ISSN 1518-5974

Boletim bimestral sobre tecnologia de redes
produzido e publicado pela  RNP – Rede Nacional de Ensino e Pesquisa
20 de dezembro de 2002 | volume 6, número 6

A Iniciativa Óptica Nacional e o Projeto Giga

Nelson Simões <nelson@rnp.br>
Diretor Geral
Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP)

Michael A. Stanton <michael@rnp.br>
Diretor de Inovação
Rede Nacional de Ensino e Pesquisa
(atualmente cedido da Universidade Federal Fluminense (UFF) para a RNP)

Resumo
1. Introdução
2. Evolução de Tecnologia das Redes
3. Iniciativa Óptica Nacional
4. O Projeto Giga
5. Outros projetos relacionados
6. Conclusão
Referências bibliográficas

Resumo

Depois de um breve sumário da evolução organizacional e tecnológica da RNP, o artigo chama a atenção ao enorme potencial das tecnologias ópticas para melhorar a eficácia das redes de comunicação. Por enquanto, este potencial tem sido explorado apenas em redes de campi ou, eventualmente, em redes metropolitanas (as ReMAVs). Por motivos conjunturais, relacionados à introdução de concorrência no setor das telecomunicações e à adoção de técnicas de multiplexação em transmissão óptica, as operadoras possuem, atualmente, uma infra-estrutura abundante de fibra óptica, que em grande parte é subutilizada. Nestas condições, um aproveitamento nobre da fibra não produtiva é ceder seu uso para o desenvolvimento de novas tecnologias de redes avançadas pela comunidade de P&D, permitindo, assim, preparar o país para a Internet do futuro. É este o objetivo da Iniciativa Óptica Nacional (ION), uma estratégia visionária adotada pela RNP, cuja primeira expressão é a realização do Projeto Giga. Este projeto pretende montar uma rede experimental de alta velocidade no sudeste do país, e fomentar P&D em tecnologias e aplicações de redes avançadas.

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1. Introdução

As redes de ensino e pesquisa (REP) se desenvolveram para habilitar a colaboração entre pessoas e instituições, principalmente em áreas como educação, pesquisa, saúde e inovação tecnológica. Nascidas da oportunidade de introduzir nos anos 1980 comunicação mediada por computadores, a níveis nacional e internacional, estas iniciativas em todo o mundo foram responsáveis pela demonstração e divulgação de formas inovadoras de comunicação e colaboração a distância. Boa parte destas REP foi a responsável por introduzir a Internet nos seus países, seja através da formação de recursos humanos, seja através da difusão e uso de novo paradigma de aplicações ubíquas de baixo custo.

No caso do Brasil, as REP nasceram a partir do final dos anos 1980, formando a Internet acadêmica nacional, baseada no backbone da Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP), complementada por 15 REP estaduais, tais como a ANSP em São Paulo e a Rede Rio no Rio de Janeiro [STA98]. Hoje, este conjunto de redes provê serviço Internet a 239 universidades e unidades de pesquisa no país. Até 1994, acesso à Internet no país significava acesso à rede acadêmica. Foi somente a partir do final desse ano que surgiu a Internet comercial no Brasil, hoje amplamente desenvolvida e presente no cotidiano.

Com o advento da Internet comercial em todo o mundo como novo serviço de comunicação público, o foco das REP migrou para a difusão do uso de aplicações e serviços de redes avançados, caracterizados pela interação remota e próxima do real entre pessoas e recursos na rede (por exemplo, a videoconferência na educação ou a instrumentação remota em áreas como saúde ou astronomia). Estas aplicações demandam, além de maior capacidade, protocolos e mecanismos especiais que não encontram suporte em redes comerciais. Esta migração das REP se iniciou nos EUA a partir de 1996 com a criação da iniciativa Internet2 [I2], e foi seguida por ações parecidas em muitos outros países.

