TONetS: Ferramenta para Avaliação de Desempenho de Redes Ópticas Transparentes

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1 TONetS: Ferramenta para Avaliação de Desempenho de Redes Ópticas Transparentes André Soares 1,2,, Gilvan Durães 1,, William Giozza 1, Paulo Cunha 2 Grupo de Pesquisas em Redes (GRO) Ópticas Universidade Salvador (UNIFACS) Salvador BA Brasil 1 Centro de Informática (CIn) Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) Recife PE Brasil 2 andre.soares@unifacs.br Abstract. This work presents TONetS - Transparent Optical Network Simulator a simulation tool for performance evaluation of all-optical networks. TONetS allows to study the behaviour of a transparent optical network considering together the different options of implementation concerning RWA algorithms, survivability techniques, wavelength conversion architectures and strategies for mitigating unfairness. Keywords: Optical Network; Performance Evaluation; Simulator. Resumo. Este artigo apresenta o TONetS (Transparent Optical Network Simulator) uma ferramenta para avaliação de desempenho de redes ópticas transparentes. O TONetS permite estudar o comportamento de uma dada rede óptica transparente considerando conjuntamente as diferentes alternativas de implementação quanto aos algoritmos RWA, as técnicas de sobrevivência, as arquiteturas de conversão de comprimentos de onda e as políticas de justiça no atendimento da demanda de circuitos ópticos. Palavras-Chave: Redes Ópticas Transparentes, WDM, RWA. 1. Introdução As redes ópticas transparentes vêm sendo fortemente referenciadas como a principal tecnologia para compor os backbones das modernas redes de transportes de telecomunicações [1]. Isto ocorre devido às suas potencialidades em atender à crescente demanda por grandes larguras de banda bem como às exigências cada vez maiores de qualidade de serviço impostas por aplicações mais modernas como aplicações de e- Science. A multiplexação de comprimentos de onda Wavelength Division Multiplexing - WDM é uma tecnologia que permite utilizar melhor a banda passante das fibras ópticas. Dentro de uma única fibra, são estabelecidos, simultaneamente, múltiplos canais ópticos que operam em diferentes comprimentos de onda. Cada comprimento de onda pode Bolsista da Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado da Bahia - FAPESB. Aluno de mestrado da UNIFACS, bolsista da CAPES.

2 atingir atualmente taxas de transmissão da ordem de 40 Gbps com equipamentos disponíveis comercialmente. Em redes ópticas WDM transparentes, a comutação de comprimentos de onda é realizada no domínio óptico eliminando a necessidade de conversores OEO (Óptico- Eletro-Óptico) e as suas limitações como atraso de processamento e implicações de custo. As informações dos usuários de uma rede óptica transparente são roteadas da origem até o destino com base nos comprimentos de onda associados aos canais ópticos chamados de circuitos ópticos (lightpaths). Para estabelecer um circuito óptico é necessário alocar e rotear um comprimento de onda para cada enlace (físico) da rota definida. Este problema é conhecido como o problema de roteamento e alocação de comprimento de onda (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Após o estabelecimento do circuito óptico, os comprimentos de onda alocados na rota selecionada ficam reservados exclusivamente ao circuito óptico até a sua desconexão. Com o propósito de utilizar melhor os recursos de uma rede óptica sob tráfego dinâmico, os algoritmos RWA têm como objetivo atender as requisições de circuitos ópticos minimizando a probabilidade de bloqueio de futuras conexões [2]. No estudo e dimensionamento de redes ópticas transparentes, o problema RWA deve ser tratado em conjunto com outras questões fundamentais como o dimensionamento e posicionamento de conversores de comprimento de onda [3], o nível de sobrevivência dos circuitos ópticos [4], o nível de justiça (fairness) no atendimento dos circuitos ópticos [5] etc. Para a realização de estudos dessa natureza podem ser utilizadas técnicas de simulação, modelagem analítica e/ou medições. Devido ao difícil acesso aos laboratórios detentores desses sistemas para a realização de medições, à inexistência de protótipos e à complexidade dos modelos analíticos, a solução mais viável para a condução desses estudos tem sido através das técnicas de simulação. Este artigo apresenta o Transparent Optical Networks Simulator - TONetS, uma ferramenta para avaliação de desempenho de redes ópticas transparentes que permite considerar conjuntamente em um mesmo cenário as diferentes alternativas de implementação quanto aos algoritmos RWA, as estratégias de sobrevivência e as arquiteturas de conversão de comprimentos de onda. A ferramenta TONetS possibilita a realização de estudos com diferentes condições de tráfego utilizando topologias genéricas. O manual de instalação e de utilização desta ferramenta está disponível na página do projeto TONetS O restante deste artigo está organizado da seguinte forma: a Seção 2 apresenta os principais simuladores para redes ópticas transparentes já existentes. A ferramenta TONetS é descrita na Seção 3, mostrando seu funcionamento, as métricas utilizadas e a interface gráfica. Na Seção 4 são apresentados alguns dos cenários validados com a ferramenta desenvolvida e as considerações finais são apresentadas na última Seção. 2. Simuladores de Redes de Computadores/Telecomunicações No âmbito das redes ópticas transparentes, a maioria dos estudos é desenvolvida usando modelagem analítica e/ou simuladores devido ao difícil acesso aos laboratórios detentores desses sistemas ou mesmo por ainda não existirem protótipos. Os modelos

3 analíticos propostos na literatura são complexos e limitados a cenários específicos inviabilizando estudos mais genéricos ou que contemplem cenários mais realísticos permitindo a análise de um conjunto rico de métricas. Já existem alguns simuladores disponíveis com um propósito mais genérico dentro do contexto de redes de computadores e telecomunicações. Dentre esses se destacam o Network Simulator - NS-2 [6], o simulador da OPNET Technologies [7]. O NS-2 é um simulador muito abrangente no âmbito de redes de computadores, e para utilizá-lo é necessário o aprendizado de uma linguagem para especificação do cenário de simulação e da própria sintaxe do NS-2. Algumas interfaces gráficas foram propostas para geração de scripts de simulação no NS-2, porém, a principal desvantagem dessas interfaces é a limitação à funcionalidades básicas do NS-2. Em 2001 foi desenvolvido para o NS-2 um módulo chamado Optical WDM network simulator - OWns com o objetivo de adicionar características das redes WDM [8]. O OWns é um módulo com poucas funcionalidades aplicáveis ao estudo das redes ópticas transparentes. Contém basicamente um módulo para roteamento e outro para alocação de comprimento de onda. Para simular cenários mais avançados, por exemplo, considerando diferentes arquiteturas de conversão de comprimento de onda e/ou estratégias de sobrevivência em redes ópticas transparentes, o usuário precisa investir no desenvolvimento de novas funcionalidades. O OPNet Modeler é um simulador de eventos discretos comercial desenvolvido pela OPNET. Essa ferramenta suporta um grande número de protocolos e tecnologias. No âmbito de redes ópticas transparentes, vários trabalhos foram desenvolvidos utilizando o OPNet Modeler como base para o desenvolvimento de experimentos de simulação. Entretanto, em função do alto custo de sua licença, o uso dessa ferramenta é bastante restrito. O GMPLS Lightwave Agile Switching Simulator GLASS é um simulador específico para redes ópticas com o objetivo de avaliar o desempenho dos protocolos de sinalização e controle do Generalized Multiprotocol Label Switching GMPLS [9]. O projeto dessa ferramenta foi iniciado em 2001 como uma evolução do simulador MERLiN desenvolvido em Todavia, o GLASS é relativamente instável e não conta com um serviço de suporte da ferramenta adequado. Apesar dessas deficiências serem esperadas em um simulador com código fonte aberto sem fins comerciais, isto inviabiliza a realização de alguns estudos além de dificultar as estratégias de validação. Portanto, face às deficiências observadas nos simuladores existentes no caso do estudo de redes ópticas transparentes é bastante útil dispor de ferramentas de simulação mais específicas para o contexto com as seguintes características: interface amigável, código fonte aberto, validada e bem documentada. 3. TONetS O TONetS é uma ferramenta de simulação de eventos discretos para avaliação de desempenho de redes ópticas transparentes desenvolvido em JAVA. Tal escolha é justificada por características importantes dessa linguagem de programação tais como portabilidade e orientação a objetos, além da disponibilidade de uma grande variedade de bibliotecas bem documentadas.

