CAPÍTULO 2 ____________________________________________________ ________________________ _______________________________________________ ___________________ 2. TECNOLOGÍA Y ARQUITECTURA DE LAS REDES ÓPTICAS GPON. 2.1 ANTECEDENTES TÉCNICOS DE LA FAMILIA DE ESTÁNDARES PON. El estándar GPON (Gigabit (Gigabit Passive Optical Network ) resulta de la mejora en varias de las características de las recomendaciones de redes basadas en la tecnología PON. Básicamente una red PON ( Passive Passive Optical Network ) es una tecnología de acceso mediante la implementación de una red de fibra óptica con elementos pasivos, es decir, que no requieren de alimentación externa para su funcionamiento, al distribuir la información a través de la red. El propósito de tales componentes, es la reducción del coste de equipos que van dirigidos directamente al usuario final. Aunque se suponga un elevado gasto el tendido de fibra entre la central de servicio y el hogar del usuario, CAPEX (Capital (Capital Expenditure), Expenditure), se puede considerar el hecho de que el mantenimiento Operational Expenditure), Expenditure), gracias además a la compensará tal inversión OPEX ((Operational cantidad de servicios que se vayan a ofrecer. El interés por este tipo de redes, nace a finales de los años 90’s, con la reducción
del precio de la fibra óptica y la necesidad de brindar mayores y mejores prestaciones a los usuarios residenciales. Para esto se consideraron dos tipos de soluciones tecnológicas: las redes PON y AON ( Active Active Optical Network ) las primeras, redes como ya se citó de bajo consumo de potencia y las segundas con equipos eléctricamente activos para la distribución de la señal y por tal más costosas. Para 1995 se crea FSAN ( Full Full Service Access Network ), ), primer organismo encargado de dictar normas de interoperabilidad y funcionamiento a los distintos suministradores y operadores de la tecnología PON. Dentro de la estructura que comprenden las redes PON están varios elementos que como se verá más adelante, forman parte del objeto de este trabajo en las redes GPON. Así los elementos esenciales de las redes PON son:
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Red Óptica de Acceso (OAN, Optical Access Network ), ), se la considera como el conjunto de enlaces de acceso que coinciden con iguales interfaces del lado de la red admitidos por los sistemas de transmisión de tipo óptico. Red de Distribución Óptica (ODN, Optical Distribution Network ), ), brinda la comunicación entre un OLT y el usuario y viceversa. Terminación de Línea Óptica (OLT, Optical Line Termination), Termination), una OLT brinda la interfaz de red entre la OAN y que permite la conexión a una o varias ODN. Splitter (Divisor Óptico Pasivo), que en sí es el dispositivo que retransmite la señal óptica sin necesidad de alimentación externa multiplexando y/o demultiplexando la señal. Unidad de Red Óptica (ONU, Optical Network Unit ), ), que se define como el elemento que actúa como vínculo entre el usuario y la OAN, conectada a la ODN. El conjunto de dispositivos nombrados con anterioridad, conforman la arquitectura para el soporte de ATM por las redes PON. De manera sencilla estos elementos trabajan de la siguiente forma: la OLT es la interface entre la red PON y el backbone de backbone de la red, mientras que la ONT genera la interfaz de servicio al usuario final. La operación en el envío de la señal se cataloga en dos sentidos, ascendente y descendente. Para la primera se utiliza el protocolo de acceso TDMA, para combinarlas y hacer más segura la transmisión ya que hay que recordar que se trata de una división pasiva o carente de fuentes de alimentación, mientras que para la segunda se aplica el esquema de radiodifusión (broadcasting (broadcasting ). ). El uso del estándar GPON tiene muchas ventajas sobre otro tipo de redes que también usan fibra óptica entre las más importantes se citan: Su rango de alcance es de cerca de 20Km (aunque bajo el estándar se puede llegar a 60Km) entre el proveedor y el cliente final. Se reduce la cantidad de tendido de fibra óptica, tanto entre las distintas distribuidoras como entre los circuitos de llegada al cliente. Se manejan elevados niveles de ancho de banda para sus servicios. 2
Red Óptica de Acceso (OAN, Optical Access Network ), ), se la considera como el conjunto de enlaces de acceso que coinciden con iguales interfaces del lado de la red admitidos por los sistemas de transmisión de tipo óptico. Red de Distribución Óptica (ODN, Optical Distribution Network ), ), brinda la comunicación entre un OLT y el usuario y viceversa. Terminación de Línea Óptica (OLT, Optical Line Termination), Termination), una OLT brinda la interfaz de red entre la OAN y que permite la conexión a una o varias ODN. Splitter (Divisor Óptico Pasivo), que en sí es el dispositivo que retransmite la señal óptica sin necesidad de alimentación externa multiplexando y/o demultiplexando la señal. Unidad de Red Óptica (ONU, Optical Network Unit ), ), que se define como el elemento que actúa como vínculo entre el usuario y la OAN, conectada a la ODN. El conjunto de dispositivos nombrados con anterioridad, conforman la arquitectura para el soporte de ATM por las redes PON. De manera sencilla estos elementos trabajan de la siguiente forma: la OLT es la interface entre la red PON y el backbone de backbone de la red, mientras que la ONT genera la interfaz de servicio al usuario final. La operación en el envío de la señal se cataloga en dos sentidos, ascendente y descendente. Para la primera se utiliza el protocolo de acceso TDMA, para combinarlas y hacer más segura la transmisión ya que hay que recordar que se trata de una división pasiva o carente de fuentes de alimentación, mientras que para la segunda se aplica el esquema de radiodifusión (broadcasting (broadcasting ). ). El uso del estándar GPON tiene muchas ventajas sobre otro tipo de redes que también usan fibra óptica entre las más importantes se citan: Su rango de alcance es de cerca de 20Km (aunque bajo el estándar se puede llegar a 60Km) entre el proveedor y el cliente final. Se reduce la cantidad de tendido de fibra óptica, tanto entre las distintas distribuidoras como entre los circuitos de llegada al cliente. Se manejan elevados niveles de ancho de banda para sus servicios. 2
No exige la necesidad de implementar elementos activos en la red. En lo que respecta a velocidades de transmisión, se puede decir que estas variaciones han definido los tipos de redes PON existentes, así se habla de velocidades desde 155Mbps, 622Mbps, 1.25Gbps o 2.5Gbps. A continuación se presenta una breve síntesis dos clases importantes redes PON.
APON/BPON (1998/2002): Definida en la recomendación UIT-T G.983 donde
“A”
proviene del protocolo de transporte utilizado, ATM
( Asynchronous Asynchronous Transfer Mode). Mode). Su principal desventaja constituye en la incapacidad de manejo de video, debido a la carencia en longitud de onda asignada para este efecto. Con el fin de demostrar su aplicabilidad a mayores servicios, la inicial “B” fue usada para ampliar y dar a conocer el uso de este estándar para servicios de banda ancha ( Broadband Broadband ) como Ethernet y transmisión de video. Actualmente las aplicaciones de este estándar están encaminados a dos principales: la primera es un sistema de servicio completo con superposición de video y la segunda es un sistema solo digital. Las velocidades de soporte de APON/BPON son: 155Mbps/622Mbps y 622Mbps/622Mbps.
EPON: Aprobado en el documento IEEE 802.3ah, se define como Ethernet Passive Optical Network , donde se utiliza una red con topología punto-multipunto. Se encuentra basado en un mecanismo denominado MPCP ( Multi Multi Point Control Protocol ), ), el cual usa recursos como estados de máquina, temporizadores y mensajes para controlar el acceso a la topología punto-multipunto. Las velocidades de transmisión se manejan en forma simétrica, siendo una restricción sobre su estándar similar GPON, así en valores, la capacidad que soporta EPON es: 1.25Gbps/1.25Gbps y 2.5Gbps/2.5Gbps. Este estándar se presentó como una alternativa hacia los proveedores de equipos que estaban en capacidad de brindar mejores costos relacionados y mayores anchos de banda para su funcionalidad. Las principales restricciones que presenta 3
EPON su falencia en el manejo de nuevos servicios, donde el manejo se limita solo al propietario y no al operador, la codificación de línea y su calidad se ve limitada de gran manera por la sobrecarga que debe soportar.
2.2 DESCRIPCIÓN DEL ESTÁNDAR GPON. Definido como una innovación del conjunto de estándares PON, la Red Óptica Pasiva con capacidad de Gigabit, GPON, es el más reciente miembro de esta familia, establecido en el 2004 con la creación de las recomendaciones ITU-T G.984.X. El estándar que se expone, permite manejar amplios márgenes de ancho de banda, para prestar servicios a nivel comercial y residencial, mejorando sus prestaciones en el transporte de servicios IP1 y con una nueva capa de transporte diferente, el envío de la señal en forma ascendente y descendente con rangos de 1.25Gbps y 2.5Gbps para el primer caso y de 2.5Gbps para el segundo ya sea de forma simétrica o asimétrica llegando bajo ciertas configuraciones a entregar hasta 100Mbps por usuario. Entre las principales diferencias que se presentan sobre sus antecesores, están: Soporte completo para voz (TDM Time Division Multiplexing , SONET Synchronous Optical Network y Network y SDH Synchronous Digital Hierarchy), Hierarchy), Ethernet Asynchronous Transfer Mode). Mode). (10/100 Base T), ATM ( Asynchronous Alcance nominal de 20Km con un presupuesto de 60Km dentro de las recomendaciones establecidas. Soporte de varias velocidades, las indicadas para APON/BPON y EPON. Alto nivel de funciones de Operación, Administración, Mantenimiento y Suministro
OAM&P
(Operation, (Operation,
Administration,
Maintenance
and
Provisioning ), ), de principio a fin en el manejo de los servicios. Seguridad en el tráfico debido a la operación en modo de radiodifusión para la transmisión en modo descendente heredado del estándar PON2.
