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Rede óptica de pacotes de serviços avançados
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Vanessa da Silva da Cunha
1 Rede óptica de pacotes de serviços avançados Marcos Rogério Salvador *, Eduardo Mobilon, Felipe Rudge Barbosa, Vinicius Garcia de Oliveira, Rodrigo Bernardo, Luis Renato Monte, Mateus Marques Pereira, Jaime Alexandre Matiuso, Leonardo Pezzolo, Antonio Donizete Coral, Maria Fernanda Menna Barreto de Barros Falcão de Oliveira, Alberto Paradisi Este artigo descreve a tecnologia de rede óptica de pacotes avançada em desenvolvimento nos laboratórios do CPqD. Este trabalho de pesquisa aplicada e desenvolvimento visa uma tecnologia de rede óptica flexível que seja viável na próxima transição tecnológica das telecomunicações. A tecnologia baseia-se fundamentalmente na comutação óptica de pacotes para oferecer serviços dos tipos Ethernet e transparentes. Esses serviços são de interesse em várias aplicações, tais como rede de armazenamento, rede metropolitana, núcleo de rede de campus, computação de grade. Palavras-chaves: Rede Óptica. Comutação de Pacote. Anel. 1. Introdução A penetração dos serviços de comunicações digitais, visando a inclusão digital e a sociedade da informação, requer várias transformações nas infraestruturas de comunicações existentes, seja no Brasil ou em qualquer outro país. No curto prazo essas transformações concentram-se na convergência dos serviços voz, vídeo e dados para a Internet através do protocolo IP e de tecnologias como Ethernet e WiMax. No médio e longo prazos essas transformações concentram-se na busca de um novo paradigma tecnológico e na definição de novas arquiteturas de rede visando o suporte a serviços variados e ainda mais sofisticados que os atuais, a facilidade para atender demandas e situações imprevistas, a facilidade de expansões em capacidade e em distância de transporte, a robustez perante falhas, a segurança contra roubo de informações e o custo reduzido de operação. O reconhecimento da necessidade de novas arquiteturas e tecnologias de rede tem levado muitas universidades e muitos centros de pesquisa e desenvolvimento de excelência ao redor do mundo a investirem na busca de novas arquiteturas e tecnologias de rede para a próxima transição tecnológica das telecomunicações. Dentre as arquiteturas de rede em estudo, destacam-se as que maximizam o uso das tecnologias ópticas para reduzir o chamado gargalo eletrônico. Essas arquiteturas representam uma mudança do paradigma reinante, centrado em soluções que otimizam os aspectos de transmissão, o grande gargalo do passado, para um novo paradigma, centrado em soluções que reduzem o processamento eletrônico, o grande gargalo atual. São várias as arquiteturas inovadoras de rede óptica em estudo, porém de uma forma geral elas podem ser classificadas de acordo com as técnicas de comutação óptica que utilizam. São elas: comutação de comprimento de onda (wavelength routing), que equivale à comutação de circuito, comutação de pacote (optical packet switching) e comutação de rajada (optical burst switching). Todas elas apresentam vantagens e desvantagens, porém no médio e longo prazo a maioria dos esforços tem se concentrado nas duas últimas em vista da maior flexibilidade que elas oferecem. Ciente da janela de oportunidades estratégica e comercial para o país e para empresas brasileiras na próxima transição tecnológica das telecomunicações, o CPqD iniciou em 2004 o projeto Pesquisa Aplicada em Redes de Chaveamento de Pacotes Ópticos (PA-RCPO) em cooperação com universidades brasileiras. Este projeto visa o desenvolvimento e a demonstração, até o final de 2006, de uma tecnologia de rede inovadora de alto desempenho e eficiência, com baixos custos de aquisição e de * Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
