Asignación automática de direcciones unicast globales en IPv6

En IPv6 es posible asignar automáticamente direcciones unicast globales de dos maneras:

  • Con Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC)
  • DHCPv6

SLAAC

Un host obtiene el prefijo, la longitud del prefijo y su router por defecto de un router IPv6. El host solicitará al router estos datos mediante el protocolo ICMPv6 y el router responderá con mensaje Router Advertisement (RA) que tendrá como dirección de origen la dirección link-local del router.

Estos mensajes RA pueden contener información solo de SLAAC, de SLAAC y DHCPv6 en el que se obtiene la IP de SLAAC y otros datos como el servidor DNS de DHCPv6 o finalmente contener solo información de DHCPv6.

Con SLAAC el router obtiene la interface ID de manera aleatoria o mediante EUI-64.

ipv6-addressEl proceso para obtener la interface ID mediante EUI-64 es el siguiente:

  1. Se coge la dirección MAC del host (AA:BB:CC:DD:EE:FF) y se divide en dos partes cogiendo los 24 primeros bits (AA:BB:CC) y los 24 últimos bits (DD:EE:FF).
  2. Entre AA:BB:CC y DD:EE:FF se añade FFFE, por que lo queda AABBCC FFFE DDEEFF.
  3. Se cambia el 7º bit empezando por la izquierda.

 

Direcciones en IPv6

En IPv6 existen tres tipos de direcciones:

  1. Unicast
  2. Multicast
  3. Anycast

1. Unicast

Se utilizan para identificar de manera única a un dispositivo. Dentro de las direcciones unicast existen 6 tipos:

  1. Global unicast
  2. Link-local
  3. Loopback
  4. Unspecified address
  5. Unique local
  6. Embedded IPv4

1.1 Global unicast

Las global unicast son las equivalentes a las direcciones públicas en IPv4 y son únicas a nivel global. Al igual que las direcciones públicas en IPv4 son rutables a través de internet. El rango de direcciones es el especificado por 2000::/3, es decir, que los tres primeros bits de la dirección deben ser 001, de manera que las direcciones están comprendidas en el rango de 2000:: hasta el 3FFF:FFFF:FFFF:FFFF.

Están formadas por un prefijo global, un identificador de subred y un identificador de interfaz (campo de host en IPv4)

1.2. Link-local

Se utilizan para comunicarse entre dispositivos de una misma red y no son rutables (no pueden atravesar routers). Toda interfaz que tenga IPv6 activado debe tener asignada una dirección link-local y se le asigna automáticamente, aunque se puede cambiar posteriormente. Esta dirección es la que se utiliza para especificar el router por defecto en un host y también en algunos casos para especificar el siguiente salto en las tablas de ruta. El rango de direcciones es el FE80::/10.

1.3. Loopback

Mismo concepto que en IPv4. Sirve para referenciarse a sí mismo o para probar la configuración de TCP/IP en un host. No se puede asignar a ninguna interfaz física y se representa como todos ceros excepto el último bit: ::1/128 ó simplemente ::1.

1.4. Unspecified address

Se representa con todo ceros ::/128 ó ::. Esta dirección no se puede especificar a ninguna interfaz y solo se puede usar como dirección de origen cuando el dispositivo todavía no tiene una IPv6 definida o cuando la dirección de origen es irrelevante.

1.4. Unique local

Son equivalentes a las direcciones privadas en IPv4. No se puede salir a internet con ellas y se utilizan para dirigirse a hosts dentro de un sitio. Su rango es el FC00::/7.

1.5. IPv4 embedded

Se utilizan para traducir direcciones IPv4 a IPv6. Su rango es ::/80. Existen dos tipos pero solo se utiliza el timo IPv4-mapped. Estas direcciones tienen el aspecto ::FFFF:w.x.y.z donde w, x, y, z son los bytes de una dirección IPv4.

2. Multicast

Las direcciones multicast tienen el rango FF00::/8 y existen dos tipos:

  1. Assigned multicast
  2. Solicited node multicast

2.1. Assigned multicast

Son direcciones predefinidas por la norma para dirigirse a determinados grupos de dispositivos.

Dirección IP Dispositivos
 FF02::1 Todos los nodos
 FF02::2 Todos los routers
 FF02::5 Routers OSPF
 FF02::6 Routers asignados OSPF
 FF02::9 Routers RIP
 FF02::1:2 Agente DHCP

La dirección multicast que se dirige a todos los nodos (la FF02::1) es la equivalente a la dirección de broadcast en IPv4.

2.2. Solicited node

Se crean automáticamente cuando una dirección global unicast o una link-local son asignadas. Tienen la máscara FF02:0:0:0:0:1:FF00::/104, es decir FF02:0:0:0:0:1:FFXX:XXXX, donde las últimas XX:XXXX son los últimos 24 bits de la dirección unicast o link-local.

