SDH

1. Antecedentes de SDH.

Hace un par de décadas, los sistemas de transporte de red se han basado en tecnologías PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy o, en español, Jerarquía Digital Plesiócrona). Estas tecnologías utilizaban técnicas TDM (Time Division Multiplexion) para aumentar la capacidad de transporte de los medios físicos. El problema, sin embargo, con la PDH es que para acceder a los canales de voz –que, para nosotros, serían las señales de baja velocidad- es necesario demultiplexar la trama entera, en sucesivas etapas, para obtener la señal deseada; además, la PDH no se regía bajo un único estándar mundial, sino que existían tres tipos: PDH americana, europea y japonesa; y no tenía definidas en estándares las tasas de transferencias de muy altas velocidades.

Imagen 1. Velocidades de los distintos estándares de PHD

A partir de estas premisas, Estados Unidos comienza a trabajar en una red síncrona, dando origen a SONET (Synchronous Optical Network - Red Óptica Síncrona). Esta red asignaba al primer nivel jerárquico una velocidad de 51840 Kbits/seg. SONET, a su vez, sirvió como plataforma

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de diseño para una red mundial síncrona: SDH (Synchronous Digital Hierarchy - Jerarquía Digital Síncrona). Para esta nueva red efectivamente se ha estandarizado mediante normas y recomendaciones por parte de la UIT para mayor facilidad de implementación, explotación y mantenimiento.

SDH, hoy en día, convive con redes PDH –la cual no se expande más; solo trabaja lo que ha quedado con ese sistema- y trabaja por sí sola en aquellos puntos donde exista un incremento de demanda o clientes que necesiten los beneficios de una red de transporte síncrona. Las tramas que SDH maneja han sido diseñadas para transportar distintos tipos de contenido: señales binarias de áreas rezagadas de PDH, flujos ATM y los canales de 64 Kbit/seg.

Como los distintos tipos de redes antes de ella, SDH también posee niveles de jerarquía, los que se conocen como STM (Synchronous Transport Module - Modulo de Transporte Síncrono).

Imagen 2. Niveles de jerarquía de las tramas utilizadas en redes SDH.

2. Trama SDH.

Una trama de STM-1 es la más básica que se puede tener en SDH, por lo que será la que se analizará a continuación para tener una noción de cómo funcionan las tramas de SDH. Conviene comenzar diciendo que una trama -en cualquier nivel de jerarquía SDH- es, en términos sencillos, una matriz de nueve filas y n-columnas –donde ‘n’ es determinado por el nivel de jerarquía. Para el caso particular, se tiene que un STM-1 está formado por 9 filas y 270 columnas.

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Imagen 3. Composición de una trama STM-1.

En la trama STM-1 se pueden distinguir dos campos principales:

Section Overhead (SO): es el campo donde se transmite la información para gestionar la trama STM.

Payload: es el contenido útil de la señal.

Ahora bien, el Section Overhead se divide en tres subgrupos:

Regeneration Section Overhead (RSOH) Multiplex Section Overhead (MSOH) Pointers

Imagen 4. Diagrama de el Section Overhead de una trama STM.

2.2. Encabezados de una trama STM

Al ver cómo está diagramado el Section Overhead, se puede notar dónde está cada una de sus partes: las primeras tres filas corresponden al RSOH, la siguiente es de los punteros y las últimas cinco, al MSOH.

El RSOH posee contenido que es examinado y –de ser necesario- modificado por los equipos regeneradores y los encargados de la

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multiplexión. Contiene una señal de alineamiento de trama para reconocer el inicio de una trama STM (A1, A2), etiquetas asignadas a rutas para verificar la conexión entre transmisores (J0), información de monitoreo de bits errados (B1) y canales de servicio para usos varios: envío de señales de voz por motivos de mantenimiento y operación (E1), envío de datos y señales de voz por motivos de servicio (F1) y envío de información de administración de dispositivos (D1-D3).

El contenido del MSOH, por otra parte, solo puede ser accedido en los equipos terminales de multiplexaje. Contiene información de monitoreo de bits errados (B2), información para re-enrutar las tramas en caso de falla (K1, K2), canal de servicios (D4-D12, E2), información de nivel de calidad de sincronización (S1), información sobre los bits que se han detectado como erróneos (M1) y bytes sobrantes (Z1-Z2).

