Metro-Ethernet. Tópicos Avançados em Redes

Transcrição

1 Metro-Ethernet Professor Vincenzo de Roberto Junior Tópicos Avançados em Redes Dênis Thadeu Julio Rocha Mário Márcio Ronan Pimenta

2 Introdução Metro Ethernet é um modo de utilizar redes Ethernet em áreas Metropolitanas e geograficamente distribuídas. Esse conceito surgiu, pois, de acordo com alguns estudos, o tráfego de dados estaria superando o tráfego de voz nas redes metropolitanas, portanto seria mais interessante utilizar uma infraestrutura de transmissão de dados do que uma TDM (Time Division Multiplexing), criada para a transmissão de voz. A Ethernet se mantém no mercado a mais de 20 anos por ser simples e flexível. Ela é confiável, tem baixo custo, fácil manutenção e operação. Não há nenhuma tabela de configuração para gerenciar a rede, nem softwares para controlá-la. As Redes Metro Ethernet Metro Ethernet é um termo genérico usado para descrever uma tecnologia de rede Ethernet em uma área metropolitana. Utiliza toda a escalabilidade, simplicidade e flexibilidade que a tecnologia Ethernet tem a oferecer. Nas redes corporativas, o Metro Ethernet tem dois propósitos principais: a conectividade com a Internet e a conectividade entre sites corporativos geograficamente distantes. Na ilustração abaixo é apresentada uma visão geral do Metro Ethernet. De acordo com a figura : Visão geral do Metro Ethernet 2

3 a. Os enlaces são ponto a ponto e podem ser de qualquer taxa de transmissão em Ethernet. b. Os nós podem ser switches ou roteadores, dependendo de sua localização na MEN (Metro Ethernet Network), de acordo com os serviços fornecidos. c. Em grandes distâncias, enlaces WAN podem interligar as MEN. Os serviços podem ser classificados em ponto-a-ponto, multiponto-a-multiponto ou ponto-a-multiponto. Podem ser também classificados de acordo com a largura de banda necessária. A largura de banda pode ser fornecida por demanda de 1Mbps a 1Gbps, em incrementos de apenas 1Mbps. d. Vários níveis de resiliência podem ser obtidos na combinação de técnicas de proteção de redes. Podem ser fim-a fim ou nó-a-nó. e. A Qualidade de Serviços (QoS) é conseguida através de várias técnicas de hardware ou software, além de uma taxa máxima de perda de pacotes garantida. Na perspectiva do usuário final, a qualidade de serviços está definida no contrato comercial junto à operadora de telecomunicações (SLA Service Level Agreement) Metro Ethernet Fórum O Metro Ethernet Fórum (MEF) é uma organização sem fins lucrativos criada em Junho de 2000 para definir o escopo, os conceitos e a terminologia para a implementação dos serviços Ethernet nas redes metropolitanas. Os principais objetivos do MEF são definir os Serviços Ethernet para redes metropolitanas de transporte e a arquitetura, protocolos e gerenciamento de todas as redes Metro Ethernet para suporte a estes serviços. Serviços Metro Ethernet Numa visão geral, os serviços Metro Ethernet (ME) se comunicam através de dois tipos, serviços E-Line (ELS) ou serviços ponto-a-ponto e serviços E-LAN ou serviços multiponto-a-multiponto. Nesta estrutura o serviço E-Line pode ser 3

