Aprovisionamento inter-domínio de caminhos de luz em redes com multiplexação por comprimento de onda

COMPUTAÇÃO

Alisson Soares Limeira Pontes

Aprovisionamento Inter-domínio de Caminhos de Luz

em Redes com Multiplexação por Comprimento de

Onda

CAMPINAS

2015

COMPUTAÇÃO

Alisson Soares Limeira Pontes

Aprovisionamento Inter-domínio de Caminhos de Luz em Redes

com Multiplexação por Comprimento de Onda

Dissertação apresentada ao Instituto de Com-putação da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciência da Computação.

Orientador: Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca

Este exemplar corresponde à versão nal da Dissertação defendida por Alisson Soares Li-meira Pontes e orientada pelo Prof. Dr. Nel-son Luis Saldanha da Fonseca.

Orientador

CAMPINAS

2015

Esta dissertação não teria sido possível sem a ajuda e suporte de muitas pessoas. Agradeço a algumas delas aqui.

Em primeiro lugar agradeço aos meus pais por todo o trabalho que tiveram na minha formação como pessoa, por todos os ensinamentos e pelo apoio dado a todas as minhas escolhas desde a época do colégio. Sem dúvida eles foram os principais responsáveis por eu ter conseguido chegar até aqui.

Agradeço muito também à minha eterna companheira, Layane, que sempre conou em mim e que sempre esteve ao meu lado mesmo quando sicamente distante. É a pessoa com quem compartilho todos os meus planos de futuro.

Não podia deixar de agradecer à galera da Gringo's House que com todas as brinca-deiras, com toda losoa de barzinho e com todo companheirismo ajudou a fazer do meu período em São Paulo um período inesquecível. Eles foram minha família em Campinas, e zeram essa etapa da minha vida valer a pena. Carioca, Lineuzão, Bixo, Zé, Peu, Pezim, Johnathan Flores (Hijo), MaFrend, Mogi, Lucas Bracher, Bada, Borotinho, Bilie, Igão, Suada, Plínio, André, Péricles, Erick, Tibério, Eder, Ricardão, valeu galera!

Gostaria de agradecer também a todo o pessoal do Laboratório, em especial aos que conviveram mais comigo nesse período no lab e estiveram sempre disponíveis para aju-dar: Cesar, Carlos, Flávio, Esteban, Walisson, Geraldo, Mariana, Milton, Tiago Pedroso, Gustavo Alkmim, Pedro Henrique Gomes, Luciano, Juliana de Santi, Bit, Daniel Batista, Neumar.

Aos demais colegas de IC agradeço pela amizade do Rafael Lopes, Thiago Genez, Fabio Faria, Rodolfo, Matheus e Gaúcho que foram também amigos de cachaça de m de semana.

Agradecimento especial a Jeerson, meu amigo desde nem lembro quando, que foi companheiro em todo meu período de Unicamp e que foi o pouquinho de Caruaru que eu sempre tive em Campinas. E também a Maíra, que em Campinas relembrava amizades e momentos do período de graduação em Recife, e que do seu jeito me trouxe para Campinas um pouco do tempo do Recife.

Agradeço na verdade a todos que zeram o Instituto de Computação no período em que estive por lá, professores e colaboradores em geral.

Agradeço muito ao professor Nelson Fonseca, pela oportunidade de fazer mestrado ao me aceitar como seu orientando, pelos valiosos ensinamentos, pelas cuidadosas revisões dos artigos submetidos e desta dissertação e pelo esforço em conseguir apoio nanceiro para que eu pudesse me dedicar integralmente ao trabalho de mestrado. E agradeço ao professor André Drummond, que foi parceiro e sempre me ajudou a desvendar os mistérios das redes ópticas WDM!

Enm, agradeço ao povo brasileiro pelo auxílio nanceiro através da FAPESP, da CAPES e do INCT Fotonicom.

Apesar dos avanços em aprovisionamento de caminhos ópticos intra-domínio em redes Wavelength Division Multiplexing (WDM), esquemas ecientes para cálculo de rota e divulgação de recursos ópticos em redes multidomínio em malha ainda não foram ple-namente estabelecidos. Por estarem sujeitos a restrições de escalabilidade e restrições de divulgação de estado da rede, os domínios ópticos precisam de esquemas simples e ecientes. A maioria das soluções apresentadas na literatura não suportam Engenharia de Tráfego e são baseadas em técnicas de inundação periódica de mensagens de controle. Esta dissertação apresenta três propostas de aprovisionamento de caminhos ópticos em redes WDM multi-domínio baseadas na arquitetura Path Computation Element (PCE). As propostas são formadas por um esquema de disseminação de informações sobre o es-tado da rede combinado a um esquema de cálculo de cadeia de domínios e cálculo de rota m-a-m. Considera-se que os comutadores da rede óptica não realizam conversão de comprimento de onda. Desta forma, o cálculo de rota está sujeito ao problema da restrição de continuidade de comprimento de onda. As propostas também apresentam políticas de atribuição de comprimento de onda que provêm balanceamento na distribui-ção dos caminhos ópticos. Os ganhos obtidos na utilizadistribui-ção das propostas apresentadas são avaliados através de simulações usando o simulador de redes WDMSim. A efetividade da primeira proposta foi comparada com a de uma implementação do protocolo OBGP utilizando-se o simulador WDMSim. A probabilidade de bloqueio gerada pelo OBGP foi até 13 pontos percentuais maior que a probabilidade de bloqueio da proposta 1, enquanto que a sobrecarga de controle gerada pelo OBGP foi de até 5 ordens de magnitude maior que a gerada pela proposta 1. A efetividade da segunda solução foi comparada com a da primeira solução utilizando-se o WDMSim. Mostrou-se que a probabilidade de bloqueio da proposta 1 foi até 10 vezes maior que a probabilidade de bloqueio da proposta 2. A sobrecarga gerada pela proposta 2 foi muito baixa para todos os valores de carga con-siderados, enquanto que para a solução 1 a sobrecarga cresce com o aumento da carga. O desempenho da terceira abordagem é avaliado considerando diferentes parâmetros. As simulações realizadas conrmam que o grande crescimento da sobrecarga de sinalização ao se atingir vários PCEs no processo de atualização vai de encontro ao potencial de di-minuição da probabilidade de bloqueio devido a instabilidade gerada nas TEDs. Sendo assim, das três soluções apresentadas, a segunda foi a que se mostrou mais eciente em termos de probabilidade de bloqueio.

Despite advances in provisioning intra-domain lightpaths in Wavelength Division Mul-tiplexing (WDM) networks, ecient schemes for path computation and advertisement of optical resources in multi-domain mesh networks have not yet been fully established. Because they are subject to scalability constraints, optical domains need simple and ef-cient schemes. Most of the solutions presented in the literature do not support trac engineering and are based on periodic ooding of control messages. This work presents three proposals for provisioning lightpaths in multi-domain WDM networks based on the Path Computation Element (PCE) architecture. Proposals are formed by a schema for advertising information about network link state combined with domain chain computa-tion and end-to-end route computacomputa-tion schemes. It is considered that the network optical switches do not perform wavelength conversion. Thus, the route computation is subject to the problem of wavelength continuity constraints. The proposals also present wavelength assignment policies that provide balance in the distribution of optical paths. The gains made in the use of the proposals submitted are evaluated through simulations using the WDMSim networks simulator. The eectiveness of the rst proposal was compared to an implementation of the OBGP protocol using the WDMSim simulator. The blocking probability generated by OBGP was up to 13 percentage points higher than the blocking probability of the proposal 1, while the control overhead generated by OBGP was up to 5 orders of magnitude greater than that generated by the rst proposal. The eective-ness of the second solution was compared to the rst solution using the WDMSim. It was shown that the blocking probability generated by the rst proposal was up to 10 times greater than the blocking probability of the second proposal. The control overhead generated by the proposal 2 was very low for all load values considered, while for the solution 1 overloading grows with load increasing. The performance of the third approach is evaluated considering dierent parameters. The simulations performed conrm that the growth of signaling overhead to achieve several PCEs in the updating process goes against the pontencial decrease of blocking due to instability caused in TEDs. Thus, considering the three solutions presented, the second was the more ecient in terms of blocking probability.

