Redes ópticas síncronas

La Red Óptica Síncrona ( SONET ) y la Jerarquía Digital Síncrona ( SDH ) son protocolos estandarizados que transfieren múltiples flujos de bits digitales de forma síncrona a través de fibra óptica mediante láseres o luz altamente coherente proveniente de diodos emisores de luz (LED). A bajas velocidades de transmisión , los datos también pueden transferirse mediante una interfaz eléctrica. Este método se desarrolló para reemplazar el sistema de jerarquía digital plesiócrona (PDH) y transportar grandes volúmenes de llamadas telefónicas y tráfico de datos a través de la misma fibra, sin los problemas de sincronización.

SONET y SDH, que son esencialmente lo mismo, fueron diseñados originalmente para transportar comunicaciones en modo circuito , por ejemplo, DS1 y DS3 , desde diversas fuentes. Sin embargo, su diseño principal era admitir voz en tiempo real, sin comprimir, conmutada por circuito y codificada en formato PCM . ^{[ 1 ]} La principal dificultad para lograr esto antes de SONET/SDH radicaba en que las fuentes de sincronización de estos circuitos eran diferentes. Esto significaba que cada circuito operaba a una velocidad ligeramente distinta y con una fase diferente. SONET/SDH permitió el transporte simultáneo de muchos circuitos diferentes de distinto origen dentro de un único protocolo de trama. SONET/SDH no es un protocolo de comunicaciones completo en sí mismo, sino un protocolo de transporte (no un "transporte" en el sentido del modelo OSI ).

Debido a la neutralidad de protocolo esencial de SONET/SDH y sus características orientadas al transporte, SONET/SDH fue la opción preferida para transportar las tramas del Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) de longitud fija, también conocidas como celdas. Rápidamente evolucionó con estructuras de mapeo y contenedores de carga útil concatenados para transportar conexiones ATM. En otras palabras, para ATM (y posteriormente para otros protocolos como Ethernet ), la compleja estructura interna utilizada anteriormente para transportar conexiones orientadas a circuitos se eliminó y se reemplazó por una trama grande y concatenada (como STS-3c) en la que se colocan celdas ATM, paquetes IP o tramas Ethernet.

Tanto SDH como SONET se utilizan ampliamente en la actualidad: SONET en Estados Unidos y Canadá , y SDH en el resto del mundo. Si bien los estándares SONET se desarrollaron antes que SDH, se considera una variante de SDH debido a su mayor penetración en el mercado mundial. SONET se subdivide en cuatro subcapas, que incluyen factores como la ruta, la línea, la sección y la capa física.

El estándar SDH fue definido originalmente por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) y se formaliza como los estándares de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) G.707, ^{[ 2 ]} G.783 , ^{[ 3 ]} G.784, ^{[ 4 ]} y G.803. ^{[ 5 ] [ 6 ]} El estándar SONET fue definido por Telcordia ^{[ 7 ]} y el estándar T1.105 del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). ^{[ 6 ] [ 8 ]} que definen el conjunto de formatos de transmisión y velocidades de transmisión en el rango superior a 51.840  Mbit/s.

SDH se diferencia de la Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH) en que las velocidades exactas utilizadas para transportar los datos en SONET/SDH están sincronizadas con precisión en toda la red mediante relojes atómicos . Este sistema de sincronización permite que redes interpaíses enteras operen de forma síncrona, reduciendo considerablemente la cantidad de almacenamiento en búfer necesaria entre los elementos de la red. Tanto SONET como SDH pueden utilizarse para encapsular estándares de transmisión digital anteriores, como el estándar PDH, o para admitir directamente el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) o la denominada red de paquetes sobre SONET/SDH (POS). Por lo tanto, es incorrecto considerar a SDH o SONET como protocolos de comunicación en sí mismos; son contenedores de transporte genéricos y de propósito general para la transmisión de voz y datos. El formato básico de una señal SONET/SDH le permite transportar muchos servicios diferentes en su contenedor virtual (VC), gracias a su flexibilidad de ancho de banda.

SONET y SDH suelen usar términos diferentes para describir características o funciones idénticas. Esto puede generar confusión y exagerar sus diferencias. Salvo algunas excepciones, SDH puede considerarse un superconjunto de SONET.

SONET es un conjunto de contenedores de transporte que permiten la transmisión de diversos protocolos, incluyendo telefonía tradicional, ATM, Ethernet y tráfico TCP/IP. Por lo tanto, SONET no es un protocolo de comunicaciones nativo y no debe confundirse con un protocolo necesariamente orientado a la conexión, en el sentido habitual del término.

