Optical Packet Switching

Actualmente, há grandes expectativas depositadas sobre as redes OPS, relativamente

ao futuro das telecomunicações ópticas. Nos últimos anos têm-se realizado alguns projectos nesta área, nomeadamente, os projectos pioneiros OPERA e KEOPS [54] - [55].

Na figura 2.10 encontra-se um diagrama de blocos de um nó OPS genérico, que

consiste numa unidade de controlo de comutação, uma série de desmultiplexers, uma interface de entrada, multiplexers, uma interface de saída, um comutador, uma unidade de armazenamento (buffer óptico que pode ser implementado com FDLs) e um bloco de

conversores de comprimento de onda.

Figura 2.10. Diagrama de blocos de um nó OPS genérico [59]_.

Os pacotes ópticos que chegam a um nó OPS são desmultiplexados e enviados para o

cabeçalho IP) e por um cabeçalho óptico, que contém a informação necessária para

efectuar o seu encaminhamento no domínio óptico.

A interface de entrada tem, entre outras, as funções de extrair o cabeçalho óptico e encaminhá-lo para a unidade de controlo de comutação. A unidade de controlo de comutação processa a informação desse cabeçalho, determinando a porta de saída e o comprimento de onda a atribuir ao respectivo pacote, dando instruções ao comutador para efectuar o seu encaminhamento. Caso seja necessário reter os dados por algum tempo ou efectuar a conversão de comprimento de onda, são utilizados o buffer óptico e o conversor

de comprimento de onda, respectivamente. Finalmente, o pacote é direccionado para a interface de saída, onde lhe é adicionado um novo cabeçalho e é encaminhado para a porta de saída pré-determinada.

2.4.1 Comutação/Encaminhamento de Pacotes

O controlo de comutação de pacotes, conversão de comprimento de onda e encaminhamento para a porta de saída, pode ser efectuado electrónica [54] - [55] ou opticamente [27] - [29], [23]. No entanto, o controlo electrónico de comutação de pacotes, apresenta limitações devido à disparidade entre as taxas de transmissão do WDM e a

capacidade de efectuar o encaminhamento através de processamento electrónico, principalmente quando as taxas de transferência aumentam acima de um patamar em que se torna de difícil o tratamento electrónico (> 40 Gb/s) [29].

Numa rede OPS, o cabeçalho óptico, como já foi referido anteriormente, é apagado e

rescrito em cada nó da rede. Na secção 2.1 encontra-se uma descrição dos vários métodos, válidos para OPS, utilizados para concatenar o cabeçalho óptico ao pacote de dados. Um

dos principais objectivos da conversão de comprimento de onda é resolver problemas de disputa de recursos (descrito na secção 2.4.2), o que pode melhorar a eficiência de utilização dos recursos de uma rede óptica, principalmente em sistemas com tráfego tão dinâmico, como é o caso de OPS. Os conversores de comprimento de onda são essenciais e

indispensáveis em comutadores de redes OPS. A conversão comprimento de onda pode ser

obtida através de conversões OEO, mas o desejável é, obviamente, realizá-la totalmente no

domínio óptico, dado que este tem tempos mais curtos de configuração e uma transparência da taxa de transferência [60].

O princípio de funcionamento do conversores de comprimento de onda (totalmente) ópticos é baseado em dispositivos altamente não-lineares. Alguns dos exemplos de conversores que se encontram na literatura baseiam-se em: (i) amplificadores ópticos semicondutores (SOAs – Semiconductor Optical Amplifiers), onde se tira partido dos

Modulation) [62], [63], modulação cruzada de fase (XPM – Cross-Phase Modulation) [62] e também (menos frequentes) de mistura de quatro ondas (FWM - Four Wave Mixing) [64], [65]; (ii) configurações de interferómetro que exploram o efeito XPM, tais como

MZI (Mach-Zehnder Interferometer) [62], TOAD (Terahertz Optical Assymetric

Multiplexer) [66], UNI (Ultrafast Nonlinear Interferometer) [67], DI (Differencial Delay Interferometer) [68] e Interferómetro Sagnac Integrado Monolítico (MISI - Monolithically Intergrated Sagnac Interferometer) [69]; e (iii) guias de onda QPM (Quasi-Phase- Matched)de LiNbO3 dopado com MgO [70],[71].