Este tipo de dirección multicast sirve para resolver las direcciones físicas MAC de una manera más eficiente a como se hacía en IPv4. En IPv4 se utilizaba el protocolo ARP para pedir a un host destino qué dirección MAC tenía. La dirección MAC es necesaria para que los switches sepan por qué puerto deben redireccionar un frame entrante. Con el protocolo ARP se utilizaban direcciones de broadcast para notificar al host destino que informara sobre su dirección MAC, por lo que toda la red se inundaba de paquetes broadcast que solo iban dirigidos a un único host. Una dirección multicast de nodo solicitado viene a resolver este problema, ya que los últimos 24 bits son los mismos que los de la dirección de link-local o unicast, de manera que un router puede dirigir mejor a qué hosts enviarlo. Puede que una solicitud de dirección MAC llegue a más de un host debido a que las direcciones link-local se pueden repetir en diferentes redes, pero el número de hosts que deben procesar y descartar el paquete porque no va dirigido a ellos es considerablemente menor. Este mecanismo de solución de direcciones se conoce como Neighbor Discovery Protocol (NDP).

Otra de las utilidades de la dirección de nodo solicitado es el de la detección de direcciones duplicadas (Duplicate Address Detection DAD)

3. Anycast

Son direcciones que se pueden asignar a diferentes interfaces con la propiedad de que un paquete enviado a una dirección anycast es rutado por la interfaz más cercana que tenga esa dirección. El espacio de dirección que tienen está englobado dentro de las unicast, por lo que sintácticamente son indistinguibles de las direcciones unicast.

Fuente: RFC 2461

Redes de transporte de segunda generación

En las redes de transporte de segunda generación, el encaminamiento y la conmutación se realiza a través del dominio óptico.
Se crea el concepto de lightpath (camino óptico), que es una conexión óptica virtual punto a punto.

Capa óptica

Es una capa adicional que proporciona lightpaths a diferentes capas cliente (IP, SDH). En lugar de conectar dos dispositivos físicamente, se utilizan lightpaths para conectarlos virtualmente. Esta capa se encarga de:

  • Multiplexar múltiples lightpaths en una fibra.
  • Añadir y quitar longitudes de onda.
  • Dar soporte a la conmutación óptica

Existen dos tipos de redes a nivel de procesado:

  1. Redes transparentes: se hace la conversión al dominio eléctrico y se puede transmitir por otros medios que no sean fibra. Desventaja: limitaciones de la electrónica.
  2. Redes todo-ópticas: toda la información se transmite por medios ópticos (no hay conversión optoeletrónica) aunque son más difíciles de implementar.

Si se pasa a dominio eléctrico, la señal puede ser tratada a diferentes niveles:

  • Se regenera, resincroniza y reforma (R3).
  • Se regenera y se reforma (R2)
  • Se regenera únicamente

Componentes

Optical Line Terminal (OLT)
Multiplexa varias longitudes de onda en una sola fibra. Constan de un transpondedor que adapta la señal eléctrica a óptica y un multiplexor (AWG).
olt

Optical Add Drop Multiplexer (OADM)
Añade o extrae canales de un tráfico de mayor velocidad. Puede extraer información de longitudes de onda concrtas y dejar pasar las demás. Existe una versión más sofisticada de OADM, los ROADM, los cuales pueden ser reconfigurados para seleccionar la λ deseada.

oadm

Optical Cross-Connect (OXC)

Son capaces de dirigir cualquier señal de entrada a cualquier puerto de salida. Si la topología es lineal o ring (1 entrada – 1 salida), basta con un OADM. Si la topología es mesh, se necesita un OXC.

oxc

Diseño de redes WDM

Existen dos problemas en el diseño de redes.

  • Lightpath topology design (LTD): cómo diseñar la topología de lightpaths que interconecte los routers.
  • Routing and wavelength assignment (RWA): cómo asignar rutas y longitudes de onda a los lightoaths de la capa óptica.

Otro problema es el grooming: multiplexar circuitos SDH de baja velocidad (OC-3) en circuitos de mayor velocidad (OC-48).

Problema LTD (Light Topology Design)
Determinar la topología lógica para minimizar la máxima carga que debe transportar cada lightpath.

Problema RWA (Routing and Wavelength Assignment)
Dada ya una topología de red y un conjunto de peticiones de lightpads (A se conecta con B, B se conecta con D, etc.) determinar la ruta (por donde hay que enviar la información) y con qué longitudes de onda hay que hacerlo (usando el mínimo número de longitudes de onda).
Se puede subdividir en:

  • Lightpath Routing (LR): encontrar las rutas para un conjunto de lightpaths.
  • Wavelength Assignment (WA): una vez ya decidido por dónde pasan los lightpaths, asignar longitudes de onda.

Algoritmos Light Routing:

  • Shortest Path Tree: selecciona el camino más corto entre fuente y destino.
  • Least loaded routing: envita los enlaces más cargados. Se le asigna a cada enlace un peso de 1+L donde L es el número de lightpaths encaminados a través de ese enlace.
  • Least Loaded Node: evita los nodos más cargados.

Redes ópticas de acceso

1. Introducción

1.1. Motivación

¿Por qué utilizar fibra óptica para el hogar? Porque tiene la capacidad de transmitir un gran flujo de datos, ya sea de telefonía, datos o televisión (IPTV).

