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PROJETOS DE REDES III – INFRAESTRUTURA DE REDES LOCAIS AULA 2 Prof. Luis José Rohling 2 CONVERSA INICIAL Conforme vimos anteriormente, para a implementação física das redes, temos três tipos de meio físico: os cabos metálicos, a fibra óptica e o ar, com o uso dos sinais de radiofrequência. Certamente a fibra óptica é a que apresenta as melhores características de desempenho para as redes de dados, já sendo amplamente utilizada no cabeamento de backbone nos projetos de infraestrutura das redes locais, além das redes de longa distância das operadoras de telecomunicações. No entanto, uma das limitações está associada ao custo dessas redes, pois o custo dos cabos já não representa uma diferença significativa em relação aos cabos UTP, principalmente se comparados aos custos dos cabos blindados. Assim, em uma instalação em que seja necessária a utilização dos cabos Cat6A para o sistema de cabeamento de backbone, certamente o cabeamento óptico terá um custo menor do que a instalação de uma infraestrutura de cabeamento blindado Cat6A. Entretanto, o custo das interfaces dos equipamentos é o que representa uma diferença significativa de custos, pois o padrão de todas as interfaces dos switches é o RJ-45 para conexão de cabos UTP e, para a conexão da fibra óptica, é necessária a aquisição dos módulos específicos, que tem um custo elevado. Essas limitações associadas ao custo das interfaces ópticas, limitando um ampla difusão da utilização das fibras ópticas em todas as redes, também impactaram nas operações das empresas de telecomunicações, que já utilizam as redes de fibras ópticas há muito tempo, porém apenas nas interligação dos equipamentos de transmissão, que formam o backbone da operadoras. Mas, para aumentar a capacidade da rede de acesso aos clientes, o uso da fibra óptica estava limitado aos serviços de maior valor agregado, que representavam um custo mensal que justificava o alto investimento nos equipamentos com interfaces ópticas. Visando ampliar o uso das fibras ópticas nas redes de acesso dos assinantes, foi desenvolvida uma nova tecnologia de transmissão em fibras ópticas, utilizando um modelo de transmissão em broadcast, em que, em uma interface são conectados diversos equipamentos terminais. Assim, temos uma redução significativa de custos, pois, no modelo tradicional de comunicação em redes ópticas, que era ponto a ponto, tínhamos uma interface óptica para cada 3 assinantes, e agora, no modelo ponto-multiponto, uma única interface poderá atender muitos usuários, reduzindo significativamente os custos. Figura 1 – Rede ponto-multiponto e ponto a ponto Fonte: Rohling, 2020. A infraestrutura tradicional de cabeamento estruturado para redes LAN, conforme já conhecemos, é do tipo ponto a ponto, em que temos uma interligação individual entre os equipamentos dos níveis hierárquicos da rede comutada através do cabeamento de backbone. Para a conexão dos equipamentos dos usuários, temos também a topologia ponto a ponto, em que temos um cabo horizontal entre o armário de telecomunicações e a área de trabalho para cada usuário. Inclusive, como a norma define a instalação de dois links para cada usuário, temos dois cabos horizontais para cada área de trabalho. Nesse modelo, a utilização de fibras ópticas no cabeamento horizontal se torna inviável do ponto de vista de custos, pois seria necessária a disponibilização de uma interface óptica no switch para cada usuário. Dessa forma, para viabilizar o uso da fibra óptica nas redes, conectando uma quantidade maior de pontos, foi o desenvolvimento de tecnologias que operam no modelo ponto-multiponto, que são as redes PON (Passive Optical Network), que estudaremos nesta aula. Nó central Clientes/Terminais Ponto-Multiponto Ponto a ponto 4 TEMA 1 – REDE ÓPTICA PASSIVA Uma rede óptica passiva (PON - Passive Optical Network) é uma rede que utiliza como meio físico a fibra óptica, em uma topologia ponto-multiponto, com divisores ópticos, permitindo estabelecer a comunicação de dados a partir de um único ponto de transmissão para vários pontos terminais de usuários. O termo rede passiva refere-se ao fato de não existir nenhum tipo de alimentação para o funcionamento dos componentes que farão a divisão das conexões e do sinal da rede. Diferente de uma rede óptica ativa, a energia elétrica só é necessária nos pontos de envio e recebimento. Assim, uma rede PON é muito mais eficiente do ponto de vista do custo de operação da rede. As redes ópticas passivas são usadas para transmitir simultaneamente sinais nas duas direções, para os pontos finais dos usuários e dos usuários para o ponto central, que são chamados de downstream e upstream. 1.1 Componentes da rede óptica passiva Na implementação da infraestrutura das redes PON, temos então a fibra óptica e os divisores ópticos, que são elementos totalmente passivos, sem necessidade de alimentação elétrica. Os divisores ópticos não apresentam diferença de funcionamento e relação ao comprimento de onda do sinal óptico, e simplesmente dividem quaisquer comprimentos de onda na direção do downstream, porém, é claro que a divisão de um sinal óptico irá representar uma perda de energia, que dependerá da maneira como um sinal é dividido em relação à quantidade de divisões realizadas. Além disso, os divisores não requerem nenhum resfriamento ou outra manutenção contínua inerente aos componentes ativos da rede, como acontece com os amplificadores ópticos e podem durar décadas se não sofrerem nenhum dano externo. Além dos componentes passivos, para a implementação da rede PON temos também os dispositivos finais ativos, que são necessários para a conexão com a rede e com o terminal do usuário. Assim, temos dois elementos distintos, que são a OLT (Optical Line Terminal) e a ONT (Optical Network Terminal). A OLT é o ponto de partida para a rede óptica passiva, que estará conectada a um switch central através de interfaces Ethernet. A função básica da OLT é converter, enquadrar e transmitir os sinais para a rede PON e coordenar o processo de multiplexação dos terminais óptico de rede, que são as 5 chamadas ONTs, para a transmissão de upstream, pois este é um processo de meio compartilhado, que precisa ser gerenciado. E podemos também encontrar a referência a esse dispositivo do usuário designado como ONU (Optical Network Unit). Essa é simplesmente uma diferença na terminologia adotada pelos dois principais órgãos de normas e padrões, sendo que o ITU-T usa o termo ONT e o IEEE designa o terminal do usuário como ONU. A ONT é o dispositivo do sistema de rede óptica passiva instalado na extremidade oposta da rede, nas instalações do usuário, sendo que este é um dispositivo ativo de rede, necessitando ser alimentado por uma fonte de energia elétrica. A ONT, por sua vez, incluirá, além da interface de conexão com a rede óptica, as portas Ethernet, para a conexão do equipamento terminal de usuário ou da rede Ethernet. Figura 2 – OLT e ONU na rede PON Fonte: Rohling, 2020. 