Estratégias para Resolução da
Contenção em Comutadores
Ópticos de Pacotes
Mário M. Freire e Henrique J. A. da Silva
(mfreire@co.it.pt) (hjas@co.it.pt)
Universidade da Beira Interior Instituto de Telecomunicações Universidade de Coimbra
Pólo de Coimbra
Redes Ópticas Multigigabit Aveiro, 28 de Junho de 2000
Sumário
•
Introdução
•
Arquitecturas de Comutação Electrónica de Pacotes
•Arquitecturas de Comutação Óptica de Pacotes com
Armazenamento em Buffers
•
Estratégias para Resolução da Contenção em
Comutadores Ópticos de Pacotes
Introdução
“This year it finally occurred to the telecommunications
industry that the last 123 years have been spent
building the wrong network”
Steve Harbour, in Fibre Systems, Dec. 1999, pp. 30-32.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Volume de Tráfego [Petabytes/mês]
1997 1998 1999 2000 2001 2002 Ano
Tráfego Internet Tráfego de Voz
Introdução
•
A B-ISDN, concebida para a integração de voz, dados
e multimedia, está a ser rejeitada;
•
Com o crescimento explosivo da Internet, o Internet
Protocol (IP) tornou-se o protocolo de convergência;
•
Continua a supremacia da tecnologia Ethernet em
redes locais (Ethernet, Ethernet Rápida e Gigabit
Ethernet);
•
Em redes de área alargada (WANs) a questão da
tecnologia mais promissora para transporte do IP
continua em aberto.
Introdução
•
Paradigma da mudança
•
O volume do tráfego de dados tornou-se, a partir de
1999, claramente superior ao tráfego de voz,
mantendo, simultaneamente, uma taxa de
crescimento bastante mais elevada;
•
Espera-se a evolução de uma rede centrada em voz
para uma rede centrada em dados;
•
O mais importante requisito que fundamenta este
paradigma de mudança é a enorme largura de banda
disponível em fibras ópticas.
Introdução
• Alternativas para transporte do IP
IP ATM SONET Óptica IP ATM Óptica IP SONET Óptica IP Óptica Vantagens de IP sobre WDM - Menor custo de equipamento; - Menor custo de manutenção; - Utilização eficiente da largura
de banda; - Menor complexidade; - Menor overhead.
IP
Óptica
Camada ÓpticaCamada de Meio Físico
Introdução
•
OIF : Optical Internetworking Forum
(www.oiforum.com)
•
Criado em Abril de 1998 por AT&T, Bellcore,
CIENA, Cisco, Hewlett-Packard, Qwest, Sprint
e WorldCom;
•
Missão: Desenvolvimento de especificações que
garantam a interoperabilidade da interligação
óptica.
Evolução das Redes de
Comunicação Ópticas
•
Primeira Geração de Redes Ópticas
• SONET (Synchronous Optical Network) / SDH
(Synchronous Digital Hierarchy);
• Diversas redes empresariais, tais como: ESCON
(Enterprise Serial Connection), Canal de Fibra (Fibre
Channel), and HIPPI (High-Performance Parallel Interface);
• Redes FDDI (Fiber Distributed Data Interface) ou DQDB
(Distributed Queue Dual Bus);
• As redes ATM podem ser incluídas nesta categoria, desde
Evolução das Redes de
Comunicação Ópticas
•
Segunda Geração de Redes Ópticas
•
Redes com multiplexagemóptica por divisão no
tempo (OTDM);
•
Redes com multiplexagem por divisão no
comprimento de onda (WDM)
Arquitecturas de Comutação
Electrónica de Pacotes
• Classificação dos comutadores de acordo com a
posição dos buffers:
• Armazenamento à saída
• Armazenamento partilhado
• Armazenamento com recirculação
Arquitecturas de Comutação
Electrónica de Pacotes
• Armazenamento à saída
• Armazenamento partilhado
• Forma de armazenamento à saída em que todos os buffers de
saída partilham a mesma área de memória (RAM)
Comutador Buffers de saída espacial ... 1 2 N 1 2 N
Arquitecturas de Comutação
Electrónica de Pacotes
• Armazenamento com recirculação
Comutador espacial Atraso de 1 pacote ... ... ... ... ... ...