El protocolo es una estructura altamente multiplexada, con la cabecera intercalada entre los datos de forma compleja. Esto permite que los datos encapsulados tengan su propia velocidad de trama y puedan "flotar" con respecto a la estructura y velocidad de trama SDH/SONET. Este intercalado permite una latencia muy baja para los datos encapsulados. Los datos que pasan por el equipo pueden retrasarse como máximo 32 μs , en comparación con una velocidad de trama de 125 μs; en muchos protocolos de la competencia, que almacenan en búfer los datos durante dichos tránsitos durante al menos una trama o paquete antes de enviarlos. Se permite un relleno adicional para que los datos multiplexados se muevan dentro de la trama general, ya que los datos se sincronizan a una velocidad diferente a la de la trama. El protocolo se vuelve más complejo debido a la decisión de permitir este relleno en la mayoría de los niveles de la estructura de multiplexación, pero mejora el rendimiento general.  

La unidad básica de trama en SDH es un STM-1 (Módulo de Transporte Síncrono, nivel 1), que opera a 155,520 megabits por segundo (Mbit/s). SONET se refiere a esta unidad básica como STS-3c (Señal de Transporte Síncrono 3, concatenada). Cuando el STS-3c se transmite a través de OC-3, se suele denominar coloquialmente OC-3c , pero esta no es una designación oficial dentro del estándar SONET, ya que no existe ninguna diferencia en la capa física (es decir, óptica) entre un STS-3c y tres STS-1 transmitidos dentro de un OC-3.

SONET ofrece una unidad básica de transmisión adicional, la STS-1 (Señal de Transporte Síncrono 1) u OC-1 , que opera a 51,84 Mbit/s, exactamente un tercio de una portadora STM-1/STS-3c/OC-3c. Esta velocidad está determinada por los requisitos de ancho de banda para las señales de voz telefónicas codificadas en PCM: a esta velocidad, un circuito STS-1/OC-1 puede transportar el ancho de banda equivalente a un canal DS-3 estándar , que puede transportar 672 canales de voz de 64 kbit/s. ^{[ 1 ]} En SONET, la señal STS-3c se compone de tres señales STS-1 multiplexadas; la STS-3c puede transportarse en una señal OC-3. Algunos fabricantes también admiten el equivalente SDH de la STS-1/OC-1, conocido como STM-0.

Marco SDH

La trama del Módulo de Transporte Síncrono, nivel 1 (STM-1) es el formato de transmisión básico para SDH, el primer nivel de la jerarquía digital síncrona. La trama STM-1 se transmite en exactamente 125 μs ; por lo tanto, hay 8000 tramas por segundo en un circuito de fibra óptica OC-3 de 155,52 Mbit/s. ^{[ nb 1 ]} La trama STM-1 consta de una cabecera y punteros, además de la carga útil de información. Las primeras nueve columnas de cada trama conforman la cabecera de sección y los punteros de la unidad administrativa, y las últimas 261 columnas conforman la carga útil de información. Los punteros (bytes H1, H2, H3) identifican las unidades administrativas (AU) dentro de la carga útil de información. Por lo tanto, un circuito OC-3 puede transportar 150,336 Mbit/s de carga útil, después de tener en cuenta la cabecera. ^{[ nb 2 ]}   

Dentro de la carga útil de información, que posee su propia estructura de marco de nueve filas y 261 columnas, se encuentran las unidades administrativas identificadas por punteros. Dentro de cada unidad administrativa también se encuentran uno o más contenedores virtuales (VC). Los VC contienen la información de sobrecarga de la ruta y la carga útil del VC. La primera columna corresponde a la información de sobrecarga de la ruta; a continuación, se encuentra el contenedor de carga útil, que a su vez puede contener otros contenedores. Las unidades administrativas pueden tener cualquier alineación de fase dentro del marco STM, y esta alineación se indica mediante el puntero en la cuarta fila.

La cabecera de sección (SOH) de una señal STM-1 se divide en dos partes: la cabecera de sección del regenerador (RSOH) y la cabecera de sección del multiplexor (MSOH). Estas cabeceras contienen información del propio sistema de transmisión, que se utiliza para una amplia gama de funciones de gestión, como la monitorización de la calidad de la transmisión, la detección de fallos, la gestión de alarmas, los canales de comunicación de datos , los canales de servicio, etc.

La trama STM es continua y se transmite de forma serial: byte a byte, fila a fila.