1.2 Arquitetura da rede óptica passiva As redes PON adotam uma arquitetura ponto-multiponto, também conhecidas pela sigla P2MP, que utiliza divisores ópticos para dividir o sinal transmitido a partir de uma única OLT em vários caminhos, para chegar até os usuários finais. Esses mesmos divisores combinam os múltiplos caminhos de subida (upstream) dos usuários finais em direção à OLT. Esse modelo de rede ponto-multiponto foi escolhido como a arquitetura PON mais viável para redes OLT (Optical Line Terminal) ONU (Optical Network Unit) Downstream Upstream 6 de acesso óptico, agregando a eficiência inerente ao compartilhamento de fibras e ao baixo consumo de potência. Essa arquitetura foi padronizada em 1998 por meio da especificação ATM-PON G.983.1. Hoje, o padrãoITU-T G.984 para G- PON substituiu o padrão ATM, uma vez que o modo de transferência assíncrono (ATM) não é mais utilizado. Uma rede PON tem como ponto inicial uma OLT, que estará instalada na sede de origem do provedor de serviços, também designada como Central Office, ou também como Headend. A partir deste ponto, o cabo tronco de fibra óptica segue até um divisor passivo (splitter), juntamente com uma fibra de backup, se for implementada uma redundância. As fibras da rede de distribuição então se conectam ao cabo de acesso do cliente, que pode estar localizado em um armário de rua ou em uma caixa suspensa em um poste. As fibras de acesso do cliente, também chamadas de cabo drop, fornecem a conexão final para o usuário final, conectado a ONT/ONU. Em alguns casos, mais de um divisor é usado em série, o que é referido como uma arquitetura com divisão em cascata. Figura 3 – Arquitetura da rede PON Fonte: Rohling, 2020. Os sinais transportados na fibra de troco podem ser divididos para fornecer serviço para até 128 usuários, e a ONU/ONT fará a conversão dos sinais e fornecerá o acesso à internet para os usuários. O número de maneiras OLT (Optical Line Terminal) ONU (Optical Network Unit) Cabo tronco Splitter Rede da acesso (Cabo Drop) 7 pelas quais o sinal OLT de downstream é dividido antes de chegar ao usuário final é conhecido como a razão de divisão (split ratio), que poderá ser, por exemplo, de 1:32 ou de 1:64. Em redes de operadoras mais complexas, em que o serviço de vídeo já é atendido via RF/Satélite, em paralelo ao serviço de dados PON, ou até mesmo outros serviços adicionais, eles poderão ser integrados na mesma rede PON, utilizando os multiplexadores passivos, que serão instalados no escritório central, para misturar o comprimento de onda de vídeo com os comprimentos de onda do serviço PON, compartilhando a mesma fibra de saída da OLT. 1.3 Operação da rede óptica passiva Uma inovação que é parte integrante da operação da tecnologia de PON é a multiplexação por divisão de comprimento de onda, chamado de WDM (Wavelength Division Multiplexing), utilizado para separar os fluxos de dados com base no comprimento de onda da luz emitida pelo laser. Um comprimento de onda é utilizado para transmitir os dados de downstream, enquanto outro é usado para transportar dados de upstream. Esses comprimentos de onda dedicados, que são representados pela letra grega lambda (l) variam dependendo do padrão PON em uso e podem estar presentes simultaneamente na mesma fibra. 8 Figura 4 – Operação da rede PON Fonte: Rohling, 2020. O processo de multiplexação por divisão de tempo, que é o TDMA (Time Division Multiple Access), é outra tecnologia utilizada para alocar a largura de banda de upstream para cada usuário final, por um período de tempo específico. E esse processo é gerenciado pela OLT, evitando colisões de dados nos divisores PON ou na OLT, que poderiam ocorrer se as diversas ONTs/ONUs fizessem a transmissão de dados ao mesmo tempo. Figura 5 – O upstream na rede PON Fonte: Rohling, 2020. OLT (Optical Line Terminal) ONU (Optical Network Unit) Splitter Downstream com l1 Upstream com l2 Tempo = t1 Tempo = t2 Tempo = t3 9 1.4 Aplicações da rede óptica passiva Uma rede PON também é chamada de última milha, fazendo a conexão entre o provedor de Internet e o usuário, ou ainda de FTTX (Fiber to the X) onde a letra X tem algumas variáveis diferentes, que podem ser a casa (FTTH – Home) ou o edifício (FTTB – Building), dependendo de onde a fibra óptica é terminada. Essa infraestrutura de cabeamento reduzida, sem elementos ativos, e a flexibilidade dos parâmetros de transmissão das redes ópticas passivas tornaram-na uma solução ideal para a conexão das redes residenciais para os serviços de internet, voz e vídeo. À medida que a tecnologia PON sofreu uma evolução tecnológica, as aplicações potenciais também se expandiram. A aplicação das redes ópticas passivas também foi expandida para atender às redes de campus universitário e ambientes corporativos. Para aplicações no campus, as redes PON apresentam muitas vantagens, tais como maior velocidade de conexão, menor consumo de energia, maior confiabilidade e cobertura de maiores distâncias de acesso, mas, principalmente, um menor custo de construção e de implantação, bem como da operação e manutenção da rede. A rede PON permite a integração de diversas funções de um ambiente de campus, como a gestão predial, a segurança e a monitoração dos estacionamentos com uma estrutura reduzida de equipamentos dedicados, de cabeamento e de sistemas de gestão. Da mesma forma, ambientes corporativos de médio a grande porte também podem