Fibra Optica-Conmutación

Fibra Monomodo

Este tipo de fibra tiene un diámetro de 5 a 10 micras. Tiene muy poca atenuación y por lo tanto se usan muy pocos repetidores para distancias largas. Por esta razón es muy usada para troncales con un ancho de banda aproximadamente de 100 GHz por kilometro (100 GHz-km). Una de las aplicaciones más común de las fibras monomodo es para troncales de larga distancia. Por su construcción, este haz de luz, no rebota en las paredes sino que viaja paralelo a la longitud del cable.

Una fibra óptica monomodo está diseñada para transportar una sola longitud de onda de luz en el núcleo de la fibra. Esto tiene la ventaja de no tener interferencias ni solapamientos con otras longitudes de onda.

El núcleo del cable monomodo tiene un núcleo de 8 – 10 micras. Ofrece una distancia mucho mayor que la fibra multimodo, unos 40 km o más sin distorsión de la señal.

Su ancho de banda es mucho mayor que la fibra multimodo siendo del rango de los GHz, normalmente 100GHz sobre 1 km de distancia.

El coste de fabricación de una fibra monomodo es superior al costo de fabricación de una fibra multimodo. El mayor costo es en el emisor de luz, ya que en fibras multimodo se utiliza un diodo tipo LED, que genera una luz difusa, y en fibras monomodo, se utilizan diodos laser, mucho más caros, pero de mayor potencia y direccionalidad.

CARACTERÍSTICAS

Dentro de su núcleo, la data viaja sin rebotar en sus paredes lo que permite mantener velocidades de transferencia más altas.
Este tipo de fibra es usado para cubrir grandes distancias.
Está construida con núcleos que pueden medir 9 micrómetros con un revestimiento de 125 micrómetros.
Hay dos tipos de cable monomodo:

OS1 monomodo: Puede ser usado en interiores y la distancia en la que puede ser desplegado es de máximo 2.000 metros.
OS2 monomodo: Está diseñado para todos los usos, haciéndolo más que adecuado para exteriores. La distancia en la que puede ser desplegado varía entre 5.000 a 10.000 metros. Esto permite desde 1 a 10 gigabits de Ethernet.

Los OS1 y OS2 son cables de larga distancia debido a su poca capacidad para doblarse.
La fibra monomodo es bastante útil para transmitir datos a larga distancia, por lo que es perfecta para campus universitarios y redes de cable por televisión.
Las instalaciones con monomodo es una parte vital de las redes banda ancha.

CONMUTACIÓN OPTICA

Si entendemos la conmutación como el proceso de direccionamiento y entrega de la información a través de una red, vimos en las etapas anteriores el aprovechamiento del canal electrónico mediante la conmutación en sus diferentes técnicas. Puesto que las líneas de transmisión ópticas son mucho más eficientes, también es importante ver la manera de usar estos canales de manera mucho más eficiente. Para esto existe la conmutación óptica. Y, de la misma forma como funciona en líneas electrónicas, en las redes ópticas existe la conmutación de paquetes y conmutación de circuitos.

El mayor progreso en el desarrollo y fabricación de conmutadores completamente ópticos se ha logrado en arquitecturas basadas en conmutación en el espacio, es decir, dispositivos con puertos de entrada, puertos de salida, guías de onda y fibras para la transmisión de la luz y un mecanismo de conmutación que permita cambiar la estructura del dispositivo. El mecanismo de conmutación se caracteriza por componerse materiales que ante la acción de una fuerza física externa este último cambia sus propiedades ópticas, en muchos casos el índice de refracción del material. Así estas tecnologías de conmutación pueden ser clasificadas en base al efecto físico que ocasiona cambios en el material.

Conmutación Óptica de Circuitos

En la conmutación óptica de circuitos (OCS por sus siglas en inglés), un circuito óptico se establece levantando un camino de luz (lightpath), en una longitud de onda determinada, entre dos nodos. En esta categoría se encuentra el enrutamiento por longitud de onda que no es otra cosa que enrutamiento según el color de la luz que lleva la señal.

