Praticando Redes PON

PARTE 1 - CONTEXTUALIZANDO REDES DE ACESSO FTTx

Existe um conjunto de tecnologias usadas atualmente para as redes de acesso, sendo três delas dominantes:

• Redes de fibra-ótica passiva (PON)
• Redes a cabo coaxial (DOCSIS)
• Redes sem-fio (PTMP)

As redes de acesso, se mal planejadas e configuradas, podem ser determinantes para o INSUCESSO de provedores de internet e a geração de insatisfação e de reclamações pelos seus clientes. Veja a Regulação para velocidade de conexão (Anatel).

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

Veja o vídeo a seguir, embora faça um certo marketing da empresa, 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.

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.[file:///hierarquia-redes-telecom.png alt=hierarquia telecom]

Em especial, nesta disciplina vamos então focar nossa atenção para as redes de Acesso FTTx, face a todas or argumentos e pontos positivos explorados anteriormente. Em meios guiados ela pode ser considerada uma rede de acesso "a prova de futuro".

Para usá-la,s ao implantar redes de acesso e interpretar suas infraestruturas, seguem algumas referências de conteúdos para entender melhor as redes de acesso FTTx. Vamos relembrar os conteúdos já abordados lá na disciplina Projeto Integrador I:

• Glossário sobre Fibras Ópticas
• Slides sobre as Redes FTTx
• Leia os capítulos 5 e 6 do livro: Pinheiro, J. (2016). Redes Ópticas de Acesso em Telecomunicações. Grupo GEN. Ele tem disponível no Site da Minha Biblioteca. Basta você acessar o SIGAA e clicar neste serviço na página principal

O livro do Pinheiro (1), embora já com 7 anos, é bem completo nessa parte da Fibra óptica como base de rede de acesso, contudo os capítulo 5 e 6 é bem suficiente para abordagem nessa PARTE 3 da disciplina.

Outras fontes como artigos, ou conteúdos dos próprios fabricantes de ativos e passivos para redes PON podem ajudar bastante a compreender o alcance de recursos que os ativos possuem para implementar ou integrar várias redes, tais como o ebook da Parks ou do treinamento da Intelbrás. Portanto é muito útil dar uma passeada nos produtos disponíveis desses fabricantes para se ter uma noção das interfaces físicas e features embarcadas, que são comuns entre eles, desde a OLT até a ONT/ONU.

REDES PON

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 2.5 Gbps) com baixo custo de implantação. Existem dois tipos mais difundidos de redes PON:

• GPON: os enlaces de dados se baseiam em tecnologia de encapsulamento própria (GEM - GPON Encapsulation Method) 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 blog.

• Introdução a EPON
• O que é a Rede PON e como funciona sua arquitetura

EPON

"Uma rede ótica passiva (PON – Passive Optical Network) trata-se de uma única fibra ótica compartilhada que é divida com o uso de splitters ou divisores óticos, tipicamente de custo acessível. Estes splitters dividem o sinal ótico da fibra em feixes separados, que são por sua vez transportados através de fibras individuais para cada assinante ou usuário final. O uso do termo passivo explica-se porque, entre a conexão do CO e os usuários finais, não há nenhum equipamento eletrônico ativo dentro da rede (a exemplo de um switch). Somente uma conversão ótica-elétrica é necessária em cada ponto de terminação da fibra, basicamente uma no CO e uma no usuário final. Assim, os usuários finais estão ligados via fibras dedicadas até o splitter, e daí compartilham uma única fibra até o CO. Veja um pouco mais dessas redes em Webinar: Soluções em redes GPON e EPON Intelbras

No padrão IEEE 802.3ah, a rede ótica passiva PON é baseada no Ethernet, ao invés de outras tecnologias de PON baseadas em ATM. Daí ser chamada esta rede de EPON (Ethernet PON)." (texto extraído deste tutorial).

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 sinaisdownstreame 1310nm para os sinaisupstream(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.

Fluxos UP e Downstream

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 transmissõesupstreamem 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 emupstream. 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

CONSTRUINDO UMA REDE REDES DE ACESSO FTTx

Após a rede implementada em laboratório se tornar estável e funcional dentro dos objetivos das últimas aulas, podemos seguir adiante ampliando o uso dela em componentes ativos e passivos de redes de acesso FTTx, e em especial a com redes EPON.

Vamos organizar os passos iniciais

Amplie nossa rede formada no laboratório, acrescentando os ativos e passivos EPON conforme o esquema abaixo. Acompanhe as explicações dos professores sobre a conectividade envolvida observando o comportamento dos leds indicadores da OLT e ONU. Observe que a OLT é um equipamento de camada 2 que amplia as caraterísticas da rede ethernet para operar com uma camada física compartilhada de fibra óptica. O objetivo desta ampliação é somente conhecer os componentes físicos envolvidos na rede EPON. O uso do manual da OLT utilizada é fundamental para entender a diferenciação deste equipamento para formação de redes de acesso.

