FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃO
INDUSTRIAL
Proposta e Implementação de Plano de Controle GMPLS para
Redes WDM Reconfiguráveis
Giovanni Curiel dos Santos
Orientador:
Maurício Ferreira Magalhães (FEEC) Co-orientador:
Marcos Rogério Salvador (CPqD)
Composição da Banca Examinadora:
Prof. Dr. Maurício Ferreira Magalhães – FEEC/UNICAMP – Presidente Prof. Dr. Eleri Cardozo – FEEC/UNICAMP
Dr. Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira – CPqD
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para obtenção do grau de MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA.
GMPLS é uma arquitetura de plano de controle e um conjunto de protocolos definidos pelo IETF com o objetivo de padronizar e automatizar o aprovisionamento de serviços em redes baseadas em técnicas de comutação variadas, tais como comutação de fibra óptica, comutação de comprimento de onda e comutação de pacotes. Apesar deste suporte a múltiplas técnicas de comutação, uma implementação de plano de controle GMPLS deve considerar as particularidades da técnica de comutação e também das tecnologias de transmissão e multiplexação da rede a ser controlada. Deve considerar também as particularidades da implementação dos equipamentos que compõem o sistema de rede a ser controlado uma vez que cada um deles pode dar suporte às técnicas de comutação de uma forma específica e, portanto, possuir restrições particulares.
O objetivo deste trabalho é implementar um plano de controle GMPLS para redes ópticas com suporte à transmissão multiplexada de comprimentos de onda e à comutação dinâmica de comprimentos de onda. Esta rede é composta por elementos de transmissão e comutação projetados e prototipados nos laboratórios do CPqD.
A base desta implementação neste trabalho é o software DRAGON, uma implementação gratuita e de código aberto de plano de controle de redes Ethernet desenvolvida em um projeto acadêmico norte-americano de mesmo nome. Esta implementação não oferece suporte algum à tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda bem como à comutação de comprimentos de onda, o que requer extensas modificações em seu código.
demonstram que a implementação está funcionalmente correta e apresenta desempenho satisfatório. Estes resultados indicam também que a carga de tráfego gerada pelo plano de controle pode ser transmitida em enlaces de baixa taxa de transmissão.
GMPLS is a control plane architecture and a set of protocols defined by IETF aiming at automation and standardization of services provisioning procedures in networks based on various switching technologies, such as fiber switching, wavelength switching and packet switching. Despite the support of multiple switching techniques, a GMPLS control plane implementation must also consider the particularities of the switching techniques and multiplexing and transmission technologies used by the target network. Furthermore, it must take into account the particularities of each equipment that constitutes the network, as each may implement the above mentioned techniques and technologies in very particular ways and, thus, have very specific constraints.
The main purpose of this work is to implement a GMPLS control plane for an optical network system based on multiplexed wavelength transmission and dynamic wavelength switching. This network consists of transmission and switching elements designed and prototyped at CPqD laboratories.
The basis for this implementation is the DRAGON software, a free and open-source implementation of a control plane for Ethernet networks developed by a north american academic project with the same name as the software. Its implementation does not provide any support for wavelength division multiplexing technology or wavelength switching, hence, extensive changes in the base code are needed.
implementation works correctly and has appropriate performance. Also, these results show that the traffic load generated by the control plane can be easily carried by low speed links.
Claudete (in memorian) e João Sinésio (in memorian)
Inicialmente, agradeço a Deus pela possibilidade de realização deste trabalho.
Aos meus orientadores, prof. Maurício Ferreira Magalhães e Marcos Rogério Salvador por esta oportunidade oferecida;
A Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira, pelo incentivo, apoio e paciência constantes, além das várias ideias sugeridas;
Aos amigos do CPqD: Luis Renato Monte, Bruno Angeli, Fernando Rocha, Rodrigo Bernardo, Valentino Corso, Vitor Bedotti, Adolfo Fernandes Herbster, Rodrigo Moreira, Fábio Dassan dos Santos, Juliano Rodrigues Fernandes de Oliveira, Vinicius Garcia de Oliveira, Ronaldo Ferreira da Silva, Cláudio Floridia e Eduardo Mobilon;
À minha família: Christiane, Maria Célia, Débora Laís, Luis Tarcísio, Arlindo Sérgio, Tatiana, Yuri, Yago, Maria Silvéria, Leonardo, Vera Lúcia, Eustáquio, Alinne, Caroline, Eliza, Ana Júlia e a todos os outros que, embora um pouco mais distantes, de alguma forma me ajudaram a ser o que hoje sou;
Aos grandes amigos, Reverton de Paula, Márcio Yasui, Bruna Nagima, Giseli Ramos, Gustavo Walbon, Rafael Rezende, Tiago Maluta e Fátima Bastos, pelos ótimos momentos proporcionados desde 2002;
Ao amigo de longa data, Michel Luís, por entender que férias podem não significar descanso, mas sim tempo extra para escrever uma dissertação de mestrado.
Índice de figuras...xv
Lista de abreviaturas...xvii
Capítulo 1 Introdução...23
1.1 Objetivos...26
1.2 Organização do trabalho...27
Capítulo 2 Redes ópticas WDM reconfiguráveis...29
2.1 Histórico...30
2.2 Princípio de funcionamento...31
2.2.1 Transmissores e receptores...32
2.2.2 Transponders...33
2.2.3 Amplificadores...34
2.2.4 Elementos de comutação óptica...36
2.3 Restrições físicas em redes WDM...39
Capítulo 3 Plano de controle...45
3.1 Introdução...45 3.2 GMPLS...50 3.2.1 Sinalização...54 3.2.2 Descoberta de topologia ...58 3.2.3 Gerenciamento de enlace...60 Capítulo 4 DRAGON...63 4.1 Arquitetura sistêmica...63
4.1.1 NARB (Network Aware Request Broker)...64
4.1.2 VLSR (Virtual Label Switch Router)...65
4.1.3 CSA (Client System Agent)...65
4.2 Arquitetura do software...66
4.3 Considerações sobre a implementação...67
4.4 Funcionamento...69
4.4.1 Inicialização do plano de controle...69
Edição do LSP...72
Cálculo de rota...75
Sinalização e configuração do equipamento...75
Capítulo 5 Implementação de plano de controle para redes WDM reconfiguráveis...79
5.1 Considerações da rede...80
5.2 Implementação do suporte a controle de redes WDM...83
5.2.1 Descoberta de topologia...83
5.2.2 Sinalização de aprovisionamento...88
5.2.3 Pedido de rota...90
Capítulo 6 Algoritmo de roteamento e atribuição de comprimento de onda...93
6.1 Definição do algoritmo...95
6.2 Execução do algoritmo genético ...101
6.3 Geração da primeira população...102
6.4 Geração de descendentes...102
6.5 Mutação...105
6.6 Seleção dos melhores indivíduos...107
6.7 Escolha do resultado...109
Capítulo 7 Resultados ...111
7.1 Testes funcionais...113
7.2 Testes do algoritmo de RWA...122
7.3 Banda usada...126
Capítulo 8 Conclusões e trabalhos futuros...131
8.1 Trabalhos futuros...132
Apêndice A Exemplo de configuração OSPF...141
Apêndice B Exemplo de configuração – RCE...145
Figura 2.1: Princípio de funcionamento WDM...31
Figura 2.2: Exemplo de aplicação de amplificadores...35
Figura 2.3: Estrutura interna de um ROADM PLC...37
Figura 2.4: Estrutura interna de um ROADM WSS...38
Figura 2.5: Exemplo de dispersão cromática...40
Figura 2.6: Exemplo de atraso entre modos de polarização...41