2 operação, com funcionalides e flexibilidade adequadas para a nova realidade das telecomunicações e com potencial mercadológico na próxima transição tecnológica das telecomunicações. Este artigo apresenta alguns dos resultados obtidos na PA-RCPO. Especificamente, apresentase uma arquitetura inovadora de rede óptica em anel baseada na comutação óptica de pacotes, um dos protocolos de controle de acesso ao meio em estudo, um modelo analítico para avaliação de desempenho da arquitetura e alguns resultados de desempenho. O restante deste artigo está organizado da seguinte maneira: na seção 2 apresenta-se a arquitetura da rede; na seção 3 descreve-se o protocolo MAC; na seção 4 descreve-se o modelo analítico da arquitetura; na seção 5 apresentam-se resultados de desempenho obtidos com o modelo analítico; na seção 6 finaliza-se o artigo com algumas conclusões. 2. Arquiteturas da rede e do nó da rede A arquitetura da rede óptica de pacotes [1] foi concebida com foco em aplicações metropolitanas (embora não esteja limitada a essas aplicações), onde os requisitos dos usuários e das aplicações se fazem bastante presentes e, por esta razão, onde provavelmente estará o próximo gargalo das redes de telecomunicações. Para atender aos requisitos das aplicações metropolitanas, a arquitetura da rede suporta serviços Ethernet e serviços transparentes do tipo um-para-um e um-para-muitos sob demanda. Especificamente, a arquitetura oferece os serviços Ethernet de melhor esforço, Ethernet reservado e Transparente reservado. O foco nos serviços Ethernet e o suporte a serviços transparentes conferem à arquitetura grande flexibilidade, necessária para atender a tecnologia (Ethernet) na qual o transporte tende a convergir e outras, sejam elas legadas (ex.: SDH) ou ainda inexistentes. O mecanismo de proteção usa o roteamento alternativo no nó origem para recuperação rápida da falha e, ao contrário de SDH, não impede o uso de um anel de proteção enquanto este não for necessário na ocorrência de uma falha no anel de trabalho correspondente. A Figura 1 ilustra a arquitetura da rede, que consiste de N nós conectados por F pares de anéis ópticos do mesmo tamanho, cada um com L comprimentos de onda (ou lambdas) habilitados por meio da tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (wavelength division multiplexing-wdm). Desses L comprimentos de onda, L-1 são usados para o transporte de dados (isto é, pacotes ópticos) e um é usado para sinalização, incluindo os cabeçalhos dos pacotes ópticos. A transmissão do cabeçalho do pacote em comprimento de onda separado é necessária para permitir o processamento (eletrônico) que resultará na decisão acerca do que fazer com o pacote propriamente dito -o pacote óptico está indisponível. Figura 1 Rede Óptica de Pacotes 96 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
3 Para proteção e para flexibilidade de roteamento, as transmissões nos comprimentos de onda de um anel de fibra seguem uma direção, ao passo que as transmissões nos comprimentos de onda do outro anel de fibra seguem na direção contrária. A Figura 2 ilustra a arquitetura do nó da rede [2]. Esta arquitetura consiste de uma unidade de plano de controle (UPC), uma unidade de montagem de rajada e encaminhamento (UMRE), que é o coração do nó da rede, e uma matriz de comutação óptica de pacotes (MCOP). A UPC é responsável pela operação automática da rede, o que inclui a manutenção das tabelas diversas (ex.: roteamento, recursos) e o atendimento às solicitações de serviços dos usuários. Esta unidade disponibiliza uma interface aos usuários (usernetwork interface UNI) para que estes possam solicitar os serviços da rede dinamicamente. Do lado do emissor, a UMRE é responsável pela montagem das rajadas a partir dos quadros Ethernet provenientes dos clientes e pela transmissão dessas rajadas, como pacotes ópticos, aos seus destinatários. Do lado receptor, a UMRE é responsável por extrair e segregar os quadros Ethernet da rajada recebida (como pacote óptico) do anel e por transmitir esses quadros aos seus clientes. A UMRE contém um conjunto de filas virtuais de saída (virtual output queuing-voq) criadas, em tempo de inicialização, para serviços Ethernet de melhor esforço e também um número adicional de filas criadas sobre demanda do plano de controle para serviços Ethernet reservado; o tráfego dos serviços transparentes não passa pela UMRE. Pacotes provenientes de redes clientes são armazenados nessas filas de acordo com a classe de equivalência de encaminhamento (forwarding equivalence class-fec) a que pertencem, sendo que pacotes que pertencem à mesma FEC são armazenados na mesma fila. Dois pacotes pertencem à mesma FEC quando apresentam certas características comuns (ex.: mesmo nó destino, mesmo nó destino e mesma prioridade). Periodicamente, o montador de rajadas inspeciona todas as filas procurando por aquelas que atendem a pelo menos um dos critérios de montagem: i) tamanho da fila igual ou maior que o tamanho definido de rajada; ii) tempo de permanência em fila do primeiro pacote da fila (head of the line HOL) igual ou maior que o período de montagem de rajada. O resultado deste processo é uma lista de requisições de transmissão, sendo uma para cada rajada montada. O módulo de controle de acesso aos anéis ópticos (medium access control MAC), interno ao UMRE, então decide quais rajadas podem ser transmitidas e qual rota e anel cada transmissão deve usar. O hardware eletrônico que implementa a UMRE consiste de uma placa principal e de duas placas filhas (veja Figura 3 e Figura 4). A placa principal dispõe de um componente de lógica Figura 2 Arquitetura do Nó da rede Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez
4 programável (field programmable gate array-fpga) de alta densidade que permite a implementação de todo um circuito digital composto por máquinas de estado e lógica combinacional. Esse circuito digital é extremamente complexo para ser desenvolvido como um bloco único e, portanto, foi dividido em diversos blocos funcionais que estão sendo desenvolvidos de forma paralela e depois serão integrados e programados no dispositivo. Maiores informações podem ser obtidas em [2]. A primeira placa filha é responsável pelo controle de tráfego Ethernet cliente e, no projeto atual, disponibiliza quatro interfaces ópticas Gigabit Ethernet em padrão SFP (Small Form Pluggable). Já fabricada, montada e totalmente funcional, esta placa baseia-se em um projeto de alta complexidade com desafios tecnológicos concentrados no desenho do layout da placa de circuito impresso, repleto de linhas de transmissão de impedância controlada e comprimento equalizado para sinais com taxas de bit de até 1,25 gigabit por segundo. A segunda placa filha é responsável pela conversão serial-paralelo (Serializer-Deserializer - SERDES) necessária na transmissão e na recepção de pacotes ópticos. Esta placa disponibiliza quatro interfaces proprietárias de transmissão e recepção, cada uma operando em taxas de até 1,25 gigabit por segundo -o desenvolvimento das interfaces proprietárias fez-se necessária pela incapacidade que a interface Gigabit Ethernet tem de operar no modo rajada. Projetada e em vias de fabricação, esta placa exibe um projeto de média complexidade. A MCOP consiste de um número de unidades de comutação óptica (UCO), onde o número exato depende da configuração de transmissão e recepção do nó. Cada UCO consiste de um acoplador que divide o sinal de entrada em dois Figura 3 Esquemático do hardware eletrônico que implementa a UMRE Figura 4 Foto do protótipo de hardware da UMRE 98 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
5 braços, cada um com uma chave óptica do tipo liga/desliga baseada em amplificador óptico a semicondutor (semiconductor optical amplifier- SOA). A Figura 5 apresenta o esquemático da UCO; a Figura 6 apresenta uma foto de um protótipo da UCO, já com sua placa de eletrônica de controle correspondente. Cada SOA necessita de um controle de temperatura e um circuito de excitação (driver) de alta velocidade para fornecer a corrente necessária para o dispositivo amplificar (estado ON) ou não (estado OFF) o sinal óptico e está interface é a responsável por essas funções. Figura 5 Esquemático da UCO A UCO pode ser configurada em um dos quatros estados: - Deriva: este estado ocorre quando o nó detecta o pacote óptico destinado a ele e é configurado ligando-se a chave óptica do braço superior e desligando-se a do braço inferior; - Insere: este estado ocorre quando o nó resolve transmitir o pacote óptico e é configurado desligando-se as chaves ópticas dos braços superior e inferior; - Encaminha: este estado é usado quando o nó detecta que o pacote óptico é destinado a outro nó e é configurado desligando-se a chave óptica do braço superior e ligando-se a do braço inferior; - Deriva e encaminha: este estado é usado quando o nó detecta que ele é um dos destinatários do pacote óptico e é configurado ligando-se as chaves ópticas dos braços superior e inferior. O modo de funcionamento