Introducción

El campo de los "Protocolos para redes de fibra óptica" es de naturaleza cambiante. El punto más importante se refiere a la evolución hacia velocidades muy altas, es decir, hacia redes multigigabit y terabit. Esto es válido para todos los protocolos. Algunos ejemplos son bien conocidos, como los que se suelen instalar en los centros de datos, como InfiniBand o Fibre Channel (véase el capítulo Redes de operadores de fibra óptica). Pero el ejemplo más representativo es Ethernet, con la llegada de 1,6 TbE a 1,6 Tbit/s. Haga una visita guiada.

Ethernet y su evolución

1. Creación de Ethernet

Bob Metcalfe, ingeniero del centro de investigación de Xerox en Palo Alto (California), buscaba una solución para conectar los ordenadores a las nuevas impresoras láser de la empresa. Se dice que sus primeras ideas, en 1973 en la paradisíaca isla de Aloha, describían el concepto de "The Ether" a 3 Mbit/s, de ahí "Ethernet". Concebía esta red a través de un cable coaxial compartido y, más concretamente, la velocidad era de 2,94 Mbit/s o 367 Kb/s por segundo.

El protocolo de control de acceso al medio (media access control - MAC) es el acceso múltiple con detección de colisión, conocido con el acrónimo CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection).

Primer diagrama Ethernet en 1973

En 1976, Bob Metcalfe y David Boggs publicaron un artículo titulado Ethernet: distributed packet switching for local computer networks. En él describían un sistema de transmisión de datos en forma de paquetes, un sistema multipunto basado en el principio de detección de colisiones.

En 1979, Bob Metcalfe abandonó Xerox y fundó 3Com. Al año siguiente, publica el Ethernet blue book, que define Ethernet a 10 Mbit/s. Esta norma también se conoce como DIX, acrónimo de sus tres integrantes: Digital (ordenadores), Intel (microprocesadores) y Xerox (ofimática).

Evolución de las velocidades Ethernet

De evolución en evolución, la Ethernet original ha dado lugar a una familia que ha crecido con el tiempo: 10 Mbit/s, luego 1 Gbit/s, después 10, 40, 100, 200 y 400 Gbit/s y ahora 600 y 800 Gbit/s y 1,2 y 1,6 Tbit/s.

Evolución de las velocidades Ethernet

Fuente: https://www.ethernetalliance.org

2. Ethernet de 1985 a 2018

a. En 1985, la organización oficial del IEEE

En 1985, la organización IEEE se convirtió en el organismo oficial de normalización de Ethernet y publicó la primera norma sobre el tema: IEEE 802.3. Desde entonces, todas las normas IEEE relacionadas con Ethernet utilizan el nombre IEEE 802.3 seguido de un sufijo que indica el tipo y el año de publicación.

He aquí algunos ejemplos:

IEEE 802.3d-1987 se refería a los enlaces entre repetidores por fibra óptica (fiber optic inter-repeater link - FOIRL)....

FOIRL, Ethernet a 10 Mbit/s y 100 Mbit/s

Por supuesto, Ethernet empezó con el cobre como medio de transmisión de la señal. Primero llegó el cable grueso, un cable amarillo que parecía una manguera de jardín, posteriormente el cable fino (thin cable) y, por último, el par trenzado (twisted pair), con características que evolucionaron con el tiempo a medida que aumentaba la velocidad de transmisión de datos. Pero muy pronto, la fibra óptica supo imponer sus cualidades intrínsecas para convertirse en esencial.

1. FOIRL

La primera norma que formaliza la aplicación de Ethernet utilizando fibras ópticas como soporte, data de diciembre de 1987: IEEE 802.3d, más conocida como FOIRL (fibre optic inter-repeater link). El objetivo era ampliar la distancia entre dos equipos. Limitada a 185 metros en cobre, se podía ampliar hasta un kilómetro entre estos aparatos, mediante un repetidor en cada extremo.

Las fibras ópticas recomendadas son las multimodales de 62,5/125 micras, pero también se aceptan las de 50/125 micras, 85/125 micras y 100/140 micras.

En la reciente edición de IEEE 802.3-2022 se sigue haciendo referencia a FOIRL, en la parte 9.9 Medium attachment unit and baseband medium specification for a vendor independent FOIRL, para velocidades de datos de hasta 10 Mbit/s.

