Redes Ópticas: Arquitetura, Dispositivos e Topologia

Introdução

As redes de telecomunicações atuais estão experimentando um aumento crescente na demanda por capacidade, originada principalmente pelo sucesso da Internet. Para suportar essa demanda, as redes de transporte estão sendo migradas para redes ópticas, pois estas podem prover essa demanda. Este artigo é um tutorial sobre redes ópticas e aborda as diversas possibilidades na criação dessas redes.

WDM

Na evolução das redes ópticas, a tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) fez avanços ao proporcionar a multiplexação por comprimento de onda, o que permite aumentar consideravelmente a capacidade de transmissão da fibra. Portanto, todo esse trabalho é baseado nessa tecnologia.

O WDM é a tecnologia que permite a transmissão de diversos sinais simultaneamente através da fibra óptica, enviando cada um desses sinais em um comprimento de onda distinto, ou seja, realizando a multiplexação por comprimento de onda [1].

O WDM possuem algumas variações, entre elas o DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) e o CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing). A diferença entre eles é na distância, em comprimentos de ondas, de cada canal. Enquanto que no primeiro essa distância é muito pequena, no último essa distância é maior. Numa mesma fibra pode-se utilizar essas 2 tecnologias.

Existem diversas formas de montar uma rede óptica usando WDM.

Topologia de redes ópticas

Quanto a topologia das redes ópticas, elas podem ser de broadcast e seleção, em anel ou em malha.

Redes de Broadcast e seleção

Nessa rede, todos os usuários (nós) da rede estão conectados através de uma estrela central. Cada nó possui um transmissor óptico fixo ou ajustável e um ou mais receptores fixos ou sintonizáveis. Todos os nós transmitem simultaneamente utilizando um comprimento de onda distinto e cada nó ajusta o receptor para aquele comprimento de onda que deseja receber. É um sistema equivalente ao sistema de rádio. [2]

Esse sistema possui diversas desvantagens, entre elas:

1) Baixa imunidade a falhas: Se a estrela central falhar, a comunicação entre todos os nós é perdida;

2) Difícil expansão: O número de comprimentos de onda é limitado.

Redes em anel

Nas redes em anel, o nó 1 está ligado ao nó 2, o nó 2 ao nó 3 e assim sucessivamente até o nó n. O nó n está ligado ao nó 1. A Fig. 1 ilustra essa rede.

As redes em anel possuem facilidades de gerenciamento, além de possuir alta imunidade a falhas, pois além da possibilidade de utilização de anéis de backup, caso a fibra rompa em algum ponto, a informação ainda pode trafegar na direção contrária.

Como a informação que cada nó transmite é repassada para todos os outros nós, a reutilização de comprimentos de onda não é possível nessa rede, a não ser que seja utilizada diversas fibras na conexão entre os nós. A informação é inserida/retirada na rede pelos nós através de dispositivos ópticos conhecidos como Wavelength Add/Drop Multiplexer (WADM).

Fig 1. Rede em anel

Redes em malha

Nas redes em malha, todos os nós estão conectados. No entanto, a conexão entre eles é aleatória, como mostra a Fig 2.

A rede óptica em malha permite a reutilização de comprimentos de onda na rede. Para isso, antes de iniciar a transferência de informações de um nó para outro, uma rota é estabelecida entre eles. Fora dessa rota, os comprimentos de onda utilizados podem ser reaproveitados, aumentando consideravelmente a quantidade de usuários possíveis quando comparada com a rede em anel.

Essa rede permite realizar o roteamento através do comprimento de onda. Nesse caso, a mensagem que um nó envia para outro é encaminhada usando uma rota contínua (lighpath) sem conversão óptico-elétrico-óptico (OEO). Nos nós intermediários são utilizados cross-connect ópticos (OXC), que podem fazer a conversão de comprimento de ondas e a transferência do sinal entre fibras.

Devido às inúmeras vantagens da rede em malha, esta topologia será considerada no restante do trabalho.