usufruir dos benefícios da implementação da rede PON, com os custos reduzidos de instalação e manutenção, impactando diretamente no resultado do negócio. TEMA 2 – PADRÕES PON Na infraestrutura da rede PON temos a OLT, os divisores ópticos (splitters), as ONUs e os cabos ópticos implementando a camada 1, porém, é necessária também a utilização de um protocolo de camada 2, para implementar o processo de comunicação entre a OLT e ONUs. E para essa comunicação temos diversos padrões que foram desenvolvidos ao longo do tempo. Um dos primeiros padrões foi o APON, com a utilização do protocolo ATM sobre a rede óptica passiva, sendo que o ATM já era utilizado pelas redes de dados. O APON foi publicado em 1997 e adotado pelo ITU-T no padrão G.983.1, 10 operando com uma banda simétrica de 155 Mbps, que foi aumentada para 622 Mbps em 2001. O outro padrão definido foi o BPON (Broadband PON), que não estava limitado ao protocolo ATM, ampliando a especificação para o processo de operação, administração, manutenção e provisionamento (OAM&P) da rede. No padrão APON o tráfego de downstream era realizado no comprimento de onda de 1490 nm, utilizando a multiplexação TDM, para a comunicação com até 64 ONTs. O tráfego de upstream era enviado no comprimento de onda de 1310nm, utilizando a multiplexação TDMA. E também suportava o envio de broadcast de vídeo, utilizando o comprimento de onda de 1.550 nm. Para a identificação do tráfego pela ONT era utilizado o campo VPI/VCI da célula ATM. Atualmente, temos dois padrões que são utilizados nas soluções de mercado: o EPON, que é um padrão do IEEE com downstream e upstream simétricos de 1,25 Gbps, e o GPON, que é um padrão do ITU-T, com 2,5 Gbps de downstream e 1,25 Gbps de upstream. 2.1 Padrão EPON O protocolo EPON foi desenvolvido pelo grupo de trabalho chamado de EFM (Ethernet in First Mile) e especificado no padrão IEEE 802.11ah. Utiliza o encapsulamento dos dados em quadros Ethernet, baseado na especificação IEEE 802.2 LLC, onde o foi modificado para incluir a identificação dos quadros, com o campo LLID (Logical Link Identifier). Portanto, a identificação das ONUs está baseada no LLID, pois cada LLID é único e será atribuído automaticamente após o registro da ONU na OLT. Assim, ao receber o tráfego, a OLT compara o LLID com a tabela de LLIDs registrados para identificar o remetente. E a ONU, ao receber um quadro, irá verificar o LLID e irá processar o quadro se o LLID for o seu ou se for um tráfego de broadcast, conforme mostrado na Figura 6. 11 Figura 6 – Quadros EPON Fonte: Rohling, 2020. Para realizar o controle entre a OLT e as ONUS é utilizado o protocolo MPCP (Multi-Point Control Protocol), que permite à OLT fazer a compensação das diferentes distâncias das ONUs, garantir que apenas uma ONU transmita de cada vez e realizar a varredura das ONUs, para verificar se elas possuem dados a serem enviados para a OLT. O protocolo MPCP opera em dois modos distintos: o modo de inicialização, utilizado para detectar novas ONUs conectadas à rede, fazera medição de tempo de propagação da rede e verificar os endereços MAC das ONUs, e o modo normal, que é utilizado para alocar a banda de transmissão das ONUs e fazer a manutenção da rede. No modo de inicialização, as ONUs tentam se autorregistrar, no processo chamado de Discovery, aguardando o recebimento de uma mensagem Discovery Gate, que é enviada periodicamente pela OLT, em broadcast. Ao receber a mensagem de Discovery Gate, contendo o LLID padrão ou o LLID da própria ONU, a ONU responde à mensagem recebida, fazendo a requisição de registro. E nesse processo de registro da ONU, a OLT faz a medição do tempo de ida e de retorno, que é chamado de RTT (Round Trip Time), para definir a temporização a ser utilizada no sincronismo das mensagens. Na camada física, as interfaces padronizadas para o padrão EPON são as seguintes: • 1000BASE-PX10 para distâncias de até 10 km; • 1000BASE-PX20 para distâncias de até 20 km. Em ambos os padrões, a transmissão da OLT é feita no comprimento de onda de 1490nm e a recepção no comprimento de onda de 1310 nm, sendo que a taxa de transmissão é simétrica, de 1,25 Gbps. OLT ONU ONU 12 2.2 Padrão GPON O padrão GPON está descrito nas recomendações G.984.x do ITU-T. O encapsulamento adotado é o GEM (GPON Encapsulation Method), que permite suportar outros protocolos, como ATM, Ethernet e TDM, em quadros síncronos de 125 μs. A G.984.1 apresenta as características gerais da rede GPON, sendo que a proteção prevista para a rede é a operação no modo duplex, com redundância na rede óptica da OLT até o splitter, que será do tipo 2:N. Já a especificação G.984.2 descreve a subcamada PMD (Physical Medium Dependent) e as características de transmissão do GPON, que considera o uso da fibra óptica do tipo G.652. O padrão GPON descreve a infraestrutura de rede com o termo ODN (Optical Distribution Network), em que o tráfego poderá ser no modo duplex, realizando a transmissão e a recepção na mesma fibra, ou simplex, utilizando fibras e demais componentes, tais como os divisores ópticos, separados, com uma estrutura para a transmissão e outra para a recepção. O downstream é feito no comprimento de onda de 1480 a 1500 nm para transmissão em uma única fibra ou no comprimento de onda de 1260 a 1360 nm em sistemas com duas fibras. Em ambos os casos, o upstream é feito no comprimento de onda de 1260 a 136 0nm. Para a transmissão da OLT para as ONUs podemos ter duas taxas de transmissão diferentes, que são 1244,16 Mbit/s e 2488,32 Mbit/s. Para otimizar o uso da rede e o investimento realizado, normalmente é utilizada a taxa de downstream de 2,5 Gbps. Para o tráfego de upstream também temos diversas taxas, que são 155,52 Mbit/s, 622,08 Mbit/s e 1244.16 Mbit/s. Assim como no caso do downstream, para o upstream normalmente é utilizada a maior taxa disponível, que é de 1,25 Gbps. O padrão G.684.2 também especifica os principais parâmetros para a rede PON, chamada de ODN, incluindo a recomendação da fibra óptica do tipo G.652, a atenuação máxima de rede de 20 dB até 30 dB, de acordo com a classe de transmissão dos laser utilizados, e uma distância máxima de 20 km entre a OLT e as ONUs. Para garantir o funcionamento da rede