telefónicas se realicen con esta calidad, pues sino la voz se transcodifica a G.711. Los datos sobre la penetración de VoIP pueden ser confusos si las consultoras contabilizan a los ITSP VoIP, que utilizan la Internet como Vonage (USA), iVOIPE (múltiples países), Newik (ídem), VoIPTiger (Europa), Skype y otros cientos de operadores ITSP (Internet Telephony Service Providers). Según la premisa de que un Carrier VoIP utiliza una red IP privada, con QoS controlado, solo las telcos y los operadores de cable (MSO) proveen esta calidad de servicio. Los EEUU lideran la penetración de Carrier VoIP con 24 millones de líneas VoIP (15% del total) a fines del 2011, siendo casi el 90% provisto por los MSO (cable). La mayoría de las líneas VoIP fijas instaladas por los MSO en redes de cable tienen tecnologías afines a su infraestructura IP, basadas en cablemodems DOCSIS, CMTA, red IP privada y softswitches y gateways bajo el modelo PacketCable. Solo en las redes de cable DOCSIS es posible ofrecer QoS garantizado, con tecnologías que han sido adoptadas en redes WiMAX. Para el caso de las telcos, solo en Holanda se verifica una migración
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del 40% de las líneas basadas en TDM hacia tecnologías IP. En USA, AT&T ofrece VoIP como opcional en su oferta Triple Play sobre FTTx, en tanto que Verizon (FiOS) provee Triple Play con VoIP de banda ancha. Holanda, uno de los primeros países en adoptar el concepto "all over IP", tiene 3.4 millones de líneas al 2010, con el 55% provisto por las dos telcos principales y el 45% por los MSO. Argentina tiene cerca de 1 millón de accesos VoIP (70% de telcos y 30% de los MSO); Chile contabiliza casi 0.4 millones de líneas VoIP basadas en prestaciones de los MSO, y centradas en las principales ciudades, a diferencia de Argentina. Brasil tiene casi 3 millones de accesos VoIP (telcos), con cifras similares a las de China, lo que revela una gran dispersión en la adopción de VoIP como sustitución de accesos POTS basados en conmutación TDM. Un valor promedio a nivel mundial, sobre casi 200 países, indicaría una penetración de VoIP fija, con calidad telco, cercana al 6% ó casi 75 millones de accesos VoIP que han sustituido los accesos POTS-TDM, utilizando una amplia variedad de soluciones para el acceso a las redes de telcos y MSO, generalmente con comutación por softswitches. Cuando se trata sobre los accesos provistos por los ITSP, los usuarios de VoIP fija crecen a casi 150 millones, aunque no existe la certeza de que los usuarios VoIP han descartado el acceso de telefonía fija TDM, pues los bajos precios de estos servicios llevan a utilizarlos como alternativas para llamadas de larga distancia, que en muchos casos son gratuitas. Un ejemplo con el mayor ITSP, Skype, muestra que solo el 6% de sus usuarios pagan por los servicios de telefonía VoIP, para terminaciones en redes fijas y móviles, mientras que la mayoría del tráfico se realiza entre terminales pares dentro de la Internet, sin costos para el usuario. Cabe agregar que el mayor movimiento hacia VoIP se está realizando sobre smartphones y redes móviles, ya que en forma muy simple se instala una aplicación VoIP (app), con la cual se utiliza el acceso 3G para puentear la red de telefonía móvil 2G. Esta tendencia amenaza los ingresos de los operadores móviles que, en diversos países, han comenzado a aplicar cargos adicionales por el uso de estas apps, administradas por los ITSP. Es importante remarcar que, para este documento, los servicios Carrier VoIP válidos excluyen a los ITSP, que son más populares y competitivos en Europa, Asia y Latinoamérica que en los EEUU y Canadá. Esta posición solo contabiliza las líneas de los operadores incumbentes ó en competencia que ofrecen servicios VoIP dentro de sus redes IP/MPLS privadas, utilizando tecnologías Softwitch ó IMS, lo cual garantiza un mejor QoS que con los ITSP. Los reportes sobre las líneas de acceso VoIP producidos por diferentes consultoras ó publicaciones no diferencian con claridad si la Internet está involucrada en el transporte parcial ó total de los flujos VoIP. Varios ITSP utilizan tecnologías basadas en Softswitches y subredes IP privadas, pero emplean Internet para la conectividad extremo-extremo en algún segmento de sus redes. Como los ITSP no tienen control sobre el QoS de Internet, si bien pueden sobredimensionar sus subredes IP/MPLS privadas, se obtienen interconexiones con resultados dispares en cuanto a la calidad percibida del audio telefónico. En regiones con backbone de Internet sobredimensionados puede proveerse una calidad aceptable, pero sin garantía para cualquier llamada extremo a extremo. Un Carrier VoIP administra su red IP/MPLS privada, utiliza trunking VoIP con los destinos centrales y emplea trunking TDM para terminar llamadas sobre destinos sin terminaciones IP. Esto permite una calidad de servicio superior (audio, terminación de llamadas) que con los ITSP, aunque a mayores costos que estos. Japón (21 millones, 41%) y Francia (16 millones, 42%), se contabilizan en el segundo y tercer lugar en líneas VoIP fijas, por la alta penetración del servicio de banda ancha por FO (FTTH, FTTC) con el QoS adecuado, que es provisto en sus redes internas. Tal como en los EEUU, las líneas con calidad Carrier VoIP se ofrecen dentro del servicio Triple Play, con subscripción opcional, pudiendo optarse por líneas con calidad TDM. El factor más relevante para el usuario final es el costo total en tarifas y abonos, para hacer atractivas las propuestas. Mientras se aguarda la maduración conceptual de la arquitectura de comunicaciones públicas del Siglo XXI, las diferentes soluciones basadas en softswitches, IMS y proveedores ITSP son utilizadas sin un criterio definitivo en los diferentes mercados en expansión, como en el caso de Brasil y México y varios países de África, Medio Oriente y Asia. Los productos complementarios del combo Triple Play tienen buena aceptación en Europa, con varios millones de subscriptores de IPTV y VoD, con las empresas de cable gozando de una mejor posición, ya que sus redes DOCSIS/HFC pueden proveer QoS con reservación, factor que provee la mejor calidad del audio telefónico de todas las soluciones de voz sobre IP. Tal tecnología ha sido adoptada en WiMAX (IEEE 802.16e), que es promovida en países en desarrollo que buscan minimizar los costos de sus redes de transmisión. La solución VoLTE (Voice over LTE), para accesos en modo paquete sobre redes móviles, es otro ejemplo de la disponibilidad de QoS garantizado en el acceso inalámbrico, el cual puede ser extendido en el Núcleo IMS ó EPC de LTE, para lograr QoS controlado extremo-extremo en sesiones de streaming media (audio y video).
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1.12 Ejemplos de Aplicaciones de VoIP y de Redes Convergentes A continuación, se presentan algunos ejemplos de operadores de cable y de telecomunicaciones que utilizan conceptos alternativos a NGN, como telefonía VoIP con softswitches y telefonía emulando POTS mediante el uso de codecs de telefonía de banda ancha (red FiOS, USA). En los EEUU, Chile, Argentina y otros países, los operadores de redes de cable compiten con las telcos en el segmento de telefonía por cable (VoCable), con una segunda generación de tecnologías basada en VoIP y el modelo softswitch que, además, permite a los mismos ofrecer un combo de servicios Triple Play. La primera generación se basaba en técnicas de modulación de fase para telefonía TDM, y también permite este servicio. De acuerdo a estadísticas del FCC, en USA existen más de 21 millones de subscriptores de telefonía VoIP que están abonados a un operador de cable ó un operador VoIP en competencia, con casi 18 millones de accesos VoIP que son suplidos por las empresas de cable. Estas líneas no se contabilizan en el total de accesos de TE fija TDM tradicional, y son una de las razones de la declinación de accesos TDM. En mercados más reducidos, como Chile y Argentina, los accesos VoIP de los operadores de cable son casi 0.25 millones, con Triple Play. Una alternativa a NGN fue desplegada en los EEUU por los operadores incumbentes desde el 2005, utilizando accesos de FO tipo FTTx, softswitches para VoIP y tecnologías para servicios de TV (TDM/FDM e IPTV), dado que el mercado Triple Play está desregulado, a diferencia de Argentina y Chile, donde solo los operadores de redes de cable pueden ofrecer este servicio. En la red FiOS de Verizon (USA, 2005) se utilizan tecnologías FTTH (Fiber to the Home) y terminaciones ONT (Optical Network Terminal) en el hogar, los cuales permiten servicios Triple Play con cableado coaxil para TV y Cat 5 para datos, VoD y telefonía Digital Voice, que emula POTS con codecs de banda ancha (50 Hz – 8000 Hz). FiOS ofrece IPTV ó VoIP como alternativas al servicio base (TV cable) y utiliza tendidos PON (FO pasivas multipunto) y tres longitudes de onda () para el transporte de diferentes servicios, con audio telefónico TDM de calidad superior a líneas POTS con codecs G.711. Los canales de TV se transmiten en paralelo, mediante multiplexación TDM/FDM, conl tiempos de zapping más rápidos que en IPTV. FiOS tiene casi 3 millones de subscriptores Triple Play, el 25% de los hogares pasados por las redes PON multipunto. En la red AT&T U-Verse (2006), el total de abonados VoIP a mediados del 2012 supera los 2.7 millones, sobre 6.7 millones de abonados para servicios de IPTV y acceso a Internet. U-Verse utiliza tecnologías del tipo FTTN ó FTTP, con terminaciones VDSl ó ADSL2+ de alta velocidad para acceso unificado sobre IP de los servicios de voz, datos y video. El equipo de terminación en el sitio del abonado (CPE) es un modem xDSL /router/switch con capacidad WiFi, el cual provee diferentes ports de voz y datos, más un STB para video IPTV. Sumando las diferentes subscripciones VoIP (operadores de cable, carriers VoIP, incumbentes), casi el 19% de los accesos de telefonía fija en los EEUU está basado en VoIP y el modelo softswitch, con redes más simples que la arquitectura NGN, resolviendo la convergencia en el CPE ó gateway residencial.
1.12.1 Tecnologías Carrier VoIP, NGN e IMS Las iniciativas para sustituir centrales Clase 4 y 5 y sus redes de transmisión TDM, por arquitecturas basadas en IP tuvo un período de gran actividad entre los años 2001 y 2007, principalmente con arquitecturas Softswitch y con los primeros subsistemas IMS. Hacia el 2004, las tecnologías de los grandes fabricantes de MGC habían superado las capacidades de las centrales TDM, proveyendo crecimiento modular de hasta 16 millones de BHCA, 0.4 millones de troncales Clase 4 y 5, hasta 2 millones de abonados y control de hasta 200.000 Media Gateways. Los sistemas basados en MGC crecen linealmente en capacidad, sumando racks hasta 4 a 18 racks por softswitch (MGC), según el fabricante. Cada rack aporta una capacidad de 200 a 400 llamadas por segundo, y una proporción del total de troncales, abonados y Media Gateways administrados. De los 12 grandes fabricantes de tecnologías para redes públicas, la mayoría proveían los subsistemas que se requerían en el modelo, incluyendo routers IP/MPLS de alta capacidad por tres de ellos. Seis fabricantes de estas tecnologías basadas en softswitches tenían el know-how y los subsistemas necesarios para el uso de los softswitches en redes fijas ó móviles GSM y CDMA, con tecnologías actualizables para arquitecturas IMS, cuyo desarrollo fue posterior al del modelo Softswitch. Al menos tres proveen compatibilidad con redes NGN e IMS. La simultaneidad de la crisis financiera global, que se inicia en el 2007 y continúa hasta la actualidad, junto con la declinación en el uso de las redes fijas, la saturación del mercado de redes móviles, problemas de complejidad y confiabilidad de las nuevas arquitecturas IMS y NGN, y las elevadas inversiones requeridas para
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sustituir TDM por IP, han causado que los grandes operadores frenaran las inversiones para el recambio. Tal contexto hizo entrar a la industria de MGC, IMS y NGN en una crisis recesiva desde el 2008 hasta la actualidad. En tal período, se registraron numerosos cambios en los fabricantes, desde quiebras como la de Nortel, varias fusiones y transferencias de partes completas de fabricación de subsistemas, como ser el segmento de Media Gateways, hacia nuevas empresas que fueron creadas a partir de una nueva realidad económica y tecnológica. Las tecnologías de Nortel, con un market-share de casi el 24% del mercado de tecnologías softswitch, han sido adquiridas por Genband, que tambien adquirió la división MG de Siemens. Huawei, fabricante líder con un 25% del mercado (excepto USA y Canadá), mantiene un portafolio de soluciones para los segmentos Softswitch e IMS para redes fijas y móviles y NGN. En su sitio WEB, la empresa contabiliza la venta acumulada de más de 130 millones de ports VoIP Carrier-grade y casi 2.000 unidades de su Softswitch insignia, de alta capacidad y con operación integrada Clase 4/ Clase 5. Favorecido por ventas en el mercado interno de China, Huawei tiene una fuerte presencia en países emergentes, con tecnologías VoIP de sustitución TDM ó convergentes IMS y NGN, y comparte el liderazgo en IMS con Ericsson. Alcatel-Lucent ha reemplazado su Softswitch Alcatel 1000, con capacidades similares a las de Huawei, por el MGC 5060-8 (Media Gateway Controllers), con operación C4/C5 y funciones MGCF e IBCF, compatibles con IMS. Alcatel dispone de productos adicionales para IMS, como ser MG y una variedad de servers para servicios, MRF, control de sesiones, del directorio, de control de subscriptores, etc. Nokia-Siemens (hoy Nokia) se ha enfocado en fabricar subsistemas convergentes para IMS móvil, como ser CSCF, PCF y HSS, y mantener el soporte del MGC Surpass hiE 9200, contemporaneo de los softswitches de Huawei, Nortel y Alcatel. NEC se ha enfocado en nuevas tecnologías de transmisión y conmutación bajo IP, pero dispone de productos para IMS y NGN como ser HSS, SLF, CSCF, MGCF para el Núcleo IMS/NGN y RACF/NACF para la red de Transporte. Una nueva clase de fabricantes, como Genband, a la par de Huawei dominando el 50% del mercado actual, se ha enfocado en sistemas con mucha menor capacidad que las gigantes soluciones disponibles en el 2004. Con una inteligente adquisición de empresas menores, todos el know-how de las centras DMS de Nortel, interfaces con las centrales EWSD de Siemens (de quien adquirió la unidad de desarrollo de Media Gateways) y sistemas propios, Genband cubre el mercado corporativo así como el segmento de telefonía TDM pública, con productos para mantener y ampliar incrementalmente las centrales TDM, con interfaces para los diferentes subsistemas propietarios de las tecnologías instaladas. Este enfoque tiene una aceptable receptividad, considerando que no existen repuestos para centrales Nortel, y que Siemens ha discontinuado la fabricación de EWSD en el 2008, Pueden obtenerse más precisiones relevando la información de los sitios WEB de fabricantes y de operadores fijos y móviles. Las ventas de tecnologías de modelos Softswitch comprende subsistemas como softswitches ó MGC, gateways para acceso residencial y empresarial (AMG), TMG para trunking con la PSTN, SBC, gateways de señalización CCS7 (SG), servers de aplicación para nuevos servicios (AS), Media Server (MS) con anuncios básicos y DSP sobre señales de audio, controladores de políticas de tráfico y otros. Entre los subsistemas más relevantes de IMS se cuentan los servers CSCF (Call Signaling Control Function), con un rol central en el núcleo de IMS, como se trata más adelante. Otros subsistemas IMS del núcleo de IMS son: Media Gateway Control Function (MGCF), que reemplaza al softswitch para VoIP en IMS, Media Resource Function (MRF), Home Subscriber Servers (HSS) y Breakout Gateway Control Function (BGCF). En el nivel de transporte deben considerarse los subsistemas RACF y NACF, así como otros módulos para implementar las políticas de admisión, de control de QoS y de seguridad de borde. Desde el año 2008, estas áreas de tecnología están en una fase recesiva, con caídas de ventas del 15% anual. En el año 2013 comienza a verse una recuperación, sobre un mercado global de 1.500 MMU$S al año 2011. Las compras se han enfocado en nuevas generaciones de softswitches (MGC) que sean IMS compatibles, para aumentar la capacidad instalada así como la securización de redes (SBC). Los subsistemas para trunking con la PSTN (TMG) acumulan casi 30% de las ventas, y hasta un 40% se compone de MGC existentes y nuevas generaciones, con un 15% para Session Border Controllers (SBC), donde Acme Packet y Sonus lideran el segmento. El resto son subsistemas como Media Servers (MS), Servers de Aplicación de Voz (AS) y otros. Al año 2011, las ventas se repartieron entre grandes fabricantes como Huawei y Genband (35% del mercado), Sonus Networks, ZTE, Alcatel-Lucent, Ericsson, Nokia-Siemens (Nokia), Italtel, Acme Packet y otros. La venta de SBC representa el único segmento con un crecimiento sostenido de casi el 20%. En la actualidad, las expectativas se centran en la adopción de tecnologías IMS para redes móviles y fijas, por el impacto esperado de las tecnologías de acceso móvil LTE, y expectativas en el crecimiento de VoLTE como sustitución de VoIP en las redes de acceso inalámbricos 4G. También, frente a la declinación del mercado para tecnologías de redes fijas, existen previsiones de crecimiento en el segmento de softswitches y de subsistemas IMS para satisfacer las necesidades de crecimiento de tráfico y coberturas de redes móviles. En la actualidad,
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casi el 50% del mercado de tecnologías Carrier VoIP e IMS se ubica en la región de Asia-Pacífico, con China, Japón y Corea del Sur como principales compradores, y Japón liderando las compras en IMS (CSCF). No existe una tendencia definitiva por parte de los operadores para incorporar softswitches ó IMS, aun cuando es claro que el futuro pertenece a esta última tecnología. Todavía quedan indefiniciones en la arquitectura de IMS de los fabricantes, sobre cuáles son los dispositivos físicos que deben ejecutar algunas de las funciones de Servicio ó de Transporte. Mientras tanto, son los técnicos de los operadores de redes quienes balancean las prestaciones de las arquitecturas MGC e IMS en sus redes, hasta que madure la tecnología de IMS. En varios casos, se estima que las soluciones Softswitch convivirán con las soluciones IMS por muchos años más, pues los operadores que deben abandonar la conmutación TDM no están listos para administrar arquitecturas IMS que no están completamente configuradas, y que requieren de un know-how del operador mucho mayor. El trunking SIP y los SBC son importantes en Brasil y México, donde ha crecido la adopción de tecnologías del tipo Carrier VoIP. En Latinoamérica, Asia, África y Medio Oriente el fabricante chino Huawei ha desarrollado por muchos años una fuerte campaña alrededor de sus tecnologías Carrier VoIP, que ha clamado IMS compatibles. Las ventas de su modelo Softswitch, que provee alta performance y capacidad de subscriptores, ha alcanzado unos 2.000 sistemas Carrier VoIP hasta el 2013, principalmente en mercados en desarrollo. Un ejemplo es la penetración en el mercado de Latinoamérica, con Venezuela, Argentina, Brasil, México a la cabeza. Uno de los dilemas que los operadores enfrentan, al decidir implementaciones Carrier VoIP ó IMS, es cuál de las dos arquitecturas seleccionar. Las decisiones se basan en urgencias, planes estratégicos y el hecho de ser un operador que se inicia con estas tecnologías ó si ya dispone de una base VoIP instalada. Es común que, a menos de que el operador ofrezca servicios distintivos como Triple Play, el impacto de tales tecnologías sea apreciado solo por los operadores de servicios, sea por la sustitución de TDM para solucionar problemas de falta de soporte de los vendedores originales ó para expansión de los servicios a un costo más reducido. En cualquier caso, el término VoIP se ha sobreutilizado en los últimos 15 años, en particular por los casi 140 ITSP (Internet Telephony Service Providers) que operan en el mercado, y que proveen servicios de muy bajo costo pero sin calidad QoS, al basarse en la Internet. En el caso de los EEUU, Verizon ofrece sus servicios Triple Play basados en la subred FiOS, tal como lo hace AT&T con la subred u-Verse. En ambos casos, la innovación percibida por el usuario es el empleo de accesos de fibra óptica FTTx y la oferta de Internet de alta velocidad, además de IPTV y VoD. Es notable que, en ambas subredes, la decisión sobre los servicios de voz se base en tecnologías con calidad TDM, siendo VoIP opcional. El impulso actual de ofertas tecnológicas en el mercado se enfoca en la sustitución de la conmutación TDM con soluciones convergentes basadas en IMS, aún con la reticencia de los grandes compradores. Sobre las otras subareas de los modelos NGN e IMS, como la de servicios multimedia (Internet dentro de la red de los operadores) ó servicios de video (IPTV, VoD) existen empresas especializadas con tecnologías pre-IMS, con excepción de Ericsson, que ha sido pionero en ofertar IPTV sobre IMS desde el año 2008.
1.13 Conclusiones En los últimos 35 años se ha asistido a una transformación extraordinaria en la capacidad de acceso a bienes y servicios en todos los países del globo. Las tecnologías TIC (Información y Comunicación) han evolucionado desde una base mínima, con altos costos de adquisición, a un escenario actual donde una de cada dos personas tiene un terminal de telefonía y mensajería, y una de cada 10 personas dispone de un terminal móvil con capacidad integral de comunicaciones de voz, datos y video, proveyendo acceso ilimitado a la información multimedia y a la conectividad con, prácticamente, cualquier otro ser humano. Los avances en las TIC son solo una parte de la evolución de las tecnologías y procesos industriales, que alcanza cualquier actividad imaginable del ser humano. La invención y evolución del microprocesador, los desarrollos en la microelectrónica y diferentes categorías del software han permitido nuevas y asombrosas capacidades en la fábrica, la oficina, la escuela, el hogar y otros ámbitos, junto con una reducción en tamaños y costos que posibilitan disponer actualmente en un smartphone de 140 gramos más potencia informática que en un centro de cómputos de los años `70. El desarrollo y consolidación de las redes globales de información y servicios, junto con transformaciones en los hábitos y costumbres comunicacionales de las personas y toda la sociedad en sí, hacen posible que una persona, si lo desea, pueda vivir diariamente en un estado de información casi integral, y esto es el principio de una nueva generación con relación simbiótica de usuarios y servicios, con ventajas y desventajas asociadas.
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Así como para las personas, los servicios de conectividad empresarial para multimedia se han normalizado, abaratado y masificado, poniendo al alcance de cualquier categoría de empresas redes privadas virtuales y servicios de interconexión punto a punto con prestaciones acorde a la potencia de sus sistemas en sus LAN. Esto se acompaña con servicios de gestón tercerizada ó compartida entre las empresas y los proveedores, lo que simplifica la adopción de nuevas tecnologías y servicios. Quedan pendientes, y con mucho esfuerzo por delante, el cierre de la brecha digital entre países industrializados, en desarrollo y subdesarrollados así como la convergencia de servicios de redes fijas y móviles en una única entidad, para los operadores y los usuarios y la provisión de servicios Cuadruple Play. El conflicto tecnología-sociedad es ahora más real que tres décadas atrás, aunque existen acuerdos tácitos para reducir el impacto de la robotización de la fábrica y de la automatización de la oficina y de la sociedad mientras se van modelando nuevos esquemas del trabajo, la educación, la salud, la política y otras áreas para ajustar el desfasaje entre la evolución social y cultural y la evolución tecnológica. En las telecomunicaciones, la infraestructura global está rezagada respecto del potencial que puede aplicarse para construir la siguiente generación de tecnologías de conmutación, transmisión y servicios. Existen pruebas claras de que el histórico modelo de negocios de las empresas de telecomunicaciones es obsoleto, y esto se comprueba permanentemente a través de cada nueva prestación masiva en la Internet. Mientras que un nuevo servicio sobre las redes de telecomunicaciones fijas y móviles tomaría una gran cantidad de tiempo para su puesta en marcha, por los acuerdos entre miles de operadores de redes, la Internet tal como una red única, global y sin fronteras, posibilita la disponibilidad de la nueva prestación en forma instantánea para todos. Los riesgos de una aceleración en la introducción de tecnologías y servicios TIC son enormes. Por ejemplo, el recambio de la actual infraestructura de telecomunicaciones, esencialmente basada en tecnologías TDM, por modelos integralmente basados en IP, pueden decimar la fuerza laboral activa en menos de una década, eliminando varios millones de puestos de trabajo por el aumento de la eficiencia de gestión según la cantidad de accesos por empleado. Simultáneamente, la nueva generación de comunicaciones sobre IP podría reducir el rol de los operadores tradicionales a la mera prestación de servicios de conectividad con la Internet, lo que implica una gran pérdida de rentabilidad en la industria. El impacto social del uso excesivo de las facilidades de las comunicaciones interpersonales sobre terminales móviles recién comienza a ser estudiado para proveer estimaciones a mediano plazo, aunque es visible el cambio del comportamiento de determinados segmentos de usuarios hacia una interacción principalmente virtual, desnaturalizando la socialización en grupos reales mediante comunicación verbal y otras pautas de interacción, como los juegos físicos reales en lugar de los juegos virtuales en grupo. Existe el peligro de una desensibilización para con las relaciones y emociones humanas, percibidas solo en interacciones reales. Puede decirse, en resúmen, que la evolución en las telecomunicaciones y en las TIC en general han provisto, desde la nada cuatro décadas atrás, formidables recursos para mejorar la calidad de vida de los individuos. El impacto social de la telefonía móvil, con la capacidad de llamar directamente a las personas en lugar de los sitios donde estas personas podrían estar, han traido grandes beneficios a la humanidad cerrando las brechas de la distancia física, diferencias horarias e indisponibilidad. Los diferentes riesgos de las nuevas tecnologías de comunicación e información, ya percibidos por los operadores y los fabricantes en su faz económica e impacto estratégico a mediano plazo, y por los fabricantes de diferentes bienes y servicios que proyectan nuevos esquemas de comercialización, afectan el desarrollo de nuevos servicios fijos y móviles, por los problemas mencionados y el conflicto entre una única Internet global y cientos de redes tradicionales operando en áreas geográficas fijas. Se requieren varios años de maduración y consenso hasta lograr una infraestructura global balanceada, aunque desde mediados del 2013 un conjunto de eventos que afectan la seguridad nacional de cada país y la privacidad de la información, puede llevar a un amplio cambio de la gestión nacional de datos de redes fijas, móviles y la Internet, dando cabida a una posible transformación del conflicto Internet-operadores de telecomunicaciones, favoreciendo a estos últimos.
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2 Redes de Trasmisión SDH
2.1
Introducción a Redes SDH
Las redes SDH (Synchronous Digital Hierarchy) fueron introducidas en 1988 por la ITU-T (G.707 y otros) como un standart mundial compatible con SONET (ANSI-USA, 1986), para solucionar carencias de las redes PDH, como ser interoperabilidad de equipamientos de operadores, capacidad de gestión, simplificación del acceso de la carga transportada (canales G.711, tramas E1, etc.), bajo un esquema de sincronismo unificado. La base de transmisión SDH es el Módulo de Transporte Sincrónico STM-1, a 155 Mbps, que acarrea tramas PDH desde 1,5 hasta 140 Mbps. Estos enlaces son el mecanismo natural para enrutar tráfico telefónico entre las diferentes centrales digitales urbanas, nacionales e internacionales, sobre canales G.711 de 64 Kbps. SDH elimina los problemas de plesiosincronismo de las redes PDH, generados por relojes independientes para las diferentes jerarquías de tramas a lo largo del camino de transmisión, las que tienen diferente duración. En PDH, un canal G.711 es inaccesible en forma directa, a menos que se realice un proceso completo de demultiplexación y remultiplexación en cada sitio de acceso. Un canal G.711 es accesible solo en las trama E1. SDH crea redes sincrónicas donde las tramas, de cualquier jerarquía (1, 4, 16, 64 y 256 unidades STM), duran 125 seg y un canal de 64 Kbps es accesible en forma directa a cualquier velocidad, pues su ubicación en cualquier trama es conocida, propiedad inexistente en las redes PDH. Adicionalmente, SDH presenta una infraestructura unificada para la transmisión de los standares E y T. La infraestructura global de telefonía utiliza más de 150.000 centrales TDM (Clases 4, 5 y URA) con interfaces PDH, cuyas interfaces con abonados se cablean en más de mil millones de posiciones de repartidores digitales. Los troncales con los que estas centrales se interconectan entre si son de tipo PDH en una amplia mayoría. SDH cumple un rol fundamental en reemplazar, simplificar y securizar el backbone PDH terrestre. Nuevas tecnologías de conmutación, basadas en IP, han sido propuestas para reemplazar el obsolescente parque de conmutadores TDM. Las mismas pueden utilizar a SDH como red de transmisión física para el transporte de tramas Ethernet y paquetes IP/MPLS. La migración hacia la nueva generación de comunicaciones puede tomar el mismo tiempo que la transición del mundo analógico hacia el digital. En las últimas dos décadas, SDH ha satisfecho dos necesidades de la infraestructura de telecomunicaciones:
Permitir la migración de redes de transmisión metropolitanas y de larga distancia PDH hacia SDH, para servicios telefónico y de redes de datos tradicionales, y soportar interconexiones internacionales de FO.
Interconectar routers y switches de capacidad creciente, con interfaces SDH ó Ethernet, para el tráfico IP de Internet ó el tráfico IP/MPLS de redes públicas, para el segmento de Negocios ó de Carrier VoIP.
El Contenedor Virtual (VC), que encapsula la carga útil de las tramas STM, permite un uso flexible del ancho de banda que administra ya que puede acarrear diferentes tramas PDH con un mecanismo de mapeado, ó su uso por otras clases de tráfico como ATM, IP, Ethernet, etc. La Tabla 2.1 presenta las jerarquías PDH ANSI e ITU-T, con sus capacidades de transmisión de canales telefónicos G.711, a 64 Kbps, la eficiencia del transporte de la carga útil y las compatibilidades con VC de SDH, para el transporte en tramas STM-N (N: 1, 2, 4, 16,...). Si STM-1 transporta una trama E4 de 139,3 Mbps, utiliza un contenedor VC-4 a 149,8 Mbps (9 x 260 octetos cada 125 seg). La diferencia positiva de velocidad del VC-4 permite acomodar, utilizando un mecanismo de punteros a octetos y buffers, diferencias de frecuencias entre la carga PDH E4 y la trama STM-1. La trama E4
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flota en el contenedor VC-4, al igual que tramas PDH de jerarquías inferiores. Esta flexibilidad de SDH hace posible que acomode un amplio rango de variaciones de diferentes relojes plesiosincrónicos PDH en la red. A partir del nivel STM-1, SDH crea jerarquías superiores de transmisión sincrónica que son múltiplos exactos de la velocidad STM-1, como ser STM-4, STM-16, STM-64 y STM-256 (40 Gbps). La evolución de SDH está asociada las exigencias de transporte físico del tráfico de datos en paquetes, en particular IP y Ethernet, más el soporte al creciente tráfico telefónico, que se mide en el transporte de canales G.711 a 64 Kbps.
Tabla 2.1: Tramas PDH ANSI e ITU-T y su Transporte en VC de Jerarquías SDH SDH aporta sincronismo global orientado al byte, escalabilidad hasta 40 Gbps, VC con carga útil multiuso, un amplio conjunto de parámetros para Fault y Change Management, sistema de gestión TMN abierto y topologías redundantes con recuperación por caídas de elementos de red en menos de 50 mseg y cambios dinámicos. La Tabla 2.2 presenta los Módulos de Transporte STM para redes SDH (ITU-T G.707) y su equivalencia en redes SONET (ANSI, USA). Contiene las velocidades de línea, idénticas en SDH y SONET, los anchos de banda disponibles para clientes de los VC (Contenedores Virtuales) y los OC (Optical Carrier) según las jerarquías SDH y SONET. SONET está estructurado a partir de STS-1 / OC-1, mientras que SDH lo está a partir de STM-1. STM-0 es un agregado para compatibilizar interfaces de línea de ambas redes y hacer equipos interoperables.
Tabla 2.2: Capacidad de Transporte de Tramas PDH ITU-T y ANSI en Tramas SDH y SONET SDH está normalizado por la ITU-T a través de numerosas Recomendaciones, entre las que se destacan:
G.707, G.708 y G.709: Velocidades, Jerarquías de Multiplexación e Interfaces Nodo a Red en SDH.
G.780: Vocabulario de Términos para Redes y Equipos SDH.
G.781, G.782, G.783: Sobre tipos, características y bloque funcionales de equipos SDH.
G.784: Sobre la Gestión de Redes SDH (Aplicación de TMN, etc.).
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2.2
G.803: Arquitectura de Redes de Transporte Basadas en SDH.
G.841: Tipos y Características de Arquitecturas de Protección de Redes SDH.
G.957, G.958: Sobre Interfaces Ópticas de Equipos SDH y Utilización de FO en redes SDH.
Múltiples Recomendaciones ITU-T complementarias.
Jerarquías de Multiplexación SDH
Originalmente concebido hace más de 25 años para transportar un gran número de tramas PDH de diferentes jerarquías a nivel urbano, nacional e internacional, SDH ha evolucionado con el crecimiento global del tráfico telefónico y a la par de nuevos servicios basados en IP, como Internet y redes públicas IP/MPLS. Las jerarquías definidas en 1993 eran STM-1, STM-4 y STM-16, acorde con los standares y tecnologías de la época, con cables de FO a 2,5 Gbps y regeneración de señal óptica a 80 Km máximo. La evolución de SDH hacia 10 y 40 Gbps permitió, desde el 2003 redes STM-64 y, desde el 2009, enlaces STM-256 a 40 Gbps. Las nuevas tecnologías ópticas permiten transmitir sin regeneración de señal óptica por casi 1.000 Km. Por otra parte, se incorporó la jerarquía de trama STM-0, para compatibilidad con SONET OC-3. La Figura 2.3 muestra la estructura de multiplexación SDH, los accesos tributarios para PDH y nuevas interfaces concebidas para ATM, IP, MPLS, Ethernet y otros a velocidades de 622 Mbps y superiores.
Figura 2.3: Estructura de Multiplexación SDH (ITU-T G.707-2003) Se observa que el encapsulamiento y la multiplexación de VC se simplifica a partir de STM-4 porque las tramas STM-1 manejan la complejidad de las diferentes jerarquías de tramas PDH ANSI e ITU-T, requiriendo el uso de bloques denominados Unidades Tributarias (TU) para preparar el mapeado de una amplia variedad de combinaciones de tramas PDH en los contenedores VC-3 y VC-4. Las funciones realizadas son de multiplexación, alineamiento y mapeado de tramas y procesamientos de punteros de tramas, que ubican a las mismas en la carga de los VC y las Unidades Administrativas (AU). Las señales tributarias de la derecha, en la Figura 2.3, son encapsuladas en Contenedores (C), los cuales son acomodados en Contenedores Virtuales (VC), con el objetivo de uniformizar los tamaños de los bloques de transporte utilizando rellenado de bytes de los espacios definidos no utilizados.
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Los VC son alineados en unidades tributarias (TU), donde se ejecutan procesos de ajuste de punteros. Las unidades tributarias TU son multiplexadas en grupos de TU, cuando es posible, para acceder a un nuevo nivel de encapsulado virtual (VC) de mayor capacidad. Estos VC tienen uno ó varios POH, según el proceso de multiplexación. Este nivel opera con estructuras de VC-3 y VC-4 el multiplexado sin concatenación ó VC-4c y superiores (una única columna POH) en el caso de VC concatenados. El siguiente nivel de encapsulado se denomina Unidad Administrativa (AU), que se coloca en la trama STM-N junto con un puntero AU, que señala el inicio el primer byte de la AU en el espacio de carga de la trama STM-N. El siguiente nivel de encapsulado integra varias AU en grupos denominados AUG, que requiere de punteros que indiquen donde se encuentra el primer byte de cada AU en el espacio útil de las AUG. Finalmente, las AUG son colocadas en el espacio de carga de la trama de transporte STM-N. Como el espacio útil de las tramas STM-N es mayor que el de las AUG (ó AU), nuevamente se utilizan punteros. Para escalar en las velocidades SDH, en adelante se multiplexan las AUG, con el mismo criterio conceptual. Las tramas STM-N son unidades de transporte preparadas para ser enviadas a la línea mediante transceptores ópticos, en forma serial. Contienen todos los recursos para la gestión del transporte de datos entre nodos SDH (regeneradores, ADM, multiplexers intermedios, multiplexers terminales, DXC, etc.), como se verá luego.
Figura 2.4: Cadena de Mapeado de una Trama PDH E1 en una Trama SDH STM-N Cualquier bloque de la Figura 2.3 se basa en 9 filas y K columnas, con una capacidad de 9 x K octetos. Es típico que todo bloque Cliente tenga menos que 9 x K octetos, y que todo bloque Proveedor tenga más octetos. Por lo anterior y otros aspectos, son comunes los siguientes procesos en la multiplexación SDH:
Mapeado: Es un proceso para adaptar tributarios a un contenedor virtual (VC), que agrega bytes de justificación más información de Encabezado de Camino (POH ó Path Overhead).
Alineación: Es el proceso de ajuste del puntero de una Unidad Tributaria (TU) ó una Unidad Administrativa (UA) para que el mismo apunte al primer byte del Contenedor Virtual.
Multiplexación: Es el proceso de integración de múltiples señales de Bajo Overhead (LO) ó Alto Overhead (HO) en una señal de jerarquía superior, en la Sección de Multiplex.
Rellenado: Es el proceso de rellenado de espacios vacíos en posiciones fijas con bytes que no acarrean información, y se escriben en áreas libres en diferentes lugares y jerarquías de trama.
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La Figura 2.4 muestra nueve pasos de multiplexación en la jerarquía SDH para el mapeado de tramas E1 en señales STM-N, que abarca desde STM-1 hasta STM-256. El relleno para encapsular en bloques mayores se realiza con octetos 0xFF y los PTR definidos, por separado, en los niveles TU-12 y AU-4 son integrados en encabezados del nivel superior de multiplexación.
Algunas observaciones adicionales sobre el funcionamiento son:
Cualquier trama STM-N dura 125 seg, para transportar canales G.711, con 8.000 muestras/seg.
La trama STM-1 (Synchronous Transport Module) es la base alrededor de la cual se organizan las jerarquías SDH y sobre la cual están definidos los diferentes niveles PDH transportables. Existen dos niveles de acceso PDH, denominados Caminos de Encabezado Corto y Largo (LOP y HOP).
La trama STM-0, adicionada posteriormente a 1988, existe para compatibilizar SDH con SONET OC-3 (ANSI), que es la base de multiplexación. OC-3 es una trama de 9 filas y 90 columnas.
Cada nivel STM-N (N > 1) puede transportar una combinación arbitraria de tramas PDH y SDH en su área de carga ó Contenedor Virtual.
Los grupos TUG y AUG son empleados solamente si agrupan más de una entidad TU ó AU.
Debido a que la carga útil de cada nivel es mayor que los bloques encapsulados, estos pueden flotar en el contenedor en múltiplos de bytes, lo cual es registrado por los punteros. Esta propiedad permite ajustar, en fase y frecuencia, las señales tributarias transportadas sin violar el sincronismo de STM-N. El procesamiento de punteros ocurre en los módulos con fondo oscuro de la figura previa. El ajuste de velocidades se realiza dentro de ciertos límites de tolerancia.
SDH define el concepto de multitrama (4 x 125 seg), para el ajuste asincrónico de diferentes unidades tributarias PDH de bajo nivel.
Existen dos clases de tramas STM-N: concatenadas ó no concatenadas. La primer clase multiplexa entidades de jerarquías inferiores, intercalando un byte de cada una, típicamente en relación 4:1. Las tramas STM-N no concatenadas tienen solo una columna POH, un rellenado fijo y una zona de carga (payload) que es libremente utilizada por el Cliente (IP, Ethernet, PPP, etc.).
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2.3
Estructuras de Tramas SDH
La trama STM-N (Synchronous Transport Module-N) es una unidad de transporte de datos SDH que se envía directamente a un medio óptico, ó se utiliza en una interfaz eléctrica de corta longitud (N=0, N=1). Las tramas STM-N superiores son múltiplos cuádruples de STM-1, y resultan de una multiplexación que intercala los bytes de cada trama inferior, en forma constante y cíclica. Una trama STM-N dura 125 seg, para permitir el transporte de 8.000 octetos/seg de un canal telefónico G.711, que es el cliente fundamental de SDH. La velocidad de línea de la trama STM-N es calculada con: Rb(STM-N) = N x 9 x 270 x 8.000 x 8 bps. La Figura 2.5 muestra la composición genérica de una trama STM-N (N > 0) y el detalle del encabezado de transporte y la carga útil de la trama STM-1.
Figura 2.5: Composición Genérica de una Trama STM-N, Encabezados y Contenedores. La trama STM-N tiene un encabezamiento de 9 x N columnas y una carga AU de N x 261 columnas, que puede estar concatenada ó no. Según el caso, transporta un único VC ó varios. Cuando la trama lleva un contenedor C-4, que encapsula una trama E4 de 139,964 Mbps utiliza un único VC-4 y su columna de gestión POH VC-4. El contenedor virtual VC-4 es mapeado en la zona de carga de la trama STM-1 y forma la AU-4 agregando el el puntero AU-4P, que reside en la cuarta fila de las 9 columnas del encabezado de transporte STM-1. El encabezado de transporte puede contener cuatro punteros de UA, que indican la posición del primer octeto del VC (Contenedor Virtual), que flota dentro del campo de datos de cliente de la UA en múltiplos de un octeto.
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Esta facilidad permite que los relojes de operación sobre el VC, para la inserción/extracción de tramas y bloques de datos tributarios, sean asíncronos en fase y en frecuencia con el reloj de la trama STM-N, dentro de límites de tolerancia. La Tabla 2.6 presenta las capacidades para clientes de los VC, en octetos y en Mbps.
Tabla 2.6: Tamaños en Octetos y Velocidades Binarias de Contenedores Virtuales SDH. En las siguientes secciones se analizarán las funciones de cada octeto de los encabezados RSOH y MSOH.
2.4
Generación de Tramas de Niveles Superiores
Cada nivel superior a STM-1 puede interpretarse como un múltiplo de 4 veces el nivel inferior, con la trama STM-1 compuesta por 9 filas x 270 columnas, con 9 columnas de encabezado y 261 columnas de datos. Así, una trama STM-N contiene N x (9 filas x 9 columnas) de encabezado y N x (9 filas x 261 columnas de datos). La Tabla 2.7 presenta dos categorías de multiplexado SDH, para los casos en que las tramas inferiores estén concatenadas ó no, y el espacio de datos de datos se utilice en forma segmentada, para transportar múltiples tramas de jerarquías inferiores (Ej.: 16 tramas STM-4 en una trama STM-64) ó transporte una única clase de datos que ocupa el espacio de carga, como ser una trama Ethernet 10GbE en STM-64.
Tabla 2.7: Diferencias en el Transporte de Tramas Cliente con ó sin Concatenación. La multiplexación se realiza intercalando octetos secuencialmente. En STM-N, comenzando desde el primer octeto, se suceden octetos de STM-N-1 (1), STM-N-1 (2), STM-N-1 (3) y STM-N-1 (4). La demultiplexación se basa en recuperar el alineamiento de trama STM-N-1, basado en octetos A1 = 0xF6 y A2 = 0x26, que forman la palabra de sincronismo de trama. En STM-1 se basa en 3 octetos A1 seguidos por tres octetos A2, los únicos seis octetos no aleatorizados. En el caso de STM-N compuestas por cuatro tramas STM-N-1 multiplexadas, el sincronismo global de trama STM-N se basa en:
STM-4: 12 octetos A1 seguidos de 12 octetos A2 (ver figura siguiente).
STM-16: 48 octetos A1 seguidos de 48 octetos A2.
STM-64: 192 octetos A1 seguidos de 192 octetos A2.
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STM-256: 768 octetos A1 seguidos de 768 octetos A2.
En el encabezado de STM-4 y de otros niveles superiores, solo se multiplexan los octetos de alineamiento de trama (A1, A2), los punteros H1-H3 y los bytes B2 del chequeo BIP-24 de cada trama STM. Los demás bytes se utilizan solo en la posición de la primer trama STM-1, y son:
J0 (Regeneration Section Trace Message): Transmite el SAP (Service Access Point), para que el receptor verifique la conexión continua con el transmisor. Existe en la primera trama STM-1 de STM-N.
B1 (RS BIP-8): Es el “bit interleaved parity” bit, paridad par, que chequea los errores de transmisión sobre una sección regeneradora de la anterior trama STM-N. Se calcula sobre todos los bits de STM-N previa luego de la aleatorización, y el resultado se coloca en el byte B1 de la primera trama STM-1 de la trama siguiente, antes de su aleatorización. El resto de los bytes J1 no tiene sentido.
M1 (Multiplex Section REI): Contiene el “Remot Error Indicator” de la sección de multiplexación remota y es colocado en la primera trama STM-1 de una trama STM-N. El resto de los bytes M1 no tiene sentido.
D1 a D3: DCC de 192 Kbps
D4 a D12: DCC de 578 Kbps.
E1 y E2: Canales de Servicio Telefónico de 64 Kbps.
La Figura 2.8 presenta la estructura del encabezamiento de transporte de una trama STM-4 que acarrea cuatro tramas STM-1 (los bytes A1 y A2 no se aleatorizan):
Figura 2.8: Ejemplo del Encabezamiento de una Trama STM-4 multiplexando 4 Tramas STM-1. El encabezado de transporte STM-16 se construye con el mismo criterio empleado para el intercalado de los bytes de las cuatro tramas STM-1 en una trama STM-4. En este caso, STM-16 utilizará 144 columnas.
2.5
Encabezamiento de Trama STM-1 y Procesos de Transporte
El modelo SDH está estructurado en capas de procedimientos, como el modelo ISO-OSI, entre las que existen protocolos basados en la información acarreada en encabezamientos de tramas STM-N y contenedores VC-n. El encabezamiento de la trama STM-N más la primera columna de la AU transportan la siguiente información:
RSOH (Regenerator Section Overhead): Contiene N encabezamiento RSOH STM-1, con información para el alineamiento de tramas STM-1, un canal de datos para gestión a nivel de regeneradores, un canal telefónico de servicio a 64 Kbps (G.711) con el mismo propósito y diferentes alarmas y chequeos.
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Punteros: Contiene punteros a la AU (Unidad Administrativa), que encapsula Contenedores Virtuales.
MSOH (Multiplex Section Overhead): Contiene N encabezamiento MSOH de STM-1, con datos que se utilizan entre las secciones de multiplexación de la red SDH, además de un canal de datos para gestión y un canal de servicio telefónico. En este encabezamiento se proveen herramientas para la activación de trayectos de respaldo por caída del trayecto activo.
La Figura 2.9 es un esquema simplificado de una red SDH, con los cuatro niveles de procedimiento de la arquitectura. Cada nivel ejecuta procesos que utilizan diferentes estratos de información de red, con datos que están contenidos en el encabezamiento de trama STM-N ó en los bytes de encabezado de caminos altos y bajos (HO-POH y LO-POH), acarreados junto con los contenedores virtuales VC.
Figura 2.9: Capas de Procedimientos en Redes SDH. La Figura 2.9 representa una conexión SDH entre dos Multiplexores Terminales de Línea (PTE), comunicados con LO-POH y HO-POH, ó solo con HO-POH, según requerimientos en los PTE PDH. En los POI SDH, los equipos del nivel de multiplexación permiten la inserción, extracción y reagrupamiento de las tramas STM-N.
Figura 2.10: Encabezamiento de una Trama STM-1. Los dos niveles inferiores, Regeneración y Multiplexación, están señalizados en el encabezado STM-N para el soporte de procesos de transmisión de la trama STM-N en ambos niveles.
2. Redes de Transmisión SDH y EoSDH
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Todo elemento de red (NE) SDH opera en el nivel de regeneración, sin importar su naturaleza. Estos dos procesos ocurren entre elementos de red SDH, en forma transparente a los PTE, en Secciones de la red. La Sección de Regeneración (RS) es el segmento entre dos NE SDH contiguos y la Sección de Multiplexación (MS), es un segmento entre dos NE SDH (Multiplexores, DXC ó PTE contiguos), que implementan el rearreglo ó la agregación de tramas STM-N. Los procesos de las secciones RS y MS se complementan:
Sección de Multiplexación (MS): Detección de alarmas entre equipos, control de errores de transmisión, monitoreo de calidad de servicio, canales de datos y de telefonía para la gestión sobre multiplexores.
Sección de Regeneración (RS): Tiene las mismas funciones que la MS, más la implementación de mecanismos de resincronismo de trama mediante realineación de bits y recuperación de errores.
La Figura 2.10 sumariza el encabezamiento de trama STM-1, reutilizado en jerarquías superiores STM-N.
Tabla 2.11: Significado de los Campos MSOH (Multiplex Section Overhead). La Tabla 2.11 describe las funciones de los bytes de la sección MS del encabezado de transporte STM-N. En las redes SDH, todos los elementos de la red utilizan el mismo sincronismo, que deriva de un reloj maestro de red. Su estabilidad es crítica para la interconexión de redes SDH de diferentes Operadores, y proviene de -11 -12 relojes atómicos con estabilidad de 10 , opcionalmente sincronizados en fase a 10 con sistemas GPS.
2. Redes de Transmisión SDH y EoSDH
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Los bytes de la sección MS del encabezado de transporte STM-N son aplicables a cualquier jerarquía en base a la columna Tramas, excepto el byte M1, que cuenta los errores de la trama STM-N y solo es válido en el encabezamiento de la primer trama STM-1 multiplexada. Este byte es un indicador de la Calidad de Servicio de Transmisión sobre la trama STM-N, en su Camino. La Tabla 2.12 describe las funciones de los bytes de la sección RS del encabezado de transporte STM-N, los cuales son aplicables a cualquier jerarquía en base a la columna Tramas, que indica cuales bytes de los encabezados SOH con múltiples tramas STM-1 son considerados válidos. Se observa que para STM-4 y superiores, los bytes J0 y B1 válidos en el encabezamiento son los que pertenecen a la primera trama STM-1 multiplexada en 4, 16, 64 ó 256 niveles superiores.
Tabla 2.12: Significado de los Campos RSOH (Regenerator Section Overhead). El chequeo de errores de multiplexación de cada trama STM-1 se basa en un conteo de paridad entrelazada de toda la trama, antes de la aleatorización. El resultado se transmite en los bytes B1, B2 y B3 aleatorizados de la siguiente trama STM-1, transportada 125 seg después en una trama STM-N. Un canal DCC de 578 Kbps es utilizado para la gestión de la Sección de Multiplex, bajo un sistema TMN. El byte S1 es muy importante, pues especifica la fuente de sincronismo del NE SDH. Los bytes K1 y K2 soportan un protocolo interactivo entre dos multiplexores contiguos, para el transporte de alarmas y la reconfiguración de la topología frente a fallas de transmisión. El par de bytes K1K2 opera como comandos y respuestas para el funcionamiento del ASP (Automatic Protection Switching), y proveen una restauración del servicio frente a una falla que debe ser inferior a 50 milisegundos, según standares SDH.
2.6
Caminos SDH y Transporte de Señales
Los Caminos SDH (Path) se construyen con cadenas de segmentos de Regeneración y Multiplexación (RS y MS), con un sincronismo de trama STM-N global. Las tramas STM-N transportan cargas en Contenedores Virtuales (VC), las cuales tienen diferentes formatos y niveles de sincronismo con SDH. Una amplia variedad de señales de carga TDM y de paquetes de datos se transporte en tramas STM-N, pues los VC flotan en el espacio de carga STM-N, y las diferencias de frecuencia y fase entre las dos señales es conciliada con el uso de punteros que ajustan los defectos ó excesos en las temporizaciones desplazando los VC en las tramas. La Figura 2.13 es el esquema de multiplexación SDH ajustado para que cada nivel de operación esté en la misma columna. En la parte superior de cada bloque se indica el encabezado que agrega, mientras que en la parte inferior se indica el puntero adicionado para direccionar la carga dentro de un contenedor virtual. Los Contenedores Virtuales utilizan Caminos que están definidos en un nivel de la arquitectura SDH superior al de multiplexación, y son circuitos punto a punto entre equipos PTE (Path Termination Equipment). Según la carga, existen dos clases de Caminos:
Caminos de Orden Bajo (Low Order Path): Transportan tramas T1, E1, T2 y E2, en los VC-1x, y VC-2. Está señalizado extremo-extremo con el encabezamiento LO-POH (bytes V5, J2, N2 y K4), los cuales se utilizan en los contenedores VC-2, VC-12 y VC-11. El byte V5 es el primero de una multitrama TU, y es direccionado por un puntero TU-2 ó TU-1x. Provee chequeo de error, status del camino de los VC, etc. El resto lleva datos de sincronismo, alarmas, etc.
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Caminos de Orden Alto (High Order Path): Transportan tramas T3, E3 y E4 en VC-3 y VC-4 y tramas de Caminos de Bajo Orden. El HO-P está señalizado con el encabezamiento HO-POH, operado entre los equipos de terminación del camino, y es una columna completa delante de los VC-4 y VC-3. Lleva información de la carga, de status del camino, ID del camino de alto nivel y provee un canal de servicio. El byte J0 es el primero del HO-PO, y es direccionado por un puntero AU-3 ó AU-4.
Figura 2.13: Agrupamiento de Tramas para Caminos LO y HO. El diseño de la red depende de cada operador, quien acomoda Caminos LO y HO entre sus POI, con diferentes señales tributarias, y puede tener topologías simples, como bus ó anillo ó complejas, de tipo árbol ó híbridas. La información de las cargas transportadas en el Camino se señaliza con encabezamientos (Path Overhead) en los contenedores VC, con diferentes niveles de información sobre la carga, estado de la red, protección y canales de voz y datos. Los encabezamientos LO-POH y HO-POH permiten que los terminales PTE puedan interactuar para insertar y extraer la carga transportada y gestionar el enlace establecido en cada Camino.
2.6.1 Encabezamiento HO-POH en Caminos SDH de Orden Alto En la Tabla 2.14 se detallan los 9 bytes del encabezado del Camino SDH de Orden Alto (HO-POH), que es la primera columna del VC-3 ó VC-4. Los punteros AU-4P ó AU-3P direcciona al byte J1.
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Tabla 2.14: Bytes del Encabezamiento HO-PO (High Order Path Overhead).
2.6.2 Encabezamiento LO-POH en Caminos SDH de Orden Bajo El encabezamiento de Camino de Orden Bajo (LO-POH) define cuatro bytes: V5, J2, N2 y K4, en cuatro VC-1x y VC-2 consecutivos. La Tabla 2.15 presenta los cuatro, utilizados en VC-11, VC-12 y VC-2. Los diferentes indicadores permiten que él LO-OH sea utilizado por tramas PDH, ATM y diferentes clases de paquetes de datos, con sincronismo orientado al bit, al byte ó asincrónico respecto de la trama STM-N.
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Tabla 2.15: Bytes del Encabezamiento LO-PO (Low Order Path Overhead).
2.6.3 Tramas en Caminos SDH de Orden Bajo (LO-POH) El mapeado de E1 en SDH copia las tramas en contenedores C-12, y agrega dos bytes, hasta 34 bytes. C-12 se procesa en cuatro grupos consecutivos de VC-12 y TU-12, formando una supertrama TU-12 de 500 seg, en el modo TU Flotante.
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TU-12 transporta un contenedor virtual VC-12, que lleva un byte del encabezado del camino SDH de bajo nivel (LO-POH: V5, N2, J2 y K4) para señalizar entre puntos de interconexión PDH. Las tramas TU-12 de la supertrama TU agregan cuatro bytes (V1 a V4), dos de los cuales definen el puntero TU. En el mapeado asincrónico no existe ninguna relación de sincronismo entre la trama E1 y SDH. No permite la inserción/extracción de canales de 64 Kbps en SDH, pues se mapea la trama E1 entera y no cada canal. En el mapeado sincrónico, SDH conoce la estructura de la trama E1, y la posición de cada canal de 64 Kbps. PDH y SDH están sincronizados y un mux ADM puede operar con canales de 64 Kbps de una trama STM-N. La Figura 2.16 muestra el mapeado SDH de tramas E1 en C-12, VC-12 y TU-12, en modo asincrónico ó sincrónico. El contenedor serial C-12 es de 4 x 34 bytes, y opera con 4 tramas E1 consecutivas en un período de 500 seg. C-12 es encapsulado, previo pasaje serie/paralelo, en un contenedor virtual VC-12 de 4 x 35 bytes, con 4 bytes LO-POH del encabezado del camino SDH de bajo orden. Las tramas VC-12 se procesan y generan unidades tributarias TU-12, de 4 x 36 bytes, con cuatro punteros V1, V2, V3 y V4, que apuntan al byte V5 de cada VC-12.
Figura 2.16: Mapeado de Tramas PDH E1 en los VC-12 de SDH para formar una unidad TU-12. La señal E1, con 32 octetos cada 125 seg, es encapsulada en contenedores C-12 de 35 octetos. En el modo sincrónico, C-12 utiliza octetos de relleno RRRRRRRR, para generar una supertrama de 140 octetos. En modo asincrónico, C-12 utiliza justificación de bits con C1 y C2 y las justificaciones S1 y S2. Los bits O son de reserva. Si la secuencia CnCnCn = 111, Sn es un bit de justificación. Si la secuencia C nCnCn = 000, Sn es un bit de datos. La señalización CAS utiliza 2 x 4 bits ABCD del canal 16 para señalizar en dos canales: toma ó liberación de canal, envío de señalización, etc. Existe una multitrama de 16 tramas para señalizar en CAS los 30 canales, y un octeto de alineamiento. La señalización CAS se transmite en los bytes 19, 64, 99 y 134 de VC-12. Para la señalización CCS 7 se utiliza una red separada de PDH, y se libera el TS16, un canal de 64 Kbps.
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En modo TU Flotante, 4 tramas E1 generan una multitrama TU-12 en 4 x 125 seg, con encabezados V1 a V4. El byte H4 del encabezado HO-POH indica la presencia de una multitrama TU y la secuencia en VC-N, con los valores de los bits 7 y 8, como en la Figura 2.17, que muestra una secuencia de VC-3 ó VC-4 con TU-12.
Figura 2.17: Secuencia Temporal de VC-3 ó VC-4 con TU-12. Las unidades tributarias en modo flotante (TU-11, TU-12 y TU-2) utilizan la multitrama TU con cuatro tramas TU y los bytes secuenciados V1 a V4, que tienen los siguientes roles:
Bytes V1 y V2: El valor del puntero indica el offset en bytes desde el final del puntero (byte V2) hasta el primer byte (V5) del VC, sin contar V3 ni V4. Acomoda la supertrama TU en VC-3 y VC-4.
Byte V3: Datos en justificación negativa.
Byte V4: Está reservado para usos a definir.
El campo NDF indica un cambio en el puntero TU pasando a 1001 por tres ciclos consecutivos. El puntero TU define el inicio del byte V5 en VC-3 ó VC-4, y llega hasta 35 ó 427 en TU-12 ó TU-2, respectivamente. Como ejemplos para TU-12, si el puntero TU = 0, la carga TU en el VC-n comienza en el byte posterior a V2 (fin del puntero). Si el puntero TU = 70, la carga TU en el VC-n comienza en el byte posterior a V4. Las unidades TU-12 se agrupan de a tres para generar la trama de grupos TU denominada TUG-2, que puede contener una trama TU-2 (DS2), tres tramas TU-12 (E1) ó cuatro tramas TU-11 (T1).
Figura 2.18: Bytes V1 y V2 de la Multitrama TU (cuatro Tramas TU Secuenciadas). TUG-2 no realiza alineamientos de tramas ni agrega punteros, sino que genera una trama de 9 x 12 octetos en 125 seg, multiplexando tres tramas TU-12 por entrelazado de bytes. Las tres TU-12 tienen orígenes distintos, pues debe generarse una trama TUG-2 cada 125 seg, y SDH no almacena tramas previas. La transmisión de las cuatro tramas secuenciales TU-12 con los punteros V1, V2, V3 y V4 más el encabezado LO-POH requiere cuatro tramas TUG-12, totalizando 500 seg. La Figura 2.19 resume el armado de TUG-2. El siguiente paso en el proceso de Caminos SDH de Bajo Orden es encapsular los TUG-2 para su transporte, lo cual es posible de dos maneras diferentes: A. Encapsular siete tramas TUG-2 en una trama TUG-3, para su transporte en STM-1 mediante un VC-4. B. Encapsular siete tramas TUG-2 en un contenedor virtual VC-3, para transporte en STM-0 ó en STM-1. Los TUG-2 multiplexados pueden tener una combinación arbitraria de tramas TU-11 (T1), T-12 (E1) ó T2 (DS2). La Figura 2.20 representa el caso A, con un TUG-3 de 86 columnas y con las dos primeras con relleno fijo en bytes. El contenedor virtual VC-4 agrega tres TUG-3, dos columnas de relleno fijo y el encabezado HO-POH.
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Figura 2.19: Armado de Grupo TUG-2 desde Diferentes TU-12.
Figura 2.20: Transporte de Tramas TUG-3 con Cargas de Tramas E1.
El VC-4, en una trama STM-1, transporta hasta 63 tramas E1 mediante los tres TUG-3 (21 tramas c/u). Cada TUG-3 transporta siete TUG-2 (3 tramas c/u), y cada TUG-2 transporta tres TU-12 (1 trama c/u).
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La Figura 2.21 representa el caso B, con 7 TUG-2 entrelazados en byte y encapsulados en un VC-3. En este caso no hay relleno en el VC-3, y cada TUG-2 ocupa una posición fija. Se remarca que el VC-3 tiene el encabezado HO-POH de 9 bytes, para Caminos SDH de Orden Alto.
Figura 2.21: Transporte de 7 Tramas TUG-2 en un VC-3 (21 Tramas E1). En el caso descripto, el VC-3 es encapsulado en una AU-3, que agrega el puntero AU-3P, y puede enviarse en una trama STM-0 (9 x 90) ó puede transportarse en una trama STM-1 (9 x 270) con el encapsulado de AU-3 en la trama AUG-1 (Grupo de AU), que puede transportar tres AU-3.
2.6.4 Tramas en Caminos SDH de Orden Alto (HO-POH) Como muestra la Figura 2.22, las señales transportadas en Caminos SDH de Orden Alto son las tramas PDH E3 (34 Mbps), T3 (ANSI, 44,5 Mbps) y E4 (140 Mbps). Ya se han tratado los casos con TUG-2, que provienen de Caminos SDH de Orden Bajo.
Figura 2.22: Señales Transportadas en el Camino SDH de Orden Alto (T3, E3 y E4).
2.6.5 Transporte Asincrónico de una Trama E4 (139,264 Mbps) La Figura 2.23 muestra el mecanismo de mapeado de una señal PDH E4 en su contenedor C-4, que tiene 9 filas y 260 columnas. C-4 deriva en el contenedor virtual VC-4, con el agregado de la columna HO-POH para el encabezamiento del Camino SDH de Orden Alto. C-4 mapea la señal E4, de 139,264 Mbps, utilizando un esquema asincrónico de 9 filas con 260 bytes por fila. Cada fila es dividida en 20 bloques de 13 bytes, compuestos por 12 bytes de la señal PDH E4 y un byte de uso múltiple, totalizando 2.340 bytes ó 18.720 bits de carga útil. Una forma de entender el tema del mapeado es por cuenta de bits por slot temporal. La señal E4 acarrea 64 tramas E1 a 139,264 Mbps y emplea 17.408 bits cada slot de 125 seg, la duración de la trama STM-1. La carga útil de C-4 es de 18.720 bits, lo que indica que el mapeo es posible en un contenedor VC-4. El mapeado de la trama E4 completa, en forma asincrónica, requiere sincronismo a nivel de bit, lo cual solo es posible en SDH con el mecanismo de bits de control C K y bits de relleno ó justificación SK.
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Figura 2.23: Mapeado de una Señal E4 para su Transporte en un VC-4. Los valores de CK definen los bits SK son de relleno ó de justificación. Para mapear los bits de E4 en C-4, se ha diseñado un arreglo orientado al byte con una trama con 9 filas y 20 bloques de 13 bytes por fila (9 x 260). La siguiente figura muestra el esquema de una fila de C-4, donde se mapea la señal E4 utilizando:
20 bloques de 12 bytes de señal E4 pura, totalizando 240 bytes E4.
20 bytes adicionales (W, X, Y, Z), que totalizan los 260 bytes por línea que requieren C-4 y VC-4.
La Figura 2.24 muestra cómo se dispone el arreglo de los bits en el armado del contenedor C-4, y el conteo de bits disponibles para mapear E1. Se observa, en la tabla de la izquierda, que se disponen desde 17.406 bits hasta 17.415 bits para mapear una trama E1 (17.408 bits), todo lo anterior en cada ranura de 125 seg.
Figura 2.24: Arreglo de los Bits en el Armado de un Contenedor C-4. El proceso de mapeado genera una trama E4 que es asincrónica con STM-1, y el sincronismo del encapsulado se obtiene con el uso de los bits D, R, C, S y O. En los equipos PTE, estos bits son insertados ó extraídos para ajustar E4 a C-4, con señales SDH y PDH que difieren en fase y frecuencia alrededor de 50 ppm (vs. 4,6 ppm de SDH). Esto implica una tolerancia de +/- 6.963 bps, que es aproximadamente 1 bit cada 3 tramas STM-1.
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2.6.6 Transporte Asincrónico de una Trama E3 (34,368 Mbps) Como indica el diagrama de jerarquías SDH, una trama E3 puede ser mapeada en un un contenedor virtual VC-3, a partir del cual las tramas E3 pueden transportarse de dos maneras:
Utilizando una UA-3 para transportar una trama E3 en STM-0 ó tres tramas E3 en una trama STM-1.
Utilizando TU-3 y TUG-3, para transportar tres tramas E3 en un contenedor virtual VC-4 y STM-1.
Como en otros casos de señales PDH tributarias, se ajusta la trama E3 al contenedor C-3 en múltiplos de bytes pero el ajuste de sincronismo se realiza a nivel de bit, utilizando bits de relleno R, bits de datos E3, bits duales relleno/justificación SK y bits CK de control de SK, ya que E3 es asíncrona con la trama STM-N. La trama E3, de 4.296 bits por muestra de 125 seg, se mapea en forma fija en el contenedor C-3, por lo que se utilizan hasta 1.725 bits de relleno. C-3 tiene un área de carga de 6.048 bits (576 bytes en 9 x 84), con una eficiencia del 71% sobre C-3. Con el agregado de la columna HO-POH, se transforma en una trama VC-3. La trama VC-3 es asociada con el puntero PU-3T, que indica la posición del byte J1 de HO-POH en VC-4. Esta asociación define la unidad tributaria TU-3, la que se procesa en el grupo TUG-3 agregando una columna inicial que contiene el puntero H1H2H3 (PU-3T) y seis bytes adicionales de relleno fijo. La Figura 2.25 muestra el proceso de mapeado de una trama E3 en VC-3 y la creación de la unidad tributaria TU-3, mediante la asociación del puntero PU-3T al contenedor virtual VC-3. El puntero de TU-3 indica la posición del primer byte (J1) de VC-3 en la trama TUG-3, y varía con el alineado de VC-3, un proceso dinámico por ajustes de sincronismo, que permite el transporte en dos TUG-3.
Figura 2.25: Mapeado de una Trama E3 (3 partes) en un Contenedor VC-3.
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La carga útil de VC-4 contiene 3 tramas TUG-3 (86 columnas), multiplexadas alternando bytes, y dos columnas de relleno, para completar el área de carga útil de VC-4 de 9 x 260 bytes. A esto, como muestra la Figura 2.26, se agrega el encabezado HO-POH de VC-4, antes de la creación de AU-4 y su transmisión en STM-N.
Figura 2.26: Mapeado de 3 TU-3 como Carga Útil en un VC-4.
2.7
Unidades Administrativas AU, Grupos AU y Tramas STM-N
Como muestra la parte final de la jerarquía de multiplexación SDH, los diferentes niveles SDH y PDH quedan encapsulados en contenedores virtuales VC-3 y VC-4, los cuales se procesan en las unidades administrativas AU-3 y AU-4 y el grupo AUG-1, previo a su mapeado en tramas STM-N.
Tanto AU-3 como AU-4 son módulos de procesamiento de punteros que apuntan al byte J1 del encabezado de los contenedores VC-3 y VC-4 en las tramas STM-0 y STM-1. AUG-1 es un módulo de procesamiento adicional para AU-3, que multiplexa tres AU-3 con sus respectivos punteros y agrega bytes fijos de relleno para igualar el área de AU-4 (9 x 261 bytes). La Figura 2.27 presenta el procesamiento del contenedor VC-3 (9 x 85), el armado de AU-3 (9x87) y la creación de AUG-1 con tres tramas AU-3 entrelazadas en byte, más los punteros H1H2H3. Los VC-3 flotan en el espacio de carga de las tramas STM-N, y su posición se ajusta con los punteros AU-3-P (H1H2H3), que indican la posición del byte J1 del encabezado HO-POH de VC-3. La Figura 2.27 muestra, además, los procesos sobre el contenedor virtual VC-3 para armar las cargas y los punteros de las tramas STM-0 (9 x 90) y STM-1 (9 x 270). Para el caso del transporte de VC-4, no es necesario un procesamiento adicional de rellenado en AUG-1, y el procesamiento de puntero realizado en AU-4 se adjunta directamente a la carga de VC-4 (9 x 261) para el armado posterior de STM-1 (9 x 270) ó una jerarquía superior, donde AUG-1 se multiplexa con otras unidades.
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Figura 2.27: Multiplexación de tres VC-3 en un AUG-1, para el Armado de la Trama STM-N La Figura 2.28 presenta los pasos de VC-4 hasta AUG-1, desde donde se arma la trama STM-1 agregando el encabezamiento de Regeneradores (RSOH, filas 1 a 3) y el de Multiplexores (MSOH, filas 5 a 9). AUG-1 es quien provee la fila 4, con los 9 bytes del puntero de VC-4 que, como en otros casos, apunta al byte J1. Como en el caso anterior, con VC-3, el puntero administra la posición de un contenedor VC-4 que flota en el espacio contiguo de tramas STM-1.