Ultimamente, têm surgido novas configurações que não só utilizam o efeito não-linear

XPM, mas também um método de bloqueio para a configuração DI [73]. Com este método consegue-se um funcionamento a taxas de transferência da ordem de 100 Gb/s e transmissão com cascata de regeneradores 3R iv bem sucedida a um milhão de

quilómetros [74]. Este método consiste em aproveitar os efeitos não-lineares XPM e XGM, o

que permite conversões a aproximadamente o dobro da velocidade dos SOAs

convencionais [73]. Os mesmos autores apresentam uma nova configuração com um SOA

seguido de um filtro PROF (Pulse Reformatting Optical Filter), baseado em MEMS [72]. O modo de funcionamento é muito semelhante ao anterior [74], mas os resultados são ainda melhores, e os autores acreditam que, com esta configuração baseada em SOAs, se obtenha

a melhor eficiência na conversão de comprimento de onda e na regeneração do sinal, tendo ainda a vantagem de ser transparente aos protocolos utilizados [72]. Esta configuração permite, em simultâneo, a conversão de comprimento de onda totalmente no domínio óptico, a comutação de canais ópticos e a equalização de potência do sinal. É totalmente transparente para os ritmos de transmissão, desde que o filtro tenha resolução e largura de banda para ambos ritmos de transmissão baixos e elevados, respectivamente, e desde que as limitações de ritmos de transmissão do elemento não-linear não sejam ultrapassados [72].

2.4.2 Resolução de Disputa de Recursos - Contention Resolution

Outra questão que merece alguma atenção são as estratégias de resolução de disputa de recursos, isto é, se dois pacotes provenientes de duas entradas diferentes (portas e/ou comprimentos de onda) têm fortes possibilidades de serem encaminhados para a mesma saída (porta e comprimento de onda), o comutador deverá tomar uma decisão que evite a perda de um dos pacotes. Há três estratégias actualmente seguidas para a resolução deste problema. Em caso de contenção, um dos pacotes deve ser: (i) convertido para outro comprimento de onda disponível; (ii) retido em buffers ópticos implementados com FDLs;

ou (iii) encaminhado para um trajecto alternativo [59]. A tecnologia de conversão de comprimento de onda foi discutida na secção 2.3.3, pelo que resta abordar as duas últimas estratégias. Existem alguns estudos que abordam este problema de uma forma global e apresentam configurações experimentais que permitem combinar as três estratégias [75] - [78]. Num destes estudos [78] concluiu-se que o esquema mais eficiente na resolução da disputa de recursos passa por, efectuar conversão de comprimento de onda, reter os pacotes em buffers e, finalmente, recorrer ao encaminhamento alternativo.

2.4.2.1 Buffers Ópticos

A maior dificuldade da implementação de nós OPS é o facto de ainda não haver uma

tecnologia eficiente que permita armazenar dados no domínio óptico. A investigação tem-se direccionado no sentido obter dispositivos semelhantes, do ponto de vista conceptual, às RAMs (Random Access Memory) electrónicas, mas de facto, ainda não há RAMs ópticas, a única alternativa óptica são as FDLs que permitem armazenar os pacotes.

As FDLs são fibras ópticas de comprimento fixo que atrasam um pacote durante o tempo

que este leva percorrê-las. Sendo relativamente espaçosas e caras, esta é uma área que requer ainda muita investigação.

Os buffers ópticos podem ter um único nível ou vários níveis, com um ou mais

elementos em paralelo. As arquitecturas de buffers podem ser sem ou com realimentação, feed-foward ou feedback, respectivamente. O número de FDLs pode ser minimizado, se

forem utilizados algoritmos eficientes para projectar os buffers ou se utilizarem

conversores de comprimento de onda. Há várias configurações diferentes de FDLs que

tentam resolver uma determinada questão, nomeadamente, o armazenamento de vários pacotes em simultâneo [79], com atrasos variáveis [80] ou considerando um modelo híbrido de memória (optico-eléctrico) [81].

2.4.2.2 Encaminhamento Alternativo (Deflexivo)

Este método explora a dimensão espacial da rede para resolver problemas de disputa de recursos. Um pacote que perca a disputa de recursos (com outros pacotes), é encaminhado por um trajecto alternativo (normalmente mais longo). A utilização deste método pode causar atrasos, o que resultará na chegada ao destino de pacotes fora de ordem. A eficiência deste método depende directamente do padrão de tráfego e da topologia da rede [60].

A grande vantagem desta estratégia é que a sua utilização não implica um grande esforço na implementação, nos algoritmos de controlo e nos dispositivos de hardware

suplementares [86]. No entanto, deve-se ter algum cuidado na sua utilização do encaminhamento alternativo em nós sucessivos de uma forma aleatória, pois pode fazer o pacote regressar ao mesmo nó onde iniciou a resolução do problema de disputa de recursos e este pode ficar indefinidamente na rede. Portanto, têm de ser incluídas regras que permitam utilizar a estratégia eficientemente e aumentar, consequentemente, a eficiência da própria rede. Por exemplo, o número de ligações deve ser limitado e, quando excedido, o pacote é descartado [78].