Comutação de mensagens em redes ópticas : um novo paradigma de comutação

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Universidade Estadual de Campinas Instituto de Computação

INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO

Robson Leandro Carvalho Canato

Comutação de Mensagens em Redes Ópticas:

um novo paradigma de comutação.

CAMPINAS

2016

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Robson Leandro Carvalho Canato

Comutação de Mensagens em Redes Ópticas:

um novo paradigma de comutação.

Dissertação apresentada ao Instituto de Computação 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 Coorientador: Prof. Dr. Gustavo Bittencourt Figueiredo

Este exemplar corresponde à versão final da Dissertação defendida por Robson Leandro Carvalho Canato e orientada pelo Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca.

CAMPINAS

2016

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Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): CAPES

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas

Biblioteca do Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica Maria Fabiana Bezerra Muller - CRB 8/6162

Canato, Robson Leandro Carvalho,

C16c CanComutação de mensagens em redes ópticas : um novo paradigma de

comutação / Robson Leandro Carvalho Canato. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.

CanOrientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca.

CanCoorientador: Gustavo Bittencourt Figueiredo.

CanDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de

Computação.

Can1. Redes ópticas. 2. Comunicações óticas. 3. Redes de computadores. 4.

Séries de redes ópticas. 5. Desempenho - Avaliação. I. Fonseca, Nelson Luis Saldanha da,1961-. II. Figueiredo, Gustavo Bittencourt. III. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Computação. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Message switching in optical networks : a new switching paradigm Palavras-chave em inglês:

Optical networks

Optical communications Computer networks Optical networks series Performance - Evaluation

Área de concentração: Ciência da Computação Titulação: Mestre em Ciência da Computação Banca examinadora:

Nelson Luis Saldanha da Fonseca [Orientador] André Castelo Branco Soares

Edmundo Roberto Mauro Madeira

Data de defesa: 29-11-2016

Programa de Pós-Graduação: Ciência da Computação

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Universidade Estadual de Campinas Instituto de Computação

INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO

Robson Leandro Carvalho Canato

Comutação de Mensagens em Redes Ópticas:

um novo paradigma de comutação.

Banca Examinadora:

• Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca Instituto de Computação - UNICAMP • Prof. Dr. André Castelo Branco Soares

Departamento de Informática e Estatística - UFPI • Prof. Dr. Edmundo Roberto Mauro Madeira

Instituto de Computação - UNICAMP

A ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros da banca encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

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"Quando não souberes para onde ir, olha para trás e sabe pelo menos de onde vens".

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Agradecimentos

Se você está lendo esta página é porque eu consegui. Nada foi fácil, nem tampouco tran-quilo. Que o alívio sentido deve-se a inúmeras contribuições de pessoas que, de uma forma ou de outra, foram importantes nessa trajetória. Primeiramente gostaria de agradecer a Deus por ter sempre aberto uma porta quando uma janela se fechava. Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca pela oportunidade e privilégio de ter sido seu aluno e orientando e desta forma, ter me proporcionado a continuidade e rea-lização de mais uma etapa da minha vida. Se não fossem os seus muitos feedbacks “Mike Tyson” como ele mesmo costumava dizer, provavelmente eu não teria conseguido concluir este trabalho. Agradeço também ao meu co-orientador, Prof. Dr. Gustavo Bittencourt Figueiredo que na maioria das vezes esperou pacientemente pelos resultados, pois acredi-tava na conclusão deste trabalho o qual sem as suas inúmeras contribuições não teria sido possível. Quando “crescer”, eu quero ser como vocês!. Aos meus amigos de laboratório o meu muito obrigado pela companhia, força e apoio. Agradeço aos colegas e professores da pós-graduação em Ciência da Computação pelo convívio e aprendizado. A minha família por acreditarem na realização desse trabalho, em especial a minha mãe pelo seu amor incondicional e irrestrito! Sei que tem me dado muito mais, mas isso já seria muito. A minha esposa Regina e minha filha Maria Vitória por todos os sacrifícios que passamos juntos. Por fim, agradeço a CAPES pelo apoio financeiro.

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Resumo

A demanda exponencial por largura de banda tem exigido cada vez mais a exploração intensiva dos paradigmas de comutação em redes ópticas existentes, bem como a proposi-ção de novos paradigmas. O objetivo dessa dissertaproposi-ção de mestrado é apresentar um novo paradigma para comutação em redes ópticas DWDM, que alie as melhores característi-cas dos paradigmas comutação de circuitos ópticos (OCS), comutação de rajadas ópticaracterísti-cas (OBS) e comutação de fluxos ópticos (OFS). Nesse novo paradigma denominado Optical Message Switching (OMS), a estrutura da rede (enlaces e nós) é a mesma da estrutura das redes OBS. A diferença fundamental está nos mecanismos de controle, reserva de recursos, escalonamento das mensagens e no envio das mesmas por parte dos nós de nú-cleo. OMS engloba um esquema de reserva de recursos que é mais flexível e ajustado às necessidades do tráfego dos usuários, oferecendo garantia de serviço como na comutação por circuito e multiplexação estatística reduzindo, assim, a subutilização dos recursos de rede e atendendo diferentes níveis de qualidade de serviço. Os resultados demonstram redução na probabilidade de bloqueio de fluxos e na probabilidade de bloqueio de bytes quando comparado aos outros mecanismos de multiplexação, o que evidencia os benefícios do paradigma proposto.

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Abstract

The exponential growth of the demand for bandwidth has led to intensive investiga-tion of new switching paradigms in optical networks. This dissertainvestiga-tion introduces a new paradigm for switching in DWDM optical networks, which combines advantages at Opti-cal Circuit Switching (OCS), OptiOpti-cal Burst Switching (OBS) and OptiOpti-cal Flow Switching (OFS). In this new paradigm named Optical Message Switching (OMS), differ existing switching mechanisms by the introduction at new control mechanisms, and resource reser-vation mechanisms. It provides a reserreser-vation scheme that is more flexible and adjusted to user-traffic while offering circuit-like guaranteed service and statistical multiplexing thus reducing underutilization of network resources and yet offering quality service. The performance evaluation of OMS evinces that it produces less blocking than do existing switching mechanisms.

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Lista de Figuras

2.1 Arquitetura multicamadas para redes ópticas WDM. . . 21

2.2 Roteamento e Alocação de Comprimento de Onda. . . 23

2.3 Esboço da arquitetura da rede OCS. . . 24

2.4 Processo de reserva de recursos da rede OCS. . . 25

2.5 Esboço da arquitetura da rede OBS. . . 27

2.6 Processo de reserva de recursos da rede OBS. . . 28

2.7 Modelo rede óptica híbrida - cliente/servidor. . . 30

2.8 Modelo rede óptica híbrida - paralela. . . 30

2.9 Modelo rede óptica híbrida - integrada. . . 31

4.1 Esboço da arquitetura da rede OMS. . . 37

4.2 Processo de reserva em duas vias da rede OMS. . . 38

4.3 Processo de reserva passo-a-passo da rede OMS. . . 39

6.1 Topologias utilizadas nas simulações. . . 46

6.2 Bloqueio de fluxos - 100 Erlangs. . . 48

6.5 Bloqueio de bytes - 100 Erlangs. . . 51

6.8 Bloqueio de fluxos - 20 Comprimentos de onda. . . 54

6.12 Bloqueio de bytes - 20 Comprimentos de onda. . . 58

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Lista de Tabelas

4.1 Comparação entre OMS, OCS, OBS e OFS. . . 41

5.1 Notação e Parâmetros. . . 42

6.1 Bloqueio de fluxos e bytes - Topologia ARVORE. . . 62

6.2 Bloqueio de fluxos e bytes - Topologia MALHA. . . 63

6.3 Bloqueio de fluxos e bytes - Topologia NSF. . . 64

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Lista de Abreviações e Siglas

ATM Asynchronous Transfer Mode

CAGR Compound Annual Growth Rate CPRI Commom Public Radio Interface

CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing DCN Data Center Networks

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing FDLs Fibra Delay Lines

HyLABS Hybrid Lightpath And Burst Switching IoE Internet Of Everything

IP Internet Protocol

ITU International Telecommunication Union JET Just-Enough-Time

M2M Machine To Machine

MG-OXC Mult Granular - Optical Cross Connect NP Non-Deterministic Polynomial time

NP Non-Deterministic Polynomial Time OBS Optical Burst Switching

OCS Optical Circuit Switching OFS Optical Flow Switching OHS Optical Hibrid Switching OMS Optical Message Switching OPS Optical Packet Switching OxC Optical Cross-Connect QoS Quality of Service

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RWA Routing and Wavelength Assignment SDH Synchronous Digital Hierarchy

SLA Service Level Agreement

SONET Synchronous Optical Networking TIC Tecnologia da Informaçao e Comunicação WDM Wavelength Division Multiplexing