Figura 2.28: Ensamble de un VC-4 en un AUG-1, para el Armado de la Trama STM-N
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2.8
Funciones de los Punteros SDH
SDH utiliza punteros para señalar el inicio de un contenedor virtual VC-3/4 en la trama STM, para acelerar el proceso de multiplexación de un VC en una nueva trama STM, para justificar diferencias de fase/frecuencia de los VC respecto de las tramas STM-N y, en los punteros AU, para la concatenación en tramas STM-N. Además, en las unidades tributarias, los punteros TU de orden inferior ajustan diferencias de fase de los contenedores virtuales VC-11, VC-12 y VC-2 con respecto de los contenedores de orden superior VC-3 y VC-4. Las diferencias de fase ó frecuencia entre VC y STM son mínimas debido a que SDH es una red sincronizada -11 por un único reloj con estabilidad 10 (ITU-T G.811 Primary Reference Clock), con una red sincronismo que -8 utiliza SSU (Synchronization Supply Unit) bajo G.812, con estabilidad de 1,6 x 10 en un segundo nivel y que -6 llega a los NE SDH con una estabilidad de 4,6 x 10 , bajo G.813.
Figura 2.29: Operación de un Cross Conector SDH (DXC) con Tramas STM-N y PDH
Para STM-1 con un VC-4 (9 x 261 bytes), el efecto se nota sobre los 18.792 bits de carga transportados cada 125 seg (150,336 Mbps). Con una tolerancia de 4,6 ppm, la velocidad de cada VC-4 puede fluctuar +/- 691,5 bps y cumplir con los standares de SDH en el mapeado por multiplexación en nuevas trama STM-N, como en el Cross Conector SDH de la derecha. Estas diferencias, con un peor caso límite detallado más adelante, requiere mecanismos de compensación, pues afecta en +/- 1 bit cada 12 tramas STM-1.
Figura 2.30: Posiciones de los Bytes H1H2H3 en el Encabezamiento de la Trama STM-1.
La Rec. ITU-T G.707 prevé que las velocidades relativas de STM-1 y VC-4 pueden desacoplarse en un grado mayor que 4,6 ppm, ya que con la restricción de que cualquier cambio de puntero por justificación debe mantenerse al menos durante tres tramas STM-1 consecutivas, y se corrige de a 24 bits por vez (3 bytes), un equivalente al ajuste de diferencias de frecuencias de 100 ppm, en el peor caso, pues el puntero debe quedar fijo al menos tres intervalos de trama consecutivos.
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Si la justificación positiva es continua, se generan señales de error MS-AIS. Un ejemplo práctico es la tolerancia de 20 ppm para Ethernet 10 Gbps en un VC-4-64c. Los punteros AU-4 (a VC-4) y AU-3 (a VC-3) pueden cambiar según tres situaciones posibles:
Incremento, pues la señal de VC-n HO tiene menor velocidad que la trama STM-N (ajuste positivo).
Decremento, pues la señal de VC-n HO tiene mayor velocidad que la trama STM-N (ajuste negativo).
Salto brusco, pues la señal de VC-n HO ha cambiado, por concatenación de tramas ó multiplexación.
Las mismas condiciones se aplican a los punteros de TU-3 y de unidades de menor jerarquía (TU-1x y TU-2). En general, los ajustes de punteros de AU-4 se dan cuando se almacena una tributaria E4 (140 Mbps) ó en la cross conexión de tramas STM-N. Dado que existen dos niveles de punteros en la jerarquía de multiplexación, las cargas de tramas PDH E3 ó E1 son ajustadas en TU-3, TU-2 ó TU-12, sin afectar el puntero de AU-4. La Figura 2.30 muestra la disposición de los bytes H1H2H3 en el encabezado de la trama STM-1 para las AU-3 y AU-4, y algunos parámetros de los procesos de justificación y concatenación y la disposición general de un VC-4 en STM-1, que genera ajustes de a tres bytes por vez, a diferencia de AU-3, que ajusta de a un byte. En las TU-3, con ajustes de 1 byte por vez, los bytes H1H2H3 forman parte de la carga multiplexada en TUG-3, en los tres primeros bytes de la columna inicial de TU-3. El esquema de punteros H1H2 es utilizado de igual forma en TU-12 y TU-2, aunque H1 y H2 son colocados en los bytes V1 y V2 de inicio de trama TU. Es importante resaltar que la ITU-T no especifica los mecanismos de detección de diferencias de sincronismo y que se limita a proveer las herramientas para minimizar los efectos de las diferencias de fase/frecuencia. En el caso de ajuste constante de punteros, aparecen degradaciones de fase de corto plazo (jitter) y largo plazo (wander) en el reloj recuperado de una señal justificada, lo que ocasiona deslizamientos y errores cuando las tributarias son extraídas de las tramas SDH. Las tres situaciones de modificación de punteros AU-3 y AU-4 son señalizadas en H1H2, para que el receptor tome las medidas pertinentes. La señalización de los eventos consiste en:
Invertir los 5 bits I, para indicar una justificación positiva. En el receptor, la situación se reconoce con un voto mayoritario de cambio de 3 ó más bits I. Esto marca que el puntero ha sido incrementado y que se han utilizado bytes de relleno (3 bytes en AU-4 y un byte en AU-3). Lo último es válido para las TU.
Invertir los 5 bits D, para indicar una justificación negativa. En el receptor, la situación se reconoce con un voto mayoritario de cambio de 3 ó más bits D. Esto marca que el puntero ha sido decrementado en su espacio válido y que el byte H3 lleva datos de la carga de STM-1 (los 3 bytes H3 en AU-4 y el byte H3 en AU-3). Lo último es válido para las TU.
Envío de H1H2 con el valor 1001 SS11 1111 1111 (0x9B 0xFF). Esta indica que el realineamiento del contenedor virtual VC-4 ocurre por otro motivo que una justificación por sincronismo y que el puntero puede adoptar cualquier valor en su rango.
Los bits SS son definidos como “no especificados” en el último caso, aunque la Rec. ITU-T G.707 les asigna el valor 10 para identificar una carga AU-4, AU-4-Xc (STM-4 y superiores), AU-3 ó TU-3. Los bits NNNN (NDF ó New Data Flag) de H1 adoptan dos valores reconocidos en G.707, con el resto inválido:
0110: Este valor de NDF, ó cualquier combinación mayoritaria similar, indica una operación normal.
1001: Este valor de NDF, ó cualquier combinación mayoritaria similar indica un nuevo valor de puntero por cualquier evento, excepto una justificación por sincronismo.
El rango de valores de los punteros AU-4P, AU-3P y TU-3 depende de las posiciones de VC-n que direccionan. Los mismos solo direccionan posiciones en el área de carga (payload) y son:
AU-4P: Rango de 0 a 782, en incrementos de tres bytes, pues VC-4 tiene 9 x 261 bytes. AU-4P = 0 apunta al inicio de VC-4, el byte J1 del HO-POH, que sigue secuencialmente al último byte H3. Un valor AU-4P = 87 (una fila VC-4) apunta al byte B3, el segundo byte de HO-POH. Un incremento de AU-4P se mantiene hasta un nuevo cambio, no antes de la cuarta trama (500 seg). Si AU-4P = 782, un incremento pone su valor en cero. Si AU-4P = 0, un decremento pone su valor en 782 (módulo 782).
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AU-3P: Igual que AU-4P, en incrementos de un byte, pues VC-3 tiene 9 x 87 bytes. Cuando AU-3 es multiplexado en AUG-1, para STM-1, se crean tres punteros AU-3P, que operan independientemente.
TU-3P: Rango de 0 a 764, en incrementos de un byte, pues TU-3 tiene 9 x 85 bytes. Ídem AU-3P/4P.
El mecanismo de ajuste de velocidades por saltos del puntero AU-4P utiliza el campo de bytes H3H3H3 si debe sobrescribir datos de VC-4, cuando su velocidad es mayor que la de STM-1. Si la velocidad de VC-4 es menor que la de STM-1, se rellena el espacio de carga de VC-4 con 3 bytes, en la posición de J1 y los dos primeros bytes contiguos a J1, que pertenecen al contenedor C-4. El receptor SDH ignora un cambio de puntero, a menos que el nuevo valor haya existido durante tres tramas consecutivas. Esta regla de ITU-T G.707 permitiría diferencias de frecuencia entre una tributaria E4 y STM-1 en el orden de +/- 48 Kbps, por un ajuste constante de 24 bits cada 4 x 125 seg. No obstante, una diferencia de +/- 300 ppm es demasiado para la recuperación de la trama E4 y generará diversas alarmas de error. La Figura 2.31 muestra una secuencia de justificación positiva y otra de justificación negativa, indicando los valores que adoptan los bits de H1 y H2 para una posición inicial del puntero igual a 100. Es importante resaltar que el evento es señalizado en la trama previa a su ocurrencia, por lo que el valor del puntero en el caso de inversión de los bits I ó D es el mismo que para la trama previa. La inversión de los bits I ó D, según el caso, se indica con fondo oscuro. Lo mismo ocurre con el valor especial H1H2 [0x9B 0xFF], que indica la ocurrencia a continuación de un cambio de trama concatenada.
Figura 2.31: Secuencia Temporal de Justificación de Punteros (Positiva y Negativa). La Figura 2.32 resume el manejo de punteros para las TU-1x y TU-2, en una supertrama de 4 x 125 seg. Aunque con diferente estructura que en TU-3, AU-3 y AU-4, el manejo de punteros y las acciones es idéntico. Existen diferentes mecanismos para corregir los problemas de sincronismo. Un método clásico es la utilización de un buffer elástico (cíclico), con punteros en hardware, para la entrada de bits y para la salida de bits, cada uno indexado con relojes asociados a la señal de entrada (CLKWrite) y a la señal STM-N de salida (CLKRead). Al inicio, los punteros del buffer tienen la misma posición y, con el transcurso del tiempo, pueden desfasarse. La circuitería de control actúa con los umbrales programados para la corrección (Ej.: 24 bits). Ver Figura 2.33.
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Figura 2.32: Manejo de Punteros en Multitrama TU-1x y TU-2.
Figura 2.33: Uso de Buffers Elásticos para Corrección de Sincronismo en SDH. La Figura 2.33 ejemplifica (en teoría) un ajuste con un buffer circular con dos punteros: PWrite es el puntero de escritura de bits, para llenado del buffer circular con bits de una señal tributaria E4 (140 Mbps).
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PRead es el puntero de lectura de bits, para escritura sobre el campo de carga de la trama STM-N. Dado que es un modelo teórico simple, se hace notar que la escritura sobre la trama STM-N se realiza a N x 155,52 MHz, en tanto que la carga del VC-4 se realiza a 150,336 MHz, lo que se concilia con circuitería adicional. El Offset es la diferencia absoluta entre ambos punteros de bits y, según AU-3 ó AU-4, si llega a 8 ó 24 bits, se actúa en forma inmediata para agregar relleno e indexar el puntero AU, ó sobrescribir en H3 y decrementar el puntero AU. Como se ve, los punteros deben ajustarse entre 16 y 50 veces por segundo, mientras continúe la diferencia de frecuencia entre los relojes de escritura y de lectura, lo que genera jitter por saltos de puntero al recuperar la señal tributaria en el extremo del Camino SDH. Esta situación se complica más si existen oscilaciones lentas (wander), pues la diferencia de velocidades varía lentamente en el tiempo. En el módulo de Sincronismo será tratado un mecanismo que elimina el jitter de puntero completamente, aunque no puede corregir el wander. La Figura 2.34 esquematiza el proceso de ajuste de puntero AU-4, ejemplificado para el caso de un equipo terminal de línea (LTE SDH).
Figura 2.34: Ajuste de Puntero AU-4 en un Terminal LTE.
2.9
Tramas Superiores STM-4, STM-16, STM-64 y STM-256
Como muestra la Figura 2.35, de jerarquías superiores de multiplexación SDH, las tramas STM-N con N > 1 pueden armarse en los grupos AUG-N con dos criterios:
Multiplexación 4X de la jerarquía de trama STM-N previa.
Concatenación contigua de X VC-4 (VC-4-Xc, X = 4, 16, 64, 256)
Figura 2.35: Jerarquías Superiores de Multiplexación SDH. En todos los casos, la trama STM-N contiene 9 filas y N x 261 columnas. La diferencia radica en que con la multiplexación de cuatro tramas STM-N de la jerarquía inmediata inferior, AUG-N solo intercala los bytes de cada tributaria SDH en forma cíclica, sin rellenado u otra acción. Cada puntero AU-4-X opera en su grupo. Con la multiplexación se preservan los cuatro Caminos SDH de Orden Alto y sus HO-POH.
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Cuando se opera con concatenación contigua, toda el área de carga de la trama STM-N se asigna a una única señal tributaria, y solo existe un Camino SDH de Orden Alto y solo un encabezado HO-POH. Para preservar la estructura de la trama STM-N, las columnas de los encabezados HO-POH restantes se rellenan en forma fija. También debe modificarse el puntero de AU-4-Xc (X = 4, 16, 64 ó 256), para que exista un único puntero al contenedor virtual VC-4-Xc. Debido a que la cantidad de bytes H3 se cuadruplica cada vez, también lo hace el rellenado ó la sobreescritura para justificación de frecuencias, como se indica a continuación:
STM-4: Se ajusta el puntero AU-4-4c cada 12 bytes, por relleno ó sobreescritura de H3.
STM-16: Se ajusta el puntero AU-4-16c cada 48 bytes, por relleno ó sobreescritura de H3.
STM-64: Se ajusta el puntero AU-4-64c cada 192 bytes, por relleno ó sobreescritura de H3.
STM-256: Se ajusta el puntero AU-4-256c cada 768 bytes, por relleno ó sobreescritura de H3.
La siguiente tabla resume algunos de los parámetros de las tramas STM-N superiores:
Tabla 2.36: Parámetros de Tramas STM-N. Se observa que, para STM-64, la velocidad de la carga útil es la disponible para el transporte de 10GbE en SONET ó SDH, con el agregado de la Subcapa Física WIS, que debe procesar una columna HO-POH y las 576 columnas del encabezado SOH de STM-64, que realiza solo parcialmente para el transporte punto a punto. La estructura del puntero de AU-4-Xc, según los bytes H1H2H3, es como sigue (Y = 1001 SS11): H1 + [2 + 3 x (N-1)] Y + H2 + [2 + 3 x (N-1)] 0xFF + 3 x N x H3
2.10 Elementos de Red SDH (NE) y Topologías 2.10.1 Evolución del Equipamiento y Servicios SDH En casi décadas de vida, las tecnologías SDH han evolucionado asimilando el paradigma de convergencia IP y la evolución en tecologías de redes ópticas, integrando en nodos multiservicio el transporte SDH y PDH para redes TDM y el transporte de Ethernet, con capacidades CDWM/DWDM y múltiples niveles de protección de subredes SDH y Ethernet, entre otras prestaciones. Los avances en microelectrónica, con geometrías de chips 30 veces menores y 20 veces más velocidad que en 1990, permiten mayor cantidad de interfaces y funciones por placa y han hecho obsoletos los NE SDH de más de una década. Los avances en redes ópticas permiten la multiplexación ADM y la cross-conexión (DXC) a nivel óptico, con los OADM y ODXC que operan con unidades de 10 Gbps sobre las cuales se monta SDH. Las matrices de conmutación interna de los ADM, LTE y DXC evolucionaron desde 3 a 4 Gbps sin capacidad de conexión cruzada local en STM-16 (años ’90) hasta los 300-400 Gbps actuales con conexión cruzada total de tributarias a velocidades de STM-64. El desarrollo de las redes metropolitanas y la abundancia de ancho de banda han generalizado el uso de CPE multiservicio con interfaces SDH, PDH y Ethernet en los sitios de clientes, y nuevos productos TDM por parte de los prestadores de servicios de telecomunicaciones.
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La topología dominante se basa en anillos SDH interconectados con prestaciones malla en redes jerárquicas de cobertura global nacional, regional y metropolitana WAN y MAN. Una arquitectura moderna tiene niveles de subredes de primera milla, de acceso, de agregación y de núcleo, como ejemplifica la Figura 2.37. Casi todos los NE tienen el rótulo ADM/DXC pues los nodos multiservicio tienen capacidades de agregación y DXC en los modelos medios y altos. La función de terminal de línea (LTE) es provista por cualquier fabricante, pues el nodo multiservicio de alta capacidad es utilizado como CPE multifunción en premisas de clientes.
Figura 2.37: Topologías Anillo, Malla y Hub en una Red de Transporte SDH Multinivel. La capacidad tecnológica y cuestiones de costos permiten integrar, en WDM, nodos que interconectan anillos STM-N de diferentes jerarquías en un único equipo, con capacidades DXC. Los NE de la 1er. generación son actualmente placas que proveen la función SDH en un bastidor compacto de un nodo multiservicio. La primer generación de equipos SDH fue concebida con interfaces de red de hasta STM-16 (2.5 Gbps), para optimizar las redes WAN PDH y sus complejos esquemas de tributación por sitio, y fue utilizada para crear el backbone de transmisión digital WAN y MAN de los operadores de telecomunicaciones. La capacidad de la interconexión local entre las señales de un ADM ó un terminal PTE, función reservada a los DXC, no se previó en las Recomendaciones ITU-T ni fue implementada por los fabricantes de la primera generación SDH. A continuación se resumen prestaciones de los diferentes Elementos de Red SDH de la primera generación y algunas jerarquías de señales SDH con las que estos operan. La nueva generación SDH es compatible hacia atrás (backward compatibility), pero un equipo SDH “legacy” no opera correctamente en una nueva red. Las actualizaciones de las Recomendaciones ITU-T introdujeron nuevas prestaciones, simplificaron la estructura de la jerarquía SDH y el rol y funcionamiento de varios parámetros. Los equipos básicos de una red SDH son: Regeneradores de Línea: Funciones sobre la señal óptica exclusivamente, inicialmente cada 50 Km, con funciones de reacondicionamiento de señal, resincronismo y amplificación. Actualmente se logran distancias de 120 Km entre ADM STM-16, sobre la planta de FO existente previamente, sin necesidad de regeneradores.
Figura 2.38: Regenerador de Línea SDH.
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Multiplexores ADM: Utilizados en reemplazo de los multiplexores PDH, en topologías bus ó anillo, con funciones Drop/Insert PDH y SDH en cada POI. Tienen protección MPS y manejan interfaces tributarias PDH E1, E3, E4 y SDH STM-1, STM-4 y STM-16. Utilizan dos interfaces STM-N por lado (Este, Oeste), hasta STM16 (10 Gbps), con una capacidad de restauración del servicio en menos de 50 mseg. La Figura 2.39 es un esquema simplificado de un ADM STM-4. Tiene la capacidad de poner y sacar tributarios (Add&Drop) directamente de la señal STM-N, sin afecta los demás componentes. Los ADM poseen funciones DXC a nivel VC-4, VC-3 y VC-12 para insertar y sacar señales transportadas, que deben ser alineadas y mapeadas sin afectar el resto. Deben regenerarse punteros, encabezados LO y HO y entramado. Los ADM pueden configurar topologías lineales ó en anillo sin DXC, con interfaces auxiliares para gestión y sincronismo.
Figura 2.39: Estructura Básica de un Multiplexor ADM STM-4 (622 Mbps). Algunos ADM poseen funciones Drop&Continue, empleadas en redes multicast y en protección SNCP, con caminos duplicados que llevan el mismo tráfico en diferentes ramas de anillos duales, generando una alta disponibilidad de red en el caso de caída de un nodo ó enlace. Un ADM puede reconfigurarse y adaptarse a casi cualquier servicio de distribución de tráfico TDM punto a punto. La Figura 2.40 presenta algunas variantes de configuración de un ADM moderno, con numerosos modos de programación flexibles, haciendo uso de la matriz DXC embebida en la etapa del multiplex. La función Drop & Continue crea un tercer port de señal de red STM-N que permite que un ADM opere como hub en una red de anillos dobles SNCP lo que, en equipos con placas redundantes, genera una disponibilidad del 99,995% (Carrier Class), que es menos de 26 minutos fuera de servicio por año.
Figura 2.40: Algunas Configuraciones de un Multiplexor ADM SDH.
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Multiplexores Terminales (LTE): Se utilizan como concentradores, similares a ADM subequipados, ya que no es necesario el remapeado pasante, pues son elementos de terminación (PTE). La interfaz de red es STM-1, STM-4 ó STM-16, duplicada para protección APS en redes bus ó punto a punto. Tienen interfaces auxiliares de sincronismo y gestión. En redes modernas, SDH llega hasta el sitio del cliente con nodos multiservicio TDM y Ethernet, como CPE gestionables desde el NOC (TMN), como muestra la Figura 2.41.
Figura 2.41: Multiplexor Terminal de Línea (LTE). Equipos de Conexión Cruzada (DXC): Son los NE de mayor jerarquía de la red SDH y cumplen un rol central en la reconfiguración transitoria ó permanente de topologías. Se identifican como DXC x/y/z, lo que indica la jerarquía SDH con que operan (Ej. DXC 4/4, DXC 4/3/1, etc.) y operan en SDH ó SDH y PDH. Pueden tener accesos tributarios SDH y PDH, y permiten agregación, compactación y reenrutado de señales STM-N y de sus cargas en Caminos HO y LO. Pueden crear topologías arbitrarias (malla, anillo, árbol, irregular), con matrices de transposición de alta capacidad (hasta 1.024 x 1.024 VC-4).
Figura 2.42: Esquema de un DXC SDH (Multiplexor Cross Connect). La matriz del DXC tiene dos niveles de granularidad: VC-12 (E1) y VC-4 (STM-1), lo que define la clase de DXC. A nivel VC-4, la matriz es transparente a las tributarias, y a nivel VC-12 ésta opera con unidades TU-12. Los nodos multiservicio actuales, que operan como LTE (ó CPE) tienen matrices DXC integradas con capacidades restringidas. La Figura 2.42 es un esquema simplificado de un DXC SDH de orden superior, con 64 interfaces de diferentes niveles STM-N (K=1, ..., 64) y con una capacidad de interconexión total de 768 x 768 VC-4, que supera los 4 Tbps. Con el sistema de gestión, el DXC puede transponer un VC-4 sobre cualquier señal STM-N, y puede reconfigurar el tráfico de la red SDH con ABM (Altas, Bajas, Modificaciones) de Caminos SDH (HO-POH y LOPOH), agregación de tráfico a un flujo STM-N y otras prestaciones.
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Por la diversidad de señales SDH y PDH y sus particularidades de sincronismo, se utilizan buffers FIFO para acomodar el jitter de las señales STM-N y PDH y de sus punteros AU-n y TU-n. Por ejemplo, un buffer de 108 bytes crea ventanas de sincronismo de 1.312 nseg en STM-4 y 328 nseg en STM-16. El proceso interno se realiza en paralelo utilizando un reloj de byte STM-1 (19,44 MHz), una frecuencia standart en la práctica. Las señales internas se manejan en bloques para controlar los retardos de interconexión, lo cual es relevante dado la duración de 100 picosegundos de un bit en STM-64, la mayor jerarquía de trama que dicta las exigencias. El cross-conector (DXC) SDH acepta diferentes jerarquías de señales STM-N e interconecta cargas de niveles tributarios bajos (VC-11, VC-12, VC-3) entre las interfaces, para consolidar tráfico PDH sobre SDH desde y hacia diferentes destinos (agregación y segregación). Una categoría superior de DXC (banda ancha) solo interconecta señales STM-N y su uso se extiende a redes ópticas DWDM, con una longitud de onda asignada a cada señal. Estos DXC permiten formar redes mallas SDH con capacidad de restauración automática ó manual por reconfiguración de redes frente a fallas, y pueden operar a velocidades de 10 Gbps, 40 Gbps y superiores. Como referencia de las capacidades de la actual generación de NE SDH, la Tabla 2.43 presenta una configuración operacional de cuatro categorías de NE, según el nivel de red. Ha sido construida con el dimensionado parcial de los equipos actualmente ofertados por un fabricante europeo líder.
Tabla 2.43: Ejemplo de Configuración de Nodos Multiservicio (Fabricante Europeo). Los nodos tienen incorporadas prestaciones adicionales sobre los servicios básicos de SDH y Ethernet, como ser redes privadas TDM SDH y PDH, además de VLAN. La nueva generación de equipos SDH es compatible hacia atrás con las instalaciones existentes, que pueden reemplazarse al alcanzar el fin de su vida útil. En redes de alta capacidad, se utilizan equipos SDH STM-256 (40 Gbps), que son ofrecidos por una docena de fabricantes, para redes de transporte WAN y MAN en DWDM, con TDM SDH y PDH, Ethernet Sincrónico y otros servicios adicionales. A la par, grandes fabricantes de equipamiento IP ofrecen nodo con ports Ethernet de 40 y 100 Gbps sobre OTN (Optical Transport Networks). No existen standares SDH más allá de STM-256.
2.11 Topologías de Redes SDH 2.11.1 Topologías Lineales Topología Punto a Punto: Es utilizada en casos muy específicos, y consta de dos PTE. Ver Figura 2.44.
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Figura 2.44: Topología Lineal Punto a Punto. Topología Lineal Punto a Multipunto: Genera una cadena de NE SDH, típicamente ADM, y se utiliza en geografías con POI (sitios de interconexión) que siguen una vía terrestre, fluvial ó costa marítima y donde la densidad demográfica de zonas adyacentes en cientos de Km no justifica otra topología. Ver Figura 2.45.
Figura 2.45: Topología Lineal Punto a Multipunto. Topología Lineal Árbol ó Estrella: Resulta de interconectar topologías lineales con DXC (uno ó varios), para interconectar cadenas SDH. Es más económica de implementar que las topologías anillo, pero tal como la topología lineal, tienen menor tolerancia a fallas por la inexistencia de caminos alternativos. Ver Figura 2.46.
Figura 2.46: Topología Lineal Árbol ó Estrella. Topología Lineal Malla ó Arbitraria: Resuelve el problema de la topología previa, con diferentes niveles de interconexión utilizando DXC en puntos críticos.
Figura 2.47: Topologías Lineal Malla Arbitraria.
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2.11.2 Topologías Anillo Topología Anillo Simple: Es una topología típica en SDH, con gran tolerancia a cortes del servicio por fallas en los NE ó enlaces, con restauraciones en menos de 50 mseg. Utilizan diferentes protocolos y mecanismos ante fallas, como APS, SNCP (1:N) y MS-SPRING de dos y de cuatro FO. Ver Figura 2.48.
Figura 2.48: Topología Anillo Simple SDH (con Protección). Topología Anillos en Cascada: Evolución de la previa, crea niveles jerarquizados (acceso, agregación, núcleo). Simbólicamente, el conjunto de anillos más bajo forma el nivel de acceso. El segundo nivel de anillos es de agregación, que suma capacidades de acceso, y puede tener interconexión horizontal. El nivel superior, núcleo, agrega capacidad de subredes inferiores, con conectividad WAN y MAN. Ver Figura 2.49.
Figura 2.49: Topologías Anillos en Cascada (con Protección). Topología Malla-Anillo-Estrella: Se basa en el esquema previo con subredes anillo e interconexiones malla para mayor seguridad y flexibilidad, especialmente en el núcleo de la red. Utiliza un modo estrella (Hub) en el nivel más bajo de la red SDH ó donde fuera necesario, para acceso de tributarias SDH ó PDH. Ver Figura 2.50.
Figura 2.50: Topología Malla-Anillo-Estrella (con Protección).
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2.12 Eventos y Alarmas en Redes SDH 2.12.1 Resumen de Eventos y Alarmas En una red SDH ocurren permanentemente numerosos eventos que afectan al tráfico en forma transitoria ó permanente. Estos eventos se categorizan según su gravedad y se transmiten, según pautas, al sistema de gestión global de la red SDH, para su registro en bases de datos y para la ejecución de procesos de Fault Management, Change Management y Performance Management. El universo de eventos es complejo y su normalización es un desafío, pues se deben encuadrar en un número discreto de alarmas, y absorber tanto las diferentes situaciones que surgen del análisis teórico de eventos posibles, así como de eventos que se originan en la fabricación, instalación y operación de las diferentes tecnologías SDH. La Figura 2.51 resume eventos en una red SDH, normalizados en ITU-T G.783, G.841 y G.958 y como estos son señalizados en los diferentes niveles SDH, según el lugar de ocurrencia. La Figura utiliza un esquema simple, con un par de concentradores PTE punto a punto más un nodo regenerador intermedio (RS TE).
Figura 2.51: Señalización de Eventos en Secciones y Caminos SDH (Encabezados STM-N y VC-n). Los aspectos más importantes a considerar son:
La aparición de un evento en un nivel SDH, su registro en un indicador normalizado y la comunicación del evento hacia el módulo SDH terminal correspondiente al nivel en el que ocurre el evento.
La transformación del evento en una alarma, transmitida en bytes de los encabezados de tramas STMN (RSOH, MSOH) y de los contenedores virtuales (HO-POH y LO-POH).
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Las acciones que desencadenan por fallas en el medio de transmisión, en las secciones de Multiplex y de Regeneración (MS TE, RS TE) y Terminales de Caminos SDH ( HO PTE, LO PTE).
Los eventos se procesan en un sistema TMN (Telecommunications Management Network), que integra subsistemas NMS multivendedor, y se clasifican en tres categorías, de menor a mayor importancia:
Anomalías: Son Eventos de la menor jerarquía, como ser errores detectados con diversos BIP ó por la indicación de errores remota (REI), entre otros. Ocurren en forma aislada y no implican la pérdida de la capacidad de servicio. No obstante, pueden recategorizarse para generar Alarmas, si el operador de la red lo decide, en una etapa de diseño ó por experiencia en la operación de la red.
Defectos: Son Anomalías que persisten más allá de un máximo tolerable, de 500 seg a 3 mseg ó más, según el Evento, ó que ocurren en exceso durante un intervalo de análisis. Los Defectos se procesan en Performance Management y generan Alarmas y, posiblemente, acciones correctivas. Como ejemplo se tiene: Pérdida de Señal (LOS), Pérdida de Puntero (LOP), Pérdida de Trama (LOF), de Alineamiento de Multitrama (LOM), Señal de Indicación de Alarma (AIS), Indicación de Falla Remota (REI), etc.
Fallas: Es un estado que impide el desempeño en una función, por Defectos que persisten más allá del tiempo máximo tolerable, y constituyen el mayor nivel de problemas. Causan Alarmas y acciones OyM correctivas, y se procesan bajo Fault, Change y Performance Management.
Las Alarmas son indicadores de un Evento persistente, caracterizado como Defecto ó Falla, y se comunican hacia atrás (Head End), en el nivel de proceso SDH acorde, para la acción OyM automatizada ó manual. Algunos ejemplos clásicos (y graves) de alarmas son: tasa excesiva de errores, pérdida de una trama (LOF), pérdida de la señal (LOS), pérdida de un puntero (LOP). Algunas fallas generan la emisión de indicadores de alarmas (AIS) ó la recepción de un indicador de error distante (REI). Algunos ejemplos de Alarmas y su tratamiento se describen en la Tabla 2.52:
Tabla 2.52: Descripción de Alarmas SDH y Tratamientos.
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Ante un Evento, según la gravedad, existen diferentes tipos de respuestas temporales:
Solución instantánea automática: Se basa en la activación de recursos duplicados. En equipos de alta disponibilidad, cada componente esté duplicado a nivel placa, y la restauración del funcionamiento está en el orden de los milisegundos. Igual caso ocurre con enlaces de transmisión, típicamente fibras ópticas, aunque pueden ser sistemas de radioenlace SDH. Las Alarmas indican al staff de OyM el Evento, su solución y la necesidad sobre el recurso dañado.
Solución inmediata por reconfiguración manual: Requiere de la acción OyM local ó remota desde una terminal de gestión ó una consola del equipamiento, para activar un recurso duplicado que no conmuta automáticamente, ó para el reinicio (reset) ó reconfiguración de una placa con falla. Puede tratarse de una sección de un equipo, de un subsistema en paralelo, de nuevos caminos SDH, de reconfiguración de circuitos sobre caminos en paralelo con capacidad vacante, etc.
Solución mediata por comisión OyM: Requiere staff de OyM para la solución in-situ del problema, y se debe a la inexistencia de recursos duplicados ó la falla del respaldo, que obliga a escalar el problema.
Sin solución ó con solución lenta por comisión OyM: Problemas que el staff OyM no puede solucionar, como ser lluvia ó niebla en secciones con radioenlaces SDH, inacción de paneles solares por el clima y descarga inminente de las baterías en sitios aislados, con ó sin el respaldo de generadores diesel ó gas. Los casos de niebla ó lluvia pueden afectar a una sección SDH sin respaldo ó, en un problema conjugado, afectar al respaldo por microondas de una facilidad de FO.
Todo equipo SDH, por ejemplo un ADM, cuenta con un módulo de gestión del equipo con múltiples funciones: procesamiento de alarmas de diferentes bloques funcionales (regeneración, multiplex, VC, TU, etc.), soporte para test remotos y locales, coordinación de actualización de firmware, etc., salida local con indicadores de estado lumínicos, soporte de interfaces para consolas locales (port F) y TMN (port Q). En el equipo se deben implementar una consolidación de Eventos y Alarmas para evitar cascadas que inunden el sistema de gestión. Por ejemplo, una falla aleatoria en un nivel bajo (medio físico ó regenerador) de un ADM STM-16, que acarrea 16 VC-4 con 1.008 TU-12 podría activar miles de Eventos por segundo debido a una única causa de bajo nivel. El equipo debe procesar y sumarizar la información de Eventos, y emitir mensajes consolidados. Los diferentes eventos, alarmas y reconfiguraciones son administradas en un sistema de gestión integral TMN, que es modular y estructurado en capas: Gestión de NE, Gestión de Red y Gestión de Servicios. La Rec. ITU-T G.784 normaliza sobre la Gestión de Redes SDH (TMN y Arquitecturas). Cada fabricante provee varios niveles de sistemas de gestión modulares, con prestaciones adicionales que enriquecen procedimientos normalizadas para la gestión de los Elementos de Red SDH: Fallas, Configuración, Contabilidad, Performance y Seguridad.
Figura 2.53: Estratos de Gestión Multinivel (Enlace, Red, Servicios, Negocio). SDH se administra con sistemas de gestión bajo conceptos TMN (Telecommunications Management Network), cuya arquitectura y capacidades están especificadas en normas de las Series X.700 y M.3000 (M.3010 clave).
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Las redes TMN absorben toda clase de subsistemas de gestión con dispositivos de adaptación (MD, Mediation Devices) y soportan miles de Elementos de Red (NE) concurrentemente. Cada gran fabricante de sistemas SDH provee NMS de alto nivel basado en TMN, con capacidad de absorber otros NMS heterogéneos.
2.12.2 Performance de Errores en las Redes SDH La performance de errores en las redes SDH se mide paramétricamente, pues requiere diferentes variables para su ponderación. Se aplica a Caminos SDH HO y LO, a nivel nacional ó internacional, midiendo la tasa de errores de bloques de bits online, en función de las capacidades embebidas en los encabezados SDH. La Rec. ITU-T G.826 define un bloque como un conjunto de bits consecutivos asociados con el Camino SDH, si bien los bits pueden no ser contiguos en el tiempo. La Rec. ITU-T G.826 se denomina Parámetros de Performance de Errores y Objetivos para Caminos Digitales Internacionales a Velocidades Iguales ó Superiores a la Tasa Primaria y se aplica a Caminos SDH de Orden Alto ó Bajo, desde PDH E1 hasta SDH STM-N. SDH ha sido diseñado para medir online errores producidos en diferentes segmentos de la red. Se utiliza BIP-N para el análisis de errores de paridad par, alineando cada bit de cada byte, con resultados transportados en encabezados RSOH, MSOH, HO-POH y LO-POH, según muestra la Tabla 2.54:
Tabla 2.54: Chequeo de Paridad BIP-N en los Encabezados SDH. Los Eventos de Errores de Performance G.826 son:
EB (Errored Block): Un block con uno ó más bits erróneos.
ES (Errored Second): Un segundo con uno ó más EB ó al menos un defecto.
SES (Severely Errored Second): Un segundo con 30% de bloques con error ó al menos un defecto.
BBE (Background Block Error): Un block erróneo que no es parte de un SES.
Los Parámetros de Errores de Performance G.826, medidos en un período de disponibilidad, son:
ESR (Errored Second Ratio): El cociente de ES sobre el total de segundos en un intervalo fijo. Se espera que sea inferior a 0,16 para STM-1 y a 0,04 para E1 en un trayecto de 27.500 Km (G.801)
SESR (Severely Errored Second Ratio): Cociente de SES sobre total de segundos en un intervalo fijo. Se espera que no supere el valor de 0,002 para cualquier velocidad en el trayecto de 27.500 Km.
BBER (Background Block Error Ratio): Cociente de BEB sobre total de block en un intervalo fijo, y que -4 excluye todos los bloque durante SES. Se espera que sea menor a 2x10 hasta STM-1 y menor que -4 10 hasta STM-16 en el trayecto de 27.500 Km.
Otros parámetros relevantes son:
EBR (Error Block Rate): Indica el número de bloques erróneos por segundo.
SDP (Severely Disturbed Period): Indica un intervalo de tiempo con cuatro bloques consecutivos con -2 un BER > 10 . Numerosos SDP pueden conducir a la salida de servicio de enlaces, por alarmas.
US (Unavailable Second): La indisponibilidad contempla el número de segundos durante el cual la señal tiene alarmas ó un período desde 10 SES consecutivos hasta que registrar 10 segundos sin SES.
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La Figura 2.55 muestra el criterio de análisis de indisponibilidad US de un Camino Unidireccional.
Figura 2.55: ITU-T G.826 – Criterios para Análisis de Indisponibilidad en un Camino Unidireccional. Además de los errores BIP-N, detectables en la señal STM-N y sus partes, G.826 contempla el análisis de errores en las señales tributarias, como ser errores CRC en tramas E1 (bit 1 del primer octeto de E1). La administración de la performance se basa en el monitoreo sobre objetos específicos, como ser errores B3 en un Camino HO ó errores V5 en un Camino LO. Los resultados pueden ser examinados con varios criterios según el Operador de la red SDH, ya sean técnicos internos ó para verificación del SLA de un contrato. Además de los errores medibles desde un sistema de gestión, con equipos en servicio, puede implementarse una rutina de test con facilidades fuera de servicio, utilizando instrumental específico. Los planes de monitoreo de performance deben incluir errores básicos, alarmas producidas y la calidad de las señales, en particular el exceso de errores BER en los diferentes niveles (RS, MS, VC-n), los cuales pueden estimarse en función de los errores de bloques con BIP-N y calificar así el nivel de degradación de calidad de la señal STM-N y sus secciones, como RS, MS, Caminos HO y LO. El análisis de la performance se complementa con el análisis de errores en las salidas de las tributarias PDH, en las interfaces G.703 a nivel de código de línea HDB3, con los instrumentos adecuados para decodificar y medir la calidad de las señales tributarias.
2.13 Protección de Redes SDH y Restauración de Servicios La Conmutación Automática de Protección (APS) es una funcionalidad clave en la disponibilidad del servicio de redes SDH y está cubierta en la Recomendación ITU-T G.841 y complementada con G.707 y otras. APS cubre fallas en los medios de transmisión y en los equipos SDH, que afectan la interconexión de Caminos HO y LO. La ITU-T no reguló sobre esquemas de protección para redes PDH, y se utilizan esquemas propietarios, desde subsistemas 1:1, 1:N hasta DXC PDH entre 2 y 140 Mbps. En parte, las redes de telefonía digital se basan en protecciones de la red de conmutación telefónica y sus esquemas de reenrutamiento por fallas. SDH se establece como standart para transporte de señales digitales e incorpora la experiencia en redes PDH y otras redes en una arquitectura SDH que cubre cada aspecto del modelo ISO-OSI, regulando cada equipo, interfaz, procedimiento y gestión posible en una red de transporte digital multipropósito de cobertura mundial. Por ejemplo, G.841 trata sobre esquemas de protección de redes de FO submarinas internacionales, instaladas por consorcios formados por operadores de telecomunicaciones de los países que interconecta. La Figura 2.56 representa un conjunto de NE SDH en cualquier topología física. El objetivo de la red es la interconexión de puntos de tributación PDH y SDH, típicamente con interfaces E1, E3, E4 y STM-1. La Rec. ITU-T G.841 describe diferentes mecanismos de protección para una red SDH, aplicados a nivel de multiplex SDH ó aplicados a la protección de la conexión de subredes SDH (cubre Caminos SDH HO y LO). Los diferentes esquemas se clasifican como:
SNCP: Protección de la Conexión de Subredes, con método (1+1), en topologías anillo, lineal ó malla.
Protección de la Sección de Multiplex (MS): Redes Lineales, en Anillo Compartido 2F/4F MS-SPRING, y en Anillo Dedicado 2F/4F MS-DPRING.
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Cuando SDH comenzó a desplegarse, SNCP era una solución sencilla, donde los circuitos se envían al mismo tiempo por rutas separadas y, en el extremo receptor se elige la mejor señal, proveyendo una disponibilidad del 99,995% (calidad Carrier). SNCP es utilizada para restauraciones a nivel circuito LO ó HO, desde TU-12 (E1) hasta el nivel VC-4 (STM-1), y es aplicable a topologías lineales, anillo ó malla, pero consume más recursos que las soluciones compartidas en anillos MS-SPRING y MS-DPRING.
Figura 2.56: Acceso de Elementos de Red (NE) en una Red SDH de Topología Arbitraria En el despliegue inicial de SDH, hacia mediados de los años ’90, la implementación de anillos MS-SPRING con restauración por debajo de 50 mseg competía con soluciones que requieren conmutaciones mediante DXC con activación automática ó manual (como en PDH), consumiendo mucho tiempo para el proceso de restauración. Con gran migración hacia SDH, las curva de aprendizaje de uso y fabricación, avances en microelectrónica y menores costos de equipos, hacia el año 2000 el uso del protocolo APS (Automatic Protection Switching) era generalizado, especialmente en redes anillo. El plan de restauración en 50 mseg ó menos hasta 1.200 Km y el protocolo APS (G.841) se generalizó, especialmente en redes metropolitanas. En redes submarinas de largo alcance, el objetivo de G.841 es la restauración en menos de 300 mseg para el peor caso.
2.13.1 MSP y Mecanismos de APS MSP trata sobre la protección de la Sección de Multiplex (MPS) en forma automática por conmutación (APS). Es un procedimiento para detección de condiciones de falla en redes SDH y la conmutación de una facilidad activa (working) a una facilidad de reserva (protection). MSP define un protocolo para proteger secciones de multiplex SDH mediante el intercambio de señalización entre el Origen (Near End) y el Destino (Far End), con los bytes K1 y K2 del MSOH de la trama STM-N. El protocolo opera sobre 16 facilidades diferentes que puede administrar una Sección de Multiplex SDH. STM-1 es la menor unidad de trama SDH, aunque puede operar con señal STM-N (N = 1, 4, ...). La restauración de los Caminos HO-POH y LO-POH se resuelve con procedimientos superiores ó con esquemas de protección SNCP. La Tabla 2.57 presenta todas las combinaciones de los bytes K1 y K2 para topologías lineales (G.783) y de anillo (G.841). K1 y K2 tienen roles diferenciados en el protocolo MSP (ejecuta la APS):
K1: Señaliza el problema sobre un canal dado y solicita un procedimiento priorizado y preemtivo, ya que una indicación con un número mayor inhibe a otra petición con un número menor. Por ejemplo, un pedido 14 (Conmutación Forzada) tiene prioridad sobre un pedido 12 (Falla de Señal), y este es más prioritario que un pedido 4 (Ejercicio ó Test).
K2: Señaliza la solución dada al problema (1+1 ó 1:N) y la condición de falla (MS-AIS, MS-RDI) e indica el canal puenteado ó el nodo SDH de destino protegido.
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Tabla 2.57: Protocolos APS para Redes SDH Lineales y Anillo. La conmutación APS puede iniciarse por un comando manual desde una terminal local conectada al NE ó desde un NOC, mediante el sistema de gestión de red. La solicitud de APS automática puede iniciarse en la sección de multiplex de un NE SDH, en los casos en que exista una falla de señal (hard failure) ó una degradación de la señal más allá de un tiempo límite (soft failure). Los comandos se transmiten entre ambos NE mediante los bytes K1 y K2 del MSOH de la trama STM-N. Las Recomendaciones ITU-T G.783 (lineal) y G.841 (anillo) proponen que la protección se complete dentro de 50 mseg posteriores a la detección de una falla (SF) ó degradación de señal (SD), que inicia la conmutación.
Figura 2.58: Ejemplo de MSP Bidireccional frente a Fallas en Configuración 1+1.
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La Figura 2.58 indica MSP bidireccional, entre extremos de la Sección de Multiplex, frente a fallas en una configuración 1+1. En la Fuente, la señal es puenteada permanentemente sobre las líneas Activa y Reserva (Working, Protection), y en el Destino las dos señales, idénticas, son recibidas permanentemente. APS puede realizarse en un lapso mucho menor que 50 mseg en este esquema de protección. Si la protección MSP 1+1 es unidireccional, solo se conmuta la sección MS y el camino físico que genera la alarma. En el caso de una protección MSP 1:1, ambos sentidos operan en modo conmutado, y el canal de protección puede ser utilizado para llevar tráfico secundario, de menor prioridad. Este modo es más lento por el protocolo MSP y la negociación entre NE, y otros retardos. La conmutación de la señal Activa al circuito de Respaldo es iniciada por la Fuente del problema (Near End), que solicita la reversión mediante el byte K1. El Destino (Far End) reconoce el pedido e inicia la conmutación local y señaliza mediante K2 que ha conmutado hacia el canal de Respaldo. A continuación se inician los procesos de resincronismo con la señal SDH sobre este canal. La protección 1:N utiliza la segunda mitad del byte K1 para que la Fuente indique cual canal está protegiendo. Si existe más de un canal con problemas, el NE Fuente decide cual canal respalda según prioridades. Como en la protección 1:1, la Fuente solicita Reversión con el byte K1 y el Destino procede a conmutar internamente el canal bajo problemas y luego señaliza bajo K2 a la Fuente que el proceso APS está listo. La protección 1:N puede ser unidireccional ó bidireccional y es reversible, a diferencia del modo 1+1, pues los NE vuelven al estado de reposo cuando la situación de falla desaparece. Deben contemplarse retardos por la pérdida y ganancia de sincronismo, la negociación y la conmutación, además de retardos de propagación física en la FO, en el orden de 5 seg por Km (2/3 de la velocidad de la luz), y retardos de tránsito en regeneradores. Existe un alto grado de control manual por razones de OyM, tanto desde una terminal local conectada al NE como desde una estación de trabajo del sistema de gestión. Los controles incluyen comandos:
Bloqueo de Protección: Bloquea el acceso de canales Activos a la Reserva. Tiene la más alta prioridad.
Clear: Remueve todas las solicitudes externas y tiempos de espera de restauración. Es externo a APS.
Forced Switch: Conmuta la protección con la más alta prioridad en APS (14 ó 13).
Manual Switch: Conmuta la protección con una prioridad media en APS (7 ó 6).
Exerciser: Permite simular una protección sin que se produzca en la práctica, con baja prioridad (4 ó 3).
2.13.2 Protección MSP Lineal 1+1, 1:1 ó 1:N Los esquemas MSP 1+1, 1:1, N+1 y 1:N, en redes lineales, no proveen la misma disponibilidad que las redes anillo debido a la falta de diversidad de los caminos físicos de las FO, generalmente a metros una de otra. La protección MSP 1+1 opera en la Sección de Multiplex, con dos MS sincronizadas, en condiciones de operar por un canal disponible Activo ó Reserva. Los transmisores y receptores pueden conmutar sobre uno u otro canal, según criterios de fallas por alarmas RS-AIS, MS-AIS, LOS, LOF y BER sensado con B1 y BIP-2. La protección MSP 1+1 puede ocurrir en uno ó ambos del sentido canal (Single y Dual Ended). La transmisión continua de la misma señal por los canales Activo y Reserva permite que el extremo remoto (Tail End) decida cual canal utilizar, con un retardo de conmutación muy inferior a 50 mseg.
Figura 2.59: Protección Lineal MSP 1+1. La modalidad MSP 1+1 no requiere trabajar bajo el protocolo APS y los bytes K1 y K2. Ver Figura 2.59.
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La protección MSP 1:1 (Figura 2.60) ó MSP 1:N (Figura 2.61) tiene iguales criterios de activación que MSP 1+1, con la diferencia que los canales Activo y Reserva operan en modo Hot/Standby y no están sincronizados. En una falla, el protocolo MSP activa el canal de Reserva, que puentea el canal Activo (en adelante Inactivo). La protección puede ser automáticamente reversible ó no.
Figura 2.60: Protección Lineal MSP 1:1. En el caso de la protección 1:N, una falla en un canal Activo produce un puenteo hacia el canal de Reserva, con una decisión basada en prioridades si falla más de un canal Activo a la vez. Si la falla se corrige, el sistema vuelve a la condición inicial luego de una espera (temporización Wait to Restore). Debido a los resincronismos que deben tomar lugar, la protección tarda más tiempo que 1+1 en operar.
Figura 2.61: Protección Lineal MSP 1:N.
2.13.3 Protección en Anillos SDH Los esquemas de protección en redes anillo (G.841) son más confiables que en redes lineales (G.783), por la diversidad del camino físico de las FO, lo que protege a la red del mismo factor que origina la falla. Una red lineal puede protegerse con un anillo utilizando FO en un camino alternativo de reserva tan separado que evite que el mismo fenómeno afecte ambos brazos de la red, y es de uso típico en redes de larga distancia. Las redes en anillo son aptas para áreas metropolitanas y regionales con alta densidad de sitios esparcidos en una forma regular. Existen diversas variantes para protección a nivel de multiplex (MS) y de Caminos SDH (HO y LO), y que operan en topologías de anillo simple ó múltiple, utilizando dos ó cuatro FO entre NE. Las variantes de protección más utilizadas en topologías anillo son:
MS-SPRING: Protección de MS Compartida con dos ó cuatro FO, con APS.
MS-DPRING: Protección de MS Dedicada, con dos ó cuatro FO, con APS.
Anillo SNCP: Protección de Conexión de Subredes, aplicable en topologías anillo, lineales y malla.
Variante SNCP Drop & Continue.
2.13.4 Protección de la Sección de Multiplex en Redes Anillo MS-SPRING es un esquema de protección compartida para la Sección de Multiplex en redes anillo, por fallas en equipos y medios de transmisión, que reúsa los VC-4 de protección a lo largo del anillo. Operando con dos
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FO por segmento de Multiplex, asigna el 50% de la capacidad de tráfico al modo Activo (Working) y 50% a Reserva, permitiendo que la capacidad de restauración sea reusada en diferentes secciones de la red anillo. MS-DPRING es un esquema para la protección dedicada de la Sección de Multiplex en redes anillo, que tiene mejor performance que MS-SPRING, pues protege tanto el anillo como el segmento físico entre nodos. Opera con cuatro FO por segmento de Multiplex y asigna una FO al modo Activo (Working) y otra FO a Reserva, por cada sentido. Permite que la capacidad de restauración sea reusada en diferentes secciones de la red anillo 2F MS-SPRING y 4F MS-DPRING tienen las siguientes características:
Protegen fallas en medios de transmisión y en nodos SDH. Una caída de un medio de transmisión entre dos nodos contiguos genera un proceso automático APS tal que el tráfico se restaura sobre ese par de nodos, mientras que los demás nodos solo obran como pasantes.
El tráfico en el medio de transmisión es compartido entre tráfico normal y tráfico restaurado.
Los anillos solo pueden contener hasta 16 nodos, por limitaciones del protocolo APS.
La eficiencia de la red es óptima si el tráfico tiene distribución uniforme entre nodos del anillo SDH ó si existe mucho tráfico entre nodos adyacentes, ya que los VC-4 disponibles puede ser reutilizados.
La protección a nivel de VC-4 (AU-4) limita el tráfico activo a N/2 VC-4 en una trama STM-N para 2F MS-SPRING. El tráfico en AU-3 puede ser reprogramado en AU-4 para proteger Caminos LO (E1, E3).
G.841 limita la distancia a 1.200 Km para restauración en 50 mseg ó menos, con interrupciones no perceptibles en el servicio telefónico. En redes submarinas, el objetivo es restaurar antes de 300 mseg.
La protección redirecciona todo el tráfico del segmento con fallas (dual-ended).
La Reserva puede ser utilizada con tráfico de baja prioridad. Si hay una falla, se descarta.
Existen retardos diferenciales en los trayectos de cada sentido del tráfico restaurado.
MS-SPRING puede crear un error de interconexión ante la falla de un nodo, si un VC-4 activado como Reserva no está disponible para proteger otro segmento MS con fallas. Puede darse una situación con dos canales de Reserva que compiten por el mismo VC-4 en un segmento, y termina con tráfico entregado a un nodo erróneo.
Figura 2.62: Protección de la Sección de Multiplex en Modalidad 2F MS-SPRING (Bidireccional). El proceso de Squelching permite que otros nodos se enteren que un nodo está indisponible, suprimiendo todo tráfico hacia ese nodo e insertando AU-AIS en los canales afectados. El proceso requiere que cada nodo lleve una tabla de conexión y un mapa de todas las conexiones que se originan, terminan ó pasan por el mismo.
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Una alternativa a Squelching es utilizar activamente TTI en cada AU-4. Si existe una conexión errónea, el TTI que llega de un nodo sería incorrecto y se generaría una Alarma Trail Identifier Mismatch. Como resultado de esto, el canal afectado tendría Alarmas AU-AIS insertadas, con el mismo resultado que Squelching. Las redes 4F MS-DPRING no presentan este problema.
Figura 2.63: Protección de la Sección de Multiplex en Modalidad 4F MS-DPRING. Las variantes de protección de Secciones de Multiplex compartidas y dedicadas son:
MS-SPRING: Utiliza dos FO, cada una con un 50% de capacidad Activa normal y el resto para tráfico Protegido. La Figura 2.62 corresponde a una situación normal y de falla en una red 2F MS-SPRING con tramas STM-16. También existen aplicaciones con cuatro FO.
4F MS-DPRING: Protege tanto la sección MS como el segmento de FO. La Figura 2.63 muestra la activación de dos niveles de protección (span y anillo).
2.13.5 SNCP (Protección de Conexión de Subredes) En un anillo SNCP (Sub Network Connection Protection), se transmite la misma trama STM-N en una FO de línea Activa (working), y otra FO de línea de Reserva (Protection), en cada sentido de las agujas del reloj, con los circuitos de clientes duplicados (subredes), a nivel E1, E3, E4 y STM-1. En el NE (ADM), el transmisor de la MS es puenteado sobre ambos medios físicos y el receptor está preparado para conmutar sobre el canal de Respaldo, en el caso de alarmas locales por errores (AU-AIS, AU-LOP, etc.).
Figura 2.64: Protección de Subredes con Anillo SNCP.
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SNCP es aplicable a topologías anillo, lineales, malla, etc., y no depende del protocolo APS (K1, K2), ya que el modo 1+1 con el que opera genera procesos locales de restauración de los caminos SDH HO y LO en tiempos inferiores a la decena de milisegundos. La Figura 2.64 muestra un anillo SNCP de tres ADM, con un loop de 80 Km de FO que cierra el anillo, usual en redes SDH lineales de larga distancia. Se muestran, en el ADM 1, las funciones Bridge (sobre ambos anillos), Switch (mejor RX), Drop (Tributación de STM-N pasante) e Insert. Para el tráfico entre ADM 1 y ADM 3, un corte de ambas FO entre ADM 1 y ADM 2 hace que la interconexión se produzca en el camino alternativo entre ADM 1 y ADM 3. Por ejemplo, si la señal de línea es STM-4 con 252 tramas E1 distribuidas entre los tres nodos, cualquier corte simple de una trayectoria es restaurable. Un corte doble deja conectado el par de ADM que quedó en un segmento. Cada ADM tiene protección bypass (línea de trazos interna), en el caso de que la MS haya quedado fuera de servicio, tal STM-N no ingrese ó egrese del NE. Las características de un anillo SNCP son:
SNCP opera como protección de subredes de clientes, a nivel VC-4. Cada trama E1, E3, E4 ó STM-1 es transmitida en canales independientes y puede lograrse una disponibilidad de red del 99,995%.
La protección es 1+1, local e instantánea, para más de 16 NE pues no utiliza APS y bytes K1 y K2.
Cada NE pasante opera en modo puente para transmisión, y en modo conmutación para recepción.
Si existe tributación en el sitio (Caminos HO y LO), se producen acciones de inserción y extracción a niveles VC-4, VC-3, VC-12, etc. La subtrama correspondiente de la señal STM-N es demultiplexada, procesada localmente, remultiplexada e insertada nuevamente en la señal STM-N para su transmisión.
SNCP ocupa todo el ancho de banda de ambas FO, por lo que no permite protección simultánea entre dos pares diferentes de nodos adyacentes que hayan presentado fallas, a diferencia de MS-SPRING.
SNCP es más apropiado para topologías donde el tráfico está concentrado en pocos sitios, mientras que MS-SPRING aumenta su eficiencia con distribución uniforme de tráfico en los NE.
SNCP es aplicable para proteger porciones de Caminos SDH HO y LO, además de MS, entre dos Puntos de Conexión (CP) ó entre un CP y un Punto de Terminación de Conexión (TCP).
Conmuta por fallas de Server, con monitoreo inherente (SNCP-I) y decisión por fallas AU-AIS, AU-LOP.
Conmutar por fallas de Cliente, con monitoreo no intrusivo (SNCP-N). Además de SSF, utiliza criterios como BER, TIM, etc. El mismo criterio se aplica en toda la subred protegida.
Opera con el concepto Congruent Sending Selective Receive, eligiendo la señal más sólida. Se opera con histéresis para evitar conmutaciones espurias u oscilaciones en la protección.
2.13.6 Interconexión de Dos Anillos SNCP (DRI) Cuando se requiere una topología SNCP de muy alta disponibilidad (99,995%) para el tráfico crítico de Clientes ó de Operadores de Telecomunicaciones, cada subred SNCP es interconectada por un par de gateways con tres ports STM-N, que contienen una matriz DXC y que implementan la función Drop & Continue en los 4 nodos. La red DRI protege a nivel Camino SDH entre los nodos de ambas subredes, como se ve en la Figura 2.65, ya que cada rama del anillo lleva el mismo tráfico STM-N y las señales SDH de menor orden y tributarias PDH HO y LO. Un ejemplo de utilización de esta red es la interconexión de sitios con STP (Signal Transfer Point) de las redes de señalización CCS 7, nacionales ó internacionales, que controlan toda la conmutación telefónica. Cada par de gateways D&C de una subred SNCP se interconectan con un tercer enlace STM-N D&C que copia el tráfico sobre el switch de un gateway (Drop) y continúa hasta el switch del segundo gateway (Continue) por sentido del tráfico (Este a Oeste y Oeste a Este), como se muestra en la siguiente figura con los NE 3 a NE 6. El resultado es un par de gateways D&C espejados que interconectan ambas redes SNCP, y que le proveen la capacidad de caminos alternativos para cualquier caída de nodo ó enlace intermedio entre los NE 1 y NE 10. SNCP DRI permite que dos sitios ubicados en áreas de red geográficamente diferentes ó en dos operadores de telecomunicaciones siempre dispongan de un camino STM-N, sin exhibir un punto único de falla (SPF). El mecanismo puede ser empleado en subredes MS-SPRING ó una combinación de ambas. Los servicios de los clientes que pueden protegerse son facilidades de 2, 34 y 140 Mbps en PDH y 155 Mbps en SDH, que son
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ofrecidos como servicios Premium, debido al costo y a las prestaciones. DRI es utilizado hasta 2,5 Gbps en la mayoría de los casos, aunque la filosofía RDI de alta disponibilidad se utiliza en redes ópticas DWDM 10 Gbps.
Figura 2.65: Protección de Subredes interconectando dos Anillos SNCP (DRI). En países europeos, el servicio es ofrecido como Circuitos Privados SDH, y la protección se conoce como SNCP Drop & Continue. En los nodos multiservicio de la nueva generación SDH, generalmente la función de los cuatro gateways viene integrada como una facilidad de software reprogramable en una placa DXC.
2.14 Sincronismo en Redes SDH 2.14.1 Evolución desde Sincronismo PDH a SDH y otras Redes Las redes SDH emplean una red de sincronismo con todos sus NE (G.703 Anexo A) y es isócrona en toda su cobertura. Un bit SDH isócrono, medido en UI (Unit Interval) en cualquier par de puntos equivalentes, tiene la misma duración, con rígidas tolerancias según un conjunto de Recomendaciones ITU-T, entre las que se destacan G.803, G.810 y G.826. En la Figura 2.66 se representa una red SDH central, con una referencia a un Reloj Maestro PRC, que interconecta NEs de una red PDH, cada uno con su reloj propio. En cambio las redes PDH son plesiócronas (reloj autónomo), lo que facilitó implementar islas digitales PDH en la fase de reemplazo de las redes analógicas. Desde mediados de los ‘80 las redes digitales evolucionaron al modo cuasi-sincrónico, distribuyendo la referencia de sincronismo utilizando tramas E1. La referencia maestra PDH eran relojes en las centrales internacionales (G.811, 1984), y dio lugar distribuciones nacionales de sincronismo con topologías árbol: centrales de tránsito nacional y local. En 1988 G.811 se dividió en G.811 (PRC) y G.812 (SSU Tránsito, Local), cuando se publicó el grupo inicial de normas SDH. En 1996, la Rec. ITU-T G.813 introdujo las especificaciones de los relojes SEC de los equipos SDH. Bajo SDH ha desarrollado una arquitectura global de redes de sincronismo, lo que no existía en PDH. Inicialmente aparecieron islas SDH en un escenario mayoritariamente PDH. La existencia de islas SDH es mínima en la actualidad, pero causa inconvenientes si transporta tramas PDH E1 para sincronismo. El desarrollo de SDH como capa de sincronismo de la transmisión digital ha requerido una década ó más, según el país. El reemplazo del cuasi sincronismo PDH trae problemas en transportar tributarias PDH, especialmente señales E1 y T1 en redes fijas y móviles que requieren precisión temporal, pues ambas clases de redes tienen diferentes niveles y tolerancias de sincronismo.
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El desacople de sincronismos se soluciona con la flotación de las señales PDH en el espacio útil de las tramas SDH y el ajuste de punteros TU-n de las cargas VC-n, particularmente VC-12, pero agregan saltos de fase. En la interfaz SDH-PDH, las unidades tributarias TU-12 flotan en los contenedores virtuales VC-4, los que a su vez flotan respecto de las tramas STM-N encapsulantes. Los punteros a VC-4 concilian diferencias en módulo 3xN bytes en una trama STM-N, y los punteros TU-12 concilian diferencias a nivel byte con el contenedor VC12. Si el ajuste de puntero TU-12 (justificación) es frecuente, genera saltos de fase de valor mucho mayor que el ruido de fase del reloj de trama E1 recuperado, generando pérdidas de sincronismo en los clientes de SDH.
Figura 2.66: Red SDH con Referencia Central de Reloj (PRC). SDH corrompe las tramas E1 de sincronismo, transportadas en TU-12 desde un PTE, con saltos de fase que son proporcionales a los 3, 68 seg de duración de un byte en E1, durante la recuperación del reloj de la señal E1, por justificación del puntero TU-12 (un byte por vez). Si el problema es frecuente, la señal E1 recuperada pierde su cualidad de referencia temporal, lo cual es muy grave en redes TDM fijas y móviles. Una señal E1 transportada por una red SDH entre dos subredes PDH y sus PTE puede requerir dos ajustes de punteros, en el ingreso y el egreso de SDH. Esto puede evitarse de dos maneras:
SDH es la red maestra de sincronismo, y cada NE PDH toma sincronismo de la misma (multiplexores, DXC, Centrales TDM Locales y de Tránsito, equipos de terceros, etc.). Esto no siempre es posible, en equipos que no poseen entradas auxiliares de sincronismo, caso de estaciones base y centrales TDM.
La señal E1 que acarrea tráfico y sincronismo simultáneamente, es re-temporizada en un buffer donde ingresa tal como sale del equipo SDH (ajustada por TU-12). La salida del buffer es generada por un reloj estable de 2,048 MHz, generado desde un SSU, tal que produce la desaparición de los saltos de fase por ajustes de punteros TU-12. La nueva señal es utilizada como referencia de sincronismo PDH.
El problema de sincronismo de los elementos de red presenta dos necesidades de enorme importancia, con una creciente influencia de requerimientos de sincronismo en tiempo, además de frecuencia:
Equiparar el sincronismo de diferentes redes de diferentes proveedores, interconectadas a nivel local, nacional ó internacional. Se requieren acuerdos sobre cómo se implementa el sincronismo maestro, esclavo, los procedimientos en el caso de caídas de los enlaces de sincronismo, etc.
Unificar el sincronismo en la infraestructura de transmisión digital de un proveedor por la convergencia de redes que transportan información sincrónica (audio y multimedia), cubriendo redes OTN, DWDM, redes móviles e inalámbricas (GSM, CDMA, UMTS, LTE, WiMAX, etc.), redes NGN e IMS, redes de datos con media sincrónica (Ethernet, ATM, IP, MPLS, F. Relay), y de otras clases.
Como ejemplos de las crecientes necesidades de sincronismo e interfaces bien definidas entre las fronteras de las redes que han explotado en los últimos 20 años, se tienen exigencias como en los siguientes casos:
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GSM, WCDMA y CDMA 2000 requieren una precisión de frecuencia de 5 x 10 en la interfaz de aire de -7 la Estación Base. El terminal móvil requiere una precisión de frecuencia de 10 .
CDMA 2000 (3GPP2) requiere sincronismo de tiempo en el nivel de ±3 μseg (±10 μseg peor caso).
WCDMA y 3GPP UMTS en el modo TDD requieren una precisión temporal de ±1.25 μseg del tiempo UTC entre Estaciones Base vecinas (Nodos B) para soft handover de las llamadas sobre un terminal.
3GPP LTE Multimedia Broadcasting over a Single Frequency Network (MBSFN) requiere sincronismo por celda mejor que ±3 μseg.
WiMAX IEEE 802.16D/e TDD tiene requerimientos mejores que ± 5 μseg.
DVB-T/H SFN (Single Frequency Network) requiere transmisores sincronizados en ± 1 μseg.
Los servicios sobre redes IP, bajo convergencia multimedia, tienen objetivos a mediano plazo de dos órdenes de magnitud por debajo del retardo promedio (llevar la precisión de NTP al rango 10-100 μseg).
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2.14.2 Redes de Sincronismo SDH La ITU-T, además de ETSI, ANSI y numerosas agencias nacionales y regionales, dedica importantes esfuerzos en desarrollar Recomendaciones sobre sincronismo de redes SDH y otras, como normas para sincronismo en la interfaz de SDH con redes de conmutación de paquetes. Algunas de las más relevantes actualmente son:
G.803. Arquitectura de redes de transporte basadas en SDH.
G.811: Características Temporales del Reloj de Referencia Primaria (PRC)
G.812: Características Temporales de Relojes Esclavos (Unidad de Suministro de Sincronismo, SSU).
G.813: Características Temporales de Relojes Esclavos de Equipos SDH (SEC).
G.823: Control de Jitter y Wander en redes basadas en E1 (ITU-T). G.824 se aplica a redes ANSI (T1).
G.825: Control de Jitter y Wander en redes basadas en SDH.
G.8261/Y.1361: Aspectos de Temporización y Sincronismo en Redes de Paquetes. Trata sobre los requerimientos mínimos de los NE en las interfaces TDM-IP y sus funciones de sincronismo.
G.8262/Y.1362: Características de Temporización de Relojes Esclavos de NE Ethernet (EEC). Trata sobre los requerimientos de sincronismo de servicios Carrier Ethernet en redes SDH.
La arquitectura de la red de sincronismo SDH debe cumplir con requerimientos de la Rec. ITU-T G.803 en una topología tipo árbol que distribuye el sincronismo utilizando tres fuentes de diferente calidad, según se define en las Recomendaciones ITU-T G.811, G.812 y G.813:
ITU-T G.811 (PRC, Reloj de Referencia Primario). Un PRC Master con estabilidad mejor que 10 y referencia UTC, para una red de proveedor nacional de servicios de comunicaciones. Puede basarse en relojes atómicos de Hidrógeno, Cesio, en Rubidio sincronizado con GPS u otras. Debe acumular un error de menos de un segundo cada 3.000 años, con errores de fase y frecuencia generando menos de un deslizamiento cada 70 días en un canal de 64 Kbps.
ITU-T G.812 (SSU, Unidad de Suministro de Sincronismo). Unidad Esclava con estabilidad mejor que -8 1,6 x 10 y dependientes de un PRC, otro SSU ó un SEC. Cumple dos funciones: filtra jitter y parte del wander de la señal de sincronismo y es una fuente de alta calidad para escenarios de retención (Holdover). Un SSU puede ser standalone ó parte de un equipo de mayor jerarquía, como un DXC SDH, con hasta 10 SSU en cadena. Los SSU intermedios son de tránsito (T) y el SSU final es local (L).
ITU-T G.813 (SEC, Reloj de Equipamiento SDH). Unidad Esclava con estabilidad mejor que 4,6 x 10 . Se requieren como referencia aceptable y económica en el modo Retención (Holdover), con un SSU como Master, siendo posible hasta 20 SEC en cadena, luego de lo cual un SSU debe eliminar las degradaciones acumuladas. Típicamente contiene un SETG interno tipo VXCO, basado en cuarzo.
-11
-6
La Figura 2.67 presenta la jerarquía de distribución de sincronismo de una red nacional SDH, según UIT, con la máxima cantidad de elementos de sincronismo SSU y SEC por nivel y por cadena. Los NE que operan como respaldo residen en nodos de sincronismo, y son temporizados desde un único SSU (intranodal).
