Redes de Acesso

1. Introdução

As redes de acesso interligam os usuários com a rede mundial. Sua função principal é prover o acesso dos mesmos a informações de dados, voz e vídeo através de serviços prestados por operadoras (fonte: Tutorial Redes Óticas). Quer dizer, uma rede de acesso é a parte de uma rede de telecomunicações que conecta os assinantes ao seu provedor de serviços imediato (fonte: wikipedia).

Uma rede de acesso e sua relação com o núcleo de uma rede de Telecomunicações (fonte)

Um provedor de acesso fornece um serviço de dados para seus clientes. Os links de acesso dos clientes têm características diferentes daqueles usados na rede local interna do provedor:

• A quantidade de pontos de acesso é muito maior do que na rede local interna
• Taxas de bits devem poder ser limitadas tanto para upstream quanto downstream
• As distâncias entre equipamentos do provedor e os clientes são maiores, podendo chegar a alguns quilômetros
• Existem diferentes tecnologias para implantar os links de acesso (EPON, GPON, xDSL, MetroEthernet, IEEE 802.11 PTMP, LTE, ...), ao contrário da rede local interna, onde tipicamente se usa somente Ethernet para rede cabeada e WiFi para rede sem-fio
• Os custos para implantação e operação desses links são significativos, devido às distâncias e tecnologias envolvidas

Este video da Huawei, apesar de fazer um certo marketing, apresenta alguns princípios para redes de acesso. Ele enfatiza redes de fibra ótica, pois é a aposta da empresa e a tecnologia que mais vem crescendo no segmento. O original do video foi obtido no Youtube (mas lá não está legendado em português).

Os primeiros provedores de acesso, nos primórdios da Internet (meados dos anos 90 até início dos anos 2000), usavam acesso discado. Para a realidade da época era uma escolha racional: a rede telefônica fixa atendia a maioria dos lares, e era possível transferir dados através de circuitos telefônicos. Apesar de esses links serem lentos para os padrões atuais (taxas na ordem de 30 kbps), terem baixa qualidade (muitos erros de transmissão), e serem caros (custo em função do tempo de uso), era o que havia e atendia a grande demanda das pessoas por acesso a Internet. Esse tipo de acesso somente caiu em desuso com o surgimento do ADSL, no final dos anos 90 e início dos anos 2000, que fornecia taxas de dados bem superiores e menor custo. O acesso com ADSL ainda é usado, porém outras tecnologias despontam e a tendência é que o suplantem.

Uma característica comum às tecnologias de acesso citadas, seja acesso discado, ADSL ou similares (como ISDN, que não se popularizou), é estarem no domínio de operadoras de dados. Particularmente no Brasil, essas empresas nasceram dentro das grandes empresas de telecomunicações existentes, tais como as companhias telefônicas. Assim, o atendimento de clientes era feito usando infraestrutura e serviços dessas empresas, cabendo aos provedores de acesso complementarem os serviços de dados. As tecnologias envolvidas, e a rede de distribuição para atender os clientes, envolviam grandes investimentos. Porém as novas tecnologias de dados que vêm sendo adotadas têm menor custo, e podem ser implantadas em escalas menores e ainda serem viáveis. Isso tem viabilizado o surgimento de uma nova geração de provedores de acesso que não mais dependem da infraestrutura dessas grandes operadoras para implantarem links de dados para seus clientes.

No cenário atual, os tipos de tecnologias para redes de acesso, olhando-se as redes de telecomunicações na forma de uma hierarquia, podem ser resumidas neste diagrama.

