El propósito de esta tesina, es tratar el método de multiplexación por división de ancho de banda denso (dwdm) a un nivel detallado, con un enfoque no






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DWDM



DWDM

Eruvey

Francisco

Antonio

Mayo 2005


Objetivo:

El propósito de esta tesina, es tratar el método de multiplexación por división de ancho de banda denso (DWDM) a un nivel detallado, con un enfoque no comercial, con el fin de poner a disposición dicho material al alcance de los estudiantes que deseen conocer a cerca de dicha tecnología, que es de actualidad en el mercado de las redes hoy en día.

INTRODUCCIÓN


Para entender la importancia de DWDM y la implementación de una red óptica, estas capacidades se deben discutir en el contexto de los desafíos que las industrias de las telecomunicaciones enfrentan, y especialmente, los proveedores de servicios. La mayoría de las redes de Estados Unidos fueron construidas estimando el uso calculado del ancho de banda empleando cocientes de concentración derivados de fórmulas clásicas de ingeniería tales como Poisson y Reeling. Por lo tanto, los pronósticos de la cantidad de capacidad del ancho de banda necesario para las redes fueron calculados en la presunción que un individuo dado solamente utilizaría ancho de banda de la red seis minutos de cada hora. Estas fórmulas no consideraban factores como la cantidad de tráfico generado por el acceso a Internet (300 por ciento de crecimiento por año), los faxes, las líneas telefónicas múltiples, los módems, la tele-conferencia, y la transmisión de datos y video. Estos factores habían sido incluidos, con una estimación bastante diferente de la realidad. De hecho, mucha gente utiliza hoy el equivalente del ancho de banda equivalente a 180 minutos o más de cada hora.

Por lo tanto, se requiere una cantidad enorme de capacidad de la ancho de banda para proporcionar los servicios exigidos por los usuarios. Para tener una mejor perspectiva, en 1997, un carrier (portador) interurbano dio pasos grandes e importantes al aumentar sus capacidades de ancho de banda a 1.2 Gbps (mil millones de pedacitos por segundo) sobre un par de fibra. Es posible transmitir mil libros a la velocidad de transmisión de un Gbps. Al menos hoy, si un millón familias deciden desean ver vídeo en sitios de la red y muestrear los nuevas aplicaciones video emergentes, se requerirían índices de transmisión de red del orden de terabits (trillones de bits por segundo [Tbps). Con un índice de transmisión de un Tbps, es posible transmitir 20 millones de llamadas telefónicas simultáneas o transmitir el texto de los periódicos diarios equivalentes a 300 años por segundo.

La discusión siguiente proporciona un cierto fondo de porqué la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) es una innovación importante en redes ópticas y qué ventajas puede proporcionar. Efectuaremos una revision de alto nivel de los segmentos de la red global y de las fuerzas económicas que conducen la revolución en redes ópticas de la fibra. Tambien examinamos las diferencias entre la multiplexación por división de tiempo tradicional (TDM) y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Finalmente, exploramos las ventajas de esta nueva tecnología.

Fundamentos de multiplexación
Jerarquía de Red Global
Es la naturaleza de las redes de comunicaciones modernas a estar en un estado de constante evolución. Factores tales como nuevas aplicaciones, caracteres cambiantes de aplicación, y la redistribución del contenido hacen la definición de redes un trabajo en marcha. Sin embargo, podemos definir ampliamente las entidades más grandes que hacen crecer la red global basada en variables tales como tecnología del transporte, distancia, usos, etcétera. Una forma de describir la Metropolitan Area Network (MAN) sería decir que no es ni la trayectoria larga ni las piezas del acceso de la red, sino el área que esta entre esos dos (ver Figura 1-1).