A partir de 1997, a RNP procurou definir seu projeto RNP2, que alia melhor infra-estrutura de comunicação com o desenvolvimento de aplicações e serviços de rede inovadores. Para alcançar este objetivo, conta com a colaboração de grupos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) da comunidade acadêmica, além de empresas dos setores de telecomunicações e de equipamentos. Em 1997, lançou o edital das Redes Metropolitanas de Alta Velocidade (ReMAV), objetivando tomar o primeiro passo para criar uma rede de alcance nacional com as características almejadas, para atender a comunidade acadêmica. Uma ReMAV foi (e ainda é) um consórcio de instituições de P&D e empresas numa mesma região metropolitana, que é interligada por rede de alta velocidade, geralmente implementada com fibra óptica apagada provida por uma operadora local de telecomunicações. Esta fibra é iluminada por equipamentos do consórcio (tipicamente comutadores ATM, usando enlaces de 155 Mbps), e a rede é totalmente operada pelos membros do consórcio.

Cada consórcio foi selecionado com base em sua proposta de P&D, que incluía adquirir e difundir conhecimento com aplicações avançadas. Foram criadas 14 ReMAV (em Fortaleza, Natal, Campina Grande, Recife, Salvador, Goiânia, Brasília, Belo Horizonte, Rio de Janeiro, São Paulo, Campinas, Curitiba, Florianópolis e Porto Alegre), a maioria ligada diretamente ao backbone nacional da RNP. Através delas, se obteve experiência com questões associadas à verticalização da infra-estrutura das redes Internet, com domínio de todas as camadas a partir do meio físico. Além disto, foi adquirida familiaridade com as tecnologias de redes de alta velocidade e com as aplicações avançadas que requerem garantias de qualidade de serviço (QoS). Maiores detalhes sobre a iniciativa das ReMAV podem ser encontrados em [ReMAV].

Em 1999, foi a vez de reformar o backbone nacional da RNP, que utilizava, desde 1995, enlaces interestaduais de até 2 Mbps. Em 1999, foi criado o backbone RNP2, do qual a maior parte é implementada usando o serviço ATM do provedor de telecomunicações. Nesta rede, os enlaces entre os pontos de presença (PoP) da rede são implementados por canais virtuais permanentes (PVC), com capacidade estaticamente configurada. Estes canais, hoje, têm capacidade suficiente para atender o crescimento da demanda por serviço de melhor esforço, mas não é implementado ainda nenhum mecanismo de garantia de QoS, que torne plenamente viável a interoperação de serviços avançados entre ReMAV diferentes.

Em 2001, foi lançada uma iniciativa que levará a um novo ciclo de renovação tecnológica da infra-estrutura da RNP, procurando conciliar as necessidades de atender plenamente as expectativas levantadas na montagem de uma rede nacional de tecnologia avançada com as oportunidades abertas pelo surto de investimento realizado nos últimos anos na renovação da infra-estrutura das telecomunicações. Esta iniciativa foi batizada Iniciativa Óptica Nacional (ION).

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2. Evolução de Tecnologia das Redes

A experiência obtida com as ReMAV, e com outras redes parecidas, como a rede interna de algumas universidades urbanas - a da Universidade Federal do Paraná (UFPR) em Curitiba, e a da Universidade Federal Fluminense (UFF) em Niterói [STA99], demonstrou a facilidade e eficácia com que se pode montar uma rede metropolitana usando apenas equipamentos de comunicação de dados, sem precisar de nenhuma infra-estrutura de serviços de telecomunicações tradicionais. A chave desta questão é o acesso fácil ao meio físico, que é a fibra óptica iluminada pelos equipamentos dos usuários. Em alguns casos, como das duas universidades citadas, o meio físico é próprio, instalado pela instituição, utilizando-se da rede dos postes mantida pela companhia local de distribuição de energia elétrica. Depois de pago o custo da instalação, resta apenas um aluguel simbólico pelo uso dos postes.

Em outros casos, como na maioria das ReMAV atuais, as fibras ópticas foram cedidas gratuitamente para uso do consórcio (do qual faz parte) por uma operadora de telecomunicações. Evidentemente, esta é uma concessão a título precário, por ser limitada em tempo. A cessão poderia ainda ser o objeto de contrato, como de aluguel, de cessão irretratável de direito de uso (IRU - Irrevocable Right of Use) por um período longo (10 a 25 anos). Esta prática já se tornou comum em outros países nos últimos anos, e seria uma forma de uma empresa de telecomunicações ressarcir-se pelo investimento de lançar um cabo óptico com capacidade superior às suas necessidades. Adicionalmente, neste caso, poderia ser incluído no contrato de cessão o serviço de manutenção corretiva, mais facilmente executado pela operadora do que por um usuário que aluga apenas um par de fibras.

