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IP sobre WDM

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Comunicaciones World nº 174, IDG Communications S.A, 2003

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IntroducciÓn

El aumento exponencial del número de usuarios de Internet, así como el desarrollo de aplicaciones cada vez más avanzadas y con mayores requerimientos de ancho de banda, han convertido a IP (Internet Protocol), en el protocolo de transferencia de datos dominante. Este protocolo, concebido inicialmente para transportar únicamente servicios de datos, ha visto ampliada su definición para soportar todo tipo de servicios.

Para hacer frente a esta enorme demanda de tráfico IP, han tenido lugar varios esfuerzos cuyo resultado ha sido la aparición de routers de tránsito de alto rendimiento, también denominados gigarouters. Estos nuevos routers, a diferencia de los convencionales, realizan muchas de sus funciones (como la búsqueda en tablas de encaminamiento, el procesamiento de cabeceras, el cálculo de códigos de redundancia cíclica, etc.) en circuitos integrados de aplicación específica en hardware, en vez de en software controlado por una unidad central de procesos. El número, el tipo y la velocidad de las interfaces de sus tarjetas de línea, se han visto así considerablemente incrementadas: OC-192/STM-64 (10 Gbps), OC-48/STM-16 (2,5 Gbps), OC-12/STM-4 (622 Mbps), OC-3/STM-1 (155 Mbps), Fast Gigabit Ethernet (1,25 Gbps), Fast Ethernet (100 Mbps), etc. Por otro lado, también se han introducido mejoras en software como avanzados algoritmos para la optimización del proceso de búsqueda en las tablas de encaminamiento o el protocolo MPLS para una rápida conmutación por etiqueta.

Por otro lado, este incremento en las necesidades de ancho de banda, ha supuesto un rápido desarrollo de WDM (Wavelength Division Multiplexing); tecnología que ofrece en la actualidad la posibilidad de transportar hasta 160 canales de 10 Gbps sobre una única fibra óptica. En efecto, la red de transporte está en estos momentos pasando por un período de transición, evolucionando desde las tradicionales redes ATM y SONET/SDH basadas en la multiplexación en el tiempo con WDM utilizado estrictamente para incrementar la capacidad de la fibra óptica, hacia una red fotónica basada en la multiplexación en frecuencia óptica; realizando no sólo el transporte, sino también la multiplexación, encaminamiento, supervisión y protección en la capa óptica. Las ventajas de una red totalmente óptica son, entre otras, una menor complejidad, una mayor transparencia respecto a las señales transportadas, un mayor ancho de banda y mayores distancias de transmisión.

De este modo, teniendo en cuenta que IP se convertirá en la base de todos los servicios de telecomunicaciones y WDM en la tecnología de transporte más utilizada, ha habido un interés creciente en la integración de IP sobre las redes fotónicas. Esta integración pasa por: conseguir un plano de control común que permita una administración de la red más sencilla y una provisión más rápida y sencilla del ancho de banda ofrecido por WDM para el tráfico IP, y encontrar un mecanismo eficiente para el transporte de los paquetes IP sobre WDM. En este artículo nos centraremos en los mecanismos de transporte de IP sobre WDM, para lo cual es necesario añadir un protocolo de nivel de enlace, ya que IP está asociado al nivel de red y WDM al nivel físico. Este nivel tendrá la misión de entramar el paquete, incluir la funcionalidad necesaria para establecer enlaces entre dos nodos, realizar una codificación de línea eficiente que impida las pérdidas de sincronismo, detectar errores de bit, etc.

EvoluciÓn de la red Óptica

La gran mayoría de las redes de las operadoras de telecomunicaciones han sido construidas utilizando un modelo de capas. En este modelo, las conexiones entre dispositivos en una capa son proporcionadas por circuitos lógicos en la capa de nivel inferior. Cada capa ha sido tradicionalmente gestionada de forma independiente, teniendo cada una de ellas sus propios requerimientos, problemas y características operacionales únicas. Este modelo ha servido para conseguir una mayor flexibilidad, ofrecer un mayor número de servicios, y utilizar más eficientemente los recursos.