Fig 2. Rede em malha

Arquitetura

O grande aumento na demanda de tráfego causado principalmente pela Internet gerou uma necessidade na indústria de migrar as redes de telecomunicações otimizadas para voz para redes centradas em IP [3]. Dessa forma, a tendência é de que o tráfego nas redes ópticas seja principalmente de datagramas IP e o problema passa a ser em como inserir tráfego IP em redes ópticas, utilizando a tecnologia DWDM.

A idéia é inserir IP sobre DWDM. Esse termo refere-se à interconexão dos roteadores IP e dispositivos DWDM, e não a um mapeamento direto do protocolo IP sobre DWDM [4]. Para realizar o IP sobre DWDM é necessário uma camada de adaptação – Fig 3. Essa camada pode ser ATM/SDH, SDH usando protocolo PPP/HDLC, GMPLS entre outros [4]. No entanto, o modelo mais eficiente é através de GMPLS, pois diminui custos de gerenciamento, oferece maior flexibilidade, melhor capacidade de engenharia de tráfego etc.

Fig 3. IP sobre DWDM

O protocolo GMPLS é utilizado para criar e gerenciar caminhos entre o nó origem e o nó destino dentro da rede óptica. Quanto a forma de comutação dos dados dentro da rede óptica, elas podem ser de 3 tipos: redes de comutação de lambda, redes de comutação de pacotes ópticos (OPS – Optical Packet Switching) e redes de comutação de rajadas ópticas (OBS – Optical Burst Switching).

Redes de comutação de lambda

Nesse caso, a rede permite aos seus usuários se comunicarem entre si por meio de caminhos de luz (lightpaths) comutados e estabelecidos dinamicamente. Os usuários dessa rede podem ser roteadores IP, redes SDH etc – Fig 4.

Fig 4. Modelo da rede

A comutação de lambda é o equivalente óptico da comutação de circuito eletrônica. Um roteador de borda faz uma requisição para a rede óptica. Através do protocolo GMPLS, são criados caminhos de luz passando por vários cross-connects. O controle da comutação é realizado fora da banda. Todo o controle de criação e gerenciamento dos caminhos de luz é feito pelo GMPLS.

Uma vez que o caminho é definido, os dados são enviados no domínio óptico, não havendo a necessidade de interpretar um bit sequer [4-5]. Dessa forma, não há necessidade de armazenamento temporário durante o percurso.

A principal desvantagem da rede comutada por lambda é a baixa utilização do canal, uma vez que os recursos ficarão dedicados a uma conexão mesmo quando não está havendo transmissão de dados [5].

Redes de comutação de pacotes ópticos

A comutação de pacotes ópticos é o equivalente óptico da comutação de pacotes. Em cada switch, o cabeçalho é processado para tomar as decisões de comutação – Fig. 5. O processamento do cabeçalho é feito eletronicamente e, durante esse período, há necessidade de realizar o armazenamento temporário da carga útil do pacote.

A questão do armazenamento temporário ainda é problemática. Uma das alternativas é fazer a conversão da carga útil do pacote para o domínio eletrônico. No entanto, isso trás diversas desvantagens, como o atraso e a dependência de esquemas de modulação. A alternativa óptica para realizar o armazenamento temporário do pacote é através de fibras de retardo (FDL – Fibre Delay Line). O problema dessa fibra é que ela não permite o acesso randômico dentro que está armazenado, além de possuir alto custo de fabricação entre outros [6].

Fig 5. Comutação de pacotes ópticos

Redes de comutação de rajadas ópticas

A comutação por rajadas ópticas, diferentemente da comutação por lambda, aloca os canais dinamicamente, de acordo com a demanda de tráfego. O processo de reserva do canal é rápido, simples e feito sem confirmação, através do envio de um pacote de controle de rajada (BCP – Burst Control Packet), o qual é processado eletronicamente por todos os nós intermediários e, em geral, transita fora da banda, em um canal de sinalização separado. A rajada de dados é mantida no domínio óptico ao longo dos nós intermediários e é enviada após o envio do BCP sem esperar por qualquer tipo de confirmação no estabelecimento da conexão ou da reserva dos recursos. Caso o canal não esteja estabelecido, a rajada é descartada. No caso do canal ter sido estabelecido com sucesso, o canal é liberado depois da rajada ter sido completamente enviada [4].