Garantidas as fibras ópticas, estaria pronta para uso a infra-estrutura física, podendo ser escolhida ou mudada, a qualquer momento, a tecnologia de transmissão e sua taxa de transferência.

As limitações de transmissão de informação por fibras ópticas são conhecidas, e são devidas a atenuação, dispersão (intermodal, cromática e de polarização) e por efeitos não lineares [ABE02]. Usando fibras monomodo convencionais e lasers SLM (single longitudinal mode), é possível alcançar distâncias de 70 a 100 km sem muita dificuldade. Isto, normalmente, resolve as necessidades em redes de âmbito metropolitano, mas não para enlaces interurbanos, pelo menos na maioria dos países. Nestas circunstâncias, será necessário regenerar o sinal óptico em pontos intermediários. Nos anos 1990, foi demonstrado que esta regeneração poderá ser feita eficazmente combinando o uso de DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) com EDFA (Erbium Doped Fibre Amplification). Nesta combinação, os feixes de vários lasers, ou lambdas, de "cores" diferentes, são multiplexados na mesma fibra, e os sinais são amplificados em intervalos regulares (em torno de 80 km) por amplificadores ópticos de faixa larga, amplificando simultaneamente todos os lambdas. Um sistema deste tipo poderá combinar 32 ou mais lambdas por distâncias de até 600 km, sem a necessidade de regeneração eletrônica dos sinais transmitidos. Sistemas DWDM deste tipo são amplamente disponíveis, sendo fabricados inclusive por pelo menos uma empresa nacional.

Um sistema de transmissão DWDM permite transmitir sinais em cada lambda, até certo limite máximo da taxa de sinalização. Mais comuns são os limites 2,5 GHz e 10 GHz. Tais canais são analógicos, e não restringem de outra forma a taxa de sinalização ou protocolo de linha utilizados. Num lambda de 2,5 GHz, poderá ser transmitido um sinal SDH de 2,5 Gbps, ou, se for conveniente, um sinal Gigabit Ethernet (GE) de 1 Gbps. No de 10 GHz, os correspondentes são SDH de 10 Gbps ou 10 Gigabit Ethernet (10GE) de 10 Gbps. Em geral, os equipamentos GE ou 10GE têm grandes vantagens de preço quando comparados com os equipamentos SDH. Adicionalmente, se o objetivo da transmissão for transportar tráfego Internet, a tecnologia Ethernet oferece sólidas vantagens conceituais quando comparadas com IP sobre SDH, porque as redes de longa distância passam a adotar a arquitetura das redes locais, com todas as vantagens que isto traz em termos de suporte para aplicações distribuídas.

Nos últimos anos, vem sendo adotada para as redes avançadas a combinação de transmissão DWDM com sinalização GE ou 10GE. Atualmente, o país mais adiantado neste respeito seria o Canadá, onde a rede CA*net, administrada pela organização CANARIE, vem demonstrando os benefícios do uso desta alternativa para montar nesse país uma infra-estrutura riquíssima para colocar comunicação avançada a serviço da população, através do uso de condomínios de fibra apagada nas comunidades locais, interligados por canais de altíssima capacidade de longa distância [CAN]. Com isto, está criando um novo paradigma para a montagem das redes de comunicação.

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3. Iniciativa Óptica Nacional

A atual iniciativa da RNP, denominada Iniciativa Óptica Nacional (ION), se deve à percepção de que as condições nacionais estão se tornando favoráveis para dar prosseguimento, no país, ao pioneirismo canadense. Isto se deve a vários fatores. Em primeiro lugar, e mais importante, como conseqüência dos grandes investimentos em infra-estrutura realizados por operadoras de telecomunicações desde a quebra do monopólio estatal e o início da concorrência, existe uma capacidade instalada de fibra óptica que em muito excede a demanda atual. Segundo, alguns destes investimentos não anteviram o impacto de multiplexação óptica usando DWDM, o qual torna potencialmente maior a ociosidade da capacidade de transmissão em potencial instalada. Terceiro, continuam caindo os custos dos equipamentos de GE, como também dos cabos ópticos.