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IP, Internet IP, Internet Protocol , Protocolo de comunicación en una red datos para el direccionamiento lógico de los equipos conectados a dicha red, basado en el modelo de referencia OSI, capa 3. 2 http://www.networkdictionary.com/te http://www.networkdictionary.com/telecom/Convergence/PON.php lecom/Convergence/PON.php
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Con lo anotado, el proveedor se ve poco afectado en lo que respecta a cambios de equipos de los clientes, ya que se pueden seguir ofreciendo los mismos servicios típicos sobre los elementos instalados si fuese el caso, pero con mayor eficiencia. Los sistemas GPON se encuentran formados, en general, por un sistema de Terminación de Línea Óptica (OLT) y una Unidad de Red Óptica (ONU) o en su defecto una Terminación de Red Óptica (ONT) con una Red de Distribución Óptica (ODN) que las interconecta.3 Se consideran las características básicas de cualquier estándar de este tipo, como la multiplexación, el esquema de transporte, las etapas y componentes del sistema, las características de los equipos que actualmente se están normalizando para su interoperabilidad entre diferentes marcas comerciales y los servicios específicos a prestar. Dado que se trata de una red pasiva, el alcance de la señal está restringido por las características de potencia máxima y mínima de los equipos terminales. En base a las adaptaciones tomadas por los fabricantes, el alcance de la señal llega a ser comúnmente de 20Km. Para la conexión entre la OLT y las diferentes ONT, se las enlaza por medio de fibra óptica, con señales asignadas en diferentes longitudes de onda, para evitar colisiones en el envío de datos ya sea de forma ascendente o descendente. La función que tienen los divisores ópticos principalmente, es repartir y destinar la señal proveniente desde la OLT hacia los terminales ópticos en una cantidad de hasta 64 ONT.
2.2.1 Tecnologías y Protocolos Utilizados por las Redes GPON. En la transmisión de la información se cuenta con la aprobación del uso de la tecnología TDM (Time Division Multiplexing ) para el envío descendente de la información con períodos de transmisión fijos y TDMA (Time Division Multiple Access) 3
Editor de G.984.1 “Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General characteristics”, Marzo 2008, p. 4, www.itu.int/com15
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en sentido ascendente, que posibilita la ausencia de colisiones como se anotó con anterioridad. Debido a la topología en árbol de la red GPON, se utiliza broadcasting para enviar la señal a todos los miembros de la red, que cuentan con la capacidad de discriminar los datos hacia el correspondiente ONT, utilizando técnicas de seguridad como el Estándar de Encriptación Avanzada AES ( Advanced Encryption Standard ), brindando mayor confiabilidad. Además, utiliza de forma eficiente el ancho de banda al disponer de éste en los instantes en el cual hay tráfico y ampliando la capacidad de los usuarios en forma individual gracias a la técnica conocida como Asignación Dinámica del Ancho de Banda DBA ( Dynamic Bandwidth Allocation). En el transporte de datos, se ha optado por la aplicación de protocolos usados en estándares previos a GPON como lo es ATM ( Asynchronous Transfer Mode) Modo de Transferencia Asíncrona y GEM (GPON Encapsulation Method ), Método de Encapsulación GPON que resulta de una adaptación del estándar GFP (Generic Frame Procedure) definido en la recomendación ITU-T G.7041.
2.2.1.1 DBA Dynamic Bandwidth Al location La Asignación Dinámica de Ancho de Banda (DBA), es una técnica por la cual el ancho de banda de un medio de comunicación compartido puede ser asignado de forma adecuada y dependiendo de la necesidad entre diferentes usuarios. Es una forma de manejo de ancho de banda y es básicamente igual a la multiplexación estática, donde la compartición de un enlace se adapta de alguna forma para la demanda del tráfico instantáneo de los nodos conectados a dicho enlace. Su funcionalidad rescata algunas de las opciones de redes compartidas cuando varios usuarios pertenecientes a una red no se hallen conectados, aquellos que si lo están se benefician con una mayor capacidad para la transmisión de datos, dando cabida a esa información en los intervalos no utilizados del ancho de banda.
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2.2.1.2 ATM Asynchr onous Tr ansf er M ode ATM es una tecnología de transmisión de datos digital, implementado como un protocolo de red por conmutación de paquetes de tamaño fijo, con la ventaja sobre IP o Ethernet en el aprovechamiento de las cualidades de la conmutación de circuitos y de paquetes para la transmisión en tiempo real de la información, en un modelo de conexión orientada con el establecimiento de un circuito virtual entre los puntos de enlace previo al intercambio de datos. Se considera a este protocolo, como base de funcionamiento en tecnologías como SONET y SDH en la estructura central (backbone) de la red pública conmutada de telefonía PSTN ( Public Switched Telephone Network ).
2.2.1.3 GEM GPON En capsul ation
M ethod
Se trata de la innovación en el protocolo de encriptación definido por la ITU-T G.984.3, el mismo que resulta una evolución del protocolo de entramado genérico GFP, que define las maneras de encapsular la información de longitud variable de diversas señales, para transportarlas por redes SDH (Jerarquía Digital Síncrona) u OTN (Oracle Technology Network). El método de encapsulación que emplea GPON permite soportar cualquier tipo de servicio (Ethernet, TDM, ATM, etc.) por lo que es un protocolo de transporte síncrono basado en tramas periódicas de 125 ms. Al ser una adaptación de GFP, con modificaciones menores para optimizarla para las tecnologías PON de manera que no sólo ofrece mayor ancho de banda, sino también más eficiencia y la posibilidad de permitir a las redes continuar ofreciendo sus servicios tradicionales sin tener que cambiar los equipos instalados en las dependencias de sus clientes En el protocolo GEM el tráfico se transporta mediante el protocolo de convergencia de transmisión GPON GTC (GPON Transmission Convergence) de forma transparente. En sentido ascendente, es decir, desde la OLT hacia la ONU se utiliza una partición de
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cabida útil GEM. La estación OLT atribuye la duración que se necesite en sentido descendente, hasta incluir toda la trama descendente. La subcapa de entramado de la ONU filtra las tramas entrantes en base al identificador de puertos (Port-ID) entregando las tramas adecuadas al cliente GEM de la ONU adecuada. El adaptador OMCI del equipo ONU es el responsable del filtrado y encapsulado de células o tramas en sentido descendente y la encapsulación de las unidades de datos de protocolo PDU (Protocol Data Unit) en sentido ascendente. De manera anexa el adaptador OMCI de la estación realiza el filtrado y desencapsulado de las células y las tramas en sentido ascendente, también es el responsable de encapsular las PDU de 48 bytes procedentes de la lógica de control OMCI en el formato adecuado para su transporte hacia la ONU.
2.3 RECOMENDACIONES UIT G.984.X Debido a la necesidad de brindar al usuario mejores costos, competitividad y diversidad de marcas, se han propuesto un conjunto de recomendaciones que regulan las diferentes características de los equipos desarrollados para el soporte del estándar GPON, y así tender a la unificación de sus prestaciones, la compatibilidad de equipos existentes y con funcionalidades ya establecidas en recomendaciones anteriores y que se refieren al manejo de fibra óptica. Cabe anotar que las presentes recomendaciones se enmarcan en el mejoramiento de algunas de las capacidades y características presentadas en la serie ITU-T G.983.X, la cual considera el mismo método de transmisión sobre redes ópticas pasivas para el protocolo ATM, y por tanto, su alcance resulta ampliado en cuanto a las velocidades de manejo de la información, Gigabit por segundo, en la serie de recomendaciones aquí citadas. A continuación se presentan las cinco recomendaciones aprobadas en la Unión Internacional de Telecomunicaciones UIT o ITU ( International Telecommunication 8
Union) por sus siglas en inglés, puntualmente en el grupo encargado de la normalización de las Telecomunicaciones (UIT-T), en la serie G: (Sistemas y Medios De Transmisión, Sistemas y Redes Digitales): -
UIT-T G.984.1: Se trata de la introducción hacia el estándar GPON, presentando las características generales de funcionamiento y constitución, con el fin de llegar a la convergencia de equipos, así como mostrar la topología utilizada. El presente capítulo hará una revisión acerca de esta recomendación.