Figura 3.1: Exemplo de um cabeçalho MPLS...46
Figura 3.2: Exemplo de encaminhamento no MPLS...48
Figura 3.3: Exemplo de encaminhamento em uma rede MPLS...48
Figura 3.4: Exemplo de empilhamento de rótulos...49
Figura 3.5: Hierarquia de rótulos do GMPLS...51
Figura 3.6: Separação entre plano de controle e de dados...53
Figura 3.7: Exemplo de sinalização de um LSP...56
Figura 4.1: Arquitetura sistêmica do DRAGON...64
Figura 4.2: Arquitetura do software...67
Figura 4.3: Exemplo de topologia com túneis GRE...68
Figura 4.4: Funcionamento geral do software...72
Figura 4.5: Requisição de criação de rota enviada para o NARB...74
Figura 4.6: Procedimentos para a mensagem PATH...76
Figura 4.7: Procedimentos para a mensagem RESV...76
Figura 5.1: Estrutura interna de um ROADM PLC...81
Figura 5.2: Caminho bidirecional...82
Figura 5.3: Nova sub-TLV para parâmetros físicos...84
Figura 5.4: Sub-TLV para lista de comprimentos de onda...86
Figura 5.5: ROADM com grupos de conexão...87
Figura 5.6: Sub-TLV de grupos de conexão...88
Figura 5.7: Alteração do procedimento para mensagem PATH...89
Figura 5.8: Alteração do procedimento para mensagem RESV...90
Figura 6.2: Exemplo de topologia para geração de descendentes...103
Figura 6.3: Rotas selecionadas...104
Figura 6.4: Novo indivíduo gerado...105
Figura 6.5: Indivíduo escolhido para sofrer mutação...106
Figura 6.6: Indivíduo que sofreu mutação...107
Figura 6.7: Seleção dos melhores indivíduos e controle de população...108
Figura 7.1: Arquitetura sistêmica do DRAGON...112
Figura 7.2: Exemplo de topologia para testes funcionais...114
Figura 7.3: Exemplo de captura – OSPF...117
Figura 7.4: Base de dados do RCE...118
Figura 7.5: Mensagens trocadas no nó 1...120
Figura 7.6: Troca de mensagens no nó 2...121
Figura 7.7: Topologia usada para taxa de bloqueio...122
Figura 7.8: Bloqueios do RWA...123
Figura 7.9: Resultados para bloqueio de RWA (reprodução de [62])...124
Figura 7.10: Banda total...127
Figura 7.11: Banda usada pelo OSPF...127
Figura 7.12: Banda usada pelo RSVP...128
APD Avalanche Photodiode
ASE Amplified Spontaneous Emission
ASON Automatically Switched Optical Network
ASTB Application Specific Topology Builder
ATM Asynchronous Transfer Mode
CR-LDP Constraint based Label Distribution Protocol CSA Client System Agent
CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing DCN Data Communication Network
DRAGON Dynamic Resource Allocation via GMPLS Optical Network
DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing ERO Explicit Route Object
FEC Forwarding Equivalent Classes
FSC Fiber Switch Capable
GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching GPID Generic Payload ID
GRE Generic Routing Encapsulation
IETF Internet Engineering Task Force
L2SC Layer 2 Switch Capable
LDP Label Distribution Protocol
LED Light Emitting Diode
LFIB Label Forwarding Information Base
LMP Link Management Protocol
LSA Link State Advertisement
LSC Lambda Switch Capable
LSP Label Switched Path
LSR Label Switch Router
MPLS Multiprotocol Label Switching
MEM Micro-electrical-mirror
NARB Network Aware Request Broker
OADM Optical Add and Drop Multiplexer
OEO Opto-eletro-óptico
OIF Optical Internetworking Forum
OSC Optical Supervisory Channel
OSPF Open Shortest Path First
OXC Optical Crossconnect
PDH Plesiochronous Digital Hierarchy
PIN Positive-i-Negative
PLC Planar Lightwave Circuit
PMD Polarization Mode Dispersion
PSC Packet Switch Capable
PXC Photonic Crossconnect
RCE Resource Computation Engine
ROADM Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexer RSVP Reservation Protocol
RWA Routing and Wavelength Assignment
SDH Synchronous Digital Hierarchy
SNMP Simple Network Management Protocol
SOA Semiconductor Optical Amplifier
SONET Synchronous Optical Network SRS Stimulated Raman Scattering
TDM Time Division Multiplexing
TED Traffic Engineering Database
TLV Type-Length-Value
VLSR Virtual Label Switch Router
WDM Wavelength Division Multiplexing
WSS Wavelength Selectable Switch
1. G.C. Santos, F.D. Santos, J.C.R.F. Oliveira, R.A. Moreira, M.R. Salvador, M.A. Romero e M. Magalhães, "Aprovisionamento Automático de Circuitos Ópticos
Protegidos via Plano de Controle GMPLS Considerando Restrições de Camada Física". XXVII Simpósio Brasileiro de Telecomunicações (SbrT 2009), Blumenau,
Santa Catarina, Brasil, Setembro 2009.
2. G. C. Santos, F. D. Santos, J.C.R.F. Oliveira, R.A. Moreira, M.R. Salvador, M.A. Romero e M. Magalhães, “Quantitative Bandwidth Analysis of Automatic Circuit
Provisioning on ROADM-based Networks using GMPLS Control Plane”,
International Microwave and Optoelectronics Conference – IMOC, Belém, Pará, Brasil, pg. 664-668, Novembro 2009.
Introdução
O crescimento da oferta de diferentes serviços e o aumento do conteúdo multimídia na Internet fazem com que a transmissão de dados na rede deva ser cada vez mais rápida. Além disso, é também crescente o número de usuários de Internet: no Brasil, ele cresceu no primeiro trimestre de 2009 quase 45% em relação ao último trimestre de 2008 [1]. Para atender a estas demandas, são instalados mais equipamentos com maior capacidade de transmissão nas redes das operadoras, o que torna muito complexa a sua operação e manutenção. Entretanto, quando se usam altas taxas e se atendem muitos usuários simultaneamente, as falhas de operação nestes equipamentos são capazes de causar problemas bastante sérios [2][3], podendo prejudicar, por exemplo, serviços essenciais prestados à população, como atendimento bancário, emissão de documentos, etc.
As redes fotônicas auxiliam de forma significativa o atendimento da demanda por velocidade. As fibras ópticas usadas na interconexão de equipamentos podem conduzir, em teoria, sinais com taxa máxima de transmissão muito maior do que outros materiais, chegando à ordem de terabits por segundo [4]. Além disso, alguns tipos de fibras possuem atenuação muito baixa, da ordem de alguns décimos de decibel por quilômetro, permitindo maiores distâncias entre estações repetidoras. Existem ainda outros fatores que auxiliam a transmissão do sinal óptico, como insensibilidade a interferências eletromagnéticas externas, inexistência de capacitâncias do meio de transmissão, etc. Entretanto, as redes ópticas possuem restrições específicas à sua natureza, como por exemplo, alterações de características do sinal transmitido devido a impurezas e imperfeições geométricas das fibras, geração de potência luminosa não desejada por alguns amplificadores, etc. Caso seja
desconsiderado, o acúmulo destas degenerações pode fazer com que os dados transmitidos não sejam reconhecidos na recepção.
Um contratempo existente até há pouco tempo era a grande dificuldade na criação de conexões ópticas entre dois pontos. Para a execução desta tarefa, era necessário inicialmente que se definisse de forma manual uma rota por onde a conexão iria ser instalada. Após esta análise, equipes de técnicos eram enviadas aos locais onde se encontravam os equipamentos para que fossem realizadas as operações necessárias para a criação do caminho óptico. Estas operações incluíam a instalação de fibras entre equipamentos em um mesmo local, a alteração da configuração de chaves ópticas, a instalação de transmissores e receptores no início e término da conexão, etc. Após a execução destes procedimentos em todos os locais da rota, o caminho óptico era liberado para uso. Este método é muito suscetível a erros e atrasos, uma vez que uma falha de configuração percebida tardiamente ou uma rota escolhida de forma incorreta pode necessitar de muitas operações para correção de problemas.