Em função disto, é cabível traçar uma ação estratégica para aproveitar a oportunidade de usar uma parte da capacidade ociosa instalada em benefício da comunidade de educação e pesquisa. A melhor maneira de fazer isto será articulando os interesses de vários parceiros dos setores de telecomunicações e de P&D. Do setor de telecomunicações, há os operadoras, que fizeram seus investimentos em infra-estrutura, e a quem não representa grande custo ceder seu uso para atividades de P&D. Em retorno, espera-se ajuda em criar um mercado futuro que demandará os serviços avançados de rede, os quais poderão ser criados e demonstrados pelo setor de P&D nas novas redes ópticas. Os fabricantes de equipamentos também devem ver com bons olhos a iniciativa pois, além de servir de vitrine para seus produtos, mais uma vez deverá gerar futura demanda quando o modelo a ser criado/demonstrado pelo setor de P&D venha a ser transferido para o mercado. Naturalmente, o setor de P&D está ávido para a oportunidade de trabalhar em uma área tão atraente. Porém, este trabalho requer financiamento, o que poderá vir de contratos de desenvolvimento com fabricantes de equipamentos ou prestadores de serviços, ou através de investimentos realizados por fundos públicos de pesquisa e desenvolvimento.

Esta visão conduz a uma estratégia de procurar montar consórcios de empresas e grupos de P&D para realizar a implantação de redes avançadas em âmbito regional, buscando aliar o estabelecimento de infra-estrutura de comunicação, interligando os membros do consórcio, à definição de atividades de P&D, e buscando a transferência para o setor produtivo dos seus frutos na forma de protótipos e procedimentos. Adicionalmente, o processo permitirá a capacitação de uma geração de estudantes e pesquisadores em questões relacionadas à construção, operação e utilização de redes avançadas.

Finalmente, como estas atividades em redes avançadas estariam sendo conduzidas em várias regiões deste país, e ainda em vários outros países, deve-se procurar interligar entre si os diferentes núcleos regionais, e também interligar esta rede avançada nacional com seus congêneres em outros países. De certo modo, isto já começa a acontecer, pois as redes avançadas da Europa já estão sendo interligadas pela rede backbone GEANT que, por sua vez, está ligada às redes CAnet e Abilene no Canadá e EUA, respectivamente. Cabe notar que a RNP (e a ANSP, separadamente) já possui uma conexão direta à rede Abilene, e que está previsto que seja instalada em 2003 a rede CLARA, uma REP latino-americana, que interligue as REP nacionais da região, e forneça conectividade direta à GEANT.

Espera-se que estas redes regionais sobrevivam por longo tempo, para permitir seu reaproveitamento futuro para montar uma nova geração de REP nacional de tecnologia avançada. Há precedentes: as ReMAV foram criadas entre 1999 e 2001, e ainda existem e são usadas, apesar de terem vencido os prazos dos acordos que as viabilizaram, em especial a da cessão temporária das fibras. Nesta nova fase, a possibilidade de longevidade da utilização das fibras deverá ser explorada mais conscientemente com a busca de acordos de cessão dos direitos de uso dos meios de transmissão por longos períodos (pelo menos 10 anos). Ao mesmo tempo, as REP nacionais deveriam buscar oportunidades de adquirir ou construir suas próprias redes de fibra óptica, provavelmente em condomínio com outras comunidades do domínio público ou do terceiro setor.

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4. O Projeto Giga

Uma das primeiras oportunidades para avançar nesta estratégia é o projeto Giga. Este projeto nasceu de um encontro promovido pelo MCT em abril 2001 na sede da RNP, juntando pesquisadores acadêmicos da área de redes de computadores, pesquisadores em transmissão óptica e representantes de grupos de usuários de redes avançadas, para discutir o que poderia ser uma futura evolução desta rede nacional. Alguns meses mais tarde, formou-se uma parceria entre a RNP e a Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento (CPqD) para propor o projeto Giga.