No obstante, la convergencia de las tecnologías de red hacia IP, ha planteado la idea de simplificar este modelo en capas, reduciendo su número. De este modo, aunque podría reducirse en ciertos casos la flexibilidad de la red, se reduce también mucho su coste y complejidad. En efecto, el desarrollo de IP y de WDM, que han ido progresivamente adquiriendo funcionalidad inherente a otras capas, ha supuesto que la transición a un modelo de gigarouters IP conectados directamente sobre sistemas WDM sea una elección factible para algunas redes de transporte; no obstante, no es probable que sea la única opción, ya que las redes SONET/SDH y ATM están ampliamente desarrolladas e implantadas, y proporcionan varias características y servicios útiles.

Seguidamente, presentaremos algunos de los métodos disponibles o propuestos para transportar paquetes IP sobre la red WDM; teniendo presente que estos métodos no son los únicos, pero sí los más utilizados o los que más interés están suscitando. En este análisis será especialmente importante, además de la conveniencia para el transporte sobre la capa óptica, la eficiencia en ancho de banda. Dicha eficiencia del enlace de transmisión se verá afectada por cómo se hace la correspondencia de los paquetes IP en la capa WDM y por la longitud de dichos paquetes. La mayoría de los paquetes IP atravesando actualmente Internet son menores a 500 bytes, por lo que en los análisis realizados se considerará un tamaño de paquete de 350 bytes.

Esquemas de alternativas para el transporte de IP sobre WDM

Figura 1: Esquemas de alternativas para el transporte de IP sobre WDM.

IP sobre ATM sobre SDH/SONET sobre WDM

En la red de transporte de datos han existido típicamente cuatro capas: IP sobre ATM sobre SONET/SDH sobre WDM. Esta arquitectura puede estar constituida por gigarouters IP con interfaces ATM (que utilizan típicamente SONET/SDH como medio físico) conectados directamente a la red WDM, o como ocurre tradicionalmente, a través de switches ATM conectados a ADMs SONET/SDH.

IP sobre ATM sobre SONET/SDH sobre WDM

Figura 2: Ejemplo de IP sobre ATM sobre encapsulación SDH para el transporte sobre una red WDM.

El modo de transferencia asíncrono o ATM (Asyncronous Transfer Mode) estandarizado por el ITU-T es una tecnología de nivel de enlace de conmutación rápida de pequeñas celdas o paquetes de longitud fija de 53 bytes, diseñada para transportar cualquier tipo de tráfico (voz, datos, imágenes o multimedia) basándose en la calidad de servicio o QoS (Quality of Service) demandada por los usuarios finales. ATM proporciona un ancho de banda escalable que va desde los 2 Mbps a los 10 Gbps; y debido a su naturaleza asíncrona, es más eficiente que las tecnologías síncronas, tales como la multiplexación por división en el tiempo o TDM (Time Division Multiplexing) en la que se basa SONET/SDH. Las redes ATM están constituidas por switches con arquitecturas malladas.

La red óptica síncrona o SONET (Syncronous Optical NETwork) estandarizada por el ANSI para Norte América y la jerarquía digital síncrona o SDH (Synchronous Digital Hierarchy) estandarizada por el ITU-T para todo el mundo y compatible en parte con SONET, son tecnologías de transmisión por fibra óptica diseñadas  principalmente para la transmisión de voz. Estas tecnologías de nivel físico son ampliamente utilizadas, teniendo como principales características: su alta estandarización mundial, su flexibilidad, sus potentes mecanismos de protección y administración, la posibilidad de monitorización de errores y de calidad del servicio, y su compatibilidad con las tecnologías de transporte predecesoras como la jerarquía digital plesiócrona o PDH (Plesiocronous Digital Hierarchy). Estos estándares definen interfaces de tráfico denominadas STM-N (Syncronous Transport Module) para el caso de SDH, partiendo del STM-1 (155 Mbps). La compatibilidad con PDH es garantizada mediante distintos contenedores: C-11 para señales de 1,5 Mbps, C-12 para 2 Mbps, C-2 para 8 Mbps, C-3 para 34 Mbps y C-4 para 140 Mbps. Los restantes STM-N se obtienen mediante el entrelazado de bytes de varias señales STM-1. En la actualidad se encuentran disponibles comercialmente los valores de: STM-4 (622 Mbps), STM-16 (2,5 Mbps), STM-64 (10 Gbps) y, en un futuro próximo STM-256 (40 Gbps). SONET/SDH apuesta por arquitecturas en anillo, constituidas por multiplexores de extracción e inserción de señales o ADMs (Add and Drop Multiplexers). Los anillos permiten conseguir redes muy flexibles, pudiendo extraer señales tributarias del tráfico agregado en cualquiera de los ADMs, además de ofrecer potentes mecanismos de protección y restauración.