Los punteros sirven para identificar la posición de distintos elementos dentro de la trama y adaptar la velocidad de dichos elementos (compensar las diferencias en frecuencia que se susciten en la transmisión).

2.3. Payload de una trama STM.

Ahora, el Payload que se muestra en la imagen 3 y 4, si bien es cierto, es una falacia, ya que no todo este espacio se destina a la carga útil que se transmite. En esta área, se puede hacer otra subdivisión:

Path Overhead (POH) Carga Útil

El Path Overheard es información del mismo tipo que se transporta en el RSOH y MSOH, pero que solo es leída por el equipo al que va dirigida la información.

Ahora, la Carga Útil es la parte dentro de la trama STM que se debe de analizar un poco más a fondo para comprender el funcionamiento de este tipo de tecnología. Entender qué es la Carga Útil no significa un mayor problema, ya que solo es la información que se quiere transmitir.

2.4. Encapsulaciones de una trama STM

Ahora bien, las tecnologías SDH tienen distintos nombres para designar las distintas modificaciones que recibe la información de tramas.

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En un principio, la tecnología SDH define a la Carga Útil mencionada como un Contenedor. El contenedor es el espacio donde se introduce la información (señales PDH, células ATM, canales de 64 Kbits/s), por lo que es necesario hacer un mapeado para ubicar la información dentro de éste.

Ya con el establecimiento de la información dentro de un contenedor, se debe asignar a éste información de gestión de trayecto. De esta manera, la suma de un contenedor y un POH da lugar a un Contenedor Virtual.

Imagen 5. Gráfico que muestra la conformación de un Contenedor Virtual.

Cabe añadirse que los VC se dividen en dos categorías: CV de orden inferior y CV de orden superior; entre ambos no hay mayor diferencia en términos de qué son. La diferencia que existe es la instancia en que se forman cada uno, ya que mientras los de orden inferior se forman al utilizar una multiplexión para canales de ‘baja’ velocidad, los de orden superior se forman cuando se trabaja con tasas de bit de nivel E3 o superior.

Después de conseguir un encapsulamiento de contenedor virtual, SDH le añade un puntero para formar una Unidad. Una Unidad es un área de carga para el transporte de un CV, la cual indica a qué distancia se única el primer octeto de un CV mediante un puntero. Ahora bien, la Unidad que encapsula –si se permite- a un CV de orden superior se llama Unidad Tributaria.

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Imagen 6. Formación de una Unidad Tributaria.

Ya que se tienen TU formados, estos son agrupadas o ensambladas dentro de TUG (Tributary Unit Group). Ahora, para formar un TUG es imperativo que las Unidades Tributarias que lo forman sean iguales, lo cual permite que exista no solo un nivel de GUT, sino que varios dependiendo de a qué nivel jerárquico se esté trabajando y qué paso de encapsulación se esté llevando a cabo.

Como último paso, antes de tener la trama completa STM, es adecuado nombrar una última encapsulación: Unidad Administrativa (AU). Ésta sería lo visto en la Imagen 3, una encapsulación que contiene información de regeneración, multiplexión y punteros generales.

Imagen 7. Mapa de multiplexión SDH.

En la imagen anterior, se puede apreciar de una manera gráfica cómo se van formando los distintos grupos o encapsulaciones que se encuentran dentro de las tramas SDH. Como lo indica el gráfico, los distintos tipos

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de encapsulaciones o grupos se encuentran definidos por colores y las flechas entre éstos indican qué tipo de operación debe llevarse a cabo para obtener el siguiente nivel.