2. Redes de Transmisión SDH y EoSDH
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La conexión entre nodos de sincronismo (internodal) es jerárquica tipo árbol, con un nodo raíz que es el PRC. La conexión internodal forma una cadena de transporte del sincronismo SDH, traceable al PRC. La Figura 2.67 muestra, además, el contenido del mensaje SSM que emite cada NE de la cadena en el sentido descendente. En el sentido ascendente, el SSM puede ser, típicamente, DNU (Do Not Use). El sincronismo se transporta en la señal de línea STM-N, en cuyo encabezado MSOH el byte S1 lleva el mensaje SSM (Sync. Status Message), que indica el origen de la referencia de sincronismo del NE transmisor. El mensaje MSS permite la reconfiguración de la red de sincronismo en el caso de caída de algún enlace ó NE. El NE receptor puede decidir, en función del MSS, su reacción programada frente a la falla. La Figura 2.67 representa conexiones extra (respaldo) entre las cadenas de sincronismo, lo que genera redes complejas árbol-malla-anillo. Puede ocurrir un error de diseño que permita una combinación que cause loops de sincronismo, los cuales son degenerativos. La acción del NE con el mensaje MSS previene la ocurrencia de estos loops, en base a un conjunto de criterios pregrabados en el SEC ó el SSU.
Figura 2.67: Jerarquías en Red de Distribución de Sincronismo (ITU-T G.803). El Anexo A la Rec. G.803 enumera los elementos más importantes que deben considerarse en el diseño de una red de sincronismo SDH. Se puede resumir como sigue:
La composición de la cadena de sincronismo completa comprende un PRC y hasta 60 SEC, que son los NE SDH tipo ADM, MUX, DXC ó LTE. Una sección de la cadena no puede tener más de 20 SEC sin agregar un SSU, y no puede haber más de 10 SSU en toda la cadena de sincronismo.
Las especificaciones de cada reloj debe ser compatible con las Recs. ITU-T G.811 (PRC), G.812 Tipo I (SSU) y G.813 Opción I (SEC).
Se debe analizar el ruido de fase lento (wander), rápido (jitter) y transiciones de fase en cada elemento de referencia y en toda la cadena.
Debe analizarse el diseño de la red SDH identificar la existencia de islas SDH, que contienen Caminos HO y LO en una subred de sincronismo parcial, en la cadena de sincronismo. Se deben contabilizar los procesadores de puntero VC-n y TU-n, por el impacto en el ajuste del sincronismo de la señal tributaria.
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124
Generalmente el SEC, que absorbe la función SETS en el equipo SDH, se sincroniza con la señal de línea STM-N (lado Este u Oeste). La señal STM-N utilizada para sincronismo ingresa con un SSM=SEC y la restante lleva un SSM=DNU (Do Not Use), para eliminar ambigüedades y prevenir loops de sincronismo. El cambio de referencia en el NE, en el caso de una falla ó señal degradada modificará los mensajes SSM en segundos. Cuando se han acumulado hasta 20 SEC, se ha alcanzado un límite de ruido de fase, y el nodo SSU debe purificar la señal STM-N eliminando el jitter y la mayor parte del wander (fluctuación lenta de fase).
2.14.3 Reconfiguración de Red de Sincronismo SDH y Mensajes SSM La Figura 2.68 representa una cadena de la red de sincronismo SDH con 26 SEC y 2 SSU.
Figura 2.68: Cadena de Sincronismo SDH y Mensajes SSU.
Los enlaces de sincronismo activo (G.810), se representan con líneas llenas y transportan la señal STM-N. Los enlaces de respaldo se muestran con líneas de trazos y la señal STM-N transporta SSM=DNU (No usar para sincronismo). El SSU 02 tiene una entrada secundaria para referencia por GPS, de respaldo por caída del PRC. El sincronismo de cada anillo SDH fluye en sentido horario, en modo normal. Los SSU proveen de sincronismo en sentido horario y anti-horario y que están co-locados en las premisas de los NE SDH y, típicamente, una central TDM de Tránsito (Clase 5) y Local (Clase 4). Se observa que cada SSU provee entradas para los dos sentidos del anillo, por fallas en enlaces ó NE SDH. Es mandatorio que cada él sincronismo de cualquier NE SDH de la cadena sea traceable hasta el PRC, lo cual es informado por los mensajes SSM, en el byte S1 del encabezado MSOH de la trama STM-N. Ver Figura 2.69.
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Cualquier falla será detectada por el primer NE de la cadena SDH en el punto inmediatamente posterior a esta. El SEC del NE deberá pasar de un modo de referencia traceable al PRC al modo de retención (Holdover) en el SETG y, si persiste, al modo libre. Este NE debe cambiar el SSM del enlace activo desde PRC, SSU ó SEC a SSM=0 (calidad desconocida). La siguiente tabla presenta las variantes ITU-T G.707 normalizadas.
Figura 2.69: Estructura del Mensaje SSM (Status de Sincronismo). La Figura 2.70 muestra dos reconfiguraciones posibles de la red de sincronismo SDH analizada. En el caso de la izquierda, cae el enlace de sincronismo SSU 01 con el ADM 1-01, lo que fuerza a reconfigurar la Subred 01 para transportar la temporización del SSU en el sentido antihorario. No se afecta el rol del SSU 02, que opera como regenerador de la señal de sincronismo de la Subred 01 sobre la Subred 02. En el caso de la derecha, se produce la caída del SSU 01 y la pérdida de referencia del PRC. Como la red SDH fue planificada con un respaldo del PRC mediante GPS como entrada de referencia del SSU 02, este adopta el rol de Master e inyecta una señal de sincronismo en el sentido horario a la Subred 01 por el ADM 1-10. No es necesario modificar el comportamiento de la Subred 02. La red vuelve a la normalidad al reactivarse SSU 01. El status de la red de sincronismo se conoce a través de la propagación del mensaje SSM, que cambia a partir del punto de falla. El resto de los NE va recibiendo el nuevo status y preparando su reconfiguración según ha sido planificado, ó esperan el resultado de la propagación del mensaje SSM original y la cascada de derivados.
Figura 2.70: Dos Reconfiguraciones Posibles del Ejemplo de Red de Sincronismo. La mayoría de las operaciones de reconfiguración pueden programarse como algoritmos en la función SETS de cada NE SDH. En algunos casos, como la pérdida de referencia del PRC, puede ser necesario reconfigurar en forma manual la red a través de una terminal de gestión local ó remota. La Figura 2.71 esquematiza la función SETS (Synchronous Equipment Timing Source) de un SEC SDH, el modelo de un SSU y, además, un ejemplo parcial de la operación del SSU 01 ó SSU 02, para STM-16. Una de las salidas típicas de sincronismo es una señal de 2,048 MHz (nivel G.812) ó una trama E1 sin tráfico.
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El SEC es instruido, por default ó vía el sistema de gestión, que utilice la entrada T3 como referencia para el funcionamiento del SETS. La señal STM-16 entrante (Oeste) llega con SSM=SEC y la señal saliente (Este) del equipo SDH contendrá SSM=SSU. Las entradas y salidas de sincronismo del módulo SETS (ITU-T G.783) son:
T0: Salida regenerada para uso interno del NE SDH (4 Khz, 2,048 MHz, etc.)
T1: Entrada derivada de una señal de línea STM-N que llega al equipo SDH (Este/Oeste).
T2: Entrada derivada de una Tributaria PDH, preferentemente una trama E1 sin tráfico.
T3: Entradas desde una Fuente Externa de Sincronismo, como un SSU.
T4: Salida regenerada utilizada para alimentar otros NE SDH ó un SSU (vía el Selector A).
Figura 2.71: Función SETS (Synchronous Equipment Timing Source). El reloj SETG del equipo SDH opera en diferentes modos, como ser sincronismo forzado por señal STM-N de línea, por señal tributaria de 2,048 Mbps ó por señal local externa de un SSU, como en la figura superior, que muestra un nodo simple de la red de sincronismo SDH (un SEC y un SSU). Si existe una falla en un enlace de sincronismo, este no puede propagarse en el sentido normal horario, y debe activarse el uso del anillo antihorario. Mientras estos procesos ocurren, se registran como alarmas AIS y se aplica la corrección, el reloj SEC corre en modo Holdover (Retención), debiendo cumplir las tolerancias G.813. En redes complejas, un cambio en las condiciones normales podría generar loops de sincronismo, que aísla segmentos de red cuyos NE se sincronizan mutuamente, sin relación con el resto de la red. Estos loops son prevenidos con el uso de mensajes SSM en redes anillo, pero requieren un análisis previo en redes complejas contemplando todas las combinaciones posibles.
2.14.4 Suministro de Temporización desde SDH a otras Redes Las redes SDH llevan dos décadas de despliegue global, reemplazando el transporte digital PDH que comenzó a implementarse a principios de los años ‘70, junto con la introducción de centrales digitales TDM. El fenómeno de las islas PDH y centrales TDM POTS en una red global analógica fue una razón válida para la plesiocronía. Al progresar el despliegue PDH y con la aparición de centrales PBX TDM como clientes de las redes públicas, fue conveniente que estas centrales fueran la referencia de sincronismo, mediante troncales E1, de centrales públicas Clase 5 (Locales), para minimizar los deslizamientos de tramas (slips). Con la maduración del uso de redes PDH, a mediados de los años ’80 se inició un cambio de plesiocronía a un carácter cuasi-sincrónico, con la introducción del standart CCITT G.811 (PRC) en 1984. Con esta base se fue implementando redes de sincronismo PDH, utilizando tramas E1 sin tráfico como referencia fundamental. Así, se desarrolló el concepto de capa de sincronismo y los NE externos pasaron al modo esclavo de esta capa. La evolución de señalización CAS, R2, #5 y otras hacia la señalización CCS 7, basada en HDLC sobre canales de 64 Kbps con capacidad de manejar cerca de 25.000 BHCA por canal (llamadas en hora ocupada), aumentó las exigencias para un óptimo sincronismo PDH y la minimización de los deslizamientos de trama (slips). Algunos de los problemas que causan los deslizamientos de bloques de bits por asincronismo de relojes son:
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Pérdida de llamadas, tanto en canales que acarrean señalización CSS 7 para telefonía fija, que afecta a decenas de llamadas procesadas en una trama E1 dedicada a esta señalización ó caída de llamadas en redes móviles. Este es uno de los problemas más graves del deslizamiento por asincronismo.
Degradación de la calidad del servicio telefónico percibida por el usuario que, según el codec utilizado, puede afectar intervalos desde 125 seg hasta 30 mseg por cada deslizamiento.
Pérdida de sincronismo e información en modems V.xx (Ej.: V.29 en redes públicas de datos X.25) y faxes Grupo 3, con caídas de los enlaces de datos y documentos parcial ó totalmente corrompidos.
Pérdida de paquetes de datos IP transportados en tramas E1. El impacto es importante en el transporte de media sincrónica bajo IP/UDP/RTP, en particular para la telefonía VoIP.
Cuando se alcanzó una clase de red PDH cuasi-sincrónica, con problemas de deslizamiento bajo control, la introducción de SDH generó islas SDH en redes globales PDH. Debido al concepto base de la flotación de la carga de SDH como solución a señales PDH asincrónicas mediante el ajuste de punteros TU y AU, apareció el problema de deslizamientos en tramas PDH por ajustes periódicos de punteros SDH. Originalmente, las señales E1 de sincronismo PDH no podían ser transportadas sobre redes SDH pues perdían sus cualidades temporales al encapsularse en Unidades Tributarias TU-12 sometidas a ajustes periódicos de punteros. El resultado, entre dos PTE SDH, es la recepción de una señal de 2,048 Mbps con deslizamientos (tramas corruptas), que generan relojes recuperados de 2,048 MHz con saltos de fase y otras degradaciones. Cuando el despliegue de SDH se hizo masivo, se convirtió en la capa de sincronismo de todas las otras redes, en particular para telefonía TDM fija y móvil. El PRC es el reloj maestro de la red SDH y toda otra referencia se subordina a este reloj G.811. Con este criterio, las centrales TDM fijas y móviles son temporizadas desde la red SDH a través del port T4 de un ADM, multiplexor, DXC ó LTE SDH ó, en el caso de que co-exista en el mismo espacio físico de un SSU, toma su referencia directamente de este. Además, la adopción de GPS como referencia para disciplinar relojes de Rubidio (G.812) permite que los SSU en una amplia extensión geográfica tengan sincronismo temporal, con error diario de 250 nseg y traceabilidad a la referencia mundial UTC, utilizada por G.811. Los relojes G.812 tienen un costo mucho menor que los PRC. La utilización de SDH para sincronismo unificado de frecuencia y tiempo minimiza pero no anula deslizamientos de las tramas E1 transportadas en SDH. Puede ser tolerable para el transporte de tráfico E1, pero no lo es para el transporte de sincronismo sobre PDH E1, especialmente sobre estaciones base GSM ó nodos B-UMTS que, en general, no tienen entradas auxiliares de sincronismo y este debe ser introducido en una trama que acarrea tráfico. El efecto del wander de la señal SDH solo es minimizado en los SSU y requiere filtrado adicional. La Figura 2.72 presenta un esquema en el que la red SDH opera como capa de sincronismo maestra para un operador de redes fijas y móviles, y resume algunos de los conceptos previos.
Figura 2.72: Red SDH como Capa de Sincronismo Maestra. La retemporización de señales E1 es la solución de última instancia, por costos, en redes SDH con problemas de temporización en los equipos PDH de las interfaces, como ser una estación base ó un switch TDM. Es útil
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cuando no es posible utilizar una señal E1/T1 para transportar sincronismo por excesivo wander y se basa un buffer, con escritura desde el sincronismo de señal TU-12 y lectura desde una señal de sincronismo extraída desde la señal STM-N y filtrada para eliminar las variaciones lentas de fase (desde 30-50 mseg.). La señal E1 retemporizada, que acarrea tráfico, puede utilizarse como referencia de sincronismo, traceable hacia el PRC y cumple con límites establecidos en ITU-T G.823, G.824 para PDH, Las degradaciones acumuladas en las referencias SDH producen deslizamientos (slips), en bits, bytes ó tramas de 125 seg, por la repetición ó el descarte de un bloque de bits en el flujo de bits sincrónico, por discrepancias entre las velocidades de lectura y de escritura en el buffer. Los deslizamientos pueden ser controlados o no, según la estrategia de control del NE, como ser profundidad del buffer y pureza de los relojes utilizados. En una trama E1, el receptor debe recuperar correctamente 256 bits cada 125 seg y, en una trama STM-64, el receptor debe recuperar correctamente 1.244.160 bits en el mismo intervalo de trama. Un bit perdido ó extra corrompe la trama y lleva a su descarte. La recepción sincrónica exige que la cantidad de bits que ingresan y egresan en el buffer de recepción, de unos pocos bits de profundidad, sean iguales en cualquier período de medición menos la longitud temporal del buffer (obra como amortiguador). De no ocurrir esto, se dan dos situaciones que conducen a deslizamientos de bloques de bits (slips):
Buffer Underflow: El reloj de línea (escritura) ha generado menos ciclos que el reloj de lectura del NE durante el intervalo de llenado/vaciado del buffer. En algún momento no habrá un bit correctamente asociado a un ciclo de reloj de lectura.
Buffer Overflow: Es el caso inverso, cuando el reloj de línea ha generado más ciclos que el reloj de lectura. Un bit se perderá por no poder ser leído por el reloj interno del NE.
2.14.5 Relojes de Referencia y Mediciones de Jitter y Wander Los parámetros que definen la calidad de un reloj de referencia son:
Precisión: Diferencia con respecto al valor nominal de la frecuencia esperada.
Estabilidad: Deriva de la frecuencia nominal en el corto, mediano y largo plazo (horas, días, meses).
Jitter: Ruido de fase de la referencia, que genera variaciones rápidas (superior a 10 Hz) de la posición instantánea de una señal respecto de su intervalo de existencia (UI). El jitter se mide en UI y UIpp.
Wander: Ruido de fase de la referencia, que genera variaciones lentas (debajo de 10 Hz) de la posición instantánea de una señal respecto de su intervalo de existencia (UI). El wander es más complejo de especificar que el jitter, pues abarca múltiples intervalos de medición. MTIE y TDEV son mediciones que expresan valores de wander pico a pico y su varianza (predecible), respectivamente.
El más cuidadoso diseño de oscilador genera una señal con incertidumbres aleatorias de fase, tanto menores cuanto más elaborado y costoso es su diseño. La fijación en fase a una referencia, para ajuste de la precisión y la estabilidad puede disminuir ó aumentar el ruido de fase intrínseco, según la forma de medir e interpretar los datos. El origen del jitter y wander, divisiones arbitrarias del ruido de fase de un oscilador, se deben a:
Ruido de fase interno en osciladores, rápidos o por derivas aleatorias térmicas ó por envejecimiento.
Interferencias y ruido no filtrables en la señal de línea que sincroniza el PLL de ajuste del oscilador.
Pérdida de breve de referencia por secuencia de símbolos de línea sin suficientes transiciones.
Oscilaciones de frecuencia de tributarias por relleno de bits para ajuste de velocidades en PDH.
Ídem en SDH, por el rellenado de bytes en el mapeado de señales asincrónicas en los TUs y VCs.
Transiciones por justificaciones de punteros SDH LO (8 bits) y HO (24 bits) para ajuste de velocidades.
Fluctuaciones lentas por cambios físicos en medios de transmisión sincrónica, con retardos variables.
La Figura 2.73 presenta un reloj de referencia y su comparación concurrente con otro reloj que tiene solo un componente sinusoidal de jitter, cuya amplitud es la diferencia de fase (medida en el tiempo) entre la primer y la segunda señal. En la práctica, el ruido de fase es un espectro continuo alrededor de la frecuencia f Ref.
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Figura 2.73: Comparación entre Reloj de Referencia y Reloj con Jitter Sinusoidal. La Rec. G.810 adopta un modelo s(t) con imperfecciones cuadráticas en el tiempo y un componente aleatorio. La señal de temporización s(t) es derivada de un oscilador libre ó estimulado en su frecuencia de resonancia característica. En la Figura 2.74, el caso de la izquierda representa una señal ideal, físicamente imposible.
Figura 2.74: Expresiones Analíticas de Señales de Referencia Ideales y con Imperfecciones. Los osciladores de cuarzo autónomos (OXCO) y ajustados por realimentación PLL con una referencia (VCXO) son utilizados universalmente para proveer señales de temporización de referencia en toda la electrónica. Los aspectos más relevantes son: el diseño de la circuitería de control del PLL y el uso de la fuente de referencia.
Figura 2.75: Curvas de Ruido de Fase de dos Fuentes de Referencia.
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130
Las fuentes de referencia de los XCO proveen precisión, con frecuencia de salida ajustable en varias ppm, y estabilidad, que perfecciona la del VCXO y ayuda a eliminar variaciones de frecuencia por wander intrínseco, aunque esto genera un ruido de fase mayor en las frecuencias altas (ver gráfica comparativa en Figura 2.75). Si la fuente elegida es una referencia cuántica (Cesio, Hidrógeno), la estabilidad del VCXO puede mejorarse -12 100.000 veces, hasta 10 . Una CPU es utilizada para control interno, tests, y almacenamiento de valores de compensación para el modo retención (holdover). En el caso de un PRC basado en en un reloj cuántico de Hidrógeno, se tienen las siguientes prestaciones:
Precisión de frecuencia: ± 1 x 10
Resolución de frecuencia: 1 x 10
Estabilidad de frecuencia: 1 segundo (2x 10 ); 1 hora (6 x 10 ); 1 día (2 x 10 ); 1 mes (±6 x 10 ).
Ruido de fase en señal de 10 Mhz: -115 dBc a 10 Hz; -135 dBc a 100 Hz; -150 dBc a 10.000 Hz.
-12 -15
-10
en un rango de 1 x 10 . -12
-14
-14
-14
Los XCO son osciladores de cuarzo de precisión que son utilizados en relojes G.813 (SEC). Si operan en un PLL, como ocurre en una referencia G.811 ó G.812, se denominan VCXO. Si operan en modo aislado, como en los osciladores SETS de los equipos SDH pueden ser standares (XCO) ó en cámara térmica (OCXO). La Tabla 2.76 resume propiedades de osciladores de referencia ITU-T G.811, G.812 y G.813, junto con su equivalente para SONET (ANSI). Se observa que el wander se expresa en su valor pico máximo de repetición, y el jitter se expresa a través de mediciones MTIE.
Tabla 2.76: Propiedades de Osciladores de Referencia G.811, G.812 y G.813. La calidad de la señal de sincronismo está determinada por un análisis en el dominio del tiempo, porque es afín con la naturaleza del proceso de multiplexación y de transmisión digital, como la frecuencia lo es para FDM. El concepto es equivalente a utilizar instrumento en modo frecuencímetro ó en modo temporizador. Los valores de jitter y wander se expresan con mediciones de TE, TIE, MTIE y/o MDEV, definidos como sigue:
TE (Time Error): Mide el error de un reloj con respecto a un standart ideal, según x(t) = T(t) – TRef(t), donde x(t) es el TE. Aunque es un valor absoluto y arbitrario en el tiempo t, es la base para funciones con un valor más práctico, como TIE, MTIE, etc., con muestras equiespaciadas en un intervalo .
TIE (Time Interval Error): Expresa la diferencia de TE durante un intervalo observación . Mejora el valor de TE pues expresa las discrepancias con una referencia durante un intervalo de medición . La siguiente gráfica muestra un conjunto de TIE con .= 1 segundo. Los resultados deben analizarse para verificar la deriva del reloj, utilizando MTIE y MDEV. Ver Figura 2.77.
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Figura 2.77: Ejemplo de Gráfica de TIE.
MTIE (Maximum Time Interval Error): Dado un conjunto de N mediciones TIE, en intervalos , MTIE selecciona los peores casos de error temporal TEMax y TEmin, y entrega su diferencia. Representa la máxima variación pico a pico del retardo de un reloj contra una fuente de referencia durante N x . MTIE se grafica en el eje , y diverge monotónicamente. Si existe una diferencia de frecuencia constante es una recta, pero diverge si la fuente tiene deriva de frecuencia. La gráfica MTIE es útil como una medida indirecta del wander. La siguiente figura ejemplifica una comparación de un reloj con la máscara del MTIE para ITU-T G.811, que verifica satisfactoriamente.
Figura 2.78: Ejemplo de Límites MTIE de una Referencia G.811.
TDEV (Time Deviation ó x): Es similar a MTIE, pero indica la variación esperada (en nseg). TDEV se vincula directamente con la potencia espectral de la desviación de fase de la señal de temporización. TDEV es calculada en el eje del tiempo que representa las N mediciones TE en intervalos o. TDEV no es afectada por una diferencia constante de frecuencia y varía linealmente existe una deriva lineal, filtrando saltos de fase. Una fluctuación periódica se mostrará como un pico en el valor del período.
Figura 2.79: Ejemplo de Límites TDEV de una Referencia G.811.
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La Rec. ITU-T G.825 define jitter, wander, tolerancias y mediciones para señales SDH, especificando tests de:
Jitter de Salida: Mide el jitter combinado debido al mapeado y a los punteros, según la Rec. ITU-T O.171 para señales PDH. Las mediciones pueden realizarse online ó con el NE fuera de servicio, y tienen duración de hasta 15 minutos. Pueden seleccionarse valores pico a pico ó rms.
Máximo Jitter Tolerable: Test con el NE fuera de servicio, que califica su capacidad límite para operar con jitter en la señal. El test se basa una señal de entrada con un valor inicial de amplitud y frecuencia de jitter sinusoidal, y se analiza los errores de bit a la salida, aumentando la amplitud del jitter hasta que los errores comienzan a aparecer. Se grafican los resultados para diferentes frecuencias de jitter. La diferencia entre la máscara de jitter máximo y la medición indica el margen de operación de jitter para ese NE. En la práctica el número de iteraciones del test varía entre 10 y 50.
Función de Transferencia de Jitter (JTF): Se mide la capacidad de atenuación de jitter de un NE fuera de servicio. El NE debe atenuar el jitter de alta frecuencia, aunque se espera que mitigue el wander solo parcialmente. Para la medición se alimenta al NE con una señal con una amplitud y frecuencia de jitter dada y se mide el cociente de los jitter de salida y de entrada, cubriendo otros valores de amplitud y frecuencia de jitter. La JTF medida debe ajustarse a la tolerancia de una plantilla que obra como máscara. JTF está especificada en ITU-T G.958 (Regeneradores) y G.783 (Multiplexación).
Figura 2.80: Modelo de Máscara de Wander y Jitter para Señales STM-N. La medición tradicional del wander de una señal SDH requiere una fuente de referencia de alta estabilidad, que se utilizan en un detector de fase junto con la señal a medir. La salida del detector de fase es el ruido de fase, medido con diferentes filtros pasabanda para jitter y wander, según la jerarquía SDH. Por definición, wander es el residuo debajo de 10 Hz. La medición digital del wander según variaciones del TIE (Time Interval Error) es más eficaz pues pueden aplicarse mediciones MTIE y MDEV al conjunto de datos, que revelan patrones como una oscilación de wander de baja frecuencia. La Figura 2.80 presenta el modelo de máscara de jitter y wander para señales STM-N (N= 1, 4, 16) y la representación del Margen Operacional de Jitter de un equipo SDH, medido fuera de servicio. La línea de puntos marca la aparición del primer error de bit a una frecuencia y amplitud de jitter dada, y su distancia con la máscara G.825 representa el margen mencionado. El jitter es filtrable en cada NE SDH y no se propaga por la red. Los síntomas de jitter excesivo son:
Errores elevados de bits (BER).
Ráfagas de errores CRC en B1, B2 y B3.
Alarmas LOS (Loss of Framing) y OOF (Out of Framing).
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El wander, especialmente de baja frecuencia, no es filtrable en los NE y se propaga por la red SDH. Los síntomas de wander excesivo son:
Clicks en llamadas telefónicas.
Llamadas perdidas en las redes móviles 2G.
Zonas ilegibles en faxes.
Retransmisión de datos, con una baja del caudal típico.
2.15 Planificación de Redes SDH La planificación para la creación de una red SDH desde cero requiere conjugar diferentes especialidades, siendo un punto de partida disponer el listado de los sitios a interconectar (POI: Points of Interconnection), las matrices de tráfico de voz y datos entre los mismos, en unidades de transmisión (E1, E3, STM-N, FE, 1GbE, 10GbE, etc.), el crecimiento proyectado a 5 y 10 años (mínimo) y el presupuesto disponible para el proyecto. Las variables de costos impactan en todos los aspectos del diseño, como ser:
Topología Física: Anillo, Punto a Punto, Punto a Multipunto, Híbrida, etc.
Tipo de Fibra Óptica a utilizar y Características del Cable de FO.
Cantidad de Puntos de Interconexión (POI) y Equipamiento a utilizar por Sitio.
Descripción de cada POI: Oficina Central propia, Espacios Rentados, Shelter para Exteriores, etc.
Requerimientos de Energía y Climatización por cada POI.
Infraestructura Base de Tendido: Canalizado ó Aereo; Protección del soterramiento con Tubos, etc.
Mecanismos de Protección del Tendido y de la Sección de Multiplex: MSP1+1, Anillo SNCP, MSSPRING, MS-DPRING, etc.
Capacidad de Conexión Cruzada: VC-4, VC-12, etc.
Requerimiento detallado de Ports y Tecnologías por Sitio: E1, E4, STM-N, EoSDH (Ethernet sobre SDH), otras interfaces.
Capacidad de Línea: STM-4, ST-16, STM-64.
Requerimientos Adicionales de Tecnologías DWDM.
Plan de Sincronismo de la Red SDH.
Requerimientos del Sistema de Gestión de la Red SDH (Faul Management, Problem Management, Provisioning, Performance Management, Inventory Management, etc.).
Como en cualquier diseño de red, se comienza con el diagrama lógico de la topología, para determinar la cobertura del backbone y de la red de agregación SDH. Computado el dimensionamiento de las secciones, y los costos básicos involucrados, es necesario definir los esquemas de securización, que requieren de mapas geográficos y un adecuado conocimiento del terreno, ya que esta parte puede contener elevados costos. Con el anteproyecto aprobado, se utilizan herramientas de software como ser Sistemas GIS especializados, los que contienen capas de bases de datos de información geográfica, administrativa (derechos de paso), de otras redes existentes (ductos disponibles, sistemas de distribución de energía, etc.). La información obtenible de estos programas permite redefinir el anteproyecto, por conveniencias de costos, oportunidad u obstáculos. Cuando la información del anteproyecto es suficiente, puede pasarse a la primer etapa del proyecto, que requiere la generación de diagramas GANT, PERT, listas de tareas, costos, tecnologías y recursos adicionales. Una vez que el proyecto ha sido consolidado con diferentes corridas (walk-throughs), quedan identificadas las partes que pueden ser encaradas por el operador y por terceros y las fases y tiempos de despliegue de la red. Los siguientes pasos, además de secuenciar obras civiles, de infraestructura y tecnológicas, incluyen el requerimiento de propuestas de contratistas para implementar partes ó todo el proyecto, llave en mano.
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2.16 Ethernet Sobre SDH (EoSDH) 2.16.1 Introducción En los últimos 15 años, el tráfico global de Internet y de las redes corporativas ha crecido casi cinco órdenes de magnitud, con un CAGR del 33%, llegando en el 2012 a picos de tráfico global de 30 Tbps. Un importante porcentaje este tráfico, utilizado en un 80% para Internet residencial y accesos 3G, es acarreado en tramas Ethernet sobre redes MAN ó WAN. Se prevé que para el 2015 sea casi cinco veces mayor, sin que exista por el momento una competencia para Ethernet como protocolo del Nivel de Enlace entre Elementos de Red. Se han aplicado diversas soluciones para el transporte de este tráfico en las redes IP, utilizando redes MAN y WAN. Algunas de las variantes existentes son:
ATM, muy utilizado en DSLAM, para agregación del tráfico de modems ADSL, en Ethernet sobre PPP.
Frame Relay, utilizado en redes corporativas.
Ethernet en modo nativo, mediante interconexiones en redes Metro Ethernet, entre sitios LAN.
POS (Packet Over SONET), que encapsula IP en tramas PPP/HDLC para transmisión en SONET/SDH.
Ethernet sobre SDH (EoSDH).
Estas tecnologías requieren interoperabilidad entre el protocolo Ethernet nativo y el protocolo de transporte lo que, en algunas soluciones, obliga a terminar Ethernet y remapear el tráfico IP en una nueva Capa Nivel 2 ó al encapsulamiento de Ethernet en otra tecnología de Nivel 2, lo que encarece y complica la interfaz de cliente. Además, las técnicas especializadas no proveen soluciones a otras necesidades de conectividad de los clientes, como en el caso de sistemas distribuidas de almacenamiento bajo Fibre Channel y otros. La Figura 2.81 presenta algunas de las combinaciones de soluciones vigentes.
Figura 2.81: Stack de Protocolos de Transporte de Red y Combinaciones de Transmisión. La solución EoSDH ha emergido como la más flexible y eficiente en costos y performance, pues reutiliza las redes SDH tradicionales (G.707) en forma transparente y sin perder ningún beneficio de sus prestaciones. Las técnicas de mapeado y entramado basadas en GFP, VCAT y LCAS permiten la actualización de las redes SDH
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con una baja inversión que, según las tecnologías empleadas, puede limitarse a la instalación de placas tributarias en PTE modernos, que le agregan capacidades de transporte multiprotocolo TDM PDH, SDH y datos.
2.16.2 Elementos de Ethernet sobre SDH El transporte de Ethernet sobre SDH se implementa utilizando tres mecanismos:
GFP (Generic Frame Procedure): Es un esquema de multiplexación ( ITU-T G.7041 y G.8040), para normalizar la estructura y procedimientos de una trama GFP, que encapsula diversas estructuras de datos como tramas Ethernet, Gigabit Ethernet, PPP, FDDI, Fiber Channel, ESCON, DVB y otras, y especifica el protocolo GFP, con Número de Secuencia, información de control y chequeo de errores, control de flujo, etc., para el transporte sobre redes SDH (G.707) ó redes ópticas (G.709).
Concatenación Virtual (VCAT) de Contenedores: Define contenedores virtuales VC-n-Xv, donde n: 11, 12, 2, 3 y 4 y X es un valor entre 1 y 256. Se define el VC-n-Xv adecuado a la velocidad requerida para un enlace. Permite caminos físicos virtuales con velocidad definida como un múltiplo de la base VC-n, (entre 1 y 256 veces). VCAT está definida, junto con CCAT en ITU-T G.707 y, específicamente en G.7043. Los datos se transportan en el área de carga de cada C-n utilizado en VC-n-Xv.
Esquema de Ajuste de Capacidad del Enlace (LCAS, ITU-T G.7042). Protocolo opcional de control de grupo de tramas VCAT, ajuste dinámico del ancho de banda asignable por conexión, reconfiguración por fallas en un enlace del grupo, sincronización de transmisor y receptor, etc.
La Figura 2.82 muestra una interconexión punto a punto entre dos nodos multiservicio (MSSN), que son una evolución del NE SDH básico que provee el transporte de datos sobre los circuitos SDH en forma integrada en un equipo de dimensiones reducidas, como se ha visto anteriormente. Se observa que, además de los servicios tradicionales bajo SDH CCAT, existe una gran variedad de protocolos cliente que utilizan el nodo multiservicio. Estos se presentan sin una interrelación, en un diagrama simplificado, pero son interdependientes, como ser IP/MPLS ó MPLS/Ethernet 802.3. Sobre este último, solo las variantes Fast Ethernet y Gigabit Ethernet utilizan VCAT/LCAS.
Figura 2.82: Interconexión entre dos MSSN para Transporte de Diferentes Clases de Tráfico de Usuario. El transporte de Ethernet 10 Gbps sobre SDH/SONET está definido en el standart IEEE 802.3ae, en la variante WAN, utilizando la Subcapa WIS dentro de la capa Física y utiliza un contenedor VC-64c (concatenado). WIS es una Subcapa de la capa Física de 10GbE que acomoda la trama Ethernet 10G, a 10,312 Gbps en la interfaz MAC-PHY a la velocidad de 9,58464 Gbps disponible en el VC-64c de SDH/SONET. Las señales PDH, ATM y STM-N de menor jerarquía se mapean directamente sobre SDH CCAT, con el MSSN operando como un multiplexor terminal de línea SDH. Las interfaces de datos del MSSN (paquetes, tramas y bloques) son encapsuladas bajo GFP y transportadas, bajo CCAT, en contenedores de diferentes flujos STM-N, cada uno de los cuales bajo el control de LCAS. El MSSN utiliza colas de espera en estos casos, para procesar los diferentes protocolos que ingresan ó egresan del nodo.
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Los VC-N-Xv virtuales consisten en el transporte de VC-n reales que fluyen en STM-N paralelos, agregando sus velocidades. Por ejemplo, VCAT permite que una trama Gigabit Ethernet fluya en un VC-4-7v, que equivale a utilizar siete VC-4 de siete STM-1 en paralelo, sobre un enlace STM-16 entre los MSSN. Quedan disponibles otros siete VC-4 del enlace para una segunda trama 1GbE u otras aplicaciones, con una eficiencia del 83% en el uso de la carga útil del enlace STM-16. Utilizando CCAT (SDH tradicional), solo una trama 1GbE puede ser transportada en el contenedor VC-4-16c, sin que el resto de la capacidad pueda ser reasignada a otros servicios de datos o TDM, por lo que la eficiencia cae al 41,7%. La Tabla 2.83 muestra la eficiencia en el transporte de señales en un nodo MSSN moderno:
Tabla 2.83: Topologías Anillo, Malla y Hub en una Red de Transporte SDH Multinivel. Si bien X representa el número de circuitos TDM en paralelo, no existen retardos por colas de espera. Se nota que existe más de una solución para los diferentes protocolos, como los casos de Fast y Gigabit Ethernet, si bien en el caso de FE la velocidad de transmisión para VC-3-2v es un 3% menor que en la interfaz MAC-PHY, y requiere algún proceso de ajuste como en el caso de 10GbE en VC-64c. Los paquetes encapsulados en GFP son mapeados en bloques paralelos y transmitidos con numeración en secuencia en uno ó más Caminos SDH y son recibidos en el MSSN de destino, donde se concilia los retardos diferenciales que puedan tener, con una ventana de hasta 256 mseg. Considerando que no existe encolado por ser transmisiones TDM, los retardos se deben esencialmente a diferentes trayectorias físicas. Con 5 seg/Km como retardo de propagación en FO y un máximo de 5 mseg por NE SDH, fácilmente se acomodan trayectos de 15.000 Km y 20 NE SDH intermedios, por citar un ejemplo de larga distancia internacional. Los Caminos SDH pueden ser de:
Orden Bajo, definiendo LO VCAT utilizando hasta 64 contenedores de señal C-11, C-12 ó C-2.
Orden Alto, definiendo HO VCAT utilizando hasta 256 contenedores de señal C-3 ó C4.
La señal VCAT VC-n-Xv forma un grupo de X contenedores C-n, y los caminos HO ó LO definidos en el grupo son los miembros del grupo. LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme) permite que los PTE de los Caminos SDH puedan interactuar, generalmente a través del sistema de gestión y no automáticamente, para asignar el tráfico SDH y ajustar las velocidades virtuales sin liberar y re-establecer los Caminos, como ocurre con CCAT. Para identificar cada señal compuesta VC-n-Xv existen procedimientos diferentes para LO VCAT y HO VCAT, utilizando la información de los encabezados de los contenedores virtuales HO-POH y LO-POH. El mecanismo que resulta permite asociar la secuencia 0, 1, ..., X de cualquier contenedor virtual VC-n-Xv que exista en una señal STM-N, y es transparente para los NE que existen en el Camino SDH, según ha sido previsto en la Rec. ITU-T G.707 (SDH original).
2.16.3 Generic Framing Procedure (GFP) Las Recs. ITU-T G.7041/Y.1303 (Generic Framing Procedure) definen los mecanismos de multiplexación de la trama GFP, que encapsula diferentes protocolos de datos (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, PPP, IP, MPLS, Fiber Channel, etc.) para adaptación y transporte en redes SDH (G.707), OTN (G.709), SONET ó PDH.
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Existen dos clases de GFP:
GFP-F (Framed): Utiliza una trama GFP de longitud variable, que encapsula el PDU del protocolo. Es utilizado en Ethernet, IP, MPLS, PPP y otros protocolos de datos basados en paquetes. Es sensitivo a la carga transportada, y adapta encabezamientos y colas de PDU al formato de la trama GFP.
GFP-T (Transparent): Se utiliza para protocolos orientados a bloques de datos codificados. El servicio mapea byte por byte el bloque de datos cliente en el área de datos de GFP, cuya trama es de longitud constante, lo que minimiza retardos. Es aplicable a datos codificados bajo 4B/6B, como en Fiber Channel, DVB-ASI y Ethernet.
La Figura 2.84 muestra la estructura de una trama GFP. Tiene un encabezado Núcleo de 32 bits, un campo de carga, con encabezado, de longitud variable, y un FCS opcional de 32 bits, para protocolos sin CRC.
Figura 2.84: Estructura de una Trama GFP. La Figura 2.85 muestra el encapsulado GFP de tramas HDLC/PPP y Ethernet IEEE 802.3. A diferencia del octeto 0x7E, la bandera delimitadora de HDLC, que obliga al rellenado con un bit 0 extra cualquier secuencia intraHDLC 11111 que evita sincronismos falsos, la trama GFP tiene una secuencia única de 32 bits del Core Header, que indica la condición de inicio de trama al existir 16 bits residuo CRC-16 de los 16 bits precedentes. 32 Esta condición es 1 en 2 variantes, lo que minimiza un sincronismo de inicio falso.
Figura 2.85: Encapsulado de Tramas HDLC, PPP y 802.3 en Trama GFP. Existen dos clases de tramas GFP: Tramas Cliente y Tramas de Control, que se utilizan para rellenar espacios interGFP como rellenos IDLE de 32 bits en la gráfica superior. Una Trama de Control es el Core Header y sus
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32 bits puestos a 0, y mantienen el estado sincrónico de transmisión de octetos en el enlace SDH. Todos los bits de la trama GFP son aleatorizados para generar transiciones de línea y sincronismo en recepción. El encabezado y la carga útil de GFP pueden ser protegidos con un FCS opcional, basado en CRC-32, cuya presencia se indica con el bit PFI puesto a 1. El pFCS no se utiliza en cargas que ya traen un campo FCS. El encabezado de la zona de datos es protegido contra errores por tHEC y, opcionalmente, por eHEC, que son residuos del chequeo redundante cíclico CRC-16, aplicado al encabezamiento y a su extensión opcional. La trama Cliente es clasificada en trama de Datos de Cliente (bits PTI = 000) ó trama de Gestión de Cliente (bits PTI = 100), la cual transporta datos de gestión del canal extremo-extremo. La extensión del encabezado de Cliente puede ser Nula (EXI type = 0000), Lineal (EXI type = 0001) ó Anillo (EXI type = 0010). En los dos últimos casos, el encabezado extendido EXI transporta datos del ID de canal en las aplicaciones de submultiplexación del enlace físico. El indicador UPI (User Payload Indicator) especifica la carga transportada si PTI = 000. La Tabla 2.86 contiene algunos ejemplos de cargas en GFP-F y GFP-T:
Tabla 2.86: Topologías Anillo, Malla y Hub en una Red de Transporte SDH Multinivel. En los protocolos con PDU encapsulados, GFP descarta la información adicional, para mayor eficiencia. Esto incluye el preámbulo Ethernet, el byte SFD y el relleno IFG. En tramas HDLC, descarta la bandera 0x7E. Caso Mapeado Transparente (GFP-T) Las tramas GFP-T toman señales codificadas en 8B/10B y las recodifica en 64B/65B bajo Superbloques, lo que comprime la señal un 23%, para minimizar la latencia en el trayecto del VC sobre el enlace SDH. GFP-T es aplicable en redes SAN (Storage Area Network) que operan con bloques de datos codificados, para interconectar subsistemas de memoria protegidos y array de servers. Se utilizan variaciones de enlaces Fibre Channel, que llegan hasta 21 Gbps. La información se transporta en bloques protegidos contra errores. La codificación 64B/65B genera bloques de 65 bytes que se ensamblan en superbloques de 67 bytes, ó en bits [536, 520], protegidos por CRC, y transporta caracteres de datos y control en forma transparente, pues opera byte a byte, siendo practicamente independiente del protocolo que transporta. La Tabla 2.87 muestra, en forma compacta, una comparación entre tramas GFP-T (transparentes) y GFP-T (orientadas a tramas). El protocolo de GFP-T no participa en la inicialización del Enlace ó en el control de flujos. Por el momento GFP-T soporta protocolos 1GbE, Fibre Channel, ESCON, FICON y DVB ASI y tiene pocas dependencias de los mismos, como ser el tratamiento de pérdida de sincronismo en el ingreso, reglas de adaptación en el egreso (inserción/extracción de tramas IDLE). Las tramas GFP-T son de tamaño fijo, por lo que no existe latencia tipo Store&Forward como en la conmutación de paquetes de datos. La recodificación 64B/65B, utilizada con Ethernet, Fast Ethernet y Gigabit Ethernet para su encapsulado en GFP, sigue el mismo proceso de transcodificación de las señales 8B/10B en la Subcapa WIS de la aplicación WAN en 10Gigabit Ethernet, lo que uniformiza el proceso de transporte de Ethernet sobre SDH ó SONET.
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Tabla 2.87: Topologías Anillo, Malla y Hub en una Red de Transporte SDH Multinivel. La Figura 2.88 muestra el proceso de encapsulado de superbloques 64B/65B en tramas GFP-T:
Figura 2.88: Encapsulado GFP de N Superbloques (536, 550.
La Tabla 2.89 presenta algunas aplicaciones GFP-T y las velocidades finales.
Tabla 2.89: Topologías Anillo, Malla y Hub en una Red de Transporte SDH Multinivel.
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Codificación 64B/65B en Tramas GFP Transparente Esta codificación, utilizada también en tramas Ethernet 10 Gbps, opera con un código cliente 8B/10B que es decodificado en códigos de control y datos de 8 bits (octetos). El bloque básico 65B, con 8 bytes y un bit que indica la presencia de códigos de control, se genera con el mapeado de un bloque de 8 octetos en su campo de carga, y agrega un bit de control que indica (valor 1) la existencia uno ó más códigos de control. La Figura 2.90 muestra 9 combinaciones 65B de bloques 64B, que provienen del remapeado de los octetos originales, con los diferentes códigos de control 8B/10B, identificados con 4 bits pues solo existen 12 códigos de control 8B/10B. Se observa que un bloque 65B puede tener desde ocho octetos de datos de cliente 8B/10B hasta ocho octetos de control 8B/10B, según fluyan en la secuencia de bits.
Figura 2.90: Estructura del Código de Bloques 64B/65B. La Figura 2.91 ejemplifica como se mapea un flujo 64B en otro flujo 65B, según los caracteres de control 8B/10B que transportan. Los tres bits aaa/hhh indican la posición original del byte del código de control. El bit que precede los tres bits de posición en el bloque 64B está puesto a 0 si ese byte es el último byte de control de la secuencia 64B, mientras que CK es el identificador del código de control 8B/10B.
Figura 2.91: Ejemplo de Mapeado 65B en Trama GFP-T. El siguiente paso para el transporte de 64B/65B es la generación de un superbloque [520, 536] tal que exista una alineación de byte en el área de carga de SDH y otras redes, como OTN, como se ha mostrado en la figura previa. Se transmiten N superbloques [520, 536], generados desde datos codificados 8B/10B como sigue:
Los caracteres codificados 8B/10B son decodificados en los datos originales y los códigos de control.
Se generan bloques cada 8 octetos secuenciales, desde el paso anterior. Se agrega un bit de flag que indica la presencia de octetos de control, y se remapean los ocho octetos, en una nueva codificación 64B/65B (B por bits), como indica la figura superior.
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Se toman 8 bloques 65B y se remapean los 8 flags como el último octeto secuenciado, luego de los 64 bytes secuenciados de cada uno de los 8 bloques 65B.
Se aplica un CRC-16 sobre los 520 bits, y se agrega el residuo de 16 bits luego del octeto de flags.
Se agrupan N superbloques [520, 536] como carga de la trama GFP-T.
Se agrega los encabezados del Core y de la Carga de GFP-T
Se aleatorizan con x +1 (self-scrambler) todos los bits, excepto el encabezado del Core. Este proceso ayuda al resincronismo de relojes bajo PLL y evita pérdidas de bloques de datos.
Queda formada una trama GFP-T con N superbloques aleatorizados, excepto el Core Header, y el campo FCS opcional, que es transportada bajo VCAT en SDH. N = 95, mínimo, para tramas 1GbE.
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2.16.4 Concatenación Virtual (VCAT) La Rec. ITU-T G.707 define, en el Punto 11, las bases para acomodar el transporte de cargas que requieren mayor capacidad que la provista por Contenedores Virtuales VC-11, VC-12, VC-2, VC-3 y VC-4 a través de mecanismos de concatenación virtual de los mismos, definiendo contenedores denominados VC-n-Xv. Estos contenedores se forman por la agrupación de múltiplos de C-n de la misma en una señal STM-N. La concatenación descripta es denominada virtual (VCAT), para su diferenciación de la concatenación contigua (CCAT), en la cual existe una única señal STM-N que acarrea VC-n secuenciados. VCAT cubre las velocidades desde 1.5 Mbps hasta 40 Gbps con una alta granularidad en su definición, a diferencia de SDH CCAT. VCAT es uno de las prestaciones de la nueva generación de nodos multiservicio (MSSP), que soporta provisión de circuitos TDM y enlaces de datos multiprotocolo, en una operación punto a punto. La administración de las velocidades de Cliente se provisionan en forma manual y planificada desde un sistema de gestión, y se utilizan procedimientos y protocolos complementarios como LCAS. Debido a que su estructura es señalizada utilizando los bytes H4 y K4 del encabezamiento de Orden Alto (HO) y Orden Bajo (LO), existen dos clases de VCAT:
HO VCAT: Un contenedor VC-n-Xv (n = 3 ó 4) contiene un área de carga contigua que es X veces la capacidad de carga de un contenedor C-n, mapeado en VC-n, cada 125 seg. HO VCAT es señalizado con el byte H4 del HO-POH, que opera como Indicador de Multitrama, si el byte C2 tiene 0x04 ó 0x12.
LO VCAT: Un contenedor VC-m-Xv (m = 11, 12, 2) contiene un área de carga contigua con X veces la capacidad de carga de contenedores C-m, mapeados en VC-m, en una supertrama de 500 seg, que utiliza cuatro tramas STM-N consecutivas. LO VCAT es señalizado mediante el el byte K4 del LO-POH, con ocurrencia marcada por el byte H4 del HO-POH asociado, cuando el byte C2 tiene 0x02. El byte V4 lleva la información de secuencia de multitrama y control de VCG, recuperable en el MSSN.
La Tabla 2.92 contiene las velocidades de carga útil de los VC-n, divididos en jerarquías LO y HO. En los casos de VC-11, VC-12 y VC-2, el LO-POH (Path Overhead) de 4 bytes requiere 500 seg para completarse, utilizando cuatro tramas STM-N consecutivas. En los casos de VC-3 y VC-4, el OH-POH de 9 bytes aparece en cada trama STM-N. La Tabla 2.92 muestra velocidades disponibles para los contenedores virtuales VC-n-Xv.
Tabla 2.92: Velocidades de Carga Útil para VC-n y para VC-n-Xv (Concatenación Virtual).
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Cada miembro del grupo VCAT puede tomar diferentes rutas en la red SDH, y se debe compensar el retardo diferencial por componente, hasta un límite de 256 mseg. Se requiere un control de secuencia lógica tal que el receptor del flujo VCAT pueda reensamblar la señal original, al final del Camino SDH. Se utiliza una multitrama para acarrear la información de control de secuencia, con estructura diferente según se trate de un HO VCAT ó un LO VCAT, pues la información fluye en encabezados de VC-n, con diferentes estructuras y duración. Multitramas y Control de Secuencia en HO VCAT y LO VCAT Para compensar retardos diferenciales de hasta +/-256 mseg entre miembros de un VCG, y con 125 seg de duración de una trama STM-N, se requiere una supertrama de 4.096 tramas STM-N, para el máximo retardo de 512 mseg. El control de secuencia de los miembros de un VC-n-Xv se realiza con la información de la supertrama, que difiere según se trate de Caminos HO ó LO, por lo siguiente:
Supertrama en HO VCAT: El byte H4 de cada HO-POH de un VC-n, define dos multitrama, MFI1 con 16 valores y MFI2, con 256 valores. Ambos parámetros definen una multitrama MFI entre 0 y 4095.
Supertrama en LO VCAT: Utiliza el byte K4 de LO-POH, que aporta un bit cada 500 seg. Se utiliza un MFI de 5 bits, para 32 multitramas. Cada multitrama tiene 32 bits y dura 16 mseg, totalizando 512 mseg.
En ambos casos, la multitrama transporta un paquete de control donde se envía la secuencia de cada miembro del VCG, control de errores y datos para el protocolo LCAS de control de capacidad del enlace. Para la multitrama de HO VCAT, el byte H4 transporta datos diferentes si el VC-n transporta C-3 óC-4 (HO) ó C-11, C-12 ó C-2 (LO). El tipo de carga del VC-n se especifica en el byte C2 del HO-POH.
Con C2 = 0x02, H4 indica la secuencia de cuatro bloques de la supertrama TU, con los bytes V5, J2, N2 y K4 de LO-POH. El byte K4, cada 500 seg, información secuenciamiento y control de LO VCAT.
Con C2 = 0x04 ó 0x12, H4 contiene un Indicador de Secuencia de Multitrama y control para HO VCAT.
La Figura 2.93 muestra cómo se interpreta H4 según la carga del VC-3 ó VC-4
Figura 2.93: Uso del Byte H4 según la Carga de VC-3 ó VC-4. Cuando el terminal MSSN ha detectado que H4 codifica secuencia HO VCAT, cada 16 bytes H4 (2 mseg) crea una multitrama que se repite 256 veces, arrojando una duración total de 512 mseg. La multitrama transporta un indicador de secuencia de multitrama, MFI, de dos niveles MFI 1 y MFI 2.
MFI 1, de 4 bits, se incrementa cada 125 seg y repite la secuencia cada 2 mseg.
MFI 2, de 8 bits, desde los dos primeros bytes H4 de la multitrama, y se incrementa cada 2 mseg, el ciclo de MFI 1. En consecuencia, MFI 2 lleva la cuenta de la multitrama a 512 mseg.
El ciclo de MF de 512 mseg de MFI, entre 0 y 4.095 durante, sirve para compensar retardos de miembros del VCG en el nodo multiservicio (MSSN) receptor, procesando el realineamiento por arribos asincrónicos de VC.
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SEQ utiliza 8 bits para numerar al miembro dentro del VCG, y es transportado en los dos últimos bytes H4 de cada multitrama. Cada SEQ es asociado a un Camino HO SDH. Ver Figura 2.94. Cada valor de MFI indica la transmisión de un miembro del VCG, cada 125 seg, individualizado con un SEQ entre 0 y X-1, refrescado cada 2 mseg, y que es único por cada VC-3 ó VC-4. Por ejemplo, 1GbE en VC-4-7v, requiere siete VC-4 en diferentes flujos STM-1 cada 125 seg. Cada STM-1 tiene un número SEQ entre 0 y 6.
Figura 2.94: Secuenciamiento de MFI y de Secuencia X en MFI (SEQ) en 4096 HO-POH. Cuando el terminal MSSN detecta, por el byte C2 del HO-POH, que H4 indica una secuencia de bloques TU V1, V2, V3 y V4 en un ciclo de 500 seg, recupera el byte K4 del LO-POH, y arma la multitrama LO VCAT.
Figura 2.95: Byte K4 de LO-POH: Etiqueta Extendida de Señal.
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La multitrama LO VCAT es diferente a la HO VCAT, pues K4 arma la misma con un bit cada 500 seg. Como la multitrama LO VCAT tiene 32 bits, se genera cada 16 mseg. La multitrama LO VCAT se numera con el campo MFI, de 5 bits, entre 0 y 31. En total, cada multitrama LO VCAT se genera cada 512 mseg, como en HO VCAT. La estructura de K4 y la multitrama LO VCAT es presentada en la Figura 2.95. Se observa el campo SEQ de 6 bits, que permite identificar 64 miembros del VCG, en 64 Caminos LO VCAT diferentes. Con una estructura de transporte diferente a la de HO VCAT, transporta el mismo paquete de control LCAS. El paquete de control LCAS lleva información de secuencia, status de miembros del VCG y comandos y respuestas LCAS, según se ha definido en la Rec. ITU-T G.707 y normalizado en la Rec. ITU-T G.7042.
2.16.5 Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS) LCAS es un método de provisionamiento y supervisión dinámico del ancho de banda del enlace bajo VCAT, sin interrumpir el tráfico cursado, como ocurre con SDH CCAT. LCAS es opcional y utiliza campos sin especificar de multitramas generadas según la Rec. ITU-T G.707, y que se definen en la en la Rec. ITU-T G.7042. La modificación de la capacidad del enlace con VC-n-Xv bajo LCAS es bilateral y simétrica. El protocolo entre los extremos del enlace se sincroniza con paquetes de control de secuencia embebidos en las multitramas VCAT, transportadas en el byte H4 del encabezado HO-POH (n=3, 4) ó el byte K4 de LO-POH (n= 11, 12, 2). LCAS permite un ajuste granular y por demanda del ancho de banda concatenado, a la vez que puede remover miembros fallados del grupo de concatenación virtual. Un miembro fallado causará la disminución automática del ancho de banda, que es restaurado en forma transparente, una vez corregida la falla. Junto con la diversificación del enrutamiento, LCAS provee supervivencia del tráfico sin requerir un exceso de ancho de banda comisionado para respaldo. LCAS complementa a los procesos de GFP y VCAT para extender el uso de las redes SDH G.707 en el tiempo, pues permiten el transporte de tráfico multiprotocolo con la calidad de servicio de las redes SDH, posibilitando la oferta de enlaces con disponibilidad del 99,995 % (Carrier Class). Bajo LCAS, HO VCAT y LO VCAT utilizan un paquete de control extendido embebido en la multitrama, con una estructura genérica de siete campos, para control de secuencia, comandos y respuestas, chequeo e indicación de error e identificación de pertenencia a un grupo VCAT, con la estructura general de la Figura 2.96.
Figura 2.96: Paquete de Control Extendido dentro de la Multitrama. La Rec ITU-T G.707 indica que los campos MFI y SEQ son los necesarios para información sobre el VCAT. El uso de un protocolo de control como LCAS es definido por separado, en la Rec. ITU-T G.7042. El rango ó función de los campos del paquete de control VCAT/LCAS son:
MFI: 0 a 4095 (HO VCAT) y 0 a 31 (LO VCAT)
SEQ: 0 a 255 (HO VCAT) y 0 a 63 (LO VCAT)
CTRL: Es el campo de comandos del protocolo LCAS para cada miembro del grupo VCG. Se utiliza mediante el sistema de gestión para cambios y notificaciones. Utiliza 4 bits para codificar lo siguiente: o
FIXED (0000): No se utiliza LCAS en este elemento.
o
ADD
(0001): El miembro se agregará al VCG.
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o
NORM (0010): Estado Normal, bajo LCAS, del miembro del VCG.
o
EOS
o
IDLE (0101): El miembro del VCG está en reposo y será removido.
o
DNU (1111): Do Not Use. El miembro del VCG no debe utilizarse, por reportes MST de fallas ó está disponible para ser utilizado en el futuro.
(0011): End of Sequence. Señala al miembro más alto del grupo (X-1).
RS-Ack: Un bit de reconocimiento de resencuenciamiento del miembro del VCG, enviado al transmisor.
MST: Un bit OK/Fail por miembro del VCG (Member Status), enviado al transmisor desde el receptor. Cada miembro del VCG transporta el status de todos sus miembros.
CRC: Indica errores en el paquete de control (multitrama), con CRC-8 en HO y CRC-3 en LO VCAT.
El paquete de control LCAS se genera cada 2 mseg en un HO VCAT y cada 16 mseg en un LO VCAT. El protocolo LCAS opera punto a punto en modo half duplex por cada sentido de la transmisión, con un canal de comandos unidireccional (transmisor) en cada sentido LCAS permite que el sistema de gestión de VCAT opere con anchos de banda flexibles, bajo demanda, por lo que pueden provisionarse diferentes velocidades en franjas horarias.
2.16.6 Ejemplo de Utilización de VCAT y LCAS El ejemplo se aplica al transporte de una trama 1GbE codificada 64B/65B, que requiere 1.015,63 Mbps para su transporte. Con el esquema de concatenación virtual VC-4-7v, en un enlace STM-16 se disponen de siete C-4, cada uno de los cuales aporta 149,76 Mbps dentro del VC-4.
Figura 2.97: Trama Virtual VC-4-7 para Transporte de 1GbE en STM-16. El resultado genera 1.048,32 Mbps para transportar 1GbE bajo 64B/65B en una trama STM-16, que tiene una capacidad de transporte de carga útil de 16 x C-4, equivalente a 2.396,16 Mbps. La trama VCAT VC-4-7v ocupa los primeros siete VC-4, cada uno con su HO-POH, lo que deja libre nueve C-4 que pueden ser utilizados para cualquier combinación de carga SDH, PDH ó datos (Fast Ethernet, 1GbE, etc.).
2. Redes de Transmisión SDH y EoSDH
146
La Figura 2.97 muestra el efecto de la granularidad y la disponibilidad de ranuras C-4 de 140,76 Mbps para ser asignadas, debido a que cualquier trama STM-N dura 125 seg. Por este motivo, el tiempo se comprime y un C-4 que dura 120,3 seg en una trama STM-1, dura 7,52 seg en una trama STM-16 (16 veces menos). Para la trama STM-16 actual, el indicador de multitrama MFI = 0, mientras que SEQ indexa cada C-4 entre 0 y 6. Esta información es enviada en cada uno de los siete HO-POH que corresponden a los VC-4 concatenados. El resto de los VC-4 está libre para ser utilizados con cualquier carga SDH, PDH ó de datos. La trama STM-16 con VCAT es compatible con SDH ITU-T G.707 y atraviesa los NE en forma transparente. La Figura 2.98 presenta la evolución de MFI y SEQ de los siete VC-4 concatenados para transportar 1GbE en un enlace STM-16 punto a punto.
Figura 2.98: Topologías Anillo, Malla y Hub en una Red de Transporte SDH Multinivel. Como ejemplo del diálogo unidireccional LCAS, entre el MSSN Transmisor y el Receptor, la siguiente figura representa el intercambio normal de mensajes LCAS sobre un canal VC-4-7v. Tiempo después, a través de una terminal del sistema de gestión, se provisiona un nuevo VC-4 del flujo STM-N para su posterior uso. Finalmente, desde la terminal del NMS se instruye a los nodos MSSN que pongan en modo activo el VC-4, y que sea adicionado como el miembro 8vo. del VCG. La velocidad del canal aumenta desde 1,048 Gbps hasta 1,198 Gbps, en una cantidad exactamente igual al ancho de banda útil aportado por el nuevo C-4.
Figura 2.99: Ejemplos de Comandos y Respuestas Unidireccionales en LCAS.
2. Redes de Transmisión SDH y EoSDH
147
2.17 Conclusiones Las redes de transmisión digital sincrónicas SONET y SDH fueron desarrolladas, originalmente, para mejorar las prestaciones de las redes de transmisión plesiosincrónicas (PDH), en lo referente a un sincronismo único para cualquier jerarquía de trama SONET/SDH y proveer mayores prestaciones en la Administración de Fallas y Alarmas, incorporando encabezados (overheads) con señalización extremo a extremo. Su despliegue permitió solucionar problemas de sincronismo al interconectar segmentos de redes PDH nacionales e internacionales, que requerían diferentes esquemas de buffering entre extremos y, a la vez, posibilitó integrar el transporte de las jerarquías de tramas PDH ANSI e ITU-T. La velocidad máxima inicial de 2.5 Gbps (STM-16) fue ampliada hasta 40 Gbps (STM-256) durante los años ’90 y, a la par, la flexibilidad de los encabezamientos de tramas SONET/SDH permitió embeber en las redes diversos procedimientos de recuperación automática frente a caídas ó fallas de enlaces, los que pudieron proveer tiempos de restauración inferiores a 50 mseg. El fuerte crecimiento del tráfico de datos desde mediados de los años ´90, hizo necesario el uso de estas tecnologías en el backbone de casi todas las redes nacionales y en las redes internacionales de FO submarina, utilizando inicialmente transporte sobre ATM, F. Relay y POS (PPP/HDLC) sobre tramas SDH. Con la consolidación de Ethernet como una tecnología madura y de alta capacidad para el Nivel de Enlace de las redes de datos, SONET/SDH incorporó standares para el mapeado y transporte de tramas Ethernet a velocidades de 100 Mbps, 1Gbps y 10Gbps con una performance muy superior a la de las técnicas previamente utilizadas. Habiendo madurado la fabricación de sistemas STM-64 (10 Gbps), la incorporación de tecnologías DWDM a fines de los años ’90 posibilitó que, en la gran mayoría de casos de redes MAN y WAN terrestres y submarinas, las capacidades de transmisión se incrementaran en N x 10Gbps por cada par de FO instalado, utilizando una longitud de onda óptica diferentes para cada sistema de transmisión STM-64. Esta flexibilidad ha servido para potenciar las capacidades de tráfico de voz y datos hasta la actualidad, aunque la evolución de Ethernet a 40 y 100 Gbps hace posible nuevas propuestas como las OTN (Optical Transport Network), las que no presentan un límite práctico de velocidades, y pueden transformarse en las tecnologías del backbone de las futuras redes. Por el momento, con más de dos décadas de servicio, y utilizando nuevas tecnologías de fabricación, SDH está fuertemente instalada como red de transmisión digital para el backbone de redes nacionales y para la interconexión terrestre y submarina internacional, complementada con tecnologías DWDM. Los diferentes Elementos de Red de la primera generación de SONET/SDH han evolucionado, existiendo una familia de nodos multiservicio que integran diferentes funciones de transmisión y de terminales de línea, con propiedades modulares. Un nodo SDH actual puede proveer soluciones para tráfico telefónico acarreado en tramas SDH y PDH, tráfico de datos en Ethernet y otras variantes mencionadas y, con la creciente capacidad de los Datacenters y los sistemas de almacenamiento con acceso remoto, tambien proveer las interfaces especializadas para estas aplicaciones en el mismo módulo. Las diferentes variantes de redes de sincronismo para SONET/SDH se han perfeccionado con la adopción del sincronismo basado en fuentes GPS ó equivalentes, lo que permite una gran uniformidad de relojes de termporización sobre grandes áreas geográficas, con una calidad tal que las tasas de errores por este origen son extremadamente bajas. El diseño y despliegue de SDH como tecnología de transmisión digital para el backbone de las redes depende fuertemente de las matrices de tráfico, medidas en unidades de tramas, así como su potencial crecimiento. SDH es tambien utilizado en las redes de agregación, en topologías híbridas punto a punto y punto a multipunto, no solo con enlaces de FO terrestres sino con radioenlaces digitales STM-1 y STM-4. Esta flexibilidad, combinada con tecnologías PDH existentes, que son interoperables con las redes SDH, posibilita el diseño gradual de redes de cobertura nacional de tres niveles (backbone, agregación y acceso), con una razonable economía de costos al cubrir las necesidades de transmisión por sitio, que pueden variar desde una trama E1 hasta N x 10 Gbps. El sistema OSS/NMS de las redes SDH juega un rol clave, junto con el staff de OA&M, para que exista una elevada disponibilidad porcentual de los enlaces de transmisión.
2. Redes de Transmisión SDH y EoSDH
148
3 Transmisión Óptica: WDM y Redes OTN
3.1
Multiplexación por Longitud de Onda
3.1.1 Introducción al Concepto de WDM La tecnología óptica de Multiplexación por Longitud de Onda (WDM) comenzó a desarrollarse a mediados de los años ’80, para su empleo en sistemas de transmisión por FO, y se basa en transmitir en forma simultánea un conjunto de señales ópticas (colores, longitudes de onda) por una FO sin interferencia mutua. Las señales se insertan en un terminal desde fuentes independientes (multiplexación) y se recuperan en un terminal intermedio ó final (demultiplexación), mediante filtros sintonizados a las longitudes de onda deseadas. La demultiplexación óptica precede, si es necesario, a su equivalente eléctrico para recuperar una señal cliente multiplexada dentro de la señal óptica asignada a una longitud de onda dada. WDM explota la transmisión en paralelo, cuando cada señal óptica se asocia a una ó más señales eléctricas (depende del mux del transponder), y la salida del demultiplexor óptico se aplica a diferentes fotodetectores. Esto hace posible aumentar la velocidad agregada sobre una única FO, eliminando el reemplazo por sistemas SDH de mayor jerarquía bajo una única longitud de onda. Equipos standares actualmente transmiten hasta 96 canales STM-16 simultáneos en una única una FO (240 Gbps), ó 48 canales STM-64 (10 Gbps), separados 100 Ghz, totalizando 480 Gbps poe un par de fibras ópticas, disminuyendo costos al utilizar un único amplificador óptico para el grupo de longitudes de onda, el cual se propaga a la misma velocidad. En el dominio óptico, el corazón de las tecnologías WDM son los filtros multiplexores y demultiplexores ópticos, que permiten la inserción y extracción de múltiples señales ópticas () desde una misma fibra. El OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) es otro NE que es de gran importancia en las redes WDM, para la inserción y extracción de señales ópticas individuales en puntos intermedios del camino origen-destino, permitiendo el diseño de redes WDM con facilidades similares a las redes SDH, cuyas señales son clientes de DWDM.
Figura 3.1: Atenuación en Fibras Ópticas Años '90 y FO Actuales. En el dominio eléctrico-óptico, es fundamental el transmisor laser sintonizable, que permite generar señales ópticas con una separación entre 0.4 y 20 nm, con alta estabilidad y control basado en microprocesadores. Las separaciones entre los canales ópticos () se mide en Ghz y, según las tecnologías CWDM, DWDM ó UDWDM, crean señales ópticas separadas 12.5, 50, 100 y 200 Ghz según standares internacionales de la ITU-T. El fotodetector ó conversor óptico-eléctrico, es un dispositivo de banda ancha no sintonizado a diferencia del transmisor laser, pues las señales de entrada han sido filtradas con pasabandas de alto Q en el demultiplexor.
3. Transmisión Optica: WDM y Redes OTN
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Numerosos elementos de redes WDM son también utilizados en enlaces ópticos para redes SONET/SDH, OTN y otras, como ser amplificadores ópticos (EDFA ó OLA tipo OEO), los regeneradores de señales (R-2R-3R), los sistemas de energía asociados a los cables de FO requeridos para telealimentación, etc. La Figura 3.1 resume el comportamiento en frecuencia de las tecnologías de FO de los últimos 20 años, y puede apreciarse como la evolución tecnológica ha permitido minimizar la atenuación de la segunda ventana para la región de absorción de energía de las moléculas de agua, lo que ha permitido agregar una banda extra para la transmisión óptica (Banda E, alrededor de 1380 nm). Los sistemas actuales utilizan las bandas O, E, C y L para sistemas de transmisión CWDM (Coarse WDM) y DWDM (Dense DWDM). Es típico caracterizar las ventanas de transmisión de FO en base al rango de operación, como sigue:
Primer Ventana: Entre 800 y 900 nm, con frecuencia central (nominal) en 850 nm. Con poco uso en la actualidad, utilizada generalmente para conexiones de 4 a 5 Km con diodos LED infrarrojos en FO multimodo (MMF). Nuevas variantes de MMF económicas se utilizan en algunas instalaciones PON multipunto para FTTH con IPTV a 36 Mbps y para última milla en CATV, en el downlink.
Segunda Ventana: La Banda O (Original) se ubica entre 1260 y 1330 nm, con frecuencia nominal de 1310 nm, mientras que la nueva Banda E (Extendida) cubre entre 1330 y 1420 nm (solo para FO). Son utilizadas en sistemas CWDM, con LED laser con menores exigencias y menor consumo de potencia. Su normalización es posterior a DWDM, y cubre distancias en el orden de 100 Km a bajo costo. Se emplea en fibras ópticas monomodo (SMF).
Tercer Ventana: Banda C (Conventional), entre 1500 y 1565 nm, con frecuencia nominal en 1550 nm y Banda L (Long Band), entre 1565 y 1620 nm. Se utilizan con sistemas SDH ó DWDM, típicamente en enlaces de larga distancia terrestres y submarinos. Se emplean transmisores LED de alta potencia, con disipadores, y permite el uso de amplificadores EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Los EDFA solo operan en forma óptima en esta región, con FO del tipo monomodo (SMF).
