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Tema 5 Tendencias de Internet en el nivel físico

Tema 5 Tendencias de Internet en el nivel físico. Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia rogelio.montanana@uv.es http://www.uv.es/~montanan/. Sumario. SONET/SDH POS (Packet Over SONET) WDM (Wavelength Division Multiplexing) Redes ópticas

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Tema 5 Tendencias de Internet en el nivel físico

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Presentation Transcript

  1. Tema 5Tendencias de Internet en el nivel físico Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia rogelio.montanana@uv.es http://www.uv.es/~montanan/

  2. Sumario • SONET/SDH • POS (Packet Over SONET) • WDM (Wavelength Division Multiplexing) • Redes ópticas • Redes avanzadas actuales

  3. Estructura jerárquica del sistema telefónico de AT&T 4 3 5 2 1 6 10 centrales regionales (completamente interconectadas) 10 7 9 8 3 67 centrales seccionales 1 66 2 65 67 230 centrales primarias 1 3 228 229 230 2 1 1.300 centrales de facturación 1300 1 2 3 1298 1299 19.000 centrales finales 1 2 4 3 5 200 millones de teléfonos

  4. Niveles en jerarquía PDH(*) (caudales en Mb/s) (*) PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy Los valores en negrita son los utilizados habitualmente para datos

  5. Los cinco problemas de PDH • Incompatibilidad intercontinental • No pensada para fibra óptica (diseñada en los 60) • Capacidades máximas bajas: Japón 98 Mb/s, Norteamérica 274 Mb/s, Resto mundo 139 Mb/s • Carece de herramientas de gestión ni posibilidad de tolerancia a fallos • El uso de bits de relleno impide el multiplexado entre niveles no contiguos

  6. Las seis soluciones de SONET/SDH • El sistema americano (SONET) no es idéntico al internacional (SDH) pero ambos son compatibles • Define interfaces de fibra óptica • La capacidad llega (de momento) a 10 Gb/s • Dispone de herramientas de gestión y tolerancia a fallos (recupera averías en 50 ms) • Utiliza punteros; permite el multiplexado entre niveles no contiguos • Permite seguir utilizando PDH en enlaces de menor capacidad

  7. Velocidades de SONET (ANSI) • En 1987 los laboratorios de investigación de la Bell propusieron un nuevo sistema de multiplexado denominado SONET (Synchronous Optical NETwork) para sustituir a PDH, con una velocidad base de 51,84 Mb/s: Puede transportar un T3 (44,736 Mb/s) STS: Synchronous Transfer Signal OC: Optical Carrier

  8. Multiplexación SONET T1 T1 . . Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico STS-1 STS-3 T1 STS-1 STS-3 OC-12 STS-12 T3 STS-3 STS-1 STS-3 Multiplexor 3:1 Multiplexor 4:1 Tramas PDH (ANSI) Tramas SONET

  9. Velocidades de SDH (ITU-T) • La velocidad base de SONET no acoplaba bien con el PDH de la ITU-T, por lo que ésta desarrolló otro sistema parecido denominado SDH (Synchronous Digital Hierarchy), con una velocidad base de 155,52 (igual que STS-3): Puede transportar un E4 (139,264 Mb/s) STM: Synchronous Transfer Module

  10. Multiplexación SDH E3 E1 . . Codificador (scrambler) Conversor electro-óptico STM-1 E1 STM-4 E3 STM-1 STM-4 OC-48c STM-16 E3 STM-4 STM-1 E3 STM-4 STM-1 Multiplexor 4:1 Multiplexor 4:1 Tramas PDH (ITU) Tramas SDH

  11. Router con interfaces SDH STM-1 (155 Mb/s) STM-4 (622 Mb/s)

  12. Elementos físicos de SONET/SDH • Una red SONET/SDH está formada por: • Repetidores • Multiplexores, llamados ADMs(Add-Drop Multiplexor). Permiten intercalar o extraer tramas (p. Ej. una STM-1 en una STM-4). Permiten crear anillos. • Digital Cross-Connect: actúan como los ADMs pero permiten interconexiones más complejas (con más de dos puertos). • A menudo se utilizan topologías de anillo para aumentar la fiabilidad.