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Sumário

1 Introdução 15 1.1 Contribuições . . . 19 1.2 Publicação . . . 19 1.3 Organização da Tese . . . 19 2 Referencial Teórico 20 2.1 Redes Ópticas . . . 20

2.1.1 Multiplexação por Comprimento de Onda . . . 20

2.1.2 Arquiteturas Multicamadas . . . 21

2.1.3 Roteamento e Alocação de Comprimento de Onda . . . 22

2.2 Paradigmas da Comutação em Redes Ópticas . . . 23

2.2.1 Comutação de Circuitos Ópticos - OCS . . . 23

2.2.2 Comutação de Rajadas Ópticas - OBS . . . 26

2.2.3 Comutação de Fluxos Ópticos - OFS . . . 28

2.2.4 Comutação Híbrida Óptica - OHS . . . 29

2.3 Engenharia de Tráfego . . . 31

2.3.1 Introdução à Engenharia de Tráfego . . . 31

2.3.2 Qualidade de Serviço - QoS . . . 32

2.3.3 Agregação de Tráfego . . . 32

3 Trabalhos Relacionados 33 4 Comutação de Mensagens Ópticas - OMS 35 4.1 Arquitetura Proposta . . . 35

4.1.1 Arquitetura da Rede . . . 36

4.1.2 Protocolo de sinalização para reserva de recursos . . . 36

4.1.3 Diferenças e Similaridades com outros Paradigmas . . . 40

5 Horizon-OMS 42 6 Avaliação de Desempenho 45 6.1 Cenários Simulados . . . 45

6.2 Resultados Numéricos . . . 47

6.2.1 Primeiro cenário: carga fixa – bloqueio de fluxos . . . 47

6.2.2 Primeiro cenário: carga fixa – bloqueio de bytes . . . 50

6.2.3 Segundo cenário: comprimentos de onda fixo – bloqueio de fluxos . 53 6.2.4 Segundo cenário: comprimentos de onda fixo – bloqueio de bytes . . 57

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Capítulo 1

Introdução

Estudos realizados no ano de 2015 mostram que o tráfego IP global quadruplicou nos últimos 5 anos e apontam um crescimento de 300% nos próximos 3 anos [8]. O volume de tráfego gerado, e a consequente utilização de recursos das redes, tem aumentado devido à expansão do acesso em banda larga, ao surgimento de novas aplicações e aos novos serviços oferecidos. De acordo com o estudo apresentado em [8], em 2017 o número de dispositivos conectados à rede IP será quase três vezes maior que a população global e o volume de tráfego IP gerado na Internet deve atingir 1.40 zettabytes por ano. Ademais, a diversidade de aplicações faz com que os fluxos gerados apresentem diferentes características em função de seu tamanho, duração e taxa de transmissão [29]. Tal crescimento e diversidade de tráfego requerem das redes de transporte, arquiteturas dinâmicas que sejam capazes de manter a escalabilidade exigida pela Internet, a eficiência na utilização de recursos e a qualidade dos serviços oferecidos.

O setor de Tecnologia de Informação e Comunicação TIC tem impacto significativo nas economias de diferentes países. O incremento médio na ordem de 10% de acesso banda larga produz um aumento econômico médio per capta da ordem de 0,9% a 1,5% [28]. As redes de telecomunicações, que representam uma parte significativa das TIC, estão cada vez mais presentes em nossas vidas. A taxa de crescimento anual na última década do tráfego de 30% a 50% [18], tem como uma das suas origens a expansão das redes de acesso tanto fixas como móveis.

Além disso, estima-se um crescimento de 4,5 vezes no tráfego em nuvem, passando de 1.2 zettabytes em 2012 para 5.3 zettabytes até o final de 2017. Sendo que desse volume, 17% será representado por usuários finais acessando a nuvem. Dessa forma, o aumento do crescimento do tráfego requer equipamentos mais sofisticados e com arquitetura mais complexa para manter a escalabilidade exigida pelas redes atuais [8].

Para atender a essa demanda, os provedores tem instalado linhas com elevadíssimas taxa de bits em seus backbones com canais operando a 40Gbps, ou mais recentemente a 100Gbps, baseados na tecnologia DWDM (do inglês Dense Wavelength Division Multiple-xing) [15]. Entretanto, tal crescimento do volume de tráfego na rede nos próximos anos em pouco tempo implicará numa sobre-utilização da capacidade instalada da rede, o que mostra que, para evitar um alto custo oriundo da aquisição de novos equipamentos, a utilização eficiente dos recursos da rede é um requisito imperativo que deve ser atendido pelas redes de transporte sob pena de altos custos por unidade de largura de banda, além

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 16 de alta probabilidade de bloqueio e consequente degradação dos serviços.

O aumento da eficiência da rede DWDM tem sido buscado através da eliminação das conversões O/E/O, da pesquisa sobre algoritmos e técnicas de controle mais eficientes e de paradigmas de comutação que visem uma melhor utilização dos recursos da rede, conside-rando os domínios espacial (determinando qual caminho e comprimento de onda deverão ser escolhidos) e temporal (determinando em que instante de tempo a reserva dos recursos deverá ser realizada) [33]. A pesquisa realizada sobre paradigmas de comutação óptica visa a proposição ou melhoria de um dado paradigma, dadas as ineficiências observadas em outros paradigmas. Isso tem levado à proposição de diversos paradigmas de comutação óptica tais como comutacomutação de circuitos ópticos (do inglês Optical Circuit Switching -OCS) [23, 36], comutação de pacotes ópticos (do inglês Optical Packet Switching - OPS) [34], comutação de rajadas ópticas (do inglês Optical Burst Switching - OBS) [34], comu-tação de fluxos ópticos (do inglês Optical Flow Switching - OFS) [4], além de inúmeros protocolos e algoritmos sempre visando ajustá-los a determinado cenário.

A comutação através de circuitos ópticos é um paradigma de comutação óptico maduro a ponto de ser utilizado em redes operacionais. Além disso, ele possui um gerenciamento mais fácil, além de oferecer desempenho garantido ao trafego das redes cliente. Entretanto, quando a demanda de tráfego é de difícil predição, o dimensionamento adequado dos circuitos por onde o mesmo será transportado é uma tarefa difícil, que muitas vezes provoca superdimensionamento e consequente baixa utilização dos recursos, já que os recursos são dedicados e não podem ser utilizados por outras conexões mesmo em caso de ociosidade.

Em OCS, existe o desafio de se lidar com o aumento da utilização global da rede e ao mesmo tempo os níveis aceitáveis de probabilidade de bloqueio. Muitos trabalhos têm sido propostos para controle de admissão de novas conexões [1], roteamento e atribuição de comprimento de onda [36], dimensionamento de rede [43] e agregaçao de tráfego [11]. Embora exista uma grande quantidade de trabalhos considerando o cenário de tráfego dinâmico, a OCS pode proporcionar maior utilização de recursos quando a demanda de tráfego é conhecida. Neste caso, uma matriz de tráfego é usada como entrada em formu-lação do problema para maximizar a utilização da rede [38]. Sempre que a demanda for difícil de prever, o dimensionamento dos circuitos é um problema também difícil, dado que comprimentos de onda são dedicados a conexões, resultando em sobredimensiona-mento de circuitos e consequente baixa utilização dos recursos. Assim, a capacidade da OCS em lidar com flutuações de tráfego está comprometida, levando à baixa eficiência na utilização da largura de banda.

Em [4], o paradigma OFS é introduzido como uma potencial arquitetura para redes futuras. Uma vez que, como em OCS, os dados são transmitidos através de circuitos dedicados estabelecidos ao longo dos caminhos ópticos, ele pode ser visto como um caso especial de OCS. Este paradigma é indicado para grandes volumes de dados e transações, portanto, os usuários podem reservar caminhos ópticos para uma duração de pelo menos 100mscom uma largura de banda com granularidade mínima de um comprimento de onda. Estes caminhos ópticos são selecionados por um escalonador centralizado, coordenado por um plano de controle semelhante ao utilizado em redes OCS.

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 17 OBS para aplicação em uma internet totalmente óptica, sob a premissa do processo de reserva em duas vias da OCS, provê a flexibilidade necessária para lidar com o tráfego dinâmico. A arquitetura OBS tem dois tipos de nós: nós de borda e nós de núcleo. Pacotes que chegam aos nós de borda são agregados para criar as unidades de transmissão chamadas de rajadas. Esse pacote de controle carrega informações sobre a rajada, tal como seu tamanho e o tempo de deslocamento, i.e., o intervalo entre a chegada do pacote de controle e a chegada da rajada de dados. O protocolo mais comum para reserva de recursos em uma rede OBS é o Just-Enough-Time (JET) [34]. JET reserva o canal para a duração da transmissão de uma rajada, começando no tempo de chegada previsto. Se o pedido de banda é concedido, um novo deslocamento de tempo é calculado, e essa informação é inserida no pacote de controle que está sendo encaminhado para o próximo nó ao longo da rota. Como não há confirmação da reserva de banda para transmitir uma rajada, uma rajada poderá ser descartada em um nó de núcleo se a largura de banda não foi reservada para ela. Escalonadores nos nós de núcleo reservam largura de banda para as rajadas de entrada, e esta atribuição deve minimizar o número de rajadas perdidas.