Conmutación Óptica de Paquetes

La conmutación de paquetes hace referencia a una asignación dinámica de los recursos, en donde el tráfico de varias fuentes puede compartir un enlace en un momento determinado, es decir, un esquema de conmutación no orientado a conexión. Aquí se agrupan los datos en paquetes a los cuales se adjunta información de control como: dirección de origen, dirección de destino, calidad de servicio (QoS), etc. Al usar eficientemente este tipo de conmutación se puede hacer multiplexación estadística en la red, ideal para tráfico generado de forma intermitente. Esto genera un uso eficiente de los recursos

CONMUTACION OPTICA DE CIRCUITOS, DE PAQUETES Y DE RAFAGAS

OCS – Optical Circuit-Switched , Conmutación de circuito óptica: La conmutación de circuitos está orientada a conexión y asocia una longitud de onda (λ) a cada conexión entre el nodo origen y destino. Una vez establecida, se envía la información sin retardo alguno y sin necesidad de almacenar y reenviar paquetes en cada nodo. Presenta desventaja y es que por ejemplo la mayor parte del tráfico que soportan las redes hoy en día es tráfico de Internet, que tiene una característica de ráfaga, no de flujo constante y con OCS no soportaría todo este tráfico. (Ecured, 2020)

OPS - Optical Packet Switching, Conmutación de paquetes óptica: la señal de información generada por un equipo o fuente asociada a un nodo de entrada se convierte en una serie de paquetes ópticos que se envían a través de los enlaces de fibra óptica de la red.

Cada paquete contiene un campo de datos o carga y una cabecera donde se incluyen la dirección de su nodo destino.

Al llegar a un nodo o Router intermedio, se realizan las siguientes funciones:

separa la cabecera de la carga.

la información contenida en los bits de cabecera se lee para determinar la dirección final del paquete validando la información de la red y las tablas de enrutamiento.

obtiene el puerto de salida y la longitud de onda que habrá que asignar a la carga.

Una vez determinada la información de salida del paquete se restituye la cabecera antes de enviarlo al próximo Router.

OBS - Optical Burst Switching, Conmutación de Ráfagas Ópticas:

Es una tecnología que se basa en evitar la conversión óptica-eléctrica y eléctrica-óptica que se necesita en cada nodo de conmutación, proceso el cual desaprovecha la gran capacidad que tienen las fibras ópticas en la transmisión de información, creando cuellos de botella en los nodos. Busca mejor el rendimiento de la red enviando varios paquetes en la red que por ejemplo tengan una dirección IP común, todos en una misma ráfaga, la cual , es conmutada ópticamente en los nodos, utilizando solamente la conversión óptica-eléctrica en una cabecera común que indicará el destino de conmutación.

Esta tecnología es implementada a fin de mejorar la ineficiencia que supone la conmutación de circuitos y la problemática de desarrollar soluciones OPS

Tecnologías de conmutación en el espacio

Estructura de funcionamiento de un enrutador de nucleo

Debido a la baja flexibilidad y poca eficiencia que supone un esquema de Conmutación de circuitos; y la falta de la tecnología necesaria para construir un nodo completamente funcional de conmutación óptica de paquetes; se ha planteado un nuevo paradigma de conmutación óptica: la conmutación óptica por ráfagas (optical burst switching OBS) que se lo puede considerar como un modelo híbrido entre la conmutación de circuitos y paquetes. El desarrollo de esta tecnología ha recibido gran interés en los últimos años, en parte por los grandes avances en cuanto a dispositivos ópticos se refiere, pero limitados todavía a nivel de procesamiento y almacenamiento. El siguiente capítulo cubre con detalle la teoría de OBS, conceptos básicos, funcionamiento, arquitecturas, entre otros; y nos llevará a entender las ventajas que puede ofrecer a mediano y corto plazo, como tecnología de conmutación.

Esta tecnología se basa en evitar la conversión óptica-eléctrica y eléctrica-óptica que se necesita en cada nodo de conmutación, proceso el cual desaprovecha la gran capacidad que tienen las fibras ópticas en la transmisión de información, creando cuellos de botella en los nodos.

Una red óptica dinámica está implementada por la interconexión de fibras ópticas. Estas interconexiones ópticas (OXC) suelen consistir en conmutadores basados en un sistema de espejos microelectromecánicos (MEMS) distribuidos en dos o tres dimensiones, los cuales reflejan la luz que incide al conmutador a través de un puerto de entrada hacia un puerto de salida particular.

Este tipo de conmutación es apropiada para proporcionar caminos (lightpaths) desde un nodo a otro para diferentes clientes o servicios, por ejemplo circuitos de SDH (jerarquía digital síncrona).

En la conmutación de ráfagas se agrupan varios paquetes con un mismo destino en un contenedor más grande denominado ráfaga, que es lo que se transmite de extremo a extremo.

La estructura de una red óptica conmutada por ráfagas se compone de dos elementos básicos: nodos de borde y nodos de núcleo.