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UIT-T G.984.2: Es el conjunto de especificaciones para el manejo de la capa dependiente de los medios físicos PMD ( Physical Media Dependent ), la cual cubre sistemas con tasas nominales de 1244.160Mbit/s y 2488.320Mbit/s en dirección descendente y 155.52Mbit/s, 622.08Mbit/s, 1244.160Mbit/s y 2488.320Mbit/s en dirección ascendente y además explica el manejo simétrico y asimétrico de la señal, con referencia a las velocidades descritas. La descripción de esta recomendación abarca servicios de voz, distributivos y de datos con velocidades en Gbps. Además se debe anotar que la arquitectura que se analiza en el manejo de la PMD, dentro de una OAN, es una estructura tipo árbol y rama punto a multipunto capaz de servir a las interfaces usuario-red. S/R
R/S
ONU(1) Ord, Oru R/S
ODN OLT
ONU(n) Ord, Oru Old, Olu
Sentidos de la Comunicación en la ODN. Fi gura 2.1 ITU-T G.984.2, Configuración física genérica de la red de distribución óptica OAN, Fuente: 2003
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Para la configuración física de la OAN, se hacen referencia a puntos referenciales entre el usuario-red y nodo de servicio: R/S ( Receive/Send ) y S/R (Send/Receive): Puntos de referencia. Ord (Optical request-distribution), Oru (Optical request-user ), Old (Optical line-distribution), Olu (Optical line-user ): Interfaces ópticas entre la red de distribución, usuario y línea. Líneas de conexión: Representan a una o más fibras principales y auxiliares. Del mismo modo se establecen los dos sentidos de comunicación en la ODN: Figura 2.1 ascendente, cuando la señal se transmite desde una o varias ONU hacia la OLT y descendente, cuando la señal es transmitida desde la OLT a una o varias ONU, teniendo la opción de que estos sentidos se establezcan en la misma fibra óptica e iguales componentes en modo dúplex/dúplex o a través de distintos elementos o fibras ópticas dedicadas en modo símplex. En febrero del 2006, es publicada la recomendación ITU-T G.984.2 Enmienda 1 “ Nuevo apéndice III – Prácticas idóneas utilizadas en la industria para redes
ópticas pasivas con capacidad de 2,488Gbit/s en sentido descendente y 1,244Gbit/s en sentido ascendente”, con lo cual se dictan las correspondientes normas de uso del estándar GPON en las velocidades indicadas, como por ejemplo, el incluir por parte de la OLT, el algoritmo de Corrección de Errores en la Recepción FEC ( Forward Error Correction) en el sentido descendente, además de considerar que la degradación de la señal en la fibra óptica tiene diferente valor según el modo al cual se trabaje4. Varios de los esquemas, así como aspectos puntuales de esta recomendación, toman como referencia la recomendación ITU-T G.983.1 “Sistemas de acceso óptico de banda ancha basados en redes ópticas pasivas” publicada en el 2005,
con enfoque hacia redes ópticas que utilizan ATM. 4
ITU-T G.984.2, “Enmienda 1: Nuevo apéndice III – Prácticas idóneas utilizadas en la industria para redes ópticas pasivas con capacidad de 2,488Gbit/s en sentido descendente y 1,244Gbit/s en sentido ascendente”, 2006, http://www.itu.int/rec/T-REC-G/e
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-
UIT-T G.984.3: Denominada como la especificación de la Capa de Convergencia de Transmisión TC (Transmission Convergence), expone los formatos de trama, el método de control de acceso, el método ranging5, la funcionalidad OAM y la seguridad en redes GPON6. Los parámetros que se ofrecen en esta recomendación sirven para aclarar la interoperabilidad entre la capa de convergencia y la PMD, en base al uso de herramientas como el AES y la trama FEC utilizada en la comunicación entre la OLT y varias ONU en sentido descendente. Puede decirse que esta recomendación está directamente referenciada a los aspectos de la fibra óptica, explicando algunas de las redes con acceso flexible para este medio, describiendo las características de las redes PON. Además involucra los pasos que se deben considerar para el diseño de la red GPON, en base a las distancias, funcionalidad y seguridad.
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UIT-T G.984.4: Especificación de la interfaz de control y gestión OMCI (ONT Management and Control Interface) de la terminación de red óptica ONT, donde el análisis se enfoca en los recursos y servicios procesados de una base de información de gestión o manejo MBI ( Management Information Base) independiente del protocolo de comunicación entre OLT y ONT. La MBI específicamente dirige la gestión o manejo de la configuración, averías y de calidad de funcionamiento de la ONT, considerando lo siguiente: las capas de adaptación que en el estándar ATM son la 1, 2 y 5, la capa de adaptación GEM, los servicios de emulación de circuitos, servicios de Ethernet, servicios de voz y
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Determinación de distancia de los equipos ONT GPON. ITU-T Study Group 15 Question 2, “ ITU-T The leader on G-PON standards”, 2008, http://www.itu.int/ITU-T/studygroups/com15/sg15-q2.html 6
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el tipo de multiplexación de multiplexación que maneja el estándar WDM (Wavelength Division Multiplexing )7 . El protocolo OMCI sirve para que la OLT tenga control sobre la o las ONT, logrando con ello establecer o terminar las conexiones a través de la ONT, manejar las interfaces usuario-red UNI en las ONT, pedir información de configuración y estado de la calidad de operación e informar sin necesidad de intervenciones ajenas las posibles fallas en los enlaces. En general, las especificaciones de esta recomendación, permiten conocer a fondo cómo se realiza la administración de los diferentes servicios y sus tramas, según sus relaciones y atributos dentro del complejo sistema de encriptación. -
UIT-T G.984.5: Recomendación que sugiere el rango de bandas y longitudes de onda que se reservan para en un futuro, implementar señales de nuevos servicios, usa la técnica de multiplexación de información (WDM), para aprovechar de mejor manera en el caso de nuevas redes ópticas pasivas, en virtud del manejo recomendable de las ODN.
2.4 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS.
2.4.1 Objetivos del estándar. El estándar GPON es una solución de acceso de alta capacidad para servicios triple play (voz, vídeo y datos). Tal vez una de las características más importantes sea el alcance que pueden soportar, máximo de 20 Km, aunque el estándar se ha preparado para que pueda llegar hasta los 60 km.
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ITU-T G.984.4, “Especificación de la interfaz de control y gestión de la terminación de red óptica ”, 2006, http://www.itu.int/rec/T-REC-G/e
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Poseen un soporte de varias velocidades con el mismo protocolo, incluyendo velocidades simétricas de 622Mbps, 1.25Gbps, y asimétricas de 2.5Gbps en el enlace descendente y 1.25Gbps en el ascendente.
2.4.2 Parámetros técnicos
2.4.2.1 Multiplexación de la Información En sentido descendente como ascendente la información viaja en la misma fibra óptica. Para
lo que se utiliza una multiplexación WDM (Wavelength Division
Multiplexing ).
2.4.2.1.1 WDM. Es una técnica de transmisión por fibra óptica. Consiste en multiplexar diferentes longitudes de onda en una simple fibra. Entonces el espectro óptico correspondiente a la región de bajas pérdidas en fibras, se divide en algún número de canales de pequeña capacidad. WDM posee la capacidad de transparencia, esto debido a que no existe proceso electrónico alguno en la red. Los canales actúan como si fueran fibras independientes. Esta propiedad hace posible el soporte de varios formatos de datos y servicios en forma simultánea en la misma red. Esto da paso al soporte para futuros protocolos de transmisión así como los ya existentes.
2.4.2.1.2 Tipos de redes WDM A continuación se citan algunos tipos de enlaces WDM.
Enlace WDM. Dada la capacidad de transportar varios canales ópticos en una fibra, un enlace WDM cumple la función de lo que antes hacían varias fibras en paralelo, reduciendo los costos. 13
Red óptica pasiva. Su principal característica es que la fibra se comparte entre una Oficina Central y Unidades de Red Óptica, entre las cuáles se establece una conexión bidireccional en estructura de árbol, con control centralizado y enrutamiento en la Oficina Central.
Redes de difusión y de selección. Los transmisores difunden su señal a diferentes canales. Los receptores pueden seleccionar la señal deseada. Generalmente se basan en topología estrella. Su principal desventaja es la poca capacidad de reutilización de longitudes de onda, por lo que resulta conveniente para redes de área local pero no de mayores alcances.
Redes de Enrutamiento por Longitud de Onda. Están compuestas por uno o varios nodos selectores de longitud de onda llamados enrutadores de longitud de onda y por fibras que los interconectan. Cada uno de estos enrutadores tiene puertos de salida y entrada, los que se conectan a nodos terminales o bien a otros enrutadores. Toman sus decisiones de acuerdo al puerto y la longitud de onda de la señal de entrada. Dado que dos canales cualesquiera no comparten el mismo enlace de fibra en alguna parte de la red, éstos pueden utilizar la misma longitud de onda en redes de enrutamiento por longitud de onda. Esta reutilización de la longitud de onda implica una tremenda reducción de la cantidad de longitud de onda requerido para construir redes de área amplia. Dependiendo del diseño y componentes en uso, un enrutador de longitud de onda puede poseer distintas capacidades, como por ejemplo, enrutamiento estático o reconfigurable, proveer o no conversión de longitud de onda.
2.4.2.2 Niveles de potencia y alcance. La atenuación máxima que soporte un sistema que utilice el estándar GPON estará dado por la potencia máxima garantizada por la OLT (Optical Line Termination) menos la potencia mínima que es capaz de percibir la ONT (Optical Network Termination).