A premissa de que o processo de reserva em uma via é mais apropriada para lidar com tráfego dinâmico é contestada em [30] uma vez que não há garantia de que os recursos foram reservados antes da transmissão de dados o que pode resultar em elevados níveis de perdas de rajadas. Assim, o desempenho da rede depende da eficiência do mecanismo de escalonamento. No entanto, desde que o tempo de início e término da rajada infor-mados no pacote de controle são fixos, os nós de núcleo podem não ter margem para encontrar um melhor escalonamento. Além disso, uma vez que cada nó de núcleo pode receber vários pacotes de controle vindo de um nó de borda diferente, o processamento do pacote de controle tem que ser feito na velocidade do canal, o que implica em tempos de processamento muito curtos para o correto funcionamento da rede. A partir dessa observação, o uso prático do paradigma OBS em redes em funcionamento é muito longe de ser alcançado.

Um dos requisitos que um paradigma de comutação óptica deve cumprir é ser flexível para atender às novas demandas de tráfego. Por exemplo, grandes análises de dados tem desempenhado um papel importante no mercado de negócios para as empresas que estão adotando um modelo de negócio baseado em nuvem [5], armazenamento e processamento de seus dados usando MapReduce como aplicações. Estas aplicações geram tráfego num padrão mice-elephant [16, 29, 42] levando a um possível excesso de provisionamento de uma rede OCS e uma saturação de uma rede OBS. Outra característica importante da Internet do futuro é o suporte para usuários móvel, bem como a sua capacidade de promover a interligação entre dispositivos inteligentes, criando, assim, uma definição mais ampla de Internet, chamada de Internet de Tudo (do inglês Internet of Everything - IoE) [7, 27]. Um número crescente de aplicações máquina-a-máquina (do inglês Machine to Machine - M2M), tais como vigilância por vídeo, monitoramento de saúde, controle de transito, estações de energia e de tratamento de água, estão causando o cresimento do número de conexões [26, 40].

Em [9], prevê-se que o tráfego de dados devido a dispositivos móveis vai crescer a uma taxa composta de crescimento anual (do inglês Compound Annual Growth Rate -CAGR) de 300% no período de 2013-2018, atingindo 15,9 exabytes por mês em 2018. Um

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 18 importante percentual desse tráfego é devido as comunicações M2M que atingirá até 2 bilhões de conexões em 2018 usando tecnologias de acesso 3G, 4G e 5G. Portanto, é claro que as redes de transporte tem que ser flexível o suficiente para suportar tanto tráfego do usuário quanto o tráfego de sinalização transportado pelas portas de saída ou de entrada da rede. O tráfego de dados do usuário pode ser um fluxo de dados curto ou longo com uma taxa de bits variável. O tráfego de sinalização, por outro lado, é uma taxa constante para o (do inglês Common Public Radio Interface - CPRI) padrão [10]. Por conseguinte, a rede de transporte deve ser flexível e adequada para o transporte tanto de tráfego variável quanto de tráfego de taxa de bits constante. Assim, quando analisados em face de novas aplicações, torna-se claro que os paradigmas de comutação falham no apoio ao tráfego gerado por novas aplicações.

Os paradigmas de comutação óptica consideram o domínio espacial, determinando qual rota e comprimento de onda devem ser usados no aprovisionamento da demanda, e o domínio temporal, determinando em que instante de tempo a reserva dos recursos deverá ser realizada. Apesar de sua maturidade e ampla utilização em redes ópticas, a comutação OCS pode levar à baixa eficiência na utilização dos recursos disponíveis devido à flutuações no volume de tráfego transmitido através de caminhos ópticos com reserva de grande quantidade de banda passante por longos períodos de tempo. A comutação OFS é uma variação da OCS e, assim, sofre das mesma limitações da OCS. Por outro lado, a comutação OBS, que é utilizada para o encaminhamento de rajadas de tráfego pelo período de tempo necessário para a transmissão de cada rajada, não garante a reserva de recursos antes da transmissão das rajadas, o que pode levar a alta probabilidade de bloqueio e a degradação da qualidade do serviço em cenários de tráfego dinâmico [30]. Há, assim, a necessidade de uma forma flexível de comutação, capaz de transportar simultaneamente tráfego de diferentes características.

Torna-se, evidente, portanto, a necessidade de uma forma flexível de comutação, capaz de transportar simultaneamente tráfego com diferentes características. Esta dissertação de mestrado apresenta um novo paradigma de comutação para redes ópticas, definida aqui como Comutação de Mensagens Ópticas - (OMS), que alia as melhores característi-cas encontrados nos paradigmas OCS, OBS e OFS. Na OMS, não existe a necessidade do estabelecimento prévio de um caminho fim-a-fim (dedicado). Além disso, a reserva de largura de banda (recursos) é dinâmica, ou seja, os recursos são reservados apenas pelo período necessário e não para a chamada (estática), permitindo dessa forma, a multiplexa-ção estatística, inclusive em diferentes graus, adequando-se aos acordos de compromisso estabelecidos entre a eficiência na utilização de recursos e a satisfação de requisitos de Qualidade de Serviço (QoS). A rede OMS possui a mesma estrutura (enlace e nós) da rede OBS. A diferença principal está nos mecanismos de controle utilizados, ou seja, na forma como a reserva dos recursos necessários para a transmissão das mensagens é rea-lizada. Nesta dissertação, introduz-se, também, um algoritmo de escalonamento para a arquitetura de rede proposta. O algoritmo proposto, chamado Horizon-OMS, considera o tempo após o qual não existe nenhuma reserva (horizonte máximo) do comprimento de onda egresso de cada nó.

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 19

1.1 Contribuições

Esta dissertação contribui com um paradigma de comutação para redes ópticas DWDM e mecanismos de escalonamento para a arquitetura de rede de comutação de mensa-gens ópticas proposta. A primeira contribuição considera uma arquitetura definida como comutação de mensagens para redes ópticas utilizando a técnica DWDM. A segunda contribuição considera o estudo de mecanismos de escalonamento das mensagens para a arquitetura proposta. Em resumo, as contribuições desta dissertação são:

• Revisão dos paradigmas de comutação em redes ópticas;

• Apresentação de um novo paradigma para comutação em redes ópticas; • Proposta de um algoritmo para o escalonamento para o paradigma OMS.

1.2 Publicação

Os resultados obtidos nessa dissertação foram reportados em:

• Canato, R. L. C.; Figueiredo, G. B.; Santi, J. de, Fonseca, Nelson L.S. da, "Co-mutação de Mensagens Ópticas - OMS, Um Novo Paradigma Para Redes Ópticas", Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC), pp. 1157-1170, Jun 2016.

1.3 Organização da Tese

Todos os estudos realizados nessa dissertação tem como objetivo a apresentação de um paradigma de comutação para redes ópticas bem como do mecanismo de escalonamento desenvolvido para o paradigma de comutação proposto.

Os próximos capítulos estão organizados da seguinte forma: O Capítulo 2 descreve o referencial teórico utilizado. O Capítulo 3 descreve os trabalhos relacionados. O Capítulo 4 descreve a arquitetura e funcionamento da rede de comutação de mensagens ópticas proposta. O Capítulo 5 apresenta o algoritmo de escalonamento proposto. O Capítulo 6 apresenta os estudos para rede de comutação de mensagens e os resultados das simulações. O Capítulo 7 apresenta as conclusões e sugestões para trabalhos futuros.

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Capítulo 2

Referencial Teórico

Neste capítulo, serão apresentados conceitos básicos sobre redes ópticas com multiplexa-ção por comprimento de onda, arquiteturas multicamadas, conceitos sobre o problema de roteamento e atribuição de comprimento de onda, uma introdução sobre engenha-ria de tráfego, qualidade de serviço, agregação de tráfego e uma revisão dos principais paradigmas de comutação em redes ópticas.

2.1 Redes Ópticas

A tecnologia óptica é amplamente utilizada em redes de telecomunicações, constituindo hoje a infra-estrutura básica de rede da camada física na maior parte do mundo, tendo como principais características a alta velocidade, grande capacidade entre outras propri-edades atrativas [13]. De uma forma muito simplificada, uma rede pode ser vista com um conjunto de canais ópticos, em que cada canal usa um comprimento de onda, e todos compartilham o mesmo meio de transmissão. No entanto, o gargalo gerado pela conversão eletro-óptica é significativo e impede essas redes de fluir o tráfego dinâmico e intenso das novas aplicações, como por exemplo a Internet, limitando a evolução e flexibilidade da rede [14, 37]. Diferentes abordagens têm sido propostas para melhorar o desempenho das redes ópticas, tais como o roteamento, a atribuição de comprimento de onda e estratégias de tráfego para fazer a rede óptica mais interessante em relação ao custo e a eficiência [12].