Ahora, en un equipo real, la estructura de un STM-1 es mostrada de la siguiente manera:

  TUG3 1   TUG3 2   TUG3 3TU1 TU2 TU3 TU1 TU2 TU3 TU1 TU2 TU3

TUG2-1 Ex1 Ex2 Ex3 VCG1 VCG1 VCG1 VCG2 VCG2 VCG2TUG2-2 Ex4 Ex5 Ex6 VCG1 VCG1 VCG1 VCG2 VCG2 VCG2TUG2-3 Ex7 Ex8 None VCG1 VCG1 VCG1 VCG2 VCG2 VCG2TUG2-4 None None None VCG1 VCG1 VCG1 VCG2 VCG2 VCG2TUG2-5 None None None VCG1 VCG1 VCG1 VCG2 VCG2 VCG2TUG2-6 None None VCG1 VCG1 VCG1 VCG1 VCG2 VCG2 VCG2TUG2-7 VCG1 VCG2 VCG2 VCG1 VCG1 VCG1 VCG2 VCG2 VCG2

Tabla 1. Estructura de un STM-1 obtenida a partir de un equipo de la red SDH de Claro El Salvador, a la cual se le ha dado formato.

Cada cuadro de color pálido dentro de la tabla representa un E1 –de nuevo, se observa que un STM-1 posee 63 E1’s – y sus nombres son etiquetas para identificar el tráfico que lleva el STM-1. Cada E1 es tratado como se ha descrito anteriormente para formar una TU, las cuales se juntan en grupos de 3 para ensamblar los primeros Grupos de Unidades Tributarias. De ahí, se juntan 7 TUG-2 para formar los TUG-3, quienes forman ya el STM-1 al ser tres.

2.5. Multiplexiones.

Habiendo ya analizado las encapsulaciones para la formación de un STM-1, es momento de analizar las multiplexiones que se realizan en la formación de un STM-1 y en la formación de las jerarquías superiores.

Se podría pensar que ambos tipos de multiplexiones son iguales y no habría necesidad de hacer la diferenciación. Esto no es cierto. La multiplexión necesaria para formar los grupos de unidades tributarias a partir de los CV funciona separando el POH del contenedor que se esté utilizando a ese nivel y éstos se posicionan en orden antes de toda la información multiplexada de los contenedores. En este paso es donde los punteros cobran importancia, ya que depende de éstos informar al equipo destinatario –en este caso- exactamente en qué punto de la trama se encuentra la información que dicho puntero marca.

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Imagen 8. Ejemplo de multiplexaje de E3 dentro de una trama STM1.

Ahora, el multiplexaje que se hace de tramas STM para obtener un nivel de jerarquía superior se hace de una manera más simple, ya que en este caso sólo se está ‘cambiando’ a un contenedor más grande. El multiplexaje que ocurre al pasar de un STM-1 a un STM-4, por ejemplo, solo incluye, dentro de la trama, ubicar los STM-1 uno tras otro.

Imagen 9. Ejemplo de multiplexaje para la obtención de un STM-4.

2.6. Ajuste de transmisión.

En la transmisión de tramas STM en redes SDH hay dos acciones que ‘ayudan’ a mejorar la transferencia de información:

Concatenación Justificación

La concatenación consiste en unificar varias estructuras de información para formar un solo cuerpo. En SDH, distintos contenedores virtuales o unidades tributarias se pueden unir para formar un contenedor concatenado, provocando que la información se transporte por la red como si fuera una sola entidad.

Teóricamente, un E4 –por ejemplo- tendría que tener la misma velocidad que un C4, pero esto no tiende a cumplirse a cabalidad en la realidad. Usualmente se tiene que el E4 es ligeramente más rápido o más lento que el C4, por lo que se necesita un sistema que se encargue de ajustar

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estas diferencias de velocidad. Ahí entra la justificación. Los punteros, ya mencionados previamente, son los encargados de permitir la realización de la justificación, la cual puede ser positiva o negativa dependiendo de si se tiene una menor velocidad o una mayor en el tributario, respectivamente.

Los punteros de la trama STM –más específicamente, el H3- se encargan de producir la justificación positiva y negativa. La justificación positiva consiste en la inserción de bits que no signifiquen nada dentro del espacio designado a la información, mientras que la justificación negativa consiste en la remoción de bits de información para ubicarlos dentro del puntero H3. Cabe mencionarse que solamente durante la justificación negativa, los punteros del encabezado de la trama llevarán información.

3. ATM en SDH.

La naturaleza de las tramas STM en SDH permiten que la mayor parte del tráfico sea transportado sin mayor problema de espacio o consideraciones de posicionamiento dentro del Payload, pero ATM requiere un ligero tratamiento especial.