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El estándar GPON define diferentes tipos de láseres expresados en dBm: Para el OLT se exponen los siguientes valores en la Tabla 2.1 TIPO
POT. MEDIA MINIMA (dBm)
A
-4
B+
+1
C
+5
Niveles de Potencia Tabla 2.1 WIKIPEDIA, Redes GPON, 2008. FUENTE:
Para ONT se exponen los siguientes valores en la Tabla 2.2 TIPO
SENSITIVIDAD MINIMA DEL RECEPTOR (dBm)
A
-25
B+
-27
C
-26
Niveles de Sensibilidad Tabla 2.2 FUENTE : WIKIPEDIA, Redes GPON, 2008.
2.4.2.3 Velocidad Binaria Sentido descendente. La velocidad binaria nominal de la señal OLT a ONU es 1244.16Mbps ó 2488.32Mbps. Cuando la OLT y la central de extremo están en su estado de funcionamiento normal, esta velocidad puede medirse mediante un reloj Stratum-1 de precisión 1E-11. Cuando la central de extremo está en modo de funcionamiento libre, la velocidad de la señal descendente puede medirse mediante un reloj Stratum-3 con precisión 4,6E6. Cuando la OLT se encuentra en modo de funcionamiento libre, la precisión de la señal descendente es la de un reloj Stratum-4 (precisión 3,2E5).
Sentido ascendente. La velocidad binaria nominal de la señal ONU a OLT es 155.52, 622.08, 1244.16 ó 2488.32Mbit/s. Cuando se encuentra en uno de sus estados de funcionamiento y se le autoriza, la ONU deberá transmitir su 15
señal con una precisión igual a la señal descendente recibida. La ONU no deberá transmitir ninguna señal cuando no se encuentre en ninguno de sus estados de funcionamiento o carezca de autorización.
2.4.3 Arquitectura de la red óptica de acceso. 2.4.3.1 Descripción de la arquitectura de la red. La arquitectura de las redes ópticas pasivas PON centran su atención en la industria de las telecomunicaciones de tal manera de ayudar a solucionar los problemas generados en la última milla, cabe resaltar que la tecnología PON cuenta con innumerables ventajas que serán citadas dentro de este apartado. Las redes PON permiten localizar a los usuarios a distancias de 20 Km desde la central del nodo óptico, lo que supera las distancias de cobertura de DSL, sin nombrar que minimizan el despliegue de fibra en el bucle local al poder utilizar topología árbol, que resulta más eficiente que las topologías físicas típicas (punto-punto). La tecnología PON utiliza una estructura física punto-multipunto. Todas las transmisiones en una red PON se realizan entre la unidad Óptica Terminal de Línea OLT, localizada en el nodo óptico o central y la Unidad Óptica de Usuario (ONU/ONT). Por lo general la unidad OLT se interconecta con una red de transporte que recoge los flujos procedentes de varias OLTs y los encamina a la cabecera de la red. La unidad ONU se ubica en domicilio de usuario, configurando un esquema FTTH (fibra hasta el usuario, Fiber To The Home). Existen muchos tipos de topologías para acceder a la red como son topologías en anillo, árbol, estrella, árbol-rama y bus óptico lineal de las anteriormente citadas la más habitualmente usada es la topología en anillo, cada una de las bifurcaciones se realizan mediante divisores ópticos ( splitters) 1x2 y 1xN . Todas las tecnologías PON usan fibra óptica monomodo para el despliegue. El canal ascendente de la PON es una red multipunto- punto en la que múltiples ONT’s transmiten a un solo OLT, como ya se mencionó, trabajando sobre fibra óptica monomodo de manera de optimizar los sentidos 16
de las transmisiones ascendentes y descendentes se usan longitudes de onda y tiempos diferentes aplicando DWM. Los adelantos tecnológicos en el campo de las comunicaciones ópticas han permitido reducir cientos de veces los tamaños de los filtros ópticos necesarios para la separación antes de llegar a los transductores en los equipos del usuario. A la vez las arquitecturas PON permiten la utilización de multiplexación TDMA para que en momentos temporales determinados por la OLT, los equipos ONT envíen su trama en canal ascendente, de manera equivalente la cabecera OLT puede también usar TDMA para enviar en diferentes canales la información del canal descendente que selectivamente deben recibir los equipos del usuario. Por otra parte las arquitecturas PON han tenido que resolver la dependencia de la potencia de transmisión del equipo OLT con la distancia a la que se encuentra el equipo ONT que puede variar hasta 20 Km, los equipos ONT que no se encuentren lo debidamente cerca del OLT necesitarán que su información se transmita con una potencia mayor.
2.4.3.2 Elementos de una red GPON La Figura 2.2 muestra la configuración típica de una red GPON con sus componentes en este apartado se explican las funciones y características principales de cada uno de ellos.
2.4.3.2.1 Fibra Óptica La fibra óptica, como medio de transporte es una guía de onda dieléctrica que opera a frecuencias ópticas, que en su presentación básica de filamento está formada por un núcleo central de vidrio o plástico y un recubrimiento del mismo tipo con un índice de refracción menor al que posee el núcleo como se muestra en la Figura 2.3.
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ONT ONT
ONT
ONT
Splitter OLT MDU OLT
Splitter
Splitter
ONT
ONT
Splitter ONT
ONT ONT ONT
Splitter
Elementos de una Red GPON. Fi gura 2.2 Fuente. PERSONAL
En la forma comercial de cable tiene cinco partes generales: Núcleo, Revestimiento, Amortiguador, Material Resistente y un Revestimiento Exterior o Envoltura.
Estructura interna de una Fibra Óptica. Fi gura 2.3 www.arcesio.net/capa_fisica/componentes_fisicos.ppt Fuente:
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Debido a la extensión de la teoría sobre fibra óptica, se citan brevemente algunos conceptos. Dentro de los parámetros que se deben considerar intrínsecos de la fibra óptica están aquellos que implican el manejo del haz de luz emitido desde la fuente, bien sea esto desde diodos LED ( Light Emitting Diode) o diodos de inyección láser ILD ( Injection Laser Diode) como la reflexión y refracción, que determinan el diseño de la fibra en la aplicación y uso en cuanto a pérdidas y rendimiento. Otra de las características a citar son los modos de la fibra óptica, trayectos por los que puede viajar el rayo de luz emitido por medio de la fibra. Así cabe citar los tipos de fibra de acuerdo a la cantidad de modos: a) Fibra Multimodo. Cuyo radio de núcleo es lo suficientemente amplio para permitir la circulación de varios rayos de luz. El índice de refracción del vidrio de su núcleo comparado con el límite de su núcleo, define el tipo de fibra multimodo en dos tipos: de índice graduado e índice escalonado. b) Fibra Monomodo. Su característica principal es la propagación de un solo modo de luz a través de un núcleo menor al definido para la fibra multimodo. Las ventajas que se consiguen tienen que ver en la cantidad de datos que se transmiten en mayor número y a mayores distancias comparado al anterior tipo de fibra. El inconveniente que surge tiene que ver con su costo. La Tabla 2.3 muestra algunos valores nominales de atenuación característica de la fibra óptica. ELEMENTO: FIBRA OPTICA CARACTERISTICA
DATO
Atenuación Normas
-0,3dB/Km UIT-G.65x
Valores característicos de atenuación y estándar Tabla 2.3 Fuente: http://www.itu.int/rec/T-REC-G/e
En lo que concierne al presente diseño, la opción del uso de fibra óptica monomodo tiene que ver en las grandes ventajas que conlleva, en términos de alcance, velocidad, 19
uso y rentabilidad asociada a otros elementos aquí presentados como parte de la red GPON. La estandarización de la fibra monomodo, permite el uso de determinada fibra de acuerdo a la aplicación e infraestructura a implementar, por lo que se ha considerado, citar varias de las recomendaciones UIT donde se describen las diferencias entre fibras de este tipo como la UIT-T G.652, G.653, G.654 y G.655.
UIT-T G.652: Características de las fibras y los cables de Fibra Óptica Monomodo, donde se detallan los datos concernientes a una fibra monomodo cuya longitud de onda de dispersión nula está situada en 1310nm, optimizado para su uso en la región de longitud de onda de 1310nm pudiendo ser utilizado en la región correspondiente a 1550nm donde la fibra ya no es optimizada, con aplicaciones en transmisiones digitales o analógicas.
UIT-T G.653: Características de la fibra y los cables de Fibra Óptica Monomodo con Dispersión Desplazada. Informe que describe fibras de tales características, con una longitud de onda de dispersión nula nominal cercana a 1550nm y un coeficiente de dispersión que aumenta monotónicamente con la longitud de onda. Su optimización se da en la ventana de 1550nm pero puede utilizarse de igual manera en longitudes de onda a 1310nm según lo indicado en detalle en la recomendación. Para su adaptación se efectúan arreglos para el soporte de velocidades de transmisión a longitudes de onda superiores, de hasta menor o igual a 1625nm.
UIT-T G.654: Características de la fibra y los cables de Fibra Monomodo con Corte Desplazado. Para esta fibra, la longitud de onda de dispersión nula está situada en las proximidades a 1300nm, cuya atenuación menor y longitud de onda de corte desplazado se halla en 1550nm optimizado en la región de longitud de onda entre 1500nm a 1600nm. Su aplicación en sistemas de transmisión de tipo digital a larga distancia como sistemas en línea terrestres y submarinos con amplificadores ópticos se debe a su muy baja atenuación.
