Rede Corporativa – Arquitetura GPON vs Ethernet Tradicional

As redes de acesso passivas nas arquiteturas FTTx já não é novidade para ninguém, trata-se de uma tecnologia consagrada e amplamente utilizada por provedores de serviços de diversos níveis no Brasil e no mundo. As redes ópticas passivas (PONs), às vezes chamadas de redes locais ópticas passivas (POLs), estão ganhando força no ambiente corporativo como um meio de aproximar a fibra óptica do usuário final, aumentando a segurança da rede, economizando espaço e fornecendo uma infraestrutura mais verde e sustentável.

Neste artigo apresento a arquitetura dos POLs no ambiente corporativo, aproveitando a tecnologia de rede óptica passiva Gigabit (GPON).  Isso irá te ajudar a responder à pergunta:

Devo considerar uma arquitetura POL ao invés de uma rede Ethernet tradicional?

As redes corporativas estão enfrentando mudanças disruptivas causadas pelo uso de aplicativos baseados na Internet versus aplicativos corporativos, aumentando o conteúdo de vídeo, a integração de serviços de voz na LAN (Local Area Network) e a transição de LANs com e sem fio. A capacidade de aumentar a largura de banda, embora seja o principal agente que causa mudanças disruptivas, não é o único. Outros agentes de mudança incluem a necessidade de:

  • Acomodar conectividade com e sem fio
  • Suportar serviços de voz, vídeo e dados
  • Migrar do perímetro para a segurança baseada em funções
  • Reduzir tarefas de operações de rede que exigem muito trabalho
  • Implantar soluções ambientalmente amigáveis.

Seja um site corporativo existente ou um novo site corporativo, uma organização tem a oportunidade de reduzir drasticamente o Custo Total de Propriedade (TCO), migrando para uma Rede Óptica Passiva baseada na tecnologia GPON, em vez de continuar com o uso tradicional de dois ou três soluções Ethernet comutada de dois ou três níveis.

A tecnologia GPON é usada para estabelecer uma infraestrutura passiva que não requer energia elétrica nos nós intermediários entre a agregação e os nós do usuário. A LAN óptica passiva está sendo adotada em ritmo acelerado por grandes clientes de LAN corporativos e governamentais, atraídos pelos benefícios de uma economia significativa de custos. A migração para uma rede local de alto desempenho não significa pagar mais em custos de equipamentos ou consumo de energia. Uma nova geração de tecnologia de LAN óptica passiva reduz os custos de longo prazo, ao mesmo tempo em que oferece todos os benefícios de desempenho esperados das redes ópticas.

Para implementação de uma nova LAN corporativa a empresa deve atender a três requisitos, muitas vezes conflitantes. As restrições orçamentárias determinavam a necessidade de controlar os custos iniciais e de longo prazo da rede. No entanto, os negócios corporativos também necessitam utiliza a tecnologia mais recente – em termos de velocidade, funcionalidade e segurança da rede – de maneira a permitir a evolução econômica das redes, acompanhando os inevitáveis avanços da tecnologia. Finalmente, como uma empresa com consciência ambiental, buscar caminhos mais ecológico possível para alcançar os outros dois objetivos, ou seja, implantando LANs que reduzissem o consumo de energia das organizações.

O que é POL (Passive Optical LAN)?

A LAN ótica passiva é alternativa à infraestrutura de LAN tradicional baseada em cobre. Ele é coberto pelo padrão da indústria ITU-T G984.x (Gigabit-capable passive optical networks), que é baseado na tecnologia GPON, usando um Método de Encapsulamento Genérico (GEM) que suporta o transporte de dados Ethernet, ATM e TDM. O POL permite a entrega de redes unificadas altamente seguras, fornecendo voz, dados e qualquer tipo de vídeo IP em uma única fibra.