ATM es una técnica de transmisión de información utilizado en redes. Utiliza TDM asíncrono y codifica la información en pequeños espacios de tamaño fijo llamados células. Las células son construidas a partir de 53 octetos -48 de flujo de información (datos, voz) y 5 de enrutamiento de cabecera-, lo cual hace que ATM sea una buena opción cuando se tiene una red que debe soportar tráfico de alta velocidad –transferencia de archivos- como tráfico en tiempo real que requiera una baja latencia –voz y video. Esto funciona, ya que ATM prepara circuitos virtuales dedicados antes de que comience el intercambio de información.

En la tabla 1 se pudo observar la estructura – en términos de espacio- de una trama STM-1, así que ha de tenerse una idea del cómo se llena el espacio de carga de la misma. Ahora, el entramado de células ATM se realiza alineando la estructura de cada célula con la estructura del contenedor a utilizar. Dado que el espacio útil dentro del contenedor puede no ser exactamente 53 octetos o un múltiplo, es posible que quede una célula sin completar al final de una trama STM. SDH funciona de una manera que, si la información excede al límite de la trama de un contenedor, la información excedente es enviada en el siguiente.

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Imagen 9. Entramado de células en una trama STM.

4. Ventajas de SDH

SDH, debido al tipo de tecnología que es, es usualmente comparada directamente con su predecesora: PDH. Entre las ventajas de SDH podemos mencionar las siguientes:

Simplificación de Red.

Ahora, cuando se necesite extraer información de cualquier señal que integre una trama STM, no es necesario hacer una completa demutiplexión, ya que la estructura y los punteros permiten a los equipos encontrar la ubicación exacta de la información. De la misma manera, es posible incluir información dentro de las tramas sin equipos de demultiplexión intermedios; esto simplifica los nodos de transmisión. Además, los distintos elementos de red utilizados pueden ser re-aplicados a distintas configuraciones de red: estrella, anillo, bus, entre otras; no sólo presentan una versatilidad de esquema, sino también versatilidad de posición, ya que un elemento puede usarse como terminal, regenerador o múltiplex sin necesidad de cambiar de aparato.

Capacidad de Gestión y Control.En las redes PDH no se cuenta con un canal de gestión normalizado mediante el cual se pueda administrar los equipos de distintos fabricantes. SDH, por otro lado, define elementos, dentro de los encabezados de la trama SDH, para gestionar equipos en los tramos de transmisión.

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Interconexión.Como se mencionó al inicio del documento, cuando las redes PDH eran ampliamente utilizadas, la falta de una estandarización global causó que los estándares utilizados para estas tecnologías fueran dependientes de las zonas y sus necesidades particulares de transmisión. Ahora bien, con SDH se logró establecer un solo estándar que abarcara al todo el mundo, de manera que las (inter)conexiones entre las distintas zonas mundiales. Cabe mencionarse que el desarrollo de las tecnologías SDH no implicó, en ningún momento, una completa erradicación de las redes PDH y sus sistemas, por lo que se encontró la manera de lograr que las redes SDH fueran capaces de convivir y funcionar junto a sus predecesoras.

Ancho de Banda Bajo Demanda.El diseño de las tramas de la tecnología SDH permite ofrecer cualquier ancho de banda requerido por un usuario. De esta forma, se puede ajustar una trama STM para que transporte cantidades de tráfico de acuerdo al tipo de tráfico que se tenga.

Flexibilidad y fácil adaptación a cambios.Las tramas STM en la tecnología SDH son capaces de transportar simultánea y flexiblemente distintos tipos de señales: ATM, flujos digitales de redes PDH, canales de audio de 64 Kbits/s, entre otros.