  13. Configuración de las redes SONET/SDH • Según su topología las redes SONET/SDH pueden ser: • Punto a punto: todos los circuitos empiezan y terminan en el mismo equipo. • Punto a multipunto: los circuitos empiezan o terminan en equipos diferentes. • Anillos: permiten disponer de un camino redundante a un costo mínimo. • Redes malladas: generalmente se constituyen a partir de anillos interconectados.

  14. Topologías SONET/SDH Punto a punto: A B C D A B C D REP Punto a multipunto: X Y Z A B C E A B C D REP D E STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) ADM: Add-Drop Multiplexor REP: Repetidor Los enlaces SONET/SDH siempre son full dúplex

  15. Enlaces en una red SONET/SDH • Sección: unión directa entre dos equipos cualesquiera • Línea: unión entre dos ADMs contiguos • Ruta: unión entre dos equipos finales (principio-fin de un circuito) Multiplexor Destino Multiplexor Origen Multiplexor Intermedio Repetidor X Y Z A B C E A B C D REP D E Sección Sección Sección Línea Línea Ruta (A, B y C) Ruta (D) Ruta (E) ADM: Add-Drop Multiplexor

  16. Arquitectura de SONET/SDH • SONET/SDH divide la capa física en cuatro subcapas: • Fotónica: transmisión de la señal y las fibras • De sección: interconexión de equipos contiguos • De línea: multiplexación/desmultiplexacion de circuitosentre dos ADMs • De rutas: problemas relacionados con la comunicación extremo a extremo De Ruta De Línea De sección Fotónica ADM Destino ADM Origen Repetidor ADM Intermedio Sección Sección Sección Línea Línea Ruta

  17. C A B Topología lógica Anillo SONET/SDH A B C Y X C Z A W STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) B

  18. A B C Ocupación: 3 * STM-1 = 466,56 Mb/s Sobran 155,52 Mb/s (un STM-1) A C B Funcionamiento de un anillo SONET/SDH usando solo una fibra Y Z X W STM-1 (155,52 Mb/s) Con una sola fibra en el anillo se tiene comunicación full dúplex

  19. Tráfico de usuario Reserva ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM Recuperación de averías en anillos SDH Avería Funcionamiento normal Tráfico de usuario Tráfico de usuario Corte en la fibra Los ADMs realizan un bucle y cierran el anillo en 50 ms

  20. Bastidor de un ADM STM-4 (622 Mb/s) Entrada de fibras monomodo Electrónica redundante Fuentes de Alimentación (redundantes) Baterías 48 V

  21. Detalle de la electrónica de un ADM STM-1 Rx Anillo principal Tx Rx Anillo de respaldo Tx Tarjeta STM-1 primaria Tarjeta STM-1 de reserva

  22. Uso de Digital Cross Connect E F A C B C A, B, C, D A, B, E, F E D Digital Cross-Connect STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) D B A F A y B ocupan capacidad en ambos anillos Los dos anillos están saturados

  23. Estructura de trama SONET STS-1 (OC-1) 1 c. 3 col. 86 columnas 9 filas Overhead ruta Caudal: 90 x 9 = 810 Bytes = 6480 bits 8000 tramas por segundo (una cada 125 s): 6480 bits/tr x 8000 tr/s = 51.840.000 bits/s El overhead permite la gestión de la red

  24. Trama SONET STS-3 (OC-3) Formada por tres tramas STS-1 (como tres vagones): 1 3 86 col. 1 3 86 col. 1 3 86 col. 9 filas Tamaño: 90 x 9 x 3= 2430 Bytes = 19440 bits Caudal: 19440 x 8000 = 155,520.000 bits/s Carga útil: 86 x 9 x 3 = 2322 Bytes = 18576 bits Caudal útil: 18576 x 8000 = 148,608 Mb/s

  25. Trama SDH STM-1 Como la STS-3 pero la información de ruta sólo aparece en la primera (como tres vagones ‘enganchados’): 1 3 86 col. 3 87 col. 3 87 col. 9 filas Carga útil: 86+87+87 = 260 x 9 = 2340 Bytes = 18720 bits Caudal útil: 18720 x 8000 = 149,76 Mb/s En SONET se ha definido la trama STS-3c (OC-3c) que es igual a la STM-1 (c = ‘catenated’). También hay STS-12c, STS-48c, etc.