As redes ópticas passivas de velocidade de gigabit usam fibra de modo único, conectando o terminal de linha ótica de headend (OLT) através de um ou mais divisores ópticos passivos a vários pontos de extremidade chamados ONTs (terminais de rede óptica). O GPON fornece 2,5 Gbps de largura de banda para cada ONT. O ONT converte sinais ópticos nos sinais usados ​​na fiação predial, como Ethernet e serviço telefônico analógico simples com fio. Cada PON pode incorporar de 1:1 a 1:128 divisões e depende das taxas de informações confirmadas e de pico. Na prática, a maioria das PONs é implantada com uma proporção de divisão de 1:32 ou 1:64. Distâncias de até 20 km com uma divisão de 32 vias podem ser suportadas. A tecnologia é considerada “passiva” porque a transmissão é alimentada diretamente da OLT para a ONT e não há comutação ou roteamento entre elas.

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O que é GPON?

GPON é uma arquitetura de rede multisserviço não fragmentada da Camada 2 que complementa os serviços da Camada 3 oferecidos por um comutador principal por meio de VLANs nativas ou marcadas, suporte SIP nativo e visibilidade, controle e gerenciamento de bit, porta e segmento.

Ele aproveita a multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), usando um comprimento de onda (1490nm) para o tráfego downstream de 2,5G e outro (1310nm) para o tráfego upstream de 1,2G em uma única fibra. O comprimento de onda de 1550 nm é reservado para serviços opcionais de sobreposição, geralmente vídeo RF (analógico).

GPON é uma tecnologia point-multi-point que oferece segmentação de portas e bits para Qualidade de Serviço (QoS) garantida. O GPON não transmite broadcast, em vez disso, distribui todos os sinais downstream por meio de conexões ponto a ponto virtuais seguras, que utilizam criptografia AES-128 entre a OLT e a ONT. Os sinais upstream são combinados usando um protocolo de acesso múltiplo, geralmente acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) ou um esquema dinâmico de alocação de largura de banda, que impede que os quadros de dados de diferentes usuários interfiram entre si.

Uma porta Ethernet GPON que conecta-se a um telefone VoIP opera da mesma maneira que uma rede comutada tradicional. Se o ONT estiver configurado para oferecer suporte a QoS para a conexão VoIP, ele suportará essa taxa de bits. Se for necessária capacidade de porta adicional, é uma simples questão de configurar a capacidade da porta para os serviços necessários. O tráfego GPON flui de maneira simétrica dentro de segmentos e VLANs atribuídos. Até 4000 VLANs são suportadas por OLT. ONTs configurados para uma VLAN não podem ser trocados por outra VLAN ou segmento a qualquer momento. Isso melhora a segurança, a capacidade de gerenciamento e o desempenho da rede.

Uma tecnologia de desempenho excepcional

Quando o GPON é projetado corretamente com o Peak and Committed Information Rate PIR/CIR, segmentado por VLAN e serviço para QoS, e estabelecido de acordo com a capacidade de entrada para incluir o switch principal, o desempenho será excepcional em grande parte pela eliminação da fragmentação do switch. As taxas de bits GPON são configuradas de acordo com os requisitos de QoS para determinados serviços. Uma rede GPON totalmente integrada na verdade reduz o número de sistemas de gerenciamento de rede separados e requisitos de largura de banda em um data center ou armário de cabeamento.

O GPON fornece convergência de voz, dados, vídeo IP e RF, POTS, segurança, vigilância, alarmes, sistemas ambientais e sistemas de controle de acesso em uma única rede, utilizando os recursos avançados de segurança de QoS, classe de serviço e mecanismos de VLAN.

O chassi GPON (OLT) é acompanhado por uma estação de trabalho de gerenciamento (Element Management System) que apresenta uma interface gráfica do usuário (GUI) e uma interface de linha de comando (CLI) para fins de configuração.

A capacidade de gerenciar níveis de bit, porta e energia em todo o sistema, em VLANs e grupos e até portas individuais fornece garantia de desempenho que simplesmente não está disponível nas configurações de rede comutada herdadas. Os GPON ONTs estão disponíveis com Power over Ethernet (PoE), nas configurações padrão IEEE 802.3af de baixa potência e IEEE 802.3at de alta potência. A configuração GPON também pode fornecer gerenciamento de energia garantido ou eliminação de PoE.