Figura 1-1 Jerarquía de la Red Global

1-2

Redes de trayectoria-larga
Las redes de trayectoria larga están en el núcleo de las redes globales. Dominado por un grupo pequeño de proveedores transnacionales y globales, las redes de trayectoria larga conectan las MANs. Su aplicación es el transporte, así que su preocupación principal es la capacidad. En muchos casos estas redes, las cuáles se han basado tradicionalmente en la Red Óptica Síncrona (SONET) o en la tecnología de la Jerarquía Digital Síncrona (SDH), están experimentando el agotamiento de fibra como resultado de una alta demanda de ancho de banda.
Redes de Acceso
En el otro extremo del espectro están las redes de acceso. Estas redes son las más cercanas a los usuarios finales, en el borde de la MAN. Están caracterizadas por diversos protocolos e infraestructuras, y atraviesan un amplio espectro de tarifas. Los clientes se extienden de usuarios de Internet residencial a corporaciones e instituciones grandes. El predominio del trafico IP, con su inherente explosión, asimetría, y naturaleza impredecible, presenta muchos desafíos, especialmente con aplicaciones nuevas en tiempo real. Al mismo tiempo, estas redes son requeridas para continuar soportando el tráfico y los protocolos heredados, por ejemplo el sistema de conexión de la empresa IBM (ESCON).
Redes de Area Metropolitana
Entre estos dos dominios grandes y diferentes de red están las MANs. Estas redes canalizan tráfico dentro del dominio metropolitano (entre negocios, oficinas, y áreas metropolitanas) y entre las trayectorias largas de punto de presencia POPs (Points of Presence). Las MANs tienen muchas de las mismas características que tienen las redes de acceso, así como diversos protocolos de red y velocidades de canales. Así como las redes de acceso, las MANs han estado tradicionalmente basadas en SONET/SDH, usando topologías de punta a punta o de anillo con multiplexores add/drop (ADMs.)

La MAN esta en una unión crítica. Por un lado, debe resolver las necesidades creadas por la dinámica del siempre creciente ancho de banda disponible en redes de transporte de trayectorias amplias. Y por otro lado, debe tratar los requisitos de conectividad crecientes y tecnologías de acceso, que son resultado de altas velocidades y servicios de datos.
Comparación de las Redes Metropolitanas y las de trayectorias largas
Hay una tendencia natural por considerar la MAN simplemente como una versión reducida de la red de trayectoria-larga. Es verdad que las redes que sirven en el área metropolitana abarcan distancias más cortas que en las redes del transporte de trayectorias-largas. Sobre una prueba más cercana, sin embargo, estas diferencias son superficiales comparadas a otros factores. La forma de la red es más estable en trayectorias-largas, mientras que las topologías cambian con frecuencia en la MAN. Se deben soportar muchos más tipos de servicios y de tráfico en las MAN, desde voz tradicional y servicios de línea privada hasta las nuevas aplicaciones, incluyendo almacenaje de datos, aplicaciones distribuidas, y vídeo. Las trayectorias-largas, por el contrario, son como tuberías grandes.

Otra manera importante en la cual las redes metropolitanas difieren hoy de redes de trayectoria larga tronco-orientadas es que abarcan una colección de equipo de transmisión asíncrona y síncrona de velocidad de transmisión baja, lazos cortos, muestras pequeñas, y una variedad de usuarios con demandas variables de ancho de banda. Estas diferencias fundamentales entre los dos tipos de redes tienen implicaciones de gran alcance para los requisitos en el dominio metropolitano. Transparencia del protocolo y de la velocidad, escalabilidad, y el aprovisionamiento dinámico es por lo menos tan importante como la capacidad, el cual controla en el mercado de trayectoria-larga.
Demanda de Ancho de Banda

La explosión de la demanda de ancho de banda en la red es en gran parte debido al crecimiento en el tráfico de datos, específicamente en IP (Protocolo de Internet). Los proveedores de servicio líderes reportan duplicación de ancho de banda en sus backbones cada seis a nueve meses. Esto es en gran parte a la respuesta a el 300 por ciento de crecimiento por año en el trafico de Internet, mientras que el trafico tradicional de voz crece a una velocidad anual de solo 13 por ciento ( ver figura 1-2).
Figura 1-2 Trafico de Datos rebasando el Trafico de Voz
1-4