Fig 6. Comutação de rajadas ópticas

Existe a possibilidade de transmissões confiáveis através do processo de confirmação negativa, ou seja, uma solicitação de retransmissão é enviada de volta sempre que uma rajada não é recebida. No entanto, isso só pode ser utilizado se não estiver trabalhando com protocolos de camadas superiores que já façam isso, como o TCP.

No caso da comutação por rajadas ópticas, não há necessidade de armazenamento temporário. O roteador de borda armazena a rajada enquanto o canal é estabelecido. Uma vez estabelecido o canal, o funcionamento é semelhante a comutação por lambda.

A forma como o canal é estabelecido dá origem a diversas abordagens de comutação por rajadas: TAG (Tell And Go), IBT (In Band Terminator) e RFD (Reserve a Fixed Duration).

1) TAG: Nessa abordagem o pacote de controle de rajadas (BCP) é enviado por um canal de controle separado. Esse pacote faz a reserva de recursos e estabelece o canal. Logo após o envio do BCP, os dados são enviados sem recebimento de confirmação. Caso o canal não esteja completamente estabelecido, a rajada é descartada. Após o envio da rajada, um outro BCP é enviado liberando os recursos.

2) IBT: Essa abordagem possibilita o envio do pacote de controle juntamente com a rajada, na forma de um cabeçalho. Cada rajada contém um delimitador especial para indicar o fim da rajada. Isso faz com que o IBT seja bastante parecido com a comutação por pacotes, havendo inclusive necessidade de armazenamento temporário.

3) RFD: Nessa abordagem um pacote de controle de rajada é enviado solicitando o estabelecimento do canal. O BCP trafega por um canal separado e envia informações de quando a rajada será enviada e por quanto tempo será necessário o armazenamento do canal. Dessa forma, os elementos de rede podem alocar os recursos de forma mais inteligente entre os vários usuários. Após o envio do BCP, o roteador de borda espera por um certo período e envia a rajada, não sendo necessário armazenamento durante o percurso. Esta abordagem vem sendo considerada a mais atraente [4].

Dispositivos utilizados nas redes ópticas

Para a implementação das redes ópticas é necessário o uso de FDL, WADM e OXC.

FDL

FDLs possibilitam a implementação de memórias para armazenamento sem que aja necessidade de conversão OE dos dados. FDLs são fibras de dezenas ou centenas de kilometros. Para armazenar os dados, o elemento de rede insere os sinais na fibra. Por ser uma fibra, é necessário retirar o sinal na mesma ordem que foi inserido, o que é um problema para redes de comutação de pacotes.

WADM

WADM permitem adicionar ou remover um único comprimento de onda dentro da fibra, sem interferir nos outros sinais que já se encontram nela.

Esses multiplexadores podem ser implementados com circuladores e FBG (in-Fibre Bragg Grating). O FBG é um pedaço de fibra de poucos centímetros. É construída uma grade dentro da fibra variando o índice de refração – Fig 7. Quando a luz entra na fibra, um determinado comprimento de onda é refletido por conta da diferença do índice de refração na fibra. Os outros comprimentos de onda passam por ela.

Fig 7. FBG

É possível construir um WADM inserindo um FBG entre dois circuladores – Fig 8. A luz é inserida em um circulador. Na primeira porta de saída do circulador está o FBG e toda a luz entra nessa fibra. O comprimento de onda selecionado no FBG é refletido e retorna para o circulador, sendo retirado pela porta drop. Os outros comprimentos de onda que passam pelo FBG chegam no segundo circulador e o sinal é misturado com o sinal proveniente da porta Add [7].

Fig 8. WADM

OXC

Cross-connects são dispositivos ópticos que permitem o chaveamento da luz entre fibras e comprimentos de onda. Acopladores e conversores de comprimento de onda podem ser utilizados para a criação de OXC [7].