Las redes de comunicación están formadas por:

  • Red de transporte, es la que interconecta todas las redes de acceso.
  • Red de acceso: conecta una estación (central office) con lo usuarios. Concentra el flujo de información y envía el tráfico agregado a la central office.

1.2. Redes de acceso

Principales tecnologías para redes de acceso: DSL (ADSL, VDSL), redes híbridas fibra-coaxial (HFC), sistemas inalámbricos (WiMAX).

Digital Suscriber Line (DSL)

Usa par trenzado (cables de cobre) para transmisión de datos además de voz. El ADSL (Asymmetric DSL), proporciona una tasa binaria distinta para downstream y para upstream. Además, utiliza modulación OFDM. Como ventajas, el despliegue es sencillo y barato. Sin embargo, la velocidad es limitada y la máxima velocidad depende de la distancia a la central office y así como de la calidad de los cables.

Plan de frecuencias ADSL
Plan de frecuencias ADSL

Redes híbridas de fibra-coaxial

Combinan la fibra óptica con cable coaxial (hybrid fiber-coaxial, HFC). Actualmente es implementado por compañías como ONO. Permite ofrecer el conocido como triple play (TV, teléfono e Internet).

Es una opción que presenta un ancho de banda por usuario relativamente amplio. Sin embargo, como principal desventaja se encuentra que el despliegue de la red es caro (obra civil).

1.3. Redes de acceso en fibra

Las redes de acceso en fibra implementan el bucle de acceso mediante fibra óptica o sustituyendo parte del cable por fibra. Este tipo de redes proporcionan grandes anchos de banda. La red de acceso en fibra requiere desplegar fibra hasta los usuarios.

1.3.2. Arquitecturas de red de acceso

Las arquitecturas de red de acceso pueden ser punto a punto (P2P) o punto a multipunto (P2MP) que pueden ser activas (Active Optical Network, AON) o pasivas (Passive Optical Network, PON).

En las redes punto a punto (P2P) hay una fibra entre la estación central y cada usuario. Esto proporciona al usuario un enorme ancho de banda y versatilidad para futuras mejoras. Sin embargo, es un arquitectura con un mayor coste frente a otras

Las redes activas (Active Optical Network, AOL), utiliza equipos alimentados eléctricamente. Las señales llegan solo a su destino y se utiliza buffering para evitar colisiones.

La redes pasivas (Passive Optical Network, PON), utiliza únicamente dispositivos pasivos. En el downstream, el flujo de datos llega a todos los usuarios (aunque está cifrado para evitar el espionaje). En el upstream se utiliza un protocolo de acceso múltiple. Esta arquitectura reduce costes ya que no hay que alimentar y gestionar equipos, se reduce el mantenimiento y necesita un menor consumo de energía. Existen varios tipos de PON: Broad PON (BPON), Ethernet PON (EPON), Gigabit PON (GPON).

Entre las ventajas de utilizar redes PON tenemos que:

  1. Tienen una atenuación baja: 3-5 dB/km en primera ventana, 0.5 dB/km en segunda ventana, 0.2 dB/km en tercera ventana. Lo que demuestra que tienen unas pérdidas de propagación bajas.
  2. Tienen un gran ancho de banda: en tercera ventana 15 THz. Por lo tanto, da pie a proporcionar enlaces de banda ancha a muchos usuarios con una única fibra. Este gran ancho de banda es la que posibilita la existencia de Internet tal y como lo conocemos.
  3. Es un buen medio de transmisión (es inmune a interferencias electromagnéticas)
  4. Reduce costes operativos: al sustituir elementos activos por pasivos, se evita la alimentación eléctrica, se elimina la gestión de dispositivos activas y reduce los costes de mantenimiento.
  5. Tienen un bajo consumo: si lo comparamos con otras tecnologías, las redes PON son mucho más eficientes energéticamente que otras tecnologías como el cobre o los cables Ethernet.
  6. Suponen una reducción en área para el equipamiento: del mismo modo que con el consumo, las redes PON necesitan estaciones más pequeñas para dar cabida al equipamiento necesario para conectar a los usuarios con la red troncal.

1.5. Elementos de una red FTTx

Los elementos principales de una red de fibra son:

  • OLT (Optical Line Terminal): es la interfaz entre la red troncal y la red PON situado en la central.
  • ONU (Optical Network Unit): es la unidad remota donde termina la red PON.
  • NTE (Network Terminal Equipment): es la interfaz con el usuario en ONU.
  • ONT (Optical Network Terminal): es la unidad remota situada en las instalaciones del usuario.

2. Protocolos y estandarización

En las redes PON el medio es compartido para reducir costes. Por ello, es necesario el uso de técnicas de acceso al medio. Vamos a ver qué técnicas son las más adecuadas para que el usuario pueda transmitir su información a la red y qué protocolos se pueden utilizar.