Al mismo tiempo que el volumen de tráfico de la red está aumentando, la naturaleza del tráfico por si mismo está llegando a ser más compleja. El tráfico continuó en el backbone se puede originar como un circuito basado en (voz y fax de TDM), paquete basado en (IP), o la célula basado en (ATM y Frame Relay). Además, hay una proporción creciente de datos sensibles retrasados, por ejemplo voz sobre IP y el vídeo.
En respuesta a este crecimiento explosivo en demanda de ancho de banda, a lo largo de la aparición del IP como el fundamento común para todos los servicios, los proveedores de servicios de trayectoria-larga se están moviendo lejos de los sistemas basados en TDM, los cuáles fueron optimizados para la voz pero ahora demuestran ser costosos e ineficientes. Mientras tanto, las redes metropolitanas también están experimentando el impacto de la creciente congestión, así como los requisitos que rápidamente cambian para un aprovisionamiento más simple y más rápido de lo que es posible con un equipo y tecnologías viejas. La importancia en el área metropolitana es el crecimiento en las redes de área de almacenamiento (SANs), discutido en "Redes de Área de Almacenaje " en la página 3-5.
Multiplexación por División de Tiempo
La Multiplexación por División de Tiempo (TDM) fue inventada como una manera de maximizar la cantidad de tráfico de la voz que se podría transportar en un medio. En la red telefónica antes de que fuera inventada la multiplexación, cada llamada telefónica requería su propio enlace físico. Esto demostró ser una solución costosa y no escalable. Usando la multiplexación, más de una llamada telefónica se podía poner en un solo enlace.

TDM se puede explicar con una analogía al tráfico de la carretera. Para transportar todo el tráfico de cuatro tributarias a otra ciudad, puede enviar todo el tráfico en un carril, providing the feeding tributaries are fairly serviced and the traffic is synchronized. Así pues, si cada uno de las cuatro alimentaciones pone un coche sobre la carretera cada cuatro segundos, entonces la carretera conseguiría un índice de un coche por cada segundo. Tan luego como la velocidad de todos los coches se sincronice, no habrá colisiones. En el destino los coches se pueden sacar de la carretera y alimentara a las tributarias locales mediante el mismo mecanismo síncrono, de reversa.
Éste es el principio usado en TDM síncrono al enviar bits sobre un enlace. TDM aumenta la capacidad del enlace de transmisión cortando tiempo en intervalos más pequeños para que los bits de multiples fuentes de entrada puedan transmitir en el enlace, eficazmente aumentando el número de bits transmitidos por segundo (ver Figura 1-4).

Figura 1-4 Concepto de TDM

Con TDM, las fuentes de entrada estan serviced in round-robin fashion. A pesar de la belleza, este metodo resulta ineficiente, porque cada time slot esta reservado hasta cuando no hay datos que transmitir. Este problema es mitigado por la multiplexación estadística usada en el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM). Aunque ATM ofrece mejor utilización del ancho de banda, existen limites practicos para la velocidad que pueden ser alcanzados debido a los requerimientos electronicos para la segmentación y reassembly (SAR) de celulas de ATM que transportan paquetes de datos.
SONET y TDM
La industria de las telecomunicaciones adopto la Red Sincrona Óptica (SONET) o el estándar de la Jerarquía Digital Sincrona (SDH) para transporte óptico de datos TDM. SONET, usado en Norte América y SDH, usado en los demás lugares, son dos estándares cercanamente relacionados que especifican los parámetros de las interfaces, velocidades, formatos de tramas, métodos de multiplexación, y control de sincronía TDM en la fibra.