PON, são especificadas também as potências de transmissão óptica da OLT e das ONUS, de acordo com a taxa de transmissão utilizada. Assim, temos a garantia de funcionamento da 13 rede PON, independente dos fabricantes da OLT, das ONUs e dos componentes passivos, incluindo a fibra óptica e os splitters. A G.984.2 especifica ainda o cabeçalho GPON, chamado de Physical Layer Overhead, que acomoda os diversos processos físicos do GPON, sendo que o tamanho do cabeçalho dependerá da velocidade de transmissão de upstream, que será de 24 bytes para a transmissão em 2,5 Gbps. A recomendação G.984.3 especifica a camada de convergência, o que inclui a estrutura do quadro GTC (GPON transmission convergence), a operação do protocolo TDM, que é utilizado para o upstream, o mecanismo de alocação de banda e o processo de ativação da ONU. O controle de largura de banda é implementado de duas maneiras distintas. Uma forma de operação é a atribuição estática, em que a largura de banda será limitada ao valor atribuído para cada ONU, de acordo com a configuração realizada na OLT. A outra forma é a alocação dinâmica, que considera também a demanda de tráfego das ONUs, utilizando as atualizações de DBRu (Dynamic Bandwidth Report upstream) para alocar banda. No processo de downstream, a OLT envia o tráfego para as ONUs utilizando o GEM Port-ID para identificar os quadros, e as ONUs filtram o tráfego recebido, baseadas em seu próprio GEM Port-ID. Para o upstream, a alocação de banda para os diferentes Alloc-IDs é multiplexada no tempo, conforme especificado pela OLT, no mapeamento de banda transmitido para as ONUs. E cada ONU utilizará o GEM Port-ID para identificar os quadros das diferentes conexões lógicas. Para identificação das ONUs é utilizado o ONU-ID, que é um identificador de 8 bits atribuído à ONU no processo de ativação, sendo que o ONU-ID é único e permanece válido até que a ONU seja desligada, desativada pela OLT ou passe ela mesma para o modo desativado. TEMA 3 – REDE PON LAN Quando as empresas necessitam atualizar ou substituir as redes locais existentes, sempre buscam soluções que permitam melhorar o desempenho da rede, com redução de investimento e das despesas operacionais, e que forneçam alta largura de banda e que também aumentem a segurança e a confiabilidade da rede. Assim, para atender a esses requisitos, as empresas estão utilizando as Redes Ópticas Passivas (PON), também chamada de POL 14 (Passive Optical LAN). Na implantação de uma rede com tecnologia PON LAN é possível obter uma economia até 30% a 50% dos custos de investimentos, e de até 50% dos custos de operação e manutenção, com uma redução de praticamente 90% do espaço ocupado nos racks, além de um aumento significativo da segurança e da confiabilidade da rede. Uma rede LAN Óptica Passiva (PON LAN) é uma infraestrutura de rede de camada 2, implementada com a tecnologia de redes ópticas passivas (PON), que fornece serviços convergentes de dados, voz e vídeo com taxa de transmissão de gigabit com a utilização de uma única fibra óptica até o local de trabalho do usuário. Para ilustrar melhor a implementação de uma rede PON LAN, podemos identificar as semelhanças com a solução tradicional das redes metálicas, realizando a comparação entre estas duas tecnologias. 3.1 Fibra óptica na rede Ethernet Em uma rede LAN tradicional, baseada em cabos metálicos e no protocolo Ethernet, temos um switch principal, na camada de núcleo da rede, chamado de switch core, que será instalado na sala de equipamentos, sendo o ponto central de conexão da rede interna e da conexão com os equipamentos para a comunicação com a rede externa e de segurança, tal como o firewall ou o roteador. O switch core será, então, conectado aos switches da camada de distribuição, através do cabeamento de backbone. Nessa camada da rede, podemos ter o uso da fibra óptica, porém, com um custo elevado dos módulos de interfaces ópticas a serem instalados no switch core e nos switches de distribuição. Os switches de distribuição são, então, conectados aos switches da camada de acesso, instalados nos armários de telecomunicações, através do cabeamento que ainda pertence à camada de backbone. A partir dos armários de telecomunicações, teremos os cabos UTP, que se estendem até os usuários e dispositivos finais, através do cabeamento horizontal. 15 Figura 7 – A rede padrão Ethernet Fonte: Rohling, 2020. 3.2 Rede PON LAN Em uma solução de LAN óptica passiva, o roteador e o firewall são mantidos para a conexão com a rede externa, mas o switch core poderá ser substituído pela OLT, queconcentrará as conexões das camadas de distribuição SW CORE SW de distribuição SW de acesso Sala de equipamentos AT1 AT2 SW de acesso SW5 SW6 SW1 SW2 SW3 SW4 Work area Backbone com cabo UTP Cabeamento horizontal (UTP) Backbone em fibra óptica 16 e de acesso. A camada de distribuição dos andares, ou dos edifícios em uma rede de campus, será realizada pelos divisores ópticos, que podem ser do tipo 1:32, por exemplo, ou até mesmo do tipo 2:32 para redundância de equipamentos e diversidade de rota de fibra. Como o divisor óptico é um dispositivo passivo, não há necessidade de energia elétrica, sendo um dispositivo sem necessidade de operação e altamente confiável. E as ONUs/ONTs é que fornecerão a conectividade aos usuários e dispositivos finais. No entanto, tanto na solução tradicional, de cabeamento metálico e switches, quanto na rede PON LAN, o acesso à rede de dados é disponibilizado por meio de uma interface Ethernet para o usuário e dispositivos terminais, pois as ONUs possuem pelo menos uma interface Ethernet, além da interface PON. Portanto, nenhuma reconfiguração dos equipamentos dos usuários é necessária para a implementação de uma infraestrutura de rede PON em substituição à rede tradicional que está em uso. Assim, as empresas podem implantar uma rede LAN óptica passiva em uma topologia de fibra até a área de trabalho ou até os armários de telecomunicações. Um hardware de distribuição de fibras, chamado de DIO (Distribuidor Interno Óptico) pode ser equipado com um divisor óptico, e instalado em cada andar, permitindo o encaminhamento da rede de fibra até as ONUs em todo o edifício. A topologia com a rede