2.1.1 Multiplexação por Comprimento de Onda

Desenvolvida na década de 80, a WDM (Wavelength Division Multiplexing) é uma das técnicas utilizadas para acesso a grande largura de banda disponível que é realizada através da divisão e multiplexação de comprimento de onda [24, 35]. Esta técnica permite que diferentes sinais possam ser transportados simultaneamente por um mesmo sistema de transmissão óptico. Dessa forma, é possível transmitir dois ou mais canais de informação simultaneamente através da divisão da largura de banda de uma única fibra óptica em múltiplos canais [24, 35], de modo que cada frequência ou comprimento de onda funcione como um canal de comunicação separado. Cada canal opera a uma certa velocidade, permitindo a expansão da capacidade das redes ópticas. A tecnologia WDM permite a

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CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 21 existência de uma grande quantidade de canais em uma única fibra óptica. Cada canal opera a uma velocidade de cerca de Gbit/s. A capacidade total de um enlace WDM pode chegar a taxas de transmissão da ordem de Tbit/s. Apesar de um comprimento de onda ser capaz de acomodar diferentes demandas de banda passante, as demandas raramente coincidirão com a capacidade total do comprimento de onda, levando a subutilização do espectro [24, 35]. A CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) e a DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) são variações da tecnologia WDM que surgiram na década de 90, sendo a diferença entre a WDM e suas variações (CWDM e a DWDM) a densidade dos canais. Segundo a ITU (International Telecommunications Union), os sistemas DWDM podem combinar até 64 canais no mesmo intervalo de frequência usado em dois canais CWDM. No entanto, pode-se encontrar, na prática, sistemas DWDM que podem multiplexar até 128 comprimentos de onda. As tecnologias CWDM e DWDM podem ser utilizadas em uma mesma fibra.

2.1.2 Arquiteturas Multicamadas

Diversas arquiteturas para envio de tráfego IP sobre redes WDM tem sido propostas nos últimos anos. Normalmente, essas arquiteturas são modeladas em camadas com suas funcionalidades e escopo [41]. Em cada escopo, as funcionalidades permitem o redire-cionamento de tráfego dessas redes como forma alternativa em caso de falha. Em redes multicamadas, o redirecionamento pode ocorrer em camadas diferentes ou na mesma ca-mada [41]. Apesar de cada caca-mada ter uma funcionalidade específica, múltiplas caca-madas podem originar ineficiências tais como overhead de processamento e controle que podem produzir o acumulo de atraso e impedir a provisão na garantia de Qualidade de Serviço. A Figura 2.1 esboça a arquitetura multicamadas para redes ópticas WDM.

WDM IP SDH - SONET ATM WDM IP SDH - SONET IP WDM

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CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 22 Uma das primeiras arquiteturas multicamadas propostas foi a com quatro camadas: (IP sobre ATM sobre SDH - SONET sobre WDM). No entanto, cada camada com seus equipamentos, custos de configuração e operação, além das quatro camadas de geren-ciamento. Uma segunda proposta, com três camadas: (IP sobre SDH - SONET sobre WDM). Porém, os custos relacionados a gerenciamento, equipamentos, configurações e operação ainda se mostravam proibitivos. Com base nestes custos, foi proposta uma ar-quitetura baseada em duas camadas: (IP sobre WDM), que tem sido considerada mais atraente, sendo mais flexível e mais extensível.

O modelo de duas camadas IP sobre WDM surgiu da necessidade de eliminar as limitações, como sobrecarga, encontradas nas camadas ATM e SDH - SONET. Este modelo permite melhor utilização de largura de banda do que o proporcionado pelo modelo de três camadas, além de reduzir também a complexidade e os custos de gestão e operação da rede. Algumas funções que eram implementadas nas camadas SDH - SONET e ATM, como proteção de comutação e alocação de largura de banda flexível foram implementadas no modelo de duas camadas.

2.1.3 Roteamento e Alocação de Comprimento de Onda

Em redes ópticas WDM, para o estabelecimento de comunicação entre um par de nós é necessário a construção de um caminho óptico (lightpath) fim a fim. Para a construção desse caminho óptico é utilizado uma rota e um comprimento de onda. O problema da escolha de uma rota e um comprimento de onda adequado para cada caminho óptico é conhecido como problema RWA (Routing Wavelength Assignment). O RWA ou problema de roteamento e alocação de comprimento de onda em redes ópticas é mais complexo do que o problema de roteamento em redes eletrônicas [37, 51]. Essa complexidade adicional deve-se ao fato da restrição de comprimento de onda, onde na ausência de conversores de comprimento de onda, o caminho óptico precisará ocupar o mesmo comprimento de onda em todos os enlaces entre um nó origem e um nó destino [37, 51]. Do ponto de vista computacional, tratar os problemas de roteamento e alocação de comprimento de onda de forma unificada pode ser demasiadamente oneroso, sendo em algumas abordagens tra-tados separadamente em dois sub-problemas: o roteamento e a alocação de comprimento de onda [25, 37, 51].

Resumidamente, pode-se descrever o funcionamento dos algoritmos de RWA da se-guinte forma: i) Escolha dos enlaces físicos que compõem a rota entre origem e destino, baseadas em uma determinada métrica, como por exemplo, a de menor caminho. ii) Or-denação dos comprimentos de onda. iii) Selecão da melhor rota e do melhor comprimento de onda, estabelecendo o melhor caminho (menor custo, por exemplo). Dependendo do estado da rede no momento da requisição ao plano de controle do estabelecimento de caminho óptico, a disponibilidade dos recursos podem não ser suficientes e dessa forma a requisição será bloqueada.

Um exemplo de alocação de comprimento de onda é ilustrado na Figura 2.2, onde percebe-se que dois caminhos ópticos contendo enlaces em comum nas suas rotas são estabelecidos, sendo necessário dois comprimentos de onda.

(23)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 23 Nó de Borda Roteador Enlace Elétrico Enlace Óptico A B C D E F G



1



2



1



2



2

Figura 2.2: Roteamento e Alocação de Comprimento de Onda.

2.2 Paradigmas da Comutação em Redes Ópticas

A evolução das redes ópticas tem sido impulsionadas pelo crescimento exponencial do trá-fego da Internet e pelos avanços das tecnologias ópticas, em especial a WDM (Wavelength Division Multiplexing). Vários paradigmas de comutação ópticas tem sido investigados. A pesquisa realizada sobre paradigmas de comutação óptica visa a proposição ou melhoria de um dado paradigma, dadas as ineficiências observadas em outros paradigmas. Isso tem levado à proposição de diversos paradigmas de comutação óptica tais como comutação de circuitos ópticos (do inglês Optical Circuit Switching - OCS) [23, 36], comutação de paco-tes ópticos (do inglês Optical Packet Switching - OPS) [34], comutação de rajadas ópticas (do inglês Optical Burst Switching - OBS) [34], comutação de fluxos ópticos (do inglês Optical Flow Switching - OFS) [4] e comutação óptica hibrida (do ingles Optical Hibrid Switching - OHS) [3], além de inúmeros protocolos e algoritmos. O objetivo desta dis-sertação de mestrado é apresentar um novo paradigma para comutação em redes ópticas, que alie o melhor encontrado nos paradigmas Optical Circuito Switching - (OCS), Optical Burst Switching - (OBS) e Optical Flow Switching (OFS).

2.2.1 Comutação de Circuitos Ópticos - OCS

Em uma rede de Optical Circuit Switching (OCS) [6, 23, 36], a transmissão entre um par de nós é precedida por um canal chamado de caminho óptico e é composto por um ou

(24)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 24 mais comprimentos de onda em cada link DWDM ao longo da rota entre os nós origem e destino. A comunicação é feita através de caminho ópticos em domínios completamente ópticos sem a necessidade de armazenamento ou processamento nos nós intermediários, evitando o gargalo elétrico-óptico. A Figura 2.3 apresenta uma arquitetura simplificada de uma rede OCS.

Circuito de dados Pacote de Controle Pacote IP Comutador OCS Roteador IP DOMINIO OCS λ1 λ2 λ3 λ4 _{Canal de Controle} Canal de Dados tempo offset time

Figura 2.3: Esboço da arquitetura da rede OCS.

Como pode ser visto na Figura 2.4 a arquitetura de um comutador óptico é composto basicamente por portas locais, multiplexadores/desmultiplexadores e um Cross-Connect Optico (OxC) [19]. As portas locais permitem a inserção e remoção do tráfego da rede de acesso e conectam os nós vizinhos de acordo com a topologia da rede, usados para encaminhar o tráfego ao longo do percurso para o destino.

(25)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 25

Período reservado para o circuito 1 Pacote de Controle (CP) Início de tempo do circuito “x” Legenda info = [sx] i j info = [s1] tempo info = [s2] E info = [s2] info = [s1]

Figura 2.4: Processo de reserva de recursos da rede OCS.

