En el anterior artículo se describieron las principales características y algunos aspectos de arquitectura de las redes ópticas basadas en el estándar SONET/SDH. En este artículo se analizan las arquitecturas básicas de redes ópticas SONET/SDH basadas en anillos y mallas, con especial atención a los mecanismos de protección. Asimismo, se trata la introducción de WDM en estas arquitecturas y su evolución hacia redes ópticas con conmutación de longitud de onda, donde la gestión del tráfico se realiza a nivel de la capa óptica. Por último, se esboza la evolución hacia redes completamente ópticas, lo cual será contenido de futuros artículos que analizarán la tendencia que siguen las redes ópticas en los últimos años.

Anillos SONET/SDH

Los anillos SONET/SDH son la arquitectura de red más común debido a su implementación relativamente simple y a su fácil gestión. El elemento clave para la construcción de anillos SONET/SDH es el ADM (add-drop multiplexer). Como se comentó en el anterior artículo, un ADM puede insertar o extraer señales STS-1 o VTs individualmente, a la vez que permite el paso del resto del tráfico sin ningún tipo de procesamiento costoso. Adicionalmente, también se encarga de realizar diversas funciones para mantener la supervivencia de la red. Estos anillos SONET/SDH basados en ADMs pueden interconectarse posteriormente entre sí por medio de DXCs (digital cross-connects) mediante topologías de anillos o árboles de anillos.

Existen tres tipos de configuraciones de anillos estandarizadas y que se conocen como: anillo unidireccional con conmutación de ruta (UPSR, unidirectional path-switched ring), anillo bidireccional de dos fibras con conmutación de línea (BLSR/2, two-fiber bidirectional line-switched ring) y anillo bidireccional de cuatro fibras con conmutación de línea (four-fiber bidirectional line-switched ring). Así, un UPSR consiste en dos anillos de fibra que propagan las señales de forma unidireccional y sentidos contrarios. La protección se consigue enviando simultáneamente dos copias idénticas de la señal sobre los dos anillos. Posteriormente, en el destino se selecciona la señal del anillo con mejor calidad, basándose en la monitorización de ciertos parámetros de las señales. Este mecanismo de protección se conoce como conmutación 1+1, y no requiere ningún tipo de comunicación entre los diferentes nodos de la red. Por lo tanto, puede implementarse fácilmente y permite la recuperación de la forma más rápida.

No obstante, el UPSR no utiliza el ancho de banda eficientemente. El requisito de ancho de banda del UPSR sobre un tramo de fibra situado entre dos nodos es el máximo, ya que no es posible reutilizar el ancho de banda de ninguna forma. Resulta imposible transmitir tráfico extra porque la capacidad destinada a la protección se encuentra siempre reservada para una posible conmutación. La arquitectura UPSR alcanza su máxima eficiencia cuando todo el tráfico del anillo se encamina entre un nodo concentrador y otros nodos remotos, es decir, un modelo de tráfico centralizado. Esta arquitectura es pues adecuada para redes de acceso.

Por otra parte, un BLSR/2 consiste en dos anillos formados cada uno de ellos por dos fibras. Las señales de cada uno de los anillos viajan en sentido contrario. Al mismo tiempo, la mitad de la capacidad de cada anillo se utiliza para transportar el tráfico de la red (capacidad de trabajo), mientras que la otra mitad se reserva como protección (capacidad de protección). Así, los canales operativos de un anillo se protegen con los canales de protección del otro anillo. Evidentemente, como todavía no se está hablando de WDM, estos canales se identifican desde un punto de vista temporal (multiplexación TDM). Por ejemplo, en un anillo OC-n el tráfico a transmitir se coloca en las primeras n/2 ranuras temporales STS-1, sirviendo de protección las restantes n/2 ranuras temporales STS-1. A diferencia de la protección 1+1, aquí en un determinado instante de tiempo sólo se transmite una copia de las señales.

En una situación normal, las señales se transmiten utilizando únicamente la capacidad de trabajo, mientras que la capacidad de protección puede utilizarse para transportar tráfico extra de baja prioridad (acceso de protección). En caso de fallo en algún enlace, la situación se restaura por medio de la conmutación del anillo. La detección de posibles fallos se realiza mediante la monitorización de ciertos parámetros a nivel físico que determinan la calidad o la pérdida del canal de señal. Cuando se detecta la pérdida de la señal o un nivel de calidad inaceptable, el mecanismo de protección/conmutación debe coordinarse entre los dos nodos adyacentes al enlace que ha fallado. La coordinación se realiza mediante el intercambio de mensajes APS (automatic protection switching) siguiendo un determinado protocolo. Estos mensajes APS se transportan sobre los canales que transportan el tráfico de protección.