2.1 Arquitetura de rede óptica . . . 23

5.1 Cenário de rede multi-domínio com arquitetura PCE. . . 43

5.2 Visão da topologia da rede pelo PCE5. . . 44

5.3 Fluxo de requisições PCEPreq e mensagens de atualização. . . 46

5.4 Figura representando a rede da topologia NOBEL-EU. . . 46

5.5 Grafo representando a rede da topologia NEWYORK. . . 47

5.6 Probabilidade de bloqueio em função da carga na topologia NOBEL-EU. . 48

5.7 Probabilidade de bloqueio em função da carga na topologia NEW YORK. 48 5.8 Sobrecarga de controle em função da carga na topologia NOBEL-EU. . . . 49

5.9 Sobrecarga de controle em função da carga na topologia NEW YORK. . . 49

5.10 Backtracking e probabilidade de bloqueio na topologia NOBEL-EU . . . . 50

5.11 Backtracking e probabilidade de bloqueio na topologia NEWYORK . . . . 50

6.1 Fluxo de requisições PCEPreq e mensagens de atualização. . . 54

6.2 Probabilidade de bloqueio em função da carga na topologia NOBEL-EU. . 55

6.3 Probabilidade de bloqueio em função da carga na topologia NEWYORK. . 56

6.4 Sobrecarga de controle em função da carga na topologia NOBEL-EU. . . . 56

6.5 Sobrecarga de controle em função da carga na topologia NEWYORK. . . . 57

7.1 Cenário de rede multidomínio com arquitetura PCE. . . 59

7.2 Fluxo de requisições PCEPreq e mensagens de atualização. . . 60

7.3 Probabilidade de bloqueio para as soluções 2 e 3 na topologia NOBEL-EU 61 7.4 Sobrecarga de controle para as soluções 2 e 3 na topologia NOBEL-EU . . 62

7.5 Probabilidade de bloqueio para as soluções 2 e 3 na topologia NEWYORK 62 A.1 Diagrama de pacotes e classes do WDMSim . . . 73

4.1 Mensagens denidas para o protocolo PCEP . . . 37 4.2 Objetos denidos para o protocolo PCEP . . . 37

ATM Asynchronous Transfer Mode BGP Border Gateway Protocol

BRPC Backward Recursive Path Computation CSPF Constrained Shortest Path First

FDL Fibre Delay Lines

GMPLS General Multiprotocol Label Switching IETF Internet Engineering Task Force

IP Internet Protocol

MPLS Multiprotocol Label Switching NMS Network Management System OADM Optical Add/Drop Multiplexers OBGP Optical Border Gateway Protocol OBS Optical Burst Switching

OEO Óptica-eletro-óptica

OLSP Optical Label Switched Paths OSPF Open Shortest Path First OXC Optical Cross Connect PCC Path Computation Client PCE Path Computation Element

PCEP Path Computation Element Protocol PCErr Path Computation Error

PCNtf Path Computation Notication PCRep Path Computation Reply PCReq Path Computation Request PLI Programação Linear Inteira PPP Point-to-Point Protocol PSI Path State Information QoS Quality of Service

RIPC Rede de Interconexão do Plano de Controle RSVP Resources Reservation Protocol

RWA Routing and Wavelength Assignment SDH Synchronous Digital Hierarchy

SONET Synchronous Optical Network TE Trac Engineering

TED Trac Engineering Database UNI User-to-Network Interface

WDM Wavelength Division Multiplexing WCC Wavelength Continuity Constraint

1 Introdução 13

1.1 Artigos Publicados . . . 16

2 Redes de Comutação Óptica 17 2.1 Redes Ópticas de Pacote . . . 17

2.2 Redes Ópticas de Comutação por Rajadas . . . 18

2.3 Redes Ópticas de Comutação por Circuitos . . . 19

2.3.1 Integração IP/WDM . . . 19

2.4 Redes ópticas transparentes . . . 21

2.5 Arquitetura de Roteamento em Redes Ópticas Transparentes . . . 22

3 Aprovisionamento de Lightpaths Inter-domínio 25 3.1 Plano de Controle em Redes WDM . . . 25

3.1.1 Rede de interconexão do plano de controle . . . 26

3.2 Aprovisionamento de Lightpath Inter-domínio . . . 27

3.2.1 Roteamento e disseminação de topologia . . . 28

3.2.2 Políticas de controle . . . 28

3.2.3 Conabilidade . . . 28

3.2.4 Tecnologia de interface . . . 28

3.2.5 Sinais de controle e reserva de recursos . . . 29

3.3 Roteamento e Alocação de Comprimento de Onda . . . 29

3.3.1 Cálculo de Rota Interdomínio . . . 30

3.3.2 Divulgação de Recursos da Rede . . . 30

3.3.3 OBGP . . . 31

3.3.4 GMPLS . . . 32

4 Arquitetura PCE 34 4.1 Protocolo PCE . . . 36

4.2 Roteamento e atribuição de comprimento de onda com PCE . . . 37

4.3 PCE em rede multi-domínio . . . 39

5 Cálculo de Rota e Divulgação de Estado da Rede 41 5.1 Solução 1 . . . 42

5.2 Experimentos Realizados . . . 44

6 Política de seleção de Caminhos 51 6.1 Experimentos Realizados . . . 54

8 Conclusões 63

Referências Bibliográcas 65

A WDMSim: Simulador para Redes WDM 71

A.1 Projeto do simulador WDMSim . . . 72

A.1.1 Conguração do ambiente de simulação . . . 72

A.1.2 Geração dos eventos da simulação . . . 74

A.1.3 Simulação propriamente dita . . . 74

A.1.4 Avaliação dos resultados da simulação . . . 74

A.2 Execução da simulação . . . 75

A.2.1 Como executar o simulador . . . 75

Introdução

As tecnologias de redes têm evoluído muito rapidamente tanto nos aspectos de capacidade de transmissão como no que diz respeito a métodos de compartilhamento do meio, tipos de aplicações suportadas e gestão de rede. Todo este desenvolvimento tem tido como principais forças motoras a evolução dos meios físicos, o aprimoramento de técnicas de transmissão e o desenvolvimento de aplicações e protocolos que permitem maior controle sobre os elementos da rede.

A primeira grande rede de comunicação foi a rede de telefonia, que utiliza comutação por circuitos. Contudo, essas redes não são adequadas para transmissão de dados, dado o grande desperdício de recursos quando usada para este m. Desenvolveu-se então as redes de comutação de pacotes. Do nal da década de 60 até meados da década de 70 surgiram algumas redes de comutação de pacotes tais como a ARPAnet, ALOHAnet, Telenet e a Cyclades [30].

A primeira grande rede pública de comutação de pacotes amplamente utilizada uti-lizava o protocolo X.25. A sinalização nessas redes era realizada in-band, isto é, existia compartilhamento da banda de transmissão entre pacotes de sinalização e de dados. Ainda na década de 80, houve o advento da bra óptica e sua disseminação, trazendo como di-ferencial uma maior capacidade de transmissão e baixas taxas de erros.

Foi criada, também nessa época, a tecnologia Frame Relay, concebida para suportar a interconexão de redes locais de modo mais eciente que as redes X.25. A operação dessas redes baseia-se na existência de dois planos: plano de controle e de usuário. No plano de controle, são exercidas as funções de sinalização out-of-band, isto é, não há comparti-lhamento de banda de transmissão entre o tráfego de sinalização e dados, utilizando-se canais separados para esses ns. No plano de usuário, por sua vez, utilizam-se somente as camadas de enlace e física. Na camada de enlace, são realizadas as funções de comutação de quadros, controle de congestionamento, detecção de erro e delimitação de quadro. Não são suportadas as funções de controle de uxo e recuperação de erro devido à alta taxa de transmissão e conabilidade do meio físico. Na camada física, são exercidas funções equivalentes à camada física das redes X.25.

No nal da década de 80 surgiram as redes ATM (Asynchronous Transfer Mode). Fo-ram especicados três planos: controle, usuário e gerenciamento. De modo semelhante às redes Frame Relay, no plano de controle é efetuada a sinalização. Além disso, é in-troduzido o conceito de metasinalização, ou seja, os canais de sinalização são alocados

dinamicamente. Este plano envolve, também, as camadas de rede, enlace e física, com o roteamento dos circuitos virtuais efetuado na camada de rede. No plano de usuário, são realizadas as funções de comutação de células e controle de congestionamento. Na camada física, são implementadas as funções de detecção e correção de erro de bit de cabeçalho e de delineamento de célula [52].

Nesta primeira geração de redes, a bra óptica era usada puramente como meio de transmissão em substituição ao cabo de cobre. Todas as funções de amplicação, repeti-ção, comutação e roteamento eram realizadas eletronicamente. A tecnologia predominante de rede física era o SDH/SONET (do inglês, Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical NETwork) e a taxa de transmissão máxima obtida era 40 Gbps. Em uma se-gunda geração das redes ópticas, objetivando o aumento da capacidade de transmissão da bra óptica utilizada, passou-se a ter redes que trafegam dados sempre no domínio óptico, sem a necessidade de conversão óptico-eletro-óptico, e adotou-se a multiplexação do comprimento de onda criando-se as redes Wavelength Division Multiplexing (WDM) transparentes.