Los nodos de borde funcionan como interfaz de la red óptica con otras redes. Sus funciones principales son:

Clasificación de los paquetes
Almacenamiento
Ensamble de las ráfagas

Un enrutador de núcleo se encarga de demultiplexar los enlaces, los dirige hacia la unidad de control y los somete a un proceso de conversión Optico-electrico. Luego los envíaa una unidad de procesamiento y programación de datos la cual configura la estructura de conmutación y le aisgna longitudes de onda. El paquete pasa por un proceso de regeneración y vuelve al dominio óptico por el proceso de conversión Eléctrico-Optico.

Conmutación optica de paquetes

Estructura de funcionamiento de un enrutador de borde

GMPLS - Generalized Multiprotocol Label Switching :

Es un protocolo que aplica TDM ( Multiplexación en el Dominio del Tiempo) , GMPLS es la nueva generación de MPLS. La arquitectura MPLS se ha definido para admitir la transmisión de datos basada en concepto de etiqueta y trabaja de la siguiente forma: un LSR se define como un nodo que tiene una transmisión de datos plano pueda identificar el límite de un paquete o celda IP (IP paquete con una etiqueta adjunta) y ejecute la tarea de transmisión de datos de acuerdo con el contenido del encabezado del paquete IP o del encabezado de la celda.

En GMPLS, un LSR incluye no solo el nodo que ejecuta la tarea de transmisión de datos de acuerdo con el contenido del encabezado del paquete IP o del encabezado de la celda, sino que también tiene en cuenta la información de intervalo de tiempo, longitud de onda y físico puerto de la red de fibra óptica.

En una red óptica las ráfagas son ensambladas en los nodos de borde para su envío y los paquetes que conformaran la ráfaga son clasificados de acuerdo a su dirección de destino y requerimientos de calidad del servicio. Los paquetes que ingresan a un nodo son ensamblados en el dominio electrónico durante el proceso de embalaje mientras esta a la espera de que se venza el tiempo de offset y sea transmitida.

Algoritmos de ensamblaje

Hay dos clases básicas de algoritmos para el ensamblaje: basados en el tiempo y basados en el tamaño. Imponen estos parámetros como límites: cuando se llega al límite se finaliza la construcción de la ráfaga y se encuentra lista para su envío.

Los algoritmos basados en el tiempo ensamblan los datos durante cierto periodo de tiempo, durante el cual incluyen paquetes a la ráfaga. Vencido este tiempo, se da por finalizado el proceso y la ráfaga puede ser transmitida.

Uno de los más usados es el algoritmo FRR (forward resource reservation) se basa en la ejecución de dos funciones: predicción del tamaño de la ráfaga y reenvío de los paquetes de control. Las siguientes son las etapas de su funcionamiento:

Se inicia el ensamblaje de una nueva ráfaga y se predice su tamaño con base en la información de ráfagas anteriores.
Se inicia la creación del paquete de control y se incluye la predicción del tamaño de la ráfaga. El paquete de control se envía en el siguiente tiempo sin esperar a que se termine la construcción de la ráfaga.
Cuando se termina de construir la ráfaga se compara la predicción de tamaño con su tamaño real.
Si el tamaño predicho es menor o igual al real, se envía la ráfaga vencido el tiempo de offset
Si el tamaño predicho es mayor al real se asume que no se reservaron los recursos necesarios y se transmite el paquete de control actualizado con la información de la ráfaga. Luego se transmite vencido el tiempo de offset.

El algoritmo FRR (forward resource reservation) permite la superposición del proceso de ensamblaje y la conformación del paquete de control reduciendo la latencia de la red a expensas de un incremento del costo en los procesadores de los nodos del borde.

Una de las características más sobresalientes de este protocolo es su sistema de señalización fuera de banda. El paquete de control no solo se encuentra separado de los datos en el dominio del espacio sino también en el dominio del tiempo. Este intervalo de tiempo que separa el paquete de control de los datos obtenidos en un ráfaga es denominado tiempo de offset. Este espacio sirve para dar suficiente tiempo hasta que el paquete de control sea procesado en todos los nodos intermedios y reserve los recursos necesarios para la transmisión de la ráfaga.

El paquete de control contiene toda la información necesaria para el establecimiento de una conexión en una red óptica. Es importante que el tamaño del paquete de control se mantenga lo más pequeño posible a fin de reducir el retardo de procesamiento en la red. Dos campos fundamentales que debe tener este paquete son el tiempo de offset y el tamaño de la ráfaga. Esos dos parámetros son indispensables para que los nodos de núcleo hagan reserva de recursos sea que se use o no un algoritmo de programación el cual también trabaja en base a esta información. El último parámetro indispensable que debe contener un paquete de control es una dirección de destino hacia uno de los nodos de borde.