Para comutar diferentes comprimentos de onda que chegam em uma fibra de entrada, é necessário desmultiplexar, para separá-los espacialmente. A comutação de cada com-primento de onda é realizada pela OxC, que redireciona cada um a sua respectiva porta de saída. Sempre que um tráfego é originado por um nó, o OxC muda de uma porta local para uma porta tronco. Se o tráfego está destinado a um nó, a comutação é feita a partir de uma porta tronco a uma porta local. Finalmente, quando o tráfego é um tráfego de trânsito, é ligado a partir de uma porta tronco para outro porta tronco. Após a comutação, comprimentos de onda que compartilham a mesma porta de saída são mul-tiplexados. Deste modo, é possível encaminhar para cada comprimento de onda de forma independente ao longo dos comutadores.

O desempenho de uma rede OCS está diretamente relacionada com a eficácia em qual caminho ópticos são estabelecidos. O estabelecimento do caminho óptico é realizado num processo de reserva em duas etapas. Na primeira etapa, um pedido é enviado sentido ao nó de destino com a finalidade de reserva de recursos em cada nó ao longo do per-curso. Se houver recursos suficientes em cada nó, uma confirmação é enviada de volta ao requisitante. Após este processo, o caminho óptico está pronto para uso.

Durante a criação de um caminho óptico, é necessário definir a rota e o comprimento de onda a ser usado. Este problema é conhecido como roteamento e atribuição de compri-mento de onda (RWA). Quando o conjunto de conexões é conhecida com antecedência, o estabelecimento pode ser determinado de uma forma global. Isto é, o problema do RWA é caracterizado como estático, cujo objetivo é minimizar a quantidade de recursos

(26)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 26 necessários para atender um determinado conjunto de conexões. Por outro lado, quando as solicitações chegam dinamicamente, isto é, o RWA é caracterizado como dinâmico e o objetivo é maximizar a utilização da rede, minimizando a probabilidade de bloqueio de conexões futuras.

O RWA estático é um problema NP-Completo [6] e a sua versão dinâmica é ainda mais difícil porque ele precisa ser resolvido on-line, portanto, abordagens heurísticas são comumente usadas [51]. Para simplificar a solução, a formulação do problema RWA, é dividida em dois subproblemas resolvidos de forma independente, que são: o problema do roteamento e o problema de atribuição de comprimento de onda.

Roteamento em redes OCS é classificado em três tipos: roteamento fixo, roteamento alternativo e roteamento adaptativo [51]. O roteamento fixo de uma única rota fixa é definida anteriormente. Esta abordagem é simples, mas não é tolerante à falhas nem distribui o tráfego da rede quando há mais do que uma rota disponível, o que implica na saturação de enlaces ao longo das rotas pré-definidas. O esquema de roteamento fixo-alternada também usa rotas pré-definidas, mas considera mais de uma rota para cada par origem-destino, para quando o percurso principal não estiver disponível, uma via secundária pode ser escolhida. Esta abordagem fornece tolerância à falhas e é mais flexível, quando comparado ao roteamento fixo.

No encaminhamento adaptativo, o percurso é escolhido de forma dinâmica e conec-tados. A escolha é feita com base no estado atual da rede, definido pelo conjunto de caminhos ópticos ativos. Desta forma, todos os caminhos possíveis de uma rota podem ser utilizado e a conexão será bloqueada apenas se nenhum deles tem recursos suficientes. Outra abordagem de roteamento adaptativo é usar um conjunto pré definido de rotas em conjunto com funções de custos. O roteamento adaptativo tem menor probabilidade de bloqueio, mas tem como desvantagem a complexidade computacional a sobrecarga de controle de tráfego e computação da rota.

O problema de atribuição de comprimento de onda consiste em escolher um compri-mento de onda disponível em todos os links ao longo da rota, respeitando a restrição de continuidade do comprimento de onda. Na versão estática, o problema pode ser reduzido ao de coloração de um grafo. Quando não há um conhecimento prévio sobre as demandas de tráfego, heurísticas são usadas para minimizar a probabilidade de bloqueio de cone-xões de entrada. Muitos algoritmos tem sido propostos, tais como: Random, First-Fit, Least-Used e Most-Used.

Após o estabelecimento do caminho óptico, toda a largura de banda do comprimento de onda é reservado para a conexão. Além disso, a latência associada com o processo de reserva em duas etapas diminui a eficiência da OCS em transações de curta duração. Portanto, de uma maneira geral, a OCS é mais apropriada para operações de longa duração que necessitem de garantias de largura de banda e QoS.

2.2.2 Comutação de Rajadas Ópticas - OBS

Introduzida em [34] como comutação puramente óptica para a Internet do futuro, o paradigma Optical Burst Switching - OBS tenta combinar a granularidade da comutação de circuitos e da comutação de pacotes [32]. A arquitetura da rede OBS possui dois tipos

(27)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 27 de nós: os nós de borda e os nós de núcleo. Os pacotes que chegam a um nó de borda são agregados de acordo com o endereço de destino e, em seguida agrupados em rajadas. A Figura 2.5 apresenta uma arquitetura simplificada de uma rede OBS.

Fila de Pacotes Fila de Rajadas

BU CS Rajada de Dados

Pacote de Controle Pacote IP

Escalonador de Canais

Unidade de Montagem da Rajada BU CS Comutador OBS Roteador IP DOMINIO OBS λ1 λ2 λ3 λ4 _{Canal de Controle} Canal de Dados tempo offset time

Figura 2.5: Esboço da arquitetura da rede OBS.

A construção das rajadas é realizada pelos nós de borda que possuem interfaces ele-trônicas para receber os pacotes das redes de acesso e interfaces ópticas para o envio das rajadas. Antes de ser transmitida uma rajada, um pacote de controle é enviado ao nó destino pelo nó de borda para a reserva dos recursos necessários para a transmissão. O encaminhamento da sinalização de reserva de recursos, o roteamento e a comutação das rajadas é realizado pelos nós de núcleo [48]. Os comutadores entre a fonte e o destino convertem e processam eletronicamente o pacote de controle. Um protocolo comumente usado para reserva de recursos em redes OBS é o Just-Time-Enough (JET) [34, 50]. O protocolo JET reserva o canal para a duração da transmissão de uma rajada, começando na hora prevista de chegada (determinado pelo tempo de offset menos tempo de processa-mento da rajada). Se o pedido de reserva de banda é concedido, um novo deslocaprocessa-mento de tempo é calculado, e essa informação é introduzida no pacote de controle que está sendo encaminhado para o próximo salto ao longo da rota. Um esboço simplificado do processo de reserva de recursos da rede OBS pode ser observado na Figura 2.6.

(28)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 28 i j info = [s1i,e1i] info = [s1 j,e1j] Offset Time Offset Time

Período de reserva para a rajada 1 _{Pacote de Controle (CP)}

tempo Período de reserva da rajada “x” para o nó “y”

Legenda info = [s2 i,e2i] s1 i e1i s2i e2i info = [s2j,e2j] s1j e1js 2 j e2j info = [sx y,exy]

Figura 2.6: Processo de reserva de recursos da rede OBS.

Se os recursos estiverem disponíveis, serão alocados pelo comutador. Caso contrário, a rajada será bloqueada. Caso o protocolo de sinalização utilizado seja em uma via, ou seja, sem confirmação da reserva e ocorra um bloqueio, a rajada será descartada e os dados serão perdidos. Dessa forma, a reserva em uma via pode resultar em alta probabilidade de bloqueio por não existir garantia de reserva de recursos para a transmissão dos dados. Assim, o sucesso das reservas remetidas à rede depende da eficiência dos mecanismos de controle, em especial dos algoritmos de canais utilizados [12].

2.2.3 Comutação de Fluxos Ópticos - OFS

Em [4], é apresentada a Optical Flow Switching (OFS) como uma potencial arquitetura para as redes do futuro. Em uma rede OFS, usuários requisitam caminho ópticos fim-a-fim para transações de longa duração, tais requisições são escalonadas para os momentos em que a rede dispõe dos recursos solicitados, respeitando os limites de atraso de cada requisição. A menor granularidade de largura de banda que pode ser reservada é um comprimento de onda e tal recurso fica disponível de forma ininterrupta durante o período em que a reserva for escalonada.

Cada usuário requisita recursos para um determinado fluxo de dados e a transmissão é iniciada apenas após a configuração do caminho óptico. Desta forma, o enfileiramento dos dados é feito no nó de origem, dispensando o uso de buffer no núcleo da rede. Uma

(29)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 29 vez que a requisição é atendida, os dados são transmitidos de forma contínua através do mesmo comprimento de onda e pela mesma rota (caminho óptico). Os recursos alocados para uma determinada transmissão de dados ficam reservados apenas durante o período de tempo necessário para a transmissão, ao final, estes tornam-se disponíveis para outros usuários.