Um acoplador é feito colocando 2 fibras lado a lado, sem que haja contato. A medida que a luz viaja por uma fibra, ela é transferida aos poucos para a outra fibra. Quando a luz é inteiramente transferida para a segunda fibra, ela passa a ser transferida novamente aos poucos para a primeira fibra, oscilando entre as duas fibras.Se as fibras forem separadas quando a luz troca de fibra, consegue-se criar um comutador espacial – Fig 9.

Fig 9. Acopladores

Um OXC é um acoplador que permite a escolha se os sinais vão continuar na mesma fibra ou se vão comutar (trocar de fibra). Para isso, a fibra é construída com um material que muda o índice de refração quando é aplicado uma tensão. Escolhendo corretamente o material e seu tamanho, pode se obter um esquema onde há comutação quando não é aplicada tensão e não há comutação quando é aplicada – Fig 10.

Fig 10. OXC

Uma das alternativas para fazer a conversão de comprimento de onda é utilizando meios não lineares e filtros passa faixa. Quando um sinal está viajando em um meio não linear, há interferências entre os comprimentos de onda originais, “criando” sinais em outros comprimentos de onda, como ilustra a Fig 11.

Fig 11. Interferência em meios não lineares

Utilizando um filtro passa-faixa logo após o meio não-linear, é possível selecionar apenas o novo comprimento de onda, realizando a transferência de um comprimento de onda para outro – Fig 12.

Fig 12. Conversão de comprimento de onda

Observações finais

Esse tutorial mostrou as diversas possibilidades de implementações de redes ópticas. Atualmente redes em malha de comutação de lambda já se encontram implementadas. No entanto, observa-se uma tendência de que, no futuro, essas redes sejam migradas para redes de comutação de rajadas ópticas.

Referências

[1] Michael Bass, Eric W. Van Stryland, “Fiber Optics Handbook – Fiber, Devices and Systems for Optical Communications”, McGraw-Hill Telecom, 2002.
[2] Regina Melo Silveira, Stephan Kovach, Tereza Cristina Melo de Brito Carvalho e Wilson V. Ruggiero, “Arquitetura, Topologia e Roteamento em Redes Ópticas”, XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores.
[3] Mike J. O’Mahony, Dimitra Simeonidou, David K. Hunter and Anna Tzanakaki, “The Application of Optical Packet Switching in Future Communication Networks”, IEEE Communications Magazine, March 2001.
[4] Antônio Jorge Gomes Abelém, “Difusão Seletiva em Inter-Redes IP Baseadas em Redes Ópticas”, Tese de Doutorado, PUC-Rio.
[5] Rafael Pereira Esteves, Fernando Nazareno Nascimento Farias, Decíola Fernandes de Souza e Antônio Jorge Gomes Abelém, “Qualidade de Serviço Absoluta em Redes OBS baseadas no GMPLS”, 25º Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos.
[6] Paul Green, “Progress in Optical Networking”, IEEE Communications Magazine, January 2001.
[7] Harry J. R. Dutton, “Understanding Optical Communications”, IBM, 1998.

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5 Respostas to “Redes Ópticas: Arquitetura, Dispositivos e Topologia”

  1. leticia Says:

    eu achei bem detalhado…
    esclareceu muita coisa…
    estou fazendo um trabalho sobre redes opticas e esse site ciu como uma luva!!!

  2. Fernando N. Nascimento Farias Says:

    Ei velho, conserta meu nome nas tuas referencias🙂. E referencia as figuras tb hehehe. Gostei do artigo. parabéns

  3. demoniodemaxwell Says:

    Fernando, desculpe o erro. Já foi corrigido.

    Obrigado.

  4. Aprenda a escolher a topologia mais indicada para redes ópticas Says:

    […] Fontes para esse texto: Infoescola, Teleco e Demônio de Maxwell […]

  5. Aprenda a escolher a topologia mais indicada para redes ópticas Says:

    […] para esse texto: Infoescola, Teleco e Demônio de Maxwell […]

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