de fibra apenas até os armários ou salas de telecomunicações permite o reaproveitamento dos cabos de cobre existentes entre os armários de telecomunicações e as áreas de trabalho. A ONT utilizada em uma rede LAN óptica passiva possui todas as funcionalidades de camada 2 necessárias, permitindo a sua operação efetivamente como um switch Ethernet integrado, incluindo o recurso de VLAN necessário para a segmentação de rede, bem como as funcionalidades de segurança, tais como a filtragem do tráfego e autenticação do usuário. Portanto, como a ONT funciona exatamente como um switch Ethernet, é possível que uma empresa substitua uma rede Ethernet comutada pela rede PON. 17 Figura 8 – A rede PON LAN Fonte: Rohling, 2020. Splitter Sala de equipamentos AT1 AT4 Work area Cabeamento de backbone Cabeamento horizontal OLT AT3 AT2 AT3 ONU Ethernet 18 TEMA 4 – TOPOLOGIA DAS REDES PON LAN Como a rede PON LAN significa apenas uma mudança de tecnologia, o projeto dessa rede deverá continuar atendendo às regras de projeto de cabeamento estruturado especificadas pelas normas pertinentes. Inclusive, conforme visto no tópico anterior, a interligação entre a OLT e as ONUs atende ao modelo de topologia hierárquica em estrela, por meio das conexões com os divisores ópticos e o cabeamento horizontal e de backbone. Mesmo seguindo as recomendações das normas de cabeamento estruturado, a tecnologia de LAN óptica passiva permite uma redução significativa dos custos de infraestrutura de cabeamento entre a sala de equipamentos e as áreas de trabalho, reduzindo significativamente o número de cabos instalados, bem como obtendo uma diminuição dos custos operacionais e da complexidade da rede. Figura 9 – Os componentes do cabeamento estruturado Fonte: Rohling, 2020. Entrada de facilidades Sala de equipamentos Armário de Telecom Área de trabalho Cabeamento horizontal Cabeamento de backbone Área de trabalho Armário de Telecom Área de trabalho Área de trabalho Térreo 1º Andar 2º Andar 19 Considerando o modelo ilustrado na figura anterior, para o cabeamento de backbone no modelo de rede Ethernet, teríamos a interligação da sala de equipamentos com os armários de telecomunicações através de cabos UTP, preferencialmente de categoria 6A, porém, os cabos dessa categoria normalmente são do tipo blindados, tendo um custo elevado de instalação. A outra opção de cabeamento de backbone é a utilização de fibras ópticas, que apresentam um custo menor de instalação dos cabos, pois são mais compactos e mais fáceis de instalar, reduzindo a complexidade da infraestrutura para a instalação dos cabos, e necessitando de apenas duas fibras para a conexão. Porém, apesar do menor custo em relação à infraestrutura e ao cabeamento, apresenta um custo elevado das interfaces ópticas para a conexão com os switches. Já na solução de rede PON LAN o cabeamento de backbone será implementado com um cabo óptico, como na rede Ethernet, porém sem o custo elevado das interfaces. Na rede PON, uma porta da OLT poderá conectar vários armários de telecomunicações, o que é diferente do modelo tradicional, em que teremos uma porta do switch core para a conexão de cada armário de telecomunicações. Teremos também uma redução na quantidade de fibras ópticas, pois a conexão com os divisores ópticos é feita com apenas uma fibra óptica, o que é diferente das conexões entre os switches, que necessitam de duas fibras ópticas para a comunicação duplex. Além disso, temos diversos modelos de ONT, que suportam diversos tipos de conexões, tais como uma interface gigabit Ethernet, interface telefônica e de conexão de vídeo em RF. Esta capacidade de fornecimento de diversos serviços, de forma integrada, permitirá a conexão de sistemas de automação predial e das câmeras de segurança em uma mesma infraestrutura, eliminando os sistemas de conexão separados para cada uma dessas tecnologias. Dessa forma, o cabeamento horizontal atenderá a todos os sistemas no edifício comercial, reduzindo o custo de operação e manutenção em outros tipos de redes, unificando o processo de gerenciamento da rede, aumentando a segurança e a disponibilidade da infraestrutura de rede. Além disso, a infraestrutura da rede PON também reduz significativamente o custo de hardware na implementação da rede, eliminando os switches de distribuição e de acesso. Assim, em cada um dos armários de telecomunicações, instalados em cada um dos andares do edifício, teremos a instalação de um ou mais divisores ópticos, de acordo com a quantidade de 20 pontos a serem atendidos por cada um desses armários. Além disso, como as ONUs podem ter diversas interfaces de conexão com os equipamentos dos usuários, teremos também uma redução da quantidade de cabos a serem instalados no cabeamento horizontal. Por exemplo, se tivermos uma ONU com duas portas Ethernet e duas portas de telefonia do tipo FXS, poderemos conectar quatro equipamentos de usuário com apenas uma fibra óptica. Figura 10 – A conexão dos equipamentos de usuário Fonte: Rohling, 2020. Assim, a implantação de uma rede PON LAN irá reduzir os espações ocupados para os componentes do cabeamento estruturado, pois não haverá mais a necessidade de uma sala para a instalação dos equipamentos da camada de acesso e de distribuição, reduzindo as despesas operacionais e demais ONU Cabeamento horizontal Rede PON – 1 FO MUTOA Cabeamento horizontal Rede Ethernet – 4 x UTP 21 custos, tais como sistema de prevenção e combate à incêndio, segurança e HVAC. Além disso, a menor ocupação de espaço associado à tecnologia Lan óptica passiva permite o aumento do desempenho e da implantação de serviços de última geração em armários de comunicação menores, que não haviam sido projetados originalmente para equipamentos de comunicação avançados. Uma LAN tradicional, baseada em cobre, que atende até 2.016 usuários demanda um espaço de 90 unidades de rack, onde os switches Ethernet LAN necessitarão de um rack completo para sua instalação e mais dois racks adicionais para acomodar a grande quantidade de cabos de cabosde cobre associados aos dispositivos de conexão e de manobra, que são os patch panels. Comparativamente, uma rede PON LAN, para atender até 7.700 usuários, considerando uma densidade 90% maior