Este projeto se situa na linha estratégica descrita na seção anterior. Caracteriza-se como um laboratório experimental de redes avançadas, baseado numa rede regional onde serão combinadas as tecnologias de transmissão DWDM para transporte de uma rede Internet de pelo menos 1 Gbps de taxa de transmissão. Esta rede será montada na região sudeste do país, especificamente entre as cidades de Campinas, São Paulo, São José dos Campos, Cachoeira Paulista e da região metropolitana do Rio de Janeiro (v. Figura 1). A escolha destas cidades se deve à presença nelas de importantes centros de P&D, ou em tecnologias de redes, ou em aplicações distribuídas de alto desempenho.

Figura 1 - Localização geográfica da proposta rede Giga

Já foi feito um esboço de como poderá ser implantada esta rede, utilizando transmissão DWDM entre Campinas e Rio de Janeiro, com até 6 lambdas, inicialmente de 2,5 GHz, podendo ser aumentado individualmente para 10 GHz ou mais. Com esta configuração, consegue-se montar uma rede de malha plena entre as cinco cidades atendidas (v. Figura 2).

Figura 2 - Configuração DWDM do backbone da proposta rede Giga

Esta rede deverá servir, entre outros propósitos, para demonstração e teste de componentes ópticos e, para tanto, o meio físico a ser utilizado deverá consistir de dois pares de fibras ópticos, com uso de pares de chaves ópticos para habilitar um ou outro par de fibras para determinado exercício.

Nas cidades maiores (Campinas, São Paulo, Rio de Janeiro), deverá haver uma capilaridade maior da rede, para atender maior número de instituições usuárias. Para isto, uma solução possível será o uso de uma rede CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing), forma alternativa e mais barata de multiplexar transporte óptico, para uso em curtas distâncias (até 50 km a 80 km).

A rede IP a ser montada sobre esta infra-estrutura de transmissão óptica será baseada inicialmente em tecnologia GE, de 1 Gbps. O objetivo é montar a rede backbone, com uso de tecnologia GE em cada lambda dos enlaces DWDM. Adicionalmente, prevê-se a conexão de cada instituição participante à rede backbone, também usando GE. Dentro de cada instituição, prevê-se dois ou mais grupos de P&D, cada um dos quais também teria um caminho de GE até o roteador de borda que ligue sua instituição ao backbone. Na ponta, poderá haver equipamentos com conexões Fast Ethernet (FE) e GE. (v. Figura 3).

Figura 3 - Implementação de rede IP na proposta rede Giga

A montagem e operação desta rede faz parte integrante do projeto Giga, e são responsabilidades conjuntas da RNP e do CPqD, exercidas através de uma Coordenação Executiva com dois representantes de cada instituição. Esta Coordenação Executiva contará com um Comitê Assessor, onde terão assento as empresas, operadoras e fabricantes, que aportem recursos para o projeto. Este Comitê será ouvido na definição das metas do projeto. As atividades de P&D serão realizadas por consórcios de instituições de pesquisa e empresas, através da contratação de subprojetos nas quatro áreas temáticas:

• Rede Óptica
• Protocolos e Serviços de Rede
• Serviços Experimentais de Telecomunicações
• Serviços e Aplicações Científicas

A primeira e a terceira áreas serão coordenadas pelo CPqD, e a segunda e a quarta pela RNP. Para cada uma destas áreas, é prevista a dotação de recursos financeiros para financiar a contratação dos subprojetos. Para as áreas coordenadas pela RNP, isto deverá ser realizado publicamente, por um processo transparente com participação de representantes da comunidade de P&D. Os subprojetos contratados deverão resultar em protótipos ou metodologias que deverão ser transferidos para o setor industrial, em benefício do desenvolvimento nacional.

O projeto, como descrito, foi originalmente induzido pelo MCT como um projeto "estruturante" e, em junho de 2002, foi submetido e aprovado preliminarmente para financiamento, de aproximadamente R$ 55 milhões, pelo Conselho Gestor do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (FUNTTEL) do Ministério das Comunicações. Depois do detalhamento da proposta, o projeto voltou para Conselho Gestor do FUNTTEL em novembro de 2002, que deu sua aprovação final. O projeto, de três anos de duração, deverá começar a ser executado a partir de dezembro de 2002.

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5. Outros projetos relacionados

Algumas outras oportunidades vêm surgindo para construir, no Brasil, outras redes avançadas em âmbito regional.