4 O TONetS foi inspirado na ferramenta de simulação SimRWA iniciada em No âmbito do projeto SimRWA foi desenvolvida, inicialmente, a versão 1.0 do SimRWA [10] com o objetivo de avaliar apenas o desempenho de algoritmos de alocação e roteamento de comprimento de onda em redes ópticas transparentes comutadas por circuitos. Com a evolução para a versão SimRWA 2.0 [11] foram adicionadas novas funcionalidades que permitiam avaliar de maneira ainda limitada (apenas em termos de probabilidade de bloqueio média da rede e utilização média da rede) algumas técnicas de proteção dedicada de caminho para circuitos ópticos e alguns cenários específicos de redes WDM com conversão de comprimento de onda. O projeto TONetS foi iniciado em 2006 com o objetivo de dar suporte a estudos de redes ópticas transparentes considerando conjuntamente, em um mesmo cenário, aspectos importantes como: soluções para o problema RWA, alternativas para sobrevivência (técnicas de proteção e restauração), arquiteturas e estratégias de conversão de comprimento de onda e políticas para reduzir injustiças no atendimento de conexões. Além disso, a ferramenta TONetS foi projetada de forma flexível e escalável permitindo extensões através da implementação de novas características voltadas ao projeto e dimensionamento de redes ópticas transparentes Funcionamento Para a realização de uma simulação básica é necessário desenhar a topologia da rede óptica, definir parâmetros de tráfego além de escolher as estratégias para otimização de recursos (algoritmo RWA, técnicas de sobrevivência em redes ópticas, arquiteturas de conversão de comprimento de onda) que serão simuladas. A demanda de tráfego é composta por requisições de circuitos ópticos entre pares de nós origem e destino que são geradas pelos nós da rede. Considerando uma topologia com N nós, existem N.(N-1) pares de nós origem e destino. Cada um dos N nós possui um ou mais geradores de requisições de circuitos ópticos com o objetivo de gerar uma demanda de tráfego com origem no nó associado. A geração de requisições é um processo poissoniano de taxa média e o tempo médio de retenção dos circuitos é distribuído exponencialmente com média 1/µ. Essa é a modelagem de tráfego usual para estudos com redes ópticas comutadas por circuito. Entretanto, a ferramenta é flexível o suficiente para incorporar outros modelos de tráfego. A Figura 1 ilustra um exemplo de topologia com 5 nós representados por círculos e os respectivos geradores representados por um quadrado rotulado por Gi, onde i é o número do nó. Note que um dado nó pode requisitar um circuito para qualquer outro nó de destino. Por exemplo, o nó 2 (origem) pode gerar requisições de circuitos ópticos tendo como destinos os nós 1, 3, 4 ou 5. O usuário da ferramenta TONetS precisa definir um número mínimo de requisições de circuitos ópticos a serem geradas até o final da simulação. A geração de requisições de circuitos ópticos é uma estrutura de repetição que fica em execução enquanto o mínimo de requisições não for gerado. Dessa forma, a demanda de tráfego requisitada pelos geradores é função dos valores de e µ definidos para cada um deles. Um bloqueio de circuito óptico será computado se no tempo associado ao evento de uma requisição não for possível o estabelecimento do circuito óptico. Se for possível o estabelecimento do circuito óptico, os recursos alocados ficarão reservados até a