Evolução do GPON – O que é XGPON e XG(S)-PON?

A evolução da GPON são as tecnologias XG-PON (também conhecida como 10-GPON) e a XGS-PON.

A tecnologia XG-PON foi desenvolvida pelo ITU-T e definida pela norma G.987. XG-PON  fornece transmissão assimétrica GPG 10G (taxa de linha máxima downstream: 9.953 Gbit/s, taxa máxima de linha upstream: 2.488 Gbit/s). A tecnologia XGS-PON é ainda mais performática,  oferece transmissão simétrica GPG 10G (taxa máxima de linha downstream: 9.953 Gbit / s, taxa máxima de linha upstream: 9.953 Gbit s).

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Diferenças entre GPON, XG-PON XGS-PON

A tabela a seguir lista as diferenças de especificação entre as duas tecnologias.

Especificações GPON 10G GPON
XG-PON XGS-PON
Wavelength
  • Downstream: 1480-1500 nm
  • Upstream: 1290-1330 nm
  • Downstream: 1575-1580 nm
  • Upstream: 1260-1280 nm
  • Downstream: 1575-1580 nm
  • Upstream: 1260-1280 nm
Center wavelength
  • Downstream: 1490 nm
  • Upstream: 1310 nm
  • Downstream: 1577 nm
  • Upstream: 1270 nm
  • Downstream: 1577 nm
  • Upstream: 1270 nm
Maximum Line Rate
  • Downstream: 2.488 Gbit/s
  • Upstream: 1.244 Gbit/s
  • Downstream: 9.953 Gbit/s
  • Upstream: 2.488 Gbit/s
  • Downstream: 9.953 Gbit/s
  • Upstream: 9.953 Gbit/s
Maximum Physical Transmission Distance

60 km

NOTA:

O alcance físico é definido pela taxa de divisão, tamanho do módulo óptico e qualidade da fibra.

100 km

NOTA:

O alcance físico é definido pela taxa de divisão, tamanho do módulo óptico e qualidade da fibra.

100 km

NOTA:

O alcance físico é definido pela taxa de divisão, tamanho do módulo óptico e qualidade da fibra.

Maximum Split Ratio

1:128

NOTA:

A taxa real de divisão depende do modelo do módulo óptico e da distância da fibra.

1:256

NOTA:

A taxa real de divisão depende do modelo do módulo óptico e da distância da fibra..

1:256

NOTA:

A taxa real de divisão depende do modelo do módulo óptico e da distância da fibra.

A grande vantagem dessas tecnologias é que não existe sobreposição no comprimento de onda e portanto elas podem coexistir no mesmo meio físico.

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Comparação – Rede PON vs Ethernet Tradicional

Nas empresas, os cabos de cobre da categoria 3/5/6 geralmente conectam 3 camadas de roteadores e switches em uma LAN Ethernet ativa tradicional. Um roteador na camada superior (Core) é conectado aos switches de agregação (camada de distribuição). Esses switches, por sua vez, se conectam aos switches da camada de acesso nos armários de comunicação. Os cabos de cobre se estendem dos armários de comunicação aos usuários.

Uma LAN óptica, por outro lado, simplifica a rede e elimina os níveis de agregação. Essa solução mantém o roteador na camada superior e o OLT (Optical Line Terminal) serve ao mesmo objetivo que os switches de agregação de campus, o que elimina definitivamente os switches de agregação bem como os armários de comunicação. Em vez disso, uma fibra monomodo, normalmente equipada com um divisor óptico 1×32, corre entre o roteador e a OLT para os terminais de rede óptica (ONTs) que atendem aos usuários finais. Um divisor óptico é um dispositivo passivo, portanto, não há requisitos de energia.