Estrutura da rede MAN e Acesso

Uma rede MAN envolve a infraestrutura e tecnologias para interligar equipamentos de comunicação no alcance típico de uma cidade. Essa grande rede pode ser decomposta em três partes:

• Acesso: a rede de acesso se situa na borda da MAN, sendo composta por equipamentos que implantam os enlaces de acesso dos usuários da rede. Existem diversas tecnologias de acesso, como visto na aula anterior, tais como aquelas baseadas em comunicação sem-fio (Wifi, 3G, 4G, 5G), baseadas em fibra (GPON, EPON, Ethernet), ou em cabos metálicos (xDSL, DOCSIS).
• Agregação: a rede de agregação interliga os equipamentos de acesso, fazendo a intermediação entre eles e o núcleo da rede. Tecnologias típicas nesse nível são MetroEthernet e .
• Núcleo: o núcleo da rede integra todos os equipamentos de agregação da rede, sendo possivelmente interligada com outras redes (ex: rede de operadoras). Tecnologias típicas nesse nível são IP/MPLS.

A figura a seguir exemplifica uma rede MAN com esses níveis de organização:

Uma possível MAN (fonte da imagem)

Nesta unidade estaremos estudando as tecnologias usadas nas redes de acesso.

1.1. Tecnologias de acesso

No escopo de um provedor metropolitano, algumas tecnologias de acesso têm se apresentado recentemente:

• Na categoria FTTx (veja novamente o video da Huawei mais acima) destacam-se GPON e EPON:
  • GPON: usa fibra ótica passiva, com taxas típicas de até 2.5 Gbps e facilidades para condicionamento de tráfego. Segue o padrão ITU-T G.984. Essa tecnologia foi atualizada para taxas de até 10 Gbps, sendo então denominada xGPON.
  • EPON: também usa fibra ótica passiva, porém com limitações se comparada a GPON (e menor custo). Apresenta taxas de 1 Gbps ou 10Gbps (versão 10G-EPON), e se baseia no padrão IEEE 802.3ah, que é uma variação de Ethernet feita para última-milha.
• PTMP: usa enlaces sem-fio ponto-multiponto, e se baseia tipicamente em uma versão modificada do padrão IEEE 802.11 (wifi), para que se adapte a links com maiores distâncias
• VDSL: esta versão turbinada do ADSL pode ser usada combinada com GPON para atender clientes de um condomínio
• MetroEthernet: disponibiliza enlaces Ethernet adaptados para longas distâncias
• LTE: tecnologia de dados para dispositivos móveis nascida para os sistemas celulares, porém passível de ser usada para enlaces de acesso em menor escala (ver por exemplo esta linha de produtos de um fabricante da Grande Florianópolis)

Tecnologias de acesso (obtido desta fonte)

Este outro video compara resumidamente três tipos de tecnologias: DSL, cabo e fibra ótica.

Comparação entre DSL, cabo e fibra ótica (obtido do Youtube)

No caso de um provedor hipotético a ser implantado, é útil avaliar quais tecnologias podem ser usadas. Inicialmente vale revisar o que os provedores existentes utilizam, pois isso é um indicador de quais tecnologias estão mais popularizadas, têm menores custos e estão mais maduras.

1.2. PPPoE

2. Redes de acesso sem-fio

Um provedor pode oferecer links de dados sem-fio para seus clientes. Isso tem a vantagem de não exigir infraestrutura entre provedor e cliente (cabos e equipamentos de interconexão), apresentando baixo custo de implantação. O atendimento de múltiplos clientes pelo provedor se apresenta como um cenário denominado PTMP (Ponto Multiponto, ou Point To MultiPoint no original em inglês). No provedor reside a estação base, e cada cliente usa um roteador sem-fio para estabelecer seu enlace. Esse cenário PTMP pode ser visto na seguinte figura.

Redes sem-fio PTMP como essa são atualmente implementadas com base no padrão IEEE 802.11 (Wifi), porém com modificações para adaptá-lo a links de longa distância. A ideia é basicamente:

1. A estação base transmite tráfego em downstream para os CPEs.
2. O tráfego em upstream (CPEs para base) é feito com uma forma de TDMA ou polling sob o comando da base. A base pode, por exemplo, enviar ciclicamente uma mensagem para cada CPE convidando-o a transmitir por um tempo limitado.

