Optical Label Switching

O conceito chave do OLS (Optical Label Switching) em redes ópticas é a utilização de

métodos eficientes e transparentes de encaminhamento e de comutação de pacotes, sem necessidade de efectuar conversões electro-ópticas e vice-versa nos nós do núcleo da rede

óptica. O AOLS (All-Optical Label Swapping) é uma abordagem à comutação de pacotes

no domínio óptico sem recorrer a qualquer conversão OEO dos pacotes de dados. O

cabeçalho óptico, OL (Optical Label), é substituído (apagado e rescrito) e o pacote de

dados é mantido intacto no domínio óptico [17].

Quando os pacotes de dados chegam aos nós fronteira de uma rede óptica, provenientes de uma rede do domínio electrónico, é-lhes concatenado um OL, com

informação de sinalização, nomeadamente, os endereços fonte e destino, o tipo de prioridade, o comprimento do pacote de dados, etc. Em cada nó óptico, o OL é processado

ou o seu conteúdo lido e, em função da informação aí existente e da sua tabela de

encaminhamento, o respectivo pacote é encaminhado para o próximo nó do trajecto.

Dependendo da forma como o OL é concatenado ou adicionado ao pacote de dados,

podem propagar-se alguns efeitos não-lineares e ruído provenientes do próprio OL,

provocando perda de pacotes de dados. Recorrendo a técnicas em que o OL é colocado no

mesmo comprimento de onda do pacote de dados (técnicas inband), o formato do OL pode

ser: em série (bit-serial) [22] - [25], pode estar multiplexado numa sub-portadora (SCM - SubCarrier Multiplexing) [26] - [30] ou ser resultante de técnicas de modulação ortogonal (ASK, IM/FSK, IM/PSK, etc.) [26]. Nas duas primeiras técnicas, a taxa de transferência do cabeçalho é inferior à do pacote de dados e independente desta, tipicamente, 2,5 Gb/s e 10 Gb/s, respectivamente. As técnicas que utilizam comprimentos de onda distintos para

transmissão de pacotes de dados e do respectivos OLs (técnicas outband) permitem uma

extracção relativamente fácil do OL, mas têm problemas de dispersão que limitam a sua

utilização em grandes distâncias, pelo que requerem tratamento e compensação da dispersão, resultando em limitações de escalabilidade.

No caso de OL série utiliza TDM [26] e é transmitido antes do respectivo pacote de dados, no mesmo comprimento de onda, separado deste último por uma banda de guarda óptica (OGB – Optical Guard Band), como se encontra ilustrado na figura 2.2. Isto permite

a remoção e a reinserção do cabeçalho sem necessidade de recorrer a buffers (unidades de

armazenamento) [29].

OL Série Dados (pacote IP)

OGB

OL Série Dados (pacote IP)

OGB

Figura 2.2. OL em série com o pacote de dados (separados por uma banda de guarda) [29]_.

No caso do OL SCM, o OL é transportado no mesmo comprimento de onda do pacote

de dados, mas é multiplexado numa subportadora [16]. A figura 2.3 ilustra este caso no domínio do tempo e da frequência. A tecnologia que permite realizar o processamento do cabeçalho totalmente no domínio óptico ainda está numa fase muito experimental [30], pelo que é necessário encontrar soluções tecnológicas aplicáveis na comutação de pacotes de dados ópticos. O OL SCM tem a vantagem de poder ser removido e substituído de uma

forma bastante flexível.

(a)

(b)

Figura 2.3. OL multiplexado numa subportadora [16] (a) No domínio do tempo. (b) No Domínio da frequência.

No entanto, esta técnica tem problemas de dispersão induzida, que é possível resolver [26]. Por outro lado, na utilização de OL SCM é aconselhável efectuar a

substituição do OL (conceito de Label Swapping) em cada nó.

Potência Óptica

Sinal

SCM Sinal SCM

Sinal em banda base e Portadora óptica

Comprimento de onda OL SCM

S. Yoo et al. [16] apresentam um formato de OL com base em SCM. Na figura 2.4

encontra-se um diagrama desse OL, com os vários campos e o tamanho de cada um. O

comprimento total do OL é de 45 bits: o primeiro campo, C, de 2 bits, permite definir o

tipo de classe do pacote de dados a ser transportado; o label, dependendo da classe (A a D),

pode ser apenas um label ou os endereços fonte e destino (semelhante às redes IP e com 10 bits cada); o campo Prioridade, representa o CoS (Class of Service) - Classe de Serviço; o Length permite definir o tamanho do pacote de dados; o Exp. é utilizado para fins

experimentais; o QoS (Quality of Service) estabelece uma diferenciação de qualidade de

serviço; o campo ToS (Type of Service) especifica o tipo de aplicação associada ao pacote

de dados; e o OTTL (Optical Time-to-Live) define o tempo de vida do pacote na rede

óptica.

Figura 2.4. Diagrama de um cabeçalho AOLS de 45 bits [16]_.