Sincronismo.SDH es una tecnología, como su nombre lo indica, síncrona; lo que significa que se rige bajo una señal se sincronismo que se encarga de la coordinación de equipos. Dado que los sistemas plesiócronos no funcionan en base a una señal de reloj central, sino que cada equipo trabaja con su propio reloj, se tiene ligeras variaciones de tiempo entre las señales que se transmiten. Estas variaciones son las que provocan que en PDH, para obtener información es necesario una serie de demultiplexiones y multiplexiones para devolver la información al medio, pero en SDH es ligeramente diferente. SDH, haciendo uso de una señal de sincronía, permite que la

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multiplexión y demultiplexión se realice en un solo paso, eliminando el exceso de hardware para realizar esas actividades. Esto permite que la información pueda ser accedida demultiplexando solamente aquella información que se desea.

5. Elementos de red SDH.

Se considera conveniente, conociendo los beneficios de una tecnología y su funcionar, reparar en los elementos importantes de una red SDH.

El primer elemento que se encuentra en una red SDH es el Multiplexor Terminal. Este funciona como concentrador de E1’s y de señales tributarias, las cuales multiplexa y produce una trama STM del nivel de jerarquía adecuado. Esta parte ha sido beneficiada por la funcionalidad de las redes SDH debido al sincronismo, ya que se ha vuelto más económica, fácil y óptima.

Imagen 10. Esquema de un Multiplexor Terminal.

Otro elemento importante en las redes SDH son los Regeneradores, que son equipos que se encargan de aumentar el nivel de la señal transmitida. Un regenerador solamente es capaz de modificar el campo RSOH que se incluye en la trama STM; los demás campos los deja intactos. Además de aumentar el nivel de la señal, un regenerador re-condiciona la transmisión para minimizar el jitter, la dispersión y otros errores mínimos que ocurren a nivel de capa 1.

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Imagen 11. Representación gráfica de un Regenerador.

Entre las ventajas de la tecnología SDH se mencionó la capacidad de, con ayuda de un multiplexor, obtener la información deseada sin mayor acción que un simple demultiplexaje y luego poner la trama de vuelta en el medio. Ahora, un Multiplexor Add/Drop es el encargado de esta parte. Este tipo de multiplexor es un sitio en el cual se ha configurado el acceso (Drop) e inserción (Add) de señales en la trama STM. En un sentido más simple, un multiplexor add/drop actuaría como una estación de trenes donde solo cierto tipo de pasajeros pueden bajar y subir.

Imagen 12. Diagrama de funcionamiento de un Multiplexor Add/Drop.

El siguiente elemento a describir es el Cros-Conector Digital, el cual puede ser de Wideband o Broadband, dependiendo de la velocidad de los tributarios con los que se trabaje. Los cros-conectores broadband están diseñados para los tributarios de más altas velocidades; sin embargo, ambos tipos funcionan bajo el mismo principio. Un Cros-Conector Digital es un dispositivo que se encarga de administrar el tráfico e interconectar un número alto de tramas STM. Podría decirse que es un enrutador estático.

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Imagen 13. Representación gráfica de un Cros-Conector Digital.

Como dato extra es de comentar que hoy en día existen equipos para redes SDH capaces de, en un mismo medio de transmisión, multiplexar distintas tramas STM en distintas longitudes de onda para mejor aprovechamiento de la fibra óptica (WDM –Wavelenght-Division Multiplexing). Esta tecnología aún se sigue explorando e investigando qué tan lejos se puede llevar la fibra óptica; al momento, han sobrepasado las 80 longitudes de onda por fibra óptica.

6. Topologías de Red en SDH

En las redes SDH existen distintas topologías que se pueden implementar dependiendo de los requerimientos específicos de la red que se esté trabajando.

Una topología Punto a Punto (Point to Point) es la más sencilla que se puede implementar, ya que solamente requiere dos multiplexores terminales unidos mediante una línea de fibra –la que puede o no poseer regeneradores. Este tipo de topología tiene la ventaja de permitir el transporte de grandes cantidades de datos a altas velocidades –de usar un sistema WDM- y la pequeña cantidad de enlaces que se formarían. Un ejemplo de un sistema punto a punto son las conexiones submarinas intercontinentales.

Por otro lado, una topología de malla facilita el crecimiento y los cambios que pueda sufrir la red. Una red de maya no es algo definido, ya que puede funcionar en modalidad de malla completa –donde todos están conectados con todos- o con un cros-conector central que concentre el tráfico y permita un acceso fácil y rápido a los circuitos. Esta topología requiere una cantidad considerable de enlaces; sin embargo, puede transportar una gran cantidad de tráfico. Un ejemplo de esta topología son las redes de transporte.