Assim, podem-se ter as taxas de bits atuais do Wifi (ex: 150 Mbps ou 300 Mbps para IEEE 802.11n, ou superiores para IEEE 802.11ac), além das funcionalidades bem conhecidas do Wifi.

Alguns exemplos de produtos que aplicam esses conceitos para prover enlaces PTMP são estes:

• Protocolo iPoll (Ligo Wave)
• Airmax (Ubiquiti)
• NV2 (Mikrotik)
• PMP (Cambium Networks)

2.1. Técnicas usadas em redes PTMP

Devido às características de redes PTMP, em que a distância entre a estação base e os clientes propicia a ocorrência de colisões e interferências, algumas técnicas são usadas para melhorar a eficiência das comunicações. Elas envolvem alguma forma de coordenação das transmissões pela estação base, com o objetivo de evitar colisões entre transmissões de clientes. Note-se, porém, que isso não evita erros devido a colisões e interferências com transmissões e sinais de outras redes.

As técnicas explicadas nas próximas seções são aplicadas, em alguma medida, em soluções existentes para redes PTMP. Como essa soluções adaptam as tecnologias IEEE 802.11 para uso em médias distâncias, existem limitações em como elas podem ser usadas. Isso se deve à forma com que as transmissões ocorrem em redes IEEE 802.11 (lembrem que lá se usa o protocolo MAC CSMA/CA).

As seções a seguir foram adaptadas desta página.

Polling

Técnicas do tipo polling são uma forma de evitar colisões entre transmissões no canal sem-fio. A estação base coordena as transmissões de todos os CPEs, concedendo-lhes o direito de transmitir. A base envia uma mensagem especial para cada cliente, chamada por vezes de poll, de forma a autorizá-lo a transmitir. Com  isso, um CPE não transmite enquanto não receber essa mensagem especial, e uma consequência é um aumento na latência percebida pelos CPEs (a latência aqui é definida pelo tempo que pacotes permanecem na fila de saída, até que possam ser transmitidos).

A distribuição dessas mensagens especiais pela base regula as transmissões dos CPEs, pois somente um CPE pode transmitir por vez, eliminando as colisões. O ciclo de transmissão então é formado pelo envio cíclico pela base dessas mensagens especiais, periodicamente autorizando os CPEs a transmitirem.

A figura acima mostra um diagrama de tempo em que se podem visualizar as mensagens enviadas por base (BS) e CPEs.

Confirmações e retransmissões trazem em geral maior confiabilidade e reduzem a quantidade de mensagens perdidas. Ao mesmo tempo, isso pode criar problemas em uma rede PTMP, porque um cliente sujeito a muitas interferências (erros) aumentaria a latência para todos os demais clientes. Em consequência, a vazão total (throughput) percebida na estação base depende da existência desses clientes problemáticos. Uma forma de atenuar esse problema é limitar o tempo que cada cliente pode transmitir, uma vez recebida a mensagem poll.

TDMA

Outra forma de evitar colisões é usando tecnologias do tipo TDMA (Time Division Multiple Access). No contexto de redes PTMP, TDMA separa cada comunicação entre estação base e cliente em duas sequências: uma transmissão primeiro vinda da estação base para os clientes, e em seguida de um cliente para a estação base. Cada sequência possui a mesma duração máxima, que depende do tempo de transmissão concedido (por exemplo, 10 ms). A figura a seguir ilustra essa forma de acesso ao meio em redes PTMP.

Intervalos de tempo usados pela estação base (em azul) e por clientes

A intervalos regulares, de acordo com algum algoritmo, cada cliente recebe um intervalo de tempo para transmitir pacotes que estejam em espera em sua fila de transmissão. Para que isso funcione, deve-se garantir que cada cliente transmite exatamente no instante de tempo informado, e que sua transmissão não exceda o tempo concedido. Isso inclui todos os tipos de pacotes que possam ser enviados, tais como dados, confirmações e retransmissões. O resultado é uma escala de transmissão, exemplificada na figura a seguir, em que base e clientes transmitem de forma sincronizada, evitando colisões.