Arquitecturas de Comutação
Electrónica de Pacotes
•
Armazenamento à entrada
• Limitação fundamental devida ao bloqueio de início de linha
(head-of-line blocking) Comutador Buffers de entrada espacial ... 1 2 N 1 2 N
Arquitecturas de Comutação Óptica
de Pacotes com Armazenamento em
Buffers
Linhas de atraso com alimentação avançada Linhas de atraso com realimentação Classificação das arquitecturas decomutação óptica com armazenamento em linhas de atraso
Andar simples
Arquitecturas de Comutação Óptica
de Pacotes com Armazenamento em
Buffers
Linhas de atraso com alimentação avançada
Linha de atraso 2 x 2 Comutador 2 x 2 Comutador 2 x 2 Comutador
Arquitecturas de Comutação Óptica
de Pacotes com Armazenamento em
Buffers
Linhas de atraso com realimentação
Comutador 4 x 4
Comparação das arquitecturas de comutadores
ópticos com armazenamento baseado em buffers
Comutador Tamanho do buffer Esquema de prioridades de pacotes Uso interno de comprimentos de onda Controlo
OASIS Médio Não Sim Simulação do
buffer de saída
Difusão e selecção
Médio Sim Sim Simulação do
buffer de saída
Malha com múltiplos comprimentos
de onda
Pequeno Sim Sim Armazenamento
partilhado
S M O P Médio ou
grande
Sim Não Simulação do
buffer de saída e
escalonamento
Wave-Mux Grande Não Sim Transporte
escalonado de pacotes
C O R D Pequeno Não Não Vários
COD Médio ou
grande
Não Não
Auto-encaminhamento Linha de atraso logarítmica Médio ou grande
Não Não Simulação do
buffer de saída
SLOB Grande Não Sim Simulação do
• Este comutador emula um comutador com armazenamento à saída;
• É possível construir buffers com tamanhos da ordem das
centenas de pacotes, pelo que, esta arquitectura é adequada para tráfego em rajada;
• Nesta arquitectura não é possível implementar esquemas de prioridade de pacotes;
• Na versão em que a arquitectura foi apresentada, o tamanho dos buffers sofre uma redução acentuada à medida de que
aumenta o número de entradas e saídas;
SLOB (Switch with Large Optical Buffers)
• Esta forte redução surge da dificuldade em colocar em cascata os vários andares (6x6 ou 8x8) devido ao aumento das perdas do sinal e à diafonia (crosstalk);
• Para ultrapassar esta limitação usando a tecnologia actual, é necessário regeneração electrónica entre os andares.
SLOB (Switch with Large Optical Buffers)
Comutador com buffersópticos de grande tamanho
Número de entradas ou saídas Tamanho máximo do buffer (pacotes) 4 65 535 6 7 775 8 4 095
Encaminhamento por deflexão
Estratégias para Resolução da Contenção em
Comutadores Ópticos de Pacotes
Uso da dimensão do comprimento de onda Armazenamento em buffers Andar simples Vários andares Linhas de atraso com alimentação avançada Misto
Simples Misto Simples
Linhas de atraso com realimentação Linhas de atraso com alimentação avançada Encaminhamento por deflexão com pequena
capacidade de armazenamento
em buffers
Encaminhamento por deflexão com permuta de comprimentos de onda Uso da dimensão do comprimento de onda com armazenamento em buffers
•
Nesta estratégia é explorada a dimensão do
comprimento de onda através da utilização de WDM e
conversores de comprimentos de onda sintonizáveis;
•
Trata-se de uma estratégia bastante promissora
especialmente quando combinada com a estratégia de
armazenamento em buffers.
Resolução da Contenção Usando a
Dimensão do Comprimento de Onda
Arquitectura de um Comutador Óptico
de Pacotes para Redes WDM
1 ... n 1 ... n 1 ... n 1 ... n 1 n 1 n 1 M 1 M 0 x T (B/n) x T 0 x T (B/n) x T Conversor es de sintonizáveis com prim entos
•
Assume-se que a chegada dos pacotes é síncrona;
•Há M fibras ópticas à entrada do comutador;
• Há n canais WDM em cada uma das M fibras;
• Assume-se que a probabilidade de chegada de um pacote, num
dos n
×
M canais de entrada, é dada pela carga de canal,ρ
λ, e quecada pacote destina-se a uma das saídas com igual
probabilidade 1/M;
•
O processo de chegada a cada fila de espera é binomial;
• Assume-se que cada fila de espera pode armazenar B pacotes e
que n pacotes podem sair da fila de espera em cada intervalo
temporal (duração do pacote).
Resolução da Contenção Usando a
Dimensão do Comprimento de Onda
1.0E-13 1.0E-11 1.0E-09 1.0E-07 1.0E-05 1.0E-03 1.0E-01 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Número de linhas de atraso
Probabilidade de perda de pacotes
Sem conversão
Com conversão (n=2) Com conversão (n=4) Com conversão (n=8)
Resolução da Contenção Usando a
Dimensão do Comprimento de Onda
1.0E-13 1.0E-11 1.0E-09 1.0E-07 1.0E-05 1.0E-03 1.0E-01 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Número de canais WDM por fibra
Probabilidade de perda de pacotes
M=4 M=8 M=16
Resolução da Contenção Usando a
Dimensão do Comprimento de Onda
12 canais WDM por cada fibra à entrada
1.0E-15 1.0E-13 1.0E-11 1.0E-09 1.0E-07 1.0E-05 1.0E-03 0 5 10 15 20
Número de fibras à entrada
Probabilidade de perda de
pacotes
Carga oferecida: 0.8 Carga oferecida: 0.9 Carga oferecida: 0.99
Conclusões
• Foram analisadas as várias estratégias propostas para resolução da contenção em comutadores ópticos de pacotes: armazenamento em buffers, encaminhamento por deflexão, uso da dimensão do comprimento de onda, e combinações entre elas;
• Foi prestada particular atenção à análise da estratégia baseada no uso da dimensão do comprimento de onda, tendo-se mostrado que o recurso a esta estratégia, em certas condições, dispensa o uso de buffers;
• Mostrou-se que, para o caso da utilização híbrida desta estratégia com
a de armazenamento em buffers, o uso dos conversores de
comprimentos de onda sintonizáveis permite reduzir significativamente o número de linhas de atraso.