4 usado para criar serviços privados ou virtuais como uma linha Ethernet privada (analogia Ethernet para uma linha privada TDM, como uma T1 ou T3) ou a linha Ethernet privada virtual (tal como um serviço similar à infra-estrutura Frame- Relay). Instâncias similares podem ser criadas usando o serviço E-LAN. O MEF define uma interface usuário-rede (UNI) e uma conexão virtual Ethernet (EVC). O UNI é uma interface padrão Ethernet que é o ponto de demarcação entre o equipamento e o provedor de serviços da rede metropolitana. O esquema básico do serviço Metro Ethernet é ilustrado abaixo. O provedor da MEN (Metro Ethernet Network) provê o serviço Metro Ethernet aos seus clientes. A ponta do cliente (CE) é conectada à MEN por meio da interface de rede do usuário (UNI). Isso ocorre por meio de uma interface Ethernet comum, operando a 10Mbps, 100Mbps, ou 1000Mbps. Sob a perspectiva do provedor da MEN, os serviços podem ser oferecidos baseados em diversas tecnologias e protocolos, como SONET, WDM, MPLS, FRAME RELAY, etc. Mas sob a perspectiva do assinante, a conexão é sempre feita por meio de uma interface Ethernet comum. Conexão Virtual Ethernet Uma EVC (Conexão Virtual Ethernet), consiste na associação de uma ou mais interfaces de rede do usuário (UNIs). Em outras palavras o EVC é um túnel lógico que conecta dois ou mais locais, permitindo a transferência de quadros Ethernet entre eles. EVCs têm como funções principais o estabelecimento de uma conexão (ponto a ponto ou multiponto) entre duas ou mais UNIs, transferindo 4

5 quadros Ethernet entre elas e garantindo que não haverá comunicação entre sites que não façam parte de uma EVC (similar a segurança e privacidade oferecida pelos PVCs Frame Relay).Um quadro Ethernet não deve nunca retornar a interface que o originou, e o quadro não deve ser alterado no caminho entre a sua origem até o seu destino. Parametros e Atributos dos Serviços Ethernet O MEF desenvolveu uma estrutura de serviços Ethernet para ajudar usuários e provedores com uma nomenclatura comum para seus parâmetros e atributos. Para cada um dos serviços principais (ELS e E-LAN), o MEF definiu vários destes atributos e serviços. Os principais: Atributo de Interface Física Ethernet Parâmetros de Tráfego Parâmetros de Performance Parâmetros de CoS (Classes de Serviços) Atributo de Serviço de Entrega de Quadros Atributo de Suporte a Tag VLAN Ethernet Line O serviço Ethernet Line ou linha Ethernet, corresponde a comunicação ponto-a-ponto entre duas UNIs, conforme a figura abaixo ilustra: Uma mesma UNI pode ser associada à mais de uma E-Line simultaneamente, do mesmo modo que vários PVCs podem ser associados à uma mesma interface física em uma rede Frame-Relay. 5

6 Ethernet LAN O serviço Ethernet LAN oferece conectividade multiponto entre duas ou mais UNIs. Quadros transmitidos podem ser recebidos por duas ou mais outras UNIs. Sob a perspectiva do assinante a MEN assemelha-se a uma LAN. Quando uma nova UNI é integrada, simplesmente conecta-se essa nova UNI ao mesmo EVC para que esta UNI tenha conectividade multi-site. Comparando com o serviço Frame Relay verificamos que o E-LAN, nesse tipo de conectividade, é muito mais simples. O Frame Relay cria um serviço multiponto por meio de vários serviços ponto-a-ponto, a cada inclusão de site é necessário criar novos PVCs em todas as pontas envolvidas. No caso de uma E-LAN, isso não é necessário, assim como em uma LAN tradicional. A Interface física Ethernet A interface sob o ponto de vista do assinante é uma interface padrão estabelecida pelo comitê IEEE Perfis de largura de banda O MEF definiu três tipos de atributos para perfis de banda: I) Largura de banda por UNI 6

7 II) Largura de banda por EVC III) Largura de banda por identificador de CoS. Estes baseiam-se nos seguintes parâmetros de tráfego: CIR (Commited Information Ratio) CBS (Commited Burst Size) EIR (Extended Information Ratio) EBS (Extended Information Size) Entrega de Quadros Os provedores de serviço definem quais tipos de quadros serão permitidos (transmitidos) e quais serão proibidos (descartados). Alguns provedores entregam todos os tipos, outros têm algumas restrições. O serviço E-LAN suporta o aprendizado dos endereços, e os quadros com endereços Unicast, Multicast ou Broadcast desconhecidos vão ser entregues para todas as UNIs, já os quadros com endereço MAC conhecido vão ser entregues para as UNI as quais o endereço foi aprendido. Quadros Unicast 7