A introdução de elementos de reconfiguração óptica, tais como ROADMs (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) [5], permitiu que a rede se tornasse mais dinâmica. Com estes equipamentos, não é mais necessário o deslocamento de pessoal por toda a rota a fim de criar um caminho óptico. Após a instalação destes dispositivos, a configuração da conexão se resume no envio de comandos a cada um deles, com o propósito de interconectar duas de suas portas (uma para entrada e outra para a saída do sinal). Entretanto, a inserção dos ROADMs na rede força a reavaliação do funcionamento de outros equipamentos, como os amplificadores ópticos. O projeto original destes elementos prevê um número fixo de comprimentos de onda que devem passar por ele, estabelecendo um valor fixo para seu ganho a fim de que o limiar de saturação dos receptores não seja alcançado, permitindo o reconhecimento da informação transmitida. Entretanto, com os elementos de reconfiguração, o número de comprimentos de onda que passam por um amplificador e, portanto, seu ganho não são previamente conhecidos. Desta forma, os dispositivos de amplificação óptica devem possuir algum tipo de controle automático de ganho [6][7].
O processo de criação de um caminho óptico é facilitado pelos elementos reconfiguráveis. Entretanto, a gerência da rede torna-se mais delicada, já que passam a ser suas obrigações a seleção e configuração dos recursos usados por um caminho. Para simplificar este procedimento, entidades de padronização estão definindo novas arquiteturas que automatizam o processo de configuração dos equipamentos da rede. Estas arquiteturas dividem a rede em Plano de Dados, composto pelos elementos responsáveis pelo transporte físico dos dados, e Plano de Controle, que é responsável pela configuração automática destes equipamentos. A ITU-T (International Telecommunitcations Union –
Telecommunication Standardization Sector) propôs uma arquitetura chamada ASON
(Automatically Switched Optical Network) [8], a qual define, em um alto nível de abstração, quais elementos e interfaces devem existir no plano de controle da rede, sem especificar qualquer protocolo a ser usado. Outra entidade de padronização, o IETF (Internet
Engineering Task Force), criou outro modelo, bastante semelhante ao ASON em algumas
partes, chamado GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching) [9]. Ao contrário do modelo ASON, o GMPLS faz muitas referências sobre quais protocolos podem ser usados para o funcionamento do plano de controle. Além destas arquiteturas, existem definições sobre como entidades que acessam o plano de controle devem se comunicar com a rede. Estas interfaces, chamadas de UNI (User Network Interface) [10], estão sendo definida pelo OIF (Optical Internetworking Forum) e têm o objetivo de indicar como um cliente que usa os serviços prestados pela rede deve se comunicar com o plano de controle que a gerencia.
Embora existam várias implementações da arquitetura GMPLS, quase todas são proprietárias e de código fechado [11]. Uma implementação gratuita e aberta é a elaborada no projeto DRAGON (Dynamic Resource Allocation via GMPLS Optical Networks) [12], desenvolvida em uma parceria entre várias empresas e universidades norte-americanas. Como este pacote é composto por software livre, torna-se possível a sua alteração para estudos sobre o comportamento do plano de controle com relação a novas funcionalidades inseridas na rede.
Neste trabalho, o código do projeto DRAGON foi tomado como base para o estudo e extensão de funcionalidades de controle das redes ópticas reconfiguráveis. Para atingir este objetivo, o software foi analisado e as características necessárias de um plano de controle para estas redes foram levantadas. As novas características incluem o suporte a envio de mensagens de configuração a ROADMs, alterações das mensagens de disseminação de topologia e alteração do pedido de rota. Um ponto de importância especial é a criação de um algoritmo de RWA (Routing and Wavelength Assignment), o qual leva em consideração degenerações físicas do sinal e restrições de operação dos equipamentos do plano de dados.
1.1 Objetivos
Os objetivos deste trabalho são:
• Análise das necessidades de um plano de controle para redes WDM reais;
• Análise das necessidades de modificações no DRAGON para fornecer suporte à configuração de redes WDM intra-domínio;
• Implementação das alterações necessárias:
• Concepção de um algoritmo de RWA que considere parâmetros físicos no cálculo de rota;
• Criação de novas estruturas nos protocolos do GMPLS para fornecer as informações necessárias para a execução do algoritmo de RWA desenvolvido;
• Avaliação do protótipo implementado
O trabalho não tem como objetivo atender a funcionalidades em um cenário inter-domínio, nem em redes multirregião/multi-camada.
1.2 Organização do trabalho
O capítulo 2 faz uma introdução às redes WDM reconfiguráveis e seus elementos (amplificador, transponders, elementos de reconfiguração), e logo em seguida, no capítulo 3, é apresentado um resumo sobre o plano de controle GMPLS para operação destas redes.
O capítulo 4 detalha o projeto DRAGON. Nele é apresentada a arquitetura sistêmica do software, discutindo seus elementos e relacionamentos. São mostrados os elementos de software existentes e o funcionamento básico de cada um e detalhadas as estruturas relevantes ao entendimento das alterações propostas no trabalho.
O capítulo 5 apresenta as considerações sobre controle de redes WDM. Neste capítulo são identificadas quais funcionalidades um plano de controle deve possuir para que configure de forma eficiente uma rede WDM. Também são apresentadas as modificações feitas nas estruturas e comportamento do software do projeto DRAGON.
Uma vez feitas as considerações sobre controle de redes WDM, são apresentadas no capítulo 6 a definição e a implementação de um algoritmo de RWA.
Os resultados das modificações e implementações são mostrados no capítulo 7, seguidas pela conclusão e sugestões de trabalhos futuros, apresentadas no capítulo 8.
Redes ópticas WDM reconfiguráveis
O princípio básico das redes ópticas consiste na transmissão de informações através de um sinal luminoso. Este sinal é gerado a partir de pulsos elétricos, os quais são recebidos por um transmissor que os usa para modular uma fonte luminosa (um LED ou um laser, por exemplo) que gera o sinal óptico. Este é conduzido por fibras ópticas até um fotodetector, cuja função é transformar este sinal novamente em pulsos elétricos. Para otimizar o uso das fibras já instaladas, foi desenvolvida a tecnologia WDM (Wavelength Division
Multiplexing), que permite que vários sinais luminosos em diferentes frequências sejam
transmitidos simultaneamente através de uma fibra.
Neste capítulo, será apresentada uma breve revisão sobre as redes WDM, incluindo os respectivos equipamentos e restrições de transmissão relevantes. A partir deste resumo, será possível identificar quais devem ser as considerações e operações necessárias para a configuração de um equipamento em uma rede WDM durante a criação de uma conexão entre dois pontos.
2.1 Histórico
A história do desenvolvimento das redes ópticas, embora recente, mostra o quanto esta tecnologia está madura e, ao mesmo tempo, aberta a novos avanços1. As primeiras redes
ópticas surgiram por volta da década de 70, quando foram definidos, em caráter de pesquisa, os primeiros sistemas usando lasers de GaAs com comprimento de onda próximo
1 Existem várias formas de classificar a sua história e uma das mais significativas é apresentada em [13].
aos 0,8μm. Estes sistemas tornaram-se comercialmente disponíveis apenas em 1980, operando a taxas de 45Mb/s com espaçamento entre estações repetidoras de até 10 km. Este valor representava um aumento significativo do limite imposto em redes de cabos coaxiais, disponíveis anteriormente, cujo valor era de apenas 1 km.
Durante toda a década de 70, várias pesquisas concluíram que o espaçamento entre os repetidores poderia ser aumentado se fosse usado um comprimento de onda de aproximadamente 1,3μm. Neste valor, o sinal sofre uma menor dispersão e uma menor atenuação pela fibra, ficando abaixo de 1dB/km. Esta descoberta motivou a construção de fotodetectores e lasers de InGaAsP com operação próxima a 1,3μm. Embora a segunda geração de redes ópticas, viável apenas na década de 80, possuísse uma capacidade bem maior de transmissão, as taxas usadas foram limitadas em 100Mb/s. Este limite devia-se principalmente à alta dispersão das fibras multimodo, em uso até então, as quais foram substituídas por fibras monomodo. Com isso, sistemas comerciais foram logo disponibilizados para uso, transmitindo dados a 1,7Gb/s com espaçamento de aproximadamente 50 km entre os repetidores.