Como técnicas de acceso al medio tenemos

  • Time Division Multiple Access (TDMA): cada emisor tiene asignado un slot temporal. Este slot lo indica el OLT. Los paquetes se sincronizan en el divisor de potencia. Como ventajas, solo tiene una portadora en cada instante (no hay productos de intermodulación), puede llegar a soportar un throughput alto incluso para un número alto de accesos, no se necesita controlar potencia en ONUs ya que solo hay un usuario transmitiendo en cada instante de tiempo, no se necesita sintonización porque todas las estaciones usan la misma frecuencia y es fácil de reconfigurar. Sin embargo, como desventajas tiene que se necesita de sincronización entre todos los usuarios y que consume más potencia y ancho de banda con altas tasas binarias en comparación con accesos continuos (como WDMA).
  • Subcarrier Multiple Access (SCMA): cada ONU modula en una frecuencia de RF distinta y todos los áseres transmiten a la misma longitud de onda. Cada ONU tiene un canal independiente. Como ventajas, no necesita sincronización entre canales y todos los láseres pueden tener la misma longitud de onda. Como desventajas es que hay ruido de batido y que el ancho de banda disponible es limitado por el ancho de banda RF de los componentes ópticos.
  • Wavelength Division Multiple Access: cada ONU emplea una longitud de onda diferente, por lo que cada ONU transmite en canales independientes. Tiene como ventajas que no es necesario la sincronización entre canales y que permite implementar redes P2P (punto a punto) virtuales sobre topologías P2MP (punto a multipunto). Como desventaja presenta que el uso de demux complica mandar la misma señal a todas las ONUs en bajada. Cada ONU requiere un láser con una longitud de onda distinta, por lo que es la solución más cara.
  • Optical Code Division Multiple Access: todos los emisores ocupan tiempo y frecuencia simultáneamente y se distingue por la utilización de códigos ortogonales. Tiene como ventajas que no necesita sincronización, aumenta la privacidad y permite explotar mejor los recursos ya que comparte tiempo y frecuencia. Sin embargo, todavía no está madura y es un método que depende mucho de la temperatura y errores de fabricación de los componentes.

Estándares que utilizan TDMA:

  • BPON. Estándar G.983.
  • EPON. Estándar IEEE 802.3ah y IEEE 802.3av
  • GPON. Estandar G.984, G.987 y G.989

Estándares que utilizan SCMA:

  • HFC (Hybrid Fiber Coax)

Estándares que utilizan WDMA y OCDMA: ninguno. Son más complicados y todavía están en fase de investigación.

2.3. Sistemas PON TDMA

2.3.1.1. Asignación de longitudes de onda

Downstream:

  • Datos digitales, 1490 nm.
  • Highspeed downstream services (video): 1550 nm.

Upstream:

  • Datos digitales: 1310 nm.

Bandas extendidas:

  • Downstream: 1575-1580 nm
  • Upstream: 1260-1280 nm

2.3.1.2. Clasificación de balances de potencia

Clase A: 5-20 dB
Clase B: 10-25 dB
Clase B+: 13-28 dB
Clase C: 15-30 dB
Clase C+: 17-32 dB

2.3.1.3. Ranging protocol

Medida de la distancia entre ONU y OLT (ranging):

Debido a que hay ONUs situadas a distintas distancias, es necesario la sincronización para evitar colisiones. Para determinar la distancia (ranging) de cada una de las ONUs el OLT envía un paquete (ranging grant) para medir el retardo. Cada ONU contesta al recibir el paquete y el OLT calcula la distancia de tiempo de ida y vuelta.

2.3.1.4. Control de tráfico

Se puede asignar ancho de banda a cada usuario de manera estática (SBA), en el que cada usuario tiene un ancho de banda asignado y fijo o también se puede asignar de manera dinámica (DBA). Este mecanismo, permite redistribuir el ancho de banda del upstream en milisegundos/microsegundos en función de las necesidades del tráfico. Este proceso está gestionado por el OLT que es quien asigna permisos (grants) a los ONT para transmitir en slots determinados.

2.3.1.6. FEC

Forward Error Correction. Es una técnica que permite detectar y corregir errores mediante la introducción de datos redundantes. Puede añadir una diferencia de 3-6 dB al balance de potencias ya que no es necesaria una OSNR tan alta para lograr detectar correctamente cada uno de los bits. Se utilizan códigos cíclos (n,m) típicamente Reed-Solomon, RS (255, 239).

2.3.2. BPON

Broadband PON. Fue desarrollado por una agrupación de operadores y fabricantes (FSAN). Es el primer sistema en ser desplegado comercialmente. Utiliza el protocolo ATM (Asynchronous Transfer Mode) y el estándar corresponde a la ITU G.983.

2.3.3. EPON

Ethernet PON ó Gigabit Ethernet PON (GE-PON).

Fue desarrollado por Ethernet-in-the-first-mille Alliance y EPON Forum. Es fácil de integrar con redes LAN, WAN basadas en Ethernet. Está estandarizado por el IEEE 802.3ah y obviamente utiliza el protocolo Ethernet.