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UIT-T G.655: Características de la fibra y los cables de Fibra Monomodo con Dispersión Desplazada No Nula, describe una fibra con una dispersión cromática cuyo valor es mayor o diferente a cero, en todas las longitudes de onda de utilización prevista en la ventana 3 de 1550nm. Este hecho, elimina el efecto no lineal generado por la mezcla de cuatro ondas, que pueden incidir en la Multiplexación por División de Onda Densa (DWDM) de forma nociva. Se halla optimizada para operar entre 1530nm y 1565nm y con una tolerancia menor o igual hasta 1625nm. Cada una de las citadas recomendaciones abarca sub categorías con aplicaciones para sistemas STM-16 y STM-64. La Tabla 2.4 indica una síntesis de las características presentadas en las recomendaciones relacionadas con la Fibra Óptica Monomodo.
2.4.3.2.2 OLT Optical L in e Termi nation OLT es un elemento activo del cual parten las redes de fibra óptica hacia los usuarios, los OLT tienen una capacidad para dar servicio a miles de consumidores conectados al servicio que se desea prestar. A más de lo citado anteriormente agrega el tráfico proveniente de los clientes y lo encamina hacia la red de agregación, quizá una de las funciones más importantes que desempeña el OLT es de hacer las veces de enrutador para ofrecer todos los servicios demandados por el usuario. Este elemento de la red GPON está ubicado en las dependencias del operador, y consta de varios puertos de línea GPON, cada uno soportando hasta 64 ONT. Aunque depende del suministrador, existen sistemas que pueden alojar hasta 7.168 ONT’s en el mismo espacio que un DSLAM ( Digital Subscriber Line Access Multiplexer ).
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CARACTERÍSTICA Diámetro de campo modal.
DATO Longitud de Onda Rango de Valores nominales
UIT- G.652 1310 nm
UIT- G.653 1310-1550 nm
UIT- G.654 1550 nm
UIT- G.655 1550 nm
8,6-9,5 μm
7,8-8,5 μm
9,5-10,5 μm
8-11 μm
±0,7μm
±7 μm
125 μm
125 μm
±0,1 μm
±0,1 μm
0,8 μm
0,8 μm
2% 1530 37,5 nm 100 o,5 dB 0,69 Gpa
2% 1480 37,5 nm 100 o,5 dB 0,69 Gpa 1530 nm 1565 nm
0,22 dB/Km
0,35 dB/Km
Tolerancia ±0,7μm ±0,8μm 125 μm 125 μm Nominal Revestimiento del diámetro Tolerancia ±0,1 μm ±0,1 μm 0,8 μm 0,8 μm Máximo Error de concentricidad del núcleo Máximo 2% 2% No circularidad del revestimiento Máximo 1260 1270 Longitud de onda de corte del cable. Radio 37,5 nm 37,5 nm Perdida por macroflexión Número de vueltas 100 100 Máximo a 1550nm o,5 dB o,5 dB Mínimo 0,69 Gpa 0,69 Gpa Prueba de tensión λ 0 mín. 1300nm 1500nm Coeficiente de dispersión cromática λ 0 máx. 1324 nm 1600 nm S 0 máx. 0,093ps/nm2*Km 0,085ps/nm2*Km Longitud de Onda Coeficiente de atenuación Máximo a 1310nm 0,5 dB/Km Máximo a 1550nm 0,4 dB/Km 0,35 dB/Km Tabla 2.4 Resumen Recomendaciones UIT – T G.65x, Fuente: Personal
Fibra Óptica Monomodo
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Para la conexión de datos de la OLT con la ONT se emplea un cable de fibra óptica para transportar una longitud de onda de bajada (downstream). Con el uso de un divisor pasivo que divide la señal de luz que tiene a su entrada en varias salidas. En resumen lo que se pretende manejar es una arquitectura punto multipunto como la ya explicada en líneas anteriores. Cabe resaltar que los datos de subida (upstream) desde la ONT hasta la OLT, son distribuidos en una longitud de onda distinta para evitar colisiones en la transmisión downstream son agregados por la misma unidad divisora pasiva, que hace las funciones de multiplexador en la dirección upstream del tráfico. Esto permite que el tráfico sea receptado desde la OLT sobre la misma fibra óptica que envía el tráfico downstream.
Para la conexión de datos de la OLT con la ONT se emplea un cable de fibra óptica para transportar una longitud de onda de bajada (downstream). Con el uso de un divisor pasivo que divide la señal de luz que tiene a su entrada en varias salidas. En resumen lo que se pretende manejar es una arquitectura punto multipunto como la ya explicada en líneas anteriores. Cabe resaltar que los datos de subida (upstream) desde la ONT hasta la OLT, son distribuidos en una longitud de onda distinta para evitar colisiones en la transmisión downstream son agregados por la misma unidad divisora pasiva, que hace las funciones de multiplexador en la dirección upstream del tráfico. Esto permite que el tráfico sea receptado desde la OLT sobre la misma fibra óptica que envía el tráfico downstream. Para el tráfico downstream se realiza un llamado general óptico (broadcast ), cada ONT será de capaz de procesar el tráfico que le corresponde, en otras palabras solo procesará el tráfico para el cual tiene acceso por parte del operador, gracias a las técnicas de seguridad AES ( Advanced Encryption Standard ) que asocia la información hacia un único terminal. Para el tráfico upstream los protocolos basados en TDMA (Time Division Multiple Access) aseguran la transmisión sin colisiones desde la ONT hasta la OLT. Además, mediante TDMA sólo se transmite cuando sea necesario, por lo cual, no sufre de la ineficiencia de las tecnologías TDM donde el período temporal para transmitir es fijo e independiente de que se tengan datos o no disponibles. Una OLT consta de tres partes principales Figura 2.3.
Bloque 1. Función de interfaz de puerto de servicio. Consta de la función de interfaz ODN (O ptical Distribution Network ) y la de TC PON (Transmission Convergence PON ) que incluye el entramado, el control de acceso al medio, OAM (O peration, Administration and Maintenance), DBA
(D ynamic Bandwidth
Assignment ), alineación de unidades de protocolo para las funciones de conexión cruzadas, la gestión de la ONU (O ptical Network Unit ), cada una de estas selecciona un modo ya sea ATM ( Asynchronous Transfer Mode) o GEM (G-PON Encapsulation Method ).
23
BLOQUE NUCLEO DE PON Función Interfaz ODN
Función Interfaz ODN
BLOQUE CONEXIÓN CRUZADA
Función TC PON
n ó i x e n . o a C d a e z d u r n C ó i c n u F
Función TC PON
BLOQUE DE SERVICIO. Adaptación de Servicio.
Adaptación de Servicio.
Elementos de una OLT F igura 2.4 Fuente. Personal
Bloque 2. Función de conexión cruzada. El bloque de conexión cruzada proporciona una trayectoria a las comunicaciones entre el bloque anterior y el de servicio. Las tecnologías usadas para encaminar los datos están en función de los servicios a prestar y de la arquitectura interna de la OLT. Una de las funciones principales de la OLT es proporcionar la funcionalidad de la conexión cruzada en el modo seleccionado en el bloque anterior.
Bloque 3. Interfaz de distribución óptica ODN (Optical D istri bution N etwork ) En este bloque se proporciona la información entre las interfaces de servicio y trama de la sección PON.
2.4.3.2.3 ONT Optical Network T ermi nation El ONT es el elemento que se sitúa en la casa del usuario donde termina la fibra óptica y ofrece las interfaces del usuario. Las ONT deben estar fabricadas de manera tal que soporten las peores condiciones ambientales y generalmente vienen equipadas con baterías. Existe una gran variedad de ONTs que están en función de los servicios que se quiera brindar al usuario entre otros se puede citar:
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Interfaces de Fast-Ethernet 8 que alcancen velocidades hasta 100Mbps, generalmente para consumidores residenciales, ofreciendo servicios de TV e Internet. Interfaces de Gigabit-Ethernet 9 que alcanzan velocidades hasta de 1Gbps usadas para servicios empresariales. Interfaces E110 o STM-111 específicos para brindar servicios corporativos. Debido que no existe interoperabilidad total entre la OLT y ONT GPON, los fabricantes de éstas deben ser los mismos para que exista compatibilidad entre sí. En las arquitecturas FTTN ( Fiber To The Network ) las ONT son sustituidas por MDU ( Multi-Dwelling Units), que ofrecen habitualmente VDSL212 hasta las casas de los abonados, reutilizando así el par de cobre instalado pero, a su vez, consiguiendo las mínimas distancias necesarias para alcanzar velocidades simétricas de hasta 100 Mbps por abonado. Los elementos que conforman la ONU son similares a los bloques constructivos de la OLT, ya que la ONU funciona con una única interfaz PON, se omite la función de conexión cruzada, para el manejo del tráfico se añade la función MUX y DMUX. En la Figura 2.5 se explica de manera gráfica los componentes de una ONU.
8
Ethernet de alta velocidad, serie de estándares de IEEE de redes Ethernet de 100 Mbps.