Diagrama FOIRL típico

2. Ethernet de 10 Mbit/s

La limitada distancia de FOIRL exigió un desarrollo normalizado en septiembre de 1993: la norma IEEE 802.3j, más conocida como 10BASE-F. La distancia se amplió a dos kilómetros para una velocidad de 10 Mbit/s.

a. Diversidad de Ethernet de 10 Mbit/s por fibra óptica

Estas redes se utilizan para diversas aplicaciones:

10BASE-F, que especifica la capa física de una red de área local de fibra óptica de 10 Mbit/s y las unidades de conexión al medio (medium attachment unit - MAU).
Puerto 10BASE-FB, B de backbone, entrada...

Ethernet de 1 Gbit/s y 10 Gbit/s

El Fast Ethernet ha tenido su apogeo. Sin embargo, la demanda de redes gigabit ha quedado demostrada.

Como resultado del aumento de la velocidad de transmisión de datos y del desarrollo del protocolo, en 1998 se introdujeron Ethernet de 1 Gb/s (1 GbE) y Ethernet de 10 Gb/s (10 GbE). Las especificaciones se siguen detallando en la edición de 2022 de la norma IEEE 802.3-2022, cláusula 34 - Introduction to 1000 Mb/s baseband networks, para el 1 GbE, clausula 44 - Introduction to 10 Gb/s baseband networks, para el 10 GbE, y clausula 56 - Introduction to Ethernet for subscriber access networks para redes de acceso.

1. Ethernet de 1 Gbit/s

a. Diversidad de Ethernet a 1 Gbit/s por fibra

Estas redes se utilizan para diversas aplicaciones:

1000BASE-X, para una red local que trabaja a 1.000 Mbit/s en CSMA/ CD, con 1000BASE-XFD, para full duplex, y 1000BASE-XHD, para half duplex.
1000BASE-BX10, para un enlace punto a punto a 1.000 Mbit/s sobre fibra óptica unimodal, con 1000BASE-BX10D con D por downstream, el flujo descendente desde la central del ISP hasta el abonado y 1000BASE-BX10U con U de upstream, el flujo ascendente desde el abonado hasta la central.
1000BASE-LX, con L por long wavelength laser, es decir, un 1000BASE-X que utiliza diodos láser que emiten entre 1.270 y 1.355 nanómetros, sobre dos fibras ópticas multimodo o unimodales, con 1000BASE-LXFD (full duplex), y 1000BASE-LXHD (half duplex).
1000BASE-LX10, para un enlace punto a punto a 1.000 Mbit/s a través de dos fibras ópticas multimodales o unimodales de hasta diez kilómetros de longitud.
1000BASE-PX10, para un enlace punto a punto a 1.000 Mbit/s a través de una fibra óptica unimodal de hasta diez kilómetros, con 1000BASE-PX10D (flujo downstream), y 1000BASE-PX10U (flujo upstream), flujo ascendente.
1000BASE-PX20, parte de la norma IEEE 802.3-2022 que especifica la capa física de un enlace punto a punto de 1.000 Mbit/s a través de una fibra óptica unimodal de hasta veinte kilómetros y un acoplador 1:16, con 1000BASE- PX20D (downstream), y 1000BASE-PX20U (upstream).
1000BASE-PX30, parte de la norma IEEE 802.3-2022 que especifica la capa física de un enlace punto a punto de 1.000 Mbit/s a través de una fibra óptica unimodal de hasta veinte kilómetros y un acoplador 1:32, con 1000BASE-PX30D...

Ethernet de 25 Gbit/s y 50 Gbit/s

1. Ethernet de 25 Gbit/s o 25 GbE

Las características de Ethernet a 25 Gb/s se pueden consultar en el estándar IEEE 802.3-2022, cláusula 105 - Introduction to 25 Gb/s networks.

La Ethernet de 25 Gigabits o 25 GbE tiene diversas aplicaciones. Dependen de los medios físicos (cables de cobre, pares trenzados, fibras ópticas) capaces de transportar los 25 Gbit/s.

25 GbE se presenta en las siguientes formas: 25GBASE-CR, 25GBASE-CR-S, 25GBASE-KR, 25GBASE-KR-S, 25GBASE-T, 25GBASE-R, 25GBASE-SR, 25GBASE-LR, 25GBASE-ER, 25GBASE-BR, 25/10GBASE-PQ y 25GBASE-PQ.

2. Aplicaciones básicas de 25 GbE

Para aplicaciones básicas de Ethernet a 25 Gbit/s, la fibra óptica es el medio utilizado en los siguientes casos:

25GBASE-SR (SR = short reach) para un par de fibras ópticas multimodales OM3, OM4 u OM5 (notación ISO) o A1-OM3, A1-OM4 o A1-OM5 (notación CEI).
25GBASE-LR (LR = long reach) para un par de fibras ópticas unimodales.
25GBASE-ER (ER = extended reach) para un par de fibras ópticas unimodales.