da OLT, precisaria apenas de 1 rack de equipamento, com uma ocupação de apenas 9 unidades de rack. E assim, poderia ainda comportar a instalação do roteador e do firewall neste mesmo rack. Desse modo, a sala de equipamentos também seria reduzida significativamente, necessitando de um espaço para acomodação de apenas um rack. Na solução tradicional, teríamos a necessidade de um espação para a instalação de no mínimo três racks. Além disso, uma PON LAN utilizará uma menor quantidade de armários de comunicação e, em alguns casos, poderemos ter uma eliminação total desses armários. Além disso, como a tecnologia de redes PON utiliza uma fibra monomodo, ela pode atingir até 20 quilômetros de distância, permitindo a redução ou eliminação de repetidores, switches e armários de telecomunicações, inclusive permitindo implantar uma OLT em um único local central. TEMA 5 – PROJETO DE REDE PON LAN Para a elaboração de um projeto de rede PON LAN, é necessário definir qual será o protocolo a ser utilizado, para permitir realizar a especificação técnica dos equipamentos. Assim, temos duas opções de protocolos, que são o EPON e o GPON. Uma das principais diferenças é taxa de transmissão, pois o protocolo GPON opera com uma taxa de até 2,5 Gbps de downstream e 1,25 Gbps de upstream e o EPON uma taxa de 1,25 Gbps tanto para o downstream quanto para o upstream. Dessa forma, para atendermos a uma maior quantidade de 22 pontos, ou com uma maior taxa de transmissão por usuário, podemos adotar as soluções baseadas no protocolo GPON. No entanto, como a tecnologia EPON possui uma maior compatibilidade com o padrão Ethernet, pois utiliza uma estrutura de quadro bastante semelhante, esse padrão também é amplamente difundido no mercado. Assim, muitas empresas optam pelo padrão EPON para manter a compatibilidade com o padrão já adotado em outros países, onde já haviam instalado esse tipo de rede inicialmente, tais como as empresas multinacionais que já utilizam o EPON em sua matriz, por exemplo. Portanto, a escolha da tecnologia deve levar em conta não apenas a capacidade de transmissão de dados, mas também os aspectos relacionados aos custos de operação e de manutenção da rede. No mercado nacional, como as empresas que adotaram inicialmente a tecnologia PON foram os provedores de internet, e os padrões da área de telecomunicações no Brasil segue o padrão europeu, a tecnologia escolhida foi o padrão ITU-T, que é o GPON. Assim, a formação técnica e a disseminação dessa tecnologia no mercado nacional foi baseada no GPON, o que facilita o processo de aquisição dos componentes e de contratação de profissionais para a implementação das soluções baseadas no protocolo GPON. 5.1 Especificação da OLT O equipamento central da rede, que é a OLT, normalmente possui diversas portas ópticas, permitindo a expansão da rede. Inclusive alguns equipamentos possuem portas do tipo SFP, de modo que as interfaces ópticas, que apresentam um custo significativo, sejam adquiridas de acordo com a expansão da rede. Assim, por exemplo, podemos iniciar a implantação da rede PON LAN com uma OLT de 8 portas, do tipo SFP, conforme ilustrado na figura abaixo, adquirindo apenas os módulos ópticos para alimentar os pontos iniciais da rede. 23 Figura 11 – Exemplo de OLT Crédito: VS_Vadim/Shutterstock. Nesse exemplo, temos uma OLT com 8 portas GPON, do tipo SFP, permitindo a expansão da rede gradativamente. Como cada interface óptica da OLT poderá atender até 128 ONUs, podemos atender até 1024 ONUs quando ocupadas todas as portas. Para a conexão com o roteador, com o firewall, ou até mesmo com outros switches, temos as portas Ethernet para conexão da cabos UTP, ou até mesmo através de fibra óptica, com as portas SFP Ethernet. Em projetos com diversos edifícios, que são as redes de campus, podemos ter inclusive apenas uma OLT, alocando uma ou mais portas ópticas para atender cada um dos edifícios, pois o sinal óptico na rede PON pode atingir uma distância de até 20 km entre a OLT e a ONU. Figura 12 – Rede PON LAN de campus Fonte: Rohling, 2020. OLT Cabeamento de backbone 24 5.2 Divisores ópticos O outro componente da rede PON é o divisor óptico, que pode ser instalado em até dois níveis de divisão da rede. E como cada interface óptica da OLT poderá atender até 128 ONUs, a taxa de divisão da rede deverá atender essa limitação. Assim, poderíamos ter, por exemplo, uma combinação de um divisor óptico inicial com uma taxa de divisão de 1:4 e em um segundo nível de divisão um splitter com uma razão de 1:32. Nesse exemplo, se utilizarmos ONUs com 2 interfaces Ethernet cada, poderíamos conectar um total de 256 computadores a essa rede. A instalação do splitter de primeiro nível poderá ser feita na própria sala de equipamentos, junto à OLT, acomodado dentro do próprio DIO. O splitter de segundo nível, por sua vez, poderá ser instalado nos armários de telecomunicações, também acomodado no DIO, por exemplo. A interligação entre os dois níveis de será feito pelo cabeamento de backbone, conforme as normas de cabeamento estruturado. Em uma topologia de campus, por exemplo, conforme mostrada anteriormente, podemos então utilizar como referência o modelo de estrutura genérica do cabeamento estruturado, definido pela ISO 11801, e que também serve de base para a TIA568 e NBR 14.565, mostrado na figura abaixo. Figura 13 – Estrutura genérica do cabeamento estruturado Fonte: Rohling, 2020. Assim, a OLT ficará instalada na sala de equipamentos, onde estará o distribuidor de campus (CD), implementado pelo DIO, em que é feita a terminação do cabeamento óptico que segue para os demais edifícios do 25 campus. Nesse DIO, teremos a terminação e a conectorização dos cabos de backbone de campus, permitindo a manobra dos cordões ópticos para a sua conexão com as portas da OLT. Caso um dos edifícios não necessite de uma porta dedicada da OLT, poderemos ter a instalação de um divisor óptico já no distribuidor de campus, permitindo a conexão de mais de um edifício à mesma porta da OLT. Tendo-se uma porta da OLT dedicada para cada edifício do campus, a instalação do primeiro nível de divisão óptica (splitter) será feita no distribuidor de edifício (BD), e o segundo nível de divisão óptica será feita no distribuidor de piso (FD), dentro dos armários de telecomunicações. 