Um nó de núcleo de uma rede OFS é um dispositivo sem buffer equipado com um optical cross-connect (OxC) e os componentes eletrônicos necessários para realizar o pro-cessamento dos pacotes do plano de controle. A complexidade da rede reside nos nós de borda, responsáveis por receber as requisições e escalonar e coordenar a reserva dos re-cursos. Existem poucas propostas de algoritmos de escalonamento para essa arquitetura de rede, estas serão tratadas no Capítulo 3. Devido ao custo associado à conexão óptica fim-a-fim e ao overhead resultante do estabelecimento do caminho óptico, a arquitetura OFS é prevista para atender exclusivamente transações de longa duração (>1 seg) que necessitam de grande largura de banda [2], enquanto que as outras transações serão atendidas de forma mais eficiente por outras arquiteturas.

2.2.4 Comutação Híbrida Óptica - OHS

O estudo de redes ópticas híbridas WDM é um tema que tem despertado a atenção da comunidade de redes ópticas e obviamente, diversos trabalhos tem sido propostos na literatura recentemente. Buysse et. all [3] propõem uma classificação baseada no grau de interação e integração das tecnologias de redes OBS e OCS. Em tal classificação, as redes ópticas híbridas são divididas em três arquiteturas: Redes Ópticas Híbridas Cliente/Servidor, Redes Ópticas Híbridas Paralelas e Redes Ópticas Híbridas Integradas. Na primeira categoria, a estrutura de comutação da rede óptica é agrupada em uma hierarquia de duas camadas, onde a camada superior é a camada cliente, representada pela tecnologia de comutação óptica OBS. Esta camada solicita um determinado serviço de transporte óptico de dados para a camada inferior, denominada de camada servidora, e que é representada pela tecnologia de comutação óptica OCS, como pode ser observado na Figura 2.7, que ilustra o comportamento de tráfego da rede óptica híbrida cliente/servidor.

(30)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 30 1 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 λ 2 λ 2 λ 1 λ λ3 4 λ 1 λ 1 λ 1 λ 5 λ 4 λ 1 λ 7 8 9 10 11 12 13 c c c c c c c Nós OPS/OBS Nós OCS Cam ada Serv idor Cam ada Clie nte Roteador IP

Núcleo de Comutação OBS

Núcleo de Comutação OCS

B B B B B B B c

Figura 2.7: Modelo rede óptica híbrida - cliente/servidor.

A segunda categoria refere-se ao modelo de rede óptica híbrida paralela. Neste modelo, a rede óptica é formada por duas camadas paralelas e independentes, como pode ser observado na ilustração da Figura 2.8. Neste modelo, a estrutura de comutação da camada superior é constituída única e exclusivamente pela tecnologia óptica OBS ao passo que na camada inferior essa mesma estrutura é formada pela rede OCS. Para a seleção do tráfego a ser direcionado para cada uma das camadas, um nó periférico inteligente seleciona a camada de comutação com base na solicitação do usuário, no modelo de tráfego de entrada ou em ambos. 1 λ 3 λ 1 λ 2 λ λ3 2 λ 2 λ 1 λ λ3 4 λ 1 λ 1 λ 1 λ λ5 4 λ 1 λ 7 8 9 10 11 12 13 c c c c c c c Nós OPS/OBS Nós OCS Cam ada Serv idor Cam ada Clie nte B B B B B B Roteador IP Comutador Núcleo OBS

Comutador Núcleo OCS

B c

Figura 2.8: Modelo rede óptica híbrida - paralela.

A terceira categoria Figura 2.9 refere-se às Redes Ópticas Híbridas Integradas, onde duas ou mais tecnologias de redes ópticas são integradas em uma só para oferecer um ser-viços de transporte de dados. Desta forma, todos os nós da rede óptica híbrida integrada compartilham os mesmos recursos de largura de banda, compartilhamento de recursos, protocolos, comprimentos de onda e protocolo de sinalização. Nesta categoria, um nó externo solicita a um nó de borda da rede óptica um serviço de transporte de dados.

(31)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 31 O nó de borda, baseado nas características do tráfego ou nos parâmetros de qualidade de serviço, configura um paradigma óptico (OCS ou OBS) para o transporte do tráfego solicitado. Em um nível lógico, os comutadores OBS e OCS não têm conhecimento entre si, e a escolha entre eles é feita exclusivamente no ponto de entrada das unidades de dados na borda da rede. 1 λ 3 λ 1 λ 2 3 λ 2 λ 2 λ 1 λ λ3 4 λ 1 λ 1 λ 1 λ 5 λ 4 λ 1 λ 7 8 9 10 11 12 13 c c c λ Roteador IP Núcleo OBS/OCS λiModo Circuito Modo Rajada

Figura 2.9: Modelo rede óptica híbrida - integrada.

No entanto, apesar de ser atraente do ponto de vista financeiro, vários desafios precisam ser abordados no paradigma de comutação híbrida, a fim de produzir baixa probabilidade de bloqueio com utilização máxima quando diferentes tipos de fluxos são transportados na mesma infra-estrutura física usando diferentes paradigmas de comutação ópticos. Um desses desafios é como selecionar o paradigma para o transporte de um certo fluxo na rede óptica.

2.3 Engenharia de Tráfego

Nesta seção, serão introduzidos conceitos básicos sobre Engenharia de Tráfego e Qualidade de Serviço (QoS).

2.3.1 Introdução à Engenharia de Tráfego

De uma forma bem simplificada, pode-se definir a engenharia de tráfego como sendo um processo que visa organizar o tráfego que flui em uma rede na tentativa de evitar congestionamentos causados pela utilização desigual da rede a fim de que os recursos sejam utilizados de forma balanceada. Assim, ao utilizar a engenharia de tráfego, enfatiza-se, também, a qualidade dos serviços (do inglês Quality of Service - QoS), e os níveis de acordo de serviço (do inglês Service Level Agreement - SLA) através da modelagem, medição, caracterização e controle da rede, em busca da otimização da utilização dos recursos da rede, de maneira que seja possível previnir e evitar sobrecarga, congestionamento ou subutilização dos recursos e visando a melhoraria do desempenho.

(32)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 32

2.3.2 Qualidade de Serviço - QoS

Pode-se entender a Qualidade de Serviço - QoS como a exigência de determinados parâ-metros (atraso, variação do atraso, vazão, perdas, etc.) dentro de limites bem definidos. Assim, a provisão de QoS pode ser descrita como o processo de transmitir dados de acordo com uma expectativa. Isso remete a QoS em um sentido mais amplo, na qual considera-se a confiabilidade e previsibilidade, podendo proporcionar, desta forma, tratamento diferen-ciado às aplicações. A solicitação de Qualidade de Serviço é definida através de um nível de acordo de serviço - SLA, no qual são definidos claramente os requisitos garantidos para que uma aplicação possa atender um certo nível de qualidade. A qualidade de Serviço -QoS pode ser implementada através da utilização de diversos mecanismos, entre os quais, citam-se: algoritmos de controle de filas, algoritmos de prioridades, algoritmos de escalo-namento, algoritmos de congestionamento e protocolos de sinalização [47]. Na tentativa de estender a garantia de QoS, a escalabilidade de algoritmos, protocolos e mecanismos de QoS tem se tornado alvo de constantes pesquisas. A aceitação dos mecanismos de controle de QoS dependem da sua flexibilidade de adaptação como por exemplo, compatibilizar aplicações que possuem requisitos diferentes entre si.

2.3.3 Agregação de Tráfego

Em redes WDM, um caminho óptico pode estender-se por vários enlaces de fibra sendo que o tráfego transportado pode ser roteado por roteadores ópticos intermediários. A alocação de banda passante ocorre em múltiplos da capacidade de um comprimento de onda, que, nos dias de hoje, corresponde a 40 ou 100 Gbps [11, 15]. Quando a demanda de banda passante é consideravelmente inferior à capacidade de um comprimento de onda (na ordem de Mbps), o mecanismo de agregação de tráfefo (em inglês, traffic grooming) deve ser utilizado para agregar diversos fluxos com pequenas demandas de banda em caminhos ópticos [11, 21]. Um dos requisitos necessários para agregação de tráfego é a resolução do problema de roteamento e alocação de comprimento de onda (do inglês, routing and wavelength assignment - RWA), ou seja, definir a rota a ser utilizada para o estabelecimento da conexão e o comprimento de onda a ser utilizado ao longo da rota [11, 21].

(33)

Capítulo 3

Trabalhos Relacionados

Esta seção apresenta trabalhos relacionados à comutação óptica híbrida, que considera múltiplos paradigmas de comutação em um mesmo nó da rede, utilizadas como base para o desenvolvimento da arquitetura de comutação e do algoritmo de escalonamento propostos. Em [49], é realizada uma avaliação de desempenho das redes OCS e OBS. Os resultados são incipientes mas apontam para uma maior utilização das redes OBS em relação às redes OCS. Em [31], é realizada uma avaliação de desempenho de uma rede híbrida OBS/OCS levando-se em consideração critérios de QoS como perda e atraso de pacotes. O artigo considera uma rede híbrida paralela em que a rede OBS é utilizada para tráfego sensível a atraso enquanto a rede OCS é utilizada para tráfego sensível a perdas.