O espaçamento entre repetidores nos sistemas de segunda geração era limitado pelas perdas nas fibras no comprimento de onda usado (cerca de 0,5dB/km), as quais poderiam ser diminuídas com a transmissão dos sinais a 1,55μm. Neste comprimento de onda, embora as perdas sejam menores, a dispersão ainda é grande, atrasando a introdução das redes de terceira geração. Este problema poderia ser resolvido com o uso de compensadores de dispersão ou com a limitação dos transmissores a um único modo longitudinal. Com estas considerações, estes sistemas puderam ser disponibilizados comercialmente no início da década de 90, operando a uma taxa de até 10Gb/s, usando lasers de 1,55μm e espaçamento entre repetidores entre 60 e 70km.
A quarta geração de sistemas fotônicos usa elementos de amplificação óptica e multiplexação de comprimento de onda, fatores que aumentaram o espaçamento entre repetidores e a taxa transmitida na fibra, respectivamente. Na maioria dos sistemas WDM,
as perdas das fibras são compensadas através do uso de amplificadores baseados em fibras dopadas com érbio (EDFA), separados por distâncias entre 60 a 80 km.
O desafio atual para a tecnologia WDM é a transmissão de mais canais em uma única fibra, sendo um dos objetivos principais desta quinta geração de sistemas ópticos. Esta geração também tenta aumentar a taxa transmitida para aproximadamente 100Gb/s e tendo em vista enlaces com banda de 8Tb/s.
2.2 Princípio de funcionamento
O princípio básico de funcionamento das redes WDM consiste na transmissão simultânea de vários sinais por uma mesma fibra, usando comprimentos de onda diferentes. A Figura 2.1 mostra um exemplo de operação destas redes.
Na figura, são apresentados quatro transmissores com comprimentos de onda distintos, cujos sinais são inseridos em uma mesma fibra através de um multiplexador. A separação destes comprimentos de onda é feita por um demultiplexador, o qual coloca cada um deles em uma fibra de saída diferente. É importante lembrar que, tanto o multiplexador quanto o
demultiplexador não reconhecem os dados representados pelo sinal, o que possibilita a transmissão sem o uso de conversão opto-eletro-óptica (O/E/O).
Os conjuntos de comprimentos de onda que os equipamentos de uma rede WDM conseguem identificar são divididos em duas classes: CWDM (Coarse
Wavelength-Division Multplexing) e DWDM (Dense Wavelength-Wavelength-Division Multiplexing), cujos valores
são definidos por recomendações do ITU-T [14][15]. A primeira classe define 16 canais com comprimentos de onda que vão de 1270 a 1610nm com espaçamento de 20nm entre cada um. Em sistemas DWDM, é fixada uma frequência central de 193,10THz (aproximadamente 1552,52nm) a partir da qual são definidos os comprimentos de onda. O espaçamento é definido como sendo 50GHz (0,4nm, possuindo 80 canais), embora seja possível o uso de espaçamentos menores, como 25GHz (160 canais).
Os principais componentes de uma rede WDM são: transmissores e receptores, conversores de comprimento de onda (transponders), amplificadores de potência e os elementos de roteamento óptico. Cada um deles será explicado nas seções seguintes.
2.2.1 Transmissores e receptores
Os transmissores e receptores são os principais componentes das redes ópticas, já que sem eles não seria possível a criação e reconhecimento do sinal óptico de forma satisfatória. O papel principal de um transmissor é a conversão de um sinal elétrico em óptico e inseri-lo em uma fibra óptica, enquanto a função de um receptor é a de converter este sinal novamente em pulsos elétricos, recuperando as informações codificadas pelo transmissor.
Os tipos de transmissores usados se dividem em duas classes: LEDs (Light Emitting
Diode), baseados na geração de fótons de forma espontânea, e lasers semicondutores, que
geram fótons de forma estimulada [13]. O primeiro tipo é bastante usado em transmissões de baixa potência e curtas distâncias, devido a seu custo reduzido e pouca precisão de funcionamento (tanto com respeito à faixa de operação quanto precisão no comprimento de onda emitido). Já os lasers são bastante usados nas redes WDM pois, embora mais caros,
conseguem fornecer potência luminosa muito maior do que LEDs, além de oferecer possibilidade de alteração do comprimento de onda transmitido e possuir pequena largura do espectro emitido.
O princípio de operação dos receptores é a utilização de um fóton para a retirada de um elétron da camada de valência de um semicondutor, gerando portadores de carga e caracterizando uma corrente elétrica [16]. Os dois tipos usados são os receptores PIN (Positive-Intrinsic-Negative) e APD (Avalanche Photodiode), os quais são construídos com duas regiões de semicondutor dopado com elementos doadores (região N) ou receptores (região P) de elétrons que cercam uma terceira região de alta resistência elétrica (região i)2.
Ambos são semelhantes em suas estruturas físicas, diferenciando-se no fato de que os fotodetectores APD possuem uma camada a mais para a geração de portadores secundários entre a região i e a região P.
2.2.2 Transponders
Para que o sinal gerado no terminal de um cliente (por volta de 1,33μm) seja transmitido para o núcleo de uma rede WDM, o comprimento de onda usado para transmissão deve se encontrar em torno de 1,5μm. Nesta banda (banda C da grade do ITU-T [14]) as perdas na fibra são minimizadas, o que possibilita maior distância entre as estações repetidoras. O equipamento que consegue fazer esta conversão chama-se
transponder, o qual pode ser de dois tipos:
• Transponders fixos: estes tipos de transponders têm sua faixa de operação fixa, não
sendo possível a alteração do comprimento de onda usado após a fabricação dos equipamentos;
• Transponders sintonizáveis: estes equipamentos são compostos por filtros e lasers
sintonizáveis, o que possibilita a reconfiguração do comprimento de onda usado após a fabricação e instalação do equipamento. Em seu uso devem ser levados em
consideração vários fatores operacionais, tais como tempo de reconfiguração, precisão do comprimento de onda transmitido, controle de chirp (variação do comprimento de onda com o passar do tempo), etc.
O funcionamento básico de um transponder consiste na recepção de um sinal em um comprimento de onda específico, posterior criação do sinal elétrico correspondente à informação recebida e, por fim, na retransmissão deste sinal em outro comprimento de onda. A introdução deste elemento faz com que a rede não seja mais totalmente transparente, ou seja, deve-se possuir informações de como os dados estão codificados para que seja possível a sua retransmissão.
2.2.3 Amplificadores
A atenuação de um sinal durante o seu percurso em um caminho óptico de uma rede WDM pode ser muito alta. Para contornar este problema, são instalados amplificadores ópticos na rede, os quais conseguem aumentar a potência de um sinal no domínio óptico de forma totalmente analógica. Com estes elementos, é possível aumentar a distância entre elementos de regeneração do sinal, aumentando a região “transparente da rede” (região onde não há conversão O/E/O).
Existem vários tipos de amplificadores, sendo os principais:
• Amplificador a fibra dopada [6]: esta classe de amplificadores baseia-se no uso de elementos da família das terras-raras (em especial o érbio) para dopagem da sílica usada na fabricação de fibras ópticas. Estes amplificadores têm por princípio básico de funcionamento a excitação dos elétrons presentes no elemento dopante a um nível energético mais elevado. Sob a incidência de um feixe luminoso, estes elétrons perdem sua energia sob a forma de fótons cuja frequência e polarização são as mesmas das do feixe incidente. Um dos principais inconvenientes do uso deste tipo de amplificador é a geração da ASE (Amplified Spontaneous Emission), detalhada na próxima seção.