5.3 Cabeamento Na infraestrutura de cabeamento estruturado, para uma rede PON LAN em um edifício comercial, a terminação do cabeamento de backbone deverá ser realizada no equipamento de manobra, que é o distribuidor interno óptico, conforme definido em norma. Inclusive, esse padrão já era empregado no cabeamento estruturado tradicional, quando utilizada a fibra óptica para a interligação dos switches de acesso, e de distribuição, ao switch core da rede, porém, no caso da rede PON LAN, na sala de equipamentos o cabo de backbone será conectado à OLT ou à saída do splitter de primeiro nível. Nos armários de telecomunicações, o cabo de backbone será conectado à entrada do splitter de segundo nível, que fará o papel do switch de acesso. Essas conexões, de acordo com a norma de cabeamento estruturado, deverão ser feitas com o uso dos cordões de manobra, conectando os splitters aos DIOs, pois estes são os distribuidores definidos na topologia hierárquica da rede. 26 Figura 14 – Arquitetura da rede PON LAN Fonte: Rohling, 2020. No caso da rede de campus, a principal diferença é que o cabeamento de backbone de campus deverá necessariamente ser implementado com o uso de cabos ópticos externos, que possuem umaproteção adicional para a instalação neste tipo de ambiente. A infraestrutura para a instalação de cabos externos poderá ser do tipo subterrânea, através de dutos e caixas de passagem, ou do tipo aérea, com fixação em postes. No entanto, é necessária a definição do tipo de infraestrutura para a aquisição do cabo adequado. O cabeamento horizontal também deverá seguir as recomendações das normas de cabeamento estruturado, com a sua terminação nas áreas de trabalho em uma tomada de telecomunicações. No entanto, como não existem tomadas fêmeas nas conexões ópticas, devemos ter um acoplador óptico, que será fixado no espelho da tomada, sendo realizada a conectorização do cabo horizontal, que será fixado no adaptador. Como a tecnologia GPON já é amplamente empregada Área de trabalho Cabeamento horizontal Cabeamento de backbone Área de trabalho Área de trabalho Área de trabalho Térreo 1º andar 2º andar OLT 27 nas redes de acesso pelos provedores de acesso à internet, esse tipo de conectores já é facilmente encontrado no mercado. Para o cabeamento horizontal, a fibra óptica a ser utilizada é a fibra monomodo, mesmo em se tratando de pequenas distâncias, pois a tecnologia GPON opera com esse tipo de fibra. O padrão de conectores utilizados nas redes GPON é o conector do tipo SC, com o polimento APC, que é um polimento do tipo angular. Esse padrão de polimento foi definido por apresentar uma menor perda de acoplamento, pois em redes de acesso, para atingir a distância de até 20 km, a atenuação das conexões ópticas se torna significativa. Figura 15 – Conector SC da rede PON LAN Crédito: Teodor Costachioiu/Shutterstock. 5.4 Flexibilidade da rede PON LAN Uma das grandes vantagens da rede PON LAN é a flexibilidade na sua expansão, pois a alocação ne novos componentes ou a mudança dos elementos de distribuição já instalados é muito mais fácil do que nas redes Ethernet tradicionais. Essa flexibilidade já se inicia com o modelo de conexão da OLT, que apresenta as interfaces do tipo SFP, que permitem a aquisição dos módulos ópticos, que representam um custo significativo no projeto, de maneira progressiva, realizando-se o investimento à medida que temos o crescimento da quantidade de pontos na rede. Com as interfaces Ethernet, é possível a conexão de outros equipamentos que necessitam estar acessíveis para toda a rede, tais como os servidores, dispensando o investimento em um switch para esses equipamentos e conectando-os já na camada de núcleo da rede. Além disso, normalmente as OLTs para as redes PON LAN já disponibilizam os recursos de 28 um swicth core Ethernet, permitindo a configuração da segmentação da rede com o uso das VLANs, bem como as demais funcionalidades dos protocolos de gerenciamento e de segurança de redes. No entanto, a maior flexibilidade está associada ao processo de divisão do sinal óptico com os dispositivos passivos, o que permite a reconfiguração das conexões da rede de forma muito simples. Comparativamente, em uma rede com switches Ethernet, caso seja necessária a instalação de mais um ponto de rede em um armário cujo switch já esteja com todas as suas portas ocupadas, será necessária a instalação de mais um switch, o que poderá impactar também na troca do rack, no redimensionamento da alimentação de energia elétrica e eventualmente até na instalação e conectorização de mais um cabo da rede de backbone. Além disso, em caso de uma troca de rack, poderemos ainda ter um tempo de indisponibilidade elevado para todos os demais pontos conectados neste armário de telecomunicações, até a conclusão da mudança. Mas para uma rede PON LAN, a expansão da rede seria feita com a instalação de mais um divisor óptico no armário de telecomunicações, o que não impacta em aumento de espaço ou de consumo de energia. Ou, no pior caso, se for necessária a instalação de mais um DIO, para acomodar a expansão do cabeamento horizontal, esse mesmo DIO poderá ser utilizado para acomodar o novo divisor óptico. Dessa forma, a expansão da rede PON LAN será realizada em um tempo muito menor, sem causar a indisponibilidade dos demais pontos de rede e provavelmente sem necessitar de uma troca de rack. Inclusive, como o DIO poderá acomodar o splitter, precisamos de apenas mais uma unidade de rack para a expansão da rede, que acomodará o cabeamento horizontal e o divisor óptico. No caso da rede Ethernet, seria necessária a instalação de um patch panel para o cabeamento horizontal, de um organizador de cabos, de um swicth e provavelmente de uma tampa cega para o espaçamento entre esses dois elementos. Assim, necessitaríamos de mais quatro unidade de rack (4 UR) para esta expansão para a rede Ethernet e de apenas uma unidade de rack (1 UR) com a rede PON LAN. Outro aspecto associado às facilidades do uso de divisores ópticos, nas redes PON LAN, é que podemos fazer a alocação do primeiro e segundo nível de splitters de acordo com a expansão da