texto protecao restauracao

Universidade de Pernambuco - UPE

Escola Politécnica de Pernambuco

Disciplina: Redes Ópticas

Prof. Dr. Carmelo José Albanez Bastos Filho

Aluno: Rodrigo Choji de Freitas

Proteção e Restauração em Redes Ópticas

Recife, PE

Dezembro / 2010

1.

Introdução

Prover resiliência contra falhas é um importante e fundamental requisito para as atuais redes de alta velocidade, pois estas transportam um grande volume de dados e, caso algum problema ocorra e que não possa ser solucionado imediatamente, uma perda enorme de informação torna-se inevitável, provocando transtornos técnicos e, sobretudo, econômicos.

Dentre as principais causas de falhas, podem-se citar [1]:

• Erro humano: ao escavar uma parte de um terreno, por exemplo, uma retroescavadeira rompe acidentalmente um cabeamento óptico, interrompendo o tráfego de dados. Outra situação que pode ser classificada como erro humano diz respeito à má operação do equipamento, por exemplo, um operador se equivoca ao desligar um

switch.

• Falha de equipamento: mau funcionamento de transmissores, receptores, controladores também está entre as principais causas de falha em redes ópticas.

• Catástrofes: inundação, terremoto, incêndio, podem provocar uma completa interrupção do serviço prestado por um provedor.

A disponibilidade de conexão é um fator crítico para os provedores. Um requisito comum é que o sistema esteja disponível 99,999% do tempo, o que corresponde a uma inatividade de menos de 5 minutos por ano [1].

A única maneira prática de se garantir a disponibilidade de 99,999% do sistema é provê-lo de mecanismos de sobrevivência que garantam a continuidade dos serviços na presença de falhas. Existem duas técnicas, uma é a proteção que define recursos extras (fibra óptica, transmissor, receptor etc.), a priori. A outra técnica é denominada restauração e define esses recursos, a posteriori.

Nas seções seguintes, trataremos das classificações das técnicas de proteção e restauração em redes ópticas, bem como apresentaremos algumas métricas.

2.

Proteção em Redes Ópticas

A técnica de proteção tem o objetivo de garantir a continuidade de operação de uma rede óptica em caso de falha, alocando recursos alternativos previamente. É comum a ocorrência de falhas simples, por exemplo, o rompimento de uma fibra óptica ou a danificação de um equipamento. A característica deste tipo de falha é que ela é consertada antes da existência de uma próxima.

Por outro lado, em redes ópticas fortemente conectadas, a probabilidade de ocorrer mais de uma falha simultaneamente (falha dupla ou falha múltipla) é maior, exigindo uma técnica de proteção mais robusta.

Uma rede óptica pode ser entendida como um grafo, em que os vértices (nós) são componentes de comunicação e as arestas são os enlaces. Uma rota é definida como um caminho entre um nó-origem e um nó-destino. Para que os dados sejam transmitidos entre esses pares de nós é necessário o casamento entre uma rota possível e um comprimento de onda disponível, constituindo um caminho óptico, denominado rota principal (ou rota de trabalho, ou working path).

Quando a rota principal falha, em virtude de um rompimento de fibra, por exemplo, é necessário utilizar uma rota diferente, denominada rota alternativa (ou rota secundária, ou rota de proteção ou backup path), conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1 – Esquema da rota principal x rota de proteção

Os esquemas de proteção podem ser dedicados ou compartilhados. Na proteção dedicada, cada conexão principal possui uma largura de banda dedicada (rota alternativa) que é utilizada em caso de falha. Já na proteção compartilhada, múltiplas conexões principais compartilham a mesma largura de banda, levando a uma sensível redução na quantidade de recurso para proteção [1].

Os esquemas de proteção podem ser reversíveis e não-reversíveis. No primeiro, o tráfego é redirecionado automaticamente da rota alternativa para a rota principal, assim que a falha é solucionada. No segundo esquema, o tráfego permanece na rota alternativa, mesmo que a principal já tenha sido recuperada [1].

Como já visto, um dado deve ser transmitido de um origem para um nó-destino e quando uma falha ocorre nesse meio, deve-se lançar mão de algum mecanismo que possibilite a coordenação entre os nós, de modo a redirecionar o tráfego para uma rota alternativa. Este mecanismo é denominado protocolo de comutação de proteção automática (automatic protection switching – APS). Um protocolo APS simples

Rota Principal (Working Path)

Rota de Proteção (Backup Path)

funciona da seguinte maneira:

fibra, ele desliga o transmissor associado

alternativa. O receptor no outro nó também detecta a perda de sinal na rota principal e comuta para a rota alternativa

O esquema de proteção pode ser classificado conforme o orga apresentado na Figura 2, em que

de proteção quanto à exclusividade de recurso (dedicada) ou quanto ao compartilhamento de recurso (compartilhada).

estratégia quanto ao redirecionamento do tráfego, tomarão conhecimento da falha (

saberão da falha (enlace) [2].