Ambas as soluções fornecem acesso de dados através de conexões Ethernet 1000Base-T ao usuário. Portanto, nenhuma reconfiguração de cliente ou PC é necessária ao atualizar da Ethernet ativa para uma infraestrutura GPON.

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Na figura anterior, o OLT e ONU na solução POL correspondem aos switches nas camadas de agregação e acesso na solução tradicional. Assim como os switches, o OLT e a ONU encaminham dados com base em endereços Ethernet ou IP. As interfaces Ethernet estão disponíveis nos lados do usuário e da rede em todo o sistema POL.

A diferença está na solução tradicional, que o switch de agregação e o switch de acesso se comunicam com base no protocolo Ethernet, estabelecendo a topologia ponto a ponto (P2P). No entanto, a OLT e a ONU adotam o protocolo PON e suportam a topologia multiponto a multiponto (MP2MP).

Arquitetura PON – Rede Corporativa Distribuída

A arquitetura GPON pode ser aplicada em redes ópticas corporativas unificada e distribuídas, indicada em diversos casos de uso para fornecer conectividade entre a OLT e a ONT.

Abaixo ilustramos um cenário comum de uma corporação com várias localidades:

  • Matriz com data center central, abrangendo entre 1000 e 5000 usuários conectados localmente.
  • Filial compreendendo entre 250 e 1000 usuários conectados localmente.
  • Pequena que abranja entre 50 e 250 usuários conectados localmente.
  • Filial muito pequena que abranja até 50 usuários conectados localmente.

A transmissão é alimentada diretamente da OLT para o ONT e não há comutação ou roteamento no meio. A imagem abaixo descreve a arquitetura de alto nível da solução LAN óptica.

Ela descreve a implantação de LANs ópticas passivas para uma organização global, com base na tecnologia GPON, incluindo os casos de uso da LAN para escritórios grandes, médios, pequenos e muito pequenos, além de um data center global operando em um modelo de nuvem híbrida.

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A ONT converte “sinais de luz” de fibra ótica em “sinais elétricos” de cobre para fornecer serviços avançados como IPTV, VoD (Vídeo sob Demanda), VoIP e outros serviços de voz e vídeo baseados em pacotes diretamente no equipamento do usuário final.

Na área de trabalho do usuário final, um ONT fornece um ponto de demarcação gerenciado para serviços de rede. A ONT em si não possui controles de usuário e é gerenciado pelo sistema de gerenciamento de elementos da OLT. Um recurso importante de segurança fornecido pela solução de LAN óptica garante que o ONT não funcione, a menos que seja fornecido pela OLT.

A OLT permite a prestação de serviços de banda larga simétrica ao dispositivo do usuário final, que é a ONT, e equipamentos do usuário final, como caixa IPTV, câmera de vigilância, telefone VoIP e laptops. Ele também suporta qualidade de serviço (QoS) e alocação dinâmica de largura de banda flexível. A OLT envia um único fluxo de tráfego downstream que é visto por todos os ONTs.

Cada ONT lê apenas o conteúdo dos pacotes endereçados a ele. A criptografia é usada para evitar a interceptação no tráfego downstream. O fluxo de dados entre a OLT e a ONT é criptografado usando o padrão de criptografia AES com cifra de bloco AES-128.

Os POLs baseados em GPON aplicados no ambiente corporativo permitiram a convergência de voz, dados e vídeo em um único fio de fibra de modo único, o que reduziu o hardware da infraestrutura de rede a uma fração do necessário em termos de cabeamento e eletrônica na abordagem Ethernet convencional.

A solução não apenas permitiu uma manutenção mais fácil, mas também uma eficiência aprimorada em relação a usuários finais, acréscimos, mudanças e mudanças. Como não há componentes eletrônicos ativos entre o datacenter e o usuário final, principalmente nos armários riser, há uma economia de energia significativa, pois não é necessário resfriamento nos armários riser. As LANs de fibra óptica implementadas são mais eficientes em termos de energia e ecologicamente corretas e ocupam menos espaço no chão, rack e armário do que as LANs Ethernet ativas tradicionais. A solução aplicada também não requer regeneração de sinal por até 20 quilômetros entre o data center e o usuário final.