• Amplificadores de efeito Raman [17]: estes amplificadores usam a amplificação Raman, a qual se baseia na interação não linear entre o sinal de entrada e o laser de bombeio em uma fibra óptica. Este efeito é conhecido como Espalhamento Raman Estimulado (Stimulated Raman Scattering – SRS).
• Amplificadores baseados em semicondutores (SOA – Semiconductor Optical
Amplifiers) [18]: estes amplificadores usam elementos semicondutores como meio
de amplificação. O funcionamento destes elementos é bastante semelhante ao dos lasers, diferenciando-se no fato de que a fonte luminosa é originada externamente (sinal de entrada), ao contrário do laser, que é interna.
Os amplificadores ópticos podem ter várias aplicações dentro de uma rede WDM. Três delas são mostradas na Figura 2.2.
Os amplificadores 'booster' são utilizados para reforçar a potência de um sinal gerado em um transmissor, e são colocados logo após este dispositivo, aumentando a distância de
transmissão do sinal. Os amplificadores de 'linha' podem substituir regeneradores de sinal, e podem ser colocados em série para formar uma cadeia de amplificação. Esta prática, contanto, deve ser feita de forma cautelosa, pois ao se estender de forma demasiada a distância de transmissão, o sinal sofre várias deformações provocadas pelo meio de transmissão e por outros equipamentos, diminuindo a performance do sistema. Os pré-amplificadores são posicionados logo antes dos receptores e são usados para aumentar a potência do sinal a um valor adequado para ser reconhecido pelos fotodetectores.
2.2.4 Elementos de comutação óptica
Em uma conexão ponto a ponto, é suficiente que existam no sistema apenas as fibras, transmissores (transponders), amplificadores e receptores. Entretanto, para que se forme uma rede óptica em malha, são necessários outros tipos de equipamentos, como multiplexadores, demultiplexadores e chaves ópticas. As tecnologias de fabricação e características destes equipamentos podem variar bastante. Os principais elementos de reconfiguração de uma rede óptica são [16]:
• Optical Cross-connect (OXC): este elemento pode ser transparente (usando chaves
ópticas) ou não (usando conversão O/E/O). Uma característica importante de funcionamento deste equipamento é a possibilidade de comutação entre as portas de entrada e saída sem distinção de comprimento de onda. Desta forma, todos os sinais ópticos presentes em uma porta de entrada serão repassados para uma mesma porta de saída.
• Optical Add/Drop Multiplexer (OADM): estes equipamentos permitem a adição ou
derivação de comprimentos individualmente, usando para isso multiplexadores e demultiplexadores. É importante ressaltar que este equipamento é fixo, ou seja, uma vez que um comprimento de onda seja derivado em um certo ponto do enlace, esta configuração não pode ser desfeita sem intervenção manual.
• Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM): este tipo de equipamento
permite a reconfiguração da rede de forma remota, tendo a funcionalidade de um OADM com a possibilidade de se decidir, após a instalação do equipamento, que uma chave óptica deve ser reconfigurada. Para isto, é necessário apenas que se envie um comando ao módulo óptico para alteração da chave óptica referente ao comprimento de onda a ser usado. Isto possibilita a reconfiguração remota da rede, diminuindo muito os custos com operação. As duas principais tecnologias de construção de ROADMs são:
◦ Planar Lightwave Cirtuit (PLC): Os ROADMs baseados nesta tecnologia têm
por base o uso de circuitos semicondutores como guias para o sinal óptico. Embora exista um grande inconveniente, que é a existência de portas coloridas (cada porta de acesso possui um comprimento de onda associado, não sendo possível a transmissão e recepção de um canal diferente deste), este equipamento tem um custo consideravelmente menor do que um ROADM WSS e possui um maior grau de integração, possuindo mais portas de entrada e de saída do que este. A Figura 2.3 mostra a arquitetura interna de um ROADM PLC:
O demultiplexador permite que apenas um comprimento de onda específico que chega em sua entrada seja encaminhado para uma chave óptica em particular. De forma semelhante, o multiplexador consegue encaminhar apenas um comprimento de onda específico em uma entrada em particular para a sua saída. Além desta limitação, os sinais que são direcionados às portas de acesso do ROADM podem ser provenientes apenas da porta de rede 1, o que impede que qualquer porta possa ser internamente conectada a qualquer outra.
◦ Wavelength Selectable Switch (WSS): esta tecnologia permite que as portas do
ROADM não sejam associadas a um comprimento de onda, permitindo uma maior liberdade na configuração deste equipamento. Dependendo das conexões entre estes equipamentos, eles podem apresentar ou não portas coloridas (ou seja, com apenas alguns comprimentos de onda permitidos em uma porta específica) e possuir ou não restrições relacionadas à conexão das portas de saída3. Para a reconfiguração destes equipamentos, geralmente são usados
espelhos internos. A Figura 2.4 mostra, de forma bastante resumida, a arquitetura interna de um ROADM WSS.
3 Estas duas características são encontradas na literatura como (not) colorless e (not) directionless.
A figura mostra um exemplo de um módulo WSS com uma porta de entrada e três portas de saída. O feixe luminoso contendo vários comprimentos de onda entra no dispositivo e seus comprimentos de onda são separados de forma individual por uma grade de difração. Cada um deles é refletido por MEM (Micro-electrical-mirror) para que possam alcançar uma porta de saída em particular. É importante notar que neste equipamento não há a associação entre comprimento de onda e porta de entrada ou de saída, uma vez que é possível a reconfiguração dos espelhos para que um determinado comprimento de onda seja retransmitido por uma porta diferente.
O uso destes equipamentos (amplificadores, transponders, ROADMs) pode fazer com que o sinal sofra algumas deformações em sua natureza. No projeto de uma rede WDM é essencial que se leve em consideração estes fatores, uma vez que seu acúmulo excessivo pode impedir o reconhecimento das informações transmitidas. As restrições mais importantes serão apresentadas na próxima seção.
2.3 Restrições físicas em redes WDM
Fundamentalmente, as tecnologias de transmissão óptica são de natureza puramente analógica, uma vez que compõem a camada mais baixa da hierarquia de tecnologias para transporte de dados. Assim, elas possuem um relacionamento bastante forte com a topologia e elementos físicos formadores da rede, como elementos de interconexão, geradores de sinal, etc. Entretanto, nas considerações sobre as decisões de roteamento em redes totalmente ópticas, é comum assumir que o sinal possui uma qualidade adequada em todo o seu trajeto. Para que isto seja verdadeiro, pode-se dividir uma rede em regiões de tamanho limitado e isoladas opticamente umas das outras, chamadas de 'ilhas de transparência', o que ajuda no aumento da qualidade do sinal e na localização de falhas.
A redução do tamanho de uma ilha de transparência não resolve os problemas relacionados à transmissão de dados a altas velocidades, os quais se tornam mais complicados à medida em que a taxa aumenta. Estes problemas, ou restrições, podem ser
classificados em dois grupos: as restrições lineares e as não lineares [19]-[20]. Restrições lineares são independentes da potência do sinal e afetam todos os comprimentos de onda de forma homogênea. Restrições não lineares são mais complexas, uma vez que elas não só afetam um determinado comprimento de onda, mas também podem gerar interferências em outros sinais em comprimentos de onda diferentes transmitidos por uma mesma fibra.
Os principais efeitos causadores de distorção no sinal óptico são:
• Dispersão cromática (CD – Chromatic Dispersion) [21]: esta restrição tem origem na dependência do índice de refração do material que compõe a fibra óptica com o comprimento de onda dos sinais que ela conduz. Como uma fonte luminosa (laser ou LED) não é perfeitamente monocromática, este efeito causa um alargamento temporal do pulso óptico devido aos diferentes caminhos que comprimento de onda individual toma. Um exemplo desta restrição é mostrada na Figura 2.5.