Figura 2 – Organograma de classificação do esquema de proteção.

2.1 Proteção Dedicada 1+1

O tráfego é transmitido simultaneamente por duas fibras ópticas disjuntas, e o nó-origem e o nó-destino. Durante a operação normal da rede, o receptor seleciona o tráfego da fibra que apresenta melhor sinal. Quando ocorre uma falha, a rede permanece inalterada, pois o receptor continua recebendo o tráfego da rota disjunta que

há necessidade de utilização de um protocolo APS, visto que transmissor e receptor não precisam se comunicar para redirecionar o tráfego

Entretanto, esta abordagem é inviável para redes ópticas de grande porte, nas quais os recursos devem ser alocados de maneira ótima (compartilhada).

Na Figura 3, temos a representação da proteção dedicada 1+1 por caminho. Observa-se que o receptor (nó d) recebe o tráfego

pontilhada (parte superior), ora pela rota marcada com

Dedicada

Caminho

funciona da seguinte maneira: se um receptor em um nó detecta o rompimento

fibra, ele desliga o transmissor associado à rota principal e comuta para a rota alternativa. O receptor no outro nó também detecta a perda de sinal na rota principal e

[1].

O esquema de proteção pode ser classificado conforme o orga

apresentado na Figura 2, em que no segundo nível, tem-se a classificação do esquema o à exclusividade de recurso (dedicada) ou quanto ao compartilhamento de recurso (compartilhada). No terceiro nível, tem-se a definição da estratégia quanto ao redirecionamento do tráfego, ou seja, se os nós origem e destino tomarão conhecimento da falha (caminho) ou se somente os nós adjacentes à falha

Organograma de classificação do esquema de proteção.

Dedicada 1+1 – Caminho

O tráfego é transmitido simultaneamente por duas fibras ópticas disjuntas, e destino. Durante a operação normal da rede, o receptor seleciona o tráfego da fibra que apresenta melhor sinal. Quando ocorre uma falha, a rede permanece inalterada, pois o receptor continua recebendo o tráfego da rota disjunta que falhou. Não há necessidade de utilização de um protocolo APS, visto que transmissor e receptor não

se comunicar para redirecionar o tráfego [1].

Entretanto, esta abordagem é inviável para redes ópticas de grande porte, nas ser alocados de maneira ótima (compartilhada).

Na Figura 3, temos a representação da proteção dedicada 1+1 por caminho. o receptor (nó d) recebe o tráfego ora pela rota marcada com linha

, ora pela rota marcada com linha contínua (parte inferior)

Proteção Dedicada Enlace Compartilhada Caminho Enlace rompimento de uma rota principal e comuta para a rota alternativa. O receptor no outro nó também detecta a perda de sinal na rota principal e O esquema de proteção pode ser classificado conforme o organograma ção do esquema o à exclusividade de recurso (dedicada) ou quanto ao se a definição da se os nós origem e destino caminho) ou se somente os nós adjacentes à falha

O tráfego é transmitido simultaneamente por duas fibras ópticas disjuntas, entre destino. Durante a operação normal da rede, o receptor seleciona o tráfego da fibra que apresenta melhor sinal. Quando ocorre uma falha, a rede permanece falhou. Não há necessidade de utilização de um protocolo APS, visto que transmissor e receptor não Entretanto, esta abordagem é inviável para redes ópticas de grande porte, nas Na Figura 3, temos a representação da proteção dedicada 1+1 por caminho. pela rota marcada com linha

Figura 3 – Representação da proteção dedicada 1+1 por caminho. O tráfego chega ao nó d simultaneamente tanto pela rota da parte superior quando pela rota da parte inferior.

2.2 Proteção Dedicada 1:1 – Caminho

Este tipo de proteção funciona de maneira similar à dedicada 1:1, com duas fibras ópticas para o tráfego dos dados, sendo uma disjunta da outra. Entretanto, enquanto a rede está em operação normal, o tráfego é transmitido somente pela fibra óptica principal. Apenas no caso de falha é que os nós origem e destino comutam para a fibra de proteção [1]. Portanto, é necessária a utilização de um protocolo APS para sinalização entre a origem e o destino.