8 São quadros definidos pelo endereço MAC de destino. Esse atributo especifica se o quadro unicast deve ser descartado, entregue ou entregue condicionalmente (condições que devem ser especificadas). Quadros Multicast São quadros com o endereço MAC destino na faixa de E até E-7F-FF-FF. Esse atributo especifica se o quadro unicast deve ser descartado, entregue ou entregue condicionalmente (condições que devem ser especificadas). Quadros Broadcast São quadros com o endereço MAC destino FF-FF-FF-FF-FF-FF. Esse atributo especifica se o quadro unicast deve ser descartado, entregue ou entregue condicionalmente (condições que devem ser especificadas). Suporte a Tag Vlan As tags VLAN nas organizações indicam domínios lógicos de broadcast, como diferentes grupos de trabalho. O ME cria um ambiente onde uma rede Ethernet dá suporte a várias redes de empresas e compartilham a mesma infraestrutura, onde cada rede tem sua própria segmentação. O suporte a diferentes níveis de VLAN e a habilidade de manipular estas tags tornou-se requisito de grande importância A arquitetura das redes Metro Ethernet A arquitetura básica de uma rede Metro-Ethernet já foi mencionada, e é apresentada abaixo: 8

9 O Modelo de referência de uma MEN, por sua vez, é apresentado à seguir: Topologias de redes Metro Ethernet Duas topologias principais são tipicamente contempladas em redes Metro Ethernet: Anel Segue a tradição das redes SDH implementadas nos anos de 1990, com base, principalmente, no racional dos modelos de tráfego da época (em que havia menor necessidade de conectividade entre sites locais e a maior parte do tráfego de acesso era direcionada para os POPs principais) e na redução dos custos associados com a rede de fibra óptica e na recuperação de falhas. Porém possui a desvantagem conhecida de desperdiçar banda em seus canais de largura fixa, ineficiência na utilização de tráfego multicast (já que reserva um canal fixo para cada ponto) e na 9

10 utilização de um anel duplo para a redundância e recuperação de falhas, desperdiça 50% da banda disponível. Mesh Topologia hub & spoke (switch central com topologia estrela), com conexão lógica entre todos os sites, é atualmente a forma mais utilizada, embora implique altos custos devido à intensa utilização de fibra óptica. A figura ilustra a Topologia hub & spoke. Quanto às arquiteturas, é possível vislumbrá-las las sob duas formas principais: Puras Formadas estritamente por switches Ethernet (ou seja, usando uma referência do modelo OSI Open System Interconnection para descrição lógica de redes, operando somente em nível 2-enlace). Interessante para redes pequenas, com reduzido número de clientes e sites. Híbridas Formadas por múltiplos domínios em nível 2-enlace (Ethernet puro) conectados por um núcleo nível 3-roteamento (IP/MPLS). Os quadros 10

11 transportados de um domínio Ethernet para outro passam pelo núcleo, onde podem ser tunelados (envelopamento de informações visando otimizar controles na comunicação) via L2TP - Layer 2 Transport Protocol ou EoMPLS - Ethernet over Multi Protocol Label Switching. Para este último caso, o IETF fórum de padronização de técnicas para o avanço das redes IP está definindo uma especificação já conhecida no mercado como VPLS Virtual Private LAN Service. A arquitetura híbrida é interessante para grandes redes Metro Ethernet. A camada de serviços de aplicação A camada APP oferece suporte a aplicações baseadas nos serviços Ethernet através da MEN. Vários serviços de aplicação podem ser suportados, como exemplo, o uso da camada ETH como camada TRAN para outras redes como IP, MPLS, PDH, etc. A camada de serviços Ethernet A camada ETH é responsável pelos serviços do MAC (controle de acesso ao meio) e pela entrega dos quadros nas interfaces e nos pontos associados. O quadro 11