Existen varios métodos para transportar IP sobre ATM, pero el clásico consiste en segmentar los paquetes IP en celdas ATM vía AAL-5 (ATM Adaptation Layer - 5), siguiendo la RFC 1483 y la ITU-T I-363. Estas celdas ATM son generalmente transportadas en tramas SONET/SDH sobre la carga útil de uno o varios VC-4 (Virtual Container - 4) concatenados según la ITU-T G.707, aunque se podrían transportar directamente sobre WDM según la ITU-T I-432.

IP sobre SDH/SONET sobre WDM

La tecnología SONET/SDH estaba inicialmente optimizada para el transporte de tráfico de voz, pero la aparición del estándar PoS (Packet Over SONET), estandarizado en la RFC 2615 del IETF, la ha convertido también en una alternativa muy eficiente para el tráfico de datos. El esquema de una red de este tipo puede ser el de gigarouters IP que simplemente utilizan el formato de trama SONET/SDH para entramar los paquetes IP encapsulados para su transmisión directa sobre WDM, o también es posible transportar el paquete IP entramado mediante SONET/SDH sobre una red de ADMs SONET/SDH junto a otro tipo de tráfico, que utilizará luego enlaces WDM.

En efecto, PoS proporciona un método para optimizar el transporte de paquetes de datos en tramas SONET/SDH. Para ello, primero es necesario que los paquetes IP sean encapsulados en el nivel de enlace mediante PPP (Point-to-Point Protocol) según la RFC 1662, siguiendo un entramado tipo HDLC (High-level Data Link Control) según la RFC 1661. Finalmente, las tramas HDLC son transportadas sobre la carga útil de un VC-4 o varios VC-4s concatenados según la RFC 2615.

La sobrecarga promedio de PoS es únicamente de un 6%, bastante inferior a la de IP sobre ATM sobre SONET/SDH que es de un 22%, originada por la alta sobrecarga que implica ATM, principalmente para paquetes pequeños. PoS permite, además, continuar utilizando la excelente funcionalidad de conmutación de protección y de monitorización y supervisión de SONET/SDH. El problema de eliminar ATM es que se pierde flexibilidad en el manejo del ancho de banda del enlace virtual. En efecto, ATM permite, además de crear circuitos virtuales permanentes con un ancho de banda fijo desde el sistema de gestión, establecer circuitos virtuales con un ancho de banda arbitrario dinámicamente, pudiendo utilizar también multiplexación estadística para permitir a ciertos servicios acceder al ancho de banda extra para pequeñas ráfagas. Esta limitación sería resuelta con la introducción de GMPLS.

IP sobre SDH/SONET sobre WDM

Figura 3: Ejemplo de IP sobre SDH sobre WDM.

IP sobre Gigabit Ethernet sobre WDM

El estándar IEEE 802.3z o Gigabit Ethernet puede ser utilizado para extender las ampliamente implementadas redes locales Ethernet y Fast Ethernet a redes mucho más extensas (sobre todo utilizando el modo de transmisión full-duplex en vez del half-duplex basado en CSMA-CD) y de mayor capacidad, utilizando tarjetas de línea Gigabit Ethernet en los gigarouters IP, con un coste alrededor de 5 veces menor que el de las tarjetas de línea SONET/SDH para una capacidad similar. Por esta razón, Gigabit Ethernet puede ser un mecanismo interesante para el transporte de IP en anillos WDM metropolitanos o incluso de mayores distancias. Es más, los puertos 10 Gigabit Ethernet estarán disponibles comercialmente en un futuro próximo.

Gigabit Ethernet es una opción aún más interesante cuando se complementa con MPLS. El protocolo MPLS (MultiProtocol Label Switching), es un estándar recogido en la RFC 3031 del IETF, que permite integrar en IP el modo de conmutación rápido por etiquetas utilizado por ATM; además de proporcionar ingeniería del tráfico, cursar tráfico con distintas QoS, proteger ciertas rutas, crear redes privadas virtuales o VPNs (Virtual Private Networks), etc. Es decir, MPLS permite de una manera más sencilla y escalable ofrecer prácticamente la misma funcionalidad de ATM en IP y además está diseñado para operar sobre cualquier tecnología de nivel de enlace (ATM, Frame Relay y Ethernet).