Ethernet es una familia de protocolos para redes de ordenadores LAN. Esta estandarizado por el IEEE 802.3 y es un protocolo de enlace de datos. Utiliza CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection), técnica de acceso al medio. Actualmente es la tecnología dominante en LANs y como protocolo de enlace de datos. Existen velocidades de 10 Mbps, 100 Mbps (Fast Ethernet), 1 Gpbs (Gigabit Ethernet) y 10 Gbps (10 Gigabit Ethernet).

La tasa binaria es de 1.244 Gpbs (8/10), por lo que realmente es una tasa efectiva de 1 Gbps, utiliza el protocolo Ethernet, utiliza las longitudes de onda de 1490 en downstream y 1310 en upstream. Permite una relación de división de hasta 32 (aunque nominalmente son 16). La máxima distancia que se puede tener entre la OLT y la ONU es de 10 km. Permite la gestión dinámico del ancho de banda, cifrado y FEC, aunque estas características son opcionales y dependen del fabricante.

El canal se codifica 8b/10b, utiliza FEC (opcional) con Reed-Solomon (255, 239). La trama Ethernet es variable entre 72 y 1974 bytes, utiliza un SFD (start of frame) que indica el comienzo de una trama (10101011) y un FCS (frame check sequence) que se utiliza como redundancia para la correción de errores (código CRC).

En cuanto a control de tráfico, se utiliza en Multipoint Control Protocol (MPCP) para regular el tráfico downstream y upstream.

2.3.4. GPON

Utiliza el protocolo GPON Encapsulation Method (GEM) que permite transimitir paquetes Ethernet, celdas nativas ATM y/o TDM nativo. El estándar es la ITU G.984.

Tiene una tasa binaria de 1.244 ó 2.488 Gbps en downstream y 0.155, 0.622, 1.244 ó 2.488 Gbps en upstream.

Las longitudes de onda en las que transmite son 1490 nm en downstream y 1310 nm en upstream. La máxima longitud OLT-ONU es de 10-20 km. Incorpora gestión dinámica del ancho de banda por defecto, está cifrado con AES-128 en downstream y el FEC también está incluido por defecto.

Las tramas GPON tienen una duración de 125 μs y permite acomodar servicios ATM, Ethernet y TDM gracias al protocolo GPON Encapsulation method (GEM).

El control de tráfico se realiza mediante traffic containers (T-Cont). Los permisos se asignan en función del tráfico de cada ONT.

2.3.5. 10G-EPON

10G Ethernet Gigabit PON, utiliza el protocolo Ethernet y está el estándar es el IEEE 802.3av

La tasa binaria en downstream es de 12.5 Gbps y 1.244 Gbps en upstream. Incorpora cifrado, gestión dinámica del ancho de banda y FEC disponible por defecto en el estándar.

2.3.6. XG-PON

10 Gbps GPON o XG-PON, desarrollado por FSAN. Utiliza el protocolo GEM y su estándar es el ITU G.987

Ofrece tasas binarias mejores que el 10GE-PON con 10 Gbps en downstream y 2.5 Gbps en upstream o en la versión 2 de la arquitectura 10 Gbps simétricos.

Utiliza cifrado AES-128 en downstream y FEC es obligatorio.

2.3.7. Coexistencia

Las redes 10G-PON/10G-EPON pueden coexistir sobre la misma fibra con GPON/EPON. De esta manera se puede hacer una migración progresiva y actualizar solo los ONT que se quiera.

2.4. Sistemas emergentes

2.4.1. PON WDM

DWDM PON utiliza N longitudes de onda para N usuarios en un esquema PON. Tiene como ventajas que tiene un ancho de banda tal que permite cualquier servicio presente o futuro, ofrecen seguridad ya que los enlaces son dedicados, no es necesario usar protocolos para evitar colisiones y se eliminan pérdidas por división. Sin embargo, económicamente estos los sistemas WDM todavía no son rentables para la red de acceso.

2.4.2. PON TWDM

Time and Wavelength Division Multiplexing. Añade algunas longitudes de onda a una red TDMA para aumentar la tasa binaria por usuario. Esta arquitectura ofrece escalabilidad (pay-as-you-grow) ya que se puede ir implementando a medida que los usuarios contratan el servicio. Esta arquitectura necesita ONT colorless, el transceptor debe sintonizar la longitud de onda correcta en US y DS, deben incorporar un control térmico que implica mayor coste y se necesita de filtrado en longitud de onda con AWGs (Arrayed Waveguide Gratings).

2.4.2.1. 40G-PON

Utiliza el protocolo GEM y está definido por el estándar ITU G.989

Utiliza 4-8 pares de canales TWDM (cada canal es una longitud de onda de DS y otra de US).