12 apresentado nas interfaces da camada ETH pode ser um quadro Unicast, Multicast ou Broadcast, de acordo com o padrão IEEE A camada de serviços de transporte A camada TRAN oferece suporte para conectividade entre os elementos da camada ETH independentemente dos serviços. Várias redes podem ser utilizadas para suportar os requisitos de transporte para a camada ETH, como por exemplo. IEEE PHY, SONET/SDH, ATM VC, PDH DS1/E1, MPLS LSP, etc. Tecnologias de transporte 1-Ethernet over Fiber (EoF) A tecnologia Ethernet over Fiber é marcada pelo uso exclusivo de Ethernet na transmissão dos dados no nível 1 e 2 do modelo de referência OSI. A idéia é conectar diversos nós com switches Gigabit gerenciáveis. Desta forma poderíamos evitar o uso de SDH e quaisquer outras tecnologias de nível 1, como linhas dedicadas. 2-Ethernet over Sonet/SDH (EoS) SDH é tecnologia mais utilizada em backbones. Devido a este fato, há um grande interesse em aproveitar a infra-estrutura existente para o transporte de quadros Ethernet. EoS reaproveita a estrutura SDH e fornecer capacidade de transporte com excelente capacidade de Operação, Administração e Manutenção (OAM). O benefício do EoS é que adiciona serviço da rede Ethernet e preserva todos os atributos da infra-estrutura Sonet/SDH, tais como a restauração rápida, o monitoramento do link de qualidade e o uso da gerência de rede Sonet/SDH existente. Com EoS, mesmo com o frame-ethernet completo consegue-se preservalo, encapsulando dentro do payload do Sonet no começo da rede e removendo no final. 3-Ethernet over WDM (EoW) 12

13 Apesar do crescente número de redes de transporte metropolitanas baseadas em comutação Ethernet, muitas operadoras apreciam a idéia de somar as vantagens do Ethernet com as facilidades possibilitadas pelas redes Wave lenght Division Multiplexing (WDM) e SDH utilizando, nesse caso, técnicas como concatenação virtual (EoS Ethernet over Sonet/SDH).WDM é uma tecnologia que permite a multiplexacão de sinais ópticos em uma únicafibra, usando para isso, diferentes comprimentos de onda (λ) de laser para cada sinal. Desta forma, é possível transmitir vários sinais em uma mesma fibra, multiplicando a capacidade de transmissão e adicionando a habilidade de comunicacão bidirecional. Isto é uma vantagem grande para as operadoras, pois permite aumento da taxa de transmissão sem ter que estender mais fibra óptica. Sistemas WDM são classificados em duas categorias: Coarse WDM (CWDM) e Dense WDM (DWDM). CWDM são sistemas que multiplexam até 8 comprimentos de onda (λ )distintos por fibra, enquanto os DWDM multiplexam mais de 8 λ. EoW é a última palavra para o fornecimento de largura de banda em Ethernet. Suas aplicações incluem conexão entre Data Centers e transporte de vídeo. EoW, assim como EoS, fornece o tempo de restauração de até 50 ms ou menos e apresenta uma latência muito baixa. Assim, custeia-se especialmente no aumento da largura de banda das fibra ópticas, concretizada pela abertura de λ em WDM e no poder de redundância e controle (via monitores, sistema de alarmes e gerência), refletidos na proposição de valor do SDH. 4-Ethernet over RPR (EoR) O Resilient Packet Ring oferece duas grandes vantagens que antes eram exclusivas do SONET, que são o suporte eficiente à topologia em anel e a recuperação rápida em caso de rompimento físico de fibras óticas ou falhas em links de dados [RESILIENT PACKET RING ALLIANCE]. Além disso, procura efetivar um controle de congestionamento e justiça na utilização da largura de banda. A utilização da topologia em anel nas redes metropolitanas tem larga utilização devido à possibilidade de recuperação à falhas. A topologia em anel é muito utilizada nas redes SONET/SDH, porém possui a desvantagem conhecida de desperdiçar banda em seus canais de largura fixa, ineficiência na utilização de 13