9
Ttambién conocida como GigE, es una ampliación del estándar Ethernet (concretamente la versión 802.3ab y 802.3z del IEEE) que consigue una capacidad de transmisión de 1 gigabit por segundo. 10
Formato de transmisión digital. Es una implementación de la portadora-E. El formato de la señal E1 lleva datos en una tasa de 2,048 millones de bits por segundo (Mbps) 11
Módulo de Transporte Síncrono (Synchronous Transport Module). Unidad de transmisión básica de la Jerarquía Digital Síncrona (SDH), correspondiente al primer nivel básico. Es una trama de 2430 bytes, distribuidos en 9 filas y 270 columnas. 12
(Very-High-Bit-Rate Digital Subscriber Line 2) Línea digital de abonado de muy alta tasa de transferencia, que aprovecha la actual infraestructura telefónica de pares de cobre.
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BLOQUE NUCLEO DE PON Función Interfaz ODN
Opcional.
Función TC PON
Función Interfaz ODN
Función TC PON
BLOQUE DE SERVICIO. X U M . o D i y c x v r u e S M n a r ó a i c p n u F
Adaptación de Servicio.
Adaptación de Servicio.
. Elementos de una ONU. Fi gura 2.5 Fuente. Personal.
El registro de la ONU se realiza mediante un proceso de autodetección, se explican dos métodos para el registro.
Método A. Este método consiste en un número de serie de la ONU que se registra en la OLT por medio de un sistema de gestión.
Método B. En este método no se registra en la OLT el número de serie de la ONU.
Palabra de identificación. La palabra de identificación de la ONU direcciona una ONU específica. El número identificador de la ONU puede tener un valor entre 0 y 253 en numeración hexadecimal.
Tiempo de determinación de distancia (Ranging Time ). Este método indica el valor expresado en número de bits ascendentes que debe rellenar una ONU en su registro de retardo. El campo correspondiente indica que el retardo es aplicable al trayecto principal o al de protección.
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2.4.3.2.4 MDU M ulti Dwelling Unit Es un importante elemento que a diferencia de las ONT’s ofrecen servicio a múltiples usuarios. Existen varios tipos de MDU’s entre la que se destaca: MDU XDSL: termina la fibra óptica que llega de la central telefónica, utiliza tecnología XDSL para ofrecer servicios a los usuarios. Físicamente van ubicados dentro de un armario que se ubica en una zona común con fácil acceso a los pares de cobre que llegan a los terminales. La ventaja fundamental que presentan estos frente a los ONT’s es que permiten aprovechar las redes de cobre existentes. Las desventajas que tienen son las mismas que presentan la tecnología XDSL ( X Digital Subscriber Line). xDSL define una serie de tecnologías que permiten el acceso a internet de banda ancha mediante es uso de una línea de cobre, y a la vez, para el uso simultáneo de la línea telefónica. Cada uno de los acrónimos de esta tecnología define ciertas características en cuanto a la velocidad de transmisión de datos y la distancia de la central ya que el cable de cobre no está diseñado para transmisiones de alta velocidad, es decir, a cuanta más distancia, peores son las prestaciones del sistema.
2.4.3.2.5 Divisor Óptico Pasivo Splitter
.Splitters Ópticos Pasivos. Fi gura 2.6 Fuente. http://es.wikitel.info/wiki/GPON
Permiten la derivación de la señal óptica a su ingreso, hacia dos o más fibras distintas a sus salidas, Figura 2.6. Generalmente vienen dispuestos de dos formas: Distribuidores en serie tipo T a manera de acopladores y su forma más comúnmente usada, Distribuidores en
27
Estrella. Cada salida del splitter tiene un determinado valor de atenuación de la señal así como la atenuación total de inserción del equipo completo expresadas en dB. De acuerdo al tipo de longitud de onda que manejen, se clasifican en: -
Estándar SCC (Standard Single Mode Coupler ), para longitudes de onda con desviaciones de señal mínimas o bajas tolerancias.
-
De Una Ventana WFC (Wavelength Flattened Coupler ), para un único rango de longitud de onda.
-
De Dos Ventanas WIC (Wavelength Independent Couplers), para dos rangos de longitudes de onda.
-
Multiplexores de Onda WDM (Wavelength Division Multiplexers) para dos longitudes de onda separadas.13
Las soluciones que se implementan para la estructuración de las redes PON, están sujetas a la manera en la cual se conecten los splitters, pudiendo ser estructuras tipo conmutadas, en cascada o centralizadas. Para el primer caso, los splitters son ubicados en la oficina central, nodo o terminal remoto. Su principal ventaja es la facilidad de adaptación de nuevos equipos, ya que cualquier cambio puede efectuarse en un mismo lugar físico. Para el segundo caso, en cascada, se utiliza una combinación de splitters de múltiples o iguales radios, en diferentes localidades. Este diseño es particularmente efectivo en lugares apartados o fuera de áreas urbanas, donde el número de usuarios está distante. Para el último de los casos, el centralizado, se diseña de tal forma que un único splitter es ubicado dentro de una cabina desde donde el enlace con el usuario se efectúa con fibra óptica dedicada únicamente hacia ese usuario siendo flexible para su actualización a nuevas tecnologías al final de la red PON.14 En la Tabla 2.5 se indican valores típicos de pérdidas por inserción de los diferentes tipos de splitters que se hallan a nivel comercial.
13
FIBROMARKET, Primera tienda Virtual de las Telecomunicaciones. “CURSO DE FIBRA OPTICA”. Capítulo 4: Splitters 14
GPON Migration: Ensuring my Network http://www.adc.com/Library/Literature/103132AE.pdf
28
is
Ready
to
Migrate
to
GPON,
ELEMENTO: SPLITTERS CARACTERISTICA
DATO
(Max) -3.6dB -7.5dB -11dB -14dB -18dB -21.5dB UIT-T G.984.x Tabla 2.5 Atenuación y Normas de Splitters Fuente. Zpon Catalog Jul. 2007. www.zhone.com
Atenuación 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 Normas
2.4.3.2.6 ODF Optical Distribution Frame
.ODF Fi gura 2.7 : http://www.huihongfiber.com/optical-distribution-frame.html Fuente
Mostrado en la Figura 2.7, elemento pasivo que permite la conexión y terminación de un segmento de fibra mediante el uso de conectores con el fin de mejorar la manipulación, organización, mantenimiento y protección de dicho segmento. En su interior se dispone del espacio físico adecuado para el almacenamiento de reservas de fibra, así como empalmes y patch cords15 . La principal ventaja que brinda a la red, es la posibilidad de lograr la escalabilidad de los elementos a éste conectado, en un crecimiento adecuado y en orden. Se encuentra generalmente constituido por un chasis, una bandeja y un cassette, donde se resguardan las protecciones termo contraíbles y la fibra de reserva, cualidades que se hallan principalmente en ODFs de interior o Indoor . Su similar ODF tipo Outdoor cuenta con tamaños reducidos de acuerdo al número de conexiones o terminaciones a realizar. 15
Patch Cords: Cable con conectores en los extremos, que se utiliza para conectar dos componentes eléctricos.
29
2.4.3.2.7 Mufas o Mangas Una mufa o manga (Figura 2.8) es un dispositivo destinado a dar soporte mecánico a los empalmes de fibra óptica. Su finalidad es encerrar de forma hermética las conexiones de seccionamiento que se establecen en determinados puntos de la red, con la finalidad de brindar seguridad, protección y prevención de efectos generados por condiciones ambientales en tales puntos.
Mufa o Manga Fi gura 2.8 http://www.fidailgotelecom.com/images/ELITE220FO.jpg Fuente:
Existen mangas con propiedades que le dan al conjunto de empalmes una larga vida útil con químicos como el nitrógeno. En su estructura cuentan con las siguientes partes: Compartimento para empalme. Abrazaderas para cierre hermético. Ductos de Entrada/Salida.
2.4.3.2.8 Conectores
Conectores Fi gura 2.9 http://www-wsp.adckrone.com Fuente:
30
En el diseño de una red conexionada, los elementos que permiten el enlace de los distintos tramos deben poseer ciertas características que faciliten y no afecten en proporciones considerables las pérdidas que se conseguirían por su inserción. Los conectores para fibra óptica, (Figura 2.9), permiten la unión de extremos de dos fibras ópticas con la cualidad de cambio, es decir, reconectarse varias veces evitando ser de tipo fijo según sean las exigencias de la red y la necesidad de flexibilidad en su construcción. Pueden constituirse como conectores entrada/salida, para conexión de equipos de operación, prueba, monitoreo y mantenimiento. Además, se deben indicar los efectos que produce su utilización dentro de la red, como lo es la atenuación de la señal transmitida y la reflexión en la conexión. Un conector se halla formado por los siguientes elementos: Ferrule: Parte que alinea el núcleo de la fibra óptica dentro del conector. Manga de Alineación: Elemento que une dos Ferrules entre conectores. Dispositivo Anti-Rotatorio: Como su nombre indica, evita posibles torceduras de los Ferrules entre conectores. Dispositivo de Control de Presión, que impide una sobre presión en las junturas de los conectores, forzándola. Dispositivo de Reducción de Tensión: Previene niveles altos de tensión entre el conector y la estructura de soporte de la fibra. Entre los parámetros más relevantes de los conectores en el aspecto óptico tenemos: Atenuación, Pérdidas por Retorno y Clase de Longitud de Onda. a) La atenuación considera la pérdida de potencia que recae sobre el conector y se halla definida por la siguiente ecuación:
A = Atenuación del Conector Pi = Potencia Óptica de Ingreso 31
Po = Potencia Óptica de Salida b) Las perdidas por retorno hacen a la potencia que se reflejan en el conector, en porción a la potencia que posee su interfaz.