3. Componentes

3.1. Fuentes ópticas

  1. Láseres Fabry-Perot (FP), son láseres multimodo que trabajan en segunda y tercera ventana. Se utilizan en ONT de tasas bajas (BPON, GPON, EPON).
  2. Láseres DFB (Distributed Feedback Laser). Son láseres monomodo, de bajo ancho de línea y buena estabilidad de frecuencia. Su elevado coste limita su uso en redes de acceso. Al igual que los láseres FP, trabajan en segunda y tercera venta. Se utilizan el OLT y ONT (GPON, EPON, XG-PON).
  3. Láseres EML (Externally Modulated Laser). Se modulan externamente para aumentar el ancho de banda y reducir degradaciones de modulación directa (chirp).
  4. VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers). Existen tanto monomodo como multimodo. Tienen un coste bajo pero emiten baja potencia óptica. Se pueden encontrar para primera, segunda y tercera ventana y se utilizan en 10 GbE, LAN…

3.2. Receptores

Los fotodiodos se utilizan como receptores ya que son dispositivos capaces de convertir luz en una señal eléctrica. Existen varios tipos:

  1. PIN: Es el tipo más común y consiste en una unión PN polarizada en inversa.
  2. APD (Avalanche Photodiode): se generan fotones por avalancha antes de entrar al receptor. Tienen una mayor sensibilidad, mayor figura de ruido pero es más caro.

Además, es necesario el uso de Burst-Mode Receivers en el receptor del upstream (OLT). Debido a la diferencia de potencia que podemos recibir de diferentes ONT debido a las pérdidas por propagación (puede haber una diferencia distancia considerable entre ONTs conectadas a la misma OLT), se necesita un receptor especial. Este receptor determina el umbral y la fase de la señal a partir de bits de overhead al principio de cada ráfaga. La penalización de potencia es de 3 dB.

3.2.3. Transceptores

Se conoce como transceptor a la composición de fuente + receptor + multiplexor en un solo bloque.

3.3. Fibra óptica

La fibra óptica tiene un gran ancho de banda, tiene bajas pérdidas, bajo coste, un peso y volumen pequeño, no envejece y es inmune a descargar eléctricas. Existen varios tipos de fibra: las fibras monomodo y las fibras multimodo. La fibra monomodo (SMF) tiene un núcleo pequeño que obliga al resto de equipos a usar conectores con menores tolerancias (lo que aumenta el coste). La fibra multimodo (MMF) tiene facil conectorización, menor ancho de banda (~500-2000 MHz·km), los transmisores son más baratos a 850 nm que a 1310 ó 1550 nm.

Los conectores estándar para FTTH son los SC/APC aunque existen otros como SC/UPC o LC.

Para disivisores, podemos encontrar dos tecnologías básicas, los Fused Biconical Taper (FBT) y los Planar Lightwave Components (PLC). Típicamente tienen unas pérdidas de inserción de 0.3 dB, unas pérdidas de retorno de 55 dB, un crosstalk < -20 dB y una relación de división de hasta 128 (potencias de 2).

Para filtros WDM, la tecnología básica que se utiliza son los Thin-Film Filters o los Diffraction Gratings con unas pérdidas de inserción típicas < 4 dB y un aislamiento > 45 dB.

3.4. OLT

Son plataformas escalables en las que se se pueden controlar hasta 16 PONs por OLT. Pueden tener hasta 112 puerto y puede haber varios OLT por rack. Se alimentan a 48 V DC.

3.5. ONT

Los parámetros típicos de modelos de escritorio son: 2 puertos POTS, de 1 a 24 puertos 10/100/1000BaseT, PoE (Power over Ethernet).

4. Diseño de la red, despliegue y monitorizaciń

4.1. Diseño de la red

4.1.1. Balance de potencias

\[P_t – L_c – M_s \geq P_r\]

donde \(P_r\) es la potencia recibida mínima (sensibilidad), \(P_t\) es la potencia transmitida, \(L_c\) son las pérdidas del enlace y \(M_s\) es el margen de seguridad.

El margen de seguridad es un factor que tienen en cuenta imprevistos y degradaciones (mayores pérdidas por envejecimiento, mayores pérdidas en conectores, …) La recomendación de la ITU G.957 es de \(3~dB < M_s < 4.8~dB\). Actualmente el valor típico de \(M_s \leq 3~dB\).

\(L_c\) son las pérdidas ópticas totales. Estas incluyen las pérdidas de propagación en la fibra \(\alpha\) (dB/km), las pérdidas de distribución, las pérdidas de exceso en los divisores, los conectores y empalmes (0.05~0.5 dB cada uno), penalizaciones de potencia, penalización en la sensibilidad del receptor (OLT) por operación Burst Mode.

\(P_r\) es la potencia recibida.

Las pérdidas por división son \(10 \log_{10}{N}\).