Los modelos 25GBASE-LR y 25GBASE-ER son interoperables con equipos específicos. La familia 25BASE-R, que incluye -SR, -LR y -ER, utiliza codificación 64B/66B y transmisión full-duplex, con una velocidad binaria nominal de 25,78125 GBd. Energy-Efficient Ethernet está disponible como opción.

	25GBASE-SR
Fibras ópticas	Fibras multimodales A1-OM3 u OM3	Fibras multimodales A1-OM4 u OM4
	Fibras especificadas en la norma IEC 60793-2- 10:2022
Longitud de onda	850 nm
Ancho de banda modal efectivo	2 000 MHz*km	4 000 MHz*km
Distancias recorridas	De 0,5 a 70 metros	De 0,5 a 100 metros

En la cláusula 112.5 de IEEE 802.3-2022 no se menciona la fibra óptica multimodal A1-OM5 u OM5. Sin embargo, cumple los requisitos y, además, como sus capacidades son mejores, permite mayores distancias, por lo que se suele instalar.

	25GBASE-LR	25GBASE-ER
Fibras ópticas	Fibras unimodales de tipo B-652.B, B-652.D o B-657.A1 especificadas en la norma CEI 60793-2-50:2018
Longitudes de onda	1295 - 1325 nm	1295 - 1310 nm
Distancias recorridas	De 2 metros a 10 kilómetros	De 2 metros a 30 kilómetros, o de 2 m a 40 km según el equipo

En otras palabras, las fibras B-652.B, B-652.D o B-657.A1 son, respectivamente, las fibras UIT-T G.652.B, G.652.D y G.657.A1 (véase el capítulo...

Ethernet de 40 Gbit/s y 100 Gbit/s

En junio de 2010 llegó la norma IEEE 802.3ba-2010 para las versiones de 40 Gbit/s (40 GbE) y 100 Gbit/s (100 GbE). Desde entonces, la norma a tener en cuenta ha sido IEEE 802.3-2022, cláusula 82 Physical Coding Sublayer (PCS) for 64B/66B, type 40GBASE-R and 100GBASE-R.

Esta cláusula especifica los parámetros para la capa de control de acceso al medio (media access control - MAC), las especificaciones para la capa física, los parámetros para gestionar la transmisión de tramas en formato IEEE 802.3 a velocidades binarias de 40 Gbit/s y 100 Gbit/s, y la tasa de errores de (bit error ratio - BER) que debe ser mayor o igual a 10^-12.

Estas redes de 40 Gbit/s y 100 Gbit/s tienen diversas aplicaciones que utilizan cobre, backplanes y fibra, incluidas las de la familia 40GBASE-R y las de la familia 100GBASE-R, todas ellas correspondientes a entidades de capa física que utilizan codificación 64B/66B. Veamos las basadas en fibra óptica.

1. Fibras ópticas para 40 GbE

En las aplicaciones de transmisión Ethernet de 40 Gbit/s (40 GbE) se utilizan dos tipos de fibra óptica:

Fibras ópticas multimodales 50/125 denominadas A1-OM3, A1-OM4 y Ai-OM5 (IEC 60792-2-10:2022) correspondientes a las fibras OM3, OM4 y OM5 de la norma ISO 11801.
Fibras ópticas unimodales denominadas B-652.B, B-652.D o B-657.A1 (norma CEI 60753-2-50:2018), que se corresponden respectivamente con las fibras UIT-T G.652.B, G.652.D y G.657.A1.

Aplicaciones principales:

40GBASE-SR4 (SR4 = short reach, 4 lanes), para transmisión a través de cuatro pares de fibras ópticas multimodales en paralelo a 10 Gbit/s por fibra (cuatro fibras por dirección de transmisión), en la ventana de 840 a 860 nanómetros, hasta 100 metros en OM3 o 150 metros en OM4 y OM5.
40GBASE-LR4 (LR4 = long reach, 4 lanes), para transmisión WDM de cuatro longitudes de onda (4 x 10 Gbit/s), sobre dos fibras ópticas unimodales (una fibra por dirección de transmisión), a 1.310 nanómetros, hasta 10 kilómetros.
40GBASE-ER4 (ER4 = extended reach, 4 lanes), igual que 40GBASE-LR4 pero la distancia se amplía a 40 kilómetros.
40GBASE-FR (FR = fiber reach), para transmisión en serie a través de dos fibras ópticas unimodales (una fibra por dirección...