Transmissões em uma rede PTMP envolvendo uma estação base e alguns clientes

A sincronização é essencial para o funcionamento de um acesso TDMA. Base e clientes devem sincronizar seus relógios de forma que possam respeitar os instantes de tempo definidos para suas transmissões. Esse tipo de sincronismo é difícil de ser feito, e requer hardware especial (ex: GPS) e software capaz de iniciar e encerrar transmissões com a acurácia requerida. Por isso, algumas soluções existentes para redes de acesso PTMP, apesar de se anunciarem como sendo baseadas em TDMA, na verdade usam alguma forma de Polling com limitação de tempo de transmissão.

3. Redes de acesso com fibra-ótica

Uma tecnologia para acesso que se popularizou acentuadamente em anos recentes usa fibras óticas para prover serviço de dados para clientes. As redes PON (Passive Optical  Network) tem sido implantadas de forma crescente por provedores de acesso,  proporcionando altas taxas de transmissão (atualmente até 10 Gbps) com baixo custo de implantação.

Antes de iniciar o estudo sobre tecnologias específicas para redes PON, vamos relembrar alguns conceitos sobre suas arquiteturas. Entendam por isso a forma como se estrutura uma rede PON, e os elementos utilizados para implantá-la. Este video (original no Youtube, no canal Huawei Documentation Insights) descreve especificamente a estrutura da rede de distribuição ótica:

Este outro video (original no canal Youtube James Donovan) entra em mais alguns detalhes sobre as arquiteturas de redes PON, ou a forma como se estrutura a ODN:

Para fazer uso da infraestrutura física da rede PON existem basicamente duas tecnologias atuais:

• GPON: os enlaces de dados se baseiam em tecnologia de encapsulamento própria (GEM) que oferece flexibilidade de configuração para os enlaces e bom controle sobre o uso da capacidade da rede. O padrão XG-PON é uma atualização do padrão para taxas de até 10 Gbps.
• EPON: os enlaces de dados se baseiam em Ethernet, com menor custo porém menor controle sobre o uso de recursos da rede. Há uma atualização do padrão para 10 Gbps.

Uma introdução sobre ambas tecnologias pode ser vista neste video (e também neste blog).

Outras referências

• PON: Redes Ópticas de Acesso de Baixo Custo
• O que é a Rede PON e como funciona sua arquitetura

3.1. EPON

O padrão IEEE 802.3ah estende o padrão IEEE 802.3 (Ethernet) para redes PON. Nesse novo padrão, mudanças significativas sobre como as comunicações ocorrem precisaram ser feitas. Em rede PON, tem-se uma topologia do tipo ponto-multiponto, ao contrário das topologias multiponto típicas de redes locais. Isso significa que, na rede PON, as comunicações ocorrem de um ponto central (OLT) para os demais dispositivos da rede (ONU ou ONT), e desses dispositivos para o ponto central. Assim, não tem sentido usar o método de acesso CSMA/CD, tampouco se pode permitir que os dispositivos transmitam arbitrariamente.  Além desse problema da coordenação das transmissões, outros detalhes foram tratados no padrão, tais como o endereçamento das ONU. A rede PON que usa o padrão IEEE 802.3ah passou a ser conhecida como EPON (Ethernet PON).

A tecnologia EPON apenas defina como as transmissões ocorrem na rede PON. A rede física (ODN) não sofre alterações, e segue as arquiteturas vistas na introdução sobre acesso com fibras-óticas. Isso pode ser claramente visto na figura a seguir, que mostra uma rede PON em que se usa o padrão IEEE 802.3ah. Ela não apresenta qualquer diferença em relação ao que foi visto sobre redes PON.