As redes WDM transparentes foram viáveis a partir de elementos comutadores cha-mados OXC (do inglês, Optical Cross Connect), os nós ópticos que capacitaram a rede a efetuar a comutação de comprimentos de onda. Surgiram então, as redes transparentes ou de salto único (Single Hop), nas quais um uxo atravessa toda a rede sem que houvesse comutação eletrônica nos nós intermediários. Existe, ainda, uma abordagem intermediá-ria entre as redes de primeira geração e as redes transparentes: são as chamadas redes de múltiplos saltos (Multi Hop), na qual alguns dos nós intermediários de um caminho na rede podem efetuar a comutação eletrônica quando for conveniente. Atualmente, o estado da arte da tecnologia WDM suporta transmissões com largura de banda de até 400 Gbps por comprimento de onda e taxa total de transmissão da ordem de Tbps por bra.

As redes transparentes também tiveram sua evolução. Em um primeiro estágio, tinha-se a criação de circuitos físicos sobre a rede óptica batinha-seada na comutação de comprimentos de onda nos diferentes comutadores que faziam parte de cada circuito. As funções de amplicação/repetição e comutação são realizadas opticamente. Uma vez estabelecido um circuito físico, na camada de rede, é realizada a comutação de pacotes. Em um segundo estágio, passou-se a ter o serviço de circuitos ópticos. Neste caso, não existem circuitos pré-estabelecidos sobre os quais se estabeleciam circuitos virtuais em nível de pacotes. A comutação de comprimento de onda é associada à comutação de um circuito óptico que deve dar suporte à comutação de pacotes realizada na camada de rede.

Neste último estágio de evolução, dado um conjunto de conexões, o problema da de-terminação de um caminho óptico e a atribuição de um comprimento de onda a esse caminho óptico para criação de um circuito é conhecido como problema de Routing and Wavelength Assignment (RWA). A solução deste problema baseia-se na topologia da rede de transporte, na disponibilidade de recursos ópticos e em critérios de otimização, para avaliar se existem recursos necessários para o estabelecimento de caminhos ópticos (tam-bém conhecido como ligthpath), e então determinar a rota mais adequada.

A construção de protocolos para cálculo de caminho óptico e divulgação de recursos ópticos em redes multidomínio é uma das questões ainda em aberto para construção das redes WDM transparentes. O protocolo Border Gateway Protocol (BGP) [46] é o

protocolo de roteamento multidomínio de facto das redes IP e pesquisadores têm analizado a possibilidade de estendê-lo para que possa transmitir informação entre nós ópticos [59, 8, 25, 54]. Essa extensão do BGP é chamada de Optical Border Gateway Protocol (OBGP). A vantagem do OBGP é a utilização do modelo de roteamento do BGP. As desvantagens, por outro lado, são também herdadas do BGP [60].

Por outro lado, esforços relacionados ao cálculo de rota em redes de comutação por circuito vêm sendo realizados pela IETF1_{, entre eles o desenvolvimento do padrão de}

arquitetura PCE [23]. Nos últimos anos, vários pesquisadores se dedicaram a desenvolver essa arquitetura e suas rotinas para aprovisionamento multidomínio [17, 58, 56].

O objetivo desta dissertação é o de propor soluções para o problema de cálculo de rota e de divulgação de informações sobre o estado da rede em redes ópticas WDM multidomínio. Para tanto, as soluções aqui propostas alinham-se aos conceitos relacionados à arquitetura PCE. No entanto, o principal esquema de cálculo de rota denido para a arquitetura PCE apresenta algumas deciências que serão explicadas nos próximos capítulos e que motivaram o desenvolvimento do presente trabalho.

Nesse contexto, as contribuições desta dissertação são: (i) propor um plano de controle [27] baseado em PCE que permite que uma rede multidomínio óptica WDM em malha possa estabelecer lightpaths m-a-m; e (ii) denir um sistema de sinalização que provê a cada domínio informações que lhes permitam construir lightpaths.

Considera-se que os comutadores da rede óptica (OXC - optical cross connects) não realizam conversão de comprimento de onda. Desta forma, o cálculo de rota está sujeito ao problema da restrição de comprimento de onda (WCC - Wavelength Continuity Cons-traint). As propostas apresentadas envolvem soluções simples ao combinar cálculo de rota com divulgação de rota/recursos. Elas também preservam a condencialidade dos domínios, requerido em redes multidomínio. As propostas apresentam menores taxas de bloqueio do que o OBGP, e produzem menor sobrecarga de sinalização.

Todas as propostas apresentadas nesta dissertação buscam soluções ecientes para o problema de cálculo de rota e divulgação de disponibilidade de recursos ópticos. O capítulo 2 apresenta os tipos de redes ópticas existentes e discorre sobre a viabilidade da implementação de cada um deles. Mostra, também, a arquitetura dos comutadores ópticos e a arquitetura de roteamento de uma rede óptica de comutação por circuitos WDM com topologia em malha.

O capítulo 3 apresenta as principais questões envolvidas no aprovisionamento de light-paths multidomínio em redes WDM transparentes e, portanto, apresenta as principais responsabilidades de um plano de controle óptico. Disserta-se sobre os principais fato-res envolvidos no problema de aprovisionamento de lightpath multidomínio: roteamento, disseminação de topologia, políticas de controle, conabilidade, tecnologias de interface e sinais de controle. Destacam-se os problemas que foram abordados nas soluções apresen-tadas nos capítulos 5, 6 e 7: cálculo de rota e divulgação de recursos ópticos.

O capítulo 4 apresenta a arquitetura PCE. Todos os detalhes do protocolo, suas po-tencialidades e as deciências que foram tratadas no decorrer deste trabalho.

Os capítulos 5, 6 e 7 apresentam as propostas de soluções para cálculo de rota e divulgação de recursos ópticos. O capítulo 5 descreve os detalhes da proposta 1 e compara

a efetividade da solução com a do protocolo OBGP por meio de simulações. O capítulo 6 descreve os detalhes da proposta 2, focando nas diferenças que existem entre a proposta 2 e a proposta 1. Os resultados de simulações apresentados no capítulo 6 comparam a proposta 2 com a proposta 1. Da mesma forma, o capítulo 7 descreve os detalhes da proposta 3, focando nas diferenças que existem entre a proposta 3 e a proposta 2. Os resultados de simulações apresentados no capítulo 7 comparam a proposta 3 com a proposta 2.

O capítulo 8 naliza a dissertação com as conclusões sobre os resultados dos experi-mentos realizados.

O Apêndice A apresenta o simulador WDMSim, desenvolvido pelo autor para a reali-zação dos experimentos desenvolvidos para este trabalho de mestrado.

1.1 Artigos Publicados

Dos resultados gerados durante o desenvolvimento desta dissertação publicaram-se os seguintes artigos:

1. Alisson S. L. Pontes, André C. Drummond, Nelson L. S. da Fonseca, Admela Jukan; PCE-based Inter-Domain Lightpath Provisioning. In: IEEE ICC - International Conference on Communications, 2012. [42]

2. Alisson S. L. Pontes, Nelson L. S. da Fonseca, André C. Drummond; Aprovisiona-mento de Lightpath Inter-domínio baseado em PCE. Revista Brasileira de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos, 2013. [43]

3. Alisson S. L. Pontes, Nelson L. S. da Fonseca, André C. Drummond; On Path Selection and Wavelength Assignment in Inter-Domain Lightpath Provisioning. In: IEEE Globecom - Global Communications Conference, 2012. [44]

4. Alisson S. L. Pontes, Nelson L. S. da Fonseca, André C. Drummond; Schemes for Inter-domain Lightpath Establishment based on PCE Architecture. Aceito para publicação no Elsevier Journal on Optical Switching and Networking, 2015.

Os artigos [42] e [43] apresentam a primeira solução proposta (Capítulo 5), o artigo [44] apresenta a segunda solução proposta (Capítulo 6) e o artigo a ser publicado pela Elsevier apresenta a terceira solução proposta (Capítulo 7).

Redes de Comutação Óptica

Uma rede óptica é uma rede de transmissão de dados construída com tecnologia de bra óptica. Ela utiliza cabos de bra óptica como o principal meio de transmissão convertendo dados e transmitindo-os em formato de pulsos de luz entre o nó fonte e o nó destino.

Uma grande vantagem das redes ópticas é que a luz é menos propensa a interferências externas e atenuação, além disso, estas redes apresentam as maiores taxas de transmissão em redes de computadores. Elas convertem sinais elétricos, recebidos de um nó da rede, em pulsos de luz, que depois são transportados por uma bra óptica para chegar até um nó destino.