  26. B A C D Ejemplo de uso de SONET/SDH Se quiere interconectar cuatro routers con una topología de anillo: Enlace OC-3c full dúplex (155 Mb/s)

  27. B C A D Solución ATM Enlaces constituidos a través de anillos SONET/SDH Los datagramas se envían por los PVCs mediante Classical IP over ATM Red ATM OC-3c f.d. PVC ATM

  28. B A C D Visión física de la red OSPF PNNI Y Anillo saturado OSPF OC-12c (622 Mb/s) OSPF PNNI PNNI Z X OC-3c f.d. OC-12c usuario OSPF OC-12c reserva PNNI W

  29. Overhead de ATM/AAL5 sobre SONET/SDH *Calculado para datagramas de 540 bytes (valor medio en Internet)

  30. Overhead de ATM • El uso de ATM/AAL5 introduce un overhead medio del 15% • 6% mas si hay control de flujo (ABR). • El protocolo de señalización y de routing añaden más overhead • Además del overhead está el costo del equipamiento ATM • A velocidades muy elevadas (10 Gb/s) el uso de ATM no es viable, por el costo de las labores de segmentación y reensamblado

  31. ‘En sus inicios las redes IP fueron guiadas por un conjunto reducido de individuos competentes […]. Por el contrario, los estándares ATM están siendo definidos en el Fórum ATM por un gran número de empresas con intereses mutuamente incompatibles, no todas las cuales tienen experiencia en construir y operar redes ATM’. S. Keshav: An Engineering Approach to Computer Networking, 1997

  32. La Internet global, que se basa en IP, representa una vasta y siempre creciente infraestructura no ATM. Para introducirse en este mercado, y proteger la inversión en tecnología Internet, las redes ATM deben interoperar con redes IP. Desgraciadamente, esa interoperabilidad es problemática porque las redes ATM e IP tienen filosofías de diseño fundamentalmente distintas. [...] A la vista de estas diferencias crear una red integrada IP/ATM puede ser un ejercicio frustrante. Aun así, si las redes ATM van a ser utilizadas por la siempre creciente población de usuarios IP, deben acomodar los deseos de estos usuarios. Esto es un reto para los diseñadores de los protocolos ATM. S. Keshav: 'An Engineering Approach to Computer Networking‘, 1997

  33. Sumario • SONET/SDH • POS (Packet Over SONET) • WDM (Wavelength Division Multiplexing) • Redes ópticas • Redes avanzadas actuales

  34. POS (Packet Over SONET, o PPP Over SONET) • Usando PPP (Point to Point Protocol) el overhead se reduce al 3% (campos de control, CRC y relleno de bits) • Además de mejorar el rendimiento se reduce equipamiento y por tanto costos • PPP over SONET/SDH está estandarizado en el RFC 2615 (6/99) y el RFC 1619 (5/1994) ya obsoleto • Actualmente POS es de uso habitual en redes SONET/SDH de grandes ISPs (solo tráfico IP)

  35. 79% Capacidad enlace físico 92% ATM/AAL5 POS Capacidad disponible para el usuario IP AAL5 IP ATM POS SONET/SDH SONET/SDH ATM/AAL5vs POS

  36. Rendimiento de POS vs ATM/AAL5 Caudal (Mb/s) (enlace OC-3c) 160 140 120 100 POS CRC16 80 POS CRC32 60 ATM/AAL5 40 20 0 46 110 238 494 1006 1500 2030 4334 4470 Tamaño de datagrama (bytes)

  37. B C A D Ejemplo: Conexión de routers con POS OSPF • Comparado con ATM: • Mayor rendimiento • Menor costo • Mayor sencillez En la red SONET/SDH se configuran cuatro circuitos OC-3: A-B, B-C, C-D, D-A OSPF OSPF OC-3c f.d. OC-12c usuario OSPF OC-12c reserva

  38. B   C A   D Ejemplo: Conexión de routers con POS OSPF Circuitos: A-B:  B-C:  C-D:  D-A:  OSPF OSPF OC-3c f.d. OC-12c usuario OC-12c reserva OSPF

  39. POS (Packet Over SONET) • Al suprimir la capa ATM se pierde capacidad de gestión y multiplexación. No se pueden definir circuitos virtuales sobre los enlaces. • En POS la multiplexación ha de hacerse con circuitos SONET/SDH. Ej.; un enlace STM-4 se puede dividir en cuatro STM-1, tres para IP y uno para ATM. • Interesa usar POS cuando: • Todo el tráfico es IP, o • La mayor parte del tráfico es IP y el que no lo es se puede encapsular en IP (Ej.: VoIP).