rede. Assim, podemos inicialmente, por exemplo, instalar um primeiro nível de splitter de 1:4 junto à OLT, na sala de 29 equipamentos. Um dos quatro splitters que serão conectados às saídas desse primeiro nível poderá também ser instalado na sala de equipamentos, que atenderá os pontos deste andar. Os outros três splitters serão instalados nos demais armários de telecomunicações. Quando for esgotada a capacidade de atendimento de uma interface da OLT, será necessária a ativação de uma nova interface óptica, porém, não é necessária a instalação de todos os splitters neste primeiro momento. Assim, por exemplo, poderíamos instalar um splitter de 1:32 no andar onde for necessária a expansão, conectando-o diretamente à saída da OLT, sem a necessidade de um primeiro nível de divisão óptica do tipo 1:4. E apenas quando for necessária a expansão em outro andar, é que seria instalado o primeiro nível de divisão, refazendo-se a conexão do primeiro splitter instalado, migrando-o para a saída deste divisor do tipo 1:4. Para permitir essas alterações de conexões e a flexibilidade da topologia da rede, o cabeamento de backbone da rede PON LAN deverá ser implementado com o uso de cabos com seis fibras ópticas, que mesmo com uma maior quantidade de fibras continua sendo extremamente compacto, necessitando de uma infraestrutura bastante simples para sua instalação. Assim, caso seja necessária a conexão de mais um splitter, tanto no primeiro quanto no segundo nível de divisão óptica, teremos esta flexibilidade garantida. Inclusive, caso ocorra a expansão do número de pontos em um determinado andar, poderá ser possível a instalação do primeiro e segundo nível, nesse mesmo andar, fazendo- se a conexão do cabo de backbone diretamente com a saída de uma porta óptica da OLT. Assim, faríamos a relocação do splitter que estava na sala de equipamentos para o armário de telecomunicações. FINALIZANDO As tecnologias de redes LAN evoluíram dos cabos coaxiais para a infraestrutura de cabos UTP, a qual, com a evolução das categorias, permitiu a ampliação das larguras de banda significativamente, dos 2 Mbps das primeiras tecnologias Ethernet com cabo coaxial até a casa de 10 Gbps, com os cabos categoria 6A. No entanto, para superar as limitações físicas da transmissão em meio metálico, as estruturas do cabo e da conectorização tornaram-se mais complexas, e uma falha da instalação e montagem da rede e dos conectores pode comprometer significativamente o desempenho. Assim, para continuar 30 aumentando a capacidade de transmissão das redes sem aumentar a complexidade da instalação da infraestrutura da rede, a solução é a migração do meio físico, com a utilização das fibras ópticas. Como a tecnologia de redes ópticas também sofreu uma grande evolução tecnológica, ocorreu uma convergência entre a evolução da rede óptica utilizada para as conexõesem redes de longa distância, nas redes WAN, com a necessidade de evolução da rede LAN, principalmente em relação ao aumento da largura de banda da rede, porém com um custo viável para a sua aplicação no cabeamento estruturado utilizado pelas empresas. A tecnologia de redes ópticas já estava sendo empregada nos projetos de cabeamento estruturado, porém normalmente restrito às conexões de backbone, cujo custo do investimento na rede e nas interfaces ópticas já era viável. No entanto, na tecnologia convencional das conexões Ethernet, a conexão do cabeamento estruturado com fibra óptica até as áreas de trabalho ainda não representa uma solução viável, tanto em termos de custos quanto da necessidade de uma interface no dispositivo do usuário. Dessa forma, a tecnologia de redes PON se tornou uma alternativa viável para a utilização da fibra óptica em toda a infraestrutura do cabeamento estruturado, incluindo o cabeamento de backbone e o cabeamento horizontal, com um custo acessível. Para diferenciar a implementação da solução PON nas redes LAN, é adotado o termo PON LAN ou POL, pois os requisitos de projeto deverão atender às especificações das normas de cabeamento estruturado, que diferem dos projetos de rede PON para fornecimento de acesso à Internet nas redes WAN. Inclusive, em termos de investimento, em redes com mais de 500 pontos muito provavelmente a solução de PON LAN terá um custo total menor do que as redes tradicionais, considerando-se o custo dos equipamentos, incluindo o switch core, os switches de distribuição e os switches de acesso, bem como todo o custo com os cabos UTP. Em uma rede PON LAN, teremos o investimento na OLT e nas ONUs, porém, não teremos mais os switches, pois a agregação das conexões será feita com os divisores ópticos. O cabeamento horizontal será muito mais compacto, com a utilização de uma quantidade muito menor de cabos, o que impactará significativamente no custo total do projeto. Considerando-se a possível expansão da rede, essa diferença de custos será ainda maior. 31 Portanto, para a elaboração de novos projetos de infraestrutura de cabeamento estruturado, bem como para um eventual troca das infraestrutura em função de sua obsolescência, certamente deve ser considerada a utilização da tecnologia PON LAN, que, além de um possível custo menor de instalação, também permitirá uma expansão flexível da rede, inclusive de aumento de largura de banda, pois a fibra óptica utilizada para a rede PON suporta larguras de banda muito maiores, bastando a troca de tecnologia. Dessa forma, o investimento na infraestrutura do cabeamento horizontal e de backbone permitirá que seja feita apenas a troca dos equipamentos OLT e ONUs para maiores largura de banda, sem necessidade da troca dos cabos, como ocorre com os cabos metálicos. Por isso, a rede PON também é chamada de rede à prova de futuro. 32 REFERÊNCIAS CHAPPELL, L. Diagnosticando redes: Cisco Internetwork Troubleshooting. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2002. MAIA, L. P. Arquitetura de redes de computadores. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. PINHEIRO, J. Redes ópticas de acesso em telecomunicações. Rio de Janeiro: LTC, 2016 TANEMBAUM, A. S. Redes de computadores. 2. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2011.
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