Este capítulo apresenta os três tipos de redes ópticas já propostos. As técnicas existen-tes para comutação de sinal em redes ópticas é que dão nomes aos tipos de redes: Redes de Pacote; Redes de Rajadas e Redes de Circuitos. Discorre-se sobre a viabilidade da implementação de cada uma das tecnologias, e qual delas tem recebido maior atenção da comunidade cientíca. O capítulo também mostra como é a arquitetura dos comutadores ópticos e a arquitetura de roteamento de uma rede óptica em malha.

2.1 Redes Ópticas de Pacote

As redes ópticas de comutação de pacotes utilizam multiplexação estatística, modelo predominante de transporte de dados na internet, cuja maior vantagem é a exibilidade e eciência no uso da banda disponível. Nesta técnica de multiplexação, as informações trafegam na rede em forma de pequenas unidades de dados chamadas pacotes. Os pacotes são individualmente encaminhados entre os nós da rede.

A tecnologia para processamento de pacotes totalmente no domínio óptico é ainda muito incipiente, portanto espera-se que a implementação de tecnologias de transmissão de pacotes ópticos utilizem processamento eletrônico para encaminhamento dos pacotes. Quando um pacote chega em um comutador de pacotes ópticos, o cabeçalho do pacote é separado dos dados e convertido para o domínio eletrônico. Depois que o cabeçalho é processado, ele passa novamente para o domínio óptico e é recombinado aos dados para ser transmitido ao próximo comutador óptico.

Como a escala de tempo do processamento eletrônico é muito maior do que a escala de tempo na transmissão do sinal óptico, é necessária a utilização de buers ópticos para

armazenamento da luz enquanto o cabeçalho é processado. Vários trabalhos foram publi-cados com estudos analíticos das diferentes propostas de implementação de buers ópticos, mas esses buers têm várias deciências quando comparados com buers eletrônicos [24]. Uma alternativa para uso de buers é usar multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). Em redes WDM, vários comprimentos de onda compõem o sinal óptico que passa por uma bra conectando dois comutadores ópticos. Isso pode ser usado para evitar formação de las nas interfaces de saída. Assumindo-se que vários pacotes precisam sair por uma mesma interface, eles podem sair com comprimentos de onda diferentes para evitar retardo de transmissão. O desenvolvimento de tecnologias WDM tem elevado bastante a capacidade de transmissão em uma única bra óptica, mas para tirar máximo proveito dessa tecnologia é fundamental que as redes sejam capazes de realizar conversão de comprimento de onda. Apesar dos esforços para baixar os custos de conversão de comprimento de onda [29], as técnicas de conversão utilizadas ainda tornam muito caro o uso desta tecnologia e portanto a utilização de conversores de comprimento de onda é limitada.

A falta de uma tecnologia eciente para construção de buers e o custo para conversão entre comprimentos de onda são dois dos grandes desaos que tornam pouco viável a utilização de redes de pacotes ópticas nos próximos anos.

2.2 Redes Ópticas de Comutação por Rajadas

As redes ópticas de comutação de rajadas (OBS) são uma solução intermediária entre as redes de comutação de pacotes ópticos e as redes de comutação de circuitos ópticos. Dife-rentemente da comutação de pacotes, nas redes OBS, os pacotes com o mesmo endereço de destino são agregados em rajadas pelos nós de borda da rede antes de serem transmitidos. Diferentemente da comutação de circuitos ópticos, na comutação de rajadas, os recursos são alocados apenas durante o tempo necessário para a comutação e a transmissão de uma rajada.

Nas redes OBS, é necessário reservar um comprimento de onda entre o nó fonte e o nó destino antes de se iniciar a transmissão de cada rajada. Esse comprimento de onda ca reservado pelo tempo necessário para a transmissão de uma rajada. Previamente à transmissão de uma rajada, um pacote de controle é enviado em um canal de sinalização fora-de-banda. Ao chegar no próximo comutador no caminho entre a fonte e o destino, o pacote de controle é tratado eletronicamente. Em seguida, caso hajam recursos disponí-veis, os recursos necessários à rajada são alocados pelo comutador, do contrário, se não existem recursos disponíveis, a rajada é descartada.

Assim como as redes ópticas de pacotes, as redes de rajada necessitam de utilizar tecnologia de buer, e estas tem problemas análogos àquelas. Como a luz não pode ser armazenada, buers ópticos são implementados por meio de atrasos do uxo de luz utilizando linhas de atraso (Fibre Delay Lines - FDLs). O tamanho da bra necessário é um problema neste caso, por exemplo, para um enlace de 10Gbps e rajadas de 100Kb, pelo menos 2 quilômetros de bra seriam necessários para fazer a rajada re-circular durante o tempo esperado de atraso [24].

2.3 Redes Ópticas de Comutação por Circuitos

Nas redes de comutação por circuitos, os recursos necessários ao longo de um caminho para prover comunicação entre os sistemas nais são reservados antes que haja tráfego de dados pelo caminho, e esses recursos cam reservados pelo período acordado entre a fonte e o destino no momento de estabelecimento da conexão. Uma grande vantagem das redes de comutação por circuitos é que o retardo de propagação do sinal é constante e os recursos reservados para uma conexão ponto-a-ponto não são compartilhados com outras conexões que venham a ser estabelecidas.

O principal exemplo de rede de comutação por circuitos é a rede de telefonia. Quando uma ligação é realizada de um telefone para outro, os comutadores das centrais telefônicas criam um circuito contínuo entre os dois telefones envolvidos na ligação durante o tempo em que a ligação durar. Até o inicio dos anos 80, o material utilizado nos cabos para a transmissão dos sinais telefônicos era o cobre. Contudo, com o aumento da demanda por comunicação, o cobre deixou de ser uma opção econômica e prática. Cabos de co-bre sofrem interferências vindas do ambiente ou de outros equipamentos elétricos, o que dicultava sua implantação em certas áreas. Desde o nal dos anos 70, testes de campo já eram realizados por empresas de telefonia com bras ópticas, e suas vantagens sobre o cobre eram evidentes, tanto em termos das distâncias que podiam ser atingidas, como em relação a capacidade de transmissão e ao fato de praticamente não sofrerem interferências eletromagnéticas. Surgiram, portanto, no anos 80, as primeiras redes de comunicação óptica. As redes ópticas de comutação por circuitos são redes de comutação por circuito em que a reserva de recursos ao longo do caminho é feita ajustando-se os comutadores de forma que os dados trafeguem tendo um laser óptico como canal de transmissão da fonte até o destino.

Pouco tempo depois, a capacidade de transmissão de uma bra óptica é expandida com a introdução de uma tecnologia de multiplexação por comprimento de onda (WDM), que permite a multiplexação de diversos sinais ópticos em uma mesma bra através da utilização de diferentes comprimentos de onda.

A menos que seja dito em contrário, todo restante do texto desta dissertação leva em consideração aspectos das redes ópticas WDM de comutação por circuitos.

2.3.1 Integração IP/WDM

A Internet utiliza o protocolo Internet Protocol (IP), um protocolo de comutação de pacotes que não guarda informação de estado das conexões. Para ser viável a utilização das redes ópticas na Internet, é necessário que haja um ponto de integração entre a tecnologia IP e a tecnologia óptica.

Nesse sentido, um cenário que foi bastante estudado é constituído por uma arquitetura em quatro camadas: IP sobre ATM sobre SDH/SONET sobre WDM. Aplicações e serviços utilizam o protocolo IP para trafegar seus dados na Internet. A tecnologia ATM possibilita engenharia de tráfego e gerenciamento de banda. A conectividade ponto a ponto e o transporte sobre a bra óptica são fornecidos pelo SDH/SONET, que também provê recuperação rápida de falhas no nível físico. Por m, tem-se o WDM, multiplicando a

capacidade de transmissão das bras.

Essa arquitetura tira proveito de funcionalidades oferecidas por tecnologias propostas em contextos distintos, combinando-as em um cenário de integração funcional, porém, com algumas desvantagens. Funcionalidades redundantes contribuem para o aumento da complexidade (por exemplo, mecanismos de QoS são oferecidos no nível IP e também no ATM). O custo dessa complexidade desnecessária reete em toda a rede, o que torna a manutenção das quatro camadas bastante onerosa à medida que o volume de tráfego aumenta. A sobrecarga proporcionada pelo encapsulamento de pacotes IP sobre ATM pode gerar o desperdício de até 25% da banda disponível [6].