R L = Pérdidas de Retorno ( Return Loss) Pr = Potencia Óptica Reflejada Po = Potencia Óptica en Conexión c) En cuanto a la longitud de onda que manejan se cataloga en dos tipos de fibras como: Clase 1: cumplimiento de normalizaciones en el área de las telecomunicaciones en las bandas de 1260nm – 1360nm y 1480nm – 1580nm. Clase 2: Comprende operaciones de Mantenimiento en la Banda Extendida de 1600nm – 1650nm La Tabla 2.6 contiene valores referenciales de atenuación y normas de construcción de conectores ópticos. ELEMENTO: CONECTORES CARACTERISTICA Atenuación Normas
DATO -0,2dB ANSl/EIA/TIA-475-AAAA,
Tabla 2.6 Atenuación y Normas de Personal. Fuente:
conectores
A continuación se presenta un cuadro de clasificación de los conectores Tabla 2.7 según algunos parámetros en cuanto a las características de la fibra óptica usada.
32
Conector ST: El conector ST Figura 2.10 también llamado "keyed twist ”. Este es un tipo de conector que se ensambla con la entrada a la fibra en la misma forma en que se inserta la llave a un auto y se gira para abrir el seguro. Al igual que sólo hay una forma de quitar el seguro al coche, de igual forma sólo hay una manera de instalar el conector; así, se obtiene una consistencia en la forma de conectar y desconectar la fibra. CLASIFICACION DE CONECTORES PARA FIBRA ÓPTICA Tipo de Fibra Óptica Sistema de Alineación Terminación de Extremos Cantidad de Fibras Tipo de Acoplamiento
Multimodo Monomodo Alineación Directa Alineación Secundaria Alineación por Lente Contacto Físico Contacto Físico en Ángulo 2, 4, 8, 12, 24, 72 fibras De Empuje – Tracción De Rosca De Bayoneta
Tabla 2.7 Clases de conectores : Personal. Fuente
Conector ST Fi gura 2.10 Fuente: www.ampnetconnect.com/chapter2-2_Connector_080204_pdf
Algunas de las características de estos conectores se anotan a continuación. Sistema de anclaje: Bayoneta. Ferrule: 2.5 mn φ
Tipo de Fibra Óptica: 125-140μm φ cladding. Pérdidas de inserción: <0.50 dB Perdidas por retorno PC, SPC, UPC: <-30,-40,-50 dB 33
Este tipo de conectores son muy utilizados en redes de área local LAN y sistemas de instrumentación y control industrial.
Conector SC
Conector SC Fi gura 2.11 www.ampnetconnect.com/chapter2-2_Connector_080204_pdf Fuente:
El SC (Figura 2.11) es un conector de fibra óptica con un conector push-pull mecanismo de enganche rápido que proporciona la inserción y la eliminación al mismo tiempo que aseguran una conexión positiva. El conector SC se ha normalizado como FOCIS 3 ( Fibra Óptica Conector Intermateability Standards) en EIA/TIA-604-03. A continuación se muestran características específicas del conector SC: Sistema de anclaje: Push-Pull. Ferrule: 2.5 mn φ
Tipo de Fibra Óptica: 125μm φ cladding. Pérdidas de inserción monomodo/multimodo: <0.50 dB Pérdidas de inserción APC: <0.50 dB para multimodo y 0.35 dB para monomodo Pérdidas por retorno PC, SPC, UPC: <-30,-40,-50 dB Pérdidas de retorno APC <-60 dB.
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Conectores SC/APC.
Conector SC Fi gura 2.11 http://www.telnet-ri.es/index.php?id=135 Fuente:
Los Conectores SC/APC (Figura 2.11) son diseñados según las especificaciones Bellcore TR-326 III. Estos conectores son totalmente compatibles con los Conectores SC. Existen distintas versiones para fibra monomodo SM y multimodo MM y distintos tipos según se utilice fibra de 900μm, cables de 2.4 mm o 3 mm. Los conectores SC/APC tienen
un ángulo de 8o. Este conector permite una alta densidad de conexión en repartidores frente a otros estándares, siendo empleados para interconexión en planta por compañías operadoras de todo el mundo en aplicaciones de CATV, telefonía, donde se requiera un excelente comportamiento de la conexión óptica.
Resumen de conectores ST y SC. PERDIDAS TIPO DE CONECTOR DE REPETIBILIDAD FIBRA INSERCION SC 0,20 - 0,45 dB 0,10 dB SM, MM ST 0,20 - 0,45 dB 0,10 dB SM, MM
APLICACIONES Comunicaciones de datos Comunicaciones de datos
Tabla 2.8 Características
conector SC y ST www.ampnetconnect.com/chapter2-2_Connector_080204_pdf Fuente:
Conector MT-RJ El conector de fibra óptica MT-RJ Figura 2.13 fue lanzado al mercado como parte útil para aplicaciones FTTB. Ofrece, en un espacio RJ45, una presentación dúplex de los núcleos de fibras en el lado final de los canales de transmisión y recepción, suprimiendo la necesidad de utilizar patchcords dúplex convencionales. Se encuentra adaptado para tasas 35
de datos de transmisión multimodo hasta 1Gb/s, el MT-RJ también puede desplegarse en aplicaciones monomodo. El conector MT-RJ es adecuado para la fabricación de patchcords y pigtails de fibra óptica en un entorno industrial. 16
Fi gura 2.13 Conector MJ- RJ
www.ampnetconnect.com/chapter2-2_Connector_080204_pdf Fuente:
Otros Conectores. Dentro de la variada gama de conectores ópticos se puede citar los siguientes tipos. Conector SC/PC Conector FC/PC FC/APC Conector SMA Conector E2000/E2000 APC
2.4.3.2.9 Empalmes Debido a la necesidad de contar con tramos de fibra óptica manejables en cuanto a su longitud y a la cantidad de elementos que pueden llegar a conectarse a la red aplicada, los empalmes cumplen con la función de enlace ya sea entre tramos, conectores y terminaciones de fibra. Como varios de los elementos presentados en este apartado generan pérdidas que afectan el óptimo funcionamiento de la red, a continuación se muestra en la
16
Pigtails. Trozo de cable que lleva en cada uno de sus extremos un conector, usado en dispositivos wireless.
36
Tabla 2.9 valores de atenuación y las normas a seguir para la correcta realización de empalmes. ELEMENTO: EMPALMES CARACTERISTICA Atenuación Normas
DATO -0,1-0,2dB ANSl/EIA-472DA00
Valores de atenuación y normas. Tabla 2.9 Personal Fuente:
Entre los empalmes que se realizan comúnmente están: -
Empalmes Mecánicos o Manuales: De rápida construcción, poseen cualidades como temporalidad o permanencia de su uso, con atenuaciones altas en el orden de los 0.20dB a 1dB. Generalmente se conciben como cilindros o bandejas donde se introducen las fibras a empalmar (Figura 2.14). En lo que se refiere a su armado, primero debe retirarse aproximadamente 3cm de revestimiento o coating , se limpian con alcohol isopropílico y luego se les practica un corte perfectamente recto a 5 o 6cm con un cortador de fibra especial con filo de diamante.
-
Empalmes Por Fusión.- De tipo permanente, se realizan mediante el uso de máquinas especialmente diseñadas para ello (Figura 2.15). El proceso de armado, incluye la preparación de las fibras sin coating y cortadas a 90°, se alinea los núcleos entre sí uniéndolas aplicando un arco eléctrico producido entre dos electrodos.
Empalme mecánico Fi gura 2.14 http://www.rutascom.com.ar/imagenes/fibraoptica26-empalme.jpg Fuente:
37
Los niveles de atenuación que se consiguen se encuentran entre los umbrales de 0.01dB a 0.1dB.
Empalme por Fusión Fi gura 2.15 http://200.27.147.163/planta/menu/fibra_archivos/image029.jpg Fuente:
Para asegurar un correcto funcionamiento de los empalmes armados, se debe contar con la protección adecuada, como adhesión de éstos a almohadillas existentes en algunos cassettes de empalmes, rodeándose con una bisagra autoadhesiva o mangas termocontraíbles ( sleeves) que contienen un nervio metálico. De igual forma mediante el uso adecuado de cajas de empalmes según la ubicación que se requiera dentro del diseño de la red, garantizará su operación y vida útil, generalmente afectada por agentes externos como el medio ambiente, daños provocados por terceros, etc.
2.4.4 Protocolos de transporte. 2.4.4.1 Requerimientos. El estándar GPON considera configuraciones tanto asimétricas como simétricas, de manera anexa mientras los regímenes binarios de GPON se sustentan en los establecidos para SDH (Synchronous Digital Hierarchy). El estándar GPON admite redes PON soportadas por una o dos fibras, empleándose la técnica WDM (Wavelength Division Multiplexing ) en el primero de los casos para separar ambos sentidos de transmisión.