  40. Uso de ATM para multiplexar datos, voz y vídeo Circuito OC-3c entre conmutadores ATM Tres PVCs ATM: router-router, vídeo-vídeo y centralita-centralita OC-3c f.d. OC-12c usuario (25% utilizado) OC-12c reserva Circuito virtual (ATM)

  41. Combinación de POS (IP) y ATM (voz y vídeo) Dos circuitos OC-3: uno para routers y uno para conmutadores ATM Dos PVCs ATM: vídeo-vídeo y centralita-centralita OC-3c f.d. OC-12c usuario (50% utilizado) OC-12c reserva Circuito virtual (ATM)

  42. HFC HFC HFC Ejemplo de IP y voz sin ATM: Red CATV Cabecera regional Cabeceras locales Servidor proxy Internet Anillo con 3 * OC-3c y 3 * E3 (saturado) Red telefónica E3 f.d. OC-3c f.d. OC-12c usuario OC-12c reserva

  43. Inconvenientes de SONET/SDH • SONET/SDH se diseñó pensando en telefonía, donde la fiabilidad era fundamental. Sin embargo para datos SONET/SDH presenta varios inconvenientes: • La comunicación no siempre va por el camino más corto • Hay un reparto estático de la capacidad entre circuitos • La fibra de reserva no se utiliza, pero ha de estar preparada con todo su equipamiento (optoelectrónica) por si falla la otra • La fiabilidad que incorpora el protocolo de routing (OSPF por ejemplo) es innecesaria al estar presentes las funciones de redundancia de SONET/SDH • Solución: prescindir del equipamiento SONET/SDH.

  44. B C A D Conexión directa de routers (sin SONET) Se suprime el equipamiento SDH (menor costo) pero se mantiene la estructura de trama Cada router dispone de un enlace f. d. con sus vecinos OSPF OSPF OSPF El tráfico discurre por el camino más corto (OSPF) OSPF consigue redundancia (recupera en 6-10 segundos) OSPF Los enlaces OC-3c se podrían sustituir por OC-12c o Gigabit Ethernet La capacidad disponible se reparte dinámicamente en toda la red OC-3c

  45. IP sin SONET/SDH • La fiabilidad la da el protocolo de routing (OSPF por ejemplo). No hay recursos de reserva sin utilizar. • El protocolo de routing elige siempre el camino más corto • Se tiene mayor rendimiento (OC-12c) y menor costo (se suprime el equipamiento SONET/SDH) • Aunque no hay ADMs se sigue utilizando la estructura de trama SONET/SDH • También se puede utilizar Gigabit Ethernet (o 10 Gb Ethernet). Ofrece mayor velocidad y resulta aún más barato • Problema: no se puede usar la red para otro tráfico (telefonía, por ejemplo)

  46. Interfaz POS de un router Emisor láser refrigerado Velocidad: 10 Gb/s (OC-192c)

  47. 10 Gbps Ethernet • Creado grupo de trabajo 802.3ae en enero del 2000 • Estandarizado en julio 2002 • Nivel físico basado en OC-192 (9,95 Gbps) • Misma estructura de trama que Ethernet. Mismos tamaños máximo y mínimo. • Solo funcionamiento Full Duplex. • Utilización de fibra MM mejorada (nuevos estándares en discusión) • Mas información en www.10gigabit-ethernet.com

  48. Aplicaciones de 10 Gb Ethernet • Backbone de grandes redes locales • Conexión de servidores de altas prestaciones • Posible alternativa a ATM y SDH en WAN (contempla grandes distancias) • Redes metropolitanas sobre fibra oscura o WDM (Wavelength Division Multiplexing) • Soporte de todo tipo de servicios, incluído voz y vídeo.

  49. Medios físicos en 10Gbps Ethernet VCSEL: FP: DFB: Vertical cavity Surface Emitting Laser Fabry Perot Distributed Feedback

  50. Interfaz 10 GB Ethernet (802.3ae) de un switch LAN

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