Visando melhorar a utilização da capacidade da rede, em uma arquitetura alternativa eliminou-se a camada ATM, dispondo IP sobre SDH/SONET. Para tanto, utilizou-se o protocolo PPP (Point-to-Point Protocol), que dene mecanismos para lidar com enlaces ponto-a-ponto e realiza o enquadramento HDLC [50] dos pacotes IP para transmissão sobre o SDH/SONET [37]. Eliminando-se a camada ATM, perde-se a exibilidade da engenharia de tráfego e o controle sobre a banda dos enlaces. Essas funcionalidades podem ser compensadas em parte com a utilização do MPLS (Multiprotocol Label Switching) no nível IP.

As altas taxas proporcionadas pelo transporte óptico e o crescente volume de tráfego IP sugerem a possibilidade de remover a camada SDH/SONET e integrar IP e DWDM diretamente [5]. Como resultado, é esperada uma rede mais simples e com capacidade para transportar grandes volumes de dados. Para que seja possível essa integração, funções das camadas suprimidas devem ser assimiladas pelas camadas restantes, por exemplo, proteção e/ou capacidade de sobrevivência, que deve passar de SDH/SONET para WDM. Neste novo cenário, as redes do núcleo da Internet têm migrado para uma infraes-trutura integrada que unica o modelo de controle da rede IP e da rede óptica [16]. A integração dessas tecnologias tem sido facilitada pelo uso do GMPLS, padronizado pela IETF para estender o MPLS para uma variedade de tecnologias [38]. No caso das redes ópticas, o protocolo MPLS foi adaptado de forma a permitir que OXCs congurem auto-maticamente OLSP's (Optical Label Switched Paths), que são conexões ópticas baseadas em MPLS em que os rótulos são representados por comprimentos de onda. Com GMPLS, o núcleo óptico da rede e as subredes IP/MPLS compartilham características comuns em seus planos de controle, tornando possível a integração dessas redes [47].

Enquanto GMPLS está sendo adotado para suprir as necessidades de evolução em roteamento e engenharia de tráfego na camada de rede, a tecnologia WDM em redes ópticas de comutação por circuitos é adotada como solução para aumentar as taxas de transmissão no núcleo da Internet. Por um lado, comutação por rótulos simplica o encaminhamento de pacotes tornando-se possível operar a taxas de transmissão mais elevadas. Por outro lado, permite que a arquitetura da Internet, construída sobre um protocolo não orientado a conexão, se comporte de modo orientado a conexão, que é mais propício para a interação entre a rede de pacotes IP e a rede de núcleo óptico da Internet orientada a conexão; e é necessário como contrapartida da garantia de QoS.

2.4 Redes ópticas transparentes

Uma rede óptica pode ser classicada em opaca ou transparente. Em redes opacas, a comutação é realizada por dispositivos em que o sinal de dados que incide sobre o comu-tador controla o estado dele de tal forma que alguma função booleana é aplicada sobre o sinal incidente. Devido a aplicação de uma lógica booleana sobre o sinal sendo comutado, a comutação opaca pode ser chamada de comutação lógica. Em comutadores lógicos, o formato e a taxa de transmissão dos dados são alterados em nós intermediários da rede, por isso que a comutação é dita opaca. [40]

Comutação opaca é primariamente realizada no campo eletrônico, e por isso conversões óptica-eletro-óptica (OEO) são amplamente utilizadas nas redes ópticas atuais devido a falta de tecnologia que permita a aplicação de funções lógicas sobre os dados no domínio óptico. As redes opacas possuem um alto grau de exibilidade em termos de roteamento, porém a taxa de processamento eletrônico é incapaz de suportar as taxas de transmis-são de um bra óptica. Além disso, os conversores (OEO) adicionam retardos e transmis-são os componentes mais caros das redes ópticas. Esses fatores motivaram o desenvolvimento de redes transparentes, nas quais os comutadores são capazes de comutar sinais de dados no domínio óptico a altas taxas de transmissão.

Em redes transparentes, a informação que passa pelos comutadores não inuencia a relação entre sinais de entrada e de saída. O controle das funções do comutador é feito eletrônicamente no plano de controle enquanto a passagem e roteamento do sinal de dados óptico é realizado de forma transparente no plano de dados. Essa transparência permite que a comutação aconteça de forma independente do formato e da taxa de transmissão dos dados, por isso que a comutação é dita transparente.

A comutação transparente tem mais vantagens por permitir o aproveitamento das altas taxas de transmissão de um bra óptica. Por outro lado, nas redes transparentes o caminho óptico representa uma conexão direta entre dois nós terminais e deve ser estabelecido antes que a transmissão possa iniciar.

Um caminho óptico é um canal de comunicação óptico estabelecido sobre uma rede composta por vários OXCs e várias bras ópticas interligando-os. Se forem usados con-versores de comprimento de onda, diferentes comprimentos de onda podem ser usados em cada enlace para criar o caminho óptico, mas se nenhum conversor de comprimento de onda for usado, o caminho óptico é associado a um único comprimento de onda, que é usado em todos os enlaces envolvidos no estabelecimento do caminho.

O fato de apenas um comprimento de onda poder ser usado para estabelecer um caminho óptico é chamado de restrição de continuidade de comprimento de onda e tal propriedade traz uma grande complexidade no roteamento das redes WDM em relação as redes de pacotes. Foi provado através da redução do problema de coloração de grafos que o estabelecimento de caminhos ópticos com restrição de comprimento de onda é um pro-blema NP-completo [15]. Em geral, a solução pode ser encontrada através da formulação das restrições em programação linear inteira (PLI), entretanto a complexidade de uma PLI não permite que se obtenha uma solução escalável. Para superar essa diculdade, desenvolvem-se heurísticas que tornam possível a resolução do problema. Um exemplo muito comum é a divisão do algoritmo em duas partes: na primeira, busca-se obter uma

rota que seja capaz de interligar a origem ao destino, enquanto na segunda tenta-se encon-trar um comprimento de onda livre em todos os enlaces que compõem a rota selecionada. Em outras palavras, faz-se a divisão do problema em um sub-problema de roteamento e em outro de alocação de comprimento de onda. A forma como as heurísticas são utilizadas na resolução destas sub-partes pode ter grande impacto na utilização dos recursos da rede e na taxa de pedidos de estabelecimento de conexões aceitas.

Em uma rede óptica transparente, pedidos de estabelecimento de caminhos ópticos entre dois pontos quaisquer podem ser feitos sob demanda. Uma vez que um pedido é atendido e o caminho estabelecido, este permanece ativo por um período de tempo determinado. Enquanto o caminho óptico estiver ativo, ele ocupa um comprimento de onda especíco de cada enlace da rota origem-destino, e este comprimento de onda é liberado, quando o caminho for desfeito. O mesmo comprimento de onda não poderá ser alocado a mais de um caminho óptico no mesmo enlace da rede. Dessa forma, quanto mais caminhos forem alocados sobre a rede óptica, menor é o número de comprimentos de onda disponíveis e, portanto, maior é a probabilidade de que um novo caminho não possa ser alocado por falta de recursos [45].

As soluções apresentadas nos capítulos 5, 6 e 7 foram projetadas para realizar rote-amento e atribuição de comprimento de onda em redes transparentes com restrição de continuidade de comprimento de onda.

2.5 Arquitetura de Roteamento em Redes Ópticas

Trans-parentes

O avanço das tecnologias ópticas tornou possível a transição das redes WDM ponto-a-ponto para as redes de backbone transparentes, possibilitando tirar proveito da largura de banda disponível no enlace. Essas redes são compostas por OADMs (Optical Add/Drop Multiplexers) e OXCs (Optical Cross-Connects) dispostos em topologia arbitrária, e sua principal função é fornecer conexão entre os nós da rede.

OADMs são dispositivos que são acoplados junto às bras e que permitem a adição ou a retirada de lightpaths na rede. Eles evitam que para a inclusão de cada novo caminho óptico em uma rede WDM seja necessário realizar conversão do sinal óptico em sinal elétrico. A redução de conversão OEO pelo uso de OADMs permite grande economia na construção da rede.

Os OXCs das redes WDM transparentes podem ser conectados por um conjunto de bras ópticas formando uma topologia em malha arbitrária (Figura 2.1). Os OXCs são responsáveis pelas funções de comutação de sinal óptico de uma porta de entrada para uma porta de saída e são responsáveis pelo roteamento que suporta as conexões de dados entre as sub-redes clientes. O sinal que chega à porta de entrada correspondente a um compri-mento de onda é encaminhado para uma porta de saída especíca independentemente dos outros comprimentos de onda. Esses dispositivos são precedidos por demultiplexadores de comprimento de onda e seguidos por multiplexadores de comprimento de onda, assim, um OXC pode conectar diferentes comprimentos de onda da entrada para a saída, cujo padrão de conexão de cada comprimento de onda é independente dos outros.