Además de las bandas mencionadas, se utilizan Canales Ópticos de Supervisión normalizados como conjuntos de longitudes de onda en 1310, 1480 y 1550 nm. Sobre los mismos se envía información de monitoreo de red ó alarmas a terminales de supervisión de los NE de estas redes, en paralelo a los canales de tráfico. Los inicios de sistemas WDM industriales se rastrean a mediados de los años ’80, con el uso de dos longitudes de onda típicamente utilizadas en redes PDH, centradas en 1310 nm y 1550 nm. Estos sistemas no tenían las exigencias de dispersión cromática, atenuación y distorsión no lineal que se requiere en DWDM y CWDM.
3.1.2 Sistemas CWDM y DWDM Como muestra la Figura 3.1, los sistemas CWDM operan con longitudes de onda de las bandas ópticas que existen en la segunda y la tercera ventana de transmisión de las FO, mientras que los sistemas DWDM operan en la tercera ventana, en las bandas C y L. Una de las diferencias entre ambos sistemas es el espaciado de los canales ópticos y en el ancho de banda de la señal transportada. En los sistemas CWDM el espaciado de los canales es muy superior al ancho de banda de transmisión. Así, los canales pueden estar alejados cientos de nm y varios Thz (Ej: 1260, 1310 y 1360 nm). CWDM puede acarrear entre 8 y 18 canales ópticos, con un espaciado mínimo de 20 nm para usos en en redes Metro y enlaces cortos, por debajo de 80 Km a 2.5 Gbps. La Rec. ITU-T G.694.2, del año 2003 ha normalizado el espaciado de canales utilizados en CWDM, cubriendo longitudes de onda entre 1271 nm y 1611 nm, con un espaciado de 20 nm. La mayoría de los sistemas CWDM operan en la banda O de la segunda ventana, sobre FO clase ITU-T G.652A, las más difundidas y que tienen una elevada atenuación en la banda E, alrededor de 1400 nm (pico de agua). Los sistemas CWDM utilizan componentes de menor costo que DWDM, con menores exigencias de estabilidad en los componentes ópticos y eléctricos, utilizando transmisores laser de bajo consumo en los transponders y empleando amplificadores ópticos OEO de SDH, pues los EDFA están optimizados para la región de 1550 nm. CWDM está siendo utilizado en redes de TV por cable, por ejemplo con 1310 nm para señales en el downlink y 1550 nm para señales en el uplink. En sistemas de FO del tipo FTTH, sistemas CWDM pasivos son propuestos para separar señales con filtros ópticos basados en prismas, sin requerir energía eléctrica. En DWDM los canales están espaciados en forma regular, con anchos próximos al ancho de banda de la señal acarreada. DWDM puede transportar entre 40 y más de 100 canales ópticos y emplea multiplexores OADM del
3. Transmisión Optica: WDM y Redes OTN
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tipo preconfigurado ó controlables remotamente (ROADM). Como ejemplo, la Rec. ITU-T G.692-2004 (Anexo I) define grillas de canales separados entre 50 y 100 Ghz en la Banda C, para FO standares tipo G.652:
80 canales separados cada 50 Ghz, entre 196.10 Thz (1528.77 nm) y 192.10 Thz (1560.61 nm). Cada canal está separado 0.4 nm, en promedio.
40 canales separados cada 100 Ghz, entre 196.1 Thz (1528.77 nm) y 192.1 Thz (1560.61 nm). Cada canal está separado 0.8 nm, en promedio.
Los sistemas DWDM transportan señales ópticas de la tercera ventana, en las banda C (1525 a 1565 nm) y en la banda L (1570 a 1610 nm). Son utilizados típicamente para transmisiones a largas distancias, haciendo uso de los amplificadores de línea EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), de alta ganancia y estabilidad, que solo operan con eficiencia en estas bandas ópticas, con mejor performance que los OLA para CWDM y SDH. El uso de EDFA y de nuevas tecnologías en FO, permiten transmisiones a cientos de Km sin reamplificación y hasta 1000 Km sin regeneración. Si bien los sistemas DWDM son más costosos que CWDM, tienen mayor capacidad de transporte y se utilizan en forma standart para ampliar las capacidades de las redes de FO terrestres y submarinas desplegadas durante los años '90, a un costo menor que la instalación de sistemas SDH de jerarquías STM-64 ó STM-256. Durante la última década, los sistemas DWDM han sido actualizados con instalaciones de SDH STM-64 (10 Gbps), lo fácilmente permite el transporte de capacidades de 400 a 600 Gbps (40 ó 60 canales DWDM) en enlaces de FO submarina intercontinental ó redes terrestres de larga distancia, para operadores mayoristas ó consorcios.
3.1.3 Desarrollo en el TIempo de los Sistemas WDM Las primeras redes de fibra óptica comenzaron a desplegarse a mediados de los años ’70, para redes PDH de 34 y 140 Mbps, utilizando la primer generación tecnológica de cables de FO y sistemas asociados, como los amplificadores de línea, multiplexores PDH y técnicas y elementos asociadas para instalaciones, splitting, etc. Hacia 1990, cuando se inició el despliegue de redes SDH, PDH ITU-T se transmitía a un máximo de 565 Mbps (E5) para redes terrestres y submarinas de FO. Para entonces, era standart utilizar FO en banda O a 1310 nm, con atenuación de 0.25 dB/Km. Las primeras redes de FO para sistemas SDH en Banda C, a 1550 nm en SMF tipo G.652, aparecieron a mediados de los años '90, para transmitir señales OC-48/STM-16 (2.5 Gbps). Tal capacidad, junto con un abanico de nuevas tecnologías y mecanismos de instalación, impulsó el despliegue de redes de cables de FO terrestres y submarinas, basados en consorcios internacionales, estimulados por el crecimiento del tráfico de telefonía y de Internet. Esto creó un exceso de capacidad hacia el año 2001, sumado a un ciclo recesivo hasta el 2003, para inversiones de capital en el mercado de las telecomunicaciones. El costo de la transmisión SDH basado en una única longitud de onda, aumenta con la velocidad binaria, por lo cual las tecnologías STM-64 (10 Gbps) tuvieron una competencia con esquemas de transmisión en paralelo basados en DWDM con canales separados 100 ó 200 Ghz desde 1996. Era posible desplegar redes de cables submarinos con 16 señales STM-16 y una capacidad agregada de 20 Gbps, con multiplexores ADM en los POI (Landing Points) a menor costo que una red 2 x STM-64. DWDM es utilizado extensivamente en redes de larga distancia de larga distancia desde fines de los años '90 en, cuando sistemas DWDM con más de 40 canales separados a 100 y 50 Ghz hicieron su aparición. Si bien existen sistemas SDH STM-64 (10 Gbps) utilizados desde 1998 en cables submarinos interconectando (por ejemplo) 74 países con capacidad de 16 x 10 Gbps ó 640 Gbps y con segmentos a 3 x 640 Gbps ó 1.92 Tbps, una gran número de instalaciones fueron realizadas con sistemas DWDM y señales STM-16 de 2.5 Gbps hasta el año 2002. En complemento, sistemas CDWM más económicos fueron utilizados desde el año 2001 para redes Metro ó enlaces de corta ó media distancia, con una separación entre portadoras (longitudes de onda óptica) mucho mayor, lo que contribuyó a simplificar los multiplex, lasers y fotoreceptores. Resumiendo los conceptos previos, DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) fue la primer tecnología en estar disponible comercialmente, y es ampliamente utilizada en redes de larga distancia ó MAN. Utiliza las bandas C (1525 a 1565 nm) y L (1570 a 1610 nm) de la 3er. ventana de transmisión de las FO, aprovechando la capacidad del amplificador de línea EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), efectivo en esta ventana. DWDM utiliza grillas de referencia de la Rec. ITU-T G.692 y variantes, para separaciones entre canales () de 200, 100 y 50 Ghz por canal, permitiendo transmitir decenas de canales ópticos en paralelo. El sistema UDWDM (Ultra Dense) permite cientos de canales con una separación de 12.5 Ghz en las mismas bandas.
3. Transmisión Optica: WDM y Redes OTN
151
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) utiliza un mayor espaciado entre portadoras ópticas, en un mayor ancho de banda, y no emplea amplificadores EDFA, costosos y de alto consumo. CWDM cubre desde la Banda O en la 2da. ventana a hasta la banda L de DWDM (3er. ventana). En su mínima expresión, WDM utiliza canales legacy SDH de 1310 y 1550 nm (2 portadoras ópticas), hasta un máximo de 18 canales ópticos. CWDM es más simple y económico que DWDM, pero solo aplicable en un rango reducido de distancias. Por la separación entre cada longitud de onda contigua, se simplifica el diseño de transmisores, fotodetectores, filtros y óptica. El espaciado entre canales es grande, desde 1.6 nm (200 Ghz) hasta 25 nm. Un uso típico del par de canales 1310/1550 nm es sobre redes PON (Passive Optical Networks), con un por sentido del tráfico.
3.1.4 Operación Básica de un Sistema DWDM La Figura 3.2 muestra un esquema DWDM básico con algunas referencias de niveles de señales y distancias. Solo se presenta un sentido de la transmisión de N señales S K a una distancia de 300 Km, asumiendo que la FO tiene una atenuación de 0.2 dB/Km (20 dB/segmento). Si N = 10 y la pérdida de inserción es nula, cada canal K de 25mW (-16dBm) en la banda C (1550 nm) genera una salida de -6dBm, amplificada a +16 dBm con un booster EDFA. El nivel en el primer receptor (LA) es de -4 dBm, 23 dB más que la sensibilidad mínima -12 de -27dBm para un BER = 10 y una relación SNR óptica de 21dB. La recepción en el segundo LA es +1 dBm, que se amplifica con 25 dB, para llegar al demultiplexor con +6 dBm. Los valores son demostrativos.
Figura 3.2: Sistema WDM Básico.
Cada señal SK consiste en un flujo STM-16 de 2.488 Gbps, y cada transponder TX utiliza un modulador laser tipo electro-absorción, modulado externamente. Las señales K están separadas 100 Ghz (0.8 nm), imponiendo restricciones severas en la estabilidad de los componentes DWDM. La capacidad agregada es de 25 Gbps en una FO SM con atenuación de 0.2 dB/Km a 1550 nm, una dispersión 1/2 cromática de -10 ps/(nmxKm) y una PMD no lineal de 0.15 (ps/Km) . Estos factores de dispersión son críticos en la transmisión por FO, aunque la velocidad de grupo de este ejemplo es relativamente conservadora comparada con redes OTN (ver sección). Cada transponder TX se encarga de realizar la conversión electro-óptica de las señales SK y ajusta el bitrate de la señal óptica que ingresa al multiplexor, siendo independiente del protocolo y la velocidad de S K. El laser del transponder DWDM se ajusta a la frecuencia óptica acorde según la grilla ITU-T G.694.1, con una estabilidad mejor que 10 ppm. Las señales ópticas pueden tolerar una dispersión acumulada de hasta 5.400 ps/nm en el camino óptico, para canales separados 100 Ghz con señales de 2.5 Gbps. Las diez señales ópticas del ejemplo viajan con velocidad constante de grupo y ocupan casi 20nm del espectro base de la banda C. Los amplificadores EDFA afectan a cada una de las 10 señales de igual manera. Como se verá con las clases de cables de FO, los sistemas DWDM modernos operan con fibras SMF con un núcleo de 9 µm, haciendo obsoletas las FO con núcleos de 50 µm, utilizadas masivamente. Algunos sistemas WDM pueden seguir siendo utilizados en FO del tipo MMF (G.651), a distancias de pocas decenas de Km.
3. Transmisión Optica: WDM y Redes OTN
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3.1.5 Fibras Ópticas Normalizadas La siguiente lista presenta las clases de FO monomodo (SMF) normalizadas por la ITU-T, con su aplicabilidad en WDM. Las FO monomodo tienen un núcleo óptico que varía entre 8 y 10.5 m, a diferencia de los núcleos de 50 a 62.5 m de FO multimodo, teniendo en general un envolvente (clading) de 125 m.
ITU-T G.652: Primer standart SMF de la ITU-T, publicado en 1984. Define FO monomodo del tipo NDS (Nondispersion-Shifted), optimizada para 1310 nm. Es la clase más utilizada en telecomunicaciones, y existen cuatro categorías (A, B, C y D), que difieren en la atenuación del pico de agua a 1383 nm y en otros parámetros. Proveen atenuación de 0.2 dB/Km, con dispersión de onda nula a 1310 nm y pueden reutilizan en WDM a 1550 nm, compensando la dispersión cromática, que promedia 17 ps/nm-km, con un parámetro PMD de 0.1pseg/Km. El núcleo varía entre 8 y 10.5 m, con un clading de 125 m.
ITU-T G.653: Esta clase de FO (ZDSF ó Zero Dispersion-Shift Fiber) fue la primera en ser especificada con dispersión nula alrededor de 1550 nm. Afecta a DWDM los efectos no lineales en 1550 nm, lo que llevó al desarrollo de la clase NZDSF (Rec. G.655). Ambas clases conviven en numerosas redes.
ITU-T G.654: Esta clase de FO está diseñada para operar en la 3er. ventana con baja pérdida, con el uso de un núcleo de silicio puro, lo que permite muy baja atenuación y mayor capacidad de potencia óptica, aunque tienen alta dispersión cromática. Su aplicación principal es en enlaces submarinos de larga distancia del tipo SONET/SDH, aunque es aplicable en sistemas DWDM con compensadores.
ITU-T G.655: Esta clase de FO (NZDSF ó Nonzero Dispersion Shifted Fiber) se basa en desplazar la zona de dispersión cero fuera de las ventanas de 1550 nm ó 1625 nm. Es una FO de baja dispersión cromática y efectos no lineales (SPM, FWM, etc.) para operar a 40 Gbps por longitud de onda, con un mínimo de compensaciones. Las variantes NZD+ y NZD- mueven la zona de dispersión nula sobre ó por debajo de 1550 nm ó 1625 nm. Proveen una atenuación de 0.18 dB/Km a 1550 nm, una dispersión cromática de 4.5 ps/nm-km y un parámetro PMD (Polarized Mode Dispersion) inferior a 0.1 pseg/km. La atenuación aumenta a 0.2 dB/Km a 1625 nm. Está optimizada para enlaces de larga distancia y para el backbone de redes. Existen categorías A, B, C y D, con diferentes PMD y valores de dispersión. Esta clase es ampliamente utilizada en redes terrestres modernas.
ITU-T G.656: Esta clase de MDF (Medium Dispersion Fiber) fue introducida por ITU-T en el año 2004 y está diseñada para enlaces de acceso local y de larga distancia a bajos costos. Tiene una atenuación de 0.30 dB/Km a 1550 nm y de 0.22 dB/Km a 1625 nm, con PMD cercana a 0.1 ps/Km.
Se excluyen ITU-T G.651 (MMF), para enlaces cortos ó ITU-T G.657 (SMF), útil para aplicaciones con FTTH y CWDM, diseñada para una flexión con radios de hasta 7.5 mm, con pérdidas acotadas.
3.1.6 Codificación de Señales Ópticas Las señales SDH (utilizando un único ) a velocidades de 2.5, 10 y 40 Gbps son codificadas en modo directo NRZ (Non Return to Zero), para enlaces a distancias medias. En general, la señal óptica se compensa con calibración manual para corregir degradaciones lineales y no lineales en la dispersión de sus componentes al propagarse por la fibra, lo cual es necesario para minimizar el ISI (Inter Symbol Interference) óptico y eléctrico. Para transmisiones a grandes distancias, con DWDM sobre FO terrestres y submarinas, se necesita controlar las degradaciones propias y diferenciales de las señales ópticas en paralelo, en particular dispersión cromática y PMD sobre cada longitud de onda utilizada en las bandas C y L. La modulación ó codificación coherente hace posible un mejor tratamiento de la señal recibida, a velocidades por encima de 2.5 Gbps por canal. Los filtros ecualizadores en el dominio eléctrico se implementan con DSP, que actualmente pueden proveer un poder de cómputo de 200 GFlops en precisión simple, con FPGA de geometrías de 30 nm para disminuir el consumo de potencia. Los procesos de ecualización adaptativa en recepción a muy altas velocidades requieren el uso de estas tecnologías para evitar la calibración manual de los sistemas de transmisión y recepción. Las técnicas coherentes concilian dispersiones lineales como PMD (Polarization Mode Dispersion) y cromática, y otras degradaciones ópticas no lineales en segmentos de redes OTN y SONET/SDH, y son costosas y son complejas de implementar en altas velocidades binarias, de 10 Gbps ó superiores.
3. Transmisión Optica: WDM y Redes OTN
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La PMD, una dispersión modal originada en imperfecciones y asimetrías aleatorias en fibras ópticas, aumenta con la velocidad de línea y causa que pulsos transmitidos en paralelo a diferentes longitudes de onda arriben a intervalos aleatorios a un repetidor ó una terminal de red, donde deben regenerarse ó recrear la señal original. Para compensar las degradaciones se desarrollaron diversas técnicas de modulación óptica, como ser:
ODB (Optical Duobinary): Junto con DPSK, es uno de los primeros esquemas de modulación utilizados en 10 y 40 Gbps. Mejora la tolerancia a PMD y la eficiencia espectral, facilitando su uso en DWDM. Utiliza un ancho de banda inferior a rb/2, con un pulso que tiene ISI de símbolos previos, excepto en el punto de muestreo. Por el ISI, la señal duobinaria es más amplia en el tiempo y la señal óptica es ternaria (+1, 0, -1), lo que genera un espectro más angosto.
DPSK (Diferential PSK): Se codifica la fase de la señal óptica con transiciones de +/- 180º y provee el valor más alto de SNR óptico. Se utiliza en sistemas DWDM con portadoras espaciadas 50 Ghz.
DQ-PSK (Optical Diferential Quadrature PSK): Esquema utilizado en la mayoría de las instalaciones para 40 Gbps que emplean modulación. La señal NRZ se codifica en QPSK, con un ancho de banda cercano a rb/4 Hz. Posee alta tolerancia a dispersiones cromáticas y PMD.
DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature PSK): Permite el transporte de dos señales ópticas con una diferencia de fase de 90º (ortogonales) en el mismo ancho de banda, duplicando la eficiencia espectral. Cada señal está codificada en QPSK, por lo que el ancho de banda es un poco mayor que r b/4 Hz. La tecnología permite mayores distancias en FO, tiene alta SNR óptica y tolerancia a dispersión PMD. El empleo de detección coherente y el procesamiento digital de señales (DSP) permite ecualizar fase y amplitud en recepción y corrigen degradaciones ópticas.
DP-BPSK (Dual Polarization – Binary PSK): Este esquema ocupa el doble del ancho de banda que con QPSK, pero tiene mayor OSNR y con ello más robustez. Se utiliza para transmisiones a gran distancia en redes ópticas terrestres y submarinas.
La Figura 3.3 representa una señal de 40 Gbps transmitida en una única longitud de onda con modulación NRZ BPSK (binaria) y NRZ QPSK (cuadratura), sobre una grilla DWDM con canales de 50 Ghz. El filtro para la extracción de la señal óptica en un OADM se representa con línea punteada. Claramente, al aumentar el orden de modulación/codificación, se reduce el ancho de banda óptico y la interferencia entre canales contiguos, pero esto ocurre a expensas de una señal óptica con una menor OSNR, lo que se traduce en menores distancias sin reamplificación ó mayor potencia de transmisión óptica. La figura es aplicable al conjunto de señales DWDM a transmitir, separadas cada 50 Ghz.
Figura 3.3: Ejemplos de Espectros Ópticos de Señal de 40 Gbps con Modulación 2 y 4-PSK.
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3.1.7 Multiplexación y Demultiplexación Óptica en DWDM Las tecnologías para la multiplexación y demultiplexación de las longitudes de onda ópticas en SMF son vitales para el funcionamiento de los sistemas WDM, existiendo desde técnicas clásicas con la difracción generada en prismas (arcoiris) hasta tecnologías de estado sólido y estratos híbridos. Se citan las técnicas más relevantes para demultiplexores ópticos, con procesos casi especulares para multiplexar diferentes en una fibra SMF.
Figura 3.4: Demultiplexación Óptica de WDM con Prisma y Lentes. El esquema más simple emplea prismas y refracción para concentrar K longitudes de onda en una única FO, en el multiplexor. El proceso se revierte utilizando un prisma para iluminar K fibras ópticas ubicadas en puntos focales de las lentes utilizadas en el demultiplexor. Se emplean conjuntos de lentes calibrados para procesar el efecto arcoiris, con todo el ensamble requiriendo ajustes mecánicos de alta precisión. Como muestra la Figura 3.4, la señal óptica WDM con N componentes se recibe y procesa por el lente A, cuyo índice de refracción n 2 > n1 (n1: medio) crea un haz policromático paralelo mezclando los N componentes, el cual se aplica a la superficie del prisma. La acción de difracción según la longitud de onda del prisma causa que cada componente N sea refractado con un ángulo diferente, descomponiendo la entrada en componentes fundamentales, con el efecto arcoiris. Un segundo ensamble de lentes (B) enfoca cada componente K en un punto correspondiente a su distancia focal, donde ingresa a la fibra óptica que lleva la señal demultiplexada. El esquema lineal y pasivo puede utilizarse como multiplexor óptico, si las componentes ingresan por la derecha.
Figura 3.5: Demultiplexación WGD (Waveguide Grating Difraction). Otro sistema, WGD (Waveguide Grating Diffraction), utiliza principios de difracción como con el prisma, junto con propiedades de interferometría óptica. Se utiliza una parrilla de difracción (grating) sobre la cual cada componente de luz policromática es difractada con un ángulo diferente. Utilizando lentes diseñadas para que cada ángulo de difracción de entrada se enfoque (refracte) en diferentes puntos del espacio, cada K se aplica sobre una fibra óptica diferente, que lleva cada componente óptico a su fotodetector para la conversión óptica a eléctrica, ecualización y amplificación. Esto se muestra en la Figura 3.5, donde cada FO asignada a la longitud de onda K opera como guía de onda hasta el conversor óptico-eléctrico. El sistema es pasivo lineal, lo que hace posible su empleo como multiplexor, revirtiendo la dirección del flujo de señales ópticas.
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Otra variante de demultiplexación de señales WDM utiliza principios de difracción e interferometría, sin requerir óptica adicional (AWG, Arrayed Waveguide Grating). AWG utiliza principios de guías de onda ópticas utilizando una unidad de branching (star coupler) en la FO de entrada. Las N salidas polícromas viajan sobre el array de FO en curvatura (guías de onda ópticas), y se acoplan a una segunda unidad (branching), que tiene por salida N fibras ópticas, una por componente K. Cada FO K del array tiene una diferencia de longitud constante, para genera procesos de interferometría constructivos y destructivos en el acoplo de salida de cada FO, lo que crea el componenteK buscado en cada cavidad de salida.
Figura 3.6: Demultiplexación AWG (Arrayed Waveguide Grating). Las guías de onda se conectan a cavidades a la entrada y la salida, tal que la luz que ingresa se difracta e ingresa al array de FO, que opera como un sistema de guías de onda ópticas con desplazamiento discreto de fase sobre las cavidades de salida, ubicadas en la segunda unidad de acoplo. El proceso genera señales ópticas con máxima interferencia para todas las longitudes de onda excepto la K seleccionada, en diferentes posiciones espaciales, en donde se conectan las FO de salida, como se muestra en la Figura 3.6.
Figura 3.7: Demultiplexación MIF (Multilayer Interference Filter). La tecnología MIF (Multilayer Interference Filters), utilizada en filtros ópticos pasivos de película delgada que se denominan filtros de interferencia multicapa, es un equivalente lineal al proceso WGD mencionado. El proceso se basa en posicionar filtros de película delgada en el camino óptico de la señal de entrada, tal que cada filtro demultiplexa un componente de longitud de onda K. Cada filtro solo transmite una longitud de onda y refleja el resto, en un efecto cascada de reflexión-difracción. Las señales demultiplexadas se aplican a una FO para su conversión óptico-eléctrica en un fotodetector. La Figura 3.7 ejemplifica el concepto MIF. Los sistemas AWG y MIF son los más utilizados, por su estabilidad, aislación de K y respuesta espectral plana. El proceso AWG es sensitivo a la polarización de la señal óptica, lo que debe ser compensado, pero se utiliza con éxito para decodificar numerosos canales simultáneamente. Los sistemas basados en los filtros MIF son imprácticos para sistemas DWDM con muchos canales. Al operar con procesos lineales, estos esquemas son
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reversibles, permitiendo construir demultiplexores y multiplexores WDM con la misma técnica, pero la precisión mecánica (en nanometros) aumenta su sensibilidad a cambios de temperatura que pueden requerir que sean compensados externamente en ambientes inestables (cajas térmicas).
3.1.8 Standares ITU-T y Generalidades de Sistemas WDM Entre los standares ITU-T más relevantes para los sistemas CWDM y DWDM se citan:
Rec. ITU-T G.692: Interfaces Ópticas para Sistemas Multicanal con Amplificadores Ópticos.
Rec. ITU-T G.694.1: Planes espectrales para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda: Plan de frecuencias con multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM)
Rec. ITU-T G.694.2: Planes espectrales para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda: Plan de multiplexación por división aproximada de longitud de onda (CWDM).
Rec. ITU-T G.652: Características de las Fibras y Cables Ópticos Monomodo
La Rec. G.692 incluye un número de planes de canales DWDM, con separación de 50, 100 y 200 Ghz. Esto es equivalente a una separación aproximada de 0.4, 0.8 y 1.6 nm por longitud de onda, respectivamente. La Rec. original solo se incluye la Banda C, en el rango de 1530.3 nm a 1567.1 nm. La nueva Banda L (Long Range) se define entre 1570 nm y 1620 nm. Se incluye un Canal de Supervisión a 1510 nm, para monitoreo y alarmas. Nuevas propuestas para UDWDM (Ultradense) se estudian, con separaciones de 25 y 12.5 Ghz (0.2 y 0.1 nm). Los sistemas DWDM requieren que las fuentes laser tengan una estabilidad en frecuencia mejor que 10 ppm, para operar con redes de hasta 81 canales definidos en la banda C, con separación de 50 Ghz (0.4 nm), entre las longitudes de onda de 1528.77 nm y 1560.61 nm. El valor de 0.4 nm es un promedio, ya que la separación se implementa en intervalos regulares de frecuencia de 50 Ghz, siendo que depende de la inversa de f, por la fórmula c = x f (c= 299.792,458 Km/seg). La frecuencia el primer canal de 1528.77 nm es de 196.100 Thz, y se decrementa exactamente en 50 Ghz con cada canal contiguo, pues la longitud de onda aumenta. El plan de canales ITU-T para DWDM con espaciado de 100 Ghz en la Banda C (0.8 nm) provee 40 canales y se obtiene de la grilla de 50 Ghz, utilizando solo canales pares ó impares, existiendo dos grillas posibles. Los sistemas DWDM pueden ser utilizados de diferentes formas:
Rutas Simples de Media Distancia: Cubren hasta 200 Km sin amplificación ni regeneración, con un amplificador de potencia a la salida del multiplexor y un preamplificador antes del demultiplexor óptico.
Rutas Simples de Larga Distancia: Son caminos de muy larga distancia, terrestres ó submarinos, sin POI en el trayecto. Son desplegados utilizando únicamente amplificación óptica sobre fibras de muy alta calidad y llegan a proveer segmentos de hasta 1.000 Km sin necesidad de regeneración OEO (Optica-Eléctrica-Optica). En estas aplicaciones tambien se utilizan amplificadores de potencia en el multiplexor y preamplificadores en el demultiplexor. Por ejemplo, puede desplegarse un sistema con 40 canales DWDM de 10 Gbps (400 Gbps) en un camino óptico punto a punto de 4.000 Km, utilizando el mismo amplificador EDFA para todo el grupo de longitudes de onda.
Sistemas DWDM con Multiplexores OADM: Estas aplicaciones cubren recorridos con POI intermedios, en los que existen multiplexores OADM (Optical Add-Drop Multiplexers). Según las tecnologías utilizadas, los OADM incorporan amplificación y regeneración eléctrica, para ADM de señales eléctricas ó solo amplificación óptica en el caso de ADM de longitudes de onda. Como los planes de transmisión del operador pueden variar, existen ROADM (Reconfigurables), sobre los que se puede administrar la matriz Add-Drop utilizando filtros ópticos que son modificados desde un Centro de Operaciones. Este tipo de redes pueden ser terrestres ó submarinas, para cables costeros nacionales ó cables internacionales de alta capacidad, manejados por consorcios de operadores nacionales de múltiples países ó por consorcios ó empresas privados.
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3.1.9 Elementos de Red Utilizados en WDM Terminal de Línea DWDM Un terminal de línea DWDM es un equipo ubicado en cada extremo de un camino óptico DWDM punto a punto, el cual contiene los transponders ó muxponders (uno por cada longitud de onda utilizada). Opcionalmente, el terminal de línea utiliza un módulo amplificador óptico EDFA (booster) a la salida del multiplexor y de un filtro más un preamplificador óptico de bajo ruido a la entrada del demultiplexor. El gabinete soporta placas para el monitoreo de la red DWDM y visualización de alarmas y fuentes de alimentación redundantes. Por lo general los transponders son módulos del tipo vertical, que se insertan en vivo sobre los slots del gabinete, y disponen de conectores especializados para el acoplo de módulos enchufables tipo SPF con diferentes prestaciones. El módulo de supervisión y alarmas puede conectarse a un sistema de gestión integral bajo TCP/IP, y gestiona el OSC (Optical Supervisory Channel). Opera con longitudes de onda standares (1310, 1510 y 1620 nm), si bien algunos fabricantes pueden utilizar canales propietarios. La información de gestión que fluye por el OSC puede estar mapeada en una trama SONET OC-3 (ITU-T), ó en tramas Fast Ethernet en casos propietarios.
Transponder Es un adaptador transceptor, en puntos terminales ó POI intermedios de una red óptica, que se utiliza para convertir señales eléctricas cliente de sistemas SDH, PDH, ATM, etc., en señales ópticas sobre K disponibles en sistemas WDM y realizar el proceso inverso, en recepción. Un transponder adapta velocidades arbitrarias de las señales cliente, mapeando estas en longitudes de onda ópticas disponibles. Si la señal cliente ya tiene un formato óptico con una longitud de onda M, un caso común, el transponder remapea la señal óptica de entrada en una K de salida disponible en la grilla DWDM. Para tal operación, el transponder generalmente realiza un proceso OEO (Optico- Eléctrico-Optico) que convierte la señal bajo M en otra señal bajo K, siendo posible que todo el proceso se realice en el dominio óptico. Un transponder integra un diodo laser sintonizable, un modulador sincrónico y, eventualmente, un multiplexor con entradas subrate, para la transmisión óptica. En el lado receptor, incorpora un filtro óptico sintonizable, un demodulador sincrónico y un demultiplexor. Muxponder Un muxponder es un transponder que envía y recibe señales ópticas en un componente K de un sistema DWDM, tal como un transponder, con el agregado de un multiplexor que agrega señales cliente de menor jerarquía en otra de mayor jerarquía. El muxponder mapea, por ejemplo, ocho señales cliente STM-16 en una señal de 20 Gbps, que luego procesa tal como un transponder eléctrico-óptico. Su practicidad hace que las soluciones muxponder en un único chip transceptor sean cada vez más populares, obviando equipamiento intermedio SDH. El avance tecnológico ha permitido que existan muxponders del tipo plug-in, con funciones del transponder definibles por software y capacidades para operar sobre 40 u 80 canales DWDM, reduciendo fuertemente las partes utilizadas en una instalación, pues un único módulo puede cubrir todas las necesidades que proveían múltiples módulos no-reconfigurables.
Regeneradores de Señal de Línea Existen tecnologías para regeneradores 1R, 2R y 3R. El más sencillo, 1R, es un retransmisor óptico con poca ó ninguna acción de purificación de la señal óptica, y es obsoleto. Los 2R realizan las funciones de retemporización y retransmisión, siendo poco comunes y operando en el dominio eléctrico, mediante conversiones OEO. Los regeneradores 3R realizan las funciones de 2R a las que agrega una reconformación del pulso óptico de salida, para minimizar la ISI acumulada. Los regeneradores 3R operan en ambos sentidos de la transmisión y, en versiones avanzadas, incorporan el monitoreo de los headers SDH ó SONET hasta 10 Gbps, reportando status y alarmas por el OSC (Optical Supervisory Channel) de DWDM.
Amplificador EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Es el amplificador más utilizado en DWDM pues tiene una amplificación óptima que coincide con las bandas C y L de la tercer ventana de transmisión. Generalmente se utiliza un amplificador EDFA optimizado para cada
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una de las bandas. Los EDFA se basan en el acoplo de una señal óptica de alta potencia en 980 ó 1480 nm (bomba óptica) junto con la señal óptica de línea, utilizando un acoplador selectivo de longitud de onda. La señal mixta pasa por una sección de fibra óptica dopada con iones de Erbio en el núcleo de 6 m, los cuales son excitados por la señal óptica de alta energía. Por ello, los átomos de Erbio pasan a un estado de alta energía y liberan fotones y retornan a su estado normal de baja energía. El aspecto clave de los EDFA es que los átomos de Erbio liberan su energía como fotones en la misma longitud de onda y fase que la señal a ser amplificada, en la zona de 1550 nm. La potencia agregada es guiada hacia la FO de salida, en donde se coloca un aislador, para prevenir reflexiones de la FO acoplada, la cual continúa llevando la señal amplificada por el siguiente tramo. Las bandas de bombeo de 980 nm y 1480 nm tienen diferentes propiedades, como ser amplificación con bajo ruido si se utilizan 980 nm y amplificación de alta potencia si el bombeo utiliza 1480 nm. Los EDFA actuales emplean una combinación de ambas frecuencias de bombeo, para lograr EDFA optimizados, que pueden proveer 25 dB con bajo ruido adicionado.
OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) Por lo general, el OADM es el nodo básico de una red DWDM en anillo. Este elemento de red se utiliza en puntos intermedios de la red (POI), donde permiten bajar ó subir señales de tipo eléctrico (clientes finales) ó de tipo óptico (longitudes de onda K), siendo lo último complejo y de mayor costo. El OADM tiene funciones equivalentes al ADM de redes SONET/SDH, aunque puede proveer servicios en los dominios eléctricos y ópticos, según el equipo. El OADM tiene al menos tres secciones: un demultiplexor óptico, un conmutador para las funciones Add-Drop y un multiplexor óptico. Para operar con señales múltiples agrupadas en una única longitud de onda, requiere de etapas adicionales equivalentes a las de un ADM SDH. Para operar, el OADM requiere filtros ópticos altamente selectivos que existen como módulos y que requieren de un plan de transmisión muy detallado por parte del operador. Esta rigidez ha impulsado el desarrollo de los ROADM (OADM Reconfigurables), con filtros ópticos programables a distancia desde un NOC. En cualquier tecnología, estos multiplexores Add-Drop se acoplan pasivamente a la fibra óptica, con una pérdida de acoplo de 3 dB, y nunca interrumpen el camino óptico, por lo que no afectan a las demás señales ópticas de la red DWDM. ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) Superan las carencias de los OADM, cuya asignación de canales Add-Drop no puede ser modificada luego de la instalación, a menos que se cambien módulos en forma manual. Los ROADM tienen las prestaciones de los OADM más la capacidad de seleccionar y cambiar cuales son las K que serán subidas y/o bajadas en cada POI, por telecomandos. Emplean filtros ópticos más amplificadores laser que son reconfigurables por software y tienen una arquitectura interna más compleja. Su uso flexibiliza el diseño de las redes DWDM, pues pueden reconfigurarse en cualquier momento provisionando canales Add-Drop en cada POI en forma centralizada. Además pueden crecer modularmente. Cross-Conector Optico (OXC) El OXC es un elemento de red DWDM con servicios equivalentes a los DXC de redes SDH con topología malla, y típicamente operan en forma matricial (N x N), con N entradas y N salidas de fibras ópticas. Internamente, un conjunto de conmutadores matriciales con un arreglo del tipo non-blocking (ver redes OTN), tiene la capacidad de trasponer cualquier K de una FOP de entrada sobre una Q de otra FOM de salida. Los OXC, junto con los ROADM, proveen a los operadores de las redes de una capacidad total para redefinir los caminos ópticos y las señales componentes de los mismos a través de un sistema de gestión remoto. Su gran complejidad y costo, y la necesidad de operar sobre topologías diferentes a la topología anillo, hacen que los OXC solo sean utilizados en redes DWDM de alta densidad de tráfico, en el núcleo de las redes. Los OXC pueden operar en el dominio eléctrico, lo que requiere una demultiplexación interna completa de cada señal multicomponente acarreada por cada FO. Esta clase de OXC, que requieren tecnología DXC de SDH son denominados opacos. Si operan solamente en el dominio óptico, trasponiendo longitudes de onda DWDM entre las diferentes fibras ópticas, se denominan transparentes. Una variante OXC, con filtros ópticos sintonizables, solo opera con longitudes de onda específicas. Otra variante de OXC, denominada translucente, contiene las propiedades de OXC opacos y transparentes, seleccionando el operador de la red DWDM si traspone señales en el dominio óptico ó en el dominio eléctrico.
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Por la alta flexibilidad que provee para provisionar señales sobre caminos ópticos, los OXC son útiles en redes con una alta densidad de tráfico y múltiples caminos ópticos que son rutas de acceso, como en el caso de las redes Metro (SDH, Ethernet, etc.). Un elemento clave de los OXC son los filtros ópticos reconfigurables, para la selección de longitudes de onda específicas ó para regeneración de señales laser de banda angosta, así como laser reconfigurables. En el caso de los emisores laser sintonizables, se opera con avanzados sistemas de control a lazo cerrado para ajustar los LED laser (por corriente) en un rango limitado ó en toda la banda que soporta DWDM. Tal operación requiere un tiempo de estabilización una vez generado el cambio, que varía según la precisión requerida por la señal generada, dentro de los límites de diseño de la red DWDM y la separación entre componentes ópticos (Ghz). Los receptores sintonizables se basan en filtros sintonizables, pues el fotodetector es de banda ancha. Existen métodos más sofisticados de reconfigurabilidad de elementos de red en el dominio óptico, los cuales están en etapas finales de desarrollo, ó existen pero con elevados costos, como los conmutadores ópticos ó los conversores de longitud de onda. Filtros Ópticos Los filtros ópticos son elementos esenciales para la operación de sistemas de fibra óptica. Generalmente se basan en principios de difracción e interferometría para definir anchos de banda pasante ó bloqueantes y se basan en principios de micromecánica para la calibración, en filtros fijos. Para obtener filtros sintonizables se utilizan diferentes soluciones con micromecánica, efectos térmicos, dieléctricos y otros, todos generalmente controlables en forma remota. En las estructuras de los multiplexores y demultiplexores ópticos para módulos terminales de línea ya se han tratado los procesos más comunes de selectividad de longitud de onda, los cuales son aplicables a cualquier clase de filtro óptico en general para obtener filtros ópticos pasabanda, eliminabanda ó pasaaltos. Los filtros sintonizables son de alto interés en redes DWDM para poder disponer de una programabilidad total de los elementos de red, a los efectos de diseños, rediseños y mecanismos de provisionamiento remotos. Las propiedades que son deseables en los filtros ópticos son: baja pérdida de inserción con independencia de la polarización de la señal óptica; banda pasante ó frecuencia de corte invariante con la temperatura ambiente; banda pasante plana para reducir efectos acumulados de filtros en cascada; lóbulos laterales acentuados, al menos de -20 a – 30 dB para proveer aislación entre canales contiguos; en el caso de filtros resintonizables, una rápida convergencia al rango deseado (seg); amplio rango de sintonía de filtros ajustables, tal que cubran los 40 nm de los EDFA; bajo consumo de potencia, facilidad para producción en masa y subsistema de ajuste de precisión, controlable en forma local ó remota.
Tabla 3.8: Tecnologías Representativas de Filtros Ópticos Sintonizables. La Tabla 3.8 resume algunos aspectos característicos de las tecnologías más comunes para filtros ópticos sintonizables. Al margen de que la interferometría, la refracción, la reflexión y la micromecánica son aspectos
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fundamentales para fabricar estos elementos, existen nuevos mecanismos para el ajuste de los componentes que se basan en fenómenos dieléctricos, térmicos y propiedades de substancias que contienen los elementos de los filtros, como ser aplicaciones con cristal líquido.
3.1.10 Ejemplos de Red DWDM La Tabla 3.9 muestra valores nominales en niveles de transmisión y recepción de señales DWDM sobre FO de la clase ITU-T Rec. G.655, con una atenuación promedio de 0.2 dB/Km. La red DWDM transporta 8 señales STM-16, con una capacidad agregada de 20 Gbps, cada una utilizando una longitud de onda diferente. Los amplificadores se gradúan para una recepción promedio de 4 dBm +/- 0.4 dB. En cada uno de los 10 POI (Point of Interconnection) existe equipamiento SDH adicional, para procesamiento de las señales STM-16 que proveen los OADM, los cuales solo operan en el dominio óptico con cada . Este ejemplo se basa en que la capacidad del camino de 600 Km crece modularmente en unidades STM-16, lo cual es costo-efectivo para el operador de telecomunicaciones. Los niveles y las distancias son promedios de valores de la red real, que se representa esquemáticamente.
Tabla 3.9: Red DWDM de 600 Km, con 10 POI y Transporte de 8 x 2.5 Gbps (STM-16). Para el cálculo del presupuesto de cada enlace óptico se toma en cuenta la potencia de transmisión, la cual puede variar entre -5 y +20dBm, según el enlace. Como con la recepción, debe contemplarse que el nivel de la transmisión es para el valor agregado de los ocho componentes, pudiendo tener cada uno de ellos diferentes niveles. Por lo general, la sensibilidad de un fotodetector se ubica entre -10 dBm y +6dBm para cumplir con los -12 valores de BER > 10 como mínimo, debiendo tenerse en cuenta que el nivel de recepción de la tabla es para toda la señal DWDM, con sus ocho señales ópticas independientes, que pueden tener dispersión de valores. El cálculo del presupuesto del enlace óptico debe contemplar la atenuación de la FO, generalmente 0.2 dB/Km, la pérdida de inserción óptica en los acoplos de los OADM (3 dB), las pérdidas de los conectores (0.5 dB), las pérdidas por acoplos de segmentos de FO (0.1 dB) y otros factores a detallar en cursos especializados. Típicamente, el diseño incorpora un margen de + 3dB entre la transmisión y la recepción, tal que se cumpla:
Potencia TX – Pérdidas del Segmento – 3 dB > Sensibilidad del RX
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3.2
Optical Transport Network (OTN)
3.2.1 Introducción Las Redes de Transporte Óptico (OTN) integran el transporte de señales cliente SONET/SDH, Ethernet, FC y de otras clases como IP y MPLS utilizando tecnologías WDM, con multiplexación eléctrica a nivel ODU y con la multiplexación óptica por longitud de onda, para redes MAN ó WAN de mediana y larga distancia, con señales cliente entre 100 Mbps y 100 Gbps, y velocidades de línea óptica de 2.5, 10, 40 y 100Gbps. Su diseño está influenciado por la arquitectura SONET/SDH, con mejoras en servicios, velocidades, transporte Ethernet y gestión OAM&P. Las interfaces de las redes OTN han sido especificadas originalmente con la Rec. G.709-2003, para señales cliente SONET/SDH, fueron ampliadas en funcionalidad, señales, velocidades y niveles de multiplexación con la Rec. G.709-2009 (Ethernet, FC) y, finalmente, con la Rec. G.709-2012. OTN aporta, sobre SDH, mejor gestión de fallas en redes multioperador por las conexiones tandem, mapeado asincrónico directo de señales de bajo nivel niveles altos, corrección de errores FEC y otras ventajas como la capacidad de transporte POTS (Packet Optical Transport Network) en redes WAN, mas allá de su uso en MAN. La baja adopción inicial de OTN está revirtiéndose por el creciente requerimiento de conectividad Ethernet 1GbE y 10GbE en MAN y WAN, la necesidad de transporte de señales como Fibre Channel, para sistemas de almacenamiento en datacenters y el transporte integrado de SONET/SDH, todas mapeadas en ODUk (Optical Data Unit) sobre multiplexores electro-ópticos ROADM (Reconfigurable Optical ADM). El interés en la nueva generación de OTN, a partir del año 2009, se basa en la flexibilidad para transportar señales heterogéneas y sus requerimientos de sincronismo, modos avanzados de protección de caminos MAN y WAN, servicios como ODUFlex, granularidad del ancho de banda para señales STM-1/4, 1GbE y TS de 1.25 Gbps más la compatibilidad con Ethernet a 40 y 100 Gbps en redes de larga distancia terrestres y submarinas. El standart ITU-T G.709 define jerarquías de transporte en OTN; multiplexación flexible; estructuras de tramas; velocidades binarias de línea y formatos para el mapeado y transporte de diversas señales cliente. La ITU-T no ha normalizado las estructuras de las secciones ópticas (OCh, OMS, OTS), lo cual es dejado al fabricante. Los standares básicos de la ITU-T para la arquitectura, jerarquías, interfaces y gestión de las redes OTN son:
Rec. ITU-T G.709: Interfaces para las Redes de Transporte Óptico (versiones 2003, 2009 y 2012).
Rec. ITU-T G.872: Arquitectura de las Redes de Transporte Óptico.
Rec. ITU-T G.798: Características de la Jerarquía de las Redes de Transporte Óptico (idem).
Rec. ITU-T G.959.1: Interfaces de la Capa Física en las Redes de Transporte Óptico (idem).
Figura 3.11: Terminales de Línea (Punto a Punto) en Redes OTN. La primera versión, Rec. ITU-T G.709-2003, define interfaces para el transporte de señales SONET/SDH a 2.5, 10 y 40 Gbps. El standart especifica el encapsulado de señales cliente en contenedores eléctricos (OPU, ODU, OTU), y su inserción y multiplexación en el dominio óptico (OCh, OMS, OTS). Define aspectos como mapeado de las señales cliente, jerarquías de tramas eléctricas y señales ópticas, funciones AOM en el encabezados de ODU y OTU, protección FEC y otras funciones. La versión 2009 incorpora señales cliente Ethernet y otras CBR como FC, define un nivel cliente a 1Gbps (ODU0), una señal de línea a 100Gbps (OTU3), y otras mejoras.
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Como muestra la Figura 3.11, entre extremos de una conexión OTN punto a punto, que conectan señales cliente, se utilizan hasta tres clases de Elementos de Red (NE): terminales de línea con multiplex ópticos, los regeneradores 3R (Reamplification, Reshaping, Retiming) y los amplificadores ópticos. Los NE 3R se requieren cuando un enlace óptico es de larga distancia (Ej.: más de 1000 Km, con amplificadores ópticos cada 100 Km). Los multiplexores OTN operan en el dominio eléctrico, que administra y multiplexa jerarquías de tramas, y en el dominio óptico, para multiplexación de longitudes de onda WDM, su conformación espectral y transcepción. Es creciente el uso de ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer), con gestión remota de funciones de multiplexación a nivel de , en el dominio óptico sin necesidad de pasar por el dominio eléctrico. El dominio eléctrico encapsula y mapea las señales cliente en OPU (Optical Payload Unit), utiliza ODU (Optical Data Unit) de Orden Bajo y Alto (LO, HO) para multiplexación con headers para OAM, y OTU (Optical Transport Unit) para transmisión eléctrica sobre canales ópticos OCh (uno por ). Las tramas OTU terminan en un campo FEC, y son regeneradas en los NE 3R (reamplification, reshaping, retiming), recalculando el FEC si se requiere. Las tramas OTU se administran en el dominio óptico de los ROADM, donde se asignan a canales ópticos OCh (longitudes de onda C/DWDM). Los canales OCh se combinan en la sección de multiplex óptico (OMS), cuyas señales de salida se procesan en la sección de transporte óptico (OTS). En la recepción, el proceso se invierte. Cada capa del OTM (OTS, OMS y OCh) tiene una señal de overhead (OOS) con formatos, velocidad binaria y estructuras no definida en la Rec. ITU-T G.709, pudiendo existir versiones propietarias. En los nodos 3R, el FEC es procesado, lo que puede implicar correciones en las OTU, en el dominio eléctrico, para eliminar errores de transmisión. La capacidad para corregir errores mediante FEC es limitada por lo que, con exceso de errores, estos se propagarán en ráfagas hasta el terminal de línea y deberán ser gestionados -12 por el nivel superior a OTN, como ser un enlace Ethernet. Una OTN debe operar con un BER mejor que 10 . La Figura 3.12 muestra estructuras básicas para la transmisión de señales cliente en OTN, desde el mapeado de estas en la trama básica OPUk, su encapsulado en tramas ODU y su inserción en la trama de línea OTU, la cual se asigna a un canal óptico OCh (una longitud de onda DWDM), en el dominio óptico (OCh, OMS, OTS). Cada clase de señal es mapeada según el OH OPU, utilizando diversos procedimientos de justificación para nivelar las diferencias de sincronismo entre relojes de las OPUk y las señales cliente.
Figura 3.12: Estructuras Básicas para Transporte de Datos en OTN.
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El esquema básico de la Figura 3.12 omite la multiplexación de ODU LO (Orden Bajo) en ODU HO (Orden Alto), las conexiones TCM (Tandem Connection Monitoring), los canales ópticos OChr (capacidad reducida) y el uso de carriles paralelos OTLk.n (Optical Transport Lane k.n), para señales como Ethernet 40GbE ó 100GbE. Por ejemplo, OTL3.4 representa OTU en paralelo para 40GbE (4 x 10G) y OTL4.10 es utilizada para transporte de 100GbE (10 x 10G). Estas interfaces OTM tienen funcionalidad reducida (OChr), a diferencia del transporte de señales cliente completamente definidas en el dominio eléctrico, hasta 10 Gbps (OTU2). El encapsulado en tramas ODUk LO se utiliza para clientes con velocidades básicas de 2.5, 10, 40 y 100 Gbps, que se corresponde con la asignación k: 1, 2, 3 y 4. Las ODU HO son el Orden Alto de multiplexación de las ODUk LO. Las ODU de Orden Bajo (ODU LO) asimilan las OPUk con las señales cliente, y se multiplexan en diferentes niveles de ODU HO (ODU de Orden Alto). El encabezamiento (OH) ODU utiliza 3 x 14 bytes para el marcado y monitoreo de las señales. En la operación en tandem, con segmentos en redes OTN de diferentes operadores, existe un proceso TCM ODUk, que puede manejar hasta 6 niveles de tandem y opera con campos TCMN del header ODUk. Las ODUk se insertan en los contenedores OTUk, que luego son luego asignados a un canal óptico OCh (longitud de onda ) En DWDM, una OTUk básica se mapea sobre la grilla de longitudes de onda () según la Rec. ITU-T G.694.1, en un Canal Óptico OCh completamente funcional. Otras variantes de OTUk utilizan Canales Ópticos OChr, los que tienen funcionalidades reducidas de multiplexación y regeneración óptica (no 3R). Los OCh se procesan en el nivel OMS del multiplexor óptico, para conformar la señal óptica a transmitir sobre la FO, en el nivel OTS.
3.2.2 Tramas y Jerarquías en la Rec. G.709-2003 La Rec. ITU-T G.709-2003 normalizó las interfaces OTU1, OTU2 y OTU3 a 2.5, 10 y 40 Gbps, para transporte de señales SONET/SDH. La actualización de la Rec. G.709-2009 agregó OTU4 a 100Gbps, clientes Ethernet y Fibre Channel y nuevas jerarquías de multiplexación, con mejoras adicionales en la versión G.709-2012. Entre las normalizaciones para redes OTN introducidas con la Rec. G.709-2003 se cuentan:
La estructura de la trama de línea OTN (OTU), con un tamaño fijo de 4 x 4080 bytes (16320 bytes), sin importar el orden de la trama OTUk. Esto marca una diferencia con SONET/SDH, donde la trama en cada nivel jerárquico crece en tamaño. Por ejemplo, una señal cliente STM-64 transporta 64 x (9 x 270 bytes) y requiere 11 tramas OTU2 para transportar sincrónicamente todos los bytes de la trama cliente.
Detalles de los headers de las diferentes tramas encapsulantes de la señal cliente, que incluye las tramas OPU, ODU y OTU. Los headers de cada nivel permiten funciones como mapeado de señales cliente en OPU, gestión OAM de la red OTN.
El procedimiento FEC Reed-Solomon aplicado a la trama OTU, que permite ampliar el segmento de transmisión sin regeneración óptica, ofreciendo una performance superior a la de los sistemas DWDM.
La Figura 3.13 representa una trama OTUk (Optical Transport Unit), la que luego se inserta en un canal óptico OCh, que es una longitud de onda () DWDM según la Rec. G.694.1.
Figura 3.13: Trama de Línea OTU (Optical Transport Unit). La Figura 3.13a muestra las jerarquías de multiplexación de tramas que fueron definidas para G.709-2003. Existe un considerable aumento en las combinaciones disponibles con las actualizaciones 2009, 2010 y 2012. En el diagrama se aprecia como las ODUk LO (ODU1, ODU2 y ODU3) son transportadas directamente por las OTU1, OTU2 y OTU3, respectivamente. En este caso, las señales cliente son transmitidas a línea utilizando tan solo ODU de orden bajo, sin compartir la zona de carga con otras señales cliente.
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La Figura 3.13a muestra dos ODU HO (Orden Alto), que son las ODU2 (4 x ODU1) y ODU3 (16 x ODU1). Como la versión G.709-2003 solo estandarizó completamente el transporte de señales cliente SONET/SDH, las ODU2 HO y ODU HO contienen múltiples señales cliente encapsuladas en ODU1 LO (N x 2.5 Gbps). Si bien no se muestra, por simplicidad, cada ODU es precedida por una trama OPU, donde se implementa el mapeado de las señales cliente. La estructura de las OPU2 HO y OPU3 HO se basa en mapear las tramas ODU1 LO con entrelazado de bytes para las 4 señales ODU1 (OPU2 HO) ó las 16 señales ODU1 (OPU3 HO). El mecanismo de entrelazado a nivel de byte en el Orden Alto es utilizado para cualquier multiplexación OTN.
Figura 3.13a: Jerarquías de Multiplexación en OTN según Rec. ITU-T G.709-2003. La Tabla 3.14 presenta las interfaces G.709-2003 junto con las diferentes velocidades de transmisión de línea y de las señales cliente. El overhead en la velocidad de línea se deben al OH de trama, el campo FEC y al uso de bytes adicionales del área de carga para la justificación de los punteros, como en SONET/SDH.
Tabla 3.14: Interfaces Definidas en el Año 2003 (solo SONET/SDH).
3.2.3 Concatenación Virtual OPUk-Xv Para acomodar señales con velocidades no compatibles con las de los OPUk definidos, la Rec. G.709-2003 especifica el concepto de Concatenación Virtual, como en las redes SONET/SDH. Así, las OPU VCat pueden asimilar mapeados de señales Fibre Channel 4G-FC, 8G-FC, 16G-FC ó Infiniband 1X-DDR, 1X-QDR, etc., utilizando OPUk concatenadas con la denominación OPUk-Xv (ver SDH). Las OPU se transmiten con OTUk en paralelo, para obtener la velocidad agregada necesaria para la señal cliente. Para identificar a los OPU miembros de un grupo VCat se utilizan los bytes RES JC4/JC5/JC6 de las filas 1, 2 y 3 de la columna 15 de la trama OPU, los cuales definen un campo denominado VCOH (VCat OH), además de un PT específico del byte PSI. Para compensar retardos diferenciales que puedan tener diferentes miembros del grupo VCAT, se aplica un mecanismo de ajuste LCAS, como en SONET/SDH.
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Algunos ejemplos, utilizados con mecanismos de mapeo AMP ó BMP del año 2003, son:
OPU1-4v: Utilizado para transmitir una señal OC-192/STM-64 sobre 4 tramas OTU1 a 2.5 Gbps.
OPU1-2v: Utilizado para transmitir una señal 4G-FC sobre 2 tramas OTU1 a 2.5 Gbps.
OPU1-16v: Utilizado para transmitir una señal OC-768/STM-256 sobre 16 tramas OTU1 a 2.5 Gbps.
OPU2-4v: Utilizado para transmitir una señal OC-768/STM-256 sobre 4 tramas OTUw a 10 Gbps.
3.2.4 Mecanismo FEC Reed-Solomon El uso de FEC en la tramas OTU de las redes OTN es importante en sistemas de transmisión ópticos del tipo WDM, ya que mejora el BER del canal al corregir errores sin utilizar retransmisiones, permitiendo aumentar la distancia entre los regeneradores y amplificadores ópticos sobre FO standares, disminuyendo costos. El procedimiento FEC RS(255, 239) permite corregir hasta 8 bytes erróneos por bloque. Se procesa la trama OTU mediante 16 flujos de 255 bytes cada uno (4080 bytes), utilizando grupos de 16 bytes, desde el byte 1. El algoritmo OTU separa cada fila en subfilas de 238 bytes de datos consecutivos más 1 byte del overhead. Los 239 bytes generan 16 bytes de paridad con el algoritmo RS(239, 255), y se insertan en el campo FEC. Así, entre las posiciones de byte 3825 y 4080 de la trama OTU se insertan 16 x 16 bytes que corresponden al FEC de los 16 x 238 bloques secuenciados de señal cliente más 16 x 1 byte del header OTU. El intercalado de la información reduce la sensibilidad de la trama OTU a ráfagas de errores y, además, potencia Reed-Solomon ya que permite la corrección de errores acumulados hasta en 128 bytes consecutivos de la señal de línea. Esto representa una mejora de la capacidad FEC del algoritmo RS(255, 239) de 16 veces. Traducido numéricamente en ganancia de código, comparando las potencias relativas de señales con y sin el -12 uso de FEC RS, el resultado es una mejora de 5.4dB de ganancia de codificación óptica para un BER de 10 , -13 que aumenta a 5.86dB para un BER de 10 . Los dB de ganancia por codificación FEC se pueden utilizar para distanciar los repetidores ópticos un valor que depende del cálculo del enlace y del tipo de FO utilizada. Por ejemplo, para DWDM con FO ITU-T G.652 (Nondispersion-Shifted Fiber), utilizable con una atenuación de -12 0.2dB/Km a 10 Gbps y BER de 10 , se puede aumentar la distancia entre regeneradores hasta 27 Km, desde 50 Km iniciales hasta casi 80 Km. La FO G.652 es el tipo más utilizado, y es sub-óptima para DWDM en altas velocidades, requiriendo compensación por dispersión.
3.2.5 Capas de Procedimientos en OTN La Figura 3.15 representa las capas de procedimientos eléctricos (digitales) y ópticos entre dos terminales de línea OTN (LT). Se omite un nivel de procedimientos intermedio (TCM ó Tandem Connection Monitoring), el cual ocurre entre el nivel ODU y el nivel OTU para el caso en que se multiplexen caminos origen-destino entre multiplexores ADM intermedios. Los procesos de encapsulado ODU y OPU son extremo-extremo entre los LT, y pueden haberse utilizado ODU de Orden Alto y de Orden Bajo, en el caso en que se multiplexen señales de clientes CBR2G5 (STM-16) en caminos definidos por ODU2 a 10 Gbps entre los LT.
Figura 3.15: Niveles de Procedimientos en un Enlace entre dos Terminales de Línea.
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Las redes OTN proveen mecanismos standares para la gestión de las longitudes de onda de sistemas DWDM a nivel extremo-extremo, sin que sea necesaria una multiplexación en el dominio eléctrico (OTU, ODU, OPU). El elemento 3R OEO es insertado para prevenir la degradación acumulativa en las señales eléctricas y ópticas de línea, para lo que realiza procesos 3R (reamplificación, regeneración de pulsos ópticos y retemporización). Como opera en los dominios eléctricos y ópticos, debe realizar una conversión óptica-eléctrica-óptica (OEO) lo cual define la denominación 3R OEO con la que se los conoce. La retemporización se aplica a las tramas OTU y esto impacta en el dominio óptico. Si el regenerador 3R fuera, además, un multiplexor ADM óptico-eléctrico, en ese punto intermedio de la red sería posible asignar canales ópticos ó eléctricos punto a punto, contra cualquier otro NE de la red OTN. Esta funcionalidad se integra en el sistema de gestión digital y óptico OAM&P. Existen tres capas para el procesamiento eléctrico de las señales y otras tres para el procesamiento óptico: 1. Optical Channel Payload Unit (OPU) 2. Optical Data Unit (ODU) 3. Optical Transport Unit (OTU) 4. Optical Channel (OCh) 5. Optical Multiplex Section (OMS) 6. Optical Transport Section (OTS) En este documento no se tratan los niveles de procesamiento óptico pues si bien existen jerarquías ópticas con sus correspondientes encabezados (OOS – OTM Overhead Signals), la ITU-T no ha definido su estructura en la Rec. G.709, dedicada a las interfaces eléctricas. Los equipos existentes en el mercado pueden utilizar un criterio propietario para desarrollar los multiplexores ópticos con capacidad ADM (ROADM).
3.2.6 Jerarquías de Transporte Optico y Multiplexación ITU.T G.709-2009 La Tabla 3.16 resume las señales cliente normalizadas según la Rec. ITU.T G.709-2009, donde se aprecia la definición de nuevas jerarquías de multiplexación, la incorporación de clientes Ethermet entre 1 y 100 Gbps, y la funcionalidad ODUFlex, que agrega nuevos clientes, a velocidad constante (CBR), encapsulando estos en jerarquías OPUFlex y otras variantes VCAT. Se observa la incorporación de Fibre Channel (FC1200).
Tabla 3.16: Señales Cliente según Actualización Rec. ITU-T G.709-2009. La Tabla 3.17 presenta las velocidades y jerarquías de tramas OTU y ODU, para el transporte de las OPU.
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Tabla 3.17: Velocidades y Jerarquías de Tramas OTU y ODU y Señales Cliente.
La Tabla 3.18 muestra algunas de las opciones de transporte directo ó de multiplexación de tramas ODU.
Tabla 3.18: Opciones de Transporte de Tramas ODU. Las nuevas jerarquías de multiplexación de la Rec. G.709 permiten asimilar las nuevas señales cliente, con nuevas ODU y OPU de Orden Bajo así como aprovechar las velocidades de línea con nuevas ODU de Orden Alto. Ambas clases de ODU tienen el mismo formato, pero difieren en sus velocidades, como se aprecia en la Tabla 3.18. Las tramas ODU LO (Orden Bajo) pueden ser multiplexadas en ODU HO (Orden Alto) en un NE del tipo ADM, sin que el campo FEC de las OTU sea relevante pues es recalculado en cada instancia. Se observa una amplia variedad de OTU alrededor de 10 y 40 Gbps, que son agregados necesarios para el transporte transparente de señales cliente, sin interferencia de la OTN, utilizando el concepto de overclocking. Como se aprecia en la Figura 3.19, las jerarquías de multiplexación de OTN aumentaron en alto grado en la versión G.709-2009, comparadas con la versión del año 2003 (ODUk, k:1, 2, 3). Las señales cliente incluyen el transporte de Ethernet, señales CBRx con ODUFlex, como FC e IB y se agrega una tributaria de 1Gbps y la señal de línea para 100GbE. La Figura 3.19 no muestra las combinaciones de multiplexación, por razones de espacio, y no incorpora cambios en el standart entre los años 2010 a 2012, aunque si se reflejan en las Tablas 3.16, 3.17 y 3.18. La Rec ITU-T G.709-2009 incorpora encapsulado OPUFlex y multiplexación ODUFlex, para el transporte de cualquier señal cliente a velocidad CBR ó arbitraria en OTN, como Fibre Channel, Infiniband, IP, MPLS, etc. El standart del 2009 introduce el encapsulado GMP (Generic Mapping Procedure), que permite el mapeado de señales dividiendo el OPU en TS de 1.25 Gbps y asignando señales cliente a los TS del OPU con un algoritmo
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de distribución. GMP utiliza bytes de relleno para adaptar cualquier velocidad de señal cliente al ODU utilizado, y permite mapear señales por debajo de 2.5 Gbps, como 1GbE, STM-1/4, FC-100, FC-200
Figura 3.19: Jerarquías OTN ampliadas con Rec. ITU-T G.709-2009. La flexibilidad de multiplexación a 10 Gbps se observa con las señales 10GBASE-R a velocidad de línea de 10.3125Gbps (+/- 100ppm), que puede ser implementada utilizando OTU2, OTU1e u OTU2e. Se puede:
Mapear 10GBASE-R con BMP en un OPU2e, el cual se mapea en un ODU2e a 10.3995 Gbps y que luego puede ser transportado en tramas OTU1e (11.0482 Gbps) u OTU2e (11.0957 Gbps).
Mapear 10GBASE-R (10.3125 Gbps) para su transmisión con OTU2 (10.709 Gbps). Se utiliza GFP (Generic Frame Procedure) para mapeado asincrónico (AMP) en OPU2. La velocidad de 10.037 Gbps de ODU2 requiere que GFP remueva el preámbulo y los espacios intertrama (IFG), pero se pierde el transporte transparente. También se puede encapsular 10GBASE-W (9.953 Gbps) con bytes de relleno.
Si la opción previa es inaceptable, pues se demanda transporte transparente, se utiliza overclocking, que agrega un encapsulado y FEC a la trama original, y se utiliza OTU1e (11.0482 Gbps) u OTU2e (11.0957 Gbps), aunque no son compatibles para el multiplex 4 x OTU2n sobre OTU3 (43.016 Gbps).
La utilización de TS (Tributary Slots) de 1.3Gbps mediante ODUFlex permite multiplexar 80 TS (1GbE) en un ODU4, para su transporte a 100Gbps, utilizando encapsulado con GFP. El ranurado que permiten los TS puede ser incorporado a cualquier ODU LO (Orden Bajo) sin fragmentación de ancho de banda y sin afectar el tráfico. El esquema de la Figura 3.20 representa la siguiente tabla de multiplexación. Las columnas de la izquierda son para las tramas de línea OTUk y para las ODUk de Orden Bajo (LO). En el centro se muestran combinaciones de ODUk LO para su multiplexación en ODUk de Orden Alto (HO). A la derecha se presentan algunas señales cliente, como ejemplos. La tabla es parcial, y muestra las señales cliente más representativas, pues otras señales presentadas previamente no se han incluido. Una consideración especial es para ODUFlex y la utilización de tributarias TS1 de 1.25Gbps que encapsulan OPU0, como en el caso muy común de señales Ethernet 1000BASE-X. La fila ODUFlex muestra el máximo de TS que pueden multiplexarse en cada jerarquía ODUk HO, siendo el mínimo valor igual a 1 TS. ODUFlex es una prestación que permite multiplexar una cantidad variable de señales ODU0 (en TS1), y realizar ADM sin que se altere la estructura de las señales transmitidas. Esto permite Drop-Insert con una flexibilidad inexistente en redes previas como SONET/SDH.
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La Figura 3.21 amplía, con detalles, las estructuras de datos utilizada en OTN (Rec .G.709 2009 y 2012) tal que se implementen los niveles de multiplexación de la Figura 3.20.
Figura 3.20: Esquemas de Multiplexación Posibles en ODUk-LO y ODUk-HO y Señales Cliente. La Figura 3.21 presenta el empleo de OPU/ODU de Orden Bajo (LO) y de Orden Alto (HO) para transportar señales cliente directas, desde OPU/ODU LO hacia tramas OTUk y Canales Ópticos OCh sin restricciones. También se muestra como una trama ODUk LO es multiplexada como señal cliente de OPU/ODU HO, utilizando intercalado de bytes de cada componente ODUk LO en el área de carga de una OPUk OH, su inserción en una ODUk HO y, finalmente, la conformación de una trama de línea OTUk. Una de las prestaciones más significativas es la transmisión en paralelo mediante el uso de OTLk.n (Optical Transport Lane k.n), donde n es el número de longitudes de onda n que OTN procesa en paralelo sobre OChr (canales ópticos con capacidades restringidas, sin procesamiento 3R ni funcionalidades de la sección OMS). Con esta prestación OTN puede transportar señales Ethernet 40GbE y 100GbE por transmisión en paralelo de señales de 10Gbps y 25 Gbps, componiendo carriles 4 x 10G, 4 x 25G ó 10 x 10 G. Esta prestación puede ser utilizada por cualquier otra señal que requiera de las velocidades de línea de OTU3 y OTU4. La interfaz más completa es OTM-n.m, que contiene capas OTS, OMS y un conjunto de OCh que transportan ODU HO ó LO. La letra n indica el número de OCh y la letra m codifica las velocidades de línea soportadas. Por ejemplo, la interfaz OTM-32.12 representa 32 canales ópticos que acarrean señales OTU1 y OTU2. Para la funcionalidad completa en OTN, la interfaz OTM-n.m transporta un canal adicional OSC, el cual lleva el OH de las secciones OCh, OMS y OTS, para propósitos de OAM a nivel óptico y soporta un canal DCC para gestión. Es importante resaltar que la ITU-T no estandariza las longitudes de onda ópticas, velocidades ó estructuras de los headers de la sección óptica, por lo que estos son de carácter propietario. La interfaz OTM-nr.m es más simple que la interfaz con funcionalidad completa, y no utiliza el canal OSC pues no se utilizan encabezamientos en las secciones OChr, y se fusionan las prestaciones OMS y OTS en un OPS. Se utiliza la denominación de funcionalidad reducida, pues no se incluyen elementos para OAM óptico, pero no se restringe la capacidad de transporte de señales ODU. Las interfaces OTM-n.m y OTM-nr.m pueden transportar mezclas con diferentes velocidades por canal óptico, como ser una interfaz OTM-8.123 soporta 8 longitudes de onda con una mezcla de señales de línea de 2.5, 10 y 40 Gbps. La interfaz OTM-0.m es un caso especial de funcionalidad reducida, pues transporta señales típicas de SDH histórico, utilizando señales ópticas legacy de 1310 nm y 1550 nm.
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Figura 3.21: Estructuras de Datos en Redes OTN (Actualización 2009 y 2012).
La interfaz OTM-0.mvn es utilizada, como se mencionó, para la transmisión en carriles paralelos simultáneos, y se aplica a señales cliente como 40GBASE-LR4, 100GBASE-ER4, etc. La interfaz se basa en el mapeado de OTU en tramas denominadas OTL (Optical Transport Lane), que se aplican a canales ópticos asociados. ITU-T define una opción para utilizar cables multifibra del tipo plano (ribbon), para interconectar equipos OTN contra otros equipos en un cuarto de tecnología, para unir ambos a 40 ó 100 Gbps.