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Imagen14. Topologías de malla con un Cros-Conector al centro y malla completa, respectivamente.

Otro tipo de topología que se implementa en redes SDH es la topología de anillo. Esta topología consiste en conectar equipos ADM, como su nombre lo indica, en forma de anillo configurado para tráfico unidireccional o bidireccional. La principal ventaja de la topología de anillo es la simple redundancia que se produce en el diseño, ya que si un punto es cortado por un cable, todavía está en comunicación por el otro que lo conecta al anillo.

Imagen 15. Esquela de una topología de anillo.

7. QoS dentro de SDH.

La capacidad de una red de proveer medios de QoS al tráfico que fluye a través de ésta no depende –directamente- de la forma en que se maneje o encapsule la información, sino que depende de los equipos que la red posee y sus capacidades. Para demostrar la premisa anterior se remitirá a una red común de Ethernet. El estándar Ethernet no presenta información alguna sobre mecanismos de QoS porque no se encarga de eso; a decir verdad, ni siquiera llega a la capa del modelo OSI en la cual se podría aplicar QoS. Ethernet funciona, en todo caso, en las primeras dos capas: física y enlace de datos. Ahora bien, Ethernet provee calidad de servicio al tráfico que pasa por la red a través de sus equipos:

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switches multicapa y routers; éstos son los encargados de priorizar el tráfico y darles el trato deseado.

En términos generales, es el mismo caso para SDH con la salvedad que en esta tecnología se podría decir que ésta posee un mecanismo de QoS por sí sola –pero de todas formas se relaciona con los equipos SDH.

Retomando de nuevo la imagen de la Tabla 1. Se puede apreciar que cierta cantidad de contenedores virtuales están designados para cierto tráfico. Esto puede verse como una comparación con el modelo de QoS llamado MQC Bandwidth –que funciona reservando porcentaje de ancho de banda de una interfaz del equipo para cierto tipo de tráfico-, ya que aquí se determina qué tanto de una trama STM será ocupada por cierto tipo de tráfico. Esto podría verse como un QoS manual.

Otras formas de aplicar mecanismos de QoS a las redes SDH es la manera tradicional: mediante configuraciones en los equipos de la red. En las redes SDH es posible utilizarse –por mencionar ejemplos- equipos Cisco MWR 2941, los cuales son routers especialmente diseñados para optimizar, agregar y transportar tráfico de redes de radio acceso. Al igual que otros modelos de routers Cisco, es posible configurarle políticas de QoS de acuerdo a las necesidades que se tengan en la red.

Imagen 16. Router Cisco MWR 2941.

Si bien los equipos Cisco son populares dentro del amplio mundo de las redes, no son los únicos equipos que existen dentro de las aplicaciones que éstos lideran. Otro equipo utilizado en redes SDH es el modelo FCD-155 y FCD-155E de la compañía RAD. Estos equipos, de la misma manera que los routers de Cisco, permiten configurar características de QoS al tráfico que manejan.

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Imagen 17. Equipo RAD FCD-155E.

Lo que se puede concluir –dentro del aspecto de QoS en redes SDH- es que la calidad del mismo y su funcionamiento dependen del equipo que esté proveyendo el servicio. Como con cualquier red, antes de configurar políticas de QoS, es conveniente realizar un análisis de tráfico y de necesidades para determinar realmente es necesario la provisión de QoS y, de serlo, poder realizarla de la manera más adecuada y funciona posible.

8. Conclusiones

Ifdgdf varias lambdas en una misma fibra

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9. Fuentes de Consulta:

“Jerarquía Digital Síncrona – Sistemas de Transmisión Inteligentes”. Portillo Meniz, J., Rodríguez Esparragón, D., Viera Santana, J. G. y Hernández Haddad, J.C., Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, 2006.

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“Synchronous Digital Hierarchy”, NetTest, 2009. “SDH Telecommunications Standard Primer”, Tektronix.  “Trend’s SDH/SONET Pocket Guide”, Trend Communications Ltd.

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