Alterna-Comutador óptico (OXC) Comutador de rótulos Unidade de controle Caminho de controle Caminho de dados Enlace físico

Sub-rede IP/MPLS Sub-rede IP/MPLS

UNI UNI

Figura 2.1: Arquitetura de rede óptica.

tivamente, um conversor pode ser associado a um OXC para permitir que a comutação do sinal óptico possa ser feita em um comprimento de onda na porta de entrada para um outro comprimento de onda na porta de saída. Congurando apropriadamente os OXCs do caminho físico, conexões lógicas (caminhos ópticos) podem ser estabelecidas entre qualquer par de sub-redes.

Cada OXC possui uma unidade de controle eletrônica conectada a cada uma de suas portas de entrada/saída (Figura 2.1). A unidade de controle é responsável pelas fun-ções de controle e gerenciamento relacionados à construção e desativação dos caminhos ópticos. Em particular, a unidade de controle se comunica diretamente com seu OXC para formar os caminhos ópticos através de uma interface que depende da tecnologia do OXC. A unidade de controle também pode se comunicar com as unidades de controle de OXCs adjacentes ou com sub-redes clientes (Figura 2.1). Essa comunicação é tipicamente implementada sobre portas conguradas administrativamente em cada OXC e usam com-primentos de onda de controle separados em cada bra. Assim, diferenciam-se os tráfegos de dados e de controle na rede óptica: caminhos de dados se originam e encerram em sub-redes cliente e atravessam OXC transparentemente, enquanto caminhos de controle terminam eletronicamente nas unidades de controle de cada OXC. A comunicação nos caminhos ópticos de controle usa um protocolo de controle padrão (TCP/IP sobre ATM ou GMPLS), assim como outros protocolos necessários para transportar funções de rede importantes tais como distribuição de rótulos, roteamento e disseminação do estado da rede.

Sub-redes clientes se conectam a redes ópticas por nós que provêem a interface en-tre dispositivos não-ópticos e o núcleo óptico. Essa interface é denominada UNI (User-to-Network Interface) na Figura 2.1. Esses nós agem como pontos terminais (fontes e destinos) para os caminhos dos sinais ópticos e os caminhos de comunicação podem con-tinuar fora da rede óptica na forma eletrônica. Somente os roteadores de comutação por

rótulos, LSRs, das duas sub-redes IP/MPLS, que são conectados diretamente a um OXC, implementam a UNI e podem originar ou terminar caminhos ópticos.

Aprovisionamento de Lightpaths

Inter-domínio em Redes WDM

Transparentes

O plano de controle óptico diz respeito a uma infraestrutura de software que controla todos os aspectos necessários para congurar conexões entre componentes de uma rede óptica. Isto inclui a realização de todo o controle necessário à própria rede para gerenciar informações, tomar decisões e executar ações [27].

Este capítulo apresenta as principais questões envolvidas no aprovisionamento de light-paths multidomínio em redes WDM transparentes e, portanto, apresenta as principais responsabilidades de um plano de controle óptico. Disserta-se sobre os principais fato-res envolvidos no problema de aprovisionamento de lightpaht multidomínio: roteamento, disseminação de topologia, políticas de controle, conabilidade, tecnologias de interface e sinais de controle. Em seguida, destaca-se os problemas que são abordados nas soluções apresentadas nos capítulos 5, 6 e 7: cálculo de rota e divulgação de recursos ópticos. Por m, apresentam-se dois dos principais protocolos propostos para implementar o plano de controle das redes ópticas: GMPLS e OBGP.

3.1 Plano de Controle em Redes WDM

Uma das principais áreas de estudo em redes ópticas tem sido o seu plano de controle. Nos últimos anos, a ideia de criação de um plano de controle óptico deixou de ser apenas uma ideia para ser um conjunto de protocolos padronizados desenvolvidos com grande participação da indústria. O objetivo do plano de controle de uma rede óptica é fornecer meios para estabelecer e manter lightpaths, e gerenciar os recursos da rede. Uma abor-dagem utilizada por alguns fabricantes é o desenvolvimento de seus próprios planos de controle, no entanto, o problema neste caso é a interoperabilidade. Consequentemente, tornou-se importante o desenvolvimento de um padrão comum para o plano de controle. Criou-se, assim, o plano de controle GMPLS, uma extensão do MPLS que dá suporte ao controle de redes ópticas. O plano de controle GMPLS será melhor abordado na seção 3.3.4.

As principais funções de um plano de controle encontram-se resumidas abaixo: Descoberta de vizinhos: é a função por meio da qual um agente de rede determina os detalhes de sua conectividade com todos os seus vizinhos no plano de dados. Esses detalhes podem incluir características dos nós vizinhos, características dos enlaces que conectam os nós das redes, entre outros.

Roteamento: envolve dois aspectos: Descoberta automática de topologia e re-cursos da rede, e cálculo de rota. O primeiro aspecto permite que o agente de rede construa uma visão da rede como um todo, considerando a conectividade do plano de da-dos e a disponibilidade de recursos na rede. Este aspecto também envolve um mecanismo que dene como um agente propaga informações de conectividade para todos os outros agentes da rede. As informações que devem ser propagadas e como as informações são re-presentadas em cada agente de rede depende do tipo do esquema de roteamento. Cálculo de rota é o procedimento em que um agente determina um caminho para estabelecimento de uma conexão, dados a visão construída no processo de descoberta de topologia e os recursos disponíveis.

Sinalização: denota a sintaxe e semântica da comunicação entre os agentes de rede durante o estabelecimento e manutenção de conexões.

Gestão dos recursos locais: refere-se ao gerenciamento dos recursos disponíveis localmente e orquestração dos comutadores da rede a m de estabelecer conexões internas. Representações concisas desses recursos são essenciais para garantir escalabilidade dos mecanismos de roteamento.

3.1.1 Rede de interconexão do plano de controle

A primeira escolha acerca do plano de controle de uma rede de computadores é se o plano de controle deve ser implementado nos próprios elementos de rede. Normalmente, este é o caso das redes IP em que os protocolos de roteamento e sinalização rodam direto nos roteadores. No caso das redes ópticas WDM transparentes, no entanto, a funcionalidade de controle é diferente da funcionalidade de transporte. Dessa forma, a funcionalidade de controle pode ser implementada em agentes de controle de rede especializados em roteamento e controle, criando uma separação explícita entre o plano de dados e o plano de controle.

A rede de interconexão do plano de controle (RIPC) se refere a infraestrutura de comunicação usada para troca de mensagens entre os agentes de controle da rede óptica. Tipicamente, a RIPC provê conectividade em nível de redes entre os agentes de controle por meio de mensagens de controle enviadas pelos protocolos da pilha TCP/IP sobre uma tecnologia de rede subjacente tal como a ATM.

Outra importante escolha em relação à infraestrutura de rede sobre a qual a RIPC é construída é se a RIPC utilizará recursos do plano de dados. Nas redes SONET/SDH, por exemplo, o plano de dados roteia pacotes de controle. Nesses casos, a infraestrutura da RIPC é dita implementada in ber e o plano de controle pode disputar recursos com o plano de dados ou podem ser reservados recursos exclusivos para utilização pelo plano de controle. De outra forma, uma infraestrutura e uma tecnologia não associadas com o plano de dados podem ser usadas para construir a RIPC. Nesse caso, a RIPC é dita ser

implementada out-of-ber.

Na camada de aplicação, a RIPC deve suportar várias aplicações tais como sinalização, roteamento e comunicação com sistemas de gerenciamento. Essas aplicações podem exigir certo nível de qualidade aos serviços providos pela RIPC. Em geral, a RIPC deve prover baixa latência, baixa perda de pacotes, segurança e baixa vulnerabilidade a interferências externas.

As abordagens para roteamento, atribuição de comprimento de onda e troca de in-formações de disponibilidade de recursos ópticos propostas neste texto, apresentadas nos capítulos 5, 6 e 7, consideram uma separação explícita entre o plano de dados e o plano de controle. A RIPC é implementada out-of-ber e os agentes de controle são chamados de PCE (do inglês, Path Computation Element). A arquitetura PCE será abordada em detalhes no próximo capítulo.

3.2 Aprovisionamento de Lightpath Inter-domínio

Domínios são seções autônomas da rede e possuem diferentes implementações tecnológicas bem como diferentes regras administrativas.

A ideia de um plano de controle padrão é facilitar a interoperabilidade entre diferentes fornecedores. No entanto, os pontos nos quais deve haver interoperabilidade nas redes ópticas precisam ser determinados. Neste ponto, a noção de domínios ópticos torna-se importante. Um backbone de redes ópticas precisa ser dividido em pequenos domínios de controle principalmente para impor limites administrativos e de gestão, e por questões de escalabilidade.