Em São Paulo, a FAPESP lançou o programa TIDIA (Tecnologia da Informação no Desenvolvimento da Internet Avançada). Existem certas semelhanças entre os propósitos do TIDIA e os do projeto Giga. Porém, o primeiro está mais enraizado dentro da comunidade acadêmica de P&D, talvez pela própria natureza da FAPESP. A chamada inicial de pré-projetos foi realizada em 2001 e foram recebidos 123 submissões. A partir deste ponto, o programa procurou definir três grandes projetos:

• E-learning
• Incubador virtual de conteúdos
• Testbed

Como alguns dos grupos que participam na formulação do programa TIDIA também tiveram influência na formulação do projeto Giga, há pelo menos pontos de convergência, especialmente no campo de redes ópticas experimentais.

No nordeste do país existem algumas oportunidades a serem exploradas. Na região existem bons grupos de pesquisa em transmissão óptica e redes avançadas, e algumas empresas de equipamentos estão realizando investimentos próprios de P&D. Adicionalmente, já existe certa disponibilidade de fibras ópticas em alguns enlaces interurbanos. Finalmente, existe a oportunidade de realizar investimento em infra-estrutura de transmissão óptica, oferecida pela potencialmente fácil negociação de direito de passagem para instalação de cabo óptico ao longo da malha ferroviária ligando Pernambuco e Paraíba com Ceará. Está em estudos preliminares, portanto, o projeto Giga-NE, incluindo pelo menos as cidades de Recife, Campina Grande e Fortaleza, onde já foram implantadas redes metropolitanas no final dos anos 1990.

Em todos os casos, onde poderá haver benefícios de interação entre outras iniciativas e o Projeto Giga, pretende-se promover esta aproximação através da formalização dos entendimentos com as instituições envolvidas, e já foram realizados contatos neste sentido com as instituições FAPERJ e FAPESP.

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6. Conclusão

A futura evolução da Internet depende da ação desbravadora de caminhos que vem sendo desempenhada pela comunidade acadêmica desde o final dos anos 1980, quando foram criadas as primeiras redes globais de comunicação mediada por computadores. Cabe a esta comunidade procurar desenvolver e aplicar tecnologias, protocolos, serviços e aplicações novos, realizando estes trabalhos em seus laboratórios, e validando-os em redes de ensino e pesquisa. Neste trabalho tentou-se indicar a direção tomada pela RNP para promover o desenvolvimento da área de redes no Brasil.

Os benefícios advindos deste trabalho serão sentidos apenas no futuro, quando os avanços, em forma de tecnologias, serviços e aplicações novos, e a capacitação dos recursos humanos que resulta do seu desenvolvimento e uso, passem a ter seu impacto renovador nas redes de comunicação disponíveis para a sociedade como um todo.

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Referências bibliográficas

[ABE02] ABELÉM, A.; STANTON, M. Inter-redes IP baseadas em redes ópticas. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE REDES DE COMPUTADORES, 20., 2002, Búzios, RJ. Minicursos. Búzios, RJ: Núcleo de Computação eletrônica, 2002. 1 CD-ROM.

[CAN] ADVANCED NETWORKS. Canarie, Inc.
Disponível em: <http://www.canarie.ca/advnet/index.html>. Acesso em 17 dez. 2002.

[I2] INTERNET2. About Internet2. Disponível em: <http://www.internet2.edu/about/aboutinternet2.html>.
Acesso em 17 dez. 2002.

[ReMAV] REMAV. REMAV - Redes Metropolitanas de Alta Velocidade. Disponível em: <http://www.rnp.br/remav/projeto.html>.Acesso em 17 dez. 2002.

[STA98] STANTON, M. A. A evolução das redes acadêmicas no Brasil: Parte 1 - da BITNET à Internet (1987 a 1993)". In: RNP News Generation, vol.2, n.6, 10 jul. 1998.
Disponível em: <http://www.rnp.br/newsgen/9806/inter-br.shtml>. Acesso em 17 dez. 2002.

[STA99] STANTON, M. A. Soluções alternativas usadas na rede de comunicação da Universidade Federal Fluminense. In: RNP News Generation, vol.3, n.5, 17 set. 1999.
Disponível em: <http://www.rnp.br/newsgen/9909/redeuff.html>. Acesso em 17 dez. 2002.