• manual OLT4840 Intelbrás
• Folder OLT4840 Intelbrás

PARTE 2 - AMPLIANDO A REDE PON - ACESSO A INTERNET

Agora, conforme o esquema abaixo, vamos ampliar a conectividade para simular uma situação de duas ONUs que participam de VLANs diferentes (VLAN 10 e 20), em que essas permitam conectividade com a internet do IFSC através da OLT terminada com um roteador de borda ligado ao switch principal do laboratório, o qual coloca o DHCP do IFSC disponível para nossa rede. Desse modo deve-se realizar a configuração nesses equipamentos que mantenham o isolamento entre as VLANs mesmo com acesso a um Gateway (RB3011) comum.

Configurando a OLT e ONUS - MODELOS OLT4840E e ONU110 da INTELBRÁS

Vamos colocar aqui alguns comandos úteis pensando no cenário de nossa rede e outras futuras (valores nos comandos são exemplos!). Considerando que você está utilizando o IP padrão de gerência da OLT4840, abra um terminal no Ubuntu e digite o comando telnet 192.168.10.1. Usuário e senha admin. Obviamente vc precisará adicionar à sua interface ethernet, conectada a qualquer porta ethernet da OLT, um número IP na mesma faixa da subrede do IP de Gerência. A partir daí continue o provisionamento (instalação e configuração) da OLT e ONUs de acordo com a rede proposta no cenário.(lembrando que comissionamento é por definição a ativação e teste da rede ou circuito.

# APAGANDO AS CONFIGURAÇÕES DA OLT
OLT4840>enable
OLT4840#clear startup-config
OLT4840#reboot

# SALVANDO AS CONFIGURAÇÕES NA OLT
OLT4840#copy running-config startup-config
Startup config in flash will be updated, are you sure(y/n)? y  # Como a OLT não tem o comando wr, a alternativa é essa!

# MUDAR NOME DA OLT
OLT4840>enable
OLT4840#configure terminal
OLT4840(config)#hostname nome

# MUDAR NOME DA VLAN
OLT4840(config)#vlan 10 
OLT4840(config)#description VLAN10-PON1 # nome exemplo

# COMANDOS ÚTEIS PARA MOSTRAR CONFIGURAÇÕES E STATUS
OLT4840(config)#show running-config ou running-config vlan
OLT4840(config)#show ip interface # Para ver os IPs associados a gerencia e MAC da OLT ou ''show running-config-if'' só dados ip
OLT4840(config)#show onu-status # ou pode filtrar por slot como: ''show onu-status slot 0 port 2''
OLT4840(config)#show onu-optical-info pon 1

# ADICIONANDO IP DE GERÊNCIA EM OUTRA VLAN
OLT4840#configure terminal
OLT4840(config)#interface vlan-interface 30 # Supondo 30 a VLAN de Gerência adotada. 
OLT4840(config-if-vlanInterface-30)#ip address 192.168.0.60 255.255.255.0  # O endereço default 192.168.10.1 da VLAN 1 fica mantido também!
OLT4840(config-if-vlanInterface-30)#end # ou exit 2x


# ADICIONANDO ROTA DEFAULT PARA A INTERFACE
OLT4840#configure terminal
OLT4840(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.0.70  # observe que esse IP (na mesma faixa) deve ser o que deve estar configurado na interface do Router GW que vai estar conectado na interface da OLT 
OLT4840(config)#end
OLT4840#copy running-config startup-config
Startup config in flash will be updated, are you sure(y/n)? y

# CRIAR VLAN 10 NAS PORTAS ETHERNET 2 E EPON 1
OLT4840(config)# VLAN 10
OLT4840(config-if-VLAN)# switchport ethernet 0/2
OLT4840(config-if-VLAN)# switchport pon 0/1
OLT4840(config-if-VLAN)# exit

# CONFIGURAR A '''PORTA ETHERNET 2''' NO MODO TRUNK PERMITINDO SOMENTE AS VLANs DESEJADAS
OLT4840(config)# interface ethernet 0/2
OLT4840(config-if-ethernet-0/2)# ingress acceptable-frame tagged # Resulta resposta "Config acceptable-frame type successfully!"
OLT4840(config-if-ethernet-0/2)# switchport mode trunk
OLT4840(config-if-ethernet-0/2)# switchport trunk allowed vlan 10
OLT4840(config-if-ethernet-0/2)# exit