Uma desvantagem desta abordagem é que ela é mais lenta do que a dedicada 1+1, em virtude da sinalização. Por outro lado, é possível transmitir tráfego de baixa prioridade pela rota alternativa, enquanto a rede está em operação normal.

Na Figura 4, observa-se que quando a rota principal falha, o tráfego é redirecionado pela rota alternativa.

Figura 4 – Proteção Dedicada 1:1 – Caminho. No momento em que a rota principal falha (parte superior), o tráfego é redirecionado para a rota alternativa (parte inferior).

2.3 Proteção Compartilhada 1:N – Caminho

Esta abordagem é uma extensão da proteção compartilhada 1:1. Neste esquema, uma fibra de proteção pode ser compartilhada por diversas fibras principais. O uso de um protocolo APS é indispensável. É ele que vai garantir, dentre outras coisas, que na

s

d

ocorrência de mais de uma falha simultânea, somente um tráfego será redirecionado para a fibra de proteção.

2.4 Proteção de Enlace

Neste tipo de proteção, o tráfego é redirecionado ao redor do enlace, participando do processo apenas os nós adjacentes à falha. Os nós origem e destino não tomam conhecimento do problema. Esta abordagem possui tempo de comutação para a rota alternativa, inferior ao da proteção de caminho [3].

No momento em que uma falha ocorre, o nó a1 adjacente à falha envia uma mensagem ao nó adjacente a2, informando que é necessário redirecionar o tráfego para a rota alternativa, conforme Figura 5.

Figura 5 – Nó a1 envia mensagem ao nó a2, solicitando redirecionamento do tráfego.

O nó a2 envia mensagem de retorno ao nó a1, confirmando o redirecionamento para a rota alternativa (Figura 6).

Figura 6 – Nó a2 envia mensagem de confirmação ao nó a2.

Finalmente, o tráfego é comutado da rota principal para a rota alternativa (Figura 7). msg_setup

s

d

s

d

Figura 7 – Tráfego é comutado da rota principal para a rota alternativa, ao redor dos nós adjacentes à falha.

3.

Restauração em Redes Ópticas

Os esquemas de restauração são mais eficientes na utilização da capacidade da rede do que os esquemas de proteção. Isso é devido a não alocação prévia de recursos extras. Dessa forma, as rotas alternativas devem ser descobertas em tempo real.

O processo de restauração a uma falha ocorre em duas fases [2]:

1ª. Fase: Dado que uma falha ocorreu e os nós origem e destino tomaram

ciência, o nó-origem envia mensagens de difusão (informando que houve uma falha e que deve haver comutação do tráfego para outra rota) a todos os enlaces de saída e, simultaneamente, reserva seus respectivos comprimentos de onda. Em cascata, os nós intermediários continuam propagando as mensagens de difusão, reservando os comprimentos de onda dos demais enlaces até que o nó-destino seja alcançado, conforme observado na Figura 8.

Figura 8 – Após ocorrência de falha, nó-origem envia mensagem em difusão informando o ocorrido até que nó-destino seja alcançado por meio de uma rota alternativa.

2ª. Fase: No momento em que a mensagem de difusão chega ao nó-destino, a

rota é reservada e uma mensagem de acknowledgement (ack) é enviada ao nó-origem (Figura 9).

s

d

. . .

. . .

. . .

Figura 9 – Nó-destino envia mensagem ack ao nó-origem pela rota alternativa.

A rota alternativa é estabelecida e os comprimentos de onda que foram reservados na 1ª. fase são liberados (Figura 10).

Figura 10 – Rota alternativa é estabelecida.

3.1 Restauração de Caminho

Os nós adjacentes à falha enviam uma mensagem de falha a todos os nós origem e destino das respectivas conexões que utilizam a rota que falhou. Os comprimentos de onda podem ser liberados para o uso de outras conexões (Figura 11).

A busca por uma rota alternativa é feita por meio do processo de restauração em duas fases, visto anteriormente.

Nó Origem

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. . .

. . .

. . .

. . .

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Figura 11 – Restauração de Caminho. Os nós adjacentes à falha informam aos nós origem e destino das conexões o ocorrido.

3.2 Restauração de Enlace

Os nós adjacentes à falha buscam rotas alternativas. No caso de restauração de enlace, os nós origem e destino não tomam conhecimento da falha (Figura 12).

A busca por rotas alternativas ocorre em paralelo, dado que as conexões utilizam diferentes comprimentos de onda.

Figura 12 – Restauração de Enlace. Os nós adjacentes à falha buscam uma rota alternativa. Os nós origem e destino não tomam conhecimento da falha.

Nó Origem Nó Destino

s

t e

d