3.2.7 Concatenación Flexible ODUFlex La Rec. G.709-2009 introdujo una nueva jerarquía de mapeado y multiplexación OPU/ODUFlex, que es similar en el concepto a VCAT pero evita retardos diferenciales y compensación LCAS al restringir la señal ODUFlex dentro del mismo ODUk de Orden Alto, para permitir una única entidad transportable. El uso está limitado a las señales ODUFlex que caben en un ODUk de Orden Alto (HO ODUk). ODUFlex soporta dos modos: a) Circuito, soportando cualquier cliente CBR que puede mapearse en ODUFlex a una velocidad 239/238 x bitrate cliente y b) Paquete, soportando cualquier velocidad de clientes tipo paquete IP ó MPLS, el cual es mapeado utilizando GFP-F, aunque en la práctica se implementará con TS de 1.25 Gbps. ODUFlex es menos flexible y resistente que OTN VCat, pero más simple de implementar. Se aplica a señales con velocidades superiores a OPU1, que se mapean sincrónicamente en tramas ODUFlex mediante grupos de TS de 1.25 Gbps (Time Slots). En el modo Circuito, la tolerancia del reloj es la misma que la de la señal cliente, mientras que en el modo Paquete, la velocidad de mapeado del cliente es 239/238 veces mayor, permitiendo una tolerancia de reloj de +/- 100 ppm. El factor 239/238 proviene del campo de datos de ODUk, que tiene una capacidad de 4 x 3808 bytes, mientras que la trama ODUk tiene un tamaño de 4 x 3824 bytes, con el OH.
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Las nuevas tramas de línea OTU4 y OTU3e2 tratan a las señales ODUk (k: 0, 1, 2, 2e, 3) como versiones de ODUFlex con velocidades específicas, producto del mapeado bajo GMP de señales LO ODU en HO ODU4 y HO ODU3e2. Configurando el bitrate de las señales LO ODU y los TS en los que esta es transportada sobre HO ODU, se simplifica el proceso de mapeado GMP desde y hacia los TS de las señales HO ODU. El simple mecanismo GMP permite el redimensionamiento dinámico de las conexiones ODUFlex al transportar paquetes encapsulados mediante GFP-F (Ej.: Ethernet, IP, MPLS).
3.2.8 Encabezamiento de Tramas en OTN Encabezamiento de las OPU Las tramas Optical Payload Unit (OPU) son la interfaz entre el resto de la estructura del multiplexor OTN y las señales cliente. El OH es utilizado para tres esquemas de mapeado de señales cliente sobre el área de carga de la trama OPU. Las señales cliente de OTN deben ser encapsuladas inicialmente en tramas OPU, con procedimientos para el mapeado acorde con la naturaleza de la señal usuaria de la red OTN. Con cada método de mapeado según la tabla superior (BMP, AMP, GMP), los dos bytes del header OH de la trama OPUk se utilizan de forma diferente. Los OPUk son mapeados en sus correspondientes estructuras ODUk, que agregan las 14 columnas restantes y tres de las 4 filas de la trama, quedando la cuarta fila para el OH de la trama de línea OTUk. Al igual que en las redes SONET/SDH, existe un multiplexado de bajo nivel y otro multiplexado de alto nivel de ODUk, el cual acomoda diferentes variantes de concatenación virtual y multiplexación de bajo nivel, como ser OPU1-4v que transmite cuatro señales SONET/SDH de 2.5 Gbps en una señal de línea de 10 Gbps. La Figura 3.22 representa la estructura de la trama OPU0 que utiliza AMP para mapeo de la señal cliente. Tiene una longitud de 15240 bytes, de los cuales 8 corresponden al overhead (OH) y 15232 al área de carga ó payload, que contiene la señal cliente. La OPU se organiza en 4 filas de 3812 columnas, desde la columna 15, quedando las columnas 1 a 14 para su empleo en el OH de las ODU y OTU. El OH de la OPU administra el mapeado y la concatenación de las señales cliente y contiene información sobre el tipo de señal transportada.
Figura 3.22: Estructura de las OPUk para Mapeado con AMP (Async Mapping Procedures).
Esto se informa con el byte multitrama PSI, cuyo valor en la trama 0, ó PSI(0), codifica la señal cliente en 8 bits de PT (Payload Type). Los PSI(1) a PSI(255) llevan información de mapeado y de concatenación de OPU. Los valores de multitrama de PSI(N) están alineados con el valor N de las tramas ODU. El contador C8 de 14 bits, contiene la cantidad de bytes de cliente en la zona de carga de la OPU. El máximo de 15232 bytes (4 filas x 3808 bytes/fila) en C8, indica que no se está utilizando bytes de relleno en la trama. Las señales pueden ser mapeadas en las OPU con tres mecanismos posibles, desde la versión G.709-2009:
AMP (Asynchronous Mapping Procedure): Se utiliza en SONET/SDH, del tipo CBR (Constant Bit Rate). Las señales CBR2G5, CBR10G y CBR40G se mapean en los OPU1, OPU2 y OPU3 respectivamente. El mapeado de señales CBR SONET/SDH en OPUk (K: 1, 2, 3) es implementable si la diferencia entre los relojes para los OPUk y las señales CBR es de ±65 ppm. Como el reloj OPUk tiene tolerancias de
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±20 ppm, las señales cliente tienen una tolerancia de ±45 ppm en bitrate. Si se exceden estos límites, no existen suficientes bytes de justificación y el mapeado fallará. AMP emplea dos bits en JC(1) y JC2, que están triplicados para operar con decisión mayoritaria para justificaciones negativas con NJO1 y NJO2 y justificaciones positivas con PJO1/PJO2/PJO3 (del campo de datos), como se presentan en la siguiente figura., La codificación de JC1 y JC2 se crea al mapear la señal cliente en el OPUk y su uso depende de la velocidad de OTN. El peor caso de justificación negativa emplea NJO2 y NJ01 como bytes de datos, y el peor caso de justificación positiva utiliza PJO1/PJO2/PJO3 como bytes de relleno. En sincronismo normal entre los relojes de OPUk y señal cliente, JC1 y JC2 son nulos.
BMP (Byte Synch Mapping Procedure): Se aplican los mismos conceptos para señales CBR que en el caso de mapeado AMP. BMP es aplicable también a señales 10GbE y Fiber Channel FC-1200 para el caso de tramas OPU2e, y para señales CBR arbitrarias en la trama OPUFlex. Como BMP tiene mayor exigencia de sincronismo, solo se utiliza el byte de justificación negativa NJO(1), y los bytes JC(1) son nulos. Todos los byte PJ, de justificación positiva, forman parte del campo de datos en BMP.
GMP (Generic Mapping Procedure): Desarrollado para proveer mayor capacidad de adaptación de las velocidades de señales cliente en tramas OTN que los procedimientos AMP y BMP. Los bytes de datos y de relleno (stuffing) se distribuyen en forma uniforme sobre la trama, la cual tiene pocas exigencias de justificación de sincronismo, como puede apreciarse en la estructura del OPU0 bajo GMP de la siguiente figura. GMP fue incorporada en modificación 2009 de la Rec. ITU-T G.709.
Cuando el OPU se emplea en el modo Concatenación Virtual, el byte Payload Structure Identifier PSI(0), cuyo contenido PT (Payload Type) identifica la carga de la OPU adopta el valor 06, mientras que el campo vcPT es utilizado para identificar el tipo de carga transportada bajo VCat. El byte PT también especifica una estructura de multiplex de ODU, que habilita la multiplexación en tributarias de Orden Alto (HO ODU). Algunos ejemplos de PT (Payload Type) de las OPUk, codificados en el campo PSI(0) son:
02: Mapeado ABM 03: Mapeado CBR 05: Mapeado GFP 07: Mapeado 1000Base-X en OPU0; 40Gbase-R en OPU3 y 100Gbase-R en OPU4 0A: Mapeado STM-1 en ODU0 0B: Mapeado STM-4 en ODU0
La Figura 3.22 resume el uso de los bytes de OH para el mapeado de clientes en las OPU bajo AMP ó BMP. La versión 2009 de G.709 introduce el mapeado GMP (Generic Mapping Procedure), con más adaptabilidad a las diferencias de velocidades que los mecanismos AMP ó BMP, del año 2003. La Figura 3.23 representa un OH de un OPUk bajo mapeado GMP, que utiliza el algoritmo Sigma/Delta para distribuir simétricamente los bytes de relleno ó de datos en el campo de datos de OPUk, el cual opera como server de la señal cliente.
Figura 3.23: Estructura de OPU0 para Mapeado utilizando GMP (Generic Mapping Procedure).
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La trama server se divide en una cierta cantidad de palabras de carga, tal que cada una puede tener datos del cliente ó ser relleno. Las palabras con datos se distribuyen uniformemente en la trama server, con el algoritmo de distribución Sigma/Delta. A mayor velocidad, mayor es el tamaño de la palabra de carga pero, si se utilizan palabras de gran longitud (Ej.: más de 100 bytes), se puede generar jitter excesivo en el desmapeado de los datos. Los procesos para el mapeado conocen la cantidad de palabras GMP de datos que existen en la trama. Para servers OPUk de mayor orden, la granularidad de mapeado es 8 bits por cada TS de 1.25Gbps del server. El contador C1D se utiliza solo para información de temporización de 1 bit si se necesita mayor granularidad. La longitud fija Pserver es conocida de antemano, así como conocida la posición de la carga siendo evaluada. Se aplica una fórmula basada en el total de palabras de datos cliente, la posición actual de la carga en la OPUk y el total de palabras de carga, sean de datos ó de relleno. Por ejemplo, STM-4 es mapeado en OPU0 con una longitud de palabra de 8 bits, por lo que C8 es un contador de bytes para la siguiente trama a la actual. Así, la granularidad requerida para el remanente es de 1 bit, por lo que el contador de remanentes en JC4/5/6 es un contador de bits en el rango de 0 a 7. El algoritmo Sigma/Delta se basa en el criterio que el contenido de la posición de una palabra de carga es:
Datos: Si (posición carga X cuenta de bytes de datos) [Mod Pserver] < Cuenta de palabras de datos.
Relleno: Si (posición carga X cuenta de bytes de datos) [Mod Pserver] >= Cuenta de palabras de datos.
Donde Pserver es la cantidad total de posiciones de palabras disponibles en la trama server, y la posición de la carga varía entre 1 y Pserver. Como la cantidad de palabras de datos varía de trama en trama, el contador C8 de 14 bits, en el OH de OPUk, totaliza esta cantidad, pero para la trama siguiente a la actual. El contador está protegido por un campo CRC-8 en el mismo OH (byte JC3). Encabezamientos de las OTUk y ODUk La Figura 3.24 presenta el encabezamiento general de una trama OTN, y su división en headers (OH) para la gestión de diferentes procesos de mapeado, sincronismo y multiplexación.
Figura 3.24: Encabezamientos General de una Trama OTN y Headers (OH). Los grandes campos son:
FAS (Frame Alignment Signal): Son los primeros 7 bytes de la trama OTU, ubicados desde la columna 1 a la 7 de la fila 1 de la trama OTUk. La sección, no aleatorizada, se compone del campo FAS para el sincronismo de inicio de trama OTU, con seis bytes constantes (0xF6F6F6282828). El campo MFAS se
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utiliza como señal de alineamiento multitrama, se incrementa cíclicamente con cada trama, y sirve para el armado de información transportada en una cantidad fija de tramas OTU. El resto de la trama OTU está aleatorizada, para garantizar transiciones para la recuperación del reloj de trama y evitar la aparición de un patrón falso de bytes FAS en el campo de datos.
OH OTUk: Es el encabezamiento de la trama OTUk, y ocupa las columnas 8 a 14 de la primera fila de la OTU (Optical Transport Unit). Los campos SM (Section Monitoring) y JC contienen información de monitoreo TCM/PM/SM según el ODU transportado, identificación del camino y soporte a funciones de supervisión del transporte de ODU en los caminos ópticos.
OH ODUk: Es el encabezamiento del contenedor ó trama ODUk, y ocupa las columnas 1 a 14 de las filas 2, 3 y 4 de la trama OTU. Contiene 6 campos de monitoreo de secciones tandem (TCM), campos para la gestión de sistemas de protección de caminos ópticos y para la supervisión extremo-extremo de caminos en la red OTN.
OH OPUk: Es el encabezamiento del contenedor ó trama OPUk y ocupa las columnas 15 y 16 de las 4 filas de la trama OTU. Contiene diversos campos que identifican a la señal cliente encapsulada, y datos para el ajuste del mapeado de la señal cliente (justificación entre relojes OPU y cliente) e incluye bytes para agregado de datos ó de indicación de justificación positiva, con relleno dentro del campo de carga, para el ajuste de velocidades entre las señales cliente y la trama OPUk.
El encabezado OPUk ha sido tratado en forma separada, y la siguiente figura presenta detalles del resto de los campos del encabezamiento general de trama OTN, que tiene un tamaño fijo de 4 filas x 16 columnas de bytes. El OH OTUk tiene prestaciones similares a SONET/SDH, como el octeto multitrama TTI (Trail Trace Identifier) que permite definir puntos de acceso SAPI y destino DAPI (Source/Destination Access Point Identifier) en una multitrama 256. También contiene un octeto BIP-8 (Bit Interleaved Parity-8) utilizado como control de paridad par para toda la trama OTUk, y un octeto con múltiples campos binarios para señalización de fallas y alarmas. El octeto GCC0 (General Communications Channel 0) del OH OTUk puede utilizarse, como en SONET/SDH, para comunicar a los operadores entre puntos de servicio con tráfico de texto, para funciones de gestión de red adicionales ó para señalización del plano de control de protocolos como G-MPLS, pero su función no está definida aún. El octeto final del OH OTUk está reservado para usos futuros. El header ODUk es el más largo de todos (3 x 14 bytes), particularmente por los campos TCM N (3 x 6 bytes), los cuales permiten definir un camino óptico utilizando hasta seis segmentos diferentes de red multioperador. Cada campo TCM contiene prestaciones similares a las del campo SM (Segment Monitoring) del OH OTUk, con un campo TTI, BIP-8 y facilidades de alarmas definidas por cada operador involucrado en el servicio de tandem de caminos ópticos entre múltiples redes OTN. Sus aplicaciones se definen con el octeto TCM ACT. El campo PM de ODUk (Path Monitoring) tiene una estructura similar a la del campo SM de OTUk y TCM, con los tres bytes asignados a procesos de gestión del segmento específico, conteniendo TTI, BIP-8 y alarmas. El campo EXP (Experimental) no está normalizado y puede ser utilizado en forma propietaria, mientras que los campos GCC1 y GCC2 son de la misma clase que GCC0, aunque aplicables a nivel de multiplex ODUk. El campo FTFL (Fault Type and Fault Location) es una estructura multitrama-256 para el monitoreo de fallas a nivel del camino óptico, la cual es de uso bidireccional, y puede indicar ausencia de fallas (0), fallas (1) ó valor degradado de señales (2). Estas alarmas tienen asociado el ID del operador, y pueden ser utilizadas para la activación de alarmas en la siguiente sección de multiplex ODU. El valor 2, que indica una degradación de la señal, puede ser utilizado para activar mecanismos de protección. El campo APS/PCC (Automatic Protection Switching/Protection Communication Channel) soporta diferentes mecanismos de protección como en SONET/SDH (lineal, anillo), con el protocolo para protección lineal según la Rec. ITU-T G.873. El modo APS puede utilizarse según definiciones por diversos niveles de monitoreo, tal como un camino ODU PM, un camino tandem TCMN ó por acción de una subred de conexión SNC/I (Sub Net Connection / Inherent Protection) utilizada para proteger un segmento del camino óptico global. El nivel de APS que se ejecutará está derivado de los tres bits LSB del campo MFAS.
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3.2.9 Tandem Connection Monitoring (TCM) TCM es un mecanismo que permite que tanto el usuario final como los operadores de redes OTN monitoreen la calidad de las tramas transportadas hasta en seis niveles diferentes de segmentos de red, en contraste con un único segmento monitoreable en redes SONET/SDH. Como en SDH, el provisionamiento del segmento que va a ser supervisado es implementado a través de un sistema de gestión NMS que, por ejemplo, permite asignar un nombre arbitrario al segmento, con un carácter por trama en una multitrama ODU, cuyo OH contiene seis campos TCM diferentes. El provisionamiento se realiza manualmente, en común acuerdo entre los operadores involucrados en las operaciones tandem, para sincronizar la identificación de cada asignación. Las facilidades Tandem Connection Monitoring definen una capa de procedimientos TCM, que es utilizada para proveer verificación de la conectividad, monitoreo del camino (PM) y actuadores para procesos de protección ó de restauración de caminos dentro de cada subred ó extremo a extremo. Las topologías de caminos en tandem pueden basarse en cascadas, anidamiento ó solapamiento de segmentos. Un ejemplo típico de uso de TCM es cuando un operador de red OTN A utiliza los servicios de un operador de red OTN B para construir un camino con tres segmentos de red entre los puntos de interconexión. Como los campos TCM N no se asignan en forma dinámica ó automática, los operadores deben acordar como se utilizan los seis campos TCM del ODUk. Cada campo TCMN del ODUk se asigna a una conexión a ser monitoreada. Según la complejidad del camino extremo-extremo, se pueden utilizar todos los campos TCMN ó ninguno de ellos. Los niveles TCMN pueden ser monitoreados por las diferentes partes, para verificación de acuerdos de SLA contratados.
Figura 3.25: TCM y Conexión Tandem entre Sitios 1 y 2. Como se lista en la sección de alarmas y fallas TCM, se monitorean los errores BEI y BIP-8 por cada TCMN, y pueden utilizarse señales de mantenimiento para señalizar condiciones de errores hacia el uplink del camino. La señalización de errores, listada más adelante, permite que los operadores y usuarios finales dispongan de herramientas para identificar y aislar secciones de las redes con fallas ó degradaciones de calidad. La Figura 3.25 muestra una conexión tandem entre los Sitios 1 y 2, utilizando segmentos de las redes A y B. El segmento TCM1 representa la conexión ODUk extremo-extremo, monitoreado por el Operador A, y TCM2 es la conexión ODUk a través de la red B, la cual es monitoreada por el Operador B. En el ejemplo se muestra la activación de la protección del segmento 2, con un esquema en anillo, por alguna falla en el camino original en la red B, representado con línea de puntos. Cuando se solucione la falla, se vuelve al camino original (activo). La actividad de restauración en la red B se basa en los NE ubicados en los extremos de la misma, que deciden la conmutación al camino de protección, por una falla en el camino activo. Los NE en los accesos de los Sitios 1 y 2 reciben señalización de la falla en el segmento 2, para evitar la activación de protecciones innecesarias en A, utilizando temporizadores para permitir que las protecciones anidadas funcionen correctamente. Los segmentos TCM1 y TCM2 son monitoreados simultáneamente por los Operadores de Red y el usuario final.
3.2.10 Señalización de Eventos y Acciones OyM en Encabezamientos de OTU y ODU La gestión de fallas y monitoreo de alarmas en las redes OTN está detallada en la Rec. ITU-T G.798, que se denomina Características de los Bloques Funcionales en la Jerarquía de Equipamientos de las OTN, cuya última revisión fue publicada en Febrero del año 2012.
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Los eventos de red, que son anomalías de algún tipo respecto de una condición normal de funcionamiento, deben ser registrados y administrados por un sistema de gestión OTN-NMS de alto nivel, con la capacidad de categorizar cada uno de los posibles eventos en Alertas, Alarmas Leves y Alarmas Graves, como mínimo. Es usual que la categorización de los eventos sea pregrabada desde fábrica, y que luego cada operador de red modifique las asignaciones y actuaciones sobre los eventos, e incluya filtros para eventos recurrentes. Como puede apreciarse en la figura superior, la señalización de fallas y alarmas utiliza una estructura común en el 3er. byte del header OTUk (SM) y en sus equivalentes en los campos PM y TCMN del OH ODUk. La falla de transmisión por deslizamiento de trama IAE (Incoming Alignment Error) se registra en el 3er. byte del campo SM de OTUk ó utilizando el valor 0x010 en el subcampo STAT del 3er. byte del campo PM ó TCMN del header ODUk, cuando es detectado en el downstream. Esta condición se informa en el sentido upstream sobre el subcampo BEI/BIAE de los campos SM ó TCMN, con un valor 0x1011. A continuación se resumen las señalizaciones de eventos y alarmas en los niveles OTU, PM ODU y TCM ODU. Errores de Sincronismo e Identificación a Nivel Trama y Multitrama
OOF (Out of Frame): Bytes FAS 3, 4 y 5 con errores por 5 ó más tramas seguidas.
OOM (Out of Multiframe): Si la secuencia MFAS tiene errores por 5 ó más tramas seguidas.
LOF (Loss of Frame): Si OOF persiste por 3 ó más mseg.
LOM (Loss of Multiframe): Si OOM persiste por 3 ó más mseg.
TIM (Trace Identifier Mismatch): Esta alarma es activada cuando el SAPI ó DAPI recibido en el TTI no se corresponden con los valores esperados, pregrabados por el operador de la red OTN.
Errores en Campo SM (Section Monitoring) de las OTUk
SM-BIP-8 (SM Bit Interleaved Parity): Errores en la trama OTUk, computada integralmente. Cada BIP-8 puede detectar un máximo de 8 bits por cada 15.240 bytes. El campo BEI es utilizado para el reporte hacia atrás, en el uplink, del número de tramas BIP-8 con errores. Los valores de paridad se computan antes del campo FEC, y se aplican en la dirección de transmisión, luego del cálculo, en el campo BIP-8 de la segunda trama luego del cálculo. Se utiliza de igual manera en ODU y TCM.
SM-BEI (SM Backward Error Indication): Degradación en el uplink del camino, señalizado en el SM (byte 3, bits 1 a 4). Los valores 0 a 8 representan la cuenta de errores BIP; el valor 11 es un indicador de que el BIAE está activo, y los valores 9 a 15 indican cero errores BIP acumulados.
OTU-AIS (OTU Alarm Indication Signal): Una secuencia PN-11, que cubre el canal OCh completo. Es una señal pseudoaleatoria de 2047 combinaciones. Es enviada en respuesta a una pérdida de señal.
SM-BDI (SM Backward Defect Indication): Degradación de señal en el uplink, señalizado en el SM (byte 3, bit 5), considerada como alarma para errores en 5 ó más tramas consecutivas. Es utilizada como respuesta a señales de continuidad, conectividad y mantenimiento.
SM-IAE (SM Incoming Alignment Error): Error de alineamiento en el downlink, señalizado en el SM (byte 3, bit 6), para errores en 5 ó más tramas consecutivas.
SM-BIAE (SM Backward Incoming Alignment Error): Error de alineamiento en el uplink, señalizado en el SM (byte 3, bits 1 a 4 = 0x1011), para errores en 3 ó más tramas consecutivas.
Errores en Campo SM (Section Monitoring) de las ODUk
PM-BIP-8 (PM Bit Interleaved Parity): Errores en la trama ODUk, computada integralmente. Cada BIP-8 puede detectar un máximo de 8 bits por cada 15.240 bytes. El campo BEI es utilizado para el reporte hacia atrás, en el uplink, del número de tramas BIP-8 con errores.
PM-BEI (PM Backward Error Indication): Degradación en el uplink del camino, señalizado en el PM (byte 3, bits 1 a 4). Los valores 0 a 8 representan la cuenta de errores BIP y los valores 9 a 15 indican cero errores BIP acumulados.
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ODU-AIS (ODU Alarm Indication Signal): Error por tres ó más tramas u ODU, excepto FTFL con todos 1 en el campo. Señalizado en el PM (byte 3, bits 6 a 8 = 0x111). Corresponde a una señal de mantenimiento OyM.
PM-BDI (PM Backward Defect Indication): Indicación de señal defectuosa en el uplink, señalizado en el PM (byte 3, bit 5 = 1), y considerada como alarma para errores en 5 ó más tramas consecutivas. Es utilizada como respuesta a señales de continuidad, conectividad y mantenimiento.
ODU-OCI (ODU Open Connection Indication): Señalizado en el PM (byte 3, bits 6 a 8 = 0x110) durante tres ó más tramas y ODU rellenado con 0x01100110. Es utilizado como señal de mantenimiento OyM.
ODU-LCK (ODU Locked Defect): Señalizado en el PM (byte 3, bits 6 a 8 = 0x110) durante tres ó más tramas y ODU rellenado con 0x01100110. Corresponde a una señal de mantenimiento OyM.
Errores en Campos TCMN (Tandem Connection Monitoring) de las ODUk
TCMN-BIP-8 (TCMN Bit Interleaved Parity): Errores en la trama ODUk, computada integralmente. Cada BIP-8 puede detectar un máximo de 8 bits por cada 15.240 bytes. El campo BEI es utilizado para el reporte hacia atrás, en el uplink, del número de tramas BIP-8 con errores.
TCMN -BEI (TCMN Backward Error Indication): Degradación en el uplink del camino, señalizado en el byte 3 de TCMN, bits 1 a 4. Los valores 0 a 8 representan la cuenta de errores BIP y los valores 9 a 15 indican cero errores BIP acumulados. El valor 11 indica BIAE activo.
TCMN -BDI (TCMN Backward Defect Indication): Indicación de señal defectuoda en el uplink, señalizado en el TCMN (byte 3, bit 5 = 1), considerada como alarma para errores en 5 ó más tramas consecutivas. Es utilizada como respuesta a señales de continuidad, conectividad y mantenimiento.
TCMN -BEI (TCMN Backward Error Indication): Degradación en el uplink del camino, señalizado en el TCMN (byte 3, bits 1 a 4 con valor 0x1011), por tres ó más tramas.
3.2.11 Capacidades de Equipos OTN actuales Las diferentes tecnologías utilizadas en los NE para redes OTN por diversos fabricantes se utilizan, por sus funciones y costos, en equipos diferenciados para el backbone WAN de OTN, backbone MAN de OTN, para la capa de agregación en redes MAN y para la capa de acceso en redes MAN. Es usual que, por el avance en integración en microelectrónica y óptica, los equipos sean del tipo multiservicio y que integren otras funcionalidades complementarias a OTN, como ser LAN switching, encriptado de señales y otras facilidades. Generalmente tienen una estructura modular, con diseños alrededor de un sub-bastidor y con módulos enchufables para proveer servicios específicos. Las prestaciones que proveen los equipos OTN multiservicio varían desde básicas hasta complejas, como ser:
Amplificador OTN: Estos dispositivos, que operan como amplificadores de línea ópticos, pueden ser del tipo R ó 2R, siempre en el dominio óptico y tener un diseño modular ó del tipo standalone. Aun cuando sea un reamplificador de señal óptica (R), implementa algún tipo de ecualización óptica para reducir la acumulación de dispersión óptica, que aumenta el tamaño del pulso y con ello la ISI (Inter Symbol Interference). No operan con el dominio eléctrico de las señales.
Repetidor OTN: Es un NE óptico y eléctrico, utilizado en sistemas de comunicaciones basados en FO, que tiene la capacidad de regenerar una señal óptica en tres niveles (OEO). Un repetidor OTN regenera la señal OTN mediante su conversión a una señal eléctrica para procesamiento de errores según el FEC, resincroniza la temporización eléctrica (Retiming) y luego transforma la señal al dominio óptico, con una nueva retemporización (Retiming), amplificación (Reamplificación) y moldeado final del pulso óptico de salida (Reshaping). Esta clase de repetidores OTN ó regeneradores pueden ser del tipo R (Reamplification), 2R (Reamplification, Reshaping) y 3R (Reamplification, Retiming, Reshaping). El tipo 3R realiza una conversión OEO, para procesar la señal en el dominio eléctrico.
OTM Muxponder: Es un Elemento de Red (NE) modular para redes de FO como OTN, que transmite y recibe señales ópticas tal como un transponder, con la capacidad de multiplexar diferentes interfaces de señales cliente en la interfaz de línea, sobre una longitud de onda asignada (OE-EO).
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OTN ROADM: Un OTN ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) es un multiplexor con la capacidad de conmutar tráfico a nivel de longitudes de onda en un sistema WDM (típico DWDM), mediante una gestión remota. Permiten conmutar tráfico entre varias de un sistema directamente, con servicios add/drop (SDM), sin la necesidad transformaciones ópticas-eléctricas-ópticas (OEO). Por la naturaleza multiservicio, contienen fábricas de conmutación de alta capacidad (Tbps), para manejar los diferentes requerimientos de conmutación y multiplexación.
Los subsistemas y sistemas mencionados pueden estar integrados con otro tipo de NE para ofrecer nodos tipo multiservicio en un único sub-bastidor. Una ventaja de la modularidad en nodos multiservicio es que pueden crecer y modificarse a partir de uno ó dos módulos iniciales, para servicio básico, hasta la máxima capacidad que generalmente requiere múltiples módulos en el acceso de redes MAN para soportar una alta densidad de interfaces clientes en áreas de alto tráfico sobre la red OTN. Un ejemplo de las capacidades disponibles en módulos para equipos OTN ROADM de acceso ó agregación es la siguiente lista de interfaces de servicio de un NE de uno de los mayores fabricantes del mercado. Provee, en diferentes módulos del nodo multiservicio OTN:
Interfaces SONET, desde OC-3 hasta OC-768
Interfaces SDH, desde STM-1 hasta STM-256.
Multiplexación interna OC-3/STM-1, OC-12/STM-4 y OC-48/STM-16.
Interfaces Ethernet: 100Mbps FE, 1GbE, 10GbE LAN y WAN, 40GbE y 100GbE. Incorpora un switch LAN (L2), con soporte IEEE 802.1ad Q-in-Q para Metro Ethernet, servicios E-LINE con QoS del MEF.
Soporta multiplexación de datos de hasta 12 señales 1GbE.
Soporte de señales SAN (Storage Area Network) FC-100 (1G FC), FC-200 (2G FC), FC-400 (4G FC), FC-800 (8G FC), FC-1200 (10G FC) y FICON.
Soporta diversas combinaciones de módulos de línea, como ser:
Módulo con interfaz óptica de 40 Gbps, con multiplexación de 4 x 10Gbps (no coherente), y señal de línea con modulación NRZ-DPSK (Non Return to Zero - Differential Phase Shift Keying) y espaciado de canales ópticos de 100 Ghz. En el lado cliente, el módulo soporta señales de 10Gbps: 10 x 1GbE, OC192, STM-64 u OTU2.
Módulo con interfaz óptica de 40 Gbps, con multiplexación de 4 x 10Gbps (no coherente), y señal de línea con modulación P-DPSK (Partial - Differential Phase Shift Keying) y espaciado de canales de 50 Ghz. En el lado cliente, el módulo soporta señales de 40 Gbps como: OC-768, STM-256, OTU3.
Módulo con interfaz óptica de 40 Gbps, con multiplexación de 4 x 10Gbps (coherente), y señal de línea con modulación PDM-DPSK (Partial - Differential Phase Shift Keying) y espaciado de canales de 50 Ghz (Banda C). En el lado cliente, el módulo soporta cuatro señales de 10 Gbps como: OC-192, STM64, OTU2 y 10GbE LAN y WAN.
Módulo con interfaz óptica de 100 Gbps, con multiplexación de 10 x 10Gbps (coherente), y señal de línea con modulación PDM-DPSK (Partial - Differential Phase Shift Keying) y espaciado de canales de 50 Ghz (Banda C). En el lado cliente, el módulo soporta diez señales de 10 Gbps como: OC-192, STM-64, OTU2 y 10GbE LAN y WAN.
Variante del módulo de 100 Gbps, para soportar 100GbE en el lado cliente.
El ROADM OTN provee numerosas otras funcionalidades de los NE básicos de OTN, y acepta la conexión directa, sin el uso de transponders, de señales externas basadas en la grilla ITU-T de longitudes de onda.
3. Transmisión Optica: WDM y Redes OTN
179
3.3
Conclusiones
El desarrollo de las tecnologías WDM, en particular DWDM, ha tenido un impacto enorme en el potenciamiento de las instalaciones terrestres y submarinas de cables de FO con SONET/SDH, desde 1998, al facilitar la ampliación de las capacidades de los enlaces en módulos de 2.5 Gbps y luego en módulos de 10 Gbps. Esto ha permitido satisfacer ampliamente las necesidades para el creciente tráfico de telefonía y datos de redes públicas y privadas a nivel nacional e internacional, utiizando tecnologías maduras para STM-16 y STM-64, sin ser necesario el uso de sistemas sincrónicos STM-256 a 40 Gbps u otros, en la mayoría de los casos. La disponibilidad de incrementos de capacidad en módulos 2.5 y 10 Gbps, sobre las facilidades instaladas, cada vez que fuera necesario durante un largo período de vida útil, ha permitido disminuir el OPEX requerido para el desarrollo de backbones nacionales e internacionales con el único requerimiento inicial de la selección adecuada de sistemas ópticos y cables de FO capaces de soportar el crecimiento durante décadas. El paralelismo utilizado en DWDM, con diferentes soluciones de grillas ópticas para N longitudes de onda por cable de FO, permite el control por parte de los operadores de redes sobre el tipo de cables de FO a utilizar en el despliegue de redes nacionales e internacionales, que concentra la mayor parte de las inversiones. Luego, se aprovecha incrementalmente las capacidades de transmisión proveyendo, M x (N x 10 Gbps), donde N es el número de longitudes de onda ópticas por cable de FO y M la cantidad de cables en un sentido de la transmisión. El uso extensivo, durante la última década, de módulos STM-64 a 10 Gbps ha sido aprovechado para proveer 160 Gbps (N = 16) por cable de FO en la mayoría de las redes del Hemisferio Norte y redes internacionales. Utilizando grillas ópticas más densas (N = 64), se obtienen 640 Gbps por cada par de FO. Algunas carencias de las tecnologías DWDM en términos de gestión integrada electro-óptica con SONET/SDH, la dificultad de escalar a jerarquías superiores a STM-256 (40 Gbps) más la incompatibilidad con el incremento de velocidad en Ethernet, que crece 10X por generación, ha llevado a proponer una arquitectura integrada OTN como la siguiente generación de SDH+DWDM, con disponibilidad de tecnologías para transportar 100 Gbps y, en un futuro cercano, a 400 Gbps. La arquitectura OTN, utilizable tambien en redes MAN, no ha tenido gran aceptación sino hasta recientemente. Factores clave como la modulación directa sincrónica a 10, 25 y 40 Gbps permiten obtener altas velocidades utilizando un número menor de longitudes de onda por sentido, disminuyendo los sistemas de transmisión eléctricos utilizados frente a SDH+DWDM. Adicionalmente, las redes OTN proveen capacidades extendidas de gestión y multiplexación en el dominio óptico, permitiendo multiplexores ADM que insertan y extraen longitudes de onda ópticas sin la necesidad de la conversión electro-óptica para el procesamiento en el dominio eléctrico. Otro factor relevante es la capacidad de las redes OTN para transportar diferentes tecnologías de transmisión, como SDH, Ethernet, FC y otras en un modo transparente, lo que provee grandes ventajas sobre la generación previa, basada en SDH. En cualquier caso, las redes OTN son propuestas como el futuro reemplazo de la infraestructura DWDM/SDH instalada y su enorme potencial para transmisiones a velocidades de 100 Gbps y superiores todavía no encuentra aplicaciones tácticas que superen los costos y performance de DWDM/SDH en el corto plazo. Sin embargo, en el planeamiento estratégico para las redes de la próxima década, el reemplazo de los backbones DWDM/SDH por redes OTN a 40 y 100 Gbps está en el tablero de diseño de grandes operadores y carriers internacionales, dado que pueden proveer grandes capacidades de transmisión a menores costos y complejidades que los sistemas actualmente instalados. El uso de OTN a nivel MAN y WAN depende del factor de crecimiento de tráfico de voz, datos y video y que las capacidades disponibles en las redes actuales lleguen a un límite de utilización.
3. Transmisión Optica: WDM y Redes OTN
180
4 Ethernet. Interfaces, Switching, VLAN y Redes Metro Ethernet
4.1
Tecnologías LAN Ethernet / 802.3
En el inicio del procesamiento distribuido (años '70), operar a varios Mbps en una red de área local (LAN) para la interconexión de equipos heterogéneos era un desafío conceptual y tecnológico, con campos de aplicación en redes de minicomputadoras, estaciones gráficas, automatización de oficinas y robotización de la fábrica. Los enfoques para el desarrollo de redes LAN variaban entre multiplexar un canal común de alta velocidad con diferentes algoritmos (CSMA, Tokens) ó nodos conmutadores de paquetes en topologías malla, estrella, etc. La aparición y el creciente uso de las PC y periféricos interconectados, ó la proliferación de equipos y máquinas interconectados en red dentro de una fábrica, las redes IP y la Internet actual no fueron previstos inicialmente. La invención de Ethernet por Xerox, a mediados de los '70, originó un standart con accesos de 10 Mbps HD sobre un coaxil común a todas las estaciones de un segmento LAN, con expansiones basadas en repetidores, hubs pasivos y puentes L2 entre segmentos (bridges). El desarrollo de Ethernet Full Duplex a 10 Mbps, y luego a 100 Mbps, sobre pares trenzados de cobre, llevó al desarrollo de switches LAN en los años '90, lo que introdujo una extraordinaria flexibilidad en el diseño de redes LAN. El progreso en la conmutación L2, nuevas velocidades de 1Gbps y la popularidad de Ethernet en las empresas, llevó al desarrollo de redes Metro Ethernet como solución para conectividad MAN, a fines de los años '90. Los desarrollos de capacidades e interfaces Ethernet ampliaron su campo de aplicación al uso interno en equipos, como buses normalizados de placas madre en racks de 19", interfaces standares para nodos de comunicaciones y múltiples equipos electrónicos, de consumo masivo ó industriales. Además de sus usos en redes LAN y en ports de routers y otros equipos de conmunicaciones, el standart Ethernet se aplica en la interconexión de equipos en datacenters, compitendo con buses especializados (iSCSI, Fibre Channels, etc.), y en interconexiones entre equipos en estudios de audio y video, etc. Desde su adopción en 1985 como standart LAN IEEE 802.3, Ethernet ha sido la tecnología LAN favorita en el mercado de redes locales. El standart IEEE fue precedido por la publicación, en 1982, de la norma Ethernet 2.0 por el consorcio DIX (Digital, Intel, Xerox), que creó un standart LAN de facto en el mercado. Su éxito se mide dos décadas después, con más de 800 millones de ports Ethernet activos en el 2003, casi el 90% del mercado LAN. La flexibilidad, escalabilidad, bajos costos de instalación y operación y la capacidad evolutiva de Ethernet superó a Token Ring, FDDI y LAN ATM, que no pudieron igualar sus prestaciones y sencillez. La Figura 4.1 resume tres décadas de evolución en las tecnologías Ethernet.
4. Ethernet. Interfaces, Switching, VLAN y Redes Metro Ethernet
181
Figura 4.1: Evolución de las Tecnologías Ethernet (802.3). Aunque Ethernet es el nombre popular, el IEEE publica los standares bajo la serie IEEE 802.3, que cubren los requerimientos de los niveles Físico y de Enlace en redes fijas, con prestaciones como ports autoconfigurables en hosts, bridges y switches, redes LAN virtuales (VLAN), gran afinidad con IP y múltiples interfaces ópticas y eléctricas, conectando equipos a menos de 1 m ó más de 70 Km, a velocidades entre 10 Mbps y 100 Gbps. Su empleo en ports de usuario de modems de banda ancha integrados a redes LAN corporativas ó del hogar, más el uso de switches Ethernet, routers IP y MPLS ha creado una infraestructura de conectividad normalizada. Es posible unir múltiples redes LAN, con gestión local, mediante servicios de conectividad transparente a nivel Red provistos por nuevas clases de operadores. Estos son fácilmente escalables por mayor volumen de tráfico y nuevas prestaciones a usuarios, sin grandes costos operacionales ó nuevas curvas de aprendizaje. En tres décadas, Ethernet ha incrementado 5 órdenes de magnitud la velocidad de una interfaz en un nodo, a partir de los 10 Mbps half duplex de 1982, hasta los 100 Gbps full duplex disponibles actualmente. Un punto de inflexión en el éxito del standart fue la introducción de Fast Ethernet full duplex (10/100 Mbps autonegociables) en 1997, lo cual consolidó el uso de Ethernet en el diseño de redes y switches desde entonces. Hacia el 2012, si bien las computadoras personales de media y alta performance tienen incorporadas interfaces 10/100/1000 Mbps, el éxito de FE no se ha repetido, pues Fast Ethernet aún brinda velocidades satisfactorias para los usuarios y los contextos de conectividad de uso masivo. Las interfaces Ethernet que tienen velocidades superiores a 100 Mbps se utilizan en operadores de telecomunicaciones y ámbitos especializados.
4.2
Introducción a Ethernet
Ethernet es una arquitectura LAN basada en control distribuido del acceso a un medio común que conecta a todo tipo de terminales, las cuales se comunican intercambiando paquetes de datos encapsulados en tramas. Concebida entre 1972 y 1976 por R. Metcalfe, en Xerox, tuvo influencias de redes distribuidas de conmutación de paquetes como Alohanet (1969). Xerox apoyó el desarrollo del proyecto original en los laboratorios de Palo Alto, y en 1975 publicó el trabajo de Metcalfe y Boggs, titulado Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks, que presenta a Ethernet y a la aplicación EFTP (ftp en Ethernet), derivada de Arpanet. Se utilizaba Ethernet a 2.94 Mbps, con una eficiencia CSMA del 95%, frente al 37% de AlohaNet. Para esa época, BellLabs y otros experimentaban con LAN hasta 3 Mbps, con control central y topologías estrella, árbol ó malla.
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Figura 4.2: Modelos y Procesos DIX Ethernet II. En 1979 se creó el consorcio DIX (Digital, Intel, Xerox), para desarrollar microelectrónica, sistemas y aplicaciones basadas en el standart DIX Ethernet, perfeccionado en 1982 como Ethernet 2.0. La Figura 4.2 presenta el modelo, los procesos DIX Ethernet, y los objetivos buscados y no buscados, con énfasis en su simplicidad y la compatibilidad. Ambos objetivos se han mantenido como premisa clave para su normalización por el IEEE y en las nuevas generaciones de Ethernet hasta la actualidad, tres décadas después. El modelo Ethernet es simple y estructurado y presenta una interfaz entre el Nivel 2 y el Nivel 3, basada en dos funciones a través de la interfaz L2 - L3: TransmitFrame y ReceiveFrame. El nivel cliente de la subcapa MAC (modelo IEEE 802) se abstrae de complejidades como: establecer y liberar conexiones entre estaciones, encapsular los datos en tramas, detectar errores, operar en modo half ó full duplex, el acceso al medio físico, codificaciones de línea, la topología de la red LAN, etc. El nivel Enlace de Datos de Ethernet no se involucra en la corrección de errores de recepción, el secuenciado de paquetes y otros aspectos, que quedan a cargo de protocolos de niveles superiores, como TCP. El Nivel 2 DIX Ethernet administra dos procesos estructurados: Encapsulado de Datos y Administración del Enlace, y se mantiene una interfaz serie entre el Nivel 1 y el Nivel 2. El Nivel Físico y se encarga de codificar y decodificar bits en códigos de línea (Manchester II), y administrar procesos de transmisión y recepción como el sensado del canal común, el sincronismo de línea y la interconexión física con el medio de transmisión. En Febrero de 1980, la IEEE fundó el WG 802, con el fin de generar standares para redes de área local. Bajo el WG 802, IEEE definió los niveles Físico y Enlace de Datos, con este último en dos Subcapas: LLC (Logical Link Control, IEEE 802.2), única para cualquier variante 802 alámbrica ó inalámbrica, y MAC (Media Access Control), que varía con cada modelo de red LAN ó MAN, según el Nivel Físico en el que opera. En 1985 se normalizó el modelo DIX bajo IEEE 802.3 CSMA/CD, con variantes: 10BASE-5, para coaxil grueso y segmentos de 500 metros (DIX Ethernet II), y 10BASE-2, para coaxil delgado y segmentos de 200 metros. Otras arquitecturas LAN de medio común con diferentes mecanismos de acceso fueron normalizadas, como el uso de un Token de 8 bits que circula por la red y solo habilita a la estación que lo captura para transmitir, con las variantes 802.4 (Token Bus, GM), IEEE 802.5 (Token Ring, IBM), etc., que compitieron entre sí por años. Al popularizarse las redes LAN, creció el número de estaciones por segmento y el número de segmentos LAN, lo que requirió elementos de red como hubs pasivos ó activos, puentes LAN (bridges) para unir segmentos y aislar tráfico indeseado entre segmentos y, finalmente, el desarrollo de conmutadores ó switches LAN.
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La arquitectura Ethernet capturó la mayor parte del mercado LAN hacia 1995, por una convergencia de méritos propios y factores externos como ser la explosión del mercado de PC Windows, redes y aplicaciones LAN departamentales y corporativas, Ethernet a 100 Mbps y la utilización de cableado estructurado telefónico. El standart 10BASE-T se impuso sobre el cable coaxil, por reutilizar el conocimiento en cableado estructurado del staff que administraba la telefonía en las empresas. En 1995, el standart 100BASE-T aumentó 10 veces la velocidad LAN sobre el mismo cableado Cat 5, instalado para 10 Mbps, siendo compatible con estaciones LAN 10BASE-T mediante autonegociación. Para 1997 se estandarizó el modo full duplex 10/100 Mbps en la misma red LAN y, para 1999 se publicó el standart 1000BASE-T, que reutiliza el cableado LAN Cat 5 y es compatible, bajo autonegociación, con estaciones Ethernet existentes a 10 Mbps ó Fast Ethernet, a 10/100 Mbps. Cada avance de Ethernet, sea normativo, tecnológico ó conceptual, consolidó su dominancia del mercado. La confiabilidad, la operación full duplex, la versatilidad de los switches LAN, la disponibilidad de interfaces con fibra óptica y la escalabilidad hasta 1000 Mbps, con 10 Gbps en el horizonte, hicieron de Ethernet la selección casi obligada para los desarrolladores de redes. Adicionalmente Ethernet se expandió rápidamente en el hogar por las conexiones de banda ancha, y los CPE integrados multiport (modem/router/LAN switch). La proliferación de LAN en empresas con múltiples sitios en una ciudad propició la aparición de operadores de redes MAN, con servicios Metro Ethernet y conexiones TLS (Transparent LAN Services), que se expandieron a servicios WAN, con operadores denominados Carriers Ethernet. En la actualidad, es típico el uso de ports Ethernet en el diseño de equipos industriales. Con 40 y 100 Gbps ya disponibles, es común el uso de ports 1GbE ó 10GbE en routers, switches ó hosts con conectores RJ-45. La trama Ethernet y la Subcapa LLC actuales son las del modelo DIX, adoptado por el IEEE en 1983, y aunque han existido enriquecimientos menores, la compatibilidad conceptual permite acumular y reusar décadas de know-how. En el 2012, la base instalada supera 2.500 millones de ports Ethernet, en diferentes variantes.
4.2.1 Tramas Ethernet 2.0 y Standart IEEE 802.3 Ethernet 2.0 es la versión ‘82 del modelo de red LAN del consorcio DIX: “The Ethernet, A Local Area Network: Data Link Layer and Physical Layer Specifications”, basado en una capa física y una capa de control del enlace de datos, al servicio de niveles clientes de las prestaciones de conectividad.
Figura 4.3: Tramas IEEE 802.3 (Rev 1997) y Ethernet DIX (1980). El modelo DIX fue estandarizado por el IEEE en 1985 como IEEE 802.3 CSMA/CD 10BASE-5, con el nivel de control del enlace renombrado como Subcapa MAC, que se complementa con la Subcapa LLC (IEEE 802.2) para la interfaz con niveles superiores clientes del Nivel de Enlace de Datos, en equivalencia al modelo OSI. La capa de procedimientos MAC (Medium Access Control) controla el encapsulado de datos y administra el enlace de datos creado sobre la capa Physical (PHY) del modelo 802. MAC interactúa con el Nivel Físico en base a interfaces normalizadas que, en la arquitectura 802, tiene decenas de variantes MAC-PHY. Como la aplicación del enlace 802.3 cubre un amplio rango der distancias, existen una ó más normas para la capa PHY en cada variante MAC 802, para cubrir cualquier clase de red MAN ó LAN en cualquier medio.
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El consorcio DIX se disolvió en 1984, pero la influencia de Ethernet 2.0 llevó a que la revisión 1997 del standart IEEE 802.3 aprobara Ethernet 2.0 como alternativa al modelo de trama 802.3, pues el modelo DIX Ethernet 2.0 tenía una importante base de usuarios en el mercado comercial e industrial. La Figura 4.3 muestra que la trama Ethernet es más simple que la trama 802.3, y varía en el uso de varios campos. La estructura de la trama 802.3 consta de los siguientes campos:
Preámbulo: Un patrón “10101010” que dura 7 octetos y sincroniza el reloj de recepción de trama, que es fundamental en LAN Ethernet 10 Mbps. No se utiliza en sistemas de 100 Mbps y superiores, pues el canal punto a punto entre la estación y el nodo Ethernet tiene señalización permanente.
SFD (Start of Frame Delimiter): Contiene el octeto “10101011”, que indica el inicio de una trama. En las tramas de 100 Mbps y superiores, no se emplea el preámbulo ó el campo SFD.
Dirección de Destino: En el modelo Ethernet DIX se utiliza para dos propósitos, como dirección física (primer bit igual a cero) y como dirección multicast (primer bit igual a uno). El modelo DIX propone dos clases de direcciones multicast: broadcast (48 bits igual a uno) ó multicast, que selecciona un grupo específico de estaciones. En el modelo 802.3, el campo es segmentado en dos grupos de 24 bits. El primer grupo es el OUI (Organizational Unique Identifier), que identifica al vendedor y es administrado por el IEEE. El OUI conserva las propiedades broadcast y multicast de Ethernet. El segundo grupo de 24 bits es un número de serie administrado por cada fabricante.
Dirección de Origen: Mismo concepto, excepto que contiene una dirección física de 47 bits (unicast).
Tipo ó Longitud: En tramas 802.3, indica la longitud del campo de datos (bytes LLC). En tramas DIX, si es igual ó mayor que 1536 (0x600), indica el protocolo del nivel superior al nivel MAC (Ethertype).
Transporte de Datos, según la clase de trama:
o
El campo Logical Link Control (LLC) administra el ensamble de datos y la gestión del Nivel de Enlace, y solo existe en tramas 802.3. LLC contiene las direcciones DSAP y SSAP (Destination/Source Service Access Point), que identifica módulos en niveles superiores que dan servicio a los datos.
o
El campo de Datos es la carga del Nivel 3, que varía entre 46 y 1500 bytes.
o
El campo de Relleno varía entre 0 y 46 bytes nulos, para garantizar que el mínimo tamaño de la trama sea de 64 bytes. LLC es utilizado en el modelo 802.3 como Subcapa de Control de MAC, para interfaz con niveles superiores y no existe en Ethernet DIX.
FCS (Frame Check Sequence): Residuo CRC de 32 bits, computado con el polinomio generador G(X) 32 26 22 16 10 8 7 5 4 2 = x + x + x + x + x + x + x + x + x + x + x + 1 sobre todos los bits excepto preámbulo y SFD. En recepción se recomputa y se comparan los FCS para detectar errores de trama, descartada en caso positivo. 802.3 no recupera errores por retransmisión, dejado a niveles superiores, pero mide QoS(RX).
La influencia del modelo DIX Ethernet 2.0 es fundamental en el modelo 802, aunque el IEEE no hace mención a Ethernet, pero adopta todos los parámetros y algoritmos MAC y PHY, casi sin modificaciones.
4.2.2 Nivel de Enlace en Redes 802.X El standart IEEE 802.3 forma parte de una arquitectura estratificada en dos niveles, con varias subcapas para los procesos de enlace en cualquier clase de redes LAN y MAN, como se aprecia en la Figura 4.4. En el Nivel de Enlace se definen subcapas superiores al nivel MAC, según los standares 802.1x y 802.2. IEEE 802.2 es la Subcapa LLC (Logical Link Control), que controla la Subcapa MAC de cualquier variante 802, y posibilita que el Nivel 3 tenga una abstracción completa del control del medio (MAC) y del Nivel Físico (PHY). tal que todas las clases de LAN 802.3 sean interoperables. La Subcapa LLC cumple con requerimientos del modelo ISO-OSI y del protocolo HDLC (High Level Data Link Control). Bajo el WG IEEE 802.1 se desarrollan normas de arquitecturas LAN y MAN, QoS, bridging, seguridad, gestión, protocolos superiores a LLC, interoperabilidad de redes 802, VLAN, etc.
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Figura 4.4: Familia de Standares IEEE 802. El WG 802.1 ha operado desde 1980 hasta la actualidad, y ha normalizado prestaciones de LAN 802.3 que no eran el objetivo del consorcio DIX Ethernet. Un aspecto notable es la incorporación de priorización del tráfico, a través de la serie 802.1P, según la etiqueta de 32 bits que la norma VLAN 802.1Q adiciona a la trama Ethernet. Como en el caso anterior, el WG 802.1 ha incorporado normas sobre seguridad de la información transportada. Ethernet 2.0 no tiene ni necesita un campo de longitud de trama. El tipo de trama (EtherType) es transparente a Ethernet y es administrado por niveles superiores a la capa MAC. En la trama 802.3, el campo de 16 bits solo contiene la longitud de la trama, inferior a 0x0600. Ethertype codifica protocolos desde este valor hacia arriba. El IEEE es la Autoridad de Registración para direcciones y tipos de tramas, anteriormente a cargo de Xerox. Existen decenas de códigos EtherType registrados: 0x0800 (IPv4), 0x814C (SNMP), 0x8847 (MPLS), etc.
4.2.3 Subcapa LLC (Logical Link Control) El procedimiento LLC (Logical Link Control) es la subcapa común a todos los standares LAN ó MAN del modelo de redes 802. LLC complementa las prestaciones de MAC conformando un Nivel 2 (Enlace) que es compatible con el modelo ISO-OSI, y resuelve la interfaz con el Nivel de Red, tal que este se abstraiga de la Subcapa MAC y el Nivel Físico. En un nodo 802, la Subcapa LLC es un multiplexor estadístico del canal de comunicaciones para los procesos concurrentes de alto nivel. Utilizando SAP (Service Access Points), conecta el Nivel 2 y estos procesos. LLC soporta las comunicaciones de procesos bajo IP, TCP, SNA, Novell, etc., concurrentemente, utilizando el SAP en modo equivalente a un socket TCP ó UDP. LLC no ha sido popular entre empresas con redes LAN Ethernet y TCP/IP, porque aumenta la complejidad del stack de protocolos, pero es imprescindible en entornos de redes con diferentes clases de subredes 802.x. En el caso de Novell, esta orientó su protocolo de Red (IPX) para operar sobre tramas DIX Ethernet, simplificando su arquitectura y el desarrollo de drivers de NIC. IBM, con LAN Token Ring, necesita la Subcapa LLC debido a que su protocolo de Red SNA (Path Control) está orientado a conexiones, una prestación manejada con LLC. El protocolo utilizado por LLC es un subconjunto de HDLC (High Level Data Link Control), del Nivel de Enlace OSI-ISO, en la variante ABM (Asynchronous Balanced Mode), para sesiones punto a punto entre nodos 802. LLC es clave para complementar las prestaciones del standart IEEE 802.3, como la gestión de retransmisión de tramas recibidas con errores, el control de flujo en el Nivel de Enlace y operar como un punto de conexión unificado entre los procesos del Nivel de Red y del Nivel de Enlace, a través del cual se produce el pasaje de datos, comandos y respuestas entre los niveles 2 y 3. La Figura 4.5 muestra el PDU utilizado por el protocolo LLC, con longitud variable, según el tipo LLC.
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Figura 4.5: Encabezado LLC (802.2). El SAP (Service Access Point) identifica los procesos de niveles superiores con los que el Nivel 2 se conecta para prestar servicios. Generalmente DSAP y SSAP son idénticos, pues el Nivel 2 crea enlaces entre procesos superiores de la misma categoría. El SAP permite que LLC multiplexe el servicio del Nivel 2 entre aplicaciones superiores, en forma concurrente y con una completa separación lógica entre ellas. Se dispone de 7 bits para codificar identificadores SAP, existiendo 126 procesos superiores discernibles a los que LLC les presta servicio. Esta limitación se corrige con SNAP. Algunos identificadores normalizados son:
0x06: IP (DoD). No es IPv4 de Internet.
0x42: Spanning Tree Protocol 802.1d
0xAA: TCP/IP
0xE0: Novell Netware
0xF0: NetBios
0x00: SAP Nulo (permite un “ping” entre dos LLC).
El IEEE es la autoridad de registración para SAP públicos (bit U = 0), para standares internacionales, que no es el caso de IPv4, pero sí de la versión IP original de la Internet (DoD). También codifica extensión SNAP de LLC. El campo de Control en el PDU LLC se utiliza para definir cuatro tipos de servicios LLC posibles:
Tipo 1 (LLC1): Es el más utilizado, con conexión modo Datagrama, para servicios sin respuesta. Opera en el modo Best Effort, y es típicamente utilizado por TCP/IP. El campo de control es de 8 bits, con valor 0x03, para la trama UI (Unnumbered Information), que no obliga a un ACK.
Tipo 2 (LLC2): Servicios orientados a conexiones, en la variante ABM de HDLC. El campo de control codifica comandos y respuestas para establecer una sesión, reconocer la recepción de una trama, ejercer control de flujo de tráfico, recuperar un error de transmisión, etc. Este modo es utilizado bajo IBM SNA y Microsoft NetBeui, pues sus protocolos superiores no tienen control de flujo ó recuperación de errores por pérdida de paquetes. El campo de control de 16 bits contiene datos de control y acarrea números de secuencia de tramas, para control de flujo por mecanismos de ventana (X.25, TCP, etc.).
Tipo 3 (LLC3): Tipo 1, sin conexión pero con servicios que requieren respuestas. El campo de control codifica un número de comandos y respuestas, aunque LLC3 es muy poco utilizado.
Tipo 4 (LLC4): Tipo 2, pero con servicios sin respuesta necesaria.
El tipo LLC1 es el preferido, para comunicaciones sin conexiones ni respuestas obligadas. LLC1 incluso no es necesario si se utiliza el campo EtherType, un parámetro redundante con SAP. LLC y EtherType se excluyen mutuamente en los dos modelos posibles de tramas 802.3 y Ethernet.
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Figura 4.6: Encabezado Trama 802.3 con LLC y SNAP.
Para ampliar los protocolos direccionables por LLC, y compatibilizar el uso del campo EtherType, en Ethernet, el IEEE ha creado el protocolo SNAP (Subnetwork Access Protocol) como extensión de LLC. Un paquete SNAP se identifica con los códigos SAP 0xAA ó 0xAB en los campos DSAP y SSAP. El encabezamiento SNAP sigue al encabezamiento LLC y utiliza 5 bytes, como se aprecia en la Figura 4.6. El campo Organizationally Unique Identifier (OUI) tiene 3 octetos y el campo Tipo de Protocolo tiene 2 octetos. Como se mencionó, el IEEE es la Autoridad de Registración para los identificadores. Como su uso es universal, se utiliza el OUI 0x000000, para un código OUI que asocia el tipo EtherType en los dos octetos siguientes. La Tabla 4.7 presenta algunos protocolos con su ID EtherType normalizado.
Tabla 4.7: Codificación EtherType para Campo de Datos Trama Ethernet.
La RFC 1042 define el encapsulado de IPv4 y ARP en redes 802 LAN y MAN con LLC/SNAP, sin que se utilice en la práctica. La RFC 894 especifica el transporte de IPv4 y ARP con tramas DIX Ethernet, de uso típico.
4.2.4 Subcapa MAC (Media Access Control) La Subcapa MAC es la subcapa inferior del Nivel de Control de Enlace del modelo IEEE 802, la cual tiene una interfaz con el Nivel Físico (PHY) y con la subcapa superior LLC, a la que le presenta una interfaz virtual de tipo full duplex. Administra el acceso al medio de comunicaciones para tráfico unicast, multicast ó broadcast según sea necesario por actividades en su nivel de protocolo ó bajo el control de protocolos superiores. El tráfico de niveles superiores se encapsula en tramas 802.3, las cuales administra y controla por errores en recepción. La Subcapa MAC tiene la dirección de la estación 802.3 (dirección MAC), utilizada para decidir si la trama recibida es para la estación y para transmitir bajo un número de red multipunto global, sin repeticiones. El hardware asociado a la MAC se denomina Medium Access Controller, y utiliza diferentes tecnologías según la clase de red 802.3. Se combina con el hardware asociado al Nivel Físico (PHY) en la forma de una placa NIC (Network Interface Card), nombre que se popularizó con el uso de las PC en redes LAN, aunque las funciones NIC actualmente están integradas en la placa madre de cualquier PC, notebook, netbook, etc.
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Direcciones MAC La Figura 4.8 muestra el campo de direcciones de la trama 802.3, que se divide en dos grupos de 24 bits, siendo el grupo inferior un número de serie de dispositivo. El grupo superior consta de tres campos: Bit I/G: Campo de 1 bit, que indica si la dirección es unicast ó multicast. Bit U/L: Campo de 1 bit, que indica si la dirección es universal (registro en el IEEE) ó de uso local. OUI: 22 bits para el Organizacional Unique Identifier, asignado por el IEEE a fabricantes.
Figura 4.8: Campo de Direcciones MAC 802.3. Cada NIC (Network Interface Card) tiene como identificador global la dirección MAC compuesta por 46 bits, que generalmente está grabada en el controlador MAC, aunque algunos fabricantes permiten su modificación. La dirección MAC es pública global, como una dirección IPv4 pública. Desde el Ethernet DIX II, la dirección MAC se expresa con 6 bytes hexadecimales separados por un guión, como: 3C-47-5C-12-F1-06. El bit U/L puesto a uno define direcciones MAC privadas. El bit I/G define si la dirección es unicast ó multicast. La dirección broadcast (FF-FF-FF-FF-FF-FF) es utilizada para difundir un mensaje a todas las estaciones. La norma 802.3 tiene un grupo de direcciones multicast reservadas (well-known), algunas de las cuales muestra la Tabla 4.9. Un ejemplo es la dirección Multicast para el comando PAUSA, utilizada para control de flujo en conexiones full duplex con un switch LAN, utilizando la subcapa opcional MAC Control Layer, que agrega dos octetos a la trama 802.3 original. Es el único comando definido para esta subcapa, de poca aceptación.
Tabla 4.9: Direcciones Reservadas Multicast 802.3.
MAC y Acceso Múltiple CSMA/CD La Subcapa MAC administra el encapsulado de datos y el protocolo de control del enlace de datos. En redes 802.3 el protocolo de acceso múltiple al canal se denomina CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Otros protocolos de acceso múltiple 802.X son: Token Ring, para redes LAN 802.4 en anillo; Token Bus, para redes LAN 802.5 en un bus coaxil; CSMA/CA (Collision Avoidance) en redes WiFi IEEE 802.11; Wireless PAN (IEEE 802.15.4) y otras variantes alámbricas e inalámbricas. En cada uno de ellos, MAC opera internamente en forma distinta, pero la Subcapa MAC es abstracta para los niveles superiores de procedimiento. CSMA/CD posibilita el control distribuido y el acceso múltiple igualitario a un canal común que, aunque existan colisiones destructivas en intentos de acceso, dando un porcentaje de utilización del canal superior al 97%.
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En las redes 802.3 CSMA/CD, la contienda por el uso del canal común solo permite conexiones half duplex. El ancho de banda del canal solo es utilizable por una estación a la vez, pues si dos ó más estaciones transmiten al mismo tiempo, la señal eléctrica ú óptica que acarrea los bits se corrompe, forzando a cada estación que ha transmitido reintente el proceso de transmitir sus paquetes de datos. Ethernet CSMA/CD incorpora una inhibición de acceso ó captura del canal por una estación de alto tráfico. Las prestaciones han sido adoptadas por el standart IEEE 802.3, del que se describen aspectos relevantes:
La menor trama transmisible es de 512 bits y cualquier trama con longitud menor es descartada, lo que se relaciona con el RTT (Round Trip Time) mínimo en una LAN 802.3 para estaciones en cada extremo del coaxil de 500 metros. El valor de 51.2 seg es el mínimo necesario para detectar colisiones.
El mínimo intervalo entre dos tramas consecutivas es de 96 bits, a cualquier velocidad binaria.
La máxima trama transmisible es de 1.526 bytes (12.208 bits). Cualquier trama de mayor longitud es descartada (excepto tramas jumbo a 1Gbps, con longitud máxima seis veces superior).
Cada estación sensa si el canal está ocupado, antes de intentar transmitir (CSMA).
Cuando una estación transmite, sensa si su señal es correcta ó si sufre una colisión por la transmisión de otras estaciones (CD). Si detecta una colisión, aborta la transmisión y espera un tiempo aleatorio antes de reintentar aplicando CSMA nuevamente.
Ante una colisión, la estación activa un timer basado en un múltiplo aleatorio del mínimo intervalo de uso del canal (512 bits). El retardo para retransmitir es T(512 bits) x N Random, y el número aleatorio k generado en el momento verifica la inecuación 0<= N Random < 2 . El contador k es el número de intentos de retransmisión contabilizados por la estación, y tiene un valor máximo k = 10. Con tal valor, el retardo máximo promedio es de 51.2 seg x 1024 x 0,5 = 26.2 mseg. Este algoritmo clave de Ethernet distribuye el reintento en forma aleatoria, para evitar colisiones que se sincronizan, y aumenta progresivamente el tiempo de espera si las colisiones crecen. Las estaciones con colisiones frecuentes son las más perjudicadas, y es el punto más débil de Ethernet en redes con alto tráfico, a diferencia de su competidor Token Ring. Un problema, a 10 Mbps, es la captura del canal por estaciones con contadores de colisión bajos, lo que no existe en LAN basadas en conmutadores.
Si ocurren 16 colisiones consecutivas, la trama es descartada por la estación, se notifica el error a la capa de procedimiento superior (Nivel 3), y se procesa la siguiente trama a transmitir. La utilización del 10 retardo truncado a 10 (backoff) permite crear 2 = 1.024 intervalos para estaciones potenciales. Por ello, un segmento Ethernet Half Duplex solo puede ser utilizado por 1.024 estaciones como máximo.
El mecanismo de detección de colisión (CD) depende de la tecnología LAN utilizada. En LAN coaxiles 10Base2 ó 10Base5, se transmite bajo codificación Machester Diferencial a 5 Mhz asignado el “0” a una corriente de -80 mA y el “1” a 0 mA, con un valor medio de -40 mA. Una variación del valor medio indica una colisión. En redes 10BaseT, no existe medio físico compartido y la transmisión Manchester tiene valor medio nulo. La detección de colisión se realiza en el Hub 10BaseT, el cual envía una señal por cada port a cada estación involucrada en la colisión, las que están en modo TX y RX simultáneo.
La trama transmitida solo es decodificada por la estación designada en su dirección MAC de destino, si es de tipo unicast ó por las estaciones comprendidas en una dirección multicast. Las estaciones que no han sido direccionadas abortan la recepción una vez que confirman este aspecto. En el caso de que la dirección de destino sea broadcast, todas las estaciones decodifican la trama.
En redes Ethernet de gran tamaño, existe la posibilidad de una colisión tardía, cuando dos equipos transmiten a la vez y la colisión no se detecta porque la trama es corta y la red tiene algún problema de diseño ó fallas. Una trama corrupta por colisión se extingue per se ó al atravesar un nodo L2 que realiza el chequeo CRC32. Si el nodo solo conmuta según el encabezamiento de trama, sin chequear FCS, la trama se propagará. Con la segmentación LAN se reduce la probabilidad de colisiones al disminuir la cantidad de estaciones por segmento. CSMA/CD se ha preservado hasta 1Gbps, pero en la práctica no se utiliza por encima de 100 Mbps.
4.3
Velocidades Standares del Modelo 802.3
El IEEE se ha esforzado para mantener el standart 802.3 con el menor número de cambios entre 10 Mbps y 100 Gbps. Un objetivo es consolidar una norma internacional de interconexión escalable, lo que disminuye
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costos de reaprendizaje y mantiene servicios ya establecidos bajo 802.1 (VLAN, priorización, bridging, seguridad, etc.), 802.2 (LLC), más el know-how sobre la Subcapa MAC de 802.3. La complejidad del desarrollo se centra en la capa PHY, su interfaz con la Subcapa MAC y la microelectrónica para esta última, que llega a operar casi a 200 Gbps en LAN 100Gbps. Sostener el uso de UTP a 10 Gbps permite emplear conectores tipo RJ-45 en las placas, para mayor densidad de ports, y traslada a un adaptador externo (PMD) la conversión a cualquier interfaz PHY (óptica, twinaxial) soportada por cada standart. La Tabla 4.10 presenta los parámetros vigentes en diferentes variantes 802.3 según especificaciones IEEE, aunque en la práctica, diferentes vendedores modifican algunos parámetros para una mejor performance de sus equipos. Algunos ejemplos son: no utilizar el campo Preámbulo y el campo SFD en las tramas (56 bits) a velocidades de 1Gbps ó más, al operar con conexiones PP en interfaces que siempre tiene señalización.
Tabla 4.10: Parámetros Interfaces 802.3 (10 Mbps – 100 Gbps). La topología Bus con repetidores solo se utilizó en la versión 10 Mbps HD, y la topología estrella, con repetidores activos ó pasivos (hubs) se mantuvo hasta 1 Gbps, como CSMA/CD, si bien Half Duplex solo se ha empleado, en la práctica, hasta 100 Mbps. La operación Full Duplex es el modo natural en aplicaciones de 100 Mbps y superiores, por la utilización de switches LAN y la importancia de las conexiones punto a punto.
Tabla 4.11: Parámetros Interfaces 802.3 y Capacidades de Tráfico. En telecomunicaciones, la modalidad punto a punto permite extender el acceso a ports centrales a distancias de hasta 100 Km, utilizando FO Monomodo. Esto permite desplegar gateways de acceso a un costo muy bajo utilizando fibras ópticas punto a punto ó accesos multipunto en redes PON (Pasive Optical Networks). La Tabla 4.11 muestra valores físicos de algunos parámetros 802.3. Como referencia aparece la cantidad de canales VoIP ó IPTV-SD transportables por una interfaz Ethernet FD, hasta 100 Km de distancia.