Las ventajas que ofrece este método de transporte de IP sobre WDM son bajo coste, sencillez y alta escalabilidad. La principal desventaja este mecanismo de encapsulamiento es la poca eficiencia que presenta en el transporte de datos. La sobrecarga de Gigabit Ethernet es de un 28%, originada fundamentalmente en la codificación de línea 8B/10B para el transporte óptico (la velocidad de línea es por lo tanto de 1,25 Gbps en vez de 1 Gbps), necesaria para mantener el sincronismo.

IP sobre Gigabit Ethernet sobre WDM

Figura 4: Ejemplo de IP siendo transportado sobre un anillo WDM con entramado Gigabit Ethernet.

IP sobre WDM robusto

Evidentemente, la única forma de eliminar todas las limitaciones asociadas a estas arquitecturas es transportar IP directamente sobre la capa WDM con la mayor eficiencia posible, para lo cual es necesario que IP y WDM adopten la funcionalidad inherente a otras capas; en concreto, los gigarouters IP tendrían una nueva tarjeta de línea que utilizaría SDL y Digital Wrappers para el transporte óptico sobre sistemas WDM dotados de una mayor flexibilidad que los actuales.

En efecto, WDM está pasando de ser una tecnología muy estática empleada únicamente en redes punto a punto, a ser utilizada en redes en anillo muy flexibles. Durante los próximos años aparecerán los primeros R-OADMs (Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexers) capaces de extraer e insertar longitudes de onda de la fibra dinámicamente según la configuración realizada desde el sistema de gestión. Combinados con los OXCs (Optical Cross-Connects), que permiten conmutar dinámicamente las longitudes de onda desde fibras de entrada a fibras de salida, la capa WDM estará en condiciones de realizar las mismas funciones que ahora desempeña la capa SONET/SDH; creando una red óptica flexible, de alta capacidad y eficiencia y con una gestión del ancho de banda totalmente óptica.

En esta arquitectura aparece SDL (Simplified Data Link) como un nuevo protocolo de nivel de enlace propuesto por Lucent Technologies para la sustitución de HDLC, pudiendo ser utilizado sobre SONET/SDH o directamente sobre WDM. Mediante SDL se consigue una sobrecarga de únicamente el 3%. Por otro lado, los Digital Wrapper estandarizados en la G.709 del ITU-T y en proceso de implementación, se encargarían de añadir bytes de sobrecarga que soporten la gestión y el control del canal óptico, aprovechando la necesidad de regeneración electroóptica en los puntos de entrada y salida de los sistemas WDM para adaptar las longitudes de onda y posibilitar su multiplexación. La utilización de Digital Wrappers proporcionará una funcionalidad y fiabilidad semejante a la trama SONET/SDH, con la ventaja de ser totalmente transparente al tipo de interfaces utilizadas en los gigarouters que interconectan (es compatible con ATM, ESCON, Fibre Channel, SONET/SDH, etc.) y estar más adaptado a la problemática de la capa óptica, ofreciendo nuevas mejoras; como por ejemplo, el uso de FEC (Forward Error Correction), que puede mejorar significativamente la BER (Bit Error Rate) de la señal óptica minimizando la necesidad de puntos de regeneración.

Por otro lado, para mejorar el aprovechamiento del ancho de banda óptico y la funcionalidad de este esquema, es necesario un protocolo que realice la misma misión que realiza MPLS en la arquitectura de IP sobre Gigabit Ethernet. Este protocolo es GMPLS (Generalized MultiProtocol Label Switching), evolución de MPLS y en proceso de estandarización por el IETF; que soporta no sólo dispositivos de conmutación de paquetes, sino también de conmutación en el tiempo, en longitud de onda y de fibras ópticas. De esta forma, GMPLS ofrece un panel de control único e integrado y extiende la disponibilidad de recursos y gestión del ancho de banda a lo largo de todas las capas de la red; ofreciendo así una rápida provisión de servicios de cualquier tipo, en cualquier momento, con cualquier calidad de servicio, con cualquier grado de disponibilidad y con cualquier destino.


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