14 tráfego multicast (já que reserva um canal fixo para cada ponto) e na utilização de um anel duplo para a redundância e recuperação de falhas, desperdiça 50% da banda disponível. Em um cenário de topologia em anel utilizando a tecnologia Ethernet, comparado ao SONET/SDH, utiliza melhor a largura de banda. Porém é lento na recuperação de falhas, já que utiliza o protocolo spanning tree para esta recuperação, comparado a outras técnicas existentes. O RPR, aprovado como Standard (802.17) pelo IEEE em meados de 2004, é um protocolo MAC que opera na camada 2. Preservando a independência das camadas, pode operar sobre o SONET, Ethernet ou DWDM, tecnologias de camada física. O MAC RPR é baseado na arquitetura Add-Drop Muxes (ADM), em comparação à arquitetura de comutação do Ethernet. No RPR os dispositivos implementam a noção de caminho de trânsito, em que cada nó deixa passar o tráfego não direcionado a ele, não havendo necessidade de recebê-lo, enfileirá-lo lo e agendar sua transmissão. Basicamente a entidade MAC existente em cada nó executa três funções. Add, para inserir o tráfego destinado a outro nó, Drop, para receber e retirar o tráfego assinado ao nó (no caso de uma transmissão multicast ele não retira o tráfego do anel) e Pass, para encaminhar o tráfego em trânsito de um nó para outro. O caminho de trânsito efetivamente se transforma em parte do meio de transmissão e faz com que o anel RPR se comporte como um único e contínuo meio compartilhado por todos os nós do anel, o que facilita a utilização em altas taxas de transmissão. O dispositivo RPR age como um packet ADM conectado a um meio compartilhado. 14

15 O RPR possui um grau de resiliência natural, por ser um protocolo de pacotes dentro de uma topologia em anel. Mensagens de proteção são trocadas entre estações para informar o estado do anel. Estão definidos mecanismos de redirecionamento e de cobertura. Todas as estações em um anel devem usar o mesmo mecanismo de proteção. A proteção do RPR 30 o RPR é o controle de igualdade ou justiça (fairness). O protocolo de justiça RPR proporciona uma distribuição justa da largura de banda disponível para todas as estações em um anel, mesmo nos momentos em que o anel possui alto tráfego ou congestionamento [RESILIENT PACKET RING ALLIANCE]. Alguns dos objetivos do protocolo de justiça RPR: a. Justiça baseada no peso da fonte transmissora. Em qualquer segmento ligado ao anel, a largura de banda disponível é alocada a cada nó na proporção ao seu peso relativo. Por exemplo, se todos os nós possuem peso similar, a largura de banda disponível será compartilhada de forma similar por todos os nós. Caso um dos nós possua um peso maior, a largura de banda alocada ao nó será proporcional ao peso do nó dividido pela soma dos pesos de todos os nós. 15