Por motivos semelhantes a Internet é estruturada em vários Sistemas Autônomos, cada um com seus próprios procedimentos de controle e interligados por meio de um protocolo de roteamento único. Sendo assim, espera-se que haja uma divisisão da rede óptica em escala global em uma hierarquia de domínios de controle baseada na geograa e em limites administrativos.

Alguns dos requisitos para uma rede ser dividida em domínios. Primeiro, procedi-mentos e protocolos internos aos domínios podem ser heterogêneos, um plano de controle que abranja toda a rede deve suportar a heterogeneidade dos domínios para cumprir seu objetivo de fornecer e manter conexões através de vários domínios. Além disso, a imple-mentação de um plano de controle requer a transferência de informações entre os agentes de controle. Particionamento implica na redução seletiva no uxo de informações além dos limites do domínio. Isso é também chamado de abstração da informação. Os me-canismos precisos de abstração de informação determinam as características do plano de controle, portanto devem ser determinados cuidadosamente.

Enquanto roteamento inter-domínio na Internet é um tema amplamente pesquisado, questões sobre inter-domínio nas camadas abaixo da IP são temas relativamente novos. O estabelecimento eciente de conexões com alta largura de banda entre múltiplos domínios separados por tecnologias, regras administrativas e sinais de controle diferentes é um desao em aberto. A seguir, os principais fatores envolvidos nesse problema são resumidos [12].

3.2.1 Roteamento e disseminação de topologia

O tamanho da Internet impõe desaos no estabelecimento eciente de roteamento em redes multidomínio. Enquanto protocolos de roteamento inter-domínio vêm sendo ampla-mente usados para redes IP, a necessidade de alocar caminhos com diferentes restrições de Qualidades de Serviço, QoS (Quality of Service), requer que protocolos tenham as informações necessárias sobre todo o caminho a ser percorrido.

O conhecimento global da rede, que inclui todos os nós e os estados dos enlaces, não é factível, em especial devido a restrições administrativas e à escalabilidade. Soluções para a ausência de conhecimento total da rede têm sido propostas; dentre elas, destacam-se os modelos full-mesh e simple node abstraction [35]. No primeiro, trocam-se informações sobre todos os caminhos ópticos estabelecidos e seus estados (topologia virtual) sempre que existir uma mudança signicativa no estado global da rede. No segundo, a topologia da rede é abstraída como um grafo auxiliar G = (V, E), onde V é um conjunto não vazio de vértices, que representam os domínios da rede, e E é um conjunto não vazio de arestas, que representam os enlaces da rede. Mostrou-se em [35] que, com a utilização deste esquema de abstração, consegue-se alcançar valores de bloqueios semelhantes ao modelo full-mesh, ao passo que a sobrecarga imposta para troca de informação é muito menor.

3.2.2 Políticas de controle

Políticas administrativas consideradas no roteamento da camada IP usando o protocolo BGP (do inglês, Border Gateway Protocol) também devem ser consideradas na camada óptica. Por exemplo, no GMPLS cada conexão é representada por um Caminho Comutado por Rótulos, LSP (do inglês, Label Switched Path), que, entre outros parâmetros, é denido baseado na granularidade de tráfego suportado pela interface, como na multiplexação do WDM. Para cada LSP, a política pode denir um conjunto de pontos m-a-m, bem como um conjunto de domínios que podem ser envolvidos no fornecimento do serviço. Nesse caso, parâmetros adicionais baseados em políticas podem incluir questões relativas à segurança e ao acesso do usuário à rede.

3.2.3 Conabilidade

Todos os aspectos mencionados anteriormente exigem que as operações sejam conáveis, começando com tecnologia da interface do plano de controle até diferentes requisitos de conabilidade requeridos pelo usuário. Com aplicações que demandam garantia de qualidade dos serviços, é necessário ter mecanismos para recuperação em casos de falhas na rota estabelecida por meio de rotas alternativas. Enquanto a maioria dos regimes de proteção em vigor atualmente seguem as restrições de um único domínio, mecanismos mais ecientes são necessários para proteger caminhos m-a-m em redes multidomínio.

3.2.4 Tecnologia de interface

Tecnologias de interface implicam no conhecimento detalhado das tecnologias utilizadas no domínio vizinho, bem como podem determinar o caminho de roteamento com base

nesse conhecimento. Em algumas situações pode ser mais eciente estabelecer um ca-minho mais longo mas que preserve a compatibilidade entre as tecnologias utilizadas nos domínios. Pode-se salientar, também, que não obstante dois domínios trafeguem o mesmo tipo de dado (Ethernet por exemplo), eles podem não ser compatíveis devido à existência de soluções proprietárias. Tecnologia de interface pode ser usada para descrever a intero-perabilidade entre diferentes tecnologias de transmissão na mesma camada (por exemplo Ethernet e ATM), bem como a interoperabilidade entre tecnologias em diferentes cama-das, tais como SONET-sobre-WDM.

3.2.5 Sinais de controle e reserva de recursos

Cada domínio de rede normalmente executa um plano de controle independente. Para habilitar conectividade m-a-m é necessário que exista um mecanismo de sinalização para troca de informação entre domínios. Dado que cada fornecedor pode escolher uma tecnologia de plano de controle diferente, mecanismos de sinalização compatíveis com qualquer plano de controle ainda não existem.

Em muitos casos, o protocolo de sinalização está integrado com os protocolos de rote-amento e atribuição de comprimento de onda. O GMPLS faz uma tentativa nesse sentido, contudo, investigações ainda são necessárias para se chegar a um plano de controle uni-cado que atenda as necessidades administrativas e tecnológicas dos diferentes provedores de serviços.

Essas são algumas das questões que fazem o aprovisionamento de circuitos em ambi-entes multidomínio ser bem mais desaador do que em ambiambi-entes intra-domínio. Por isso, esse é um tema ainda pouco estudado e o problema abordado nesse trabalho de pesquisa considerará sempre o aprovisionamento de lightpaths em ambientes multidomínio.

3.3 Roteamento e Alocação de Comprimento de Onda

Nas redes ópticas de comutação por circuito com conversores optico-eletro-optico em to-dos os comutadores, o roteamento pode ser feito seguindo os mesmos mecanismos das redes MPLS comutadas por rótulo em que os rótulos - neste caso comprimentos de onda - são escolhidos por cada comutador independente dos rótulos escolhidos pelos demais comutadores. Neste caso, o foco do processo de roteamento ca apenas na escolha dos enlaces que compoem o caminho m-a-m e atribuição de comprimento de onda pode ser feita localmente pelos comutadores no momento da escolha dos caminhos. No outro extremo, em que o comutadores não tem a capacidade de conversão optico-eletro-optico, um circuito óptico precisa denir, além do caminho m-a-m, um único comprimento de onda que esteja disponível do nó fonte até o nó destino. Essa restrição de escolha de um único comprimento de onda m-a-m é conhecida como restrição de continuidade de comprimento de onda (WCC - Wavelength Continuity Constraint). O problema abor-dado nesse trabalho de pesquisa considerará sempre o aprovisionamento de lightpaths com restrição de continuidade de comprimento de onda.

3.3.1 Cálculo de Rota Interdomínio

A criação de planos de controle automáticos e distribuídos como o GMPLS [21] facilitou o provimento dinâmico de lightpaths. Nesse sentido, o IETF especicou duas abordagens para cálculo de rotas GMPLS: Backward Recursive PCE-based Computation [56] e per-domain path computation [55]. Ambos usam algoritmos Constrained Shortest Path First (CSPF), que eliminam os enlaces na topologia que não satisfazem as restrições dadas e depois invocam o algoritmo de caminho mais curto, algoritmo de Dijkstra, no subgrafo resultante [18].

O procedimento BRPC garante que uma rota ótima é calculada passando por uma sequência de domínios. No entanto, ele considera que essa sequência deve ser conhecida antecipadamente, determinada administrativamente ou descoberta de alguma forma ainda não denida. O BRPC também não considera a restrição de WCC [9]. Essas deciências motivaram o desenvolvimento deste trabalho.

Por outro lado, OBGP usa um esquema de cálculo de rota per-domain. A rota completa é obtida concatenando segmentos de rota que são calculados em cada domínio. No entanto, informações para se estabelecer o caminho podem ser obtidas de bases desatualizadas. Para se garantir melhores caminhos, o cálculo de rota tem que se valer de protocolos de divulgação de rotas/recursos bem projetados. A questão de divulgação de rotas/recursos, que será melhor explicada na próxima seção, é uma questão ainda em aberto.