4.1.2. Penalizaciones de potencia

La relación que existe en la relación de potencia entre el 0 lógico y el 1 lógico añade una penalización de potencia.
\[P_{er} = -10 \log_{10}{\left( \frac{r_e -1 }{r_e +1} \right)}\]

donde \(r_e = \frac{P_0}{P_1}\)

Existe también una penalización en potencia debida al ruido relativo de intensidad (RIN) del láser.
\[P_{RIN} = -10 \log{\left[ 1 – \left(RIN \cdot \Delta f_{eq} \right)q^2 \right]}\]

donde RIN es el ruido de intensidad de la fuente \(\Delta f_{eq}\) es el ancho de banda equivalente del receptor y q es el BER (q = 6, BER = \(10^{-9}\) )

Penalización por dispersión cromática:

Dispersión cromática: cada componente espectral viaja a una velocidad distinta por la fibra.
\[P_{CD} = 10 \log_{10}{\left( \frac{\sigma}{\sigma_0} \right)}\]

V: es la relación ancho espectral de fuente óptica sin modular (\( \sigma_w\) ) y el ancho temporal del pulso inicial (\( \sigma_0 \))
\[V = 2 \sigma_w \sigma_0
\sigma_w = \frac{2\pi c}{\lambda^2} \Delta \lambda\]

donde \(\Delta \lambda\) es el ancho espectral de la fuente en longitud de onda y \(\sigma_0 = \frac{1}{4B}\).

Fuentes espectralmente anchas (V >> 1):
\[P_{CD} = -5 \log_{10}{\left[ 1 – \left( 4 B L D \Delta \lambda \right)^2 \right]}\]

donde B es la tasa binaria, L es la longitud de fibra, \(D_{CD}\) es la dispersión cromática y \(\Delta \lambda\) es el ancho espectral de la fuente.

Fuentes espectralmente estrechas (V << 1):
\[P_{CD} = 5 \log_{10}{\left[ \left( 1 + 8 C \beta_2 B^2 L \right)^2 + \left( 8 \beta_2 B^2 L \right)^2 \right] }\]

donde C es el chirp, \(\beta_2\) es el parámetro de la dispersión, B es la tasa binaria, L es la longitud de fibra.

 

Temporizadores protocolo RIP

En el protocolo RIP existen 4 temporizadores.

  • Temporizador de actualizaciones (routing-update timer): es un temporizador global que indica cúando se tiene que volver a enviar la tabla a los routers vecinos. Por defecto tiene una duración de 30 segundos.
  • Temporizador de caída de servicio (routing-timeout timer): indica el tiempo máximo que una entrada puede permanecer sin recibir una actualización antes de ser marcada como inalcanzable. Se resetea cuando se recibe una actualización de esa entrada. Por defecto tiene una duración de 180 segundos.
  • Temporizador de purga (route-flush timer): se pone en marcha una vez se agota el temporizador de caída de servicio Si se agota, se elimina la entrada de la tabla de encaminamiento del router. Por defecto tiene un valor de 12o segundos.
  • Temporizador de espera (hold-down timer): temporizador asociado a cada entrada de la tabla que se inicia cuando una ruta pasa a inalcanzable por una actualización desde un vecino, recordando su valor anterior. Durante el lapso de tiempo en el que el contador se agota, el router no aceptará la actualización de ningún vecino para esa ruta de destino. Esto impide que se confunda un router haciéndole creer que otro router puede tener una ruta viable a un destino invalidado de otro modo. Sin embargo, existen varias opciones con los datos de la tabla según los datos recibidos:
    • Opción 1: el vecino me vuelve a informar de que el destino es alcanzable. Se actualiza el valor a X+1 sin importar el valor anterior (donde X es el valor que me envía el vecino).
    • Opción 2: otro vecino que no es quien me había informado de que el destino estaba inalcanzable me dice que tengo una distancia mejor que la original \(Y+1 < X_0\) (donde Y es el valor enviado por el nuevo vecino y \(X_0\) el valor anterior a haber sido informado que el destino era inalcanzable). Es este caso, guarde la información de Y+1.
    • Opción 3: un vecino que no es quien me había informado de que el destino estaba inalcanzable me dice que la distacia es mayor o igual al valor anterior. \(Y+1 \geq X_0\). Esta información se descarta por si es un bucle de enrutamiento.

RIP timers

Mejoras del protocolo RIP

Existen varios mecanismos para evitar los bucles de encaminamiento así como para disminuir el tiempo de convergencia cuando hay un cambio en la red.

Horizonte dividido: no enviar a ningún vecino las rutas que tienen como siguiente salto este vecino.

Rutas envenedadas: cuando un router se da cuenta de que un enlace ha dejado de estar operativo, envía explícitamente métricas 16 (inalcanzable) a sus vecinos.

Horizonte dividido + rutas envenenadas: si un vecino tiene en su tabla que se puede llegar al destino a través de él, le envía una métrica 16 para que no lo elija.

Actualizaciones inmediatas: cuando hay un cambio, se envía en ese instante el cambio que se ha producido. Cuando una actualización afecte la tabla de un router, este también enviará su tabla de nuevo. Este proceso continúa hasta que ningún router se vea afectado.

Capa física de LTE

En la transmisión radio de LTE se utiliza el método de multiplexación Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) únicamente para el downlink.

LTE utiliza:

  • Downlink: OFMD (300 Mbps).
  • Uplink: Single Carrier FDMA, que es una OFDM más sencilla (7 Mbps).