Transporte aéreo

La sobrecarga de transporte se utiliza para señalizar y medir las tasas de error de transmisión , y se compone de la siguiente manera:

Sección superior

Denominada sección superior del regenerador (RSOH, por sus siglas en inglés) en la terminología SDH: 27 octetos que contienen información sobre la estructura del bastidor requerida por el equipo terminal .

Línea aérea

Denominada sección de multiplexación (MSOH) en SDH: 45 octetos que contienen información sobre corrección de errores y mensajes de conmutación de protección automática (p. ej., alarmas y mensajes de mantenimiento) según sea necesario dentro de la red. La corrección de errores está incluida para STM-16 y versiones posteriores. ^{[ 9 ]}

puntero de la unidad administrativa (UA)

Apunta a la ubicación del byte J1 en la carga útil (el primer byte en el contenedor virtual). ^{[ 10 ]}

sobre virtual de ruta

Los datos transmitidos de extremo a extremo se denominan datos de ruta . Se componen de dos componentes:

Sobrecarga de carga útil (POH)

Se utilizan 9 octetos para la señalización de extremo a extremo y la medición de errores.

Carga útil

Datos de usuario (774 bytes para STM-0/STS-1 o 2430 octetos para STM-1/STS-3c)

Para STS-1, la carga útil se denomina sobre de carga útil síncrona (SPE), que a su vez tiene 18 bytes de relleno, lo que da como resultado una capacidad de carga útil de STS-1 de 756 bytes. ^{[ 11 ]}

La carga útil del STS-1 está diseñada para transportar una trama DS3 PDH completa . Cuando la trama DS3 entra en una red SONET, se añade una sobrecarga de ruta, y se dice que ese elemento de red SONET (NE) es un generador y terminador de ruta . El NE SONET termina la línea si procesa la sobrecarga de línea. Cabe destacar que dondequiera que se termine la línea o la ruta, también se termina la sección. Los regeneradores SONET terminan la sección, pero no las rutas ni la línea.

Una carga útil STS-1 también puede subdividirse en siete grupos tributarios virtuales (VTG). Cada VTG puede subdividirse a su vez en cuatro señales VT1.5 , cada una de las cuales puede transportar una señal PDH DS1 . Alternativamente, un VTG puede subdividirse en tres señales VT2 , cada una de las cuales puede transportar una señal PDH E1 . El equivalente SDH de un VTG es un TUG-2; VT1.5 es equivalente a VC-11, y VT2 es equivalente a VC-12.

Tres señales STS-1 pueden multiplexarse ​​mediante multiplexación por división de tiempo para formar el siguiente nivel de la jerarquía SONET, el OC-3 (STS-3), que funciona a 155,52  Mbit/s. La señal se multiplexa intercalando los bytes de las tres tramas STS-1 para formar la trama STS-3, que contiene 2430 bytes y se transmite en 125 μs . 

Los circuitos de mayor velocidad se forman agregando sucesivamente múltiplos de circuitos más lentos, y su velocidad siempre resulta evidente a partir de su designación. Por ejemplo, cuatro señales STS-3 o AU4 se pueden agregar para formar una  señal de 622,08 Mbit/s denominada OC-12 o STM-4 .

La velocidad más alta comúnmente desplegada es el circuito OC-768 o STM-256 , que opera a una velocidad de poco menos de 38,5  Gbit/s. ^{[ 12 ]} Cuando el agotamiento de la fibra es una preocupación, se pueden transportar múltiples señales SONET a través de múltiples longitudes de onda en un solo par de fibra mediante multiplexación por división de longitud de onda , incluyendo multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) y multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM). Los circuitos DWDM son la base de todos los sistemas modernos de cables de comunicaciones submarinos y otros circuitos de larga distancia. ^{[ 13 ]}

Otro tipo de circuito de red de datos de alta velocidad es Ethernet de 10 Gigabit (10GbE). La Gigabit Ethernet Alliance creó dos variantes de Ethernet de 10 Gigabit: una variante de área local ( LAN PHY ) con una velocidad de línea de 10,3125  Gbit/s y una variante de área amplia ( WAN PHY ) con la misma velocidad de línea que OC-192/STM-64 (9.953.280  kbit/s). ^{[ 14 ]}

La variante WAN PHY encapsula los datos Ethernet utilizando una trama SDH/SONET ligera, para que sea compatible a bajo nivel con equipos diseñados para transportar señales SDH/SONET, mientras que la variante LAN PHY encapsula los datos Ethernet utilizando codificación de línea de 64B/66B .