Em [44], propõem-se modelos analíticos para um nó da rede óptica híbrida integrada considerando tanto o caso em que os circuitos possuem prioridade sobre as rajadas quanto o caso em que não existe prioridade entre os paradigmas de comutação óptica.

Em [46], é apresentada uma arquitetura de rede óptica híbrida integrada não pre-emptiva em que as reservas da rede OBS não são descartadas em função das reservas da rede OCS. Na proposta, quando um pedido de reserva para rede OCS chega ao nó de borda, caso o único comprimento de onda disponível esteja sendo utilizado por rajadas, a requisição do circuito é enfileirada até que as rajadas tenham sido transmitidas.

Em [45], propõe-se um modelo de rede híbrida integrada, denominado HyLABS (do inglês Hybrid Lightpath and Burst Switching). Nesta arquitetura, os pacotes são enca-minhados prioritariamente pela rede OCS em caminhos ópticos estabelecidos do nó de borda ao nó de destino dos pacotes. A topologia virtual da rede OCS é inicialmente cons-truída usando programação linear com uma matriz de tráfego estática. Assim, quando um pacote chega ao nó de borda, o mesmo realiza uma busca à procura de caminhos ópticos que conectem o nó de borda ao nó de destino. Caso não existam caminhos ópticos diretos, ou os existentes não possuam capacidade para transportar os pacotes, uma nova busca a caminhos com mais saltos é realizada. Caso não obtenha sucesso, os pacotes são encaminhados usando-se o paradigma OBS.

Em [20], é apresentada uma arquitetura de rede híbrida baseada no modelo cli-ente/servidor em que o tráfego excedente dos circuitos já provisionados é encaminhado pela rede através do paradigma OBS. Inicialmente, circuitos de diferentes classes de ser-viço, denominados circuitos primários, são criados entre os múltiplos comutadores híbridos de borda. Assim, quando um pacote de controle associado à uma rajada chega a um dos

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CAPÍTULO 3. TRABALHOS RELACIONADOS 34 nós, é verificado, usando informações relativas ao seu destino, e prioridade, se existe um circuito primário que possa ser usado para se transmitir a rajada. Caso exista, a mesma é encaminhada. Caso não exista, canais adicionais são inspecionados à procura de algum que possa acomodar a demanda. Apesar da proposta ser simples, ela não especifica como os recursos devem ser reservados, como as rajadas são criadas e como é o processo de seleção de canal.

Em [17], propõe-se uma arquitetura de nó híbrido OBS/OCS. Esta arquitetura parte do conceito de MG-OXC (do inglês Multi-Granular Optical Cross Connect), que são co-mutadores que englobam duas matrizes de comutação em um único nó.

Em [22], é apresentada uma avaliação de desempenho quantificando o impacto pro-duzido pela rede OBS na probabilidade de bloqueio da rede OCS. Além disso, o artigo apresenta uma estratégia para atualização de informações capaz de diminuir as perdas na rede devido a informações desatualizadas.

Em [39], propõe-se uma arquitetura de rede óptica híbrida para a interconexão de DCN (do inglês Data Center Networks), denominada HyScaleII. Nessa arquitetura, OCS e OBS são usadas para transmitir fluxos de baixa e alta granularidade, respectivamente. O artigo propõe como a topologia da rede deve ser organizada de forma que seja escalável e tolerante a falhas, além de capaz de suportar o grande volume de dados transmitido. Além disso, os autores apresentam um algoritmo de roteamento capaz de levar vantagem da topologia empregada, aumentando assim o desempenho da rede.

Diferentemente das arquiteturas de comutação híbrida existentes na literatura, que consideram diferentes paradigmas de comutação que interagem no mesmo nó, o paradigma de comutação proposto no presente trabalho, alia somente as melhores características dos paradigmas OCS, OBS e OFS visando flexibilizar o aprovisionamento de tráfego dinâmico, utilizar a banda passante disponível de forma eficiente e garantir qualidade para os serviços fornecidos.

(35)

Capítulo 4

Comutação de Mensagens Ópticas

-OMS

Este capítulo apresenta um novo paradigma de comutação óptica, a comutação de men-sagens ópticas, definida aqui como OMS, que combina os benefícios dos paradigmas OCS, OFS e OBS para oferecer garantia de serviço, multiplexação estatística e capacidade de lidar com tráfego dinâmico.

4.1 Arquitetura Proposta

O paradigma proposto, denominado Comutação de Mensagens Ópticas (Optical Message Switching OMS), capitaliza nas melhores características dos paradigmas de comutação de circuitos (OCS), de comutação de fluxos (OFS) e de comutação de rajadas (OBS) para aumentar o número de fluxos aceitos, bem como utilizar os recursos disponíveis de forma eficiente e garantir a qualidade do serviço oferecido.

A motivação para o desenvolvimento do paradigma OMS baseia-se em duas obser-vações: i) a ocupação dos circuitos em redes OCS e OFS é baixo quando há grandes flutuações de tráfego ou longos períodos de inatividade nas fontes de tráfego e ii) uma condição suficiente para oferecer garantia de serviço para um fluxo é que os recursos devem estar disponíveis em todos os instantes de tempo em que são necessários. No entanto, esta condição não implica necessariamente em reserva contínua. A partir destas duas obser-vações, ao invés de usar circuitos com reservas contínuas, a OMS propõe o uso de várias reservas curtas antecipadas, formando uma espécie de circuito descontinuo no tempo. O comprimento destas reservas e o tempo entre elas são projetadas para coincidir com a emissão de tráfego pela fonte de dados. Assím, se um dado fluxo é admitido, os recursos estarão sempre disponíveis quando necessários e não permanentemente como em OCS. Além disso, os períodos entre reservas podem ser alocados a outros fluxos, permitindo multiplexação estatística e, consequentemente, aumentando o número de tráfego que flui no interior da rede.

Para sanar a deficiência de dinamicidade e flexibilidade na reserva de recursos, ao invés de usar circuitos com reservas contínuas do ponto de vista temporal, a OMS propõe o uso de múltiplas reservas avançadas, através da multiplexação estatística, com menor

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CAPÍTULO 4. COMUTAÇÃO DE MENSAGENS ÓPTICAS - OMS 36 duração. Cada reserva avançada é utilizada para transmitir uma porção dos dados, ou seja uma mensagem do fluxo. Adicionalmente, contrapondo-se ao OBS, que provê uma relação 1:1 entre pacotes de controle e rajadas, o OMS prove uma relação de 1:N entre pacotes de controle e mensagens, significando que para um conjunto de “N” mensagens, apenas um único pacote de controle é usado.

Além disso, o número de mensagens para um fluxo é determinado em função da quan-tidade de dados requisitada e do tamanho máximo da mensagem em bytes, informações que são obtidas através das especificações para estabelecimento do fluxo. Assim, na abor-dagem proposta, utiliza-se o conjunto de reservas avançadas para comutar um conjunto de mensagens ópticas. Na comutação OMS, a duração das reservas e o tempo entre elas são projetados para coincidir com o comportamento do tráfego. Desta forma, após a reserva de recursos, se um dado fluxo é admitido, os recursos estarão sempre disponíveis pelo tempo necessário. Além disso, os períodos entre reservas podem ser alocadas para comutar mensagens de outros fluxos, ou seja realizar multiplexação estatística, e, conse-quentemente, aumentar a capacidade de aprovisionamento de fluxos na rede. Finalmente, em um cenário de mudança de tráfego, seja por aumento da carga ou prioridade de tráfego, as últimas reservas feitas para um fluxo podem ser liberadas em favor de novas reservas, aumentando a flexibilidade para lidar com tráfego dinâmico.

4.1.1 Arquitetura da Rede

Na arquitetura para a rede OMS, apresentada na Figura 4.1, os nós de borda recebem fluxos de pacotes IP e os transmitem através dos enlaces de núcleo da rede após o pro-cesso de reserva de recursos, detalhado na Seção 4.1.2. Esse propro-cesso inicia-se após o nó de borda receber uma solicitação de transmissão de fluxo. A solicitação descreve o fluxo especificando o número de bytes a ser transmitido (S), e a ocupação média de um comprimento de onda (ρ = λ

u, sendo λ o número de bytes a serem transmitidos pelo fluxo

e u a velocidade do enlace). Adicionalmente, cada comutador OMS mantém o parâmetro operacional β que indica o menor intervalo de tempo possível de duração de reserva de recursos, e é usado para determinar o número de períodos de reservas necessários para atender um determinado tamanho de fluxo.