SONET/SDH toma n bits corridos, los multiplexa, y modula la señal opticamente, mandándola afuera usando un equipo para emitir luz sobre una fibra con una tasa de transferencia de bits igual a (tasa entrante) x n. De esta manera el trafico entrante en el multiplexor SONET de cuatro lugares en 2.5Gbps saldrá como una sola salida de 4 x 2.5 Gbps, o 10 Gbps. Este principio esta ilustrado en la Figura 1-5, la cual muestra un incremento en la tasa de transferencia de bits por un factor de cuatro en el time slot T.
Figura 1-5 SONET TDM

La unidad original usada en la multiplexación de llamadas telefonicas es 64 kbps, la que representa una sola llamada telefónica. 24 (en Norte América) o 32 (Fuera de Norte América) de estas unidades son multiplexadas usando TDM dentro de una señal de transferencia de bits mas alta con una velocidad agregada de 1.544 Mbps o 2.048 Mbps para la transmisión de líneas T1 o E1. La jerarquía de multiplexión de llamadas telefónicas se muestra en la Tabla 1-1.
Tabla 1-1 Telco Multiplexing Hierarchy

Estos son los bloques construidos básicos usados por SONET/SDH para multiplexar dentro de una jerarquía estándar de velocidad, desde STS-1 a 51.85 Mbps hasta STS-192/STM-64 a 10 Gbps. La Tabla 1-2 muestra la relación entre telco signal rates y los niveles mas comúnmente usados de la jerarquía SONET/SDH (OC-768 no es común todavía).
Table 1-2 Jerarquía de Multiplexión SONET/SDH

La Figura 1-6 representa esta multiplexion y la jerarquía adicional. Usando un estándar llamado tributarias virtuales para mapear canales de baja velocidad dentro del payload de STS-1, las señales de 28 DS1 pueden ser mapeadas dentro del payload del STS-1. Notando que ATM y la capa 3 de trafico, usando paquetes sobre SONET (POS), puede alimentarse dentro de la terminal SONET de switches equipados con interfaces de SONET.

Figura 1-6 TDM y SONET Aggregation

SONET/SDH tiene algunas desventajas. Como con cualquier TDM, las nociones de prioridad o congestión no existen en SONET o SDH. Además, la jerarquía de multiplexión es rígida. Cuando se requiere mayor capacidad, debe darse un brinco al siguiente multiplo, probablemente resultando en un gasto por mayor capacidad de lo que inicialmente se necesito. Por ejemplo, el siguiente paso de incremento de 10 Gbps (STS-192)TDM es 40 Gbps (STS-768). Además, desde que la jerarquía se optimizo para trafico de voz, hay ineficiencias inherentes cuando transporta trafico de datos con tramas de SONET. Algunas de estas ineficiencias se muestran en la Tabla 1-3. DWDM, por el contrario, puede transportar cualquier protocolo, incluyendo SONET, sin una encapsulación especial.

Tabla 1-3 Ethernet en Ineficiencias de SONET
Para resumir la demanda situada en la infraestructura de transporte por las aplicaciones que necesitan mas ancho de banda y el crecimiento explosivo del Internet que ha excedido los limites del TDM tradicional. La Fibra, la cual pareciera ser de ancho de banda ilimitada, esta siendo agotada, y el gasto, la complejidad, y las limitaciones de escalabilidad de la infraestructura de SONET están llegando a ser crecientemente problemáticas.
Multiplexación por División de Longitud de Onda
WDM incremento la capacidad del medio físico (fibra) usando un metodo completamente diferente de TDM. WDM asigna las señales opticas entrantes a frecuencias especificas de luz (longitudes de onda o lambdas) dentro de una cierta banda de frecuencias. Esta multiplexaje se asemeja bastante a la manera de transmisión de estaciones de radio en diferentes longitudes de onda sin interferir con las demas (ver Figura 1-7). Debido a que cada canal es transmitido a una frecuencia diferente, podemos seleccionarlo usando un sintonizador. Otra forma para pensar en WDM es que cada canal es un color de luz diferente; entonces varios canales forman un arco iris.
Figure 1-7 Incrementando Capacidad con WDM
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