5 liberação do circuito. Portanto, após o estabelecimento do circuito é feito automaticamente o agendamento do evento de finalização do circuito em questão, de acordo com o tempo de retenção 1/µ do gerador do circuito. O tráfego pode ser uniforme ou não-uniforme. Isto é feito com a composição de geradores e de seus respectivos valores de e µ. Figura 1. Agendamento de eventos. Falhas são geradas pelo TONetS para a avaliação de desempenho das estratégias de sobrevivência em redes ópticas transparentes. A ocorrência de falhas também foi modelada como um processo de Poisson com taxa média f, e o tempo médio de reparação da falha é distribuído exponencialmente com média 1/µ f. Para isso o simulador implementa um gerador de falhas similar ao gerador de requisições de circuitos. As falhas são distribuídas uniformemente entre todos os enlaces. A relação entre f e 1/µ f segue uma estatística usual na literatura: em média, a quebra de fibras ocorre a uma taxa de 4,39 vezes a cada Km de extensão durante um ano e o tempo médio para reparação de uma fibra é de 12 horas [4]. Na Tabela 1 são listados os algoritmos RWA implementados atualmente na ferramenta TONetS. As estratégias de sobrevivência e de posicionamento de conversores de comprimento de onda disponíveis no TONetS estão listadas na Tabela 2. Algoritmos de alocação de comprimento de onda - First Fit - Random - Most Used - Least used - Max Sum - Relative Capacity Loss - Fair-Fit [5] Tabela 1 Algoritmos RWA. Algoritmos de roteamento Fixo Fixo -Alternativo Adaptativo - Menor caminho por nº de saltos - Menor caminho por atraso - Manual - K menores caminhos - Manual -Least Loaded Routing (LLR) Em função da limitação de espaço, neste artigo não serão detalhados os algoritmos e estratégias de otimização listados nas Tabelas 1 e 2. Maiores detalhes sobre

6 eles podem ser obtidos na página do projeto TONetS. É importante destacar outras funcionalidades do TONetS como por exemplo a agenda de simulações que permite a criação de uma agenda de simulações que serão executadas em série. Além disso o TONetS tem uma opção para a validação automática da ferramenta. Um conjunto de simulações previamente agendadas é realizado e os resultados são comparados com os respectivos resultados de trabalhos de outros autores e de modelos analíticos para os mesmos cenários simulados. Isso é útil para verificar se o desenvolvimento de novas funcionalidades para o TONetS introduz erros em modelos de cenários já conhecidos, verificados e validados. Tabela 2 Estratégias de sobrevivência e posicionamento de conversores de comprimento de onda. Proteção dedicada de caminho - Two Step - Two Step with Backtracking - One Step Sobrevivência em redes ópticas Restauração de caminho - Restauração dinâmica - Restauração pré-computada - Adaptive Survivability Posicionamento de conversores - First Load Priority - Total Outgoing Traffic - Manual Com a ferramenta TONetS é possível analisar várias métricas, dentre as quais destacam-se: probabilidade de bloqueio de circuitos, utilização média da rede, utilização média por enlace, utilização média por comprimento de onda, nível de restauração, tamanho médio das requisições (atendidas e bloqueadas), quais e quantas rotas utilizam cada enlace da topologia, número de falhas ocorridas em cada enlace, número de requisições geradas para cada par de nós origem e destino, probabilidade de bloqueio para cada combinação de par de nós origem e destino, nível de justiça no atendimento dos circuitos ópticos, capacidade de sobrevivência a falhas etc Interface Gráfica A seguir serão apresentadas algumas telas gráficas da ferramenta TONetS. Outras telas e maiores detalhes da ferramenta desenvolvida estão disponíveis, juntamente com a documentação da ferramenta, em A Figura 2a mostra a tela inicial da ferramenta. Nesta tela o usuário pode desenhar e visualizar a topologia da rede a ser simulada. Os botões disponibilizados no painel à esquerda servem para auxiliar no desenho dos nós e enlaces que irão compor a topologia. Na Figura 2b o usuário visualiza as tabelas e gráficos gerados durante a simulação. Na árvore de métricas, à esquerda, ele escolhe uma métrica e no painel, à direita, visualiza a tabela (botão TABELA ) ou o gráfico (botão GRÁFICO ) referente aos resultados da simulação com a métrica escolhida.