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191
La Figura 4.12 resume el standart 802.3 desde 1985 hasta la actualidad, según el IEEE. La norma ocupa varios miles de páginas en su última versión, dado que cada nueva tecnología ó servicio aparece como anexo ó un nuevo punto en el standart, que normaliza las subcapas de MAC y PHY. Como se observa en la figura, se ha mantenido la compatibilidad con el modelo original 802.3 y se han creado funciones adicionales, algunas opcionales, como la Subcapa Control de MAC para control de flujo, y diversas prestaciones de gestión bajo snmp (recolección de reportes de fallas, estadísticas, alarmas, etc.). El gran número de velocidades, interfaces y medios de transmisión que verifican el modelo inferior impide un estudio detallado del mismo, por lo que se tratarán prestaciones de las variante MAC-PHY más relevantes, y se dejan los detalles para su consulta en los documentos IEEE, publicaciones técnicas y libros especializados.
Figura 4.12: Capas y Subcapas de Procedimientos en Interfaces 802.3.
4.4
Subcapas MAC (Media Access Control) y MAC Control
La Subcapa Ethernet MAC se define en las claúsulas 2, 3 y 4 de la especificación IEEE 802.3. La Subcapa MAC administra los protocolos de encapsulamiento de datos en tramas, la detección de errores en las tramas, la administración del enlace de datos, half ó full duplex, y gestión bajo snmp (status, estadísticas, alarmas, etc.). La Subcapa MAC es independiente de cualquier clase de nivel físico y de cualquier protocolo cliente del MAC. La Subcapa MAC Control está definida en la cláusula 31. Permite gestionar el control de flujo de la Subcapa MAC, y es de uso opcional. Ambas subcapas están definidas para cualquier velocidad y modo de operación. El standart 802.3 mantiene un conjunto de funciones para las subcapas y de primitivas de primer orden, que son utilizadas como guía normalizada por los fabricantes, para la comunicación estructurada entre subcapas.
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La Figura 4.13 muestra las diferencias y similitudes entre las propuestas del modelo DIX Ethernet 2.0, en 1982 y el modelo 802.3, en su versión 2008. Como se aprecia, se han mantenido los criterios de abstracción originales y se han agregado funciones y primitivas para el control de flujo en el Nivel de Enlace, lo cual fue premeditadamente excluido en el modelo DIX Ethernet. Las funciones y primitivas principales se mantienen. La implementación práctica de MAC se basa en la Figura 4.12, con las diferentes interfaces PHY. En general, MAC se implementa utilizando librerías específicas sobre integrados FPGA de alta performance, con millones de compuertas programables y que llegan hasta 30 Gbps por port, con transferencia de datos en paralelo a 32/64 bits y relojes de hasta 250 ó 500 Mhz, según operen ó no en modo DDR. Numerosos vendedores especializados desarrollan modelos de software para MAC, compatible con los PGA de una docena de fábricantes, que a su vez ofrecen sus propios modelos a los diferentes fabricantes de servers, switches LAN y otros dispositivos.Todas las funciones MAC son integrables en un único IC, que generalmente incorpora la Subcapa RS (Reconciliation Sublayer) del Nivel Físico y maneja interfaces normalizadas con hosts. Las prestaciones adicionales pueden ser: RAM para buffering, PHY integrada con MAC, selección de interfaces con la capa PHY (Ej.: GMII ó XAUI), operación dual 1G/10G, soporte paralelo para clientes IPv4, IPv6, MPLS y Carrier Ethernet, gestión del agendamiento por prioridad 802.1P, monitoreo de enlace por 802.1ag, servicio de multicast para IPTV, aprendizaje de direcciones MAC automático y otras facilidades.
Figura 4.13: Comparación de Capas de Procedimientos DIX Ethernet y Modelo 802.3-2008.
Un ejemplo real de un IC único para switches LAN administra 24 MAC 1GbE ó 2 MAC 10GbE, tiene un Network Processor de 40 Gbps y procesa hasta 60 MPPS. Provee 4 ports 10 Gbps, 2 XAUI y 2 XAUI ó 12Xsgmii (Serial Gigabit MII, interfaz propietaria standart de facto). A continuación se resumen las funciones de la Subcapa MAC en redes 802.3:
Aceptar el comando PAUSA y sus parámetros, según es entregado por la Subcapa MAC Control. Esto deriva de la función de control del flujo de tráfico entrante (única función MAC Control definida).
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Utilizar el sincronismo de recepción generado por el Nivel Físico.
Encapsular paquetes recibidos de niveles superiores dentro de tramas 802.3, agregando preámbulo, el campo SDF, el campo Longitud ó Tipo (informado por niveles superiores al 2), la dirección MAC de Origen y, según indicaciones de niveles superiores, la dirección MAC de Destino y la etiqueta VLAN.
Decidir si una trama entrante está dirigida al DTE (Data Terminal Equipment) donde reside.
Desencapsular los paquetes dentro de tramas recibidas correctamente y entregar al nivel superior el campo de datos, la dirección MAC de origen (ó el SAP) y los campos Longitud/Tipo y etiqueta VLAN.
Calcular e introducir el valor CRC 32 en transmisión y verificar si es correcto, en recepción. Reportar el error a un nivel superior al Nivel de Enlace.
Introducir el campo Inter Frame Gap entre dos tramas consecutivas.
Ejercitar el algoritmo CSMA/CD para lograr la transmisión de una trama.
Administrar y recuperarse de diferentes clases de errores.
Llevar estadísticas para reportes según especificaciones 802.3, como ser errores CRC, colisiones, intentos fallidos de transmisión, bytes transmitidos y recibidos, etc.
Aceptar comandos de gestión del enlace desde niveles superiores y responder a los mismos.
Administrar mensajes multicast y broadcast, según indicaciones de niveles superiores.
Las primitivas declaradas sobre las interfaces de las Subcapas MAC y MAC Control, en la Figura 4.13, son normalizaciones de la norma IEEE 802.3 que definen comandos y respuestas para acotar las interacciones entre subcapas y crear un nivel de abstracción de sus funcionamientos internos. Los fabricantes de PGA especializados en LAN emplean un número mayor de primitivas, para permitir que los fabricantes de equipos que emplean tales PGA y sus kits de desarrollo puedan modificar el standart 802 en forma propietaria, como ser cambios en la máxima longitud de trama, el preámbulo, funciones de test, etc.
4.5
Nivel Físico (PHY) y Subcapas
En la última década, el uso de Ethernet se ha extendido más allá de las redes LAN tradicionales, y la interfaz es utilizada para conexiones punto a punto ó punto a multipunto de subsistemas en un amplio rango de distancias físicas y velocidades. Las opciones en el Nivel Físico de IEEE 802.3 para una misma velocidad varían con la distancia, el medio de transmisión y la operación HD/FD. Ver Figura 4.14. Algunos ejemplos son:
Hasta 1 metro: Buses normalizados en paneles de racks, para interconectar placas enchufadas en el mismo. Puede existir un bridge en la mitad del panel trasero, si existe alto tráfico entre las placas. El medio físico se basa en líneas de transmisión de cobre en el backpanel, hasta 40 ó 100 Gbps.
Hasta 15 metros: Conexiones entre racks de 19" en un mismo bastidor ó conexiones entre bastidores, mediante cables twinaxiales ó de FO, en cuartos de tecnología y datacenters, hasta 40 ó 100 Gbps.
Hasta 100 metros: Igual uso que el caso anterior ó para interconexión de hosts en un ámbito de oficina ó áreas con bajo ruido eléctrico, utilizando pares trenzados de cobre Cat 3 a Cat 6, hasta 10 Gbps.
Hasta 200 metros: Para usos en áreas con elevado ruido eléctrico, ó conexiones seguras de equipos de comunicaciones, hosts y servers utilizando fibras ópticas multimodo tendidas específicamente para la interconexión y adaptadores PHY con LED infrarrojos, hasta 10 Gbps.
Hasta 10/40 Km: Para interconexión punto a punto de equipos remotos, como diversos concentradores de comunicaciones para telefonía y datos (switches LAN, routers IP/MPLS, etc.), con FO monomodo (1300/1500 nm) tendidas específicamente y adaptadores PHY con diodos laser, hasta 40 ó 100 Gbps.
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Figura 4.14: Subcapas del Nivel Físico en Interfaces 802.3. El IEEE ha normalizado la operación del Nivel Físico de diferentes variantes de la serie 802.3 a través del uso de subcapas e interfaces de adaptación, a las que se agregan interfaces propietarias que son standares de facto en el mercado, para conexiones con el medio físico ó el nodo LAN. A continuación se resumen algunas, tomando como referencia la arquitectura superior MAC-PHY para Ethernet entre 100 Mbps y 100 Gbps.
4.5.1 Interfaz Subcapa MAC – Capa Física (PHY) Se utiliza la Subcapa RS (Reconciliation Sublayer), que es la interfaz física-lógica entre la Subcapa MAC y el bloque PCS/PMA/PMD de la capa PHY. Físicamente se interconecta con PHY a través de diversas interfaces MII, y reside en el SoC ó PGA que contiene la MAC. Su rol es mapear señales físicas PCS en señales lógicas MAC, como un traductor de comandos MAC-PHY para señales eléctricas de datos y control. Opera con 4, 16 y 64 bits de datos entre 2.5 Mhz y 1.5625 Ghz (802.3ba). En la práctica, se aumenta a 128 ó 256 bits por vez lo que permite a los fabricantes operar con relojes por debajo de 450 Mhz y PGA más económicos.
4.5.2 Capa Física (PHY) Comprende varias subcapas especializadas: PCS, PMA y PMD, FEC, WIS en 10GbE y SDH/ SONET, etc.
PCS (Physical Subcoding Sublayer): Codifica bits de la Subcapa MAC en paralelo/serie, mediando la Subcapa RS y la interfaz MII, además del proceso inverso. Interactúa con la Subcapa PMA, excepto al existir las Subcapas FEC y WIS, y se abstrae del medio físico en aplicaciones a 10 Gbps y superiores. Emplea diferentes codecs como 64B/66B, 8B/10B y 4B/5B. En interfaces 10G, el codec 8B/10B genera 12.5 Gbps (4 carriles de 3.125 Gbps) y el codec 64B/66B (10GBaseT) opera en serie a 10.3215 Gbps. Esta velocidad serie provee 40Gbps utilizando 4 carriles y puede proveer 100Gbps mediante 10 carriles. En 100Gbps también se emplean 4 carriles de 25 Gbps. A 10 Gbps ó más, la Subcapa PCS compensa retardos de bits en diferentes carriles, con un código de alineamiento especial 64B/66B, función que es cumplida por el bloque MLD (Multi Lane Distribution), que maneja hasta 10 carriles virtuales (VL).
PMA (Physical Medium Attachment Sublayer): Esta subcapa prepara los bits de datos de PCS para el envío a la Subcapa PMA, y la acción recíproca. Implementa conversiones parelelo-serie con el bloque SERDES (Serializador/Des-serializador), realiza el sincronismo de reloj de recepción, ecualización de la línea, minimización de ISI (Intersymbol Interference) y otras funciones, según el standart 802.3.
PMD (Physical Medium Dependant Sublayer): Contiene los transceivers eléctricos u ópticos
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WIS (WAN Interface Sublayer): Esta subcapa, en 10G Ethernet, acomoda la trama 802.3 en un enlace SONET OC-192/SDH STM-64 con una velocidad de línea de 9.95328 Gbps, que utiliza un 3,7% de esa velocidad para el encabezado con datos de sincronismo y de gestión TMN. Para evitar la transmisión de Ethernet a solo 9.58464 Gbps, la Subcapa WIS genera un entramado SONET/SDH muy básico pero compatible con la red de transmisión física, solo con sincronismo y señalización de fallas. La velocidad real varía con la implementación del vendedor, entre los dos límites mencionados.
AN (Autonegotiation Sublayer). Uso opcional, como en interfaces Gigabit 10/100/1000 sobre Cat 5 ó 6.
FEC (Forward Error Correction Sublayer). Opcional para corrección de errores, requiere más velocidad.
PLS (Physical Layer Signaling): En desuso. Es la subcapa de la norma original a 10 Mbps half duplex, que realizaba la codificación Manchester, adaptaciones eléctricas y recuperación de sincronismo.
Interfaz Lógica y Física entre los Niveles L2 y L1 La interfaz x-MII (Media Independent Interface) es opcional, se define con nombres distintos para cada standart y normaliza la conexión en paralelo entre los niveles L2 (MAC/RS) y L1 (PCS/PMA/PMD) intra-chip hasta 3”. El IEEE solo define especificaciones lógicas y no eléctricas, a cargo de cada fabricante. Es similar a una interfaz n-AUI, extensión para conexiones entre diferentes IC en una placa. Las normas definen conexiones para datos y control con buses paralelos de 4, 16 ó ó 64 bits según el standart pero los fabricantes implementan la interfaz con 128 ó 256 bits en paralelo, para disminuir la frecuencia del reloj de la interfaz. Algunas de ellas son:
MII: Es una interfaz normalizada para Fast Ethernet, que interconecta la Subcapa MAC y el Nivel Físico. Intercambia 4 bits de datos por sentido a 2.5 ó 25 Mhz según se utilice 10 ó 100 Mbps, y puede considerarse un subconjunto de GMII para aplicaciones 1GbE con autonegociación 10/100/1000 Mbps. Se conecta con PCS, que codifica en 4B/5B (como FDDI) ó MLT-3, requerido en 100BaseT.
GMII: Es una interfaz normalizada para Gigabit Ethernet, que mueve 8 bits de datos a 125 Mhz. Utiliza 22 pines de datos y control TX/RX de tramas. Tiene pines para indicar colisión, error CRC ó portadora detectada y un pin bidireccional para gestión de la capa PHY con 16 registros direccionables, los que configuran diferentes modos de operación. Existen variaciones como SGMII (propietaria Serial), que emplea 4 pares diferenciales y opera a 100 y 10 Mbps ó RGMII (Reduced, 12 pines), también válida para 10/100/1000 Mbps y que descarta el uso de pines innecesarios en Full Duplex PP, como sensado de portadora ó de colisión. El reloj opera a 2.5, 25 ó 125 Mhz, trasfiriendo 4 u 8 bits por ciclo.
XGMII: Es una interfaz normalizada para 10Gigabit, para conexiones intrachip (3” max.), que hace uso de la interfaz XAUI para conectar chips en una placa. Intercambia 64 bits de datos por sentido a 156.25 Mhz, con 2 x 32 bits por ciclo de reloj y utiliza dos canales de 4 bits para control de TX y RX. La interfaz XAUI (External AUI) extiende la interfaz XGMII (3” max) hasta un máximo de 20”, suficiente para un PCB ó backplane. Define la interconexión multichip en aplicaciones como una placa de un switch LAN. Utiliza 4 carriles de 8 bits codificados en 8B/10B para señales de datos y control de 32 bits de XGMII, al igual que ven las Subcapas PCS y PMA. Las señales diferenciales de 1.6 Vpp proveen 3.125 Gbps por carril, con un reloj de 156.25 MHz para transferir 2x10 bits por ciclo.
XLGMII/CGMII: Interfaces opcionales para 40G y 100G, definidas en 802.3ba para conexión intrachip entre los bloques L2 (MAC/RS) y L1 (PCS/PMA/PMD). Para conexiones inter-chip en una placa se definen las interfaces XLAUI y XCAUI, con transferencias de 64 bits por sentido a 625 Mhz ó 1.5625 39 58 Ghz más un bit de control cada 8 bits y codificación 64B/66B, scrambling 1+x +x más dos bits de sincronismo del bloque de 66 bits. En la práctica se utilizan 128 ó 256 bits y reloj debajo de 500 Mhz.
Interfaz el Nivel L1 y el Medio Físico La interfaz MDI (Medium Dependant Interface), conocida como port uplink, es un conector hembra que termina la Subcapa PMD, con diferentes normas mecánicas, lógicas y electro-ópticas, según el medio físico y velocidad de línea. Un ejemplo típico es el conector Ethernet RJ-45 hembra existente en cualquier PC ó switch LAN.
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Para redes Ethernet originales (10 Mbps HD en coaxil), ya obsoletas, se utilizan AUI (Attachment Unit Interface) para la interconexión de las Subcapas PLS y PMA. Es un cable con conectores SUB D-15M en sus extremos, que acarrea señales entre la placa base del DTE y la interfaz MDI con el bus Ethernet, donde reside la PMA.
4.6
Fast Ethernet (10/100 Mbps)
En 1995, el standart IEEE 802.3u introdujo una actualización de Ethernet para operar a 100 Mbps sobre cable ó fibra óptica, una década despues de la norma original a 10 Mbps. Debido a una importante base instalada a 10 Mbps, el standart introdujo compatibilidad mediante la capacidad de autonegociación de velocidades. La variante, conocida como Fast Ethernet (FE) ó Ethernet 10/100 opera en forma similar a Ethernet 10BaseT, utilizando CSMA/CD en un bus, que crea un medio compartido desde un hub con topología estrella. El port FE se adapta automáticamente a la velocidad de la red, conmutando entre 10 y 100 Mbps. La variante 100BaseT ha sido un éxito comercial que ha consolidado a Ethernet como favorito en LAN. Para el año 2010 se han instalado más 3.000 millones de ports FE, mayoritariamente en par trenzado Cat 5. Parte de la adopción masiva se debe al uso de banda ancha y redes LAN a nivel residencial, SOHO y PyME, la facilidad de instalación bajo cualquier OS y la provisión nativa de ports FE en PCs, notebooks, netbooks y otros equipos. Si bien Gigabit Ethernet 1000BaseT fue introducida en 1999, no ha logrado desplazar el uso masivo de FE, un indicador de que 100 Mbps es suficiente para para aplicaciones actuales de datos, Internet y telefonía VoIP. La Tabla 4.15 presenta las variantes en par trenzado y FO del standart. 100BASE-TX es prácticamente el único standart adoptado para par trenzado (100BaseT en la práctica) y 100-BASE-SX es el más popular en FO por su bajo costo, al utilizar LED infrarrojo y FO multimodo. Es una variante de la organización TIA (USA).
Tabla 4.15: Variantes de Interfaz Nivel PHY-Medio de Transmisión en Fast Ethernet.
El standart define una Subcapa MAC que controla a la capa PHY sobre dos interfaces: MII (Media Independent Interface), en 4 canales de 25 Mhz, RMII (Reduced MII) con dos canales de 50 Mhz ó SMII (serie, propietaria). La interfaz MII existe en la placa NIC ó incluso dentro del chip, y no necesita ser una conexión externa como en las interfaces 10Base2 hacia un backbone 10Base5, aunque el standart no especifica esto. La variante más popular, 100BASE-TX, requiere solo dos pares trenzados del cable Cat 5 ó superior, y por ello utiliza 4 de los 8 pines del conector 8P8C (RJ-45) del standart EIA/TIA-568-B. El conector hembra RJ-45, que reside en las placas y es el MDI (Medium Dependant Interface) del modelo IEEE, se utilizan los pines 1 y 2 para el par RX (RD+, RD-) y los pines 3 y 6 para el par TX (TD+, TD-), con señales eléctricas diferenciales y utilizando codificación de línea MLT-3 (niveles -1, 0 y +1). Las variantes SX y BX, que utilizan FO mono y multimodo, no están normalizadas por el IEEE y son standares de facto en el mercado, impulsadas por grandes fabricantes de equipos. 100BASE-SX tiene la capacidad para autonegociación con instalaciones de Gigabit Ethernet 10/100/1000. 100BASE-BX opera en modo FD con una única FO, pues transmite en una longitud de onda (1310 nm) y recibe en otra longitud de onda (1550 nm).
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La variante LX10 fue estandarizada por el IEEE en el año 2004, para cubrir instalaciones remotas con un par de FO monomodo y LED laser, hasta una distancia de 10 Km. La variante 802.3u, aunque utiliza dos fibras ópticas multimodo, con la posibilidad de operación full duplex, opera con el mecanismo CSMA/CD en hubs en modo half duplex, hasta 2 Km en instalaciones de bajo costo, aunque sus prestaciones son obsoletas. Las variantes LX10 y SX (SM-1310) son utilizadas para el acceso de concentradores remotos de voz y datos en subredes de telecomunicaciones en áreas suburbanas ó rurales, ó en ámbitos industriales, para conectar diferentes equipos a un nodo central.
4.7
Gigabit Ethernet (1GbE)
Gigabit Ethernet ó 1GbE, fue introducido en 1998 para FO bajo el standart IEEE 802.3z (1000BASE-X) y, en 1999, para conexiones con par trenzado Cat 5 bajo el standart IEEE 802.3ab (1000BASE-T). Ambos standares operan en forma similar a 10 Mbps y 100 Mbps, utilizando el mismo formato de trama 802.3, modos full duplex y half duplex (CSMA/CD) y mecanismos de control de flujo. 1GbE soporta SNMP (Simple Network Management Protocol), que permite monitorear la interfaz en un sistema de gestión standart, una prestación no especificada en los standares de 10 Mbps y Fast Ethernet. Se pueden utilizar tramas jumbo de hasta 9.215 bytes (en lugar del tope de 1.518 bytes para 10 y 100 Mbps), para un encapsulado más eficiente al transportar diferentes clases de datos, como los paquetes MPEG-2 TS. También disminuye la carga de procesamiento de paquetes un 600%, a menos de 15.000 pps con 9KB/trama. Aunque poco utilizado, IEEE 802.3z se diseñó para operar con fibra óptica y CSMA/CD en un medio común, lo que plantea el problema de la longitud del cable LAN compartido. La separación entre dos tramas de longitud mínima es de 608 bits (512 de trama y 96 de guarda) con equivalencia a 680 nseg en 1GbE, lo que demanda que el cable LAN compartido tenga 10 metros ó menos, para una operación correcta de CSMA/CD.
Figura 4.16: Capas y Subcapas de Procedimientos en Interfaces 1GbE (IEEE 802.3z/ab). Para solucionar el obstáculo en forma compatible con la trama 802.3, se aumenta el intervalo intertrama desde 12 bytes a un máximo de 448 bytes, tal que el mínimo evento transmisible de 64 bytes ocupe 512 bytes. Este incremento es variable, para preservar la eficiencia, por lo que si se transmite una trama de 500 bytes ó más, el intervalo intertrama vuelve al valor normalizado de 12 bytes. El agregado no viola ningún otro aspecto de 802.3 ni la lógica integrada de decodificación de tramas, pues se aplica solo al intervalo entre dos tramas contiguas. La solución, denominada Carrier Extension, requiere mecanismos complementarios para evitar las pérdidas de eficiencia en la transmisión de una estación. Si esta transmite varios paquetes cortos (ej. 64 bytes), utilizaría el máximo intervalo permitido, de 1.500 bytes, con una eficiencia del 12,5 % del ancho de banda de 1Gbps, pues solo utiliza 512 bytes por cada paquete. Se obtiene una mejora con el mecanismo de ráfaga (Packet Bursting),
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tal que el intervalo intertrama para el primer paquete es de 448 bytes, y luego pasa al standart de 12 bytes. Así, utiliza el 59,7% del ancho de banda de 1Gbps, para el peor caso de 14 paquetes consecutivos de 64 bytes. La Figura 4.16 detalla las capas de procedimientos en el Nivel Físico y Subcapa MAC/RS en los standares 802.3z/ab. La Subcapa MAC se aísla de la capa Física con la Subcapa RS 2, que administra la interfaz GMII con el Nivel Físico, y controla al mismo por medio de comandos y respuestas normalizados e independientes de las diferentes variantes eléctricas y ópticas existentes. El Nivel Físico utiliza tres subcapas mandatorias (PCS, PMA, PMD) y, opcionalmente la Subcapa AN. Este nivel se conecta físicamente con el medio de transmisión por la Subcapa PMD, que termina en el conector MDI. La conexión con las Subcapas MAC/RS se implementa con la interfaz GMII (uso opcional de SGMII ó RGMII).
PCS (Physical Coding Sublayer): Contiene los conversores S/P y P/S de octetos de datos GMII, codec 8B/10B, clock recuperado del flujo entrante y procesos de autonegociación de velocidades 10/100/1000 Mbps. Procesa los modos half y full duplex para cumplir con las diferentes interfaces PMD de 802.3z, y además contiene el transceiver 1000BaseT y el procesador ISI (Inter Symbol Interference) a 125 MSps sobre pares trenzados Cat 5 y superiores.
PMA (Physical Medium Attachment): Esta subcapa típicamente reside en el mismo chip que PCS, GMII, RS y MAC, y su rol es adaptar la capa PCS a las diferentes variantes PMD, según se emplee FO ó par trenzado. La versatilidad del standart permite conectar diferentes terminaciones PMD/MDI al port que se define con PMA en una placa multiport de un switch ó router.
PMD (Physical Medium Dependent): Emplea una interfaz serie simple con la Subcapa PMA y termina de definir los detalles sobre la transmisión y recepción de bits individuales en el medio físico, como ser: temporización, codificación de la señal, interacción física con el medio eléctrico u óptico (fotodetector y transmisor laser ó transceiver eléctrico), más las propiedades del par trenzado de cobre y la fibra óptica utilizada para la interfaz. La interfaz PMD está físicamente separada de la Subcapa PMA, lo que hace posible utilizar una amplia variedad de interfaces físicas sobre módulos compactos enchufables.
La interfaz MDI, con el medio físico, es básicamente un conector hembra asociado a la Subcapa PMD, donde la terminación del medio físico se enchufa, utilizando un conector complementario (macho). La implementación práctica de una interfaz 1GbE óptica utiliza diferentes adaptadores PMD (externos) para las mismas funciones PCS y PMA. Estas pueden implementarse en un único IC (SoC) con la MAC, la Subcapa de Reconciliación y funciones adicionales para buses PCI en un motherboard de PC ó placa NIC, ó en un par de chips FPGA, uno para funciones PHY y otro para funciones del Nivel de Enlace y soporte a niveles superiores, como ser procesamiento parcial de TCP/IP (TCP Offload). El standart 802.3z (1998) especificó tres clases de interfaces ópticas 1000BASE-X (variantes CX, SX y LX), con codificación de línea 8B/10B. Desde el 2004 se agregaron otras variantes como 1000BASE-LX10 (10 Km), 1000BASE-BX10 (1310/1550 nm). La lista de interfaces normalizada por el IEEE supera la decena, y algunas normas son propietarias y standares de facto en el mercado por su uso masivo. El costo de los PMD para FO es una porción importante del costo total de una instalación Gigabit Ethernet, razón por la cual la mayoría de las instalaciones en cuartos de tecnologías se realiza con interfaces RJ-45 y pares trenzados de cobre. El impulso de consorcios industriales de fabricantes de transceptores facilita el diseño de módulos PMD que se “enchufan” en la Subcapa PMA, si bien no existe una interfaz física normalizada entre Subcapas PMA y PMD. La flexibilidad de disponer diferentes módulos PMD, en formatos como GBIC y SFP, permite reasignar ports de routers y switches para nuevas aplicaciones, sin cambiar los equipos, mientras los ports posean Subcapas PCS y PMA interoperables con el módulo PMD. Una lista de las interfaces vigentes es la siguiente:
1000Base-CX: Cable twinaxial de hasta 25 metros, para cableado de bastidores (hoy casi sin uso).
1000Base-SX: FO multimodo de 850 nm y LED infrarrojo de -9.5 dBm, para instalaciones de equipos hasta 550 metros, de uso muy difundido para cableados dentro de edificios e instalaciones industriales.
1000Base-LX: FO monomodo de 1300 nm, con LED laser, para instalaciones de equipos hasta 5 Km. Puede utilizarse con FO multimodo hasta 550 metros, con adaptadores especiales en los cables. Opera con la misma codificación 8B10B que SX, lo que permite interoperabilidad entre ambas instalaciones, excepto el módulo transceptor PMD/MDI, que no es intercambiable.
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1000Base-LX10: Incorporada al standart en el año 2004 por el amplio uso en instalaciones propietarias, extiende el uso de 1000Base-LX hasta 10 Km.
1000Base-BX10: Utiliza una única FO monomodo y dos LED laser de 1310 nm (upstream) y 1550 nm (downstream), para transmitir en cada sentido, en modo full duplex, hasta 10 Km de distancia. Forma parte del grupo de standares IEEE 802.3ah-2004, normalizados en la versión IEEE 802.3-2008, como parte de las soluciones Ethernet en la Ultima Milla, utilizando redes de FO pasivas (EPON). Un campo de aplicación importante es FO en el loop de abonado, con el concepto FTTH.
1000Base-EX: Standart de facto del mercado, no IEEE, similar a LX10 hasta distancias de 40 Km.
1000Base-ZX: Es un standart de facto del mercado, no IEEE. Utiliza FO monomodo de 1550 nm y LED laser, para instalaciones de equipos distanciados hasta 70 Km.
1000Base-KX: Forma parte del standart IEEE 802.3ap, para empleo de 1GbE en backplanes de los equipos, creando buses normalizados para interconectar las plaquetas enchufables en el mismo. En el caso de buses de 1 Gbps, utiliza líneas de transmisión mediante microstrips diferenciales creados con el cobre depositado en el PCB, operando 125 Mhz y codificación de línea a 1.25 GSimb/seg.
Series 1000BASE-PX: Son cuatro interfaces definidas en el standart IEEE 802.3ah (PX10-D, PX10U, PX20-D y PX20U), desarrolladas en la versión del año 2004 para integrar el conjunto de soluciones de Ethernet en la Primer Milla. Las cuatro variantes se diferencian en el alcance de 10 ó 20 Km, y definen los procedimientos para operaciones punto-multipunto en el downlink como en el uplink de servicios de Fibra hasta el Hogar (FTTH). Cada interfaz detalla la utilización multipunto de un par de FO por sentido desde el sitio de distribución hasta cada edificio, multiplexando el ancho de banda entre usuarios.
El standart IEEE 802.3ab (1999) especificó el cableado con pares de cobre UTP para la interfaz 1000BASE-T, con dos variantes utilizadas en longitudes de hasta 100 metros en cables tipo Cat 5 y Cat 6, y codificación PAM multinivel para obtener una baja velocidad de señalización de símbolos de línea de 125 Msímbolos/seg, que es la misma velocidad utilizada por la interfaz 100BASE-T, aunque transporta 5 bits por símbolo (PAM-5).
Tabla 4.17: Variantes de Interfaz Nivel PHY-Medio de Transmisión en Gigabit Ethernet (1GbE). 1000BASE-T utiliza simultáneamente los cuatro pares de cobre para transmitir en cada sentido, en modo full duplex, utilizando extensivamente procesamiento digital de señales para ecualización adaptativa y cancelación de eco, 1000BASE-T utiliza una modulación trellis de 4 niveles para obtener 6dB de ganancia en los 4 pares. Se transmiten 8 bits por vez, expandiendo los mismos en cuatro símbolos aleatorizados de tres niveles, y luego se mapean estos símbolos sobre un conjunto de cinco niveles de tensión, que producen variaciones continuas con un valor medio nulo en cada par. Esto provee igual inmunidad al ruido que en 100BASE-T. La negociación de velocidades de la interfaz, para adaptarse a interfaces de 10 y 100 Mbps FD se realiza sobre dos pares.
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La variante 1000BASE-TX, desarrollada por la TIA (Telecommunications Industry Association), es un esquema más simple de implementar, requiriendo solo un par de cobre en cada dirección. No tuvo aceptación comercial debido a la exigencia de cables Cat 6, más caros, sumado los esfuerzos de promoción y la fuerte disminución de costos generada por el desarrollador original, uno de los más grandes fabricantes de microelectrónica. La Tabla 4.17 presenta las variantes de acceso físico para Gigabit Ethernet, e introduce variantes como el standart Ethernet en la Ultima Milla, con operación punto a multipunto full duplex (802.3ah), variantes con FO monomodo hasta 70 Km no normalizadas (LH y ZX) y uso en backpanels (KX). El cuerpo de standares 802.3 es cada vez más voluminoso, y solo en la tabla 1GbE se registran hasta 59 Clausulas (interfaz LX10). Una de las prestaciones más versátiles es el empleo de módulos externos al equipo (SFP, GBIC, etc.), los que contienen el transceptor óptico ó eléctrico de la Subcapa PMD más el conector MDI final. En ports ópticos para nodos ó equipos industriales, es típico usar conectores no standares y adaptadores SFP ó GBIC externos.
4.7.1 Conectores Ópticos y Adaptadores SFP, GBIC y otros Existe al menos una docena de conectores ópticos utilizables en equipos de telecomunicaciones, algunos más populares que otros, generalmente normalizados como standart IEC. Algunos de los más comunes en chasis de equipos, si no se van a emplear adaptadores del tipo SFP, GBIC u otros, son:
LC: Lucent Connector, tipo snap, para alta densidad; standart IEC 61754-20 adoptado por el IEEE.
SC: Subscriber Connector, tipo snap; standart IEC 61754-4 adoptado por el IEEE.
F-3000: FTTH, compatible con LC. Tipo snap; standart IEC 61754-20.
FC: Ferrule Connector, tipo screw; standart IEC 61754-13.
Si un equipo está diseñado para que la terminación de la Subcapa PMD se implemente externamente, con el uso de módulos enchufables que contienen diferentes transceptores ópticos ó eléctricos, el conector hembra del chasis es un standart de facto, acordado por consorcios de fabricantes MSA (Multi Source Agreement), ya que no está definido en ningún standart IEEE. Los pines de estos conectores deben tener todas las señales, sincronismo y alimentación tal que el módulo enchufable pueda terminar adecuadamente la Subcapa PMD.
Figura 4.18: Ports Típicos de un Switch LAN FE/1GbE, Conectores y Módulos SFP para 1000BASE-LX. Los módulos PMD más comunes para equipos de telecomunicaciones y de redes de datos son:
SFP (Small Form-factor Pluggable): Es un transceptor conectable en vivo, de menor tamaño que GBIC, y que soporta interfaces para Gigabit Ethernet, SONET/SDH, Fibre Channel y otras aplicaciones. Fue
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anunciado en el año 2001 y sus ventajas sobre GBIC han hecho de SFP el adaptador más utilizado. Sus dimensiones son de 5.65 cm x 1.34 cm x 0.85 cm y ocupa un volumen menor al triple de GBIC. El módulo SFP utiliza un conector LC compacto que no está normalizado por el standart IEEE 802.3. El módulo dispone de un bus I2C ( Inter IC bus), que provee datos como tipo de PMD, clase y potencia del laser utilizado hacia el nodo donde se enchufa. Los módulos SFP son ampliamente utilizados en aplicaciones con DWDM, incorporando los lasers y demás componentes requeridos.
GBIC (GigaBit Interface Converter): Transceptor definido por el consorcio Small Form Factor committee, generalmente empleado con 1GbE y Fibre Channel. Utilizado en los años ’90 y anterior al SFP, sus dimensiones son de 6.5 cm x 3 cm x 1 cm, y también dispone del bus de gestión I2C.
La Figura 4.18 muestra un switch LAN FE y 1GbE, con 24 conectores RJ-45 para FE, 2 conectores RJ-45 para Ethernet 1000Base-T y dos conectores hembra para SFP 1GbE (no son parte del standart IEEE 802.3), que pueden utilizar SFP con transceptores para corta ó gran distancia. Se muestra como ejemplo un SFP 1000BASE-LX con gancho de retención y el par de cables de FO con conectores LC tipo snap.
4.8
10 Gigabit Ethernet (10GbE)
El standart IEEE 802.3ae, para Ethernet 10 Gbps fue introducido en el año 2003, para conexiones con fibra óptica pasiva y transporte de Ethernet sobre redes SONET/SDH. No se modificaron las prestaciones básicas de la Subcapa MAC, excepto que 10GbE solo se utiliza en modo full duplex, descartando el uso de CSMA/CD. El formato de la trama y los parámetros generales de 802.3ae son idénticos a versiones previas y compatibles con aplicaciones en protocolos de capas superiores. La interconexión MAC-PHY se realiza por la Subcapa RS a través de la interfaz XGMII, utilizando 4 carriles con 8 bits, dos veces por ciclo de reloj, a 156.25 Mhz en cada sentido (10 Gbps), como se muestra en la Figura 4.19. No se han definido repetidores para 10 Gbps.
Figura 4.19: Interfaz Simplificada MAC-PHY para IEEE 802.3ae (10GbE FD). La norma original IEEE 802.3ae establece la interconexión de las Subcapas MAC y RS sobre tres variantes de entidades físicas, R, X y W, utilizando la interfaz XGMII. Define dos áreas de aplicación, LAN y WAN, con FO. El Nivel Físico emplea las Subcapas PCS, PMA y PMD, con la Subcapa WIS en adaptaciones a SONET/SDH en redes WAN. Se definen tres velocidades de línea: 10,3125 Gbps serie al emplear FO, 9,95328 Gbps serie sobre redes SONET/SDH, y 4 canales en paralelo que agregan 12,5 Gbps para LAN utilizando DWDM. En años posteriores al 2003 se introdujeron nuevas normas 10G, para cubrir diferentes aplicaciones:
2003: IEEE 802.3ae (LAN 10GBASE-R y 10GBASE-X, WAN 10GBASE-W), 10 Gbps sobre FO para redes LAN y WAN sobre SONET. Se definen las variantes R, L y E para LAN y WAN serie (S: Short; L: Long; E: Extended), con un total de 7 variantes físicas.
2004: IEEE 802.3ak (10GBASE-CX4), 10 Gbps sobre cables de cobre, para conexiones en cuartos de tecnología (hasta 15 m) utilizando cables InfiniBand con 4 carriles de 2.5 Gbps, de bajo costo.
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2006: IEEE 802.3aq (10GBASE-LRM), 10 Gbps sobre FO multimodo de bajo costo. Útil en conexiones de FO con cable FDDI (62.5 µm), hasta 220 metros.
2006: IEEE 802.3an (10GBASE-T), 10 Gbps sobre pares de cobre UTP tipo Cat 6 y superior, hasta 100 metros. Se utiliza para interconectar equipos con alta densidad de ports en cuartos de tecnología, y es posible utilizar adaptadores externos SFP, para diferentes interfaces ópticas. Tiene gran complejidad y alto consumo de potencia, aunque avances en microelectrónica y normas (IEEE) han solucionado esto.
2007: IEEE 802.3ap, 1GbE y 10GbE para Backplane, sobre PCB de equipos. Utiliza Ethernet en PCB como buses normalizados, pueden utilizar una placa en la mitad del backplane que opera como bridge ó switch, para administrando el tráfico entre ambas mitades. Generalmente, se disponen de ports para interconectar con otros sub-bastidores, con lo que se agrega capacidad de tráfico al equipamiento.
2009: IEEE 802.3av, 10GbE sobre redes EPON (Ethernet Passive Optical Network). Tiene dos modos normalizados: 10GbE/10GbE, simétrica en el down y uplink y 10GbE/1GbE, con 1Gbps en el uplink. El modo 10GbE/10GbE emplea standares como 10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASELRM y 10GBASE-KR. Un agregado importante es la Subcapa FEC, para corrección de errores en 10GbE con el algoritmo Reed Solomon RS(255, 223), y opcional en 1GbE con RS(255, 239).
4.8.1 Nivel Físico Ethernet a 10 Gbps La Tabla 4.20 resume parámetros según las variantes PMD del standart IEEE 802.3, en su revisión 2008 (Sección 4), normalizada para la operación de redes de banda base a 10 Gbps.
Tabla 4.20: Interfaces Normalizadas PHY-Medium para 10GbE (Revisión 2008). El IEEE divide las aplicaciones del Nivel Físico de 802.3 a 10 Gbps en dos variantes:
LAN PHY: Operan a una velocidad MAC de 10 Gbps y utilizan codificación 64B/66B en la Subcapa PCS para transmisión codificada en serie a 10,3125 Gbps (10GBASE-R, 10GBASE-T) ó codificación
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8B/10B en PCS para transmisión codificada en paralelo a 4 x 3,125 Gbps (10GBASE-X). El máximo radio de acción normalizado es de 40 Km en una variante 10GBASE-R.
WAN PHY: Operan a una velocidad promedio MAC de 9,621504 Gbps (10Gbps es la velocidad pico), y utilizan codificación 64B/66B en PCS más adaptación a SONET/SDH en la Subcapa WIS (10GBASEW), para transmisión codificada y adaptada a una velocidad serie de 9,95328 Gbps. Al utilizar redes de transmisión digital SONET/SDH no existe un límite geográfico, ya que los proveedores de servicios de telecomunicaciones pueden interconectar sitios separados cientos y miles de Km de distancia.
Las variantes de la Subcapa PMA para 802.3 10G se organizan sobre dos modos de transmisión de línea:
Transmisión Serie (Clausula 50): Variantes 10G R y W, bajo codificación 64B/66B a una velocidad serie de 10,3125 Gbps para R y de 9,95328 Gbps para W (velocidad de línea de OC192/STM-64).
Transmisión en Paralelo: Empleada por la variantes X (Clausulas 53: WDM, y 54: Twinaxial) bajo codificación 8B/10B en PCS, y 4 carriles de 3,125 Gbps en PMA y velocidad agregada de 12,5 Gbps, y la variante T (Clausula 55), en codificación 64B/66B en PCS y codificación LDSP y modulación DSQ128 en PMA, sobre 4 pares UTP a 2.5Gbps FD, cancelación de eco y velocidad total de 10 Gbps.
Cada variante PMD normalizada tiene un área específica de aplicación, como muestra la Tabla 4.21.
Tabla 4.21: Áreas de Aplicación de LAN Ethernet 10GbE.
4.8.2 Funciones de las Subcapas PHY en Variantes 10G La Figura 4.22 resume la interacción de las Subcapas RS, PCS, WIS, PMA y PMD junto con las interfaces XGMII, XAUI, XSBI y MDI para las variantes LAN y WAN más significativas de 10GbE. Se excluye, aunque es asimilables a las variantes R y X, el tratamiento de 10GbE para backplane de equipos (KR y KX4). Los bloques por subcapa y las velocidades del el cuadro superior corresponden a la revisión 2008 del standart 802.3 para 10 Gbps. Es notoria la simplicidad de 10GBASE-X ó R frente a la complejidad de 10GBASE-T. La Subcapa de Reconciliación (RS), que se encuentra entre la Subcapa MAC y la capa PHY, generalmente forma parte del SoC que implementa la MAC, en todos los casos transfiere 32 bits de datos y 4 bits de control dos veces por ciclo de reloj de 156,25 Mhz (DDR – Dual Data Rate). Los datos pasan por la interfaz XGMII (on-chip) ó XAUI (inter-chip), opcionales, desde y hacia la Subcapa PCS. La Subcapa PCS (Physical Coding Sublayer) contiene el codec de bloque (8B/10B, 64B/66B, 64B/65B) y, con la excepción de las variantes X, contiene un scrambler autosincronizable y bloques adicionales para el pasaje de datos con la Subcapa PMA (Physical Medium Adapter). En la serie K (backplane), contiene un módulo para la autonegociación de velocidades con 1G y 40G. La variante W es una excepción a la interfaz PCS/PMA, pues la Subcapa WIS se introduce entre ambas. WIS
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inserta y extrae bloques de bits del campo de datos de una trama SONET/SDH y administra parámetros de gestión del encabezado de trama.
Figura 4.22: Nivel Físico e Interfaz con MAC/RS para Variantes de Ethernet 10 Gbps. Para pasar datos entre Subcapas PCS y PMA, el IEEE emplea diferentes interfaces según la implementación:
Cuatro carriles de 10 bits por sentido, en CX4 y LX4, para operaciones de PMA en paralelo.
Dos carriles de 16 bits por sentido (XSBI), a 622.1 MWords/seg para la variante WAN (SW, LW y EW) y 644.5 Mwords/seg para LAN (SR, LR, ER y LRM). Para operaciones de PMA en serie, la interfaz XSBI (Sixteen Bit Interface) ha sido normalizada por el IEEE para interoperabilidad entre soluciones PMD.
Dos carriles sin definir, con velocidad agregada de 11,2 Gbps en la variante T, para el intercambio de bloques PHY de 512 símbolos DSQ128. El codec PCS opera con 50 palabras MAC de 64 bits, que codifica con 64B/65B, le agrega 8 bits de CRC y un bit de canal auxiliar para generar un bloque de 3259 bits. Este bloque es separado en 3 grupos de 512 bits sin codificar y un grupo de 1723 bits que codifica bajo LDCP (1723, 2048), que agrega 325 bits de chequeo LDPC. Los 3584 bits son agrupados en 512 bloques de 7 bits, cada uno de los cuales es mapeado en una constelación de 512 símbolos obtenidos de modulaciones DSQ128 (Double Square 128). La constelación DSQ128 se particiona en 16 subconjuntos, cada uno con 8 símbolos 2D máximamente espaciados. Los 4 bits codificados son utilizados para elegir uno de los 16 subconjuntos y los 3 bits sin codificar seleccionan un símbolo 2D de la constelación seleccionada. La trama PHY obtenida, con 512 símbolos DSQ128, es pasada a la PMA como un comando PMA_UNITDATA.request, para su transmisión. La recepción opera a la inversa.
La Subcapa PMA (Physical Medium Attachment) aísla a la Subcapa PCS de diferentes medios físicos que una misma variante puede utilizar. PMA contiene el módulo SERDES, encargado del pasaje paralelo-serie hacia la Subcapa PMD y del pasaje serie-paralelo, en la recepción de bits desde PMD, y está definida para operaciones en paralelo, con SERDES en módulo 10 bits (serie X) ó para operaciones en serie, con SERDES en módulo 16 bits (series R y W). La Subcapa PMA recupera el reloj de recepción de la señal del PMD con el módulo RXCRU. El loopback es una operación opcional de la Subcapa PMA, para tests centralizados bajo SNMP.
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En la variante 10GBASE-T, la Subcapa PMA opera en paralelo con la Subcapa PCS y el medio físico, sobre el cual opera con cuatro carriles de 800 MBauds por par UTP, en full duplex con cancelación de eco, y transporta 2,5 Gbps de datos por carril. Hacia el medio físico, PMA opera con 4 modems PAM16, uno por UTP, y ejecuta el procesamiento de cancelación de eco, pues transmite y recibe por el mismo UTP. La Subcapa PMA opera con símbolos DSQ128 utilizando 7 bits por símbolo, con 3 bits no codificados y 4 bits codificados en LDPC. La operación se basa en transmitir dos símbolos PAM16 consecutivos, que representan un símbolo bidimensional (2D) seleccionado de una constelación de 128 símbolos DSQ128 con máxima distancia matemática entre ellos. Luego de arrancar, las tramas PHY son de 512 símbolos DSQ128 transmitidos continuamente. Los símbolos DSQ128 se determinan por una etiqueta de 7 bits, que se corresponde con 3 bits no codificados y 4 bits que se codifican en pares LDPC. La trama PHY, de 512 símbolos DSQ128, se transmite con 4 modems 256 PAM16 en paralelo, sobre cuatro pares UTP, a 800 MSímbolos/seg y por UTP. La eficiencia de transferencia de datos es de 3125 bits/símbolo, lo que crea canales de 2.5 Gbps. Se estima que la enorme complejidad de la capa PHY en 10GBASE-T consume 6 TeraOps, lo cual lleva al límite la tecnología de DSP, además de requerir DAC y ADC de precisión de 800 Mhz. La Subcapa PMD y la interfaz MDI (conector) tienen diferentes complejidades en las variantes. Por ejemplo, es nula en 10GBASE-T, pues PMA tiene una interfaz directa con los híbridos que acoplan los 4 pares UTP. En la variante LX4 opera con cuatro modems ópticos de banda base que operan en WDM, con cuatro alrededor de 1300 nm, mientras que en la variante CX4, PMA opera con cuatro transceivers con señales diferenciales de 1 Volt pico-pico sobre cables twinaxiales tipo InfiniBand CX4. Los transceivers LRM permiten utilizar una fibra multimodo hasta 300 metros utilizando EDC (Electronic Dispersion Compensation), una técnica de corrección de la ISI ó Interferencia Intersímbolo. Las variantes W y R, en sus versiones S, L y E, operan con modems ópticos de banda base para 850, 1310 y 1550 nm respectivamente, para diferentes aplicaciones. Los transceivers PMD y los módulos PCS/PMA/PMD complementan la capa PHY y tienen una alta aceptación por costos, flexibilidad de reuso de los ports de una placa e interoperabilidad, y permiten una alta densidad de ports por equipo. Un aspecto que impulsa la adopción de 10GbE es la disminución de costos al aumentar la capacidad de los elementos de red, tanto en interfaces como en nodos y la preservación del espacio en nuevas instalaciones. El reaprovechamiento de conectores y cables para la interfaz X, es posible con FDDI, twinaxiales CX4 InfiniBand y otros diseñados para distancias cortas, como el cableado en datacenters, en áreas de servicio local, etc. El reuso de cables FDDI para distancias de hasta 300 metros, con FO MM de primera generación (núcleo de 62,5 m), ó segunda generación (núcleo de 50 m) es muy popular. En general, estos cables de color naranja se distinguen de los cables de color amarillo para FO monomodo (núcleo de 9 m) en la variante LRM. El uso de lasers y receptores de bajo costo es el concepto de diseño detrás de variantes de 850, 1300 y 1550 nm. Las tecnologías de lasers Fabry-Perot, DFB y VCSEL son muy utilizadas hasta 10 Km, por su bajo costo, mientras que a 40 ó más Km pueden utilizarse lasers DFB refrigerados, para presupuestos acotados.
4.8.3 Módulos Enchufables para la Capa PHY Desde el 2002, los módulos enchufables, tanto transceptores como transponders, han tenido grandes avances en menores costos, tamaño y potencia, existiendo varias generaciones concurrentes. Algunos ejemplos son:
Año 2002: Plug-in XENPAK para XAUI (4 canales a 3,1 Gbps), para 4/8 ports por placa. Consumo de 8 3 Watts y tamaño de 121 x 36 x 11,7 mm , a un costo de 11.000 U$S por enlace extremo-extremo.
Año 2010: Plug-in SFP+ (1 canal a 10,3 Gbps), para 24/48 ports por placa. Consumo entre 0,5 y 1 Watt 3 y un tamaño de 45 x 13,4 x 8,5 mm , a un costo de 500 U$S por enlace extremo-extremo.
Algunas de las soluciones que existen como standares de facto, por la actividad de los MSA, son:
XENPAK: Utiliza la interfaz XAUI y proviene de una alianza Multisource Agreement (MSA) hoy disuelta, iniciado por Agilent y Agere. XENPAK 1.0 fue normalizado en el 2001, para transceptores eléctricos u ópticos y transponders PCS/PMA/PMD a 10Gbps, y es hoy obsoleta por tamaño, costo y potencia. La versión 3.0 (2002) cubre todas las medias definidas en IEEE 802.3ae10G. XENPAK fue reemplazado por los competidores X2 y XPAK, con menor consumo y tamaño que XENPAK, pero conservando XAUI y 4 líneas de 3,125 Gbps, aunque con poco éxito comercial, en parte por estar en los inicios de 10G.
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XFP: El transceiver XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) es un standart MSA para interfaces ópticas, adoptado en el 2003 junto con la interfaz eléctrica serie XFI hacia la placa madre (10,3 Gbps). La alianza MSA se mantuvo hasta el año 2009. Es utilizable en Fibre Channel, 10GbE, SONET, SDH y OTN. Contiene funciones de test y opera sobre FO SM monohaz ó DWDM, cubriendo las tres ventanas normalizadas. Puede implementar las funciones PCS/PMA/PMD sobre una interfaz XFI, que transforma XAUI en una interfaz serie no adoptada por el IEEE. Con un tamaño de 7.8 cm x 1.83 cm x 0.85 cm, es menor que XENPAK y mayor que SPF, Permite el montaje de disipadores térmicos.
SPF: El transceiver SPF (Small Pluggable Form) es un standart MSA que reemplaza a la interfaz GBIC (1GbE) para mayor densidad de ports por placa. Algunos fabricantes utilizan un código en el firmware para forzar la compatibilidad solo con sus placas madre. SPF opera en medios ópticos CDWM, DWDM ó eléctricos (UTP, twinaxial, coaxial) hasta 4,5 Gbps sobre Fibre Channel, Ethernet y SONET, y pueden excitar FO monomodo hasta 80 a 120 Km. Contienen EEPROM con parámetros de configuración y test y utilizan conectores LC hacia la red, más conectores de 20 pines SFF (Small Form Factor) en la placa madre. Tiene un tamaño de 5.65 cm x 1.34 cm x 0.85 cm, y un consumo variable, según la aplicación.
SPF+: Utiliza la interfaz serial SFI, y es un transceptor electro-óptico desarrollado por una MSA que se basa en enriquecer prestaciones de los SPF (Small Pluggable Form), para operaciones hasta 10 Gbps. Introducido en el año 2006 por el grupo T11 Fibre Channel de ANSI, fue mejorado en el año 2009 con múltiples aplicaciones como Fibre Channel (8Gbps), 10GbE y OTN (Optical Transport Network, OTU2). Tiene la capacidad de compensar la ISI de origen externo como interno y permite fabricar placas con 48 ports en racks de 19”, por su reducido tamaño de 45 x 13,4 x 8,5 mm3.
4.8.4 Jitter de Fase del Reloj en 10 Gbps Las señales de banda base a 10 Gbps operan con codificación NRZ a 1,25 ó 5 Ghz ó modulación a 800 Mhz. El standart IEEE 802.3ae especifica que el reloj de la interfaz MDI deben tener una estabilidad de 100 ppm para redes LAN y de 20 ppm para una interfaz WAN. Esta interfaz es SDH STM-64 con un VC-4-64c, en el que una trama MAC 10G debe mapearse utilizando una codificación 64B/66B. Los períodos de las señales serie de línea varían entre 97 y 400 picosegundos. Existe una importante diferencia en la precisión de 4.6 ppm exigida en SDH, lo que puede originar alarmas si el número de justificaciones de punteros AU en SDH es elevado, para mantener el sincronismo entre el VC y la trama MAC. Por ello, la precisión del reloj de la interfaz IEEE 802.3ae debe ser ajustada, para alinearse con los requerimientos SDH/SONET. Un mecanismo es el alineamiento de relojes 10G-SDH mediante la inserción ó eliminación de octetos nulos (idle), según está detallado en el standart IEEE 802.3ae, sección 49.2.4.7. El diseño interno de la capa PHY y la longitud de los cables afectan la estabilidad de los relojes, introduciendo jitter de fase, que genera errores en la detección de bits por la incertidumbre de su posición respecto del reloj recuperado de la señal entrante. El jitter total debe ser mejor que +/- 25 pseg a 10 Gbps. -12
Todas las interfaces IEEE 802.3ae deben cumplir una tasa de errores BER inferior a 10 a 10 Gbps, lo cual está vinculado con el jitter de fase y con la relación SNR, e implica un error cada 100 segundos ó mejor. Un ejemplo es un cable standart FDDI con FO MM 62.5 m (legacy), que puede acumular un jitter de hasta 157 pseg en 300 metros debido a la distorsión en modo diferencial, solo aceptable en un canal de 3,125 Gbps. La inserción de tramas 10G en redes SONET/SDH requiere de especificaciones más severas, 500% mejor que en aplicaciones LAN, ya que estas redes tienen severos requerimientos para jitter y estabilidad del reloj. El diseño de la capa PHY y del cableado debe ser muy estricto, en particular con FO MM, pues agregan jitter a la señal óptica en forma creciente con la distancia por el ruido óptico de propagación multimodo. Lo mismo se aplica a pares trenzados de cobre CX4 más allá de 50’ (15 metros). La variante LRM de 10G fue introducida como una solución a estos problemas, al utilizar EDC, una ecualización adaptativa de línea que minimiza la ISI.
4.8.5 Interfaces con Redes SONET/SDH Según la norma 802.3 (Rev. 2008), el Nivel Físico para redes WAN está concebido para interfaces directas con SONET STS 192c (ANSI) ó SDH VC-4-64c (ITU-T), a una velocidad de línea de 9,95328 Gbps.
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La Subcapa WIS (WAN Interface Sublayer) interactúa entre las Subcapas PCS y PMA y adapta tramas 10GbE al encapsulado y velocidad requerido por SONET/SDH. La Figura 4.23 esquematiza una trama SONET/SDH y sus componentes, con una duración de 125 seg. SONET/SDH, a una velocidad de línea de 9,953280 Gbps, provee 9.58464 Gbps para datos PHY– PHY, y cae a 9,294 Gbps para transferencia de datos MAC–MAC. WIS agrega un mínimo de datos de encabezamiento. El mecanismo de ajuste de WIS en la transmisión es el descarte de caracteres de control Idle, creados por la MAC, en el Inter Packet Gap (IPG). En recepción, agrega caracteres de control Idle en el IGP para conciliar la velocidad de RX_CLK de XGMII. La capa PHY utiliza buffers que almacenan varias tramas Ethernet. Una trama SONET/SDH puede transportar cerca de 100 tramas Ethernet de máxima longitud en 125 seg, por lo que la reducción de velocidad depende del caudal de la Subcapa MAC, que puede requerir control de flujo.
Figura 4.23: Trama Cliente SONET/SDH (9.95328 Gbps) para Ethernet 10Gbps. SONET y SDH tienen pequeñas diferencias en los campos de encabezamiento de tramas. Como el diseño de una Subcapa WIS que cumpla un 100% con SONET y SDH sería costoso y complejo de implementar, WIS encapsula las tramas Ethernet con la mínima información requerida para que la trama WIS sea aceptada en las redes digitales de transmisión. WIS provee un conjunto mínimo de datos sobre alarmas, como: ruido ó fallas en TX ó RX, calidad, disponibilidad del enlace, etc. WIS no es compatible con prestaciones de protección de fallas. Otras incompatibilidades tienen que ver con la estabilidad de los relojes, el jitter de fase, la longitud de onda óptica utilizada y la base de gestión MIB. Las redes SONET/SDH tienen niveles de exigencia superiores a las redes 802.3 y se basan en equipos de 1310 y 1550 nm.
4.9
40 y 100 Gigabit Ethernet
4.9.1 Introducción El standart IEEE 802.3ba (2008, corregido en el 2010) unifica las especificaciones de Ethernet a 40 y 100 Gbps (40GbE y 100GbE) en una única norma, basada en emplear múltiples canales de 10 y 25 Gbps con cables en paralelo ó mediante multiplexación óptica WDM. El standart, desarrollado por la IEEE P802.3ba Ethernet Task Force, propone un conjunto de interfaces para interconexiones en backplanes, datacenters, redes MAN y WAN. El standart IEEE 802.3bg para 40GbE (Marzo 2011), completa el rango de soluciones con interfaces FD en un único canal serie, compatible con multiplexores ADM en redes OTN, SDH y SONET (Ej.: 40 Gbps POS). El siguiente resumen presenta objetivos aprobados para el Nivel Físico de Ethernet 40GbE y 100GbE.
Hasta 1 metro: 40 Gbps sobre un backplane de hasta 1 metro, con 4 pares de líneas de transmisión de cobre operando a 10 Gbps. Interfaz 40GBASE-KR4.
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Hasta 10 metros: 40 y 100 Gbps en ensambles de cable twinaxial con 4 y 10 señales de 10 Gbps y conectores especializados SFF-8642 y SSF-8436 para interconexiones en bastidores. Los cables están certificados para operar hasta 6 Ghz. Las interfaces definidas son 40GBASE-CR4 y 100GBASE-CR10.
Hasta 125 metros: 40 Gbps y 100 Gbps sobre 4 y 10 pares de cables de FO optimizada multimodo en paralelo (OMMF), con laser de 850 nm hasta 100 metros (FO OM3) y 125 metros (OM4). Las interfaces definidas son 40GBASE-SR4 y 100GBASE-SR10.
Hasta 10 Km: 40 Gbps y 100 Gbps sobre cables de FO monomodo (SMF), en instalaciones desde 250 metros hasta 10 Km, utilizando 4 canales WDM de 1300 nm, a 10 Gbps y 25 Gbps. Las interfaces que se han definido son 40GBASE-LR4 y 100GBASE-LR4
Hasta 40 Km: 100 Gbps sobre cables de FO monomodo (SMF) con cuatro canales WDM de 1300 nm, cada uno operando a 25 Gbps. La interfaz definida es 100GBASE-ER4. El IEEE estudia la posibilidad de un nuevo standart para 40GbE a 40 Km (40GBASE-R), utilizando cuatro canales WDM de 1300 nm, cada uno operando a 10 Gbps. El mayor impacto es el desarrollo de un nuevo CFP compatible con la Subcapa PMD de la interfaz 40GBASE-LR4 para 10 Km.
Hasta 2 Km: En Marzo 2011, el standart IEEE 802.3bg define 40GbE utilizando FO monomodo (SMF), y canales serie de 40 Gbps, tal que la interfaz tenga la capacidad de recibir señales de 1550 ó 1310 nm. El standart define un SFP con transceptor en 1550 nm, compatible con interfaces de 40 Gbps en ADM de redes SDH STM-256 y SONET OC-768. La interfaz definida es 40GBASE-FR.
El IEEE trabaja en el standart 802.3bj, esperado en el año 2014 y supervisado por la Backplane Ethernet Task Force IEEE P802.3ap. El standart opera a 100 Gbps en backplanes de hasta 1 metro, e instalaciones de hasta 5 metros con cables twinaxiales empleando 4 líneas de 25 Gbps. Para compatibilidad histórica con Ethernet, el standart IEEE 802.3ba preserva el formato de trama MAC 802.3, -12 mantiene los tamaños mínimos y máximos de tramas Ethernet, opera en full duplex, demanda un BER de 10 en la interfaz MAC-PHY y detalla los procesos en subcapas físicas para las variantes descriptas más arriba. El despliegue inicial de interfaces de 40GbE y 100GbE se ha dado en routers de backbone en redes MAN y WAN, para crear infraestructura de alta capacidad con menores costos operativos que utilizando la agregación N x 10 GbE en WDM. Se cree que la adopción masiva de 40GbE y 100GbE comenzará hacia el 2015, cuando la migración a ports 10GbE en hosts y switches LAN de datacenters genere cuellos de botella, al ser cada vez más frecuente el uso de interfaces 10GbE en paralelo en hosts/servers de alta performance y la complejidad de este contexto genere cada vez mayores costos operativos, consumo de espacio y energía. Respecto del párrafo previo, en el 2012, la base instalada de interfaces 10GbE en datacenters recién se ubica cerca del 30 del total de ports, siendo dominante el uso de ports 1GbE. El total de servers con ports 10GbE en modo nativo en motherboards es aún pequeño, pero se estima que crecerá fuertemente desde mitad del 2012 en adelante. La adopción de interfaces de 40GbE y 100GbE en servers está aún a varios años en el futuro. Se estima que el segmento de servers con 40GbE integrado no se desarrollará hasta el 2015 ó despues y que su adopción masiva por substitución de 10GbE, será visible entre el 2018 y el 2020. Es posible que el uso de 40GbE se relegue la conectividad servers-switches LAN, con los demás subsistemas operando a 100GbE. Consultoras como IDC estiman que la base instalada de servers superaba los 35 millones en el 2011, con una tasa de crecimiento CAGR del 10% hasta el 2013, cuando llegaría a 41 millones de servers. Casi el 50% tiene 5 años ó más, y un 35% tiene de 1 a 3 años de antigüedad, con un ciclo de reemplazo promedio de 10 años. La adopción de 40GbE y 100GbE plantea complejidades prácticas con los nuevos cables e interfaces de cobre y de FO en paralelo en datacenters (8 y 20 pares), factores que puede retrasar la actualización masiva varios años, hasta que desarrollar una solución práctica como con las interfaces de 10GbE en datacenters. El uso de ports 40GbE y 100GbE en los routers de acceso a redes MAN y WAN aumentará con su empleo en el uplink de los switches LAN para agregación de tráfico off-net en datacenters, en la medida en que su uso sea más conveniente que el transporte actual, basado en 10GbE ó agregaciones N x 10GbE sobre WDM. Es importante considerar que se estima que el número global de datacenters es cercano a los 500.000 (2012) y que, aunque el promedio global indica unos 70 servers por datacenter, existe una alta densidad de servers en datacenters mayoristas de USA, Europa y varios países de Asia-Pacífico, que serían los primeros en adoptar las nuevas interfaces de 40GbE y/o 100GbE, por el enorme ahorro en todo tipo de costos operativos.
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Las complejidades tecnológicas de IEEE 802.3ba implican un gran esfuerzo de investigación y desarrollo para preservar las características de Ethernet y solucionar problemas en interfaces con buses de nodos y hosts, en las Subcapas MAC y PHY e interfaces con medios físicos con módulos SFP para FO ó interfaces para cobre. Los módulos ópticos enchufables, con transceptores, ecualizadores y diversos procesadores, no son standares del IEEE, y requieren del consenso de fabricantes agrupados en consorcios MSA (Multi Source Agreement), los que son creados ad-hoc para normalizar módulos como CFP (C Form-factor Pluggable), QSFP, CXP, etc.
4.9.2 Procesos en el Nivel Físico La Figura 4.24 muestra subcapas e interfaces del standart IEE 802.3ba para 40 y 100 GbE. En la práctica actual, el nivel en microelectrónica y óptica integrada permite fabricar, con uno ó dos chips y un módulo óptico enchufable, la Subcapa MAC y todas las subcapas del Nivel Físico para interfaces entre 100 metros y 40 Km. El standart IEEE 802.3ba denomina las interfaces AUI (Attachment Unit Interface) para extensiones en 40GbE y 100 GbE como XLAUI y CAUI. Estas interfaces se utilizan en diferentes interconexiones entre las Subcapas MAC y PHY, sea entre chips, de un chip a un módulo óptico ó de un chip al backplane, en longitudes inferiores a 10 pulgadas, utilizando conectores no definidos en 802.3ba. La Subcapa RS es una función integrada a MAC. Las interfaces XLGMII y CGMII se definen en el standart IEEE como buses de 64 bits, operando a 625 MHz para 40 GbE y a 1.5625 GHz para 100GbE. Como las transferencias sobre estas interfaces son intra-chip, es común reducir las velocidades de los relojes, tal que XLGMII ó CGMII pueden operar con 128 bits (40 Gbps) y con 512 bits (100Gbps) operando a 312.5 Mhz, ó utilizar DDR y relojes de 156.25 Mhz. Las interfaces XLGMII y CGMII se definen para conexiones intrachip, y XLAUI y XCAUI se emplean en las conexiones interchip con codificación 64B/66B y velocidades nominal de línea de 10.3125 Gbps. La recepción en la Subcapa PCS para 40/100GbE consiste en un FIFO para compensación de fase, un módulo para alineamiento de fase entre carriles, demultiplexores de 4 ó 10 carriles físicos hacia 20 carriles virtuales, la detección y eliminación del block de alineamiento, el ajuste de deslizamientos en los carriles, desaleatorizador X58, decodificador 64B/66B, detector y monitor de BER y otras funciones. Para transmisión, la Subcapa PCS es más simple, incorporando el codificador 64B/66B y el multiplexor de canales virtuales a canales físicos.
Figura 4.24: Variantes de Interfaz Nivel Físico – Medio de Transmisión para 40G y 100G Ethernet.
La Subcapa MAC 40/100 GbE soporta full duplex, gestión del encapsulado de tramas Ethernet, la inserción y eliminación automática de rellenos para tramas cortas, la subcapa de reconciliación, con detección y reporte de fallas de enlace, detección y reporte de errores FCS, control de flujo Ethernet y gestión de I/O de data (MDIO) en el módulo CFP.
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MAC y PCS interactúan con transmisiones en paralelo de carriles a 10.3125 Gbps, según la función MLD (Multi Lane Distribution), que usa 4 carriles virtuales en 40GbE y 20 carriles virtuales en 100GbE. MLD implementa monitoreo de estado, reportes y corrección de deslizamientos de símbolos en los carriles. Los módulos CFP requieren chips para la multiplexación 10:4, para operar con interfaces eléctricas de 25 Gbps a partir de los carriles de 10 Gbps, lo cual es empleado en interfaces 100GBASE-LR4 y 100BASE-ER4. El uso de 20 carriles virtuales en 100GbE permite variaciones en módulos ópticos, como ser 10 carriles físicos de 10Gbps para 100GBASE-SR10 y 4 carriles físicos a 25 Gbps para 100GBASE-LR4 y 100GBASE-ER4. Los datos de los carriles físicos se dispersan en los 20 carriles virtuales. En 40GbE, los 4 carriles virtuales se mapean en 4 carriles físicos.
4.9.3 Procesos para Transmisión a Grandes Distancias Todas las instalaciones con interfaces 40GbE y 100GbE definidas en los standares IEEE 802.3ba y 802.3bg, hasta una distancia de 40 Km, utilizan codificación directa NRZ de la señal óptica y calibración manual para corregir diferentes degradaciones originadas en la dispersión óptica por la propagación. Cuando se requieren interconexiones 40GbE y 100GbE a grandes distancias, en redes MAN y WAN, que utilizan las instalaciones DWDM existentes en sistemas de transporte óptico sobre FO terrestres y submarinas, es necesario controlar degradaciones en la propagación de señales ópticas en paralelo, pues los pulsos ópticos de casi 40 picosegundos en el transmisor son recibidos con un importante nivel de ISI, que se debe compensar utilizando modulación ó codificación coherente. Las técnicas coherentes concilian dispersiones lineales como PMD (Polarization Mode Dispersion) y cromática, y otras degradaciones ópticas no lineales en segmentos de redes OTN y SONET/SDH, y son costosas y complejas de implementar por las velocidades involucradas. La PMD, una dispersión modal originada en imperfecciones y asimetrías aleatorias en fibras ópticas, aumenta con la velocidad de línea y causa que pulsos transmitidos en paralelo a diferentes longitudes de onda arriben a intervalos aleatorios a un repetidor ó una terminal de red, donde deben regenerarse ó recrear la señal original. Para compensar la PMD se han desarrollado diversas técnicas de modulación óptica, aunque Por ejemplo, las técnicas de modulación óptica para recepción coherente a 40 Gbps, en MAN y WAN, son:
ODB (Optical Duobinary): Junto con DPSK, es uno de los primeros esquemas de modulación utilizados en 10GbE y 40GbE. Mejora la tolerancia a PMD y la eficiencia espectral, facilitando su uso en DWDM. Utiliza un ancho de banda inferior a rb/2, con un pulso que tiene ISI de símbolos previos, excepto en el punto de muestreo. Por el ISI, la señal duobinaria es más amplia en el tiempo y la señal óptica es ternaria (+1, 0, -1), lo que genera un espectro más angosto.