Os pacotes recebidos a partir de camadas superiores são armazenados em filas de acordo com o nó de destino ou a especificação de QoS. Os dados são então passados para a Unidade de Adaptação de Transmissão (Transmission Adaptation Unit - TAU), que é responsável pela adaptação dos dados armazenados no nó de borda para a criação de um fluxo de bits de acordo com os períodos de reserva de recursos definidos para esse fluxo. Os nós de núcleo são responsáveis por escalonar os períodos de transmissão mediante a recepção de um pacote de controle.

4.1.2 Protocolo de sinalização para reserva de recursos

A reserva de recursos em uma rede OMS é realizada pela sinalização em duas vias, o que é justificado pela necessidade de garantias ao serviço. A sinalização em uma única via, como a utilizada na comutação OBS, não garante que os recursos sejam reservados

(37)

CAPÍTULO 4. COMUTAÇÃO DE MENSAGENS ÓPTICAS - OMS 37

Fila de Pacotes

TAU Rajada de Dados

Pacote de Controle Pacote IP

Unidade de Adaptação da Transmissão TAU Comutador OMS Roteador IP DOMINIO OMS λ1 λ2 λ3 λ4 Canal de Controle Canal de Dados tempo offset time Δ

Figura 4.1: Esboço da arquitetura da rede OMS.

antes do envio dos dados, podendo gerar o descarte de dados das demandas solicitadas e, consequentemente, a degradação do serviço. A adoção de um processo de reserva em duas vias é justificada pelo fato de que em uma rede OBS, requisições com prioridade são atribuidas a intervalos de tempo maiores [34] o que nesse caso, justifica o processo de reserva de duas vias, ao invés de uma via como no OBS.

O processo de reserva de recursos na rede OMS é ilustrado na Figura 4.2. A descrição (S, ρ) do fluxo a ser transmitido é mapeada pelo nó de borda para:

inf o = [N, ∆, L],

onde o parâmetro N denota o número de períodos de reserva (de duração β), que serão necessários para a transmissão das mensagens do fluxo; o parâmetro ∆ = (1 − ρ) ∗ 2β/λ informa o tempo mínimo entre duas reservas de um mesmo fluxo, usado para combinar a intensidade do tráfego com as reservas, de modo que se ρ estiver próximo à taxa de transmissão do canal, ∆ será zero e desse modo a reserva será um circuito contínuo. Por outro lado, se a utilização do canal é baixa, haverá um tempo equivalente a 2β/λ entre cada período reservado e o nível de multiplexação estatística também será incrementado; o parâmetro L lista os períodos de disponibilidade dos canais de saída do nó de extremidade. Determinados os valores de N, ∆ e L, o nó de borda envia um pacote de controle para o nó de destino para reservar recursos para o novo fluxo. Ao receber o pacote de controle, cada nó i ao longo da rota verifica a sua própria lista de disponibilidade (L) com a lista recebida pelo seu antecessor, a lista é atualizada e o pacote de controle é enviado ao próximo nó até alcançar o nó egresso.

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CAPÍTULO 4. COMUTAÇÃO DE MENSAGENS ÓPTICAS - OMS 38

Período de reserva para o fluxo 1 Pacote de Controle (PC) Lista de períodos reservados

Legenda i j info = [N1, Δ1, LE] tempo E D es cr iç ão d o F lu xo ( S, ρ ) info = [N1, Δ1, LE U Li] info = [N2, Δ2, LE] info = [σ =(s1,e1),...,(sN,eN)]

info = [σ =(s1-pji, e1-pji),...,(sN-pji,eN-pji)]

info = [Ni, Δi, LE]

Descrição:

N - Número de mensagens do fluxo i Δ – Intervalo entre as mensagens Lk – Lista de vazios para o nó "k"

info = [σ =(s1,e1),...,(sN,eN)]

Figura 4.2: Processo de reserva em duas vias da rede OMS.

Quando o pacote de controle é recebido pelo comutador do nó egresso, a primeira via é finalizada e a segunda via é inicializada. De posse da lista completa de períodos de disponibilidade nos canais ao longo da rota, o nó egresso define os períodos de tempo mais convenientes para maximizar as chances de realizar as reservas de recursos com sucesso. Em função dos períodos de tempo definidos, as reservas de recursos são escalonadas e o pacote de controle é enviado no sentido inverso da rota, na direção do nó de borda. Este segundo pacote de controle contém uma lista σ = [(s1, e1), ..., (sN, eN)] com os instantes

de tempo de início (si) e término (ei) dos períodos reservados no nó egresso. Quando os

nós ao longo da rota inversa recebem o pacote de controle de retorno, eles escalonam as reservas de recursos descontando o tempo de propagação da lista recebida. Se as reservas de recursos puderem ser feitas em todos os nós da rota, o nó de borda recebe uma lista com os instantes de tempo em que a transmissão deverá ser feita e o processo de reserva é definido como bem sucedido.

Durante o processo de reserva, os dados recebidos de roteadores IP são armazenados no nó de borda de ingresso (Figura 4.1). Este fato tem consequências importantes: i) não há perda de dados durante o processo de reserva; ii) as escalas de tempo de operação do plano de dados e do plano de controle são desacopladas. Assim, diferentemente do que ocorre nas redes OBS, as restrições temporais sobre os nós de núcleo são menos rigorosas, permitindo que algoritmos de escalonamento mais eficientes possam ser usados sem aumentar a probabilidade de bloqueio global. Finalmente, mesmo que algumas das reservas não possam ser realizadas devido a contenção, a transmissão não precisa ser

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CAPÍTULO 4. COMUTAÇÃO DE MENSAGENS ÓPTICAS - OMS 39 completamente bloqueada. Neste cenário hipotético, o nó de borda ingresso pode informar à rede cliente a quantidade de reservas bloqueadas e a degradação de transmissão pode ser avaliada. Se o cliente de rede estiver de acordo com a perda atingida, a transmissão pode ser realizada, o que demonstra a flexibilidade da abordagem proposta.

Fluxo (fid) 2 S = 1 Gb 𝜌 = 0.5 PC fid = 2 N = 2 ∆ = 0.5s L = {[5,7]} Horizonte Máximo = [7] PC fid = 2 N = 2 ∆ = 0.5s L = {[5,7], [9,10]} Horizonte Máximo = [10] PC fid = 2 M1 = (10.5, 11.0) M2 = (11.5, 12.0) PC fid = 2 M1 = (10.6, 11.1) M2 = (11.6, 12.1) PC fid = 2 M1 = {(10.5, 11.0)} M2 = {(11.0, 11.5)} 5 7 9 10 H1 = 5 H2 =7 H1 = 9 H2 =10 1 2 3 4 5 6 VIA 1 VIA 2 PC fid = 2 [(s1 = 10.5; e1 = 11.0), (s2 = 11.5; e2 = 12.0)] σ = Transmissão 10.5, 11.0 11.5, 12.0 10.6, 11.1 11.6, 12.1 ∆ ∆ prop + sw = 0.1s B = 500 Mb λ = 10 Gbps PC PC PC PC

Figura 4.3: Processo de reserva passo-a-passo da rede OMS.

O funcionamento da arquitetura OMS é ilustrado na Figura 4.3. Para que um fluxo possa ser transmitido, uma solicitação é enviada para a rede (passo 1) especificando os requisitos de transmissão do fluxo (S = 1Gb e ρ = 0.5), levando-se em consideração as regras de serviço acordadas com o provedor (Service Level Agreement - SLA). No passo 2, um pacote de controle contendo as informações de identificação do fluxo (PC fid 2), o número de períodos de reserva (N = 2), o tempo mínimo entre duas reservas de um mesmo fluxo (∆ = 0.5s) e a lista dos períodos de disponibilidade dos canais (L) é criado. Então, o pacote de controle é enviado ao primeiro nó da rota (passo 3). Para formar a lista de disponibilidade dos canais, o algoritmo Horizon-OMS, descrito em mais detalhes na próxima seção, verifica os horizontes além dos quais não existem mais reservas (H1 = 5s e H2 = 7s) e escolhe o maior horizonte para compor a lista

L = {[7s, ...]}. É importante notar que o processo de escolha do maior horizonte é realizado em cada nó ao longo da rota, de forma que ao percorrer toda a rota, a lista dos períodos de disponibilidade de canais contenha o maior horizonte de cada enlace da rota (L = {[7s, 10s]}). Quando o pacote de controle chega ao nó de egresso (passo 4), são determinados os períodos de reserva para as mensagens M1 e M2 e a lista de reserva

σ = [(s1 = 10.5s, e1 = 11s), (s2 = 11.5s, e2 = 12s)] com o escalonamento dos instantes de

tempo de início (si) e término (ei) da transmissão de cada mensagem. Cada mensagem

i é escalonada no canal com maior horizonte L = [(10s)] e a primeira via do processo de reserva de recursos é finalizada. A segunda via deste processo é iniciada atualizando-se o pacote de controle, com base na lista de mensagens e seus respectivos intervalos de tempo de escalonamento, que é enviado de volta na rota em direção ao nó ingresso (passo