A dispersão cromática é a soma de duas outras dispersões: dispersão material (causa das diferentes velocidades tomadas por diferentes comprimentos de onda em uma fibra) e dispersão de guia de onda (a propagação de comprimentos de onda depende das características do guia de onda, por exemplo, dos índices de refração e formatos do núcleo e seu revestimento).
• Dispersão por modo de polarização (PMD – Polarization Mode Dispersion) [21]: este efeito é causado pelas imperfeições do núcleo de uma fibra não circular. Esta restrição, medida em ps /
km 4, surge da diferença dos seus índices de refraçãopara cada modo de polarização de um sinal, gerando uma diferença de fase entre estes. A Figura 2.6 mostra um exemplo desta restrição.
Na Figura 2.6 são mostrados dois modos de polarização de um sinal. Devido à diferença do índice de refração da fibra para cada um deles, os modos sofrem atrasos diferentes e chegam à saída com uma diferença de fase não desejada. Desta forma, o sinal chega com uma potência menor e mais 'espalhado'.
• Emissão espontânea amplificada (ASE – Amplified Spontaneous Emission) [22]: em uma amplificador de fibra dopada, um feixe de fótons incidente faz com que os elétrons energizados do elemento dopante passem para uma camada menos energética liberando um fóton com mesma polarização, fase e comprimento de onda
4 [ps] = picossegundo, [km] = quilômetro
deste feixe. Entretanto, alguns elétrons podem decair do nível mais energético para o estado fundamental de forma espontânea, liberando um fóton com comprimento de onda, fase e polarização aleatória. O ruído criado por este processo também sofre amplificação da mesma forma que o feixe incidente, criando um 'sinal' não desejado. Este é um fator muito importante no uso de amplificadores, pois limita o cascateamento indefinido dos mesmos.
• Espalhamento Brillouin (SBS – Stimulated Brillouin Scattering) [23]: O processo físico causador do espalhamento de Brillouin é a tendência dos materiais de se comprimirem na presença de um campo elétrico. Este processo gera uma onda acústica com frequência Ω quando existe um campo elétrico oscilante na frequência de bombeio ΩP. O espalhamento de Brillouin pode ser observado como um
espalhamento da onda de bombeio a partir desta onda acústica, resultando na criação de uma nova onda;
• Espalhamento Raman (SRS – Stimulated Raman Scattering) [23]: O espalhamento de Raman tem origem na interação entre as moléculas de sílica presentes na fibra e o sinal luminoso incidente. Este sinal faz com que as moléculas vibrem, causando uma conversão de parte da luz para frequências menores. A diferença da frequência do sinal original e o gerado pela vibração das moléculas é chamada de frequência de Stokes. Desta forma, quando dois sinais separados pela frequência de Stokes são injetados em uma fibra, há um aumento na potência do sinal de menor frequência, embora exista uma diminuição da potência do sinal de maior frequência.
• Auto-modulação de fase, modulação cruzada de fase e mistura de quatro ondas: estes efeitos têm origem na dependência do índice de refração da fibra com a potência luminosa transmitida. Na auto-modulação, a fase do sinal é deslocada de forma proporcional à intensidade do pulso. Já na modulação cruzada, o mesmo efeito é observado, embora seja causado por sinais com comprimento de onda próximos. A mistura de quatro ondas acontece quando é satisfeita a condição de
casamento de fases, ocasionando o batimento entre os canais, o qual gera novas frequências.
Neste capítulo foram apresentados de forma introdutória as características de uma rede WDM, seus componentes e suas características de operação, e, por fim, foram detalhadas as restrições provocadas por elementos da rede que interferem na transmissão de um sinal. No próximo capítulo, serão apresentados os elementos de um plano de controle, bem como suas características e responsabilidades na operação de uma rede.
Plano de controle
No capítulo anterior foram apresentados de forma concisa vários elementos e características das redes WDM. Para que redes desta e de outras tecnologias possam ser usadas de forma eficiente, é interessante o uso de ferramentas que automatizem o processo de seleção de recursos e configuração de equipamentos de transporte de dados. Para esta finalidade, foi criado o conceito de plano de controle, cujas características e comportamentos serão explicados neste capítulo.
3.1 Introdução
O processo de encaminhamento de um pacote IP constitui-se na escolha de uma interface de saída de um roteador com base em seu endereço de destino. A associação entre a interface escolhida e o endereço de destino de um pacote é feita em tabelas preenchidas por um algoritmo de cálculo de rota, geralmente Dijkstra [24]. Entretanto, este algoritmo tende a usar as mesmas interfaces para a transmissão de fluxos com características diferentes, o que cria sobrecarga em poucos enlaces e diminui o desempenho geral da rede. Para que isto não aconteça, o uso dos recursos disponíveis deve ser balanceado, possibilitando a garantia de banda para os fluxos de dados existentes.
No início da década de 90 foram criados vários protocolos com o objetivo de melhorar a distribuição dos fluxos de dados na rede e aumentar a velocidade de encaminhamento de pacotes. Dois destes protocolos são o ATM (Asynchronous Transfer Mode) e o Frame
Relay, os quais implementam o conceito de “circuitos virtuais”. Estes circuitos são
'conexões' entre dois pontos criadas através de configurações nos equipamentos da rede baseadas em informações de engenharia de tráfego. No encaminhamento de pacotes, ambos os protocolos definem rótulos que são associados a outras informações para indicar ao equipamento qual interface deverá ser usada para a transmissão dos dados. As correlações entre estes rótulos e as interfaces são feitas em tabelas, assim como no roteamento IP, diferenciando-se no fato de que os rótulos permitem a separação dos fluxos de dados para um mesmo destino. Assim, é também possível que os dados transmitidos entre um mesmo par origem/destino percorram caminhos diferentes na rede, melhorando o uso de seus recursos.
Seguindo a evolução dos protocolos para criação de circuitos virtuais, foi criado o MPLS (Multi-protocol Label Switching) [25], o qual também usa rótulos para o encaminhamentos de quadros. Entretanto, seu funcionamento é mais simples: enquanto no ATM, por exemplo, as informações maiores do que o tamanho fixo de uma célula (53 bytes) devem ser segmentadas na transmissão e reagrupadas na recepção, no MPLS as informações podem ter tamanho variável, e portanto, a necessidade de reagrupamento das informações é bem menos frequente.
O rótulo usado pelo MPLS para o encaminhamento de quadros foi colocado em um novo cabeçalho, chamado de “shim header”, entre a camada de enlace e a camada de rede de um pacote. Sua estrutura é mostrada na Figura 3.1.
Os campos presentes no rótulo são:
• TTL: valor de tempo de vida do rótulo (este campo é detalhado em [26]);
• S: indicador de final da pilha de rótulos;
• EXP: bits a serem usados em caráter experimental; • LABEL: rótulo carregado pelo cabeçalho.
Para que estas informações sejam usadas de forma coerente, os roteadores MPLS (chamados de LSRs – Label Switch Routers) armazenam em suas tabelas de encaminhamento pares de informações, como { rótulo de entrada; interface de entrada};
{ rótulo de saída, interface de saída}. Estas tabelas são conhecidas como LFIBs (Label Forwarding Information Base) e são preenchidas manualmente ou através de um protocolo
de distribuição de rótulos, como o LDP (Label Distribution Protocol) [27].