Esses recursos e capacidades permitem um retorno mais rápido do investimento e reduzem significativamente o custo total de propriedade, tanto em termos de capital quanto de despesas operacionais durante a vida útil da infraestrutura.

Espera-se que a fibra monomodo suporte os avanços da tecnologia GPON nos próximos anos. As LANs ópticas passivas podem ser atualizadas sem a nova implantação da infraestrutura de cabos. A expansão de um POL baseado em GPON é simplesmente uma questão de adicionar nova conectividade OLT.

Uma empresa global pode atualizar suas LANs ópticas simplesmente atualizando os componentes eletrônicos dos terminais, uma vez que tecnologias XGPON, XGS-PON podem coexistir na mesma fibra que tecnologias GPON. Diferentemente das LANs Ethernet tradicionais, nas quais a infraestrutura de cabeamento deve ser substituída sempre que os comutadores Ethernet aumentam a velocidade do link, as LANs ópticas não exigirão atualizações da infraestrutura de fibra ou alterações no ambiente de trabalho. Assim, substituindo suas LANs herdadas por uma solução óptica baseada na tecnologia GPON, uma organização global poderia facilmente atingir seus objetivos principais de LAN. Os POLs baseados em GPON aplicados forneceram as velocidades, capacidade e funcionalidades necessárias no ambiente corporativo.

A empresa controla agora CapEx e OpEx de curto e longo prazo. Igualmente importante: ao implantar POLs baseados em GPON, uma organização global possui uma rede projetada para satisfazer seus requisitos exclusivos nos próximos anos.

Segurança em redes GPON

A solução POL fornece autenticação de segurança abrangente e controle de acesso para autenticar diferentes dispositivos que acessam a rede em diferentes cenários, garantindo que apenas os dispositivos de usuários autorizados possam acessar a rede. A ONU suporta ligação de endereço MAC, proibindo o uso de terminais não autorizados (por exemplo, câmeras). O GPON downstream suporta criptografia AES-128, e o XG (S) -PON suporta criptografia AES-128 bidirecional, o que reduz o possibilidade de intrusão e garante a segurança dos dados do usuário.

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Principais fabricantes GPON

Grandes fabricantes têm adicionado a tecnologia PON ao seu portfólio focado em redes corporativas e industriais. No Brasil, existem muitos fabricantes de equipamentos PON para atender principalmente as pequenas operadoras, no entanto para rede corporativa que exige maior confiabilidade e performance, empresas como Huawei e Nokia se destacam com amplo portfólio e com as mais modernas tecnologias.

O gráfico abaixo representa a participação dos fabricantes no desenvolvimento da tecnologia ITU-T PON:

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Conclusão

A centralização dos data centers e a popularização da computação em nuvem, combinados com a crescente mudança de elementos com fio para sem fio na borda da rede corporativa, estão mudando os requisitos para as LANs corporativas.

Essas tendências estão mudando as necessidades de alto desempenho e recursos avançados para redes de data center, com uma oportunidade resultante para LANs locais mais simples. Os POLs implantados com base em GPON/XG-PON/XGS-PON no ambiente corporativo estenderam o serviço para qualquer ponto final Ethernet.

Ele permite a entrega de uma rede unificada confiável e altamente segura, fornecendo voz, dados e qualquer tipo de vídeo IP em uma única fibra. Também aumentou o tamanho do componente básico da rede, o que simplificou bastante a implantação, operação e gerenciamento da rede corporativa.

No entanto, a rede PON não é recomendada para todos os cenários de rede corporativa, é necessário uma avaliação dos requisitos técnicos e de negócio para escolha  tecnologia que entregará o melhor custo x benefício. Caso precise de ajuda ou de uma consultoria especializada para essa importante decisão, conte com a TRIPLA ;-).

 

 

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