El número máximo de nodos en un BLSR/2 no debe exceder de 16 debido a que se utiliza un campo de tan sólo 4 bits en los mensajes ASP para identificar a los nodos. Esta limitación de tamaño de los anillos también permite asegurar un tiempo de restauración inferior a 50 ms. La localización de cada nodo debe conocerse por cada uno de los otros nodos del anillo por medio de un mapa de red. La arquitectura BLSR/2 proporciona cierta flexibilidad para liberar de tráfico tramos de fibra saturados y, de este modo, soporta una carga máxima mayor que en el caso de un UPSR. En la literatura se pueden encontrar diversos algoritmos de enrutamiento del tráfico para minimizar la carga del anillo. De todos modos, la utilización de ancho de banda del BLSR/2 depende del modelo de tráfico del anillo. La mayor eficiencia en la utilización del ancho de banda se consigue para el caso de redes metropolitanas.

Por último, un BLSR/4 utiliza cuatro anillos de fibra. Dos de los anillos de fibra con diferentes sentidos de propagación se dedican a la capacidad de trabajo, mientras que los otros dos se destinan al tráfico de protección. El tráfico se envía normalmente a través de los anillos de trabajo hasta la utilización máxima de estas fibras. Se permite además acceso de protección como en BLSR/2. Debido a la separación entre los anillos de trabajo y de protección, BLSR/4 soporta tanto conmutación de tramo (directamente entre dos nodos) como conmutación de anillo (a lo largo de la ruta más larga entre dos nodos). Su funcionamiento es muy similar al caso de BLSR/2, existiendo un protocolo de intercambio de mensajes APS. El entorno más apropiado para la utilización de BLSR/4 es en el caso de redes metropolitanas de largo alcance, ya que duplica el ancho de banda de utilización y posee un grado mayor de protección. En la tabla I se resumen las características de cada uno de estos anillos.

TABLA I. Comparativa entre los diferentes anillos SONET/SDH.

Redes SONET/SDH en malla

La topología del núcleo de las redes de transporte ópticas ha sido históricamente en malla, interconectando entre sí los DXCs por medio de enlaces de fibra punto a punto. De hecho, las redes SONET/SDH en malla proporcionan mecanismos de protección y restauración más económicos que en el caso de los anillos. Cuando ocurre algún corte, el DXC conmuta las conexiones de los enlaces fallidos y las enruta hacia otros enlaces con capacidad disponible. La topología en malla proporciona flexibilidad en el uso de la capacidad de la fibra, en contraposición al requisito del 100 % de capacidad de protección de los anillos. Además, la mayor conectividad de la topología en malla le confiere una mayor supervivencia que en el caso de los anillos, los cuales en general pueden restaurar solamente un único fallo en un nodo o un enlace.

En la práctica, se han propuesto multitud de mecanismos de restauración para redes en malla genéricas. Estos mecanismos pueden clasificarse desde diversos puntos de vista: en función de los métodos de cálculo y ejecución de la ruta (centralizado frente a distribuido), en función del tipo de reenrutado (basado en enlace o ruta) y en función del tiempo de cálculo (precalculado o en tiempo real) después de que se ha producido el fallo.

Introducción de WDM

La aparentemente ilimitada capacidad proporcionada por las redes ópticas SONET/SDH comenzó a saturarse a mediados de los 90. Cuando se instalaron las primeras fibras, el tráfico transportado por estas redes era fundamentalmente de voz. Una ruta de fibra típica podía estar formada por 16 fibras, y rara vez se instalaban 32. Sin embargo, la explosión de Internet y de las aplicaciones multimedia ha provocado un crecimiento del tráfico a un ritmo imparable, de tal forma que la demanda de ancho de banda está ya cerca de la capacidad máxima de algunas redes. Para solucionar estos problemas se tienen dos posibles soluciones: instalar más fibra, o bien desplegar WDM en combinación con TDM.

La instalación de nuevas fibras es una solución adecuada para los nuevos proveedores de servicio o para aquellos que desean hacer crecer su infraestructura de red de forma sustancial. Sin embargo, resulta un proceso muy lento y costoso para la mayoría de los proveedores de servicio. En cambio, WDM se ha demostrado como una forma inmediata y asequible de aumentar el ancho de banda de la infraestructura de fibra instalada sin necesidad de realizar fuertes inversiones en nuevas rutas de fibra. Como paso inicial, puede desplegarse WDM sobre tramos individuales de una red SONET/SDH que se encuentran congestionados debido a grandes demandas de tráfico. Esto resulta especialmente útil cuando múltiples anillos se intersectan entre dos nodos. Dado que la red SONET/SDH continúa funcionando como si fuera la única aplicación en la fibra, se preserva la inversión realizada en el equipamiento TDM existente. Con la introducción de WDM, se pueden añadir progresivamente nuevas aplicaciones a nuevas longitudes de onda sin afectar al tráfico SONET/SDH existente. Por ejemplo, se pueden apilar varios anillos SONET/SDH sobre un anillo físico de fibra óptica, cada uno de los cuales transporta una longitud de onda distinta.