DPSK (Diferential PSK): Se codifica la fase de la señal óptica con transiciones de +/- 180º y provee el valor más alto de SNR óptico. Se utiliza en sistemas DWDM con portadoras espaciadas 50 Ghz.
DQ-PSK (Optical Diferential Quadrature PSK): Esquema utilizado casi en el 50% de instalaciones para 40GbE que emplean modulación en lugar de inserción directa NRZ. La señal se codifica en QPSK, con un ancho de banda cercano a rb/4 Hz. Posee alta tolerancia a dispersiones cromáticas y PMD.
DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature PSK): Permite el transporte de dos señales ópticas con una diferencia de fase de 90º (ortogonales) en el mismo ancho de banda, duplicando la eficiencia espectral. Cada señal está codificada en QPSK, por lo que el ancho de banda es un poco mayor que rb/4 Hz. La tecnología permite mayores distancias en FO, tiene alta SNR óptica y tolerancia a dispersión PMD. El empleo de detección coherente y el procesamiento digital de señales (DSP) permite ecualizar fase y amplitud en recepción y corrigen degradaciones ópticas. Se utiliza en 40GbE y 100 GE.
DP-BPSK (Dual Polarization – Binary PSK): Este esquema ocupa el doble del ancho de banda que con QPSK, pero tiene mayor OSNR y con ello más robustez. Se utiliza para transmisiones a gran distancia en redes ópticas terrestres y submarinas.
El empleo de esquemas de detección coherente de señales ópticas es standart para interfaces 100 Gbps y de uso creciente en transmisiones a 40 Gbps, donde reemplazan la codificación ó directa de los primeros productos en el mercado. La detección coherente a 40 Gbps emplea procesamiento digital de señales en la
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banda base del receptor para compensar el efecto de degradaciones ópticas lineales como la dispersión cromática y PMD (dispersión de modo polarizado) utilizando filtros FIR, y para corregir parcialmente degradaciones no lineales como el ruido de fase no lineal y las interferencias intrabanda por mezcla de ondas ópticas. Si se emplean DSP capaces de operar a velocidades de 40 Gbps, se solucionan fenómenos como las degradaciones variables en el tiempo, permitiendo simultáneamente el uso de codificación FEC avanzada. Entre el 2009 y el 2011, la modulación DQ-PSK se utilizó más del 50% del total de ports, y su uso aumenta. Las primeras tecnologías empleadas, ODB y DPSK, van siendo reemplazadas por DP-QPSK y DQ-PSK. El desarrollo de DSP para operar con interfaces a 100 Gbps (4 x 25 Gbps) se encuentra en una etapa inicial, con costos muy elevados para prever su disponibilidad comercial en los próximos años. Algunas tecnologías para DSP en FPGA actualmente disponibles en el mercado, para interfaces de 40 Gbps, proveen un poder de cómputo de 200 GFlops en precisión simple, con geometrías de 30 nm, para disminuir el consumo de potencia.
4.9.4 Microelectrónica y Placas de Línea para 100 GbE La Figura 4.25 es una representación de una placa de línea de 400 Gbps utilizable para construir un switch LAN ó un router de alta capacidad, utilizando un conjunto de FPGA y ASIC de 100, 200 y 400 Gbps, que representan el estado del arte en microelectrónica de 30 nm a fines del año 2012, descartando utilizar el único NPU de 400 Gbps existente, desarrollado in-house por el mayor fabricante de equipos de comunicaciones. Las funciones representadas son típicas en una placa de línea de un nodo de alta capacidad, como ser el chip MAC de 100 Gbps, que contiene 8 SERDES 64X, para operaciones internas en canales de 390 MWord/seg. La placa utiliza interfaces Interlaken, desarrolladas en el 2006 por Cisco y Cortina, para transferencias interchip a elevadas velocidades serie, disminuyendo el número de pins mediante SERDES (serializador/deserializador). Interlaken puede trabajar con hasta 6.25 Gbps por pin ó carril, que son aleatorizados, e integrar paquetes de datos transmitidos en carriles en paralelo, permitiendo su empleo a 100Gbps ó más (Ej.: 20 x 6.25G, 10 x 12G, 12G x 10, etc.). Interlaken utiliza un código de línea 64B/67B para paquetes con palabras (words) de 8 bytes, con un header y un CRC de 24 bits. Los paquetes se transmiten en ráfagas de múltiples palabras, delineadas por una palabra de sincronismo, que permite enviar mensajes control de flujo Xon/Xoff.
Figura 4.25: Esquema de Placa de Línea de un Nodo L2 ó L3 con 4 Interfaces 100GbE. Los chips MAC se conectan con procesadores de tramas ó paquetes, en este caso una sección frontal FPGA de un NPU, que descarga trabajo de conmutación L2/L3 del NPU del sistema general. Este NPU Offloader
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opera a 200 Gbps (Altera, Xilinx, Achronix) y puede utilizar RAM DDR3 externa para ampliar las tablas LUT internas. Entre las funciones del NPU Offloader se cuentan el manejo de las colas de espera de TX y RX, la gestión del tráfico, reenvío (forwarding) de tramas y paquetes, marcado de paquetes y procesos LUT (Look Up Table) sobre el tráfico transmitido y recibido. La gestión de una interfaz 100GbE full duplex implica almacenar tramas cada 60 nseg (370 nseg para 9KB) para su procesamiento, lo que requiere operar a más de 200 Gbps por interfaz 100GbE. Los FPGA pueden extender su memoria interna con RAM DDR3 externa, en transferencias de hasta 2.1 GT/seg y utilizar los DSP para procesos intermedios en la conmutación L2/L3. En algunos productos, un FPGA de alta potencia integra múltiples núcleos de CPU como ARM Cortex-A9 y equivalentes, junto a la lógica programable ya disponible. Si se utilizan fábricas externas para conmutación a 100 Gbps, Broadcom, Fulcrum y Marvell ofrecen chips ASIC que operan a velocidades serie de 4 x 10.3 Gbps para backplanes de 40 Gbps (40GBASE-KR4) ó pueden usar interfaces propietarias. Los chips ASIC pueden proveer ventajas sobre FPGA en términos de su especialización. Cabe remarcar que las soluciones SoC 100GbE implementan casi la totalidad de la lógica de placa de la Figura 4.25 en un único chip que integra NPU, MAC, PHY, sincronismo y OA&M, que solo requiere memoria externa para tablas y buffers. Con la integración de múltiples núcleos en multi-threading, se pueden procesar decenas de paquetes por núcleo a la vez, alcanzando una performance de 300 millones de paquetes/seg en un único chip, donde se proveen múltiples funciones de niveles L2, L3 IPv4 e IPv6, MPLS, OA&M, estadísticas y timing. A inicios del 2013, solo Alcatel-Lucent dispone de un NPU L2-L7 de 400 Gbps FD placas de línea de routers con 4 x 100GbE. Otros fabricantes proveen hasta 2 x 100GbE por placa, como máximo. Para capacidades superiores a 400 Gbps por NPU, para placas de routers con densidad mayor a 4 x 100GbE puede residir en nuevas tecnologías FPGA/ASIC de 22nm, con la ayuda de integración electro-óptica on-chip. Limitaciones en la transmisión sobre líneas de cobre de PCB cerca de 50 Gbps puede impulsar estas y otras tecnologías como el desarrollo de chips 3D, con conexiones in-chip verticales, y con la capacidad de integrar capas heterogéneas separadas por un substrato aislante e interconectables con barras verticales integradas en los chips, pero implementaciones comerciales se ubican al menos un par de años en el futuro (2015-2017).
4.9.5 Módulos Ópticos El desarrollo de módulos ópticos para 40GbE y 100GbE comprende una variedad de soluciones entre las que CFP (C Form-factor Pluggable) para 40GbE y QSFP+ para 100GbE son las más comunes. Estos módulos son utilizados en otras aplicaciones de datacenters, como en interfaces Fibre Channel e Infiniband, y son standares de facto, desarrollados por consorcios industriales MSA (Multi Source Agreements), como el consorcio 10x10 MSA (2010), el comité SFF (Small Form Factor committee, 1990), el MSA CFP, el MSA X40 Working Group y otros. Los MSA suplen el vacío normativo del IEEE, por los múltiples usos e intereses comerciales en el tema. Los MSA tienen un rol normativo para permitir interoperabilidad multivendedor en aplicaciones de datacenters, y han funcionado muy bien con los standares 1GbE y 10GbE. Sobre los nuevos standares para 40/100GbE no existen posiciones tan homogéneas como en los precedentes, debido a diferentes soluciones disponibles. El módulo QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) ó QSFP+ es un transceptor enchufable en vivo, para su empleo en 10 Gbps 4X, con routers, switches, hosts y otros subsistemas de datos para adaptar ports 40GbE, Serial SCSI , Fibre Channel e Infiniband 20G/40G con cables de FO. Provee los transceptores ópticos para la interfaz y está definido en el standart industrial SFF-8436 de la serie T11. Se utilizan para 4 x 10GbE, 10GbE ó 40GbE, y el módulo ha sido especificado para soportar FO de los tipos MMF ó SMF ó cables de cobre y se utiliza en distancias cortas (40GBASE-SR4), aunque está definido para grandes distancias (40GBASE-SR4). Existen módulos comerciales QSFP+ para interfaces 40GBASE-LR4. La Especificación SFF-8436 del SFF (Small Form Factor committee, 1990) define un conector con 38 contactos eléctricos entre el módulo QSFP y el host, una interfaz de gestión de monitoreo y configuración, y detalla specs lógicos, mecánicos y eléctricos de los contactos y el módulo QSFP, que consume entre 1.5 y 3.5 Watts, según la velocidad de línea. En la Figura 4.26 se presentan dos esquemas típicos de módulos QSPF y CPF. El módulo CFP (C Form-factor Pluggable) está especificado por el CFP MSA (CFP Multi Source Agreement, 2009) para el uso en interfaces Ethernet a 40 Gbps y 100 Gbps ó Infiniband a 120 Gbps. CFP utiliza 148 pines y tiene dimensiones de 13.6 cm x 8.2 cm x 1.36 cm. Los módulos CFP pueden consumir muy alta potencia a
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100 Gbps y grandes distancias (20 a 60 watts con tecnologías 2012), y pueden requerir disipadores en su parte superior. El MSA X40 Working Group ha colaborado en el desarrollo de módulos para 40 Gbps para operar en el rango de 0.2 a 10Km, utilizando cuatro canales CWDM según las propuestas del standart IEEE 802.3ae tipo LX4 (1350nm/1325nm/1300nm/1275nm) ó con la ITU-T Rec. G.694.1 (1350nm/1330nm/1310nm/1290nm).
Figura 4.26: Ejemplos de Módulos Ópticos CFP y QSFP. Los CFP se utilizan en interfaces a 40 ó 100 Gbps con fibras MMF y SMF, con control térmico y de EMI, y con un diseño mecánico, de conectores eléctricos 10 x 10 Gbps y ópticos, normalizando el uso de los pines, de la interfaz de gestión MDIO y el hardware requerido en el sistema host donde se enchufan. Los CFP se alimentan del sistema host con 3.3V y hasta 10A, y soportan una disipación de potencia de hasta 32 Watts. Los módulos CFP MSA están diseñados para su ensamble dentro del host, mediante un sistema de encajes y rieles, que contemplen CFP con y sin disipadores de calor. La Figura 4.27 muestra la conexión entre un módulo CFP actualmente comercializado y un nodo host que tiene una interfaz CFP de 100 Gbps. Se observa que la Subcapa PCS del Nivel Físico está integrada al chip MAC, y que el CFP contiene transceptores, multiplexores y drivers de alta velocidad y alto consumo de potencia (casi 30 Watts para 40 Km en el 2012). Las conexiones del CFP con el sistema host se basan en 10 carriles de 10Gbps por sentido, y permite enlaces hasta a 10 Km con las interfaces de línea óptica a 10 x 10 Gbps (100GBASE-LR10) y cables planos de 24 FO MMF de 850 nm, e interfaces de línea óptica a 4 x 25 Gbps (100GBASE-LR4), mediante 4 canales WDM en un par de cables de FO SMF de 1310 nm. Para conexiones hasta 40 Km, existen soluciones comerciales para interfaces 100GBASE-ER4 en cables SMF de 1550 nm y 4 carriles de 25 Gbps sobre 4 longitudes de onda WDM. Los CFP comerciales en interfaces tipo 100GBASE-ER10, hasta 40 Km, no son prácticas por los cables planos de 28 FO. Los transceptores soportan 100 Gbps (100GbE u OTU-4 en OTN) ó 3 x 40 Gbps (40GbE, OTU-3 en OTN ó interfaces STM-256/OC-768).
Figura 4.27: Interfaz de un Módulo Óptico CFP 100G con la Placa Madre de un Host. Los módulos CFP MSA 100 Gbps tienen definido un camino de desarrollo, especialmente con 4 carriles de 25 Gbps, que promete disponer de 8 canales 100G en módulos CFP2 hacia el 2013, 16 canales 100G en módulos CFP4 hacia el 2014, y 32 canales 100G en módulos CFP4 DD hacia el año 2015. Estos módulos, basados en CMOS, permitirán desarrollar equipos del tipo blade con capacidades de conmutación de varios Terabits/seg y utilizar la tecnología para CPF con un consumo inferior a 12 W. Ver Figura 27
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El módulo CFP2 tendrá la mitad del tamaño de un CFP, consumirá menos de 12 W, mientras que el módulo CFP4, con la mitad del tamaño de CFP2, utilizará un máximo de 5 W, y tendrá un tamaño equivalente al módulo QSFP+. Las tecnologías de CFP2 y CFP4 serán utilizadas, también, en interfaces para 40GbE.
4.9.6 Tecnologías para Nodos y Hosts a 100 Gbps El borrador del standart IEEE 802.3ba se anunció en el 2008, complementando otros proyectos de la industria para desarrollar la transmisión de datos en redes MAN y WAN a 40 y 100 Gbps (SDH/SONET, OTN). Para la transmisión a tales velocidades sobre fibra óptica se necesitan solucionar numerosos problemas como ser las degradaciones de las señales ópticas a grandes distancias, por dispersión cromática y del tipo PMD. También se requieren nuevos DSP y ADC de muy alta velocidad (cientos de GFlops), microelectrónica de 30nm, PIC (Photonic Integrated Circuits) con integración electro-óptica, modulación y detección coherente, nuevos materiales y conectores, procesadores NPU de muy alta capacidad para routers, switches LAN y placas NIC, nuevos buses PCI y mejores para backplanes y motherboards de servers de muy alta capacidad, estudio de soluciones multinorma 10GE/40GbE ó superior, instrumental y técnicas de medición y tests, etc. El contexto de desarrollo de equipamiento con transmisión electro-óptica serial a 10 ó 20 Ghz es muy complejo y entra en conflicto con la transmisión en líneas de cobre de PCB, canalizaciones DWDM a 50 Ghz, etc., y requiere de nuevas soluciones tecnológicas muy superiores a las actualmente disponibles. El desarrollo de una nueva generación de sistemas de procesamiento y comunicaciones operando a 100Gbps, requiere la maduración de nuevas tecnologias para fabricar comercialmente routers, switches LAN, servers, sistemas de almacenamiento, cables, materiales y otros elementos necesarios en la nueva infraestructura. En el área de la conmutación de paquetes de datos, algunas consideraciones sobre tecnologías clave se basan en el uso de geometrías avanzadas de 30 nm, para velocidades de cientos de Gbps con consumo de potencia y tamaños de chips adecuados. Algunos de los componentes requeridos a costos, tamaño y consumo de potencia razonables son:
Network Processor Units (NPU) para routers de 1 Tbps y superior, capaces de procesar Ethernet, IP/MPLS y tráfico de niveles L4 a L7, para fabricar placas de routers con suficiente densidad de ports. Un ejemplo serían módulos de 12 ports de 40GbE más 4 ports de 100GbE ó de 12 ports de 100GbE para el backbone de redes, con una latencia promedio (RTT) inferior a 500 nanosegundos en la conmutación de un paquete IP/MPLS entre dos ports de la misma placa y una latencia no muy superior entre dos ports de diferentes placas del router. Tal capacidad de un NPU monochip es un incremento de 3 veces sobre el NPU más avanzado (400 Gbps, 2013).
Núcleos (Switching Fabrics) ASIC, FPGA ó nuevas tecnologías y NPU con múltiples transceptores serie por chip, operando a 28 ó más Gbps, para switches LAN con 48 x 10GbE más 12 x 40GbE ports ó 24 x 48GbE más 12 x 100GbE, con una capacidad mínima de menos 2 Tbps full duplex, y latencias de 250 nanosegundos interport, para aplicaciones en datacenters.
Memorias RAM superiores a DDR-4 2500 Mhz, para operar a más de 5 GT/Seg (más de 1.2 Tbps).
Buses internos normalizados superiores a PCIe 3.0, para interconectar diferentes subsistemas en PCB a velocidades superiores de hasta 8GT/seg full duplex, con codificación 128B/130B, normalizados por el consorcio industrial PCI Special Interest Group.
Unidades de discos de estado sólido, en buses internos, para transferencias sostenidas a 4.9 GB/seg ó 12.5 GB/seg entre subsistemas de almacenamiento y ports 40GbE ó 100GbE, sin mediación de CPU. Tales velocidades son muy superiores a las disponibles con discos rígidos a 15.000 rpm (0.3 GB/seg) ó los discos de estado sólido actuales, con un máximo de 1GB/seg.
Nuevos módulos ópticos CPF4+ con solo un par de cables de FO monomodo y conectores simples tipo LC, que eliminen los cables de FO planos con 10/12 pares de FO actuales.
Subsistemas como buses internos para interconexiones entre módulos a velocidades de 1 Terabit/seg ó más, interfaces PHY y módulos ópticos para 40 y 100 Gbps, chipsets de 30 nm ó menor, etc.
Mejoras en tecnologías SAN (Storage Area Networks) e interfaces como Fibre Channel, FCoE y otras.
Desarrollos de chips con integración electro-óptica, para DSP de ultra-alta velocidad para procesar la corrección de degradaciones en la transmisión óptica coherente a 100 y 400 Gbps, sobre enlaces del tipo serial ó multi-carril.
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Desarrollo de chips 3D, con capas activas de silicio aisladas por capas pasivas, interconectadas con 2 hasta 6.000 enclaves verticales de 40 micrones en un chip de 10mm , capas activas heterogéneas. Esto permite integrar en un chip 3D de cualquier combinación de sustratos: memorias, ASIC, FPGA, fotónica, DSP, etc., y llevar el límite de velocidades de conexiones chip-chip hacia los Terabits/seg.
4.9.7 Disponibilidad de Routers y Switches LAN con Ports 40GbE y 100GbE Los mayores fabricantes de routers del mercado (Huawei, Cisco, Juniper, Alcatel-Lucent y Brocade) tienen más del 95% del mercado de routers de backbone en el 2012. Cisco y Juniper tiene más del 80% del mismo. Todos han desarrollado módulos (placas, blades) con ports 100GbE utilizando tecnologías basadas en chips ASIC propietarios, lo que les confiere ventajas competitivas sobre los demás fabricantes de routers y switches LAN que, generalmente, basan sus desarrollos en NPU y chips de línea provistos por los grandes fabricantes de microelectrónica ASIC y FPGA, que son Broadcomm, Altera y Xilinx. El mercado de telecomunicaciones se ha desarrollado, generalmente, con operadores que utilizan tecnologías monovendedor, lo cual es más sólido al integrar diferentes procesos operativos y sistemas de gestión u OSS (Operation System Support). Esto es especialmente cierto con los nodos para los núcleos de red, que son de alta capacidad, deben ser extremadamente confiables y con una interoperabilidad total. Un operador puede utilizar otros vendedores en las redes de agregación ó de acceso, si proveen diferentes ventajas competitivas.
Tabla 4.28: Ejemplos de Interfaces 40G y 100G en Routers para Backbone de Redes IP/MPLS.
La Tabla 4.28 resume la disponibilidad de módulos con ports 40GbE y 100 GbE, según su disponibilidad a comienzos del año 2013 en routers IP/MPLS para backbone, según anuncios de grandes fabricantes en sus sitios WEB. Un factor común de las placas disponibles es que la potencia de los NPU (Network Processor Unit), que operan en niveles L2-L7, no superan los 400 Gbps por SoC utilizado en cada placa. En el caso de switches LAN para datacenters y nodos de redes Metro, la densidad de ports 40GbE y 100GbE por placa y nodo es superior que en routers (Tabla 4.29), por mayor necesidad de ports en datacenters. Un factor común es la capacidad de expansión de la fábrica a múltiples equipos en topología estrella. En el año 2012, y en el anterior, casi el 80% de la facturación en el mercado de switches LAN corresponde a Cisco Systems, HP y Juniper Networks, con Cisco teniendo más del 60%. Con respecto a la disponibilidad de ports 40GbE y 100GbE, la Tabla 4.29 resume características de los switches LAN más avanzados de cada fabricante y revela que 40GbE es la velocidad preferida para switches LAN, a diferencia de 100GbE en el caso de routers de backbone.
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Entre varias posibilidades, se pueden redefinir ports 40GbE como 4 x 10GbE adaptando los QSFP+ para proveer 4 x SFP+ con cables de FO integrados. En grandes datacenters con alto tráfico, se puede expandir la fábrica de conmutación de un equipo mediante decenas de switches LAN, creando instalaciones con cientos ó miles de ports 1GbE, 10GbE y 40GbE, utilizando ports 40GbE y 100GbE para el uplink hacia fuera del centro. Otras prestaciones son la capacidad de proveer interfaces Fibre Channel ó FC sobre Ethernet (FCoE).
Tabla 4.29: Ejemplos de Interfaces 40G y 100G en Switches Ethernet de Alta Capacidad.
Extreme Networks anunció, a fines del 2012, un módulo 4 x 100GbE para su línea de switches BlackDiamond 8X, cuyas pruebas comerciales serán realizadas a inicios del 2013. Otros fabricantes de switches LAN, como HP, Dell Force10, Mellanox, Extreme Networks, Gnodal, Brocade, etc., aún no anunciaron ports de 100GbE, ya que su fabricación comercial requiere refinar diseños, software, arquitecturas, materiales para óptica, etc. Diversas consultoras estiman que los ports 40GbE totalizan menos del 1% de los ports Ethernet instalados en datacenters, a fines del 2012. Los ports 10GbE son casi el 20% del total, mayoritariamente para cable Cat 6, y su participación llegará al 60% en el 2015, por la instalación masiva de servers con 10GbE integrado en el PCB en reemplazo de servers con ports 1GbE on-board. El uso de ports duales 40G/4x10G con ASIC programables puede adelantar la adopción de 40 GbE, utilizando splitters con 4 SFP+ en ports 40GBASE-SR4 ó CR4. Un aspecto fundamental, al introducir ports de 40 ó 100 GbE en datacenters, es abandono de la simplicidad de cables Cat 6 y conectores RJ-45 utilizados en 10GbE, que pueden armarse a medida in-situ, por ensambles de cables de 12 FO (40GBASE-SR4), 24 FO (100GBASE-SR10) ó complejos ensambles twinaxiales (CR4, CR10), los cuales utilizan conectores multipin ópticos ó eléctricos y serían armados y testeados en fábrica. Los costos de ports 1GbE ya han madurado y varían entre 5 y 8 U$S, con igual proceso ocurriendo en ports 10GbE, que aún se ubican entre 500 y 700 U$S, pero disminuirán con el volumen y la integración como SoC mono-chip en placas madre (10GBase-TX). La tecnología 40GbE tienen costos de entre 2.500 y 7.000 U$S por port, mientras que en 100GbE los costos varían entre 35.000 y 100.000 U$S/port. Se requieren años de evolución para disminuir costos con volumen. Se estima que para el año 2016 el despacho anual de ports 40GbE puede ser el 10% del total, con 5 millones de ports, aproximadamente, mientras que la venta masiva de ports 100GbE comenzaría hacia el año 2019.
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4.9.8 Datacenters y Escenarios de Aplicación para 10GbE y 40GbE Hacia el año 2007, la interfaz 10GbE comenzó a utilizarse en el backbone de redes de datos MAN y WAN, en servers de alta perfomance con placas NIC, y en datacenters, para interconectar hosts, switches LAN y routers. En datacenters, las interfaces 10GbE con FO comenzaron a competir con Fibre Channel e Infiniband a 8Gbps, pero estas tenían una evolución planificada a velocidades superiores, como FC 16Gbps o Infiniband 32 Gbps y mayor. Para aumentar la capacidad de transporte de IP sobre Ethernet en MAN y WAN, comenzó a utilizarse agregación de 10GbE ocupando diferentes longitudes de onda en WDM, con codificación directa NRZ. En vista del escenario futuro en el área de 50 a 100 Gbps, el IEEE, fabricantes de equipos, consorcios como la Ethernet Alliance y el OIF (Optical Internetworking Forum) y organismos como la ITU-T, plantearon el desarrollo de Ethernet a 40 y 100 Gbps, asegurando un transporte compatible con standares para redes MAN y WAN. La inclusión de 40 Gbps en el standart 802.3ba cubrió la evolución de nuevas aplicaciones como servers virtuales (20% de los servers en el 2009) y procesamiento en la nube (cloud computing) en los próximos años. El standart IEEE es también compatible con el transporte de 40GbE en interfaces cliente de redes SDH/SONET STM-256/OC-768 y en la señal OTU-3 (43 Gbps) de las redes OTN (Optical Transport Networks). En el caso de interfaces 100GbE, son compatibles con las señales OTU-4 (112 Gbps) de OTN. La Figura 4.30 es un promedio de estimaciones sobre la utilización de ports 1GbE, 10GbE y 40GbE en datacenters hasta el 2018. Según estimaciones del Cisco Global Cloud Index, el 75% del tráfico en los datacenters permanece dentro del datacenter, lo que muestra un importante mercado para switches LAN y routers para agregación de accesos de ports multinorma en las conexiones VM-VM (Virtual Machines). Casi un 20% del tráfico del datacenter es con el usuario, en accesos sobre redes MAN (ó LAN remotas) y un 5% existe entre datacenters (MAN, WAN). Si bien crece en volumen en el período graficado, las proporciones de tráfico por la virtualización se mantienen. Otro indicador importante es el incremento del procesamiento en la nube (cloud computing), con un 20% de la carga de trabajo total en el 2010, comparado con el 80% procesado en datacenters clásicos. Se estima que la dispersión hacia la nube será del 50% para el 2015, aumentando requerimientos de transporte MAN y WAN.
Figura 4.30: Evolución del Uso de Ports 1GbE, 10GbE y 40GbE en DataCenters. Los escenarios de aplicación de 40GbE y 100GbE han variado entre el 2008 y el 2012, existiendo la tendencia a migrar desde el transporte agregado Nx10GbE (LAG) a 100 GbE en el backbone de las redes MAN y WAN de grandes operadores. 40GbE parece concentrarse en datacenters y en MAN y WAN de menor capacidad. Las tendencias en la migración hacia 40GbE y 100GbE no son claras ni uniformes, difieren ampliamente según el país, las categorías de carriers (mayorista, servicios corporativos ó residenciales), los planes de negocios y las previsiones de crecimiento de tráfico. Aún existe una reducida concentración de operadores de alta gama dispuestos a crear una infraestructura global de alta capacidad, siendo el caso más común el de crecimiento incremental de capacidades, debido a que el tráfico promedio por troncales todavía es muy inferior a 40Gbps.
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4.9.9 Crecimiento del Tráfico IP y Aplicaciones para 100GbE En el 2012, el tráfico global IP sumó cerca de 34.000 Petabytes/mes, con casi un 75% para el uso de Internet a nivel consumidor, con un crecimiento estimado hasta 80.000 Petabytes/mes para el año 2015. Casi el 50% de ese tráfico corresponde a video en tiempo real. Un cálculo grosero revela un tráfico global instantáneo de 250 Gbps promedio. La gran parte del tráfico off-net se concentra en el corredor China-Japón-USA-Europa, lo que hace vital el transporte de datos por cables submarinos de FO para aumentar la capacidad de tráfico. En el caso de redes nacionales ó regionales de alta capacidad, el mercado se centra en China, Europa y USA. La capacidad agregada de seis cables submarinos privados (no-TAT) entre América del Norte y Europa es casi de 19.000 Gbps en el 2012, en su mayoría con enlaces de 10GbE. Se activarán dos nuevos cables privados en el 2013: Emerald Express, con 60 Tbps (6 pares de 100 FO a 100GbE) e Hibernia Atlantic, con una capacidad aún no revelada. Se estima que, para el corredor USA-Europa, la activación de estos cables llevará a 180 Tbps la capacidad en operaciones. La introducción de 100GbE en el mercado se inicia con el aumento de capacidad en el backbone de las redes IP MAN y WAN y de Internet, en routers de núcleo, luego con mayor capacidad en datacenters e IXP (routers y switches LAN) y finalmente en los hosts (tower y blade). Analizando el tráfico instantáneo promedio de los 5 IXP (Internet Exchange Point) más activos de Europa en el 2012, el total acumulado para el peor caso pico fue de casi 8.400 Gbps. En el caso del IXP LINX (Londres) a Enero 2013, sus 451 miembros se conectan con 1.080 ports (rutas), de las cuales un 60% son 10GbE y solo un miembro a 100GbE. El tráfico pico es de 1.612 Gbps a fines del 2012, con una capacidad para 6.366 TB/día. En el caso de AMS-IX, en Amsterdam, con 552 miembros, 1.050 ports y 2.147 Gbps pico de tráfico, tiene 9 clientes con peering a 100GbE y una capacidad instalada de 7.889 Gbps. AMS-IX actualizó su backbone en el 2012 con 90 ports 100GbE, y es una de las redes 100GbE más grandes en operaciones. El tráfico pico promedio por port varía entre 1 y 4 Gbps, valores muy por debajo de la capacidad de las interfaces 100GbE. Una tendencia registrada en el 2012 es la creciente utilización de interconexiones peering 100GbE en los IXP con más alto tráfico, además de la actualización a 100GbE en sus backbones. Esto es en parte al creciente número de clientes con agregaciones 10GbE (LAG) que están dispuestos a migrar a 100gbE para disminuir costos, complejidades y mejorar la performance de las interconexiones. Otro incentivo para migrar a 100GbE es la aparición de los revendedores de IXP, algo previamente inexistente, y que fomenta el peering remoto. Para ello, un IXP se asocia con un revendedor de IXP que interconecta un ISP a gran distancia, lo que no es una metodología de un IXP, que no ofrece transporte de larga distancia. Se estima que el mercado de routers para backbone y acceso de los proveedores de servicio se nivelará para el 2017, cuando el mercado alcance su madurez. Para entonces, se estima que el tráfico IP crecerá a un ritmo menor, y los routers alcanzarán una estabilidad en sus precios. En el 2013, el mercado del backbone muestra signos de amesetamiento (madurez) y se estima que la mayor parte del crecimiento residirá en los servicios de banda ancha residencial, IPTV y el mercado corporativo. El mercado de nodos de acceso y de agregación tiene, por el momento, la mayor parte de sus necesidades de velocidades de interconexión cubiertas con interfaces de 1 y 10 Gbps, como el segmento de interconexión de las redes de acceso móviles con el núcleo de red (backhauling), que se estima podrá crecer con un CAGR del 15% durante los próximos años, al aumentar la utilización de IP y Ethernet por parte de los operadores móviles.
4.10 Switches LAN 4.10.1 Evolución de la Conmutación en Redes 802.3 Los primeros switches LAN fueron desarrollados a principios de los '90, reemplazando a puentes con nuevas prestaciones como interconexiones punto a punto full duplex entre dispositivos, la adaptación de velocidades entre diferentes interfaces (Ej.: 10 y 100 Mbps, half y full duplex), sesiones concurrentes y rutas dinámicas, al reaprender la topología de la red por a fallas, con mecanismos similares a los puentes transparentes como el aprendizaje de topologías, reenvío, filtrado, etc. Con el desarrollo de las redes LAN 802.3, durante los años '90, la disponibilidad de velocidades de 10, 100 y 1000 Mbps por port, equipos con elevadas densidades de ports y disminución de costos por port, se desarrollaron nuevos conceptos de topologías LAN operando en full duplex, lo que volvió obsoleto el uso de hubs y bridges al llevar la segmentación de la red LAN hasta un usuario ó port por segmento. El resultado fue
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un incremento del ancho de banda útil de redes LAN corporativas, el uso de los switches LAN en lugar de hubs en los bastidores de cableado, y la introducción de los conceptos de las VLAN lo que aumentó el ancho de banda disponible, la eficiencia de uso de los enlaces y del enrutamiento en Nivel 2. A mediados de los años '90, con las redes 802.3 afianzadas en el mercado y la previsión de ports 1GbE en un período de pocos años, hizo necesario el desarrollo de nuevas arquitecturas de conmutación internas y nuevos algoritmos de enrutamiento en un entorno de alta complejidad que comenzó a desarrollarse con la aparición de los datacenters y las granjas de servers para satisfacer el creciente tráfico IP sobre Ethernet. Diversos modelos para aprovechar la capacidad full duplex de los enlaces 802.3 y el uso de segmentos dedicados FD, sin CDMA, crearon el paradigma de diseñar backplanes de switches LAN con un mínimo de dos veces el ancho de banda agregado de todos los ports del switch LAN. Así, para nodos con 96 ports Fast Ethernet, el uso de backplanes con velocidades de 19.2 Gbps y sin bloqueos fue la norma y no la excepción a principios del Siglo XXI. Con las nuevas arquitecturas y velocidades, se desarrollaron nuevas capacidades en los equipos, como ser la conmutación multinivel, integrando las capacidades de conmutación L2 con algunas prestaciones del Nivel 3, las cuales eran resueltas previamente por routers. Un aspectos muy incidental en la masificación del uso de switches LAN fue el desarrollo de equipos que reutilizaran el cableado de pares de cobre, las placas NIC de las PC y servers y los conectores ya instalado para redes LAN 802.3 preexistentes. La introducción del concepto de VLAN como un dominio de broadcast independiente de otros, dentro de la red LAN, expandió aún más las herramientas disponibles para la creación de arquitecturas de redes LAN de gran envergadura. Las VLAN permiten la aislación lógica de dominios de broadcast minimizando tráfico de control en los límites de cada dominio VLAN, así como incorporan nuevas capacidades en las áreas de seguridad en redes, gestión de diferentes perfiles de QoS en la misma red, integración del QoS L2 con el QoS L3, etc. Una VLAN en una red LAN es una entidad de red completamente aislada de otra VLAN, y solo con un router para la conmutación en el Nivel 3, el tráfico IP puede fluir entre dos VLAN diferentes. Las VLAN requieren la modificación de la trama 802.3 para incorporar campos adicionales de control, como ser 12 bits para identificar hasta 4096 VLAN, 3 bits para definir hasta 8 perfiles de QoS, etc. Un switch LAN con el soporte de VLAN utiliza dos clases de ports: troncales y de acceso. Los ports de acceso son transparentes a la VLAN, pues la misma está definida por software como propiedad del port, lo que no afecta al equipo del usuario. Los ports para troncales emiten tramas 802.3 modificadas con la extensión 802.1Q, lo que permite multiplexar tráfico de diferentes VLAN en esta clase de ports. El tag 802.1Q es removido en la interfaz con el usuario. Las VLAN permitieron introducir nuevos conceptos en el desarrollo de redes IP, con la creación de subnets, las que tienen propiedades específicas de numeración IP (codificación CIDR) asociadas a VLAN específicas. Esto ha permitido que los administradores de redes desarrollen topologías con un alto grado de control e integren a voluntad diferentes sistemas de control de tráfico para seguridad en redes, con mayor performance que antes. En resumen, los switches LAN han madurado para crear arquitecturas con elevadas capacidades de conmutar el tráfico de las redes Ethernet, siendo standart que un equipo de N ports a velocidad R b full duplex conmute a una velocidad agregada de 2NRb, sin bloqueos y con latencias interport debajo de 1 seg. En la actualidad, un switch LAN de 64 ports 10GbE puede conmutar tramas 802.3 a una velocidad total de 1.28 Tbps, sin bloqueos. Nuevos desarrollos de fábricas de conmutación (Switching Fabric) a nivel placa, equipos y clusters de equipos permite extender capacidades en datacenters a decenas de equipos interconectados en topologías malla, que derivan del esquema tradicional de topologías árbol basadas en algoritmos RSTP/MSTP, con el uso de nuevos algoritmos más eficientes, que permiten aumentar la performance general de la red LAN de un datacenter con el uso de topologías planas, capaces de conmutar tramas 802.3 entre miles de ports con mínima latencia.
4.10.2 Conmutación de Tramas en Switches 802.3 Históricamente, las tramas 802.3 que ingresan por un port de un switch LAN son conmutadas hacia los ports de salida correspondientes a los segmentos de red con las estaciones de destino, utilizando mecanismos como:
Store and Forward (S&F): Este mecanismo se ha utilizado desde siempre en nodos de conmutación de paquetes. En un switch LAN, se recibe, almacena y procesa la trama Ethernet en un buffer, y luego se retransmite si no tiene errores ó es aconsejable hacerlo (control de flujo). El enrutamiento por un port de salida se realiza con un lookup en tablas de asociación entrada-salida (LUT). Si hay errores de CRC, la trama se descarta, para evitar que se propague por la red LAN. El método S&F es útil si en la red existe alto BER, pero es lento. La latencia es el doble de la duración de trama más el tiempo de espera hasta la autorización de retransmitir.
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Cut-through: Tiene menor latencia pues el switch LAN comienza a retransmitir al recibir los 48 bits con la dirección MAC de destino y realizar el proceso LUT que define el port de salida. Este funcionamiento es similar a la conmutación ATM y permite que esta se implemente en hardware con ASIC. Menos del 0.5% de los bits de tramas de 1.5KB se procesan, así que su latencia es 20 veces menor que S&F. El esquema fue desarrollado la empresa Kalpana, que introdujo el primer switch Ethernet, en 1990.
La conmutación adaptativa selecciona entre Cut-through y Store and Forward, según promedio de errores BER y el estado general de la red. La variante Fragment-free, similar a Cut-through, almacena los 64 bytes del inicio de trama, antes de su retransmisión, donde ocurre la mayoría de los errores, solo en redes CSMA/CD. Las direcciones MAC de la tabla LUT se actualizan con el timestamp de la trama 802.3 recibida, para crear una tabla LUT que, dinámicamente, opera para tener el menor tamaño posible, debido a procesos de los protocolos STP/RSTP/MSTP, que eliminan entradas de la LUT sin actividad en un intervalo programable. Este mecanismo forma parte del proceso general descubrimiento de red de bridges transparentes, que es utilizado en switches LAN y sus tablas LUT. En una LAN compleja, una tabla LUT de un switch LAN puede tener miles de entradas. El mecanismo interno por el cual las tramas son físicamente conmutadas entre ports de ingreso y de egreso, ha evolucionado desde las primeras técnicas de bus compartido hasta las técnicas actuales de fábricas on-chip, y se extiende a fábricas de conmutación que integran múltiples switches LAN de una instalación con topologías malla de baja latencia. La evolución hacia arquitecturas planas de alta velocidad también impacta en el uso de nuevos protocolos de descubrimiento de red, más rápidos y eficientes que los tradicionales STP y RSTP.
4.10.3 Tecnologías para Conmutación en el Backplane de Switches 802.3 Excepto en switches LAN de bajo costo, que utilizan una única placa impresa que integrar chips de I/O, control, conmutación y lógica general, la mayoría de los switches utilizados en redes corporativas ó de operadores se basan en una arquitectura modular, compuesta por un chasis con un backplane de alta velocidad, en el cual se enchufan placas especializadas de línea (FE, 1GbE, 10GbE, etc.), de conmutación y control, alimentación, etc. Este esquema modular permite que un mismo chasis pueda ser utilizado por muchos años, intercambiando las placas especializadas a medida que las tecnologías de I/O y de conmutación evolucionan. El mismo esquema se utiliza con routers profesionales y toda clase de equipos de telecomunicaciones, y su éxito depende de que el backplane que interconecta las diferentes placas haya sido desarrollado con una alta capacidad inicial, para absorber las diferentes fases de la evolución tecnológica e integrar diferentes generaciones en el mismo equipo, como ser un switch LAN de alta capacidad que es utilizable con placas de línea con 1, 10, 40 y 100 Gbps. Otro aspecto fundamental de esta arquitectura es la previsión para expandir la capacidad de un chasis conectando el mismo con otros, en cascadas que agregan capacidades sin que decaiga la performance general. Para ello, el aspecto más crítico es el diseño de la fábrica de conmutación (tramas Ethernet ó paquetes IP), tal que las placas de línea se integren a la arquitectura modularmente sin perder performance, sea en un único chasis ó en un cluster de chasis que es gestionable como un único conmutador. Los límites a la expansión se definen en la capacidad del backplane, actualmente operando a Terabits/seg, y en el límite tecnológico de la fábrica de conmutación. El nombre fábrica de conmutación tuvo amplia difusión con la tecnología ATM, en la primer mitad de los años '90, para la conmutación de celdas de 53 bytes de múltiples interfaces a velocidades de 155 y 622 Mbps (SONET-SDH), lo que implicaba el uso fábricas de conmutación de celdas a velocidades agregadas de decenas de Gbps sin bloqueo, lo cual era impresionante para el mercado de dos décadas atrás. Además del nombre fábrica de conmutación, varios conceptos de ATM se reusaron en routers y switches LAN. El enfoque de la fábrica de conmutación de switches LAN varía según la performance requerida, la velocidad de los ports, la escalabilidad y el desarrollo de nuevas técnicas y algoritmos. Idealmente, una fábrica debe ser capaz de conmutar todo el tráfico I/O del nodo a la velocidad agregada de todos los ports, sin bloqueos, y ser indiferente a las estructuras de datos conmutados (PDU). Deben poder sostener un perfil de QoS aún en casos congestión de tráfico de entrada/salida en los ports, deben ser capaces de escalar a agregaciones para mayor capacidad mediante la interconexión de fábricas, y tener una elevada tolerancia a fallas de funcionamiento. La evolución de las tecnologías de conmutación en backplanes ó placas únicas para switches L2 y L3 se inicia con las arquitecturas de bus compartido, de memoria compartida, crossbar básico, matrices y fábricas conmutadas.
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Bus Compartido Fue la primera arquitectura de conmutación empleada, también denominada multidrop. Se utiliza un único bus TDM de alta velocidad, para crear un medio común compartido varios dispositivos I/O para su interconexión. Solo una fuente de datos puede transmitir ráfagas de bits por vez, y no existe contienda en el uso del bus, pues el acceso se resuelve con un proceso centralizado que arbitra los pedidos aleatorios de acceso en modo TDMA (Time Division Multiplex Access). No existen bloqueos pues la velocidad del bus TDM es igual a la suma de las velocidades de todos los ports, pero la capacidad máxima depende de la eficiencia del arbitrador centralizado. Los procesos de conmutación se sincronizan temporalmente utilizando lógica ASIC y buffers de trama por cada port, para sincronismo de bits durante esperas. Una limitación es que solo permite un acceso por vez y otra es que su escalamiento en velocidad es costos. Una variante previa es el bus en anillo, que tiene latencia elevada. Memoria Compartida Esta arquitectura mejora la del bus compartido, y se basa un array de memorias de gran capacidad, cada una accesible por un controlador de memoria, que tiene conexiones con todos los dispositivos I/O del switch LAN. La memoria se organiza con diversas clases de colas de espera, asociadas a un dispositivo I/O del nodo. Para conmutación sin bloqueos, el ancho de banda de lectura y de escritura debe ser igual ó mayor que la suma de velocidades de todos los dispositivos I/O del nodo. El sistema debe tener instalada la totalidad de la memoria de la fábrica para operar en instalaciones que requieren buffering de hasta 100 mseg, como ocurre en redes de telecomunicaciones, y la cantidad de ports está limitada por la velocidad total del controlador de memoria de soluciones ASIC/FPGA (ó el número de enlaces). En un nodo con N ports full duplex, el controlador de memoria debe soportar 4 x N pines I/O, considerando las cuatro funciones independientes en cada port: entrada, salida, lectura y escritura. Los sistemas con memoria compartida tienen alta performance para sostener perfiles de QoS. La Figura 4.31 es una simplificación de una arquitectura de memoria compartida con 2 x N procesos I/O y K controladores de memoria.
Figura 4.31: Arquitectura de Conmutación con Memoria Compartida. Crossbar ó Matriz La conmutación crossbar utiliza el concepto de conmutación de centrales telefónicas de los años '50 y '60, con varias etapas de matrices crossbar, que minimizan los N x N contactos requeridos para N interfaces I/O. Un modelo matemático exitoso fue desarrollado por Charles Clos en 1953, por lo cual una fábrica de N x N sin bloqueo, construida con matrices más pequeñas, se denomina una red Clos. La red Benes es una variante de Clos con matrices de 2 x 2, y requiere Nx log2N-N/2 crossbar en 2x log2N-1 etapas, cada una con N/2 matrices. Una variante es el switch Banyan, con 3 etapas y Nx log2N matrices, que es autoenrutable pero tiene bloqueo. A principios de los '90, esta clase de fábricas comenzó a aplicarse en conmutación de tipo eléctrico y óptico, en switches LAN y ATM, routers IP, switches ópticos y otros. Las fábricas de conmutación actuales, para LAN e IP, se basan en dos décadas de evolución del concepto crossbar, y se emplean en redes multietapa basadas en el
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modelo Clos, Benes y otros, con capacidades de conmutación de Tbps por cada fábrica. Cada variante tiene ventajas y desventajas, en costos, escalabilidad, buffering, velocidad, etc. Un ensamble crossbar crea una matriz de conmutación compuesta por múltiples matrices individuales entre N ports de entrada/salida de un switch, tal que las N x N interconexiones posibles se resuelven con una cantidad menor de puntos de cruce físicos. El esquema se complementa con matrices TDM a la entrada y la salida, y las barras físicas son metalizadas en silicio, como filas y columnas. Los puntos de cruce de la matriz contienen el equivalente a un relay (transistor MOSFET). Un sistema crossbar es un conmutador sin bloqueos de una capa, y puede escalar a fábricas de mayor capacidad en un ensamble junto con otros conmutadores en la misma u otra capa. Por su naturaleza matricial, también se denomina sistema de conmutación co-ordinado, y es usado en numerosas arquitecturas con módulos híbridos, de conmutación espacial y conmutación temporal TDM. La fábrica tipo crossbar alcanza su máxima eficiencia cuando las celdas conmutadas tienen igual longitud. Se utiliza, con variantes, en switches y routers de alta capacidad, con redes Clos con enrutamiento dinámico. Las redes Clos permite operar sin bloqueos (non-blocking), tal que cualquier interconexión entrada-salida no impide la ocurrencia de otras. En matrices con bloqueo, puede ocurrir que una interconexión I/O no sea temporalmente posible, por lo que debe pasar a un estado de espera ó ser descartada (bloque con pérdida). El esquema más simple es el switch crossbar sin control central, con buffers en los módulos de ingreso, egreso y en la etapa de crossbars. El agendamiento se realiza a la salida de cada cola de espera y la implementación evita la complejidad de un mecanismo centralizado de arbitración al utilizar colas en cada etapa. La Figura 4.32 ejemplifica una arquitectura Crossbar avanzada, con tres etapas y una arquitectura CIOQ (Combined Input and Output Queued), que compite con otra denominada OQ (Output Queued). La fábrica tiene un árbitro central, tres etapas y colas de ingreso y egreso, pero no utiliza colas en los crossbar. Segmenta a las tramas en celdas de igual longitud y transmite y recibe utilizando SERDES que operan entre 3 y 12 Gbps, y que puede llegar a 28 Gbps en FPGA avanzados. El árbitro utiliza diferentes algoritmos de arbitración (Ej.: WFQ) y emplea tres ranuras de tiempo contiguas para recibir solicitudes de conexión de módulos de ingreso y status de módulos de egreso; asignar autorizaciones y configurar el array de crossbar y, finalmente permitir transmisión de ráfagas de tráfico fijas desde los módulos de ingreso hacia los de egreso. Cada dispositivo I/O usa SERDES (Serializador-Deserializador) y colas de ingreso y egreso que manejan picos de tráfico y permiten reensamblar las tramas conmutadas, a partir de las celdas recibidas.
Figura 4.32: Arquitectura de Conmutación Tipo Crossbar con CIOQ. El esquema de arbitración utiliza algoritmos con una eficiencia menor al 100%, aunque sin bloqueos, y provee un mecanismo básico de QoS. Para que el sistema funcione armónicamente, el tráfico a los módulos de salida se acelera (2-1/N) veces, para evitar que las colas de la salida se vacíen. La aceleración emula un switch N x N FIFO OQ (Output Queueing). La arquitectura tiene menor QoS que los sistemas de memoria compartida. Cada crossbar se conecta a los N ports I/O sin el auxilio de memoria externa, por lo que la fábrica soporta por si sola el mismo ancho de banda de los esquemas de memoria compartida, teniendo la misma eficiencia. Una fábrica en un chip puede tener 64 enlaces SERDES de 10 Gbps, con una capacidad de 640 Gbps por chip, y ser utilizable para switches con ports LAN 10GbE y 40GbE en un único PCB.
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Los nodos de alta capacidad utilizan sistemas Clos con enrutamiento dinámico y sin bloqueos, en arquitecturas con caminos de datos adaptables a condiciones variables de tráfico, y son escalables más allá de un único IC. Esta arquitectura se utiliza en switches y routers basados en chasis, y aumentan la longevidad de los nodos. Un switch LAN moderno (Gnodal, 2012) emplea una fábrica que conmuta a 720 Gbps sin bloqueo y provee, por ejemplo, 40 x 10GbE más 8 x 40GbE ports ó 72 x 10GbE ports en un chasis de 10” y 2 RU de altura. La fábrica interna utiliza 16 ports de 40 Gbps, con una latencia menor a 120 nseg sin utilizar buffering ni bloqueo. Puede escalar verticalmente en un árbol con algoritmos multicamino, hasta 32 uplinks. Para arquitecturas de nodos con alta densidad de ports de 10GbE y 40GbE, las redes Clos pueden ser usadas sin control central y sin buffering, y aun así operar sin bloqueos. Para ello requiere tres ó más etapas (ingreso, etapa media y egreso). Utiliza M módulos de ingreso/egreso con N ports y K matrices, con K mayor ó igual que 2N/M para operar sin bloqueo. Las redes fat-tree (constant bisectional bandwidth network) son una nueva concepción que extiende el uso de redes Clos sin bloqueos y sin buffers. Consisten en cascadas de nodos a partir de un nodo raíz, tal que los enlaces entrantes son la mitad de los salientes, pero dividen por dos el ancho de banda en cada capa inferior, conservando la propiedad de conexiones sin bloqueos, y permitiendo nodos con una alta densidad de ports. La arquitectura de conmutación fat-tree tiene una topología de árbol y es atractiva para el procesamiento en clusters de servers (cluster computing), por escalabilidad y eficiencia de costo, y tambien es atractiva para su empleo en datacenters corporativos de alta performance, pues permiten multiplicar fácilmente ports de acceso. Si se utilizan P ports por chip, el número de entradas por chip es P/2. En caso de utilizar N entradas, las redes fat-tree requieren M instancias en la primer etapa, con M = N/P/2. El total S de switches en una red de dos etapas es N/P/2 + L/P, donde L es el número de enlaces de salida de la primer etapa y equivale al total de ports en el uplink, siendo L = (N/P/2) x P/2. Para un switch de 48 ports, la segunda etapa emplea M2=L/P switches, por lo que un switch de 48 ports utiliza 4 switches en el primer nivel y 2 switches en el segundo nivel. Para 96 ports, se emplean 12 switches, con 8 switches de 24 ports en el primer nivel y 4 switches en el segundo nivel. El límite para redes fat-tree sin bloqueos es P2/2 y el número máximo de switches en estas redes es 3P/2. Utilizando P =24 ports/chip, se utilizan 36 switches para un total de 288 ports de entrada. Existen diversas combinaciones que permiten fabricar switches de 48 y 288 ports sin bloqueos.
4.11 STP (Protocolo Spanning Tree) y Enrutamiento LAN El protocolo STP (IEEE 802.1D, 1990), fue desarrollado por Digital Equipment Corporation para evitar efectos de loops de enrutamiento y tormentas de broadcasting durante el aprendizaje de la red. El protocolo STP crea tablas de enrutamiento (tabla de lookup de direcciones ó LUT) con el método del puente transparente, y está basado en cinco procesos: aprendizaje, inundación, reenvío, filtrado y envejecimiento. El algoritmo del STP determina los caminos de interconexión óptimos entre los nodos y sus ports y crea una topología lógica árbol para el enrutamiento sobre cualquier topología física, definiendo un nodo raíz y nodos de menor jerarquía, bloqueando caminos innecesarios y define caminos alternativos si el principal es inaccesible. Operando automáticamente, STP define al nodo raíz como aquel con la menor dirección MAC (en decimal). El árbol de conectividad lógica de STP entre un nodo raíz y los demás nodos tiene una relación jerárquica, y está en permanente estado de actualización por cambios ó caídas. Sobre esta topología árbol se establecen caminos únicos predefinidos entre dos ports de dos nodos arbitrarios de la red, que evitan loops de mensajes broadcast generados por enlaces redundantes entre nodos. Cada nodo administra una tabla de conmutación (LUT) con ports de ingreso y egreso definidos bajo STP, para conmutar las tramas Ethernet recibidas. Un loop de caminos de reenvío puede generar una tormenta de mensajes broadcast si no existe el filtrado de enlaces redundantes y de ports de reenvío que eviten la siguiente situación: un mensaje broadcast recibido en un port de un puente es repetido en el resto de los ports. Cada puente receptor del mensaje vuelve a repetirlo por todos sus ports, hasta que una única trama broadcast circula por la red consumiendo su ancho de banda. STP administra un proceso de descubrimiento de la red LAN, sus elementos, segmentos y ports en base a:
Asignar ID a un nodo, sus ports, el ID del nodo raíz y el costo del camino desde el port al nodo raíz.
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Definir, y redefinir tantas veces como se necesite, un camino único a través de la LAN y sus segmentos.
Cada nodo LAN recibe un grupo de ID: un Bridge ID (BID) de 8 bytes, con 2 bytes para la prioridad del bridge y 6 bytes para su dirección MAC, más un conjunto de ports ID de 16 bits (6 bits de prioridad y 10 bits del port ID). Originalmente, cada port recibía un costo de encaminamiento, basado en una guía de asignación del standart IEEE 802.1D, tal que su costo fuera igual a 1 Gbps dividido por la velocidad del port. Al evolucionar 802.3 por encima de 1Gbps, la asignación de costos se ha modificado para acomodar 10 Gbps, tal que un port FE tiene un costo de 19, 1 Gbps tiene un costo de 4 y 10 Gbps tiene un costo de 2. Se han definido costos para ports de redes LAN Token Ring, enlaces T3 y SONET OC-3 y OC-12, que prácticamente no se utilizan, aunque lo que importa es que son valores de referencia del standart, que pueden ser modificados por el administrador de red. Cada port de un nodo STP (puente transparente) emite un mensaje BPDU en una trama multicast con destino 01-80-C2-00-00-00, contra ports de puentes conectados directamente (link partners), el cual no será reenviado. Cualquier host que reciba un mensaje BPDU que no interprete, simplemente lo descarta. El BPDU (Bridge Protocol Data Unit) es utilizado por los nodos en el proceso de descubrimiento, al seleccionar los caminos de red en cada segmento. Los BPDU intercambiados entre nodos vecinos tienen los campos:
Root BID: Bridge ID del puente raíz actual, derivado de la dirección MAC.
Costo del Camino al Puente Raíz: Es un valor de la distancia hasta el puente raíz, con la suma de los costos de los segmentos LAN que se deben atravesar. El segmento que conecta el puente raíz tiene por lo general un costo de camino igual a 10.
Sender BID: Es el BID del nodo que envía el PDU, derivado de la dirección MAC.
Port ID: El port real desde donde se envía el BPDU, identificado con 10 bits en ese nodo.
Cada nodo permanentemente envía BPDU a otros, para determinar el mejor camino entre varios segmentos. El algoritmo de aprendizaje se basa en que cada nodo descarte de sus tablas los caminos con mayores costos, como en el caso de un nodo que recibe de otro un BPDU con menor costo que el propio en el camino inverso. En ese caso, tal nodo deja de difundir su propio Root BID y adopta el del nodo remoto en su tabla interna. En más el nodo difundirá el BPDU con el menor costo a segmentos inferiores de la red LAN, más lejos del nodo raíz. El descubrimiento del nodo raíz comienza con todos los nodos asumiendo que son raíz al activar la LAN. Así, cada nodo difunde BPDU con su BID como Root BID y, al evolucionar el algoritmo de descubrimiento, los nodos comienzan a reemplazar su Root BID por el del switch con el menor Root BID y lo almacenan en tablas. Al continuar la recepción de BPDU, cada nodo compara el Root BID con el almacenado y, si es superior, lo descarta y continúa difundiendo su BPDU y su Root BID. Si recibe un BPDU con un Root BID inferior al propio, almacena el nuevo Root Bid y difunde en más este valor por la red. El proceso de descubrimiento termina con la selección del Root Bridge como aquel con el menor BID. El paso siguiente es el cómputo, en cada nodo, sobre cual port tiene el menor costo hacia el Root Bridge. El proceso final es el descarte de soluciones de encaminamiento según los costos, quedando solo un port designado para encaminar el tráfico por segmento, lo cual elimina los problemas de loops de enrutamiento. Cada port del nodo raíz tiene costo cero y se convierte en un port designado. En los otros nodos, si existen dos ports con igual costo, el port con el menor BID se convierte en el port designado. Las demás combinaciones de ports y BID son bloqueadas, no apareciendo como opciones en la tabla LUT. En resumen, STP utiliza un algoritmo que define un puente raíz, siendo este el nodo con la dirección MAC más baja y la prioridad más alta. Cada uno de sus ports es designado como port raíz. Debido a que la red cambia ó existen fallas, la configuración de árbol (spanning tree) cambia en el tiempo. Esto requiere que el proceso de descubrimiento sea continuo. Si el nodo raíz tiene inconvenientes parciales o totales, su rol es reemplazado por el siguiente nodo más calificado, con un proceso definido en el algoritmo STP. Para la actualización continua de STP, una vez seleccionado, solo el nodo raíz continúa generando BPDU (paquetes Hello) hacia los otros nodos, que actualizan sus tablas internas y reenvían las tramas recibidas. Cada nodo designa un port LAN raíz, por el cual reenvía los BPDU para ese segmento LAN. El resto de los nodos recomputa el camino de mínimo costo hacia el nodo raíz, que involucra los nodos de cada segmento LAN. El costo del camino se computa según la velocidad del port (tablas en 802.1D), la distancia al
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puente raíz, etc., ó puede ser provisionado manualmente en el nodo por el administrador de la red LAN. Una de las mayores ventajas de STP es su capacidad de autoconfigurar la red LAN, sin intervención manual. En el proceso de descubrimiento de caminos óptimos, STP coloca a cada port en uno de cuatro estados posibles:
Bloqueado: No recibe ni pasa tramas. Este estado es típico en enlaces redundantes, que pueden ser activados en el caso de caídas de enlaces principales, previo reaprendizaje de toda la red.
Escucha: Escucha los BPDU para asegurarse que no existen loops, antes de pasar las tramas.
Aprendizaje: Aprende direcciones MAC e información adicional de conmutación, pero no pasa tramas.
Conmutación: Recibe y transmite tramas Ethernet.
Cuando el árbol (spanning tree) está terminado, cada port de LAN pasa a estado Bloqueado ó Conmutación. Los loops se evitan porque cada camino origen-destino tiene asignado un par de ports en las tablas LUT de cada nodo de la red. Si ocurre una falla en un elemento de red, el spanning tree debe recomputarse. La falla de un enlace se detecta según el modo de operación del mismo. Si opera en modo ráfaga su caída solo puede detectarse con un timeout por un mensaje BPDU. Si opera en full duplex en una conexión peer-to-peer y cae ó falla, se pierden los símbolos keep-alive enviados cuando no hay tráfico ó puede existir una violación del código de la Subcapa PCS. En tal caso, el nodo no necesita esperar hasta la falla en la recepción de BDPU. Una debilidad del protocolo STP es el retardo en la regeneración de tablas y prioridades debido a fallas graves, lo cual ha sido enfocado con el desarrollo del protocolo Rapid Spanning Tree.
4.12 Protocolos Rapid Spanning Tree y Multiple STP (RSTP, MSTP) El protocolo RSTP (Rapid STP, IEEE 802.1w, 2004) restaura el tráfico en segundos y resuelve el problema de STP, que puede consumir decenas de segundos durante el redescubrimiento y reconfiguración de la red LAN. RSTP opera en forma muy parecida a STP, y elimina loops reduciendo toda la red LAN a una única topología lógica tipo Spanning Tree. Sobre esta topología única, en el caso de una falla de un enlace ó puente, RSTP reconfigura los enlaces redundantes disponibles, pasando los mismos a un estado activo (Forwarding). El protocolo RSTP implementa diferentes pasos y procesos que el STP, incluyendo:
Envejecimiento más rápido de las tablas de filtrado.
Generación de los BPDU.
Reconocimiento de los ports de bordes de red LAN.
Si existe un cambio de topología, los nodos STP no descartan las direcciones MAC de de sus tablas, sino que envían un mensaje de cambio al nodo raíz y este informa al resto, en un proceso lento que requiere segundos. Si un nodo RSTP detecta un cambio de topología, informa a todos los demás nodos al mismo tiempo, tal que otros nodos RSTP eliminen direcciones MAC afectadas en sus LUT sin esperar mensajes BPDU del nodo raíz. Un nodo STP declara muerto a otro nodo STP si no recibe información durante un tiempo de envejecimiento con un valor default de 20 segundos. RSTP solo espera tres tiempos Hello, con una diferencia de 2 segundos entre cada mensaje, antes de declarar el nodo RSTP remoto como muerto. Si tal situación ocurre, el nodo RSTP involucrado adopta el papel de nodo raíz y envía mensajes BPDU que reinician el proceso de convergencia. Luego vuelve a su status jerárquico normal. Los ports de borde de red LAN que conectan directamente a las estaciones de usuarios no pueden crear loops, lo cual es reconocido por RSTP, que coloca a estos ports de borde en el estado Conmutación (Forwarding). Cuando ocurre un cambio de topología, STP requiere esperar hasta que el máximo tiempo de envejecimiento expire, así como esperar que los ports STP escuchen y aprendan la red antes de crear un nuevo árbol ST. En cambio, con RSTP, los registros de cambios de topología no requieren esperar por ninguno de los dos motivos.
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El protocolo RSTP monitorea los estados MAC y elimina los ports con malfuncionamiento. Luego procesa los BPDU de todos los switches ó puentes además del nodo raíz, para detectar cambios de topología. Si ocurre un cambio de topología, RSTP rápidamente coloca un port alternativo en el estado Conmutación. El protocolo MSTP (Multiple STP, IEEE 802.1s, 2005) es una importante variante para VLAN, que permite una instancia de RSTP por cada VLAN, y se incorporó al standart VLAN 802.1Q. La información sobre las VLAN se incorpora a un único mensaje BPDU, minimizando tráfico de control y compatibilizando MSTP, RSTP y STP.
4.13 Protocolo Shortest Path Bridging (SPB) En Mayo del 2012, el IEEE aprobó el standart IEEE 802.1aq, conocido como Shortest Path Bridging (SPB). El protocolo permite que todos los enlaces estén activos utilizando múltiples caminos de igual costo. Permite que se implementen topologías de Nivel 2 mucho más grandes, que exista una convergencia más rápida y que se mejore el empleo de topologías red, en lugar de árbol, para aumentar el ancho de banda entre todos los nodos al permitir que el tráfico se reparta sobre todos los caminos de la topología malla. El protocolo SPB consolida múltiples funcionalidades de los protocolos STP, RSTP, MSTP y MMRP (Multiple MAC Registration Protocol) en un único protocolo de estado del enlace. SPB preserva el autoaprendizaje y su diseño elimina cualquier error humano de configuraciones manuales. Su capacidad de permitir el uso de todos los enlaces de una red al mismo tiempo soluciona la ineficiencia de STP en topologías árbol físicas que existen en las capas de switches LAN de agregación en los datacenters que albergan múltiples servers virtuales, que ocasiona que hasta el 40% de los enlaces no pueda utilizarse en un instante dado, pues STP bloquea su uso. El protocolo SPB interpreta que los nodos son puentes Ethernet que soportan el stacking 802.1ad para el plano de datos, con el uso de encapsulado MAC-in-MAC. El plano de control utiliza el protocolo de enrutamiento de Nivel 2 IS-IS. Tiene mecanismos para mitigar loops basados en RPFC, maneja flujos simétricos de paquetes en los enlaces, es de fácil mantenimiento y soporta caminos múltiples. El protocolo TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links), impulsado por el TRILL WG del IEEE, busca establecerse como una alternativa al standart IEEE 802.1aq. TRILL permite una rápida recuperación en fallas de rutas, reparto de carga de tramas basado en hardware (ASIC), reenvío transparente por caminos óptimos sin reconfiguración, caminos múltiples para tráfico unicast y multicast y escalabilidad mejorada. El protocolo TRILL fue creado por Radia Perlman, quien inventó el protocolo STP y trabajó en el desarrollo de IS-IS y otros.
4.14 LAN Virtual (VLAN) Las redes VLAN son particiones lógicas de una LAN Ethernet que permiten un diseño y control más eficiente de LAN con gran número de hosts y segmentos, y facilita asignar diferentes privilegios de tráfico y acceso por subred virtual en una organización. La introducción de la trama Ethernet etiquetada (D. Sincoskie, BellCore, 1985) abrió el camino para LAN Ethernet escalables y con segmentación lógica, pero hacia 1998 existían numerosos fabricantes con soluciones de LAN Virtual incompatibles entre sí. En 1998, el estándar IEEE 802.1q normalizó el escenario existente de VLAN, definiendo el agregado de una etiqueta de 32 bits a la trama 802.3, con 12 bits para numerar hasta 4094 VLAN por dominio de broadcast. El estándar 802.1q especificó dos clases de ports VLAN en un switch: ports de trunking, para tramas 802.3 con etiquetas explícitas y ports de acceso, con tramas 802.3 standares y VLAN definida en tablas del switch LAN. El empleo de las dos clases de ports físicos de una VLAN (trunking y acceso) posibilitan que las VLAN 802.1q convivan con hosts y switches que no son compatibles con el standart VLAN, si estos utilizan ports de acceso. Si una organización implementa su red de datos corporativa MAN ó WAN solo basándose en Ethernet, puede organizar la red con subredes de Nivel 2 (VLAN), y topologías lógicas independientes de las topologías físicas. Para que las estaciones de la red se interconecten solo según direcciones MAC (L2), existen opciones como:
Unir los sitios físicos con enlaces punto a punto, propios ó rentados, entre switches VLAN.
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Emplear emulación de enlaces punto a punto en MPLS (PseudoWires), que son túneles transparentes entre los switches VLAN.
Utilizar el servicio Metro Ethernet, en sus variantes EPVL (Ethernet Private Virtual Line, punto a punto) ó EVPLAN (Ethernet Private Virtual Line, multipunto a multipunto)
Utilizar el servicio VPLS (Virtual Private LAN Service) de una red IP/MPLS pública para unir los sitios.
Si la red LAN incluye routers, las subredes VLAN 802.1q solo tiene significado local, pues un port de un router aisla un dominio de broadcast 802.3 de otro. Si la organización utiliza enrutamiento IP, la red global es de Nivel 3 y las estaciones se interconectan en base a sus direcciones IP pues las direcciones MAC tienen valor local. La Figura 4.33 muestra los dos casos para redes globales corporativas:
Solo en Nivel 2, mediante las conexiones MAC-MAC en switches LAN conectados con un servicio VPLS. En tal caso las VLAN se dispersan geográficamente, como las VLAN 5 y 6.
Utilizando routers y enrutamiento en el Nivel 3 con un servicio VPN de MPLS.
Los identificadores de VLAN se reúsan en cada dominio de broadcasting en este caso, a diferencia de la vigencia WAN del primer caso, cuando se interconectan los switches VLAN en forma transparente a L3.
Figura 4.33: Interconexión de Sitios LAN (POI) con Técnicas L2 y L3. En una red corporativa pueden coexistir nodos VLAN-compatibles con hosts y nodos 802.3 standares, pues los switches VLAN se interconectan con los ports de troncales 802.1q, y el resto por los ports de acceso 802.3. La extensión de longitud de trama de 1518 bytes a 1522 bytes no produce un descarte de la trama, sino un reporte de anomalía tolerable (IEEE 802.3ac). La Figura 4.34 muestra una trama con la extensión VLAN.
Figura 4.34: Estructura de una Trama 802.3 Etiquetada con Header VLAN 802.1Q (2008). La extensión de la etiqueta agrega dos bytes 802.1q TPID (Tag Protocol Identifier). El primer byte extendido identifica el tipo 0x8100, que corresponde a una aplicación 802.3. El segundo byte contiene el campo VLAN ID (12 bits), que identifica la VLAN. Contiene dos campos adicionales: CFI (1 bit), como Canonical Format
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Identifier y PRI (3 bits), que permite asignar 8 niveles de prioridad a la trama Ethernet. Solo pueden definirse 4094 VLAN por segmento, pues los ID 0x0000 y 0xFFFF son números reservados. El campo VLAN ID solo tiene valor en ports definidos como Troncal en el switch Ethernet. Si la trama debe ser enviada a un port de acceso, se remueve la etiqueta 802.1q, en forma similar al ingreso/egreso en MPLS. Se observa que el campo Long/Tipo que indica cual es el Cliente MAC de la trama 802.3 ha sido desplazado 4 bytes a la derecha y la longitud máxima es de 1530 bytes. El resto de la trama no ha sufrido modificaciones. El campo CFI identifica si la dirección MAC tiene forma canónica. Si CFI = 0, la dirección MAC es canónica y es el valor utilizado en los switches Ethernet. CFI = 1 indica la presencia de un campo RIF (Routing Information Field), utilizado en Token Ring. Una trama con CFI = 1 no debe ser entregada a un port de acceso Ethernet. Las prestaciones típicas de las VLAN son:
Grupos cerrados de usuarios (tema clásico en redes) en una red de Nivel 2, con independencia de la ubicación geográfica de la estación del usuario, y con un nivel de seguridad de acceso dado por la pertenencia a la VLAN en tablas distribuidas en nodos de la red LAN.