2.4.4.2 Control de Acceso al medio En el sentido descendente o downstream, de la red hacia el usuario, el estándar GPON contempla un protocolo de difusión, como el que se indica en la (Figura 2.16).
38
ONU 1
USUARIO 1
. o s t a D Datos.
ONU 2
OLT . s o t a D
ONU 3
USUARIO 2
USUARIO 3
Datos de acuerdo a tramas.
Protocolos de Difusión Fi gura 2.16 . Personal. Fuente
El estándar GPON emplea bien la célula ATM o bien el método de encapsulación GFP (Generic Framing Procedure) para los servicios nativos TDM (voz, por ejemplo), IP/PPP, Ethernet, Fiber Channel17. El sentido ascendente o upstream, del usuario hacia la red resulta más complejo, dado que se impone algún protocolo con el fin de evitar la colisión, en el tramo comprendido entre el splitter y la OLT, de las tramas enviadas por las distintas ONUs. En esta línea, los protocolos upstream TDMA para GPON y MPCM ( Multi-Point Control Protocol ) para EPON descansan sobre la sincronización entre OLT y ONUs, con la misma referencia temporal, y el mecanismo de ranging , que sitúa varias ONTs a la misma distancia de la OLT.
2.4.5 Servicios 2.4.5.1 Convergencia IP con redes GPON Las redes GPON permiten una convergencia total de todos los servicios de telecomunicaciones. Los servicios Triple Play en las operadoras de cable separan el vídeo e Internet. GPON permitirá una integración total de todas las capas de red. Es una tecnología 17
Tecnología de red a velocidades de Giga bits utilizada básicamente para almacenamiento de red.
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que requiere un gran rendimiento en los nodos de acceso. Los nodos GPON están preparados para trabajar con más de 7.000 abonados haciendo uso de todo tipo de servicios con grandes exigencias de Calidad de Servicio (QoS Quality of Service). La tecnología GPON genera grandes ahorros ya que permite ofrecer servicios de próxima generación, incluso totalmente unicast , sobre una misma red completamente IP ( Internet Protocol ). Además la arquitectura hasta el hogar basada en fibra supone grandes ahorros respecto a las arquitecturas de cobre reduciendo el número de centrales. En lo que respecta a este tipo de direcciones IP se prevé que el manejo se realice mediante el siguiente protocolo.
2.4.5.1.1 IGMP IGMP ( Internet Group Management Protocol ) es un protocolo de comunicaciones utilizado para gestionar la composición de los grupos de multidifusión de Protocolo de Internet IP. IGMP se utiliza para intercambiar información acerca del estado de pertenencia entre enrutadores IP que admiten la multidifusión y miembros de grupos de multidifusión. Los hosts miembros individuales informan acerca de la pertenencia de hosts al grupo de multidifusión y los enrutadores de multidifusión sondean periódicamente el estado de la pertenencia. Este protocolo es parte integral de la especificación IP multicast 18, que opera por encima de la capa de red, aunque no actúa como un protocolo de transporte, dentro del modelo de referencia OSI. Es un protocolo análogo al Protocolo de Mensajes de Control de Internet o ICMP (por sus siglas de Internet Control Message Protocol ), para conexiones unicast 19. IGMP se puede utilizar para la transmisión de vídeo en línea, y permite un uso más eficiente de los recursos en el apoyo a este tipo de aplicaciones. IGMP permite algunos ataques, y comúnmente los servidores de seguridad facilitan al usuario desactivarlo si no es necesario. 18
Envío de la información en una red a múltiples destinos simultáneamente, usando la estrategia más eficiente. Envío de información desde un único emisor a un único receptor. 19
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2.4.5.2 Convergencia ADLS con redes GPON En la actualidad la tecnología ADSL ha permitido ofrecer servicios de banda ancha a través del par telefónico de cobre tradicional, gracias a estos servicios esta tecnología se ha popularizado. Sin embargo, en la actualidad detrás del acceso de banda ancha a través de la fibra óptica se encuentra la tecnología GPON siendo este el estándar más atractivo para ofrecer fibra óptica hasta el hogar o hasta el edificio. La tecnología GPON ofrece una capacidad de 2,5Gbps downstream y 1,25Gbps upstream compartidos por cada 64 abonados sobre distancias de hasta 20 km. El OLT es el equipo de central y la ONT el equipo de abonado. El OLT soporta más de 7,000 usuarios, una capacidad de integración mucho mayor que los Multiplexores Digitales de Acceso a la Línea Digital del Abonado DSLAM20 ( Digital Subscriber Line Access Multiplexer ), además de ofrecer mayores anchos de banda sin penalización de distancias. Esto reduce el gasto de mantenimiento del operador. En la ONT, instalada en el interior del hogar generalmente, se conectan los ordenadores, teléfonos, enrutadores, STB (set-top-boxes) caja decodificadora, etc. Si se desea realizar una transición gradual por parte de la operadora antes de llevar fibra hasta el hogar, GPON sigue siendo la solución tecnológica ideal. De este modo, se consiguen superar las velocidades de ADSL/ADSL2/ADSL2+, sin necesidad de tender fibra óptica dentro del edifico y las casas de los abonados. GPON es una tecnología que permite una convergencia total de todos los servicios de telecomunicaciones sobre una única infraestructura de red basada en IP lo que como ya se mencionó antes permite una notable reducción de costes en los operadores, debido a que no tienen que instalar y mantener redes paralelas para cada servicio, lo cual podrá ser trasladado a medio plazo en tarifas más baratas a los abonados por servicios mucho más potentes.
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Multiplexor localizado en la central telefónica que proporciona a los abonados acceso a los servicios DSL sobre cable de par trenzado de cobre. Este dispositivo separa la voz y los datos de las líneas de abonado.
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2.4.6 Seguridad. 2.4.6.1 FEC F orward E rr or Correction Es un sistema de control de errores para la transmisión de datos, mediante el cual el emisor añade datos redundantes a sus mensajes, generalmente conocido como código de corrección de errores. Permite al receptor detectar y corregir errores sin necesidad de pedir al emisor datos adicionales, de manera particular la información de FEC suele ser añadida a la mayoría de los dispositivos de almacenamiento masivo para proteger contra daños a los datos almacenados. El FEC se logra mediante la adición de redundancia a la información transmitida utilizando un algoritmo predeterminado. Cada dato redundante, se obtiene de una función compleja de muchos bits de la información original. La información original puede o no aparecer en la codificación de salida. Los dispositivos FEC generalmente están situados en la primera etapa de procesamiento digital después de que señal ha sido recibida. Los circuitos FEC son una parte integrante del proceso de conversión analógicadigital, tienen una
participación importante los procesos de modulación digital y
demodulación. Muchos codificadores FEC pueden generar la tasa de error BER (Bit Error Rate) de señales que pueden ser utilizados como retroalimentación para afinar la recepción. Muchos algoritmos de detección de FEC, como el algoritmo de Viterbi suave, pueden tener datos analógicos, digitales y generar datos sobre la producción. Para el tema de este documento, la aplicación del FEC codificador es equivalente funcional al modelo IIR que se describe a continuación. En el modelo IIR Infinite ( Input Response), todos los multiplicadores y sumadores son operaciones en GF (Galoi Field ) (256) dando como resultado un polinomio de la forma: Los datos de entrada son símbolos de la carga útil cuyo valor viene dado en bytes, los valores iniciales para los registros P0-P15 (registros de la trama FEC) son 0x00. Los datos
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de entrada son transmitidos a la línea, luego del último bit, se transmite la paridad en octetos en los registros P0-P15.
2.4.6.2 AES Advanced En cryption Standard
Advanced Encryption Standard (AES), conocido también como Rijndael21, es un bloque de cifrado adoptado como un estándar por el gobierno de los EE.UU, ampliamente analizado y que en la actualidad se lo utiliza en todo el mundo. AES no es precisamente Rijndael aunque en la práctica se la asocia de manera similar. El método AES tiene un tamaño de bloque fijo de 128 bits y un tamaño de clave de 128, 192, o 256 bits. Dado que en la computación 1 byte equivale a 8 bits, el tamaño de bloque fijo de 128 bits es normalmente 128 / 8 = 16 bytes. El sistema AES opera en una matriz de 4 × 4 bytes, denominada matriz de estados o state, la mayoría de cálculos AES se realizan en un campo finito (matemática de números finitos). El cifrado AES se especifica en términos de repeticiones de los pasos de procesamiento que se aplican para compensar las rondas en función de las transformaciones entre la entrada de texto y el resultado final del cifrado. Una serie de rutinas se aplican para transformar el sistema de cifrado de texto final al original, utilizando la misma clave de cifrado. Para el cifrado, cada rutina o ronda de la aplicación del algoritmo AES (excepto la última) consiste en cuatro pasos: 1. SubBytes. En este paso se realiza una sustitución no lineal donde cada byte es reemplazado con otro de acuerdo a una tabla de búsqueda. 2. ShiftRows. En este paso se realiza una transposición donde cada fila del estado es rotada de manera cíclica un número determinado de veces.
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Rijndael, ( John Daemen, Vincent Rijmen) Esquema de cifrado por bloques.
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