3.3.2 Divulgação de Recursos da Rede

Um dos problemas que inuenciam o funcionamento dos algoritmos de RWA é a desatu-alização das informações de estado de enlace da rede. No processo de atribuição de um comprimento de onda, durante o estabelecimento de uma conexão entre os nós, informa-ções sobre os estados de enlace da rede são necessárias para que o pedido de requisição de alocação do comprimento de onda adequado seja feito. Ao se alocar ou liberar um comprimento de onda, o estado do enlace é alterado, e, por conseguinte, é requerida a atualização desse estado nos demais nós da rede óptica. No entanto, novas requisições de conexão podem ser geradas antes que sejam atualizadas as informações de estado dos enlaces, e, portanto, o algoritmo de alocação de comprimento de onda não possuirá informações atualizadas sobre os enlaces. Essa situação pode acarretar a tentativa de alo-cação de comprimentos de onda já alocados ou o bloqueio de requisições mesmo existindo disponibilidade de comprimentos de onda.

Os esquemas de cálculo de rota descritos na seção anterior falham em realizar atribui-ção de comprimento de onda com continuidade de comprimento de onda. Isso acontece porque em redes ópticas WDM, além de informações sobre alcançabilidade, os domínios devem ser capazes de divulgar a disponibilidade de recursos da rede, o que é uma de-ciência nesses esquemas. Um modelo de roteamento centrado apenas na divulgação de informações de alcançabilidade não é suciente. No entanto, contribuir com soluções que divulguem recursos da rede sem degradar sua capacidade de prover rotas é uma tarefa complexa. Alguns trabalhos anteriores tentaram tratar essa questão; Casellas et al. [9] para o BRPC e Francisco et al. e Yannuzzi et al. [61, 25, 60] para o OBGP.

deniram como determinar a sequência dos domínios que irão compor o caminho m-a-m. Francisco e colaboradores [25] apresentaram a primeira implementação do OBGP, deniram os requisitos e extensões necessárias ao BGP para criar o OBGP. Deniram, também, um formato para as mensagens OBGP, contudo não deniram as políticas de disparo para envio dessas mensagens, que é um ponto fundamental para a implementação de protocolos de roteamento de redes de comutação por circuitos virtuais.

Yannuzzi e colaboradores [61, 60] reforçaram a necessidade de divulgar Informação Agregada do Estado da Rede (PSI) para o provimento de lightpaths em redes WDM. Eles deniram um processo de agregação para a divulgação de PSI. No entanto, eles deniram que as mensagens de divulgação de PSI são trocadas pegando carona em mensagens keep-alive (a cada 30 segundos) e a presente dissertação considera que divulgar mensagens PSI a cada 30 segundos pode ser insuciente quando milhares de requisições por rota podem ser solicitadas por segundo, ou pode ser muito dispendioso para redes que apresentam pouco uxo de dados. Além disso, em todo processo de decisão e divulgação de PSI, Yannuzzi e colaboradores consideraram uma arquitetura de rede especíca. Yannuzzi e colaboradores adotaram em [61] o algoritmo shortest AS-path, sendo a quantidade de recursos disponíveis na rede o segundo critério na escolha dos caminhos.

É preciso atenção especial para decidir a frequência de envio das mensagens de divul-gação de recursos ópticos entre domínios. A questão é, portanto, como se pode divulgar informações sobre disponibilidade de recursos ópticos em uma rede multidomínio Para tal, desenvolveram-se três estratégias que serão explicadas nos capítulos 5, 6 e 7.

3.3.3 OBGP

Apesar dos avanços em aprovisionamento de caminhos ópticos intra-domínio em redes ópticas com multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), um esquema eciente e amplamente aceito para cálculo de rota e divulgação de disponibilidade de recursos em redes multidomínio em malha ainda não foi padronizado. Algumas propos-tas existentes tratam de questões especícas tais como escalabilidade na divulgação de informações de estado da rede para realização do cálculo de caminhos ópticos m-a-m [9, 60, 61, 25]. Duas são as principais abordagens para solução de questões multidomínio: as baseadas no protocolo BGP e as baseadas na arquitetura PCE.

O BGP, protocolo padrão de facto da Internet, provê meios para obtenção de infor-mações de alcançabilidade a partir dos domínios vizinhos, bem como meios de propagar essas informações. Na divulgação de informações de alcançabilidade, roteadores de borda disseminam os endereços de todos os roteadores inter-domínio que eles alcançam (external BGP - eBGP). Quando um roteador de borda recebe essas informações, ele as repassa para todos os roteadores dentro do seu domínio (internal BGP - iBGP). Assim, cada roteador pode denir rotas para seus pares em outros domínios da rede.

Blanchet e colaboradores foram uns dos primeiros trabalhos a investigar a utilização do BGP como modelo para aprovisionamento de lightpath interdomínio. Em [8], OXCs e o roteadores BGP estão estreitamente ligados no sentido de que a informação obtida a partir do BGP será usada para estabelecer conexões ópticas. O protocolo é estruturado em duas fases: na primeira fase os OXC's divulgam a disponibilidade de recursos ópticos através

do protocolo BGP. Esta primeira fase vai permitir que os OXC's construam tabelas de roteamento óptico que serão usadas para determinar se um lightpath pode ser estabelecido entre dois OXC's nais. A segunda fase é a fase de estabelecimento do lightpath. Esta fase usa a informação obtida na primeira fase e utiliza mensagens BGP para comunicar o estabelecimento dos lightpaths.

Francisco e colaboradores [25] disponibilizaram a primeira implementação do BGP para redes ópticas, que contém a especicação de requisitos e as extensões necessárias ao BGP para criar o OBGP. Apesar da comprovada ecácia do BGP como protocolo de roteamento inter-domínio nas redes IP, os esquemas baseados em BGP também herdam suas deciências: falta de suporte a divulgação de informação de Engenharia de Tráfego (TE), convergência lenta e alta sobrecarga de sinalização [60], o que diculta sua utilização em redes ópticas WDM.

Yannuzzi e colaboradores destacam a falta de informações de engenharia de tráfego enviadas nas mensagens OBGP e também destaca que uma requisição OBGP para estabe-lecimento de lightpath só pode encontrar um único caminho. Eles propoem um protocolo que utiliza um elemento central de computação de rotas em que as informações de al-cançabilidade enviadas de um domínios para os demais são publicadas por meio deste elemento central de comutação para dar melhor representação dos recursos disponíveis dentro do domínio. O protocolo também suporta o anúncio de vários caminhos para um destino, o que não é suportado pelo OBGP.

O protocolo BGP é o protocolo de fato utilizado para roteamento inter-domínio na camada IP. No entanto, mudanças numa rede sobre BGP levam um longo tempo para convergir e portanto não é adequado para redes onde os recursos disponíveis mudam frequentemente. Embora o OBGP possa ser usado em redes ópticas com baixa frequencia de atualização ele pode sofrer problemas de estabilidade e escalabilidade em redes de camada 2 que experimentam mudanças frequentes na disponibilidade de recursos [12].

3.3.4 GMPLS

Para preservar a escalabilidade, o BGP não divulga informações sobre largura de banda e nem de múltiplas alternativas de rota, que são informações necessárias para permitir engenharia de tráfego. Como consequência, soluções baseadas no protocolo BGP para troca de informações sobre o estado da rede consideram uma única sequência de domínios por prexo de rede, resultando em gargalos na rede [19, 17].

Como opção às abordagens baseadas em PCE surgiu o GMPLS, uma extensão do protocolo MPLS que dá suporte a tecnologias de transporte incluindo redes ópticas. Uma das principais diferenças entre MPLS original e GMPLS está no enfoque de cada um deles. O MPLS original enfoca o plano de dados, isto é, no seu tráfego de dados, enquanto que GMPLS enfoca o plano de controle, isto é, na parte que efetua o gerenciamento das conexões no plano de dados.[49]

A arquitetura GMPLS é descrita em [38]. Com relação ao controle das redes ópticas, a suíte de protocolos GMPLS aborda vários aspectos. (i) O Link Management Protocol (LMP) [32] é uma especicação para vericação de conectividade de enlace, gestão de canais de controle e isolamento de falhas. Os protocolos de roteamento OSPF e IS-IS

foram estendidos para permitir descoberta de topologias distribuídas em redes ópticas [36, 13]. Os dois protocolos de sinalização do GMPLS: RSVP-TE e CR-LDP foram estendidos para prover conexões em redes ópticas

Um plano de controle dene o conjunto de unidades funcionais, procedimentos e pro-tocolos de modo a prover dinamicamente conexões com QoS. O GMPLS utilizado em conjunto com a arquitetura PCE fornece os elementos necessarios para um plano de con-trole [10]. Por conseguinte, muitos autores consideram a arquitetura GMPLS/PCE a principal candidata a realizar a aprovisionamento de lightpaths nas redes ópticas.

A utilização da arquitetura PCE para aprovisionamento de caminhos ópticos é melhor abordada no capítulo 4.