Sin embargo, Ethernet de 10 Gigabit no ofrece explícitamente ninguna interoperabilidad a nivel de flujo de bits con otros sistemas SDH/SONET. Esto difiere de los transpondedores de sistemas WDM, incluidos los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda gruesa y densa (CWDM y DWDM) que actualmente admiten señales SONET OC-192, las cuales normalmente pueden admitir Ethernet de 10 Gigabit con trama SONET delgada.

El rendimiento del usuario no debe restar la sobrecarga de la ruta al ancho de banda de la carga útil, pero el ancho de banda de sobrecarga de la ruta es variable en función de los tipos de interconexiones construidas a lo largo del sistema óptico.

Nótese que la progresión de la velocidad de datos comienza en 155  Mbit/s y aumenta en múltiplos de cuatro. La única excepción es OC-24, que está estandarizado en ANSI T1.105, pero no es una velocidad estándar SDH en ITU-T G.707. ^{[ 2 ] [ 8 ]} Otras velocidades, como OC-9, OC-18, OC-36, OC-96 y OC-1536, están definidas pero no se implementan comúnmente; la mayoría se consideran velocidades huérfanas. ^{[ 1 ] [ 15 ] [ 16 ]}

La capa física se refiere a la primera capa en el modelo de red OSI. ^{[ 17 ]} Las capas ATM y SDH son el nivel de sección regeneradora, el nivel de línea digital , el nivel de ruta de transmisión, el nivel de ruta virtual y el nivel de canal virtual. ^{[ 18 ]} La capa física se modela en tres entidades principales: ruta de transmisión, línea digital y la sección regeneradora. ^{[ 19 ]} La sección regeneradora se refiere a las capas de sección y fotónica. La capa fotónica es la capa SONET más baja y es responsable de transmitir los bits al medio físico. La capa de sección es responsable de generar las tramas STS-N adecuadas que se transmitirán a través del medio físico. Se ocupa de cuestiones como el encuadre adecuado, la monitorización de errores, el mantenimiento de la sección y el orderwire.

La capa de línea garantiza el transporte fiable de la carga útil y la sobrecarga generada por la capa de ruta. Proporciona sincronización y multiplexación para múltiples rutas. Modifica los bits de sobrecarga relacionados con el control de calidad. La capa de ruta es la capa de nivel más alto de SONET. Recibe los datos que se van a transmitir y los transforma en las señales que requiere la capa de línea, y añade o modifica los bits de sobrecarga de ruta para la monitorización del rendimiento y la conmutación de protección. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Gracias a los avances en los chipsets SONET y SDH, las categorías tradicionales de elementos de red ya no están tan diferenciadas. Sin embargo, dado que las arquitecturas de red se han mantenido relativamente constantes, incluso los equipos más recientes (incluidas las plataformas de aprovisionamiento multiservicio ) pueden analizarse en función de las arquitecturas que soportan. Por lo tanto, resulta útil considerar tanto los equipos nuevos como los tradicionales dentro de las categorías anteriores.

SONET y SDH cuentan con un número limitado de arquitecturas definidas. Estas arquitecturas permiten un uso eficiente del ancho de banda, así como protección (es decir, la capacidad de transmitir tráfico incluso cuando falla parte de la red), y son fundamentales para el despliegue mundial de SONET y SDH en la transmisión de tráfico digital. Cada conexión SDH/SONET en la capa física óptica utiliza dos fibras ópticas, independientemente de la velocidad de transmisión.

Las fuentes de reloj utilizadas para la sincronización en redes de telecomunicaciones se clasifican por calidad, comúnmente denominada estrato . ^{[ 26 ]} Por lo general, un elemento de red utiliza el estrato de mayor calidad disponible, que se puede determinar mediante el monitoreo de los mensajes de estado de sincronización (SSM) de las fuentes de reloj seleccionadas.

Las fuentes de sincronización disponibles para un elemento de red son:

Sincronización externa local

Esto se genera mediante un reloj atómico de cesio o un reloj derivado de satélite, a través de un dispositivo ubicado en la misma central que el elemento de red. La interfaz suele ser una DS1, cuyos mensajes de estado de sincronización son proporcionados por el reloj y almacenados en la cabecera de la DS1.

Sincronización derivada de la línea

Un elemento de red puede optar por (o configurarse para) derivar su temporización del nivel de línea, monitorizando los bytes de estado de sincronización S1 para garantizar la calidad.

Vestigio

Como último recurso, en ausencia de una sincronización de mayor calidad, un elemento de red puede entrar en modo de espera hasta que vuelva a estar disponible una sincronización externa de mayor calidad. En este modo, el elemento de red utiliza sus propios circuitos de sincronización como referencia.