Pertenencia a una red VLAN definible por software en switches LAN, por cada port, en lugar de una asociación con un puesto fijo, cableado para el host en particular.
Dominio de broadcasting virtual, limitado a los elemento miembros de la VLAN, lo que minimiza el tráfico de gestión LAN.
Es típico el diseño de redes con subredes IP mapeadas sobre VLAN, y se aplican criterios unificados para categorizar prioridades de tráfico según los 3 bits CoS en MPLS DiffServ y VLAN, siendo posible prestaciones de las VPN MPLS extremo-extremo, con diseños integrales en los niveles 2 y 3. Una segmentación típica VLAN de hosts de un dominio de broadcast es según la afinidad de las aplicaciones ó privilegios que comparten. En una empresa es típico asignar VLAN según funciones específicas del área, como Ingeniería, Finanzas, Rec. Humanos, Marketing, etc. Se puede asignar a cada VLAN un perfil de QoS diferente, lo cual puede requerir un diseño planificado de los perfiles QoS asignados a elementos de subredes IP (L3) y los perfiles QoS de las VLAN soporte en el Nivel 2. Las membresías de las estaciones a las VLAN y el uso de VLAN ID es manejado por administradores de redes corporativas. Aunque es posible configurar hasta 4094 VLAN por dominio, en la práctica los switches VLAN de bajo ó mediano costo soportan una cantidad menor de VLAN, para minimizar el uso de memoria del switch. Es usual que un switch tenga configurados sus ports con el VLAN ID 1, por default. En instalaciones previas a las VLAN 802.1q, de carácter propietario según el fabricante, existían membresías VLAN estáticas, con lo cual existe una asociación permanente entre el VLAN ID y el port de acceso físico. Un administrador de red asigna ports de los switches a las VLAN en forma dinámica y transparente al usuario. Como las VLAN son entidades lógicas independientes del cableado y del port de usuario, en los cuartos de cableado no existen identificaciones para VLAN, ya que un port físico de acceso de un host a la red LAN puede ser reconfigurado múltiples veces remotamente, sin conexión con la dirección MAC de la NIC del host. Las tablas son mantenidas en los switches LAN y su respaldo existe en el sistema de gestión de la red corporativa. Los servicios de redes Metro Ethernet son otra opción para interconectar diferentes sitios LAN de un cliente, sin perder las prestaciones VLAN. Para que una trama 802.3 de una VLAN cliente se transporte en una red Metro Ethernet de un PS, que a su vez está organizada mediante VLAN, se desarrolló el standart IEEE 802.1ad. El mismo es una modificación del standart 802.1q, y permite que una trama 802.3 tenga dos etiquetas VLAN. La técnica se conoce como Q-in-Q ó Stacked VLAN, y es equivalente al stack de etiquetas MPLS. La trama VLAN que ingresa a la red del PS recibe una segunda etiqueta VLAN (Provider Tag) delante de la etiqueta original (User Tag).
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En la red del PS, es conmutada según la etiqueta VLAN externa, con prestaciones de QoS que el PS asigna a ese Cliente. La etiqueta externa (Provider Tag) es retirada por el switch de egreso de la red Metro Ethernet, y se entrega la trama 802.1q+ tal como ingresó a la red al switch de borde del cliente. Aunque el standart 802.1ad solo permite dos etiquetas VLAN, el concepto es expandible a múltiples etiquetas dentro de la red del PS, para casos como escasez de numeración VLAN dentro de la red y otros.
4.15 Redes Metro Ethernet Las redes Metro Ethernet ó MAN Ethernet son redes públicas de datos MAN basadas en standares Ethernet y que proveen diversos servicios de interconexión para las LAN en las diferentes locaciones de una organización, como ser la interconexión de los sitios entre sí, un acceso unificado con la Internet y/o con una telco local. Esta clase de redes pueden ser administradas por nuevos operadores, incumbentes ó en competencia. El servicio de transporte de Ethernet puede ó no incluir el soporte de VLAN IEEE 802.1q. Las redes Metro Ethernet cuentan con el impulso de la alianza Metro Ethernet Forum (MEF), con más de 175 miembros, entre proveedores de servicios, fabricantes de equipos, laboratorios de homologación, etc. La MEF, creada en el año 2001, tiene el objetivo prioritario de difundir las redes públicas Metro y Carrier Ethernet:
Metro Ethernet: Son los servicios Ethernet originales, hacia el año 2001, en redes de transporte MAN, que pueden ser Ethernet puras, sobre SDH, MPLS ó sobre OTN tipo DWDM. Operan con standares MEF y son tienen interfaces UNI (usuario) y NNI (red) estandarizadas por el MEF. Como en el caso de Carrier Ethernet, el MEF no define las tecnologías de transporte, pero las redes Metro no tienen los rígidos standares de calidad de la clase Carrier.
Carrier Ethernet: Definidos por el MEF como servicios y redes Ethernet con calidad Carrier, con cinco atributos distintivos respecto de redes LAN Ethernet: a) Servicios normalizados (E-Line, E-LAN); b) La escalabilidad de hasta millones de usuarios, MAN-WAN, velocidad granular entre 1 Mbps y 10+ Gbps; c) Confiabilidad, alta disponibilidad y rápida recuperación frente a fallas, de hasta 50 mseg; d) Calidad de Servicio en diferentes opciones, con SLA definiendo CIR, pérdidas de tramas, retardos y variación de retardos; e) Gestión del Servicio, para monitoreo y diagnóstico centralizado, con OAM clase carrier.
El MEF no especifica tecnologías de transporte para Ethernet, existiendo soluciones como SDH, OTN, MPLS, etc., aunque al operar una red Ethernet WAN existen limitaciones para escalar con bridges y STP, además de las limitaciones para aislar flujos de tráfico de diferentes clientes mediante VLAN. MPLS aporta soluciones de VPN con túneles L2 ó redes VPN L3, aunque las operaciones en el Nivel 3 impiden el uso de VLAN globales. Entre las atribuciones del MEF están el marketing de servicios MEF, procesos de test e interoperabilidad, standares y especificaciones técnicas MEF, más la presencia en organismos como IEEE, IETF, ITU-T y otros. Una ventaja de estas redes es el uso de interfaces Ethernet hacia la red MAN, con menor costo a velocidades de 100 Mbps ó 1 Gbps por punto de interconexión que utilizando redes SONET/SDH u OTN de telcos locales. Con los avances en interfaces Ethernet a 10, 40 y 100 Gbps, los clientes tienen un amplio rango de interfaces para aplicar en cada sitio interconectado. El diseño de una red Metro Ethernet de alta capacidad es similar a la arquitectura de otras redes de servicios de interconexión, pues se divide en red de acceso, de agregación y el núcleo ó backbone. La red núcleo está típicamente basada en routers IP/MPLS, que puede utilizar enlaces de 40GbE ó 100GbE ya disponibles, con la posibilidad de enlaces de núcleo a 400Gbps ó 1 Tbps en pocos años. El uso de IP/MPLS puede extenderse hasta el acceso a Nivel 3 con el cliente y proveer servicios VPN MPLS, aunque esto es opcional. La red de acceso, desde el CPE del cliente, dispone múltiples soluciones L2/L3 que pueden ser inalámbricas (WiMAX), en un amplio rango de velocidades, siendo típico el uso de 10 ó 100 Mbps. Las redes Metro Ethernet extienden las prestaciones de las VPN L2 (VLAN) sin interferir en la red del cliente. El MEF define cuatro servicios Ethernet normalizados, que reemplazan circuitos virtuales permanentes (PVC) con circuitos virtuales Ethernet (EVC). Los servicios son ofrecidos en líneas dedicadas sobre FO ó cobre, casi con igual aceptación, ó utilizando circuitos virtuales del tipo VPLS, y soportan QoS y OA&M calidad telco:
E-Line (Punto a Punto): Es un servicio transparente al protocolo de Nivel 2, pues encapsula la trama de datos y provee administración de ancho de banda, es escalable y soporta VLAN 802.1q y priorización
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de tráfico. El servicio tiene alta granularidad de ancho de banda, con PyMEs contratando accesos entre 2 y 100 Mbps y grandes empresas entre 100 y 1000 Mbps. Dos variantes de E-Line son:
o
EPL (Ethernet Private Line): Servicio basado en ports, con ancho de banda dedicado.
o
EPVL (Ethernet Private Virtual Line): Basado en VLAN, con ancho de banda compartido. Es un equivalente al servicio MPLS Virtual Private Wire Service (VPWS).
E-LAN (EVC Multipunto a Multipunto): Servicio de interconexión de múltiples sitios LAN Ethernet UNIUNI, que permite que los hosts se conecten y desconecten dinámicamente. Cada host E-LAN tiene su perfil de ancho de banda, que define el nivel de servicio QoS, y compite en preferencia con servicios VPLS de MPLS. Como en E-Line, existen dos variantes: o
EP-LAN (Ethernet Private LAN): Servicio basado en ports, con ancho de banda dedicado.
o
EVP-LAN (Ethernet Virtual Private LAN): Basado en VLAN, con ancho de banda compartido. Es un equivalente al servicio MPLS Virtual Private LAN Services (VPLS).
E-Tree (EVC Punto a Multipunto): Servicio de interconexión de sitios Ethernet con topologías árbol, que interconecta sitios de usuario con una organización jerárquica de sitios y hosts. Cada host E-Tree tiene un status y perfil de ancho de banda, que define el nivel de servicio QoS. Existen dos variantes: o
EP-Tree (Ethernet Private Tree): Servicio basado en ports, con ancho de banda dedicado.
o
EVP-Tree (Ethernet Virtual Private Tree): Basado en VLAN, con ancho de banda compartido.
E-Access (OVC Punto a Punto): Servicio de interconexión de enlaces Ethernet virtuales de operadores incumbentes con PS Metro, en interfaces UNI-ENNI. múltiples sitios LAN Ethernet de usuarios de , que permite que los hosts se conecten y desconecten dinámicamente. Cada host E-LAN tiene su perfil de ancho de banda, que define el nivel de servicio QoS. Como en E-Line, existen dos variantes: o
Acceso EPL (Access Ethernet Private Line): Servicio port-port y ancho de banda dedicado.
o
Acceso EVPL (Access Ethernet Virtual Private Line): Basado en VLAN, punto a punto, con el ancho de banda del canal compartido.
La conmutación en redes Metro Ethernet solo se realiza en el Nivel 2. Si el PS ofrece una red VPN de Nivel 2 tipo VPLS (Virtual Private LAN Services), se basa en servicios del Nivel 3 de routers IP/MPLS que actúan en forma transparente sobre el Nivel 2. Con redes OTN, la conmutación puede basarse en Ethernet sobre OTN L2. En servicios con redes IP/MPLS, estas pueden ser de operadores incumbentes del área de servicio Metro. El creciente uso de DWDM en redes MAN y WAN permite que las redes Metro Ethernet dispongan de una alta capacidad de tráfico con interfaces standares FE, 1GbE, 10GbE y, recientemente, 40 y 100 GbE. El empleo de las redes OTN (Optical Transport Networks) es creciente, siendo normalizadas por ANSI e ITU-T. Las OTN coexisten con SONET/SDH ó utilizan segmentos de estas redes, con dos décadas de maduración. La red OTN utiliza tramas para encapsular clientes OC-192/STM-64 (10G) y OC-768/STM-256 (40G). Sobre estos accesos OTU-2 y OTU-3 se pueden transportar interfaces 10GbE y 40GbE sobre SONET/SDH ó directamente en OTN. Las topologías que utilizan las redes Metro Ethernet dependen de la demografía social y económica del área de servicio y de la factibilidad para desplegar redes de acceso a bajo costo. En redes de acceso se implementan servicios tipo Ethernet en la Primer Milla, con Ethernet sobre PON ó sobre accesos VDSL a 10 Mbps FD, como el caso de servicios 10PASS-TS. El uso de accesos inalámbricos es una tendencia creciente. MPLS es favorita para su utilización en redes Metro Ethernet, pues permite encapsular tramas Ethernet dentro de tramas MPLS, las que se insertan en nuevas tramas Ethernet saltar entre nodos de agregación y de núcleo. El encapsulado MPLS luego del acceso por cobre ó FO, según la distancia al CPE, permite usufructuar de las ventajas de MPLS, como la alta confiabilidad y restauración del servicio por fallas en menos de 50 ms. Aunque originalmente los servicios Metro Ethernet fueron concebidos para PyME, en segmentos no cubiertos por operadores incumbentes (telcos), es posible proveer accesos residenciales con gateways de alta velocidad para Internet y complementos como hosting virtual, servicios IPTV, etc.
4. Ethernet. Interfaces, Switching, VLAN y Redes Metro Ethernet
231
4.15.1 VLAN y Puentes de las Redes Metro Ethernet Una red Metro Ethernet basada puramente en Ethernet utiliza switches con servicios IEEE 802.1ad en Puentes de Proveedor, conocido tambien como Q-in-Q, que permite la coexistencia de VLAN de usuarios y la red Metro. Tambien utiliza servicios IEEE 802.1ah para los Puentes de Backbone de Proveedores, conocidos como PBT. Estos standares permiten que las VLAN del Proveedor de Servicio Metro Ethernet operen con independencia de las VLAN de los Clientes, así como prestar servicios de QoS diferenciados y tener escalabilidad de Ethernet. En redes de la categoría Carrier Ethernet se progresa en la consolidación con standares como IEEE 802.1Qay, para proveer la capacidad de Ingeniería de Tráfico en el backbone Ethernet (PBT-TE), OA&M con Fault Management y alta disponibilidad con restauraciones en milisegundos, e interfaces PS-PS normalizadas (NNI). La Figura 4.35 resume extensiones de la trama 802.3 original para soportar servicios VLAN dentro de la red Metro Ethernet, así como Puentes Ethernet de Proveedor, sin colisiones con VLAN de Clientes. El header (4) está definido en el standart 802.1ah, y permite la operación de los puentes del operador. El header (3) permite que el operador de la red Metro utilice VLAN en su arquitectura. Los headers (1) y (2) son originales de Clientes. La trama extendida 802.3 de la Figura 4.35 solo existe dentro de la red Metro, pues los headers adicionales se retiran en las interfaces UNI salientes. La longitud máxima (menos preámbulo y SFD) pasa de 1518 bytes en la trama Ethernet a 1522 bytes en VLAN, valor relativamente tolerable por switches y redes convencionales. Los equipos especializados para las redes Metro Ethernet operan con las variantes de encapsulamiento de las tramas 802.3 (1526 y 1547 bytes) que se muestran en la Figura 4.35.
Figura 4.35: Variantes de la Trama 802.3 (Normal, VLAN, Metro y Carrier Ethernet). La trama PBB permite separar completamente los dominios de los clientes y el PS encapsulando la trama IEEE 802.1ad con una extensión definida en IEEE 802.1ah, que permite direccionar elementos de red del PS según sus direcciones MAC, con independencia de las direcciones MAC de los clientes. El tipo Ethertype es 0x88A8, con un campo VID (VLAN Identifier), un campo I-SID para identificar la clase de servicio, y flags para OA&M.
4.16 Demarcación de Prestaciones en Carrier Ethernet Un importante argumento para impulsar redes Carrier Ethernet es que practicamente todo el tráfico de datos se origina como Ethernet, por su relevancia en las redes LAN corporativas y residenciales en todo el mundo. Parece razonable ofrecer servicios corporativos globales a través de la interconexión de redes Carrier Ethernet de diferentes operadores en el mundo, aunque deben definirse standares de interconexión.
4. Ethernet. Interfaces, Switching, VLAN y Redes Metro Ethernet
232
Se requieren standares para tecnologías, interfaces UNI y ENNI, tests de certificación, etc., como los PBB (Provider Backbone Bridges), procesos PBB-TE (Provider Backbone Bridge Traffic Engineering), CFM-OAM (Connectivity-Fault Management OAM), etc., desarrollados por el consorcio MEF, para obtener normas aceptadas globalmente. Un aspecto relevante en un nuevo entorno de redes de servicios es la demarcación de los bordes de los Carrier Ethernet, lo que es fundamental para la operación del negocio de redes a nivel transporte de tráfico de cliente, servicios mayoristas y aplicaciones para backhauling en redes móviles. El proceso se basa en definir servicios provistos por un operador desde el punto de conexión de un CPE, tal que exista una separación (demarcación) nítida entre las redes de los usurios y del proveedor de servicios. La provisión de un CPE específico del PS es un mecanismo posible, que ya cuenta con varios fabricantes de CPE con capacidades de demarcación. La demarcación de CPE Carrier Ethernet se requiere para soportar servicios especificados por el MEF, como EPL (Ethernet Private Line), EVPL (Ethernet Virtual Private Line) y E-Tree (Ethernet Virtual Private Tree). Los servicios prestados deben incluir los SLA (Service Level Agreement) sobre capacidades de gestión, y tener una performance consistente sobre diferentes clases de acceso como FO, xDSL, bonded PDH e interfaces de redes SONET/SDH. La demarcación incluye tambien perfiles complejos de gestión de tráfico, técnicas de QoS, monitoreo, diagnósticos y gestión general de fallas, junto con la alta disponibilidad de redes tipo SONET/SDH.
4.16.1 Tecnologías Carrier Ethernet Los diferentes equipos utilizados en redes Carrier Ethernet requieren de normas con consenso global para la etapa de interconexión de redes de diferentes proveedores. Ya se han mencionado standares IEEE 802.1ad para los Puentes de Acceso al Proveedor más IEEE 802.1ah para Puentes del Backbone de Proveedores. El uso de standares para OAM del IEEE y la ITU-T (IEEE 802.1ag, ITU-T Rec Y.1731) afianza la gestión de las redes en modos normalizados. El standart IEEE 802.1Qay (2009) define procesos de enrutamiento PBB-TE (Provider Backbone Bridge Traffic Engineering) utilizando encapsulado MAC-in-MAC definidos en 802.1ah (Provider Backbone Bridges (PBB)), pero difiere de los procesos en puentes PBB al eliminar flooding, tablas de reenvío dinámicas y protocolos tipo spanning tree. PBB-TE opera en un modo predecible y fácilmente controlable por el proveedor de servicio. La gestión OAM del PBB-TE se basa generalmente en IEEE 802.1ag. La actividad actual con el standart PBB-TE está dirigida a posibilitar el control de redes Ethernet desde un sistema de gestión superior, para permitir un amplio rango de políticas de ingeniería de tráfico.
4.16.2 MEF Global Interconnect La iniciativa Global Interconnect está impulsada por el MEF (Metro Ethernet Forum) y sus 200+ miembros tal que se promueva el despliegue y la interoperabilidad global de redes Carrier Ethernet en todo el mundo. La iniciativa prevé la incorporación de todos los servicios bajo Global Ethernet Interconnect con interfaces ENNI (Ethernet Network to Network Interface), definidas por el EMF, con capacidad general de OAM&P. Un estímulo para esta iniciativa es que el mercado de transporte Ethernet ha crecido desde 0 en el año 2001 a 22 millardos de U$S en el 2008, esperando un mercado global de 34 millardos de U$S para el año 2013. Entre los proveedores de tecnologías Carrier Ethernet se cuentan Alcatel-Lucent, MRV, RAD Data Communications, Raisecom, BTI, Cisco, EXFO, Ciena, MRV y otros. Algunos PS relevantes en la región APAC son Hutchison, HGC/AMS-IX, PLTD, TATA Communications, HKBN y Verizon. KDN (Kenya Data Networks) provee servicios Metro Ethernet sobre MPLS en varios países del Este de África y Comcast ha anunciado tales servicios en los EEUU desde el año 2011.
4.17 Conclusiones Las tecnologías Ethernet han prevalecido, en una contienda con otras tecnologías para redes LAN, desde mediados de los años ’90. La estrategia del IEEE para con las diferentes generaciones ha sido mantener la misma estructura de trama entre 10 Mbps y 100 Gbps, así como la mayoría de los parámetros operacionales. Esto, sumado a la adopción masiva de Ethernet como red LAN en el segmento de negocios y residencial, y la ubicuidad del conector RJ-45 como interfaz de numerosos dispositivos de red L2 y L3 (routers, MSAN, ports de
4. Ethernet. Interfaces, Switching, VLAN y Redes Metro Ethernet
233
gestión, etc.) y una gran diversidad de equipos de oficina, a nivel industrial y en el hogar, ha consagrado a Ethernet (IEEE 802.3) como dominante para la provisión de enlaces y redes de datos de Nivel 2. Aún ahora, Ethernet continúa disputando espacios ocupados por otras interfaces en, por ejemplo, redes SAN (Storage Area Network), típicamente dominada por interfaces Fibre Channel (FC) de diferentes velocidades. Solucionados las limitaciones técnicas para los DSP utilizados en interfaces 1GbE y 10GbE, para la utilización de pares de cobre en lugar de FO, estas interfaces son favoritas en las instalaciones de Datacenters. Cuando es requerido, las tecnologias Ethernet desde 100 Mbps en más, utilizan una amplia variedad de módulos con transceptores de FO, que permiten cambiar la naturaleza de la interfaz y proveer conexiones directas de 1 y 10 Gbps a distancias de hasta 80 Km, para accesos remotos de concentradores de comunicaciones ó interconexión directa entre switches L2, routers L3 ó conmutadores integrados L2/L3. El transporte de Ethernet a grandes distancias está disponible mediante el uso de redes SONET/SDH, y como la interfaz 10GbE es muy popular como velocidad base de redes e incrementos modulares de ancho de banda, es posible mapear directamente una interfaz 10GbE sobre una nueva generación de equipos SDH. Mientras las redes OTN, en proceso de adopción y sustitución de SDH, continúan evolucionando en el mercado, se han desarrollado mecanismos para mapear tramas Ethernet de 100 Mbps y 1 Gbps sobre enlaces STM-N. Las capacidades de Ethernet han crecido 10 veces con cada generación entre 10 Mbps y 100 Gbps, con la excepción del desarrollo para 40Gbps, velocidad nominal de SDH STM-256. Este factor de crecimiento ha estado por delante de las aplicaciones para cada generación 802.3, como es el caso de las interfaces 10GbE que recientemente comienzan a desplazar a las interfaces 1GbE en servers de Datacenters y switches L2 y L3. Las aplicaciones para Ethernet a 40 y 100 Gbps van encontrando su lugar en redes MAN y WAN y hasta en el backplane de equipos de alta performance, reemplazando buses propietarios con ventajas de costos, testing y de operabilidad. Es posible trasladar el know-how sobre Ethernet de generación en generación, lo cual provee de ahorros en interfaces, entrenamiento del personal y reducción de partes de inventario. La modalidad de redes MAN del tipo Metro Ethernet, desarrollada hace más de una década para proveer servicios de conectividad 802.3 a filiales de empresas en ámbitos metropolitanos ha evolucionado hacia la categoría Carrier Ethernet, para redes MAN y WAN, con capacidades integrales de gestión. Se trabaja en el desarrollo de interfaces NNI para la interconexión de redes Metro/Carrier Ethernet MAN y WAN, lo que proveerá de redes de Nivel 2 interconectables sin utilizar enrutamiento de Nivel 3. Una de las limitaciones de las VPN Ethernet es la disponibilidad de solo 4094 redes diferentes en un mismo segmento, sin incluir un router para reiniciar la numeración. Por este motivo, los servicios de redes Ethernet MAN y WAN hacen uso de tecnologías IP/MPLS para la provisión de conectividad sin violar el ID VLAN ó para extender la conectividad mediante enrutamiento de Nivel 3. Como las LAN Ethernet solo pueden priorizar tráfico según un esquema simple basado en 3 bits del tag VLAN, y no pueden garantizar QoS para media streaming, el desarrollo actual de LAN sincrónicas puede solucionar en gran parte el problema del acarreo de voz y video paquetizadas. En resumen, las tecnologías Ethernet proveen una solución simple y uniforme para la conectividad en el Nivel 2 a velocidades de hasta 100 Gbps sobre enlaces electro-ópticos, quedando en el horizonte desarrollos para la inserción de tramas 802.3 directamente en el nivel óptico, eliminando la intermediación de SDH u OTN. Si bien 100 Gbps es una velocidad muy elevada para las actuales necesidades de tráfico, a sabiendas de que este crece incesantemente, nuevos desarrollos de laboratorio se aplican a desarrollar interfaces Ethernet que operan a 400 Gbps y 1 Tbps, disponibles para el año 2015, con planes de alcanzar 100 Tbps para el año 2020.
4. Ethernet. Interfaces, Switching, VLAN y Redes Metro Ethernet
234
5 Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
5.1
Multi Protocol Label Switching (MPLS)
5.1.1 Antecedentes y Prestaciones de MPLS MPLS (Multi Protocol Label Switching) fue desarrollado para mejorar la velocidad de conmutación en routers IP, a fines de los años ’90. Hacia el 2002 se introdujo enrutamiento IP basado en hardware, proveyendo una performance equivalente a MPLS. No obstante, numerosas propiedades de MPLS como las redes VPN L2 y L3, fueron un factor determinante para que MPLS continúe vigente, muy particularmente para crear redes IP/MPLS.
Figura 5.1: Capacidad de MPLS para Encapsulado y Transporte de PDU de Otros Protocolos MPLS deriva del concepto de fast packet switching de principios de los años ’90, por conmutación de celdas y pensado como una evolución natural de X.25 y Frame Relay, en competencia con ATM. En 1994, Toshiba fue pionero en proponer el Cell Switch Router en la IETF y, en 1996, anunciaron desarrollos con tecnologías Label Switching: Cisco (Tag Switching), IBM (ARIS) e Ipsilon (IP Switching). En 1997, el IETF creó el MPLS Working Group que, en el año 2001, introdujo las primeras RFC para MPLS (RFC 3031 y asociadas). En ese año ya se desplegaron las primeras redes MPLS, con servicios VPN y QoS garantizado por TE.
5. Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
235
La elevada performance de conmutación de paquetes de MPLS se basa en el uso tablas de lookup mínimas, en comparación a las complejas tablas de enrutamiento por prefijos IP utilizadas en Internet y redes privadas. El uso de etiquetas de 20 bits en cada paquete MPLS permite su rápida conmutación en tablas de 16MM entradas. La etiqueta identifica caminos virtuales entre nodos internos, para un rápido reenvío I/O de los paquetes. MPLS permite encapsular PDU de diferentes tecnologías en forma transparente, como ser ATM, T1/E1, Ethernet, F. Relay, y otras, y crea túneles extremo-extremo con excelente performance y privacidad. La Figura 5.1 muestra la evolución de las tecnologías más relevantes en la infraestructura de redes de comunicaciones terrestres desde 1980, el crecimiento de velocidades de un port (Mbps) y de conmutación de paquetes en un nodo (Millones de paquetes por segundo). Se refleja el impacto de MPLS para el transporte unificado de PDU de diferentes clases de redes, con encapsulamiento de PDU y túneles sobre redes MPLS. A fines de los años ’90, las telcos planteaban un camino de convergencia basado en ATM sobre SONET/SDH, como evolución de X.25, DDN, Frame Relay, LAN Ethernet, IP, etc. La propuesta de redes LAN ATM y LANE (LAN Emulation) no tuvo aceptación comercial por la sencillez, performance y economía de las LAN Ethernet y su afinidad con IP en las redes corporativas. ATM, una tecnología compleja, tuvo baja aceptación como backbone en los ISP y en nuevos carriers operando con switches Ethernet y routers IP/MPLS integrados, con enlaces 1GbE y 10GbE, que ofrecen ventajas de costos y performance sobre ATM, Frame Relay y otras. La capacidad de ATM de proveer QoS con calidad TDM sobre circuitos virtuales, su compatibilidad con redes SONET/SDH y otras prestaciones no alcanzaron para ganar el mercado de LAN corporativas, las que originan casi el 25% del tráfico IP. El transporte de IP sobre ATM, uno de los servicios clave para ISP, compitió con el transporte basado en POS (Packet over SONET) y los routers con POS integrado en ports para enlaces WAN hacia Internet. Nuevas interfaces para el transporte de Ethernet sobre SDH, OTN y WDM relegaron más el uso de ATM. Se suma el requerimiento de un staff especializado en telecomunicaciones y redes Ethernet e IP. Tales conocimientos no coexisten en la mayoría del personal afectado a las operaciones de redes, siendo necesario integrar dos grupos diferentes, una dificultad que hizo poco popular ATM en redes de datos. Actualmente, el uso de ATM declina en las redes en operaciones, aunque opera en cientos de millones de modems ADSL ITU G.992.1 (G.DMT), que tienen una capa ATM para interfaz con DSLAM con uplinks ATM. Estos son reemplazando por IP-DSLAM. Los nuevos modems ADSL2+ incorporan una interfaz IP directamente. La tecnología MPLS tiene prestaciones suficientes para reemplazar ATM en el backbone de las redes IP, especialmente con routers IP de baja performance debido al enrutamiento basado en software. Al desarrollarse tecnologías para enrutamiento en hardware, MPLS continuó siendo adoptado en el backbone de redes IP, y por su compatibilidad nativa con IP y Ethernet, facilitó la aparición de routers duales IP/MPLS. Tal clase de routers tiene más de una década de maduración, proveen una elevada performance en conmutación en el backbone y numerosas otras prestaciones. Algunas características distintivas de MPLS son:
Es agnóstico sobre el PDU que transporta, si bien es típicamente utilizado con IPv4/v6.
Una ruta se computa una única vez, en el router MPLS de ingreso, el cual comunica a los demás nodos sobre como conmutar los paquetes MPLS. El resto realiza una operación de reenvío (forwarding).
Reaprovecha protocolos IP como BGP en nodos de ingreso, para acumular datos sobre la red.
El encapsulado del PDU transportado, más la capacidad de insertar varias etiquetas por paquete MPLS permite crear VPN de Nivel 3 con excelentes mejoras sobre IP crear túneles para VPN de Nivel 2.
MPLS es transparente a los niveles superiores e inferiores del stack de protocolos de red, y aumenta la disponibilidad del servicio con reenrutamientos en menos de 50 mseg, en el caso de fallas locales.
MPLS ofrece múltiples prestaciones en una red, como ser: •
Alta performance por mecanismos de conmutación sencillos, circuitos virtuales, alta disponibilidad por restauración automática en caídas parciales (< 50 mseg), múltiples perfiles de QoS.
•
Eliminación de múltiples capas con solapamiento de SDH/ATM/IP en las redes de Carriers.
•
Ingeniería de Tráfico en IP: RSVP-TE ofrece servicios con prestaciones QoS de redes TDM.
•
Priorización de Tráfico IP: MPLS-DS utiliza el mismo servicio DiffServ de IPv4, extendiendo QoS.
•
Redes VPN Nivel 3: interconecta subredes de clientes con direcciones IP solapadas y QoS garantizado.
•
Redes VPN Nivel 2: provee conexiones punto a punto (VPWS) ó integra múltiples redes LAN (VPLS). .
5. Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
236
•
Soporte del tráfico IP multicast, para servicios IPTV en redes Triple Play.
Las tecnologías de routers IP/MPLS proveen IPv4, IPv6 y MPLS en routers para redes backbone, agregación y de acceso, con un amplio rango de capacidades de conmutación y de velocidades de ports Ethernet.
5.1.2 MPLS en el Mercado Actual Luego de más de una década de maduración, en el 2013 las redes y servicios VPN basados en MPLS y Ethernet sobre MPLS (Carrier Ethernet) existen como un recurso básico en la infraestructura de redes de operadores nacionales y de carries internacionales, y se utilizan ampliamente en el segmento Negocios, para establecer VPN IP (Nivel 3) y conexiones WAN Ethernet sobre MPLS (Nivel 2). MPLS forma el backbone de la mayoría de las redes IP de operadores fijos, y es utilizado en forna directa ó como complemento a redes de acceso Ethernet para proveer VPN empresariales en todo el mundo. Los servicios para VPN de Nivel 3 (malla ó punto a punto), complementadas con VPN de Nivel 2 (Ethernet punto a punto) son un lugar común, y operan con capacidad de proveer perfiles de QoS diferenciales para diferentes clases de tráfico utilizando mecanisnmos de priorización de tráfico. Además de los servicios de los operadores nacionales, más de una docena de carriers internacionales con miles de POP (Point of Presence) propios ó utilizando POPs E-NNI dan servicios globales en más de 70 países, variando la cantidad según el carrier. Esto permite crear redes IP VPN (MPLS VPN L3) ó servicios Carrier Ethernet (MPLS VPN L2), gestionadas por los carriers en su gran mayoría, en cientos de ciudades y decenas de países. Las tendencias indican que, en pocos años, la gestión de esta clase de servicios será realizada casi exclusivamente por los proveedores del mismo, teniendo el cliente acceso en tiempo real al status de la red. La infraestructura actual provee servicios de VPN globales a corporaciones multinacionales, interconectando sus diferentes filiales utilizando una única red homogenea, para diferentes clases de tráfico, como telefonía VoIP, video CoD sobre redes CDN corporativas, accesos a aplicaciones remotas y otras facilidades. Muchos de estos carriers contratan facilidades de operadores nacionales para complementar sus servicios que, en el caso de redes gestionadas, implican el uso de un CPE (nodo de acceso) provisto por el proveedor de los servicios globales. Las mismas capacidades están siendo utilizadas por operadores nacionales en el segmento de negocios local. En ambos casos, la gestión tercerizada puede ser compartida con el cliente, el cual accede a diferentes niveles de información en portales WEB que son interfaces con los sistemas de gestión de las redes. Para clientes que no desean operar redes VPN L3 gestionadas, se ofrecen interconexiones punto a punto L2 a nivel nacional ó internacional, utilizando un ensamble de MPLS y Ethernet. En este caso, es el cliente quien fija la topología global de su red corporativa, utilizando e integrando las facilidades de los diferentes segmentos punto a punto que contrata. En general, la tercerización de la gestión de las redes es el caso más común, por el ahorro de costos en OA&M, y las redes MPLS gestionadas proveen de información online sobre su status. Los costos de los servicios provistos tiene esquemas flexibles, como ser tarifas planas, pago por uso de las redes y propuestas híbridas, y son utilizados, en general, para interconectar sitios con 100 ó más empleados.
5.1.3 Encabezamiento de Paquetes MPLS Las operaciones en MPLS se basan en introducir, modificar y retirar un encabezamiento de 32 bits entre los headers de los Niveles 2 y 3, que contiene la etiqueta MPLS, indispensable para la operación de la red.
Figura 5.2: Encabezamiento MPLS Aplicable como Cuña entre L2 y L3 (Shim Header). En paquetes IP transportados con Ethernet ó PPP, el header MPLS se inserta como una cuña (shim) entre el header IP y el header Ethernet ó PPP. En ATM y Frame Relay, el header MPLS se distribuye en campos de los encabezamientos existentes, pero por su baja utilización no serán tratadas aquí.
5. Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
237
El encabezamiento MPLS tiene cuatro campos, como se aprecia en la Figura 5.2, y son:
Etiqueta: un campo de 20 bits, que identifica el flujo de tráfico al que pertenece el paquete.
Exp: Un campo experimental de 3 bits utilizable para priorizar diferentes tráficos dentro de un LSP, con prestaciones QoS. Ha sido renombrado como Clase de Tráfico (TC) por RFC 5462 (2009).
Stack: un campo de 1 bit que indica, puesto a “1”, que el header es el último del stack.
TTL: un campo de 8 bits que indica Time to Live. Se utiliza como en IPv4, decreciendo su valor en 1 al pasar por un nodo MPLS. Si TTL llega a cero, el nodo MPLS descarta el paquete. Se inicializa de dos modos: uniforme, donde se copia del paquete IP que ingresa a la red MPLS, ó pipe, con un valor 255.
Un paquete MPLS puede tener más de un header, como se muestra en la Figura 5.3, creando un stack con etiquetas múltiples (RFC 3032) para servicios avanzados como en redes VPN de Nivel 2 ó Nivel 3.
Figura 5.3: Paquete MPLS multinivel, con un Stack de Headers MPLS. 20
La etiqueta puede adoptar 2 valores diferentes, con los valores entre 0 y 15 reservados para uso de MPLS. Se utilizan dos modos, entre varios, para asignar y distribuir las etiquetas MPLS:
Espacio de etiquetas por plataforma: Se asigna una etiqueta por FEC (Forwarding Equivalence Class) y por nodo MPLS. Es útil para marcar el tráfico entrante por diferentes interfaces de un nodo, cuando se comparte el espacio de etiquetas.
Espacio de etiquetas por interfaces de nodos: Se asigna una etiqueta por cada interfaz de cada nodo MPLS, según los recursos del camino LSP por esas interfaces. Cada interfaz que pertenece a un FEC (Forwarding Equivalence Class) diferente recibe una etiqueta separada.
5.1.4 Bases del Funcionamiento de MPLS La Figura 5.4 revela aspectos básicos de la conmutación MPLS. Una conexión entre A y B se crea estableciendo un LSP (Label Switched Path) entre los routers de acceso LER1 y LER2 (Labeling Edge Routers). Un LSP AB es un camino unidireccional de un flujo de tráfico entre A y B. Por esto, se debe establecer un segundo LSP en el camino opuesto (LSP BA), para sesiones full duplex. El LSP BA sigue el mismo trazado. El router de ingreso LER1 inserta una etiqueta MPLS en el paquete de entrada (PUSH). Los routers LSR (Label Switching Routers) forman el núcleo de la red MPLS, y conmutan mediante operaciones de SWAP de etiquetas. La acción de conmutación en cada router LSR consiste en: 1. Sacar un paquete MPLS de la cola de entrada de una interfaz de ingreso y leer la etiqueta. 2. Realizar un lookup de etiqueta con 20 bits exactos en la tabla FIB del router. Leer nueva etiqueta e interfaz de salida. Cambiar la etiqueta en el paquete MPLS (SWAP) y descontar el campo TTL. 3. Poner el paquete en la cola de espera de la interfaz de salida hacia el siguiente nodo. Si este nodo es el último y tiene indicado el procedimiento PHP, sacar el header MPLS previamente (POP).
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Cuando el paquete alcanza el router LER2, este retira la etiqueta (POP) y entrega los datos del Nivel 3 al sitio B. La secuencia PUSH/SWAP/POP crea un camino virtual A->B (LSP AB) de baja latencia pues los procesos se implementan en hardware. El LSP puede crearse en forma estática, mediante la acción de un operador en las tablas, ó dinámicamente según las reglas de enrutamiento del router LER. Los datos transportados son transparentes, y pueden ser paquetes IP, tramas Ethernet, Frame Relay, ATM e incluso hasta datos binarios de tramas TDM (Ej.: tramas E1 ó T1).
Figura 5.4: Operaciones Básicas de un Router MPLS (PUSH-SWAP-POP). En algunos casos, se aplica el procedimiento PHP (Penultimate Hop Popping) con el cual el último LSR previo al LER es quien remueve la etiqueta MPLS, lo que disminuye la carga de trabajo del LER. La condición PHP se conviene de antemano entre personal técnico, así el LER solo realiza la gestión con el protocolo L3 de usuario.
Figura 5.5: Interconexión entre Usuarios IP utilizando Redes MPLS y Routers LER. Los routers MPLS de borde (LER) adaptan MPLS con las redes interconectadas. Por ejemplo, si son redes IP, los LSR de ingreso y egreso operan con paquetes IP hacia A y B y con paquetes MPLS hacia dentro de la red.
5. Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
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Si los LSR están en el borde de dos redes MPLS, los LSR de ingreso y egreso se limitan a insertar ó extraer un header de 32 bits entre los datos del Nivel 3 y los datos del Nivel 2, lo que crea un stack de etiquetas MPLS. La Figura 5.5 muestra una red MPLS que interconecta dos usuarios IP A y B, sean hosts ó subredes IP. Los routers LER tienen dos interfaces, hacia el lado IP y hacia el lado MPLS, donde aparece el nivel MPLS entre L2 y L3. El camino LSP se establece entre los routers LER A y B, y es transparente al nivel IP.
5.1.5 Alternativas a MPLS Si bien MPLS es óptimo en aplicaciones de alta performance junto con IP, luego de una década de maduración, existen diversas propuestas que mejoran las prestaciones y cobertura de MPLS, como ser:
GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching): Extiende el uso de MPLS para administrar otras interfaces en los niveles de transmisión y enlace, como TDM, L2 Switching y WDM switching, y emplea una etiqueta generalizada, que puede especificar una FO, una frecuencia óptica, un slot TDM, etc.
SPB/PBB: El protocolo Shortest Path Bridging (SPB) sobre puentes PBB (Provider Backbone Bridge) se emplea en redes Metro y Carrier Ethernet con VLAN de Clientes optimizadas en redes MAN y WAN.
MPLS-TP: MPLS-Transport Profile es desarrollado por el MPLS WG como una evolución de MPLS, al utilizar GMPLS para proveer conexiones determinísticas mediante LSP, y quitando algunas funciones como PHP (Penultimate Hop Popping), fusión de LSP y Equal Cost Multi-Path. MPLS-TP opera en el Nivel 3 de redes de transporte y conserva prestaciones como la emulación de pseudowires, el reenvío por conmutación de etiquetas y otros aspectos clave de MPLS.
MPLS se afianza en el mercado de redes de datos para el 2013, incrementando su uso en el backhauling de redes móviles, VPN empresariales, integración con Ethernet para última milla de IPTV sobre PON y tendencias para extender las prestaciones MPLS hasta el borde de las redes, en routers de acceso de baja y media capacidad, lo que posibilita que los operadores de telecomunicaciones migren la red de acceso de telefonía TDM hacia MPLS, utilizando modems xDSL. Existen desarrollos para mejorar el OAM de las redes MPLS, aumentando la visibilidad de estas en sistemas de gestión de red y mejorando la verificación de los SLA con herramientas integrales, que tambien permitan el provisionamiento de los elementos de red. Una propiedad de MPLS (y de GMPLS) es la capacidad de encapsular cualquier el servicio de cualquier capa de red en cualquier tipo de transporte, manteniendo un nivel de QoS acorde con el servicio a prestar. Esta es una prestación de las VPN MPLS que, hasta el momento, no han encontrado competencia.
5.1.6 Routers Duales IP/MPLS Un router IP/MPLS opera indistintamente con ambas clases de tráfico. Un mecanismo, utilizado ampliamente en routers IP, es que la trama Ethernet informe la clase de carga transporta en el campo Ethertype.
Figura 5.6: Operación de un Router LER IP/MPLS. El campo Ethertype, de 16 bits, acarrea dos clases de información: hasta el número 1536 define la longitud de la trama y desde 1537 en más define el tipo de datos L3. La trama Ethernet solo transporta hasta 1536 bytes. Si el port de ingreso no procesa paquetes IP ó paquetes MPLS, este puede descartarse en el Nivel 2. El router es una entidad IP, para el plano de control, con direcciones IP y ports TCP ó UDP de plataforma y aplicaciones.
5. Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
240
La Figura 5.6 simboliza la operación IP/MPLS de un router LSR (ingreso/egreso), aplicable tambien a routers duales LSR, en el núcleo de la red. Las tablas y protocolos de enrutamiento IP se interconectan con las tablas de etiquetas MPLS. El protocolo BGP de enrutamiento IP es utilizado tambien por MPLS, por lo que existen implementaciones con actualización de etiquetas en las tablas realizada con una extensión de BGP. Como ejemplo del estado actual de la tecnología de routers IP/MPLS se presentan algunas características de los routers Brocade Serie MLX para backbone y borde en proveedores de servicios ó grandes corporaciones. La Serie MLX tiene un diseño modular con routers de 4, 8, 16 y 32 ranuras, con fábricas de conmutación en el router mono-chasis desde 0.96 hasta 15.36 Tbps, para enrutar hasta 9.500 Mpps, según el modelo. Por ejemplo, el router de backbone MLXe-16 (16 ranuras) opera con una fábrica de 7.68 Tbps y enruta datos a 6.4 Tbps, conmutando hasta 4.750 Mpps (millones de paquetes por segundo). Soporta los siguientes máximos en un chasis 14RU (62 cm):
8 módulos x (2 x 100GbE)
16 módulos x (24 x 10GbE)
16 módulos x (48 x 1GbE)
16 módulos x (2 x STM-64/OC-192)
16 módulos x (8 x STM-16/OC-48)
El módulo con 24 ports 10GbE ocupa media ranura y soporta hasta 256.000 rutas IPv4 en la FIB, un millón de etiquetas MPLS, servicios de Nivel 2 Metro, servicios MPLS VPLS/VLL. Es útil para routers LSR de backbone MPLS, el núcleo de enrutamiento en datacenters y servicios integrados de conmutación L2/L3. Otros módulos con menor densidad de ports 10GbE (Ej.: 8 × 10GbE-M) tiene una FIB de 512.000 entradas y provee funciones L2/L3 integrales para IPv4/v6, como MPLS, VPLS, Q-in-Q y QoS por hardware, para usos PE (Provider Edge). Un router avanzado Brocade Serie MLX puede configurarse para proveer hasta:
10 millones de rutas BGP-4
1 millón de rutas IPv4 en hardware (FIB)
240.000 rutas IPv6 en hardware (FIB)
2.000 redes VPN basadas en BGP/MPLS, con más de un millón de rutas VPN
64.000 caminos LSP basados en RSVP-TE
Hasta 1 millón de direcciones MAC VPLS
2.000 pares BGP por sistema
48.000 VLL por sistema
16.000 instancias VPLS
4.094 VLAN y 2 millones de direcciones MAC (Carrier Ethernet)
Como ejemplo de un router IP/MPLS de baja capacidad, para aplicaciones en pequeñas redes, se menciona un router monoplaca de 1RU, con 10 ports 1GbE y capacidad de conmutar 10 Mpps con su fábrica de 20 Gbps. El mismo soporta 64.000 rutas BGP, 50.000 entradas FIB IPv4 y 1.000 entradas FIB IPv6, soporta 50 pares BGP, 5.000 LSP de ingreso y egreso, y provee soporte L2 a 4.094 VLAN y 64.000 direcciones MAC. No tiene soporte para VPN basadas en BGP/MPLS, ó servicios L2 como VPLS ó VPWS ni soporta QoS IntServ ó DiffServ. En el extremo superior de routers IP/MPLS para backbone, Brocade y otros grandes fabricantes ofrecen routers con capacidades de conmutación entre 13 y 40 Tbps, que soportan complejas combinaciones de miles de ports y que encuentran su lugar en grandes redes de proveedores ó centros de interconexión de Internet (IXP).
5.2
Cómputo e Implementación del Enrutamiento en IP y MPLS
Un router IP utiliza dos procesos complementarios para enrutar un paquete IP hacia el port de salida del router de destino: enrutamiento (IP Routing) y reenvío (IP Forwarding).
5. Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
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El enrutamiento es un proceso analítico en cada router, que computa la mejor ruta según su tabla RIB y datos que recibe de otros routers bajo IGP, utilizando algoritmos para la mejor decisión sobre cada ruta existente. En base a este proceso, se genera la tabla FIB (forwarding), que es la utilizada para conmutar el paquete IP. Los algoritmos generan la mejor ruta para el prefijo IP de destino, según un cómputo con datos de RIB como ser: siguiente router hacia el destino IP, saltos para llegar a este router, costo por elegir tal ruta, interfaz física saliente, parámetros QoS, filtros, etc. El operador de la red puede marcar rutas estáticas, manualmente. Las tablas de enrutamiento RIB demandan mucha memoria y cómputo si la red es compleja, por lo que se trata de minimizar el lookup de prefijos IP de destino con el método longest prefix match. El reenvío del paquete IP (IP forwarding) es un proceso ejecutivo, que reenvía un paquete al siguiente router ó al destino final por un port L2 (hop ó salto), según la información de enrutamiento IP de tabla FIB. El router IP toma un paquete de una cola de espera de un port de ingreso y colocar este paquete en la cola de salida de un port de egreso hacia el mejor próximo router. El proceso es implementado en hardware y el port se selecciona según el criterio longest prefix match sobre la tabla FIB del router. La solidez del enrutamiento IP se basa en criterios sencillos de descarte de paquetes si se viola la integridad de los datos del header IP ó si existe congestión en las salidas, lo que crea algoritmos de enrutamiento estables. La Figura 5.7 resume el procedimiento de conmutación (forwarding) en un router IPv4.
Figura 5.7: Procedimiento de Reenvío (Forwarding) en la Conmutación IP, según Tabla FIB. Para el enrutamiento origen-destino en redes MPLS, se establecen caminos LSP (Labeled Switched Path). En los procesos de MPLS se utilizan tablas LIB y LFIB, equivalentes funcionales a las tablas RIB y FIB de IPv4.
Tabla 5.8: Resumen de Tablas de Enrutamiento y Etiquetas en IP y MPLS.
5. Redes MPLS. DiffSev e IntServ y QoS. VPN L2/L3
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A diferencia de IP, en MPLS los routers internos (LSR) solo realizan la función de reenvío (forwarding) en base a un lookup exacto de la etiqueta de 20 bits del paquete de entrada, sobre la tabla LFIB. El enrutamiento MPLS (routing) se computa una única vez en el router MPLS de ingreso (LER), según la información en la tabla LIB. El camino seguido por un paquete IP y un paquete MPLS hacia el mismo destino pueden diferir, en particular si MPLS aplica restricciones por Ingeniería de Tráfico. Un tránsito MPLS puede ser más largo que con Ipv4. Cuando se integran los servicios IP y MPLS en un mismo router, se comparten los protocolos utilizados en la red IP/MPLS para mantener las tablas RIB, FIB, LIB y LFIB. En general, estos provienen del mundo IP:
BGP: Border Gateway Protocol, utiliza CIDR y es el protocolo central de Internet, ya que une a los Autonomous Systems (AS) y los Internet Service Providers (ISP). Equivale a SS7 en redes TDM.
OSPF: Open Shortest Path First. De uso masivo, es un protocolo IGP (Interior Gateway Protocol), de uso local en un AS, ISP ó una subred IP.
RIP: Routing Information Protocol (LAN). Es tambien un protocolo IGP, pero poco eficiente y obsoleto.
MPLS utiliza protocolos específicos de distribución de etiquetas para las tablas de otros routers MPLS, como el protocolo LDP y otros que señalizan rutas bajo restricciones de perfiles QoS, como ser RSVP-TE. MPLS soporta protocolos para crear rutas explícitas (ER), que se definen en el LER de ingreso con descripción de todos los routers LSR involucrados hasta el LER de egreso. Esta propiedad de MPLS es imposible en redes IPv4, ya que cada router IP utiliza dos procesos concurrentes (routing y forwarding) desde el ingreso hasta el egreso de un paquete IP, que progresa por la red mediante saltos entre routers (hops). La Tabla 5.8 resume tablas de enrutamiento, reenvío y distribución de etiquetas utilizadas en MPLS.
5.2.1 Actualización de Parámetros y Tablas MPLS Para un funcionamiento dinámico y adaptable a las condiciones de la red, los parámetros de las tablas de los routers MPLS son actualizados con frecuencia, con protocolos según el punto 5.3, como LDP y RSVP-TE. En algunos casos se emplean extensiones de BGP (E-BGP), el protocolo de enrutamiento de IPv4, que soportan la gestión de caminos LSP en MPLS. En casos especiales, se pueden utilizar asignaciones estáticas de etiquetas, generando un camino equivalente a un Circuito Virtual Permanente (PVC) ATM ó Frame Relay. En general, los LSP se establecen dinámicamente para cada sesión extremo-extremo, según disponibilidad de recursos y reglas de TE y de QoS, y las etiquetas (y los caminos) cambian según las condiciones de red. Un aspecto clave del stack de etiquetas del paquete MPLS es que un router solo realiza una operación PUSH, POP ó SWAP por vez. Si el paquete que ingresa a la red MPLS ya tiene etiquetas, el LSR se limita a agregar un nuevo header en el stack MPLS, con el bit S puesto a cero. Si el paquete que ingresa a la red no es MPLS (Ej.: es IP), el bit S adopta el valor S=1, indicando el fondo del stack. Solo los routers MPLS de ingreso y egreso se involucran con todo el stack, pues los LSR, internos a la red, solo operan una vez con la etiqueta más nueva. Este mecanismo es utilizado por redes VPN L3, y es clave para superar conflictos de direcciones en redes IP cuando la red MPLS soporta múltiples VPN. La capacidad de administrar redes VPN L3 sin límites de escala es clave para adoptar MPLS. En redes VPN, los routers LER se denominan routers PE (Provider Edge) y los routers LSR se denominan routers P (Provider).
5.2.2 Creación de Etiquetas para el Tráfico IP Entrante Para asignar etiquetas al tráfico IP que ingresa al LER, se identifica la FEC (Forwarding Equivalence Class) a la que cada paquete IP pertenece, mediante un lookup en una tabla asociada a la FIB. La FEC define un grupo de paquetes IP que recibirá igual trato en la conmutación, el camino LSP utilizado y la priorización del tráfico. Una FEC puede corresponder a un prefijo IP de destino ó a una clase diferencial de tráfico, como ser su prioridad. La FEC se identifica con el mismo mecanismo utilizado en redes IPv4. Las tablas utilizadas en el LER son:
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LIB (Label Information Base): Tabla de asociación de prefijos IP a etiquetas MPLS, para enrutamientos computados con información provista por protocolos como IGP ó BGP, tal como se utilizan en IPv4.
FIB (Forwarding Information Base): Tabla de enrutamiento global utilizada en el LSR de ingreso, similar a la tabla FIB de IPv4, con extensiones MPLS para decidir la FEC. La FIB permite que el LER opere en modo IPv4 ó MPLS, según el tipo de paquete que ingresa a la red.
LFIB (Label Forwarding Information Base): Compilado de asociaciones de la tabla LIB, para swapping.
Las redes MPLS procesan tráfico de control interno y de datos de usuarios en planos lógicamente separados:
Plano de Control: Contiene el tráfico para intercambiar información de enrutamiento Nivel 3, etiquetas MPLS e información de estado de los elementos de red. Los mecanismos para intercambiar datos de enrutamiento IP son protocolos como OSPF, IS-IS, EIGRP, BGP. Los mecanismos para distribución de etiquetas MPLS son protocolos como LDP, RSVP-TE, iBGP y otros. Se mantienen las tablas RIB, para enrutamiento IP y LIB, para enrutamiento MPLS, que alimentan tablas del plano de datos (FIB y LFIB).
Plano de Datos: En este plano ocurre la conmutación de paquetes IP y MPLS según la dirección IP de destino y la etiqueta del paquete MPLS de entrada. Se mantiene las tablas en formato binario utilizadas en la conmutación: LFIB (Label Forwarding Information Base) y FIB (Forwarding Information Base).
La membresía de una FEC debe ser determinada por información presente en el paquete IP entrante y en información sobre el paquete que posea el router de ingreso. La agrupación de tráfico en una FEC dada es un mecanismo flexible que puede incluir: todo el tráfico entre dos hosts IP ó entre dos ports de esos hosts; todas las subredes de destino con un prefijo dado; todo el tráfico dirigido a un router de egreso específico; un seteo manual; todo el tráfico dirigido hacia una subred IP con el mismo byte TOS (DiffServ), y otros criterios.
5.2.3 Clases de Label Switching Path (LSP) Un LSP es un camino de tráfico unidireccional a través de una red MPLS, establecido según la clase FEC de destino. El LSP opera con secuencia de reenvíos en los LSR, según la etiqueta e interfaz de entrada al LER. Para crear un circuito virtual bidireccional, se debe establecer el LSP de retorno en forma separada. Un LSP tiene un estado activo ó inactivo, y es del tipo estático ó dinámico:
LSP estáticos: son fijados manualmente por un operador en cada elemento de la red MPLS.
LSP dinámicos: son creados con señalización mediante protocolos como LDP, RSVP-TE u otros desde el LSR de egreso hacia el LSR de ingreso, según el FEC. Se basan en comandos REQUEST y respuestas MAPPING, para obtener etiquetas asociadas a FEC y otras condiciones de tráfico en cada LSR del camino LSP. Cada router asigna recursos de tráfico y atributos, para proveer al LSP con las prestaciones planificadas de antemano para cada FEC. Los LSP dinámicos dependen de protocolos IGP (Interior Gateway Protocol) y tablas locales FIB. Pueden utilizar diferentes técnicas de protección y reenrutamiento rápido, con restauraciones menores a 50 mseg, como en redes SDH.
Figura 5.9: Proceso MPLS de Fusión ó Agregación de Flujos de múltiples LSP
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Un LSP está libre de los hot-spots de redes IP, aunque puede tener un camino subóptimo. Para establecer un LSP dinámicamente, por medio de señalización, se disponen de métodos como:
Enrutamiento Hop-by-Hop: Cada LSR selecciona independientemente el siguiente salto para una FEC dada, tal como en redes IP. El LSR utiliza un protocolo de enrutamiento como OSPF (IGP) ó BGP.
Enrutamiento Explícito: Es es la variante más utilizada y es similar al enrutamiento basado en el origen, en redes IP. El LSR de ingreso (LER) especifica la lista de nodos que el LSP atravesará, pudiendo reservar recursos para asegurar QoS del tráfico u otras restricciones.
Un LSP es como un troncal virtual de tráfico (RFC 2702), con agregaciones de flujos de tráfico con igual FEC, origen y destino Un LSR puede recibir tráfico entrante con igual FEC desde dos ó más interfaces, ante lo cual puede fusionar los flujos en uno solo, con una única etiqueta, siempre que cumplan las premisas de la FEC. Esto se conoce como Fusión ó Agregación de Flujos. La Figura 5.9 representa la fusión de flujos como un árbol unidireccional. Se asume la interconexión inicial entre A y F mediante el LSP básico AF y la secuencia de etiquetas L150 -> L108 -> L608 -> L192, y que posteriormente se agregan las fuentes B, C, D y E hacia el mismo destino. El árbol de flujos se crea por fusión en cada LSR de los diferentes flujos básicos. Esta construcción es realizada analizando cada tabla LIB.
5.3
Distribución de Etiquetas en MPLS
Si bien los LSP pueden establecerse en forma estática, por acciones de los operadores de la red, la señalización dinámica de etiquetas permite establecer LSP dinámicamente. El proceso involucra dos nodos MPLS que intercambian mensajes como pares, con detalles para establecer y administrar el LSP y por medio del protocolo LDP, y pueden emplearse protocolos de señalización como LDP, CR-LDP, RSVP-TE ó MBGP. Previamente a la distribución y asignación de Etiquetas MPLS, las mismas deben ser creadas y generar asignaciones Etiqueta-FEC-Port en las tablas LIB y FIB de los routers en el downstream del LSP a crear. Una vez creadas y vinculadas las Etiquetas con los FEC y Ports de cada router, sigue el proceso de asignación y distribución de Etiquetas, utilizando protocolos de señalización en el plano de control, como LDP, CR-LDP (histórico) ó RSVP-TE ó mediante protocolos de enrutamiento como BGP, en extensiones del mismo. Estos protocolos de señalización en el plano de control complementan el trabajo de intercambio de rutas que realizan los protocolos dinámicos de enrutamiento del Nivel de Red, como OSFP, BGP, IS-IS ó RIP. Si cada LSP requiere prestaciones específicas de QoS se utilizan protocolos como RSVP-TE ó CR-LDP. Los LSP creados con LDP no tienen prestaciones como Rutas Explícitas, reserva de recursos por ancho de banda, reconfiguración de rutas frente a fallas, etc. La Tabla 5.10 resume los mecanismos de distribución de Etiquetas.
Tabla 5.10: Mecanismos de Distribución de Etiquetas y Señalización en MPLS. LDP se utiliza para establecer LSP básicos entre nodos directamente en el Nivel 2 ó túneles LSP para servicios del tipo PseudoWire, con sesiones T-LDP (targeted) entre routers contiguos ó remotos. La Figura 5.11 representa los protocolos de señalización en el plano de control de una red MPLS, ajenos a los procesos de conmutación de tráfico. El Nivel 3 (IP) es utilizado por ambos planos en routers IP/MPLS.
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LDP (Label Distribution Protocol) es un mecanismo por cual un LSR distribuye etiquetas y establece caminos LSP entre sus pares LDP. Se utiliza para asociar FEC y etiquetas en toda la red MPLS (mapeo ó binding). El enrutamiento dinámico CR-LDP (RFC 3212) es poco utilizado, y los dos mayores fabricantes de routers lo reemplazan por RSVP-TE, la extensión de RSVP con capacidad de Ingeniería de Tráfico, para generar Rutas Explícitas (ER) ó rutas con restricciones (CR). El modelo RSVP-TE, para prestación de QoS por ruta, opera con reserva de recursos de nodos y enlaces para garantizar diversos parámetros de QoS, pero no opera en el sentido convencional de CoS, ToS ó DSCP.
Figura 5.11: Sesiones LDP en el Plano de Control para Administración de Etiquetas MPLS. La distribución de Etiquetas utilizando extensiones de BGP se realiza a través de la familia de direcciones etiquetadas unicast. Esta función especializada soporta VPN MPLS de Nivel 3.
5.4
Protocolo LDP
5.4.1 Estructura de Mensajes LDP LDP corre como una aplicación en el plano de control de cada router, tal como RSVP-TE, y utiliza TCP y UDP para el intercambio de información, generalmente en sesiones entre pares. LDP fue actualizado en la RFC 5036 (2007), modificando el RFC 3036 (2001; original). Un LSR que asigna una etiqueta a una FEC, puede utilizar LDP para comunicar esta etiqueta y su significado a sus pares.
Tabla 5.12: Clasificación de Mensajes LDP
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El conjunto de etiquetas utilizado en cada LSR varía dinámicamente y LDP provee los medios para que la información de etiquetas se difunda en toda la red MPLS. Bajo LDP los pares LSR negocian etiquetas asociadas a diferentes FEC, bajo demanda ó espontáneamente al establecer un LSP. LDP permite que el status de los nodos y las rutas se conozca en tiempo real, y aporta otras prestaciones para gestión de etiquetas. La Tabla 5.12 muestra los mensajes LDP, agrupados en cuatro categorías.
DISCOVERY: utilizados para anunciar y mantener la presencia de un LSR en la red.
SESSION: utilizados para establecer, mantener y terminar sesiones entre pares LDP.
ADVERTISEMENT: utilizados para crear, cambiar y borrar mapeados de etiquetas para FECs.
NOTIFICATION: utilizados para proveer información general y para señalizar errores.
Figura 5.13: Formato de Mensajes LDP (TLV: Type, Length, Value). La Figura 5.13 presenta el formato de los mensajes LDP, con codificación TLV (Type, Length, Value). Los parámetros que transporta el mensaje LDP definen el modo de control para difusión, control del camino, control de retención de etiquetas, etc.
5.4.2 Procesos de Descubrimiento de LSR En el modo básico de descubrimiento, los LSR envían mensajes Hello por sus interfaces periódicamente (Link Hello), con UDP multicast a destinos 224.0.0.2. LDP utiliza el formato TLV (Type, Length, Value) y el Port 646 (LDP Discovery), en TCP y UDP. El LDP receptor identifica al LSR transmisor como un par LDP en la interfaz y ambos crean una adyacencia LDP, para seguir el rastro uno del otro. Para descubrir pares LDP no conectados directamente, un LSR envía mensajes targeted Hello a potenciales pares LDP. El mensaje contiene el identificador LDP para el espacio de etiquetas que el LSR utilizará, y es enviado periódicamente según una lista de LSR no adyacentes. Un targeted Hello puede solicitar que el LSR remoto emita Targeted Hello hacia el origen en forma periódica mediante el pedido Extended Discovery. El mensaje Hello puede contener un requerimiento Hold Time, por el cual el LSR receptor mantiene un registro de todos los mensajes recibidos durante el tiempo especificado, sin recibir un nuevo mensaje. Este tiempo es negociable entre pares LSR. En forma opcional, puede contener direcciones IPv4 ó IPv6 que el LSR utilizará para abrir sesiones con otros LSR, así como una indicación del estado interno (Sequence Number).
5.4.3 Proceso de Establecimiento de Sesión entre LSR El LSR que recibe Hello decide si descarta el mensaje ó no. En caso positivo, crea una Adyacencia de Enlace con un timer asociado al Hold Time ó sostiene la Adyacencia existente. Luego el LSR decide si crea una sesión con el LSR que envió el mensaje Hello. La decisión se basa en el Router ID, ya que el LSR con el valor más alto es quien inicia la sesión y se convierte en el LSR Activo, mientras que su par se convierte en el LSR Pasivo.
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El LSR Activo envía, durante esa sesión inicial, un mensaje de inicialización con un conjunto de parámetros como Método de Distribución de Etiquetas, valor del timer KeepAlive, máxima longitud del bloque PDU, etc. El LSR Pasivo responde con un mensaje de inicialización, si los parámetros son aceptables. Si no es así, envía un mensaje de notificación de error. Luego de enviar el mensaje de inicialización, el LSR Pasivo comienza a enviar mensajes KeepAlive. El LSR Activo comienza a enviar mensajes KeepAlive al LSR Pasivo y la sesión queda establecida. En más, los LSR pueden intercambiar mensajes de asociación etiquetas-FEC.
5.4.4 Procesos de Difusión (Advertisement) durante la Sesión LDP Establecida la sesión entre pares LSR adyacentes (pares LDP) ó no adyacentes, ambos LSR quedan preparados para el intercambio de asociaciones etiquetas-FEC. Existe un conjunto de procesos relacionados con la administración de etiquetas que implican comunicaciones y negociaciones en la sesión establecida:
Creación de Etiquetas: Se inicia en el LER de Ingreso, donde se define la FEC asociada al tráfico, la etiqueta asignada al FEC para el paquete que ingresa y se opera sobre el stack de etiquetas MPLS. Posteriormente, y dependiendo de la forma en que se establecerá el LSP, los LSR crean y comunican asociaciones etiquetas-FEC en las tablas LIB y FLIB, con datos provistos bajo LDP.
Distribución de Etiquetas: Los LSR distribuyen información de asignación etiqueta-FEC para el LSP, que puede ser un LSP explícito, definido en el LER de ingreso, ó generado salto a salto en cada LSR.
Señalización de Etiquetas: Para que cada LSR pueda armar sus tablas LIB y FLIB, debe coordinar con sus pares en el downstream del LSP el armado de las asignaciones Etiqueta-FEC-Port en sus tablas LIB y FIB. Cada LSR reporta al precedente en el LSP (Upstream) las asociaciones etiqueta-FEC bajo un modo negociado.
Los modos de operación utilizados durante la sesión entre LSR pares, contemplan tres aspectos clave:
Distribución de Etiquetas con LDP o
Downstream por Demanda: Este modo permite que un LSR solicite espontáneamente una asociación etiqueta-FEC al siguiente LSR en el camino downstream de un hipotético LSP para un FEC dado. Involucra los mensajes Label Request/Label Mapping.
o
Downstream no Solicitado: Este modo permite que un LSR distribuya asociaciones etiquetaFEC hacia los routers LSR que están en el upstream de los hipotéticos LSP que construye. Se utiliza solamente el mensaje Label Mapping.
Control del Camino de Distribución con LDP o
Control Independiente: Cada LSR reconoce una FEC y le asigna una etiqueta, distribuyendo la asociación Etiqueta-FEC en cualquier momento. La nueva FEC es reconocida en cada nueva ruta visible, sin esperar mensajes Label Mapping del siguiente salto. Este modo es rápido pues el LSR puede establecer su asociación para el LSP inmediatamente.
o
Control Ordenado: El LSR realiza el mapeado etiqueta-FEC por un mensaje Label Request y responde con Label Mapping en el upstream del LSP, solo si recibe un mensaje Label Mapping ingresando por el downstream del LSP ó si es el último router antes del destino FEC (LSR de egreso). Solo los LSR de egreso pueden iniciar la construcción del LSP, que es explícito, por lo que este método es más lento.
Control de Retención de Etiquetas con LDP
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o
Método Liberal: Mantiene todas las asociaciones etiquetas-FEC de los LSR, además de las correspondientes a las interfaces L2 visibles (próximo salto), por lo que sus tablas LIB y LFIB son más grandes. Cuando la topología cambia y se da por enterado (mensajes de Notificación), puede utilizar rápidamente las asociaciones que mantiene.
o
Método Conservador: El LSR solo mantiene asociaciones etiquetas-FEC de los saltos válidos con LSR contiguos, confirmados mediante LDP, por lo que las tablas son más compactas que en el método liberal, aunque restringe la adaptación a los cambios en rutas. Si la topología cambia, debe solicitar nuevas asociaciones desde los nodos contiguos.
5.4.5 Etiquetas y Vinculaciones La etiqueta MPLS solo tiene significado local, en cada interface L2 de un LSR con su vecino. El LSR utiliza la información de la etiqueta del paquete para determinar el próximo salto, en base a sus tablas FIB y LFIB. En el LSR de ingreso, las etiquetas son asociadas a un FEC según un proceso interno al LER que se basa en dos clases de eventos ó políticas de vinculación (binding):
Vinculación por Datos: Según la naturaleza de los datos acarreados (media sincrónica, Internet, etc.).
Vinculación por Control QoS: Según el control en el transporte de datos (CR-LDP, reemplazado por RSVP). El control varía según las prestaciones de la red MPLS al tráfico sobre el LSP, como ser: o
QoS a proveer en el LSP.
o
Mecanismos de Traffic Engineering (TE).
o
Soporte de una Virtual Private Network (VPN).
o
Enrutamiento unicast para un destino FEC.
o
Enrutamiento multicast.
En LSP explícitos, definidos por el LER de ingreso, este calcula el LSP utilizando el algoritmo de enrutamiento CSPF (Constrained Shortest Path First), en base a parámetros acotados como retardo, ancho de banda, etc.
5.4.6 Creación de Etiquetas en los LSR Existen diferentes algoritmos que los LSR pueden aplicar, y que dependen de las exigencias a satisfacer para el LSP que transportará el tráfico ingresante a la red MPLS. Los algoritmos están acotados según tres grandes criterios de creación de etiquetas:
Según la Topología de Red MPLS: El LSR utiliza datos de protocolos de enrutamiento como OSPF y BGP (Control-driven label bindings). BGP es utilizado para unir múltiples dominios MPLS.
Según las Solicitudes: Cuando se opera con servicios garantizados, el LSR utiliza el procesamiento de tráfico de control basado en solicitudes, como RSVP (Control-driven label bindings).
Según el Tráfico: El LSR espera la recepción de un paquete para activar la asignación y distribución de una etiqueta, caso por caso (Data-driven label bindings).
Los LSR utilizan un LDP ID de 6 bytes para identificar su espacio de etiquetas, en la forma :