básico do nó da rede, considerando-se apenas um anel de fibra e um comprimento de onda de dados para clareza, é o descrito a seguir. Na entrada do nó, o cabeçalho do pacote óptico é enviado a UMRE. O pacote óptico correspondente segue para uma linha de atraso baseada em fibra (fiber delay line- FDL), que irá retê-lo tal que quando ele chegue a MCOP o módulo MAC já tenha processado o cabeçalho, tomado as decisões apropriadas e configurado a MCOP adequadamente. Saindo da FDL o pacote óptico é demultiplexado e enviado a UCO correspondente. Neste ponto, o pacote óptico é derivado, encaminhado ou derivado e encaminhado. Neste ponto também pode ser inserido um novo pacote óptico no anel. Na saída do nó o pacote óptico encaminhado ou inserido é multiplexado, juntamente com seu cabeçalho correspondente, e deixa o nó em direção ao seguinte. Cabe ressaltar que a arquitetura da rede foi definida de forma modular para permitir que partes dela tivessem utilidade técnica ou comercial mesmo separadamente ou que partes dela pudessem ser substituídas por outras de maior interesse. Por exemplo, a MCOP permite que a UPC seja substituída por outra de tal forma que, conforme sua natureza, a rede possa operar no modo comutação de circuito, comutação de pacote, comutação de rajada ou até como uma combinação destas. Figura 6 Foto do Protótipo da UCO Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez
6 3. Protocolo MAC Em virtude da arquitetura modular da rede, pode-se implementar vários protocolos MAC de tal forma que a rede opere de formas e com desempenhos variados. Estão sendo estudados dois tipos de protocolos MAC, um de implementação mais fácil, porém de menor desempenho, e outro de implementação mais difícil, porém de maior desempenho e eficiência. Este trabalho concentra-se na primeira abordagem. Maiores informações sobre os outros protocolos em estudo estão disponíveis em [3][4][5]. O protocolo MAC adotado para prototipagem baseia-se no proposto para a arquitetura LightRing [6], que segue um mecanismo denominado tell-and-go [7]. Neste modelo não há a necessidade de pré-reserva de recursos (a não ser para os serviços reservados). O conhecimento de um recurso disponível habilita o acesso imediatamente, bastando apenas informar os outros nós que o recurso será imediatamente ocupado e iniciar a transmissão dos dados. O protocolo usa um pacote de controle, denominado token, que circula no comprimento de onda de sinalização e informa aos nós da rede as condições de uso dos enlaces da rede. Essa informação permite aos nós determinar quando pacotes ópticos podem ser inseridos, devem ser retirados do anel ou devem ser encaminhados para o próximo nó. Para cada comprimento de onda de dados há um token que controla o acesso àquele comprimento de onda. Dado um anel com vários comprimentos de onda, os tokens correspondentes são espaçados de forma eqüidistante. Ao contrário dos protocolos MAC tradicionais baseados em token, neste protocolo a posse do token por um nó não necessariamente da àquele nó a permissão para transmitir. A transmissão é possível somente se os enlaces necessários estiverem ociosos, conforme indicado no token. Nesta condição, o nó atualiza o token, transmite o token e, então, os dados. Para garantir que os nós da rede tenham oportunidades de transmissão iguais, um nó de rede que tenha alocado enlaces para transmissão é obrigado a liberar esses enlaces quando o token retornar. Ou seja, a permissão de acesso a um enlace tem validade definida pelo tempo de rotação do token verificado por aquele nó. A Figura 7 ilustra o funcionamento da rede. O cenário ilustrativo considera uma rede de um único anel de fibra óptica com um único comprimento de onda de dados e três nós. O token gira no anel da esquerda para a direita, e ele consiste de um vetor de três posições, onde o primeiro elemento indica o estado do enlace entre os nós A e B, o segundo elemento indica o estado do enlace entre os nós B e C e o terceiro elemento indica o estado do enlace entre os nós C e A - numa implementação real essas informações são insuficientes para a tomada de decisões local em cada nó de rede. O valor 0 indica enlace sem uso; o valor x = {A, B, C} indica que o enlace em uso e o destinatário da rajada é o nó indicado por x. Para facilidade de