En estos enlaces punto a punto WDM, la mayoría de las funcionalidades de red, incluyendo la protección y la restauración, se realizan por parte de los sistemas TDM subyacentes que emplean el tramo WDM. Dado que los equipos terminales, tales como ADMs y DXCs, pueden manejar solamente el tráfico de una longitud de onda, estos equipos TDM terminales proliferan de forma geométrica en un sistema de transporte WDM. Evidentemente, los requisitos de espacio y potencia de estos equipos generan enormes costes de operación. Además, conforme aumenta el número de enlaces y canales WDM, la gestión de red es más compleja. En definitiva, cuando se despliegan más fibras y longitudes de onda, resulta necesario manejar la capacidad a nivel óptico.

Así, del mismo modo que los ADMs y DXCs SONET/SDH surgieron para manejar la capacidad en la capa eléctrica, los OADMs (optical add-drop multiplexers) y OXCs (optical cross-connects) surgen para manejar la capacidad en la capa óptica. Los OADMs permiten insertar y extraer longitudes de onda individuales, y cada nodo procesa sólo las longitudes de onda que necesita acceder. Por lo tanto, el coste de cada nodo es en cierto modo independiente de la velocidad de la red. Los OADMs se utilizan normalmente en anillos WDM y realizan, de forma similar a los ADMs, funciones de monitorización de prestaciones y de restablecimiento frente a fallos. Los anillos WDM presentan, en este caso, ligeras diferencias respecto a los esquemas comentados con anterioridad (por ejemplo, ahora se habla de canales ópticos en lugar de ranuras TDM).

Los OXCs, en cambio, ofrecen capacidades de gestión de ancho de banda mayores que en el caso de los OADMs. Así, realizan funciones tales como conmutación a nivel de longitud de onda, multiplexación y demultiplexación de canales, monitorización de longitud de onda y, opcionalmente, conversión de longitud de onda. Adicionalmente, se encargan de reconfigurar las redes para nuevos servicios, cambios en los modelos de tráfico o restablecimiento en caso de fallos.

La implantación de OADMs y OXCs para la gestión del ancho de banda crea redes ópticas reales. Estas redes se conocen habitualmente como redes ópticas con conmutación de longitud de onda. Además, cuando los nodos realizan todas las funciones directamente en el dominio óptico, estas redes también se conocen como redes completamente ópticas (all-optical networks). Construidas sobre las redes SONET/SDH existentes, las redes ópticas con conmutación de longitud de onda suelen adoptar las arquitecturas de anillos WDM basados en OADMs o mallas WDM basadas en OXCs. No obstante, se debe evitar pensar que aquello que se ha hecho para SONET/SDH resulta directamente aplicable a las redes de transporte ópticas. Todavía existen aspectos técnicos que tienen gran repercusión en el diseño de las arquitecturas de las redes ópticas, como por ejemplo la conversión de longitud de onda, la monitorización y medida de las prestaciones ópticas o el transporte de información OAM&P (Operations, Administration, Maintenance and Provisioning).

Últimamente, los equipos de red están evolucionando del esquema de protección de SONET hacia redes en malla más eficientes y flexibles. Las redes en malla permiten un crecimiento más organizado a lo largo de las rutas con mayor tráfico. Aunque estas redes deben estar también preparadas para ofrecer protección a nivel de SONET, los mecanismos de protección pueden trasladarse a la capa óptica. El principal beneficio que se obtiene al realizar la protección a nivel de la capa óptica es el desarrollo de una plataforma común, donde pueden confluir datos de diferentes protocolos y velocidades. De este modo, se tiene múltiples niveles de protección que son compatibles y complementarios entre sí.

En una red en malla, la restauración de las rutas es crítica. Con velocidades tan altas como 40 Gbit/s y sistemas DWDM que permiten cientos de rutas a través de una sola fibra, la pérdida de datos como consecuencia del corte de un enlace o el fallo de un nodo puede ser masiva. Adicionalmente, las redes en malla permiten diferentes esquemas de protección dependiendo del tipo particular de tráfico. Así, a diferencia de los anillos SONET donde se requiere una ruta de protección para cada línea activa, aquí una ruta de protección puede compartirse entre varias líneas.