Quando um pacote entra na rede MPLS, é atribuído a ele um rótulo. Esta atribuição é feita através da classificação deste pacote em uma FEC (Forwarding Equivalent Classes) e da associação desta a um rótulo. A partir de então, a LFIB é consultada para que seja selecionada tanto a interface de saída quanto o rótulo a ser adicionado ao pacote. Nos nós intermediários, uma operação semelhante é feita: ao receber o pacote rotulado, o roteador procura em sua LFIB uma entrada que possua a interface de entrada e o rótulo recebido. Assim, ele escolhe uma interface de saída e altera o rótulo para aquele correspondente à entrada da LFIB. Quando o pacote chega a um roteador de borda, existe na tabela de encaminhamento de rótulos uma entrada especial indicando que o rótulo deve ser retirado do pacote e o roteamento posterior deve seguir as regras do protocolo IP. O caminho percorrido por um pacote dentro de uma rede MPLS é chamado de LSP (Label Switched
Através de configurações manuais ou de um protocolo para distribuição de rótulos (tal como o LDP), as tabelas de encaminhamento em todos os LSRs são preenchidas de acordo com a Figura 3.2. Para este exemplo, um pacote será recebido pelo nó 2 com destino à rede 10.2.2.0. A figura Figura 3.3 mostra os procedimentos tomados pelos nós para que este pacote seja entregue devidamente ao seu destino.
Figura 3.2: Exemplo de encaminhamento no MPLS.
Usando as tabelas mostradas na figura, para encaminhar um pacote recebido pelo nó 2 com destino à rede 10.2.2.0, é adicionado ao pacote o rótulo L3, sendo posteriormente transmitido pela interface IF2 (respeitando a entrada existente na LFIB do nó 1). Ao ser recebido pelo nó 3 na interface IF2, é localizada uma entrada com estes dados na LFIB deste nó, e o pacote é transmitido pela interface IF4 com o rótulo L2 (seguindo a entrada 'IF2-L3 : IF4-L2' da LFIB do nó 3). O nó 4 recebe este pacote e, devido ao conteúdo da entrada correspondente de sua LFIB (que indica que o rótulo deve ser removido), ele retira o rótulo do pacote e faz a transmissão pela interface IF1, continuando com os procedimentos do roteamento IP.
Uma característica interessante do MPLS é a possibilidade de empilhamento de rótulos. Desta forma, aumenta-se a escalabilidade da rede, já que assim é permitido que um número muito maior de LSPs seja criado, sem contanto aumentar muito o tamanho das LFIBs de cada um dos LSRs. Um exemplo de empilhamento de rótulo é mostrada na Figura 3.4.
A adição de um rótulo extra é feita através da inclusão de um novo shim header ao pacote e da configuração apropriada do campo S do novo cabeçalho. A remoção deste rótulo adicional é feita de modo semelhante, retirando-se o cabeçalho referente a ele e
configurando o campo S do penúltimo cabeçalho da pilha. O encaminhamento de um pacote com rótulos empilhados é feito de forma análoga à de um pacote com apenas um rótulo: apenas o inserido mais recentemente na pilha é considerado no encaminhamento. Quando este rótulo não for mais necessário, ele é removido do pacote, deixando exposto o rótulo original.
3.2 GMPLS
O uso adequado de LSPs pode melhorar o desempenho de uma rede, possibilitando o uso de forma planejada dos recursos existentes. Entretanto, a sua configuração necessita de várias operações, indo desde a escolha da rota até a configuração dos equipamentos. Se forem executadas manualmente, estas tarefas são suscetíveis a erros, já que são complexas e demandam muita atenção. Portanto, surgiu um grande interesse na construção de um elemento de controle que oferecesse o aprovisionamento automático de recursos nas redes. Este interesse não existia apenas para redes Ethernet, mas também para outras tecnologias, como WDM e TDM, incentivando o início de várias pesquisas para abstrair conceitos de diversas tecnologias de rede e criar um plano de controle unificado e extensível.
Com o aumento da popularidade das redes WDM, as pesquisas relacionadas à criação de plano de controle para estas redes se intensificaram. Como vários princípios do MPLS poderiam ser mapeados para o controle destas redes (como por exemplo, considerar um rótulo como um comprimento de onda), foi criado o MPλS. Seus conceitos foram estendidos posteriormente para abranger características de outras tecnologias de comutação de dados, como TDM, comutação de fibra, etc. Desta forma, foi criado o GMPLS [9], que deixou de ser simplesmente um conjunto de protocolos para controle de redes e para ser uma arquitetura.
Embora algumas características do MPLS pudessem ser mantidas na nova arquitetura, várias outras tiveram que ser reconsideradas, criando alguns contratempos antes inexistentes. Por exemplo, no MPLS, um rótulo é apenas um valor arbitrário, sem qualquer
relação com os recursos físicos alocados para um caminho. Para o GMPLS, este conceito foi estendido, usando como rótulo o próprio elemento físico, como um comprimento de onda ou uma fibra. Assim, é possível que um equipamento tenha restrições sobre a disponibilidade e operação destes rótulos. Um exemplo são os transponders sintonizáveis, que não necessariamente são capazes de transmitir em todos os comprimentos de onda de uma banda específica, e portanto não podem assumir qualquer rótulo.
Os rótulos no GMPLS são organizados em uma hierarquia, a qual é mostrada na Figura 3.5.
Cada um destes rótulos é tratado por uma classe de equipamentos, o qual consegue separar fluxos de dados de entrada, escolher uma interface de saída, reagrupá-los em outros fluxos e transmiti-los pela interface escolhida. A característica que informa qual rótulo uma interface de um equipamento consegue identificar é chamada de tipo de comutação da interface. São definidos cinco tipos de comutação [28]:
• Interfaces de comutação de pacotes (PSC – Packet Switch Capable): estas interfaces conseguem reconhecer pacotes e podem encaminhar dados tomando como base o
conteúdo de seus cabeçalhos. Um exemplo deste tipo de interface é a presente em roteadores IP.
• Interfaces de comutação de camada 2 (L2SC – Layer 2 Switch Capable): reconhecem quadros (ou células) e conseguem comutar dados baseando-se no conteúdo de seus cabeçalhos. As interfaces Ethernet, presentes em switches, são exemplos deste tipo de interface, já que conseguem comutar quadros com base no cabeçalho de camada 2 do quadro.
• Interfaces de comutação de janelas temporais (TDM – Time Division Multiplexing): estas interfaces comutam dados baseados na janela temporal em que são transmitidos. Tais interfaces existem em crossconnects SONET/SDH (Synchronous
Optical Networking / Synchronous Digital Hierarchy), Digital Wrapper e interfaces
PDHs (Plesiochronous Digital Hierarchy).
• Interfaces de comutação de comprimento de onda (LSC – Lambda Switch Capable): os dados são comutados nestas interfaces através do comprimento de onda pelo qual são transmitidos. Um exemplo desta interface é a presente em um crossconnect óptico (OXC), a qual consegue identificar um comprimento de onda individualmente.
• Interfaces de comutação de fibra (FSC – Fiber switch capable): nestas interfaces, os dados são comutados através da posição dos mesmos nas portas físicas. Para isso, a interface deve ser capaz de reconhecer esta informação e nem o equipamento e nem as interfaces devem ser capazes de separar um comprimento de onda individualmente. Um exemplo deste tipo de interface é a de um OXC que operam com uma ou múltiplas fibras.
É importante notar que a granularidade da taxa de transmissão oferecida pelas diferentes interfaces não é a mesma. Por exemplo, uma interface PSC é capaz de limitar a taxa transmitida e criar fluxos de dados usando diferentes taxas. Uma interface LSC pode lidar com comprimentos de onda que carregam sinais de 2,5Gbps ou 10Gbps, por exemplo, mas
não são capazes de alocar frações destes valores. Já uma interface FSC não é capaz de distinguir comprimentos de onda, portanto também não será capaz de reconhecer diferentes taxas de transmissão.
A arquitetura GMPLS divide a rede em um plano dedicado ao transporte de dados, chamado de 'plano de dados', e outro dedicado à troca de mensagens de controle e configuração da rede, chamado de 'plano de controle', os quais são mostradas na Figura 3.6. Esta separação é necessária uma vez que não é obrigatório que as interfaces do plano de dados consigam receber e processar pacotes, ficando esta tarefa a cargo dos elementos do plano de controle. Esta separação traz novos desafios para a implantação desta arquitetura, já que uma de suas características é que uma falha em uma conexão ou elemento do plano de controle não significa que problemas devam também existir no plano de dados e vice-versa.