compreensão, o vetor t(y,w,z) representa o conteúdo do token. Na Figura 7a o nó A recebe t(0,0,0) e, baseado no seu conhecimento do estado da rede, decide transmitir para o nó B. Conseqüentemente, ele atualiza o token para t(b,0,0), envia o token para o nó B, abre sua chave óptica para impedir qualquer tráfego em trânsito e começa a transmitir. Ao receber t(b,0,0) o nó B abre sua chave óptica para receber o tráfego vindo de A (Figura 7b). Ao mesmo tempo, baseado no seu conhecimento do estado da rede, o nó B decide transmitir para o nó C. Conseqüentemente, ele atualiza o token para t(b,c,0), envia o token para o nó C e começa a transmitir. O nó C, ao receber t(b,c,0), abre sua chave óptica para receber o tráfego vindo de B (Figura 7c). Assumindo-se que ele não tenha dados a transmitir ou tenha encontrado os enlaces necessários em uso, o nó C envia o token para o nó A, sem qualquer alteração no seu conteúdo. Ao receber o token (Figura 7d), e assumindo que não haja tráfego para transmitir ou que o tráfego existente exija enlaces já em uso, o nó A libera o enlace alocado na rotação anterior do token, atualiza o token para t(0,c,0), fecha a chave óptica para permitir a passagem de tráfego em trânsito e envia o token para o nó B. Assumindo-se que ele também esteja na mesma condição que o nó A, o nó B atualiza o token para t(0,0,0), fecha a chave óptica para permitir a passagem de tráfego em trânsito e envia o token para o nó C (Figura 7e e Figura 7f). Maiores detalhes a respeito do protocolo MAC e da implementação do plano de controle estão disponíveis em [8]. Duas abordagens de implementação do token estão sendo consideradas. A primeira e mais simples converte o cabeçalho para o domínio eletrônico e o processa eletronicamente, de forma tradicional. A segunda e mais complexa também converte o cabeçalho para o domínio eletrônico, porém o processamento ocorre no domínio de freqüência ao invés de no domínio de software, portanto, de forma muito rápida. Sobre esta segunda abordagem existe uma solicitação de patente [9] junto ao Instituto Nacional de Propriedade Intelectual (INPI). 100 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
7 Figura 7 Exemplo de funcionamento da rede 4. Modelagem analítica A modelagem analítica da rede [10] aborda dois domínios: de espaço e comprimento de onda e de tempo, e estende o modelo desenvolvido em [11] a partir de [12]. Os modelos são descritos a seguir e usam essas definições e parâmetros: P l é a probabilidade de que um nó finaliza um caminho de luz; P n é a probabilidade de que um caminho de luz começa num dado nó; W é o número de comprimentos de onda; ρ é a probabilidade de que w é usado no enlace i; U e F são eventos que representam respectivamente w estar sendo utilizado no enlace e estar livre no enlace; D é a latência do anel; N é o número de nós; L é o tamanho da rajada; G é a largura de banda total da rede; a é o tempo de transmissão; Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez
8 x 1 é o tempo entre a geração da requisição e a chegada do primeiro token; x 2 é o intervalo de tempo requerido para encontrar um comprimento de onda disponível para transmissão. Ou, em outras palavras, é o intervalo de tempo entre a chegada do primeiro token e o início da transmissão dos dados; x 3 duração do caminho de luz; l é a carga normalizada da rede; λ é a taxa de chegada de requisições Domínio de espaço e comprimento de onda O modelo analítico da rede no domínio de espaço e comprimento de onda visa determinar a probabilidade de bloqueio da rede. A probabilidade de bloqueio é a probabilidade de uma solicitação de transmissão de rajada falhar. Uma aproximação da probabilidade de bloqueio é dada a seguir. Por definição: e em estado estacionário a utilização da largura de banda do enlace i é Em um anel bidirecional com roteamento pelo menor caminho, um nó usa cada anel para o envio de dados a destinos. Assim, o número esperado de nós pode ser aproximado por quando N é grande. Observando que o tamanho médio dos caminhos de luz em um anel bidirecional é, tem-se que o número esperado de nós é Além disso, pela Equação (3) temos: A probabilidade de bloqueio de uma requisição para um caminho de luz de tamanho i é Fazendo a média sobre todos os nós tem-se Sob a premissa de distribuição uniforme de tráfego,, o que produz Em um anel unidirecional, o número esperado de nós é quando N é grande. A Figura 8 e a Figura 9 mostram que tanto em redes com 1 anel (neste caso sem proteção) quanto em redes com 2 anéis contra-propagantes, a probabilidade de bloqueio é proporcional ao número de nós e inversamente proporcional à relação W/N. A Figura 10, a Figura 11 e a Figura 12 mostram a probabilidade de bloqueio em redes Figura 8 Probabilidade de Bloqueio - 1 Anel 102 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