OFDM utiliza pulsos cuadrados que al ser transformados al dominio frecuencial son sincs. Eligiendo la duración del pulso a \(T_s = k\frac{1}{f_k}\), siendo\(f_k\) el espacio frecuencial entre pulsos sinc, obtenemos que los pulsos son ortogonales frecuencialmente. De esta manera, aunque las colas de las sinc se superpongan la integral del espectro en el ancho de banda de un canal es nula.
\[x\left( t \right) = \sum_{k=0}^{K-1} {d_k e^{j2\pi f_k t} \Pi_{T_s} ( t )}\]
El término \(e^{j2\pi f_k t}\) representa el desplazamiento en frecuencia de los pulsos, el cual es el mismo que aparece en la transformada inversa de Fourier.

ofdm_temporal

sincsPor tanto, por definición de la multiplexación OFDM, para conformar la señal temporal hay que hacer la transformada inversa de Fourier. En el receptor, para poder extraer la información que está modulada en la amplitud del pulso rectangular, será necesario realizar de nuevo la transformada de Fourier.

Cada sinc representa una portadora, de manera que se envía un símbolo en un período de tiempo \(T_s\).

ofdm_temp

Arquitectura 4G

La arquitectura de 4G es la Evolved Packet System (EPS). La EPS es una evolución de la arquitectura de GPRS con una arquitectura simplificada y una red todo IP (all IP network, AIPN). El sistema EPS está implementado por una parte radio, la LTE y la core network, la System Architecture Evolved (SAE).

Evolved Packet Core (EPC)

La core network (EPC), está compuesta por:

  • Mobility Management Entity: nodo principal de control que tiene asignadas multitud de funciones como el tracking del UE o paging entre otras.
  • Serving gateway (SGW): está en la frontera entre el Radio Access Network (RAN) y la core network y se encarga de gestionar la movilidad.
  • Packet Data Network (PDN) gateway (PGW): da servicio y conectividad con redes de paquete externas.
  • Policy and Charging Rules Function (PCRF): se encarga de tarifar.

En la parte radio, la E-UTRAN, el sistema está formado por:

  • User Equipment (UE): el terminal de usuario.
  • Evolved Node B (eNodeB): estación que se encarga de proporcionar la interfaz radio.

La interfaz entre la eNodeB y la core network se realiza mediante el protocolo S1-U para los datos de usuario y S1-MME para información de control (handovers, paging, mensajes Non-Access Stratum).

También hay conexión directa entre diferentes eNodeB mediante la interfaz X2.

interfaz_lte

En la red troncal, el PGW está conectado con el SGW mediante la interfaz S5 si es del mismo operador o S8 si es de un operador diferente. En este interfaz se implementa el protocolo GTP-U (GPRS Tunnelling Protocol-User) para transportar datos del PGW al SGW. También existe el túnel GTP-C el cual transporta información de control.

epc

En EPC existe una entidad llamada Home Subscriber Service (HSS), que reune funcionalidades de los sistemas predecesores como el Home Location Register (HLR) y el Authentication Center (AuC). El HSS está conectado con el MME para el mantenimiento de la información de gestión de la información o la autorización de acceso a la red LTE entre otras. La interfaz S6a que se utiliza para conectar el MME con el HSS, utiliza el protocolo Diameter orientado a conexión (como TCP) y que es una evolución del protocolo RADIUS.

Comparitiva E-UTRAN y UTRAN
Comparitiva E-UTRAN y UTRAN

EPS tiene una red cuya transmisión es orientada a conexión, por lo que necesita de una conexión virtual entre dos puntos. Esta conexión virtual se llama EPS Bearer el cual provee de un servicio con una cierta calidad (QoS).

Gestión de localización en UMTS

Para la gestión de localización en UMTS intervienen la core network y la parte radio.

En la core network, el Service GPRS Support Node (SGSN) y el GGSN (Gateway GPRS Support Node) guardan información sobre los User Equipment (los terminales de usuario).

Por otra parte, en el acceso radio ahora existen 3 tipos de zonas:

  1. UTRAN Registration Area (URA).
  2. Routing Area (RA), que contiene una o varias URAs.
  3. Location Area (LA), que continen una o varias RAs.

UMTS_mobVisto desde la core network, existen 3 estados:

  1. PMM detached: el terminal de usuario no se puede alcanzar y por tanto, no se actualiza su ubicación.
  2. PMM idle: no hay transmisión entre el móvil y la core network, por lo que la interfaz radio no tiene información sobre el móvil. El móvil es rastreado a nivel de Routing Area y no de URA.
  3. PMM connected state: el móvil (user equipment, UE) es rastreado por el SGSN a nivel de Radio Network Controller (RNC). Por tanto es el RNC quien realiza el seguimiento de la celda donde se encuentra el UE.

Visto desde el acceso radio (nivel UTRAN), existen también 3 estados:

  1. RRC Idle mode: la UTRAN no tiene información de localización del UE y el SGSN realiza el siguiente del UE a nivel de Routing Area.
  2. RRC cell-connected mode: hay seguimiento a nivel de celda.
  3. RRC URA-connected mode: el UE es rastreado por la UTRAN a nivel de URA.