Os elementos do plano de controle se comunicam através de canais de controle, os quais podem ser um enlace físico ou lógico entre estes elementos. Os canais de controle que usam os enlaces do plano de dados em sua operação são definidos como sendo 'in-band', ou seja, as mensagens de controle são transmitidas pelo mesmo meio físico que os dados. É importante notar que, neste caso, o equipamento do plano de dados pode considerar o canal
de controle como sendo uma conexão comum entre dois pontos, não sendo necessário um tratamento especial para ele. Caso as informações de controle sejam transmitidas através de um meio diferente do usado para a transmissão dos outros dados, é dito que o canal de controle é 'out-of-band'.
Nas redes ópticas, é incomum a mistura entre os tráfegos do plano de controle e do plano de dados, uma vez que seriam necessários equipamentos que consigam separar estes fluxos e extrair as mensagens do plano de controle. Assim, é usado o esquema
'in-fiber-out-of-band', que se caracteriza pelo envio das mensagens de controle usando um comprimento
de onda fora do espectro usado na transmissão de dados. Este comprimento de onda é conhecido como 'canal de supervisão óptica' (OSC - Optical Supervisory Channel). É possível ainda transmitir as mensagens de controle em enlaces que seguem caminhos completamente diferentes das seguidas pelos enlaces do plano de dados, as quais são chamadas de 'out-of-fiber-out-of-band'. Um exemplo deste tipo de conexão são as DCNs (Data Communication Networks).
As operações definidas pela arquitetura GMPLS são três, a saber: sinalização, descoberta de topologia5 e gerenciamento de enlace. Estas três funções serão explicadas nas
seções seguintes.
3.2.1 Sinalização
A sinalização consiste nos procedimentos para criação, manutenção, modificação e remoção de caminhos no plano de dados. Estes procedimentos são realizados através da troca de mensagens entre elementos do plano de controle, os quais são chamados de 'controladores de sinalização', responsáveis pelo gerenciamento dos equipamentos do plano de dados. Na arquitetura GMPLS são recomendados dois protocolos possíveis para esta função, o CR-LDP (Constrained based Label Distribution Protocol) [29] e o RSVP (ReSerVation Protocol) com extensões de engenharia de tráfego (RSVP-TE [30]) e
5 É comum encontrar a funcionalidade de descoberta de topologia do GMPLS sendo referenciada como 'roteamento'.
extensões do GMPLS [31], sendo este último o mais usado pelas implementações existentes.
O RSVP-TE introduziu o conceito de túnel MPLS, o qual garante que os dados inseridos nele sejam entregues no ponto de saída. Estes túneis são os blocos básicos para a engenharia de tráfego, uma vez que as aplicações que usam a rede estão interessadas em apenas enviar os dados e recebê-los em outro ponto, ficando a rede com o encargo de alocar os recursos devidos para suportar esta conexão. O RSVP-TE identifica um túnel através de um valor de 16 bits, chamado de Tunnel ID, e do identificador do destino do mesmo. Entretanto, apenas o Tunnel ID não é suficiente para o fornecimento de conexões fim-a-fim: é necessário um LSP para fazer a transferência dos dados entre dois pontos, o qual é identificado através de um valor de 16 bits, chamado de LSP ID.
O início da sinalização de um LSP se dá com a definição da rota a ser configurada. Esta tarefa pode ser feita de três formas:
• A rota pode ser definida completamente pela rede. Neste caso, a aplicação (ou o próprio operador) que faz a requisição do LSP especifica apenas a origem e o destino de uma rota. Desta forma, o caminho vai sendo configurado nó a nó. Em cada um deles, a escolha do melhor enlace em direção ao destino é feita através de consultas à base de informações de engenharia de tráfego que contém informações específicas do plano de dados;
• A rota pode ser definida completamente pelo operador. Neste caso, o operador deve conhecer o estado atual da rede para que seja possível a definição de uma rota explícita a ser enviada ao plano de controle. As mensagens de sinalização tentarão configurar o LSP usando a rota fornecida.
• A definição da rota pode ser feita pelo plano de controle, respeitando uma série de restrições. Para isso, o plano de controle deve obter estas restrições da rede e efetuar o cálculo de rota.
Como o plano de controle pode receber rotas explícitas ou que devam incluir alguns nós em particular, deve haver uma maneira de identificá-los. Isto é feito através da marcação do identificador de um nó em particular na mensagem de sinalização, definindo-o como strict (a sequência de nós deve ser seguida na ordem definida) ou loose (podem existir outros nós na rota). Os dados referentes aos nós em uma rota são codificados em um objeto de rota explícita (ERO – Explicit Route Object), podendo especificar também as interfaces de
upstream ou downstream6 em cada nó.
Uma vez mostrados os elementos básicos do RSVP-TE, um exemplo simples será mostrado a seguir. A Figura 3.7 resume os passos da sinalização de um LSP.
O processo de sinalização da rota é dividido em duas partes: pré-alocação dos recursos (envio e processamento da mensagem PATH) e reserva dos mesmos (envio e processamento da mensagem RESV). Para o início da sinalização, é necessário que sejam definidos alguns parâmetros da rota, como identificadores dos nós participantes (inseridos em um ERO), banda usada, etc. Estas informações são necessárias para a montagem da mensagem PATH, que é criada no nó inicial (nó A da figura). Durante o processamento
6 Um elemento de upstream é aquele que está mais próximo da origem da rota, enquanto um elemento de
downstream é aquele que está mais próximo do destino. Por exemplo, na figura 3.6, a interface de upstream do nó B é a ligada ao nó A, e a sua interface de downstream é a ligada ao nó C.
desta mensagem, o controlador de sinalização verifica se há recursos suficientes para a configuração do LSP, os quais podem ser banda disponível, comprimentos de onda livres, etc. Caso existam, o controlador os deixa temporariamente indisponíveis para novas requisições (operação conhecida como 'seleção dos recursos'). Assim, o controlador envia a mensagem PATH para o próximo nó presente na rota contida nesta mensagem (nó B). Este procedimento é repetido até que a mensagem seja processada no último nó (nó C), iniciando a segunda fase da sinalização.
Quando o último nó da rota termina o processamento da mensagem PATH, seu controlador de sinalização cria uma mensagem RESV, a qual indica que há recursos em toda a rota para que o caminho seja criado com sucesso. Assim, durante o seu processamento, os recursos necessários são escolhidos e efetivamente alocados (enviando mensagens de configuração aos equipamentos do plano de dados, se necessário), e a mensagem é repassada ao nó anterior do nó atual, seguindo, de forma inversa, a rota contida na mensagem PATH. Este procedimento é também repetido até que o primeiro nó da rota termine o processamento da mensagem, finalizando a sinalização da rota e liberando o caminho para uso.
A especificação original do RSVP define que mensagens PATH devem ser retransmitidas a cada 30 segundos para a manutenção dos LSPs. Desta forma, caso ocorra alguma alteração na rede que faça com que a rota percorrida pelo LSP seja alterada, as mensagens PATH e RESV percorrerão este novo caminho, alocando recursos para o LSP. Entretanto, os recursos alocados nos nós que não fazem mais parte da rota não são desalocados e, uma vez que a conectividade não é mais garantida, pode não ser possível o envio de uma mensagem para a liberação destes recursos. Para contornar este problema, os roteadores que fazem parte da rota de um LSP mas que não recebem uma mensagem de atualização durante um certo período de tempo podem desalocar os recursos referentes a este LSP. Isto faz com que o RSVP seja um protocolo soft-state.
Ainda assim, a retransmissão de mensagens PATH e RESV pode ser bastante problemática. Em um roteador com cerca de 10.000 fluxos de dados, por exemplo, deve