2.1.1 Multiprotocol Label Switching

No caso de redes de comutação de pacotes, a utilização do MPLS consiste em

adicionar uma etiqueta (Label) independente e única a cada pacote de dados, em função da

informação existente no seu cabeçalho (IP), ou seja, o cabeçalho MPLS é, essencialmente,

uma versão simplificada do cabeçalho do pacote e contém a informação necessária para efectuar comutação e encaminhamento do pacote ao longo da rede MPLS [31], sendo uma forma muito simples de integrar IP sobre redes WDM.

Este tipo de tecnologia permite que funcionem diferentes serviços (novos ou antigos) sobre redes ópticas, efectuando uma migração para uma infra-estrutura baseada em IP, ou

seja, o MPLS pode ser utilizado em infra-estruturas antigas (DS3, Digital Signal 3, e SONET), novas (Ethernet 10/100/1000/1G) e de redes (IP, ATM, Ethernet e TDM) [31]. Possibilita a interoperabilidade entre técnicas de comutação, nomeadamente, de circuitos, de pacotes e de bursts, no nível óptico. O MPLS permite de uma forma muito simples e

eficiente efectuar a sinalização, sem haver necessidade de sincronização, fragmentação de pacotes de dados e pré-processamento do tempo de sinalização [32].

O MPLS foi implementado, essencialmente, para efectuar encaminhamento de nó-a-nó

(hop-by-hop), portanto, 32 bits no cabeçalho MPLS são suficientes (10 vezes menos do que

no cabeçalho IPv6). O MPLS tem definidas funcionalidades essenciais no processamento

de labels, nomeadamente, de pop/push (do stack MPLS) e de substituição de label

(swapping). O cabeçalho MPLS tem um formato como o apresentado no diagrama da

3 bits

Label Prior.

C Length Exp QoS ToS OTTL

3 bits 3 bits 3 bits 8 bits

figura 2.5 e permite: distinguir mais de um milhão de destinos diferentes e 8 classes de serviço (o campo Exp ≡ Experimental); identificar quando atinge o fundo do stack de labels (por exemplo, na última entrada do stack, o campo S ≡ Stack é colocado a 1); e o

campo TTL (semelhante ao campo com o mesmo nome no protocolo IPv4) permite no

máximo 256 saltos (hops) antes de o pacote ser descartado [7].

De notar que o cabeçalho MPLS é colocado entre o cabeçalho da camada de ligação de

dados e o pacote da camada de rede, não tem nenhum campo de Checksum e, em cada router, é removido o cabeçalho aos pacotes que chegam e é-lhes processado e adicionado

um novo cabeçalho [33]. O cabeçalho pode ser adicionado aos pacotes de várias formas, como descrito anteriormente, em série multiplexada no tempo, através de comprimento de onda, multiplexado numa sub-portadora ou utilizando métodos de modulação óptica ortogonal [26].

No nós fronteira de entrada numa rede MPLS, a cada pacote IP é concatenado um

cabeçalho MPLS de 32 bits (como se pode observar na figura 2.5), e os pacotes IP não são

analisados e/ou processados nos nós intermédios da rede óptica. Em função dos endereços

IP origem e IP destino, na rede MPLS é estabelecida uma ligação virtual entre extremos da

rede, nós fronteira, para efectuar o encaminhamento dos pacotes de dados. Nos nós fronteira de saída de uma rede MPLS, é removido o cabeçalho MPLS e os pacotes IP são

encaminhados novamente em função dos seus endereços IP origem e IP destino.

Figura 2.5. Cabeçalho MPLS e um Pacote IP sobre MPLS [31]_.

Normalmente, as redes MPLS definem LSPs para os pacotes de dados atravessarem a

rede, através do protocolo LDP (Label Distribution Protocol) que opera em todos os nós MPLS. Um LSP é definido como uma sequência de Labels atribuídos aos nós, na

trajectória entre o nó fonte e nó destino, por onde os pacotes de dados passam [34]. Por exemplo, semelhante ao encaminhamento em redes IP, o LDP pode considerar um

encaminhamento do tipo nó-a-nó: cada router MPLS determina o próximo salto, para uma

4 bytes Cabeçalho Original da

Camada de Dados Cabeçalho MPLS

Label Exp

Pacote IP

TTL S

20 bits 3 bits 1 8 bits

dada Classe de Equivalência de Reencaminhamento (CER iii). A CER descreve um grupo

de pacotes de dados do mesmo tipo. Em cada nó existe uma tabela denominada por LIB

(Label Information Base) onde se encontra uma associação entre cada CER e o respectivo

porto de saída para encaminhar os pacotes de dados. O MPLS utiliza a informação da

topologia da rede distribuída pelos protocolos de encaminhamento OSPF (Open Shortest Path First) ou IS-IS (Integrated Systems and Information Services) [31].

No caso em que o MPLS utiliza encaminhamento explícito, ou seja, em que a

trajectória ao longo da rede entre o nó fonte e nó destino é conhecida e baseia-se na observação global da topologia da rede, os protocolos utilizados são essencialmente dois, o

CR-LDP (Constraint-based Routing-Label Distribution Protocol) e o RSVP (Resource reSerVation Protocol), sendo este último menos versátil e menos escalável [34].