9 Figura 9 Probabilidade de Bloqueio - 2 Anéis Figura 10 Probabilidade de Bloqueio - 4 Nós Figura 11 Probabilidade de Bloqueio - 8 Nós com 1 e 2 anéis com 4, 8 e 16 nós respectivamente. Percebe-se que a probabilidade de bloqueio é significativamente inferior em redes com 2 anéis contra-propagantes. Como o roteamento é sempre pelo menor caminho, as redes com 2 anéis possuem caminhos de, no máximo, nós. Dessa forma, ficam livres do impacto causado por Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez
10 Figura 12 Probabilidade de Bloqueio - 16 Nós Figura 13 Esquema de Reserva da Rede caminhos de luz com nós, resultando em probabilidade de bloqueio menor Domínio de tempo O domínio de tempo modela as interações da rede com tempo de conexão com duração finita. Uma fila M/G/1/1 com folga (vacation) é utilizada para modelar a fila de requisições por caminhos de luz em cada fonte de dados, o que na rede implica em janelas (best-fit window-bfw) de tamanho 1 que contém a requisição que melhor atende aos critérios definidos. Em outras palavras, o sistema permite a transmissão de apenas uma rajada por vez independentemente do número de comprimentos de onda disponíveis no sistema e das condições de uso desses comprimentos de onda. O tempo de serviço da fila representa o tempo necessário pelo esquema de reserva para encontrar um comprimento de onda disponível e iniciar a transmissão. Só depois que o caminho de luz é estabelecido, a requisição sai da fila permitindo que uma nova requisição entre na fila. Na fila M/G/1/1 com folga, o tempo de folga é o tempo gasto entre a geração da requisição e a visita do primeiro token na fonte de dados, x 1, e é determinado como segue: onde ξ é uma variável aleatória exponencialmente distribuída com média igual a 1/λ. O tempo de serviço, x 2, corresponde ao intervalo de tempo entre a chegada do primeiro token depois da chegada da requisição e a chegada do token associado ao comprimento de onda utilizado para a transmissão dos dados como ilustrado na Figura 13. Como a fila pode conter somente uma requisição por vez, o fator de utilização da fila é dada por e a vazão normalizada por 104 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
11 onde. Desse modo, a taxa de requisições aceitas por nó é dada por, e pela Lei de Little, o número esperado de caminhos de luz no anel é de Uma vez completa a transmissão de dados, o caminho de luz só é terminado pela fonte de dados após a recepção do token que está associado com o comprimento de onda utilizado para a transmissão. Dessa forma, a duração do caminho de luz será dada por Pela definição de, percebe-se que a probabilidade de bloqueio exerce grande influência sobre o seu valor, ou seja, quanto maior a probabilidade de bloqueio, maior será o tempo necessário para uma fonte de dados encontrar um comprimento de onda disponível para fazer a transmissão. Além disso, a expressão para Pb derivada na seção anterior é estática e não leva em consideração o tempo de vida dos caminhos de luz que afetam a dinâmica do fluxo das requisições para estabelecimento de caminhos de luz. Dessa forma, a seguinte interpretação de Pb pode ser considerada no domínio de tempo. A primeira tentativa de criar um caminho de luz é bloqueada com probabilidade Pb. Em caso de bloqueio, uma segunda tentativa virtual será realizada depois do intervalo de tempo, quando o estado do anel mudou de forma significativa de forma que se possa afirmar que esta segunda tentativa é independente da anterior. Sob esta premissa, a probabilidade de que a segunda tentativa será bloqueada será novamente Pb. As tentativas continuarão até que a requisição possa ser positivamente processada. Combinando o tempo necessário para realizar com sucesso uma tentativa e o tempo