7 a) b) Figura 2. Interface gráfica. 4. Validações A ferramenta TONetS vem sendo parcialmente validada através de comparações com resultados publicados em trabalhos científicos [12], [13], [14] de outros autores e por alguns modelos analíticos [2], [15] propostos para cenários específicos. A Figura 3 mostra um dos experimentos realizados com o objetivo de validação do TONetS. A Figura 3b apresenta os resultados de probabilidade de bloqueio calculados com o modelo analítico apresentado em [15] e os resultados simulados pelo TONetS para a topologia da Figura 3a, na qual estão em destaque (sombreado) os 4 nós com capacidade de conversão de comprimento de onda. Pode-se observar que os resultados obtidos com o TONetS são muito próximos aos resultados obtidos com o modelo analítico apresentado em [15]. a) b) Probabilidade de bloqueio TONetS Modelo Analítico [15] Carga de tráfego Figura 3. Topologia utilizada na validação. 5. Considerações finais Este artigo apresentou a ferramenta de simulação de redes ópticas transparentes TONetS (Transparent Optical Network Simulator). Ela foi desenvolvida para avaliar o desempenho de redes ópticas transparentes considerando conjuntamente os algoritmos RWA, as técnicas de sobrevivência, as arquiteturas e estratégias de conversão de comprimento de onda, além de políticas RWA para tentar minimizar injustiças no atendimento das requisições de conexão. Com o objetivo de acelerar o tempo de resposta da ferramenta para viabilizar

8 estudos mais complexos estamos atualmente aplicando na ferramenta TONetS o framework para processamento distribuído proposto em [16]. Referências [1] Ramaswami, R. e Sivarajan, K. N. (2002). Optical Network - A Practical Perspective. 2ª edição. Morgan Kaufmann Publishers. [2] Zang, H., Jue, J. P. e Mukherjee, B. A Review of Routing and Wavelength Assignment Approaches for Wavelength-Routed Optical WDM Network. Optical Network Magazine, vol. 1, no. 1, pp , Jan [3] Soares, A. J. Maranhão, W. Giozza e P. Cunha. First Load Priority: A Wavelength Converter Placement Scheme for Optical Networks with Sparse-Partial Wavelength Conversion. Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores - SBRC 2006, Brasil, Paraná - Curitiba. [4] Jing e B. Mukherjee, A Review of Fault Management in WDM Mesh Networks Basic Concepts and Research Challenges. IEEE Network, pages 41-48, Apr [5] Soares, A., Giozza, W. e Cunha, P. Classification Strategy to Mitigate Unfairness in All- Optical Networks. 15th IEEE International Conference on Networks (ICON2007), November 19-21, Adelaide, Austrália, [6] NsNam. Disponível em: Acessado em 16/01/2008. [7] OPNET Technologies. Disponível em: Acessado em 16/01/2008. [8] Bo Wen, Nilesh M. Bhide, Ramakrishna K. Shenai, and Krishna M. Sivalingam. Optical Wavelength Division Multiplexing (WDM) Network Simulator (OWns). Architecture and Performance Studies in SPIE Optical Networks Magazine Special, March [9] GMPLS Lightwave Agile Switching Simulator. Disponível em: Acessado em 17/01/2008 [10] Soares, A.; J. Maranhão e W. Giozza. SimRWA: Uma Ferramenta para Avaliação de Desempenho de Algoritmos para Alocação de Comprimentos de Onda e Rotas em Redes Ópticas Transparentes. In III Salão de Ferramentas do SBRC, p , Maio [11] Soares, A.; J. Maranhão e W. Giozza. SimRWA 2.0: Uma Ferramenta para Avaliação de Desempenho de Algoritmos RWA e de Técnicas de Sobrevivência em Redes Ópticas Transparentes. In IV Salão de Ferramentas do SBRC, p , Maio [12] Waldman, H.; Campelo, D.; Camelo, R. Dynamic priority strategies for wavelength assignment in WDM rings. In: IEEE Globecom, pages , [13] Anand, V. e Qiao, C. Effect of Wavelength Conversion in Survivable Wavelength. Technical report, Dept. of Computer Science and Engineering. State University of New York at Buffalo, [14] Chu, X.; Liu, J.; Zhang, Z. Analysis of Sparse-Partial Wavelength Conversion in Wavelength-Routed WDM Networks. In: IEEE INFOCOM, pages , [15] Ramamurthy, S. e Mukherjee, B. Fixed-alternate routing and wavelength conversion in wavelength-routed optical networks. In: IEEE Globecom'98, pages , [16] Durães, G. M., Soares, A. C. B., Soares, S. C. B., Giozza, W. F. SimRWA-D: Uma Abordagem Distribuída para Simulação de Redes Ópticas Transparentes. In: 5th International Information and Telecommunication Technologies Symposium - I2TS, 2006, Cuiabá.