El desarrollo de SONET/SDH surgió de la necesidad de transportar múltiples señales PDH (como DS1, E1, DS3 y E3) junto con otros grupos de tráfico de voz modulado por impulsos codificados  (PCM) multiplexado a 64 kbit/s . Otra aplicación temprana fue la capacidad de transportar tráfico ATM. Para admitir grandes anchos de banda ATM, se desarrolló la concatenación, mediante la cual contenedores de multiplexación más pequeños (por ejemplo, STS-1) se multiplexan inversamente para construir un contenedor más grande (por ejemplo, STS-3c) que admita grandes canales orientados a datos.

Sin embargo, uno de los problemas de la concatenación tradicional es su inflexibilidad. Dependiendo de la combinación de tráfico de datos y voz que se deba transmitir, puede quedar una gran cantidad de ancho de banda sin usar debido a los tamaños fijos de los contenedores concatenados. Por ejemplo, alojar una conexión Fast Ethernet  de 100 Mbit/s dentro de un contenedor STS-3c de 155 Mbit/s genera un desperdicio considerable. Más importante aún es la necesidad de que todos los elementos de red intermedios admitan los nuevos tamaños de concatenación. Este problema se superó con la introducción de la concatenación virtual. 

La concatenación virtual (VCAT) permite un ensamblaje más arbitrario de contenedores de multiplexación de orden inferior, creando contenedores más grandes de tamaño bastante variable (por ejemplo, 100  Mbit/s) sin necesidad de elementos de red intermedios que soporten esta forma particular de concatenación. La concatenación virtual utiliza los protocolos X.86 o GFP ( Generic Framing Procedure ) para asignar cargas útiles de ancho de banda arbitrario al contenedor virtualmente concatenado.

El esquema de ajuste de capacidad de enlace (LCAS) permite cambiar dinámicamente el ancho de banda mediante concatenación virtual dinámica, multiplexando contenedores en función de las necesidades de ancho de banda a corto plazo en la red.

El conjunto de protocolos SONET/SDH de próxima generación que permiten el transporte Ethernet se denomina Ethernet sobre SONET/SDH (EoS).

SONET/SDH era utilizado por los proveedores de acceso a internet para grandes clientes y ya no es competitivo en el suministro de circuitos privados. Su desarrollo se ha estancado durante la última década (2020) y tanto los proveedores de equipos como los operadores de redes SONET/SDH están migrando a otras tecnologías como OTN y Ethernet de área amplia.

British Telecom ha cerrado recientemente (marzo de 2020) sus productos KiloStream y Mega Stream, que eran los últimos usos a gran escala de la red BT SDH. BT también ha cesado las nuevas conexiones a su red SDH, lo que indica una próxima retirada de los servicios. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

• Lista de anchos de banda de los dispositivos
• Enrutamiento y asignación de longitud de onda
• Redes ópticas multilongitud de onda
• Red de malla óptica
• Red de transporte óptico
• Indicación de error remoto
• G.709
• Transmux
• acceso a Internet

• Comprensión de SONET/SDH
• Manual básico de SDH/SONET de la Universidad Queen's de Belfast. Archivado el 20 de septiembre de 2005 en Wayback Machine.
• Manual de bolsillo sobre trastornos del lenguaje subjetivo de Acterna/JDSU
• Manual de bolsillo SONET de Acterna/JDSU
• Página principal de Sonet
• Formulario de interoperabilidad SONET (SIF)
• Referencia de velocidades de conexión de red
• Sistemas de audio para personas con discapacidad auditiva de próxima generación: el futuro se presenta prometedor.
• El futuro de SONET/SDH Archivado el 14 de junio de 2006 en Wayback Machine (pdf)
• Telcordia GR-253-CORE, Sistemas de transporte SONET: Criterios genéricos comunes
• Telcordia GR-499-CORE, Requisitos genéricos de sistemas de transporte (TSGR): Requisitos comunes
• ANSI T1.105: SONET - Descripción básica que incluye estructura de multiplexación, velocidades y formatos.
• ANSI T1.119/ATIS PP 0900119.01.2006: SONET - Operaciones, Administración, Mantenimiento y Aprovisionamiento (OAM&P) - Comunicaciones
• Recomendación G.707 de la UIT-T: Interfaz de nodo de red para la jerarquía digital síncrona (SDH)
• Recomendación G.783 de la UIT-T: Características de los bloques funcionales de equipos de jerarquía digital síncrona (SDH).
• Recomendación G.803 de la UIT-T: Arquitectura de redes de transporte basada en la jerarquía digital síncrona (SDH)