Ethernet a 200 Gbit/s y 400 Gbit/s

El desarrollo de las velocidades Ethernet de 200 Gbit/s (200 GbE) y 400 Gbit/s (400 GbE) sobre fibras ópticas sigue, como para las velocidades inferiores vistas anteriormente, dos direcciones complementarias: una sobre fibras multimodo, para distancias cortas y otra sobre fibras unimodales, para cubrir distancias más largas. Todas las especificaciones básicas para 200 GbE y 400 GbE se pueden encontrar en la cláusula 119 - Physical Coding Sublayer (PCS) for 64B/66B, type 200GBASE-R and 400GBASE-R del estándar IEEE 802.3-2022.

Estas familias de redes Ethernet de 200 Gbit/s y 400 Gbit/s (véase más abajo) tienen diversas aplicaciones. Comparten características comunes de transmisión, como full dúplex, codificación 64B/66B que se puede transcodificar a 256B/257B para reducir la longitud de los encabezados, codificación PAM4 para algunas de ellas y ofrecen la opción Energy-Efficient Ethernet (EEE).

1. Fibras para 200 GbE

La familia 200 Gbit/s Ethernet 200GBASE-R incluye una aplicación para fibras multimodo -200GBASE-SR4- y cuatro aplicaciones para fibras unimodales -200GBASE-DR4, -FR4, -LR4 y -ER4:

200GBASE-SR4, transmisión sobre 4 fibras multimodales a 50 Gbit/s por fibra y por dirección de transmisión (8 fibras en total), en modulación PAM4, en la ventana de 840 a 860 nanómetros, sobre una distancia de 70 metros con fibras OM3 y de 100 metros con fibras OM4 y OM5.
200GBASE-DR4, con 4 fibras ópticas unimodales por dirección de transmisión, a 26,5625 GBd por fibra (es decir, 8 fibras ópticas), codificación PAM4, longitudes de onda de 1304,5 a 1317,5 nanómetros, conectividad MPO-12, distancia de hasta 500 metros.
200GBASE-FR4, con multiplexación de 4 longitudes de onda (CWDM) en una fibra óptica unimodal por dirección de transmisión (es decir, 2 fibras ópticas), a 26,5625 GBd por longitud de onda, codificación PAM4, distancia de hasta 2 kilómetros.
200GBASE-LR4, similar a 200GBASE-FR4 pero a una distancia de hasta 10 kilómetros.
200GBASE-ER4, similar a 200GBASE-FR4 pero a una distancia de 30 o 40 kilómetros según los equipos.

200GBASE-DR4	200GBASE-FR4	200GBASE-LR4	200GBASE-ER4
Fibras unimodal de tipo B.652.B, B.652.D y B.657.A (especificadas en la norma...

Ethernet a 800 Gbit/s y 1,6 Tbit/s

La norma IEEE 802.3-2022 se detiene en las especificaciones para aplicaciones de 400 Gbit/s. No obstante, se está trabajando en el desarrollo de velocidades de datos superiores con el objetivo de normalizar Ethernet a 800 Gbps (800 GbE) y Ethernet a 1,6 Tbps (1,6 TbE). Esta labor se lleva a cabo en la organización IEEE, a través de los grupos de trabajo IEEE P802.3df e IEEE P802.3dj, o en grupos industriales como el 800G Pluggable MSA (multisource agreement) y el Terabit BiDi MSA.

1. Grupo de trabajo IEEE P802.3df

El grupo IEEE P802.3df, denominado 400 Gb/s and 800 Gb/s Ethernet Task Force, tiene como objetivo definir especificaciones para:

400 GbE, sobre 4 pares de fibras unimodales de hasta 2 kilómetros;
800 GbE, sobre 8 pares de fibras multimodales de hasta 50 o 100 metros y sobre 8 pares de fibras unimodales de hasta 500 m o 2 kilómetros.

La normalización está prevista para junio de 2024.

Dirección de Internet: https://www.ieee802.org/3/df/index.html

2. Grupo de trabajo IEEE P802.3dj

El grupo de trabajo IEEE P802.3dj, titulado 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s, and 1.6 Tb/s Ethernet Task Force, tiene como objetivo definir las especificaciones de las nuevas capas físicas para aplicaciones de 200 GbE, 400 GbE, 800 GbE y 1,6 TbE basadas en tecnologías de señalización para 200 GbE o más.

Los flujos, fibras y distancias a los que se dirige son:...

Ethernet y fibras ópticas