# CONFIGURAR A '''PORTA PON 1''' NO MODO TRUNK PERMITINDO SOMENTE AS VLANs DESEJADAS
OLT4840E(config)# interface pon 0/1
OLT4840E(config-if-pon-0/1)# ingress acceptable-frame tagged # Resulta resposta "Config acceptable-frame type successfully!"
OLT4840E(config-if-pon-0/1)# switchport mode trunk
OLT4840E(config-if-pon-0/1)# switchport trunk allowed vlan 10 # Se houver mais que uma ...vlan 10,20,30...
OLT4840E(config-if-pon-0/1)# exit

# OUTRA FORMA DE CONFIGURAR A PORTA PON1 COMO UNTAGGED PARA QUALQUER ONU E TAGGED PARA OUTRAS VLANs CONFIGURADAS NAS ONUs

OLT4840(config)#interface pon 0/1
OLT4840(config)#switchport default vlan 100 # Qualquer ONU SEM VLAN configurada é associada participante da VLAN 100 (modo untagged)
OLT4840(config)#switchport mode trunk
OLT4840(config)#switchport trunk allowed vlan 10,20,30 # Aqui, na mesma interface pon 0/1, essas VLANS são permitidas no trunk (tagged) 
OLT4840(config)#exit


# CONFIGURAR A ONU DESEJADA COM A VLAN DESEJADA
OLT4840E(config)# onu 0/1/1 # Nesse exemplo, a ONU registrada como 0/1/1 está sendo o alvo da configuração
OLT4840E(onu-0/1/1)# interface ethernet 0/1 # A ONU modelo ONU110 só possui uma porta ethernet
OLT4840E(onu-0/1/1-reth-0/1)# onu-vlan-mode tag vlan 10 

...

# REPITA PARA OUTRAS ONU
OLT4840E(config)# onu 0/1/3 # Nesse exemplo, a ONU registrada como 0/1/3 está sendo o alvo da configuração
OLT4840E(onu-0/1/1)# interface ethernet 0/1 # A ONU modelo ONU110 só possui uma porta ethernet
OLT4840E(onu-0/1/1-reth-0/1)# onu-vlan-mode tag vlan 20 


#OUTRAS OPÇÕES DE CONFIGURAÇÃO DA ONU 110 B:
--> Modo VLAN = Tag
OLT4840(config)#onu 0/1/1
OLT4840(onu-0/1/1)#interface ethernet 0/1
OLT4840(onu-0/1/1-reth-0/1)#onu-VLAN-mode tag VLAN 10

-->Modo VLAN = Transparent

OLT4840(config)#onu 0/1/7
OLT4840(onu-0/1/1)#interface ethernet 0/1
OLT4840E(onu-0/1/1-reth-0/1)# onu-vlan-mode transparent  # Para o caso de conectividade entre ONUS - Mas neste caso é necessário a mesma configuração nas portas PON e Ethernet da OLT.

--> Modo VLAN = Trunk – VLAN native 1 e permite da VLAN 10 à 20.
OLT4840(config)#onu 0/1/1
OLT4840(onu-0/1/1)#interface ethernet 0/1
OLT4840(onu-0/1/1-reth-0/1)#onu-VLAN-mode trunk VLAN 1 allow-VLAN 10-20

# COMANDOS ÚTEIS

OLT4840E(config)# show onu status # para listar as ONUs (e suas informações de camada 2) registradas nas portas PON
OLT4840E(config)# show onu-optical-info pon 1 # Detalhes elétricos e dos sinais de TX e RX em cada ONU na PON 1

CONFIGURANDO O ROUTERBOARD RB3011 DA MIKROTIK

A configuração do Router pressupõe o uso da opção gráfica Webfig disponível via browser quando se digita o número IP de gerência (padrão é o 192.168.88.1) na barra de pesquisa. Obviamente vc precisará adicionar à sua interface ethernet, conectada a qualquer porta ethernet, entre a 2 e 10 do router, um número IP na mesma faixa da subrede do IP de Gerência. A partir daí continue com o provisionamento (instalação e configuração) do Router de acordo com a rede proposta no cenário (lembrando que comissionamento é por definição a ativação e teste da rede ou circuito).

A configuração via CLI deste modelo de router é bem particular do fabricante e par iniciantes, o uso do Webfig ou opcionalmente via o Winbox (aplicativo de SO Windows que necessita ser baixado do site e instalado) é o mais recomendado. Para isso, antecipamos a configuração prevista deste cenário através do arquivo neste link. Basta restaurá-lo no menu Files, escolhendo este arquivo previamente baixado em seu PC, para o upload na pasta de arquivos do router. Clique no arquivo e na tela seguinte, é só confirmar a restauração da configuração no botão 'restore.