necessário para a fonte de dados receber o token que garantirá acesso ao anel, o tempo médio de serviço pode ser computado como segue: onde é a probabilidade de que o i-ésimo token garantirá acesso na tentativa de sucesso e P w é a probabilidade de bloqueio do canal. Assume-se também que é proporcional ao tempo de vida do caminho de luz no anel, x 3. Sob esta premissa, é derivado a partir das Equações 14 e 16 fazendo com que e λ ignorando-se. onde é a probabilidade de bloqueio sob carga saturada. A partir da Equação 14, a vazão virtual pode ser definida como Assim, dada uma taxa de chegada λ, a vazão e o tempo de resposta podem ser derivados a partir das equações anteriores. Neste documento vazão é a média entre a vazão de cada nó da rede. A vazão de um nó é dada pela soma do tráfego transmitido por aquele nó num dado período e por O tempo de resposta é a média entre o tempo de resposta de cada nó da rede. O tempo de resposta é dado pela soma do tempo que a rajada espera na fila mais o tempo para sua transmissão e por A Figura 14 apresenta o gráfico de vazão da rede em função da carga de tráfego com distribuição uniforme. Os experimentos de simulação consideraram uma rede com 100 Km (D = 500 µs), 32 nós e 32 comprimentos de onda operando a 10Gb/s cada um. O tamanho de rajada adotado equivale ao tempo de rotação no anel. Como mostra a Figura 14, a vazão total da rede é praticamente a mesma com 1 ou 2 anéis até o momento em que a rede torna-se saturada. Deste ponto em diante, a rede com 2 anéis tem desempenho ligeiramente superior. A Figura 15, a Figura 16 e a Figura 17 mostram o tempo de resposta como função da Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez
12 Figura 14 Vazão versus atraso em anel de 100km, 32 nós e 32-comprimentos de onda Figura 15 Tempo de resposta com 8 nós e 8 comprimentos de onda Figura 16 Tempo de resposta com 8 nós e 16 comprimentos de onda 106 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
13 Figura 17 Tempo de resposta com 8 nós e 32 comprimentos de onda carga em redes usando um total de 8, 16 e 32 comprimentos de onda. As redes com 2 anéis, nestes casos, possuem um total 4, 8 e 16 comprimentos de onda por anel a taxa de transmissão de 80Gbps, 40Gbps e 20Gbps, respectivamente. Deve ser ressaltado que os números de vazão e de tempo de resposta apresentados foram afetados pela simplificação do modelo analítico, que limita um nó da rede a uma única transmissão por vez, independentemente do número de comprimentos de onda na rede e das condições de uso desses. Resultados preliminares obtidos em simuladores computacionais implementados no Network Simulator 2 (NS-2) mostram que sem esta limitação os desempenhos são sensivelmente superiores. 5. Conclusões Este trabalho apresentou a arquitetura e alguns detalhes de implementação da rede de comutação óptica de pacotes em desenvolvimentos nos laboratórios do CPqD. Projetada para aplicações metropolitanas, a arquitetura da rede foi concebida com base na convergência para as tecnologias IP e Ethernet. Visando flexibilidade nos modos de operação e na oferta de serviços, o projeto arquitetônico da rede foi estruturado em módulos com interfaces bem definidas, seguindo as abordagens de encapsulamento e refinamento. Esta abordagem de projeto para mudanças confere ao sistema grande flexibilidade, permitindo que ele funcione com mecanismos diferentes dos previstos inicialmente. Indo além, partes do sistema podem ser usados em outras arquiteturas de rede. Os resultados de desempenho apresentados, limitados pelas simplificações do modelo analítico que impedem a transmissão simultânea de pacotes ópticos por um dado nó, de fato são apenas razoáveis. No entanto, experimentos preliminares de simulação computacional, onde as limitações presentes no modelo analítico desaparecem, mostram que os desempenhos reais são bem melhores. Visando desempenhos ainda melhores, foram desenvolvidos alguns protocolos MAC para operação em modo de multiplexação temporal com acesso estatístico (denominado slotted ring). Resultados preliminares obtidos em simuladores computacionais mostram que esses protocolos entregam desempenhos muito bons em vários cenários de rede e de tráfego, seja no nível de acesso ou de transporte com os protocolos UDP e TCP. 6. Agradecimentos Este trabalho conta com as colaborações de Nelson Luis Saldanha da Fonseca, professor do Instituto de Computação (IC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), de Marbey Mosso, professor do Centro de Estudos em Telecomunicações (CETUC) da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), e de seus alunos de mestrado e doutorado. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez
14 7. Referências [1] SACHS, Antonio de Campos, MOBILON, Eduardo, BARBOSA, Felipe Rudge, MATIUSO, Jaime Alexandre, SALVADOR, Marcos Rogério, DE OLIVEIRA, Vinicius Garcia (2004). Especificações Arquitetônicas e Funcionais da Rede de Chaveamento de Pacotes Ópticos. Relatório Técnico PD A.0024A/RT-01-AA. Campinas, março [2] MOBILON, Eduardo, BARBOSA, Felipe Rudge, MATIUSO, Jaime Alexandre, MONTE, Luis Renato, SALVADOR, Marcos Rogério, PEREIRA, Mateus Marques, BERNARDO, Rodrigo e DE OLIVEIRA, Vinicius Garcia (2004). Protótipo do nó da rede de chaveamento de pacotes ópticos: Especificação de projeto. Relatório Técnico PD A.0031A/RT-01-AA. Campinas, CPqD, setembro [3] SALVADOR, Marcos Rogério, UESONO, Marcelo Mitisutoshi, DA FONSECA, Nelson Luis Saldanha (2005a). Protocolos de Justiça de Acesso em Redes Ópticas de Pacotes em Anel.XXIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC), maio [4] SALVADOR, Marcos Rogério, UESONO, Marcelo Mitisutoshi, DA FONSECA, Nelson Luis Saldanha (2005b). A Local Fairness Protocol for Optical Packet-switched WDM Ring Networks. 40th IEEE International Conference on Communications (ICC), Seul, Corea do Sul, maio [5] SALVADOR, Marcos Rogério, UESONO, Marcelo Mitisutoshi, DA FONSECA, Nelson Luis Saldanha (2005c). A Packet Ring Fairness Protocol and its impact on TCP fairness. 48th IEEE Globecom, St. Louis, EUA, novembro [6] CAI, James, FUMAGALLI, Andrea (2001). LightRing: a distributed and contention-free bandwidth on-demand architecture. Working conference on network design and modeling (ONDM), Viena, Áustria, fevereiro [7] VAN AS, Harmen (1994). Media access techniques: The evolution towards terabit/s LANs and MANs. Computer Networks and ISDN Systems, Vol. 26, No. 6-8, pp , março [8] MATIUSO, Alexandre, SALVADOR, Marcos Rogério (2005). Protótipo do Plano de Controle da Rede de Chaveamento de Pacotes Ópticos: Arquitetura Sistêmica e Projeto de Implementação. Relatório Técnico PD A.0036A/RT-01-AA. Campinas, CPqD, março [9] BARBOSA, Felipe Rudge, SACHS, Antonio de Campos, PEZZOLO, Leonardo. Arquitetura de Pacote Óptico com Cabeçalho de Endereçamento por Freqüência; Método e Dispositivo para Utilização de Pacotes Ópticos com Cabeçalho de Endereçamento por Freqüência em Redes Fotônicas. Solicitação de Patente ao INPI, setembro [10] SACHS, Antonio de Campos, SALVADOR, Marcos Rogério (2004). Concepção e Especificação da Rede de Chaveamento de Pacotes Ópticos: Modelagem Analítica Preliminar e Avaliação de Desempenho. Relatório Técnico PD A.0024A/RT-03-AA. Campinas, CPqD, setembro [11] CAI, James, FUMAGALLI, Andrea (2002). An analytical framework for performance comparison of bandwidth reservation schemes in WDM ring. INFOCOM, 21, Nova Iorque, EUA, junho [12] BARRY, Raymond; HUMBLET, Pierre (1996). Models of blocking probability in all-optical networks with and without wavelength changers. Journal of Selected Areas in Communications, v. 13, n. 5, junho Abstract This paper describes the advanced optical packet network technology under development in the CPqD labs. This applied research and development work aims at a flexible optical network technology that will be feasible at the next technological transition in telecommunications. The network technology centres on optical packet switching to deliver Ethernet and transparent services, which are of interest in various applications, such as storage area network, metropolitan area network, campus network backbone, grid computing. Key words: Optical Network. Packet Switching. Ring. 108 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p , jan./dez. 2005
Arquitetura e Protótipo de Rede de Pacotes em Anel com Transmissão e Comutação no Domínio Óptico
Arquitetura e Protótipo de Rede de Pacotes em Anel com Transmissão e Comutação no Domínio Óptico 1 Marcos R. Salvador, 1 Eduardo Mobilon, 1 Vinicius G. de Oliveira, 1 Rodrigo Bernardo, 1 Luis R. Monte,