O padrão IEEE 802.3av, publicado em 2009, estende as redes EPON para operarem a 10 Gbps, sendo chamadas de 10G-EPON. Esse padrão define duas configurações possíveis:

• Simétrico: possibilita taxas de 10 Gbps tanto em downstream quanto upstream
• Assimétrico: a taxa de downstream é de 10 Gbps, mas de upstream é de 1 Gbps.

A tecnologia concorrente de EPON é GPON. Em outra lição se apresentarão maiores detalhes sobre essa outra tecnologia. Por enquanto, o video a seguir ilustra as características principais de GPON e EPON:

Comunicação em uma rede EPON

• MPCP em rede EPON
• MPCP Overview

Uma rede EPON é formada por um equipamento concentrador localizado nas instalações do provedor, denominado OLT (Optical Line Terminator), e vários equipamentos terminais localizados nas dependências dos clientes, denominados ONU (Optical Network Unit) ou ONT (Optical Network Terminal). O OLT implanta a rede ótica e coordena as transmissões dos ONU. Além disso, um ONU somente pode se comunicar pela rede ótica se devidamente reconhecido e autorizado pelo OLT. Em uma rede EPON pode haver até 64 ONUs por fibra.

Para operação em modo full-duplex, os sistemas EPON multiplexam os sinais de transmissão da OLT para as ONU’s (downstream) e das ONU’s para a OLT (upstream) usando diferentes comprimentos de onda de luz: 1490nm para os sinais downstream e 1310nm para os sinais upstream (FONTE).

Como em uma rede EPON a fibra ótica entre OLT e os ONU é compartilhada, as transmissões devem seguir algumas regras. Cabe ao OLT comandar as transmissões. No caso downstream, os quadros transmitidos pelo OLT são recebidos por todos ONU. Cada ONU filtra os quadros recebidos com base em um identificador contido em cada quadro, dessa forma descartando aqueles quadros não destinados a si. No sentido upstream as transmissões ocorrem em modo TDMA, em que cada ONU transmite de acordo com um timeslot concedido pelo OLT (um timeslot possui uma duração e instante inicial). Com esse procedimento, não ocorrem colisões entre transmissões de OLT e ONUs. As figuras a seguir ilustram os casos downstream e upstream.

Downstream: todos ONU recebem os quadros enviados pelo OLT, e os filtram com base em um identificador contido nos quadros

Upstream: cada ONU transmite seus quadros de acordo com seu timeslot concedido pelo OLT

O gerenciamento dos ONU e das transmissões upstream em uma rede EPON se faz por meio do protocolo MPCP (Multi-Point Control Protocol), que estende o protocolo MAC e implementa estes serviços:

• Prover referência de tempo para sincronizar ONUs
• Controlar o processo de auto-descoberta de ONUs
• Atribuir largura de banda aos ONUs (limites de tempo de transmissão por ciclo)

No MPCP, cada ONU é identificado com um número único de 16 bits denominado LLID (Logical Link Identification), o qual é gerado dinamicamente pelo MPCP. Esse número fica no preâmbulo dos quadros, e é usado pelos ONU para filtrar os quadros recebidos do OLT. Apenas quadros rotulados com o LLID atribuído ao ONU são aceitos.

A figura a seguir detalha a comunicação entre OLT e ONUs usando o protocolo MPCP, em particular como funcionam as transmissões em upstream. O OLT transmite mensagens GRANT para os ONUs, as quais informam em que momento cada ONU poderá transmitir, e por quanto poderá usar a fibra. Esse tempo deve ser suficiente para a ativação e desativação do laser, e para a transmissão dos dados em si. No intervalo de transmissão de dados, mais de um quadro Ethernet pode ser transmitido, contanto que o tempo limite seja respeitado.

Um ciclo de transmissões em upstream: cada ONU transmite seus quadros de acordo com um tempo concedido pelo OLT

3.2. GPON