16 b. Requerimento de largura de banda. O protocolo de justiça deve ser capaz de requerer largura de banda não utilizada que é disponibilizada mas não utilizada. c. Tempo de resposta rápida. Pelo fato do tráfego ser muito variável, para possibilitar a máxima utilização da largura de banda e para garantir que o protocolo seja responsável por mudanças instantâneas no tráfego, ele deve responder de forma imediata a estas mudanças. d. Utilização de grandes taxas de largura de banda. O protocolo deve ser habilitado a lidar com grandes taxas de largura de banda, mesmo sob cargas próximas a 100% de utilização do anel. e. Escalabilidade. O protocolo deve ser escalável e deve ser capaz de atender as taxas de largura de banda e diâmetros do anel previstos no padrão. Nem os SONET ADM s nem os switches Ethernet têm esta capacidade de gerenciamento de banda, tornando o RPR uma solução excelente para a otimização destes recursos. Encontramos também nesta tecnologia vantagens na utilização do tráfego multicast ou broadcast. No RPR, em um tráfego unicast, o pacote recebido pode ser recebido e retirado do anel ou encaminhado a outro nó. No broadcast ou multicast, o quadro pode ser recebido e encaminhado a outro nó, possibilitando a utilização de apenas um pacote para vários ou todos os nós da rede. Na figura 7 é apresentado um exemplo de uma rede metropolitana utilizando-se da tecnologia RPR, com seus vários serviços e tipos de provedores. 16

17 O Resilient Packet Ring O Resilient Packet Ring como centro desta solução permitirá ao provedor de serviços oferecer largura de banda ao usuário final, com a promessa de recuperação de falha em tempo inferior a 50 ms. Cada nó provê banda a ser adicionada ou excluída conforme a necessidade. O algoritmo de controle de igualdade residente no RPR irá prevenir que nenhum nó do anel monopolize banda ou aumente demasiadamente o atraso. Dispositivos RPR customizados para várias demandas de largura de banda poderão ser utilizados de acordo com a necessidade e tamanho do usuário final, o que representa menor custo e popularização da solução. O exemplo apresentado na figura 7 demonstra a integração entre o Ethernet e tecnologias de redes de pacotes em anel. O Ethernet é usado para acesso e encadeamento de linhas de transmissão, tanto em 10/100 Mbits (Nó B), Gigabit (Nó C) ou 10 Gbits (Nó A). Vantagens O Metro Ethernet oferece as seguintes vantagens para provedores e assinantes: Não necessidade de roteador na ponta do cliente, diminuindo custo; Flexibilidade (Para aumento de banda por demanda, por exemplo); Fácil Manutenção; 17

18 Fácil gerenciamento; Equipamentos mais baratos do que nas redes mais antigas (ATM, SONET, FR, etc ); Cliente lida com uma interface Ethernet comum e bem conhecida, integrando-se perfeitamente a LAN já instalada; Permite ao provedor oferecer serviços de valor agregado; Mais largura de banda para os clientes do que utilizando outras tecnologias como DSL ou Cable Modems; Possibilidade de o cliente pagar apenas pela banda utilizada (fácil implementação deste controle no lado da operadora). No Brasil No Brasil, a tecnologia Metro Ethernet ainda é pouco difundida, porém estamos dando passos na direção do crescimento da popularidade das MEN. Pesquisas apontam que 98% das redes corporativas nacionais baseiam-se no padrão Ethernet, o que justificaria um crescimento na oferta de serviços Metro Ethernet. A Telemar, por exemplo, já implantou aqui no Brasil uma MEN para atender inicialmente Rio de Janeiro, Recife, São Paulo e Belo Horizonte. O primeiro cliente dela aqui no Rio foi a Petrobrás, contratando um serviço E-LAN com velocidade de 100Mbps. A Iqara Telecom, por sua vez, oferece serviços de última milha baseados em uma MEN de 1Gbps com anéis de fibra ótica. A Intelig fechou um contrato e utilizará as redes de acesso da Iqara para última milha, ela oferece serviços de internet banda larga além de um serviço para interligar redes corporativas a altas velocidades. Alguns consultores das gigantes de telecom nacionais apostam na premissa de que Ethernet é muito mais barato que as soluções já instaladas como SDH, ATM ou FR (até 5 vezes mais barato por megabit) e que é muito importante a questão de não precisar de uma estrutura com roteadores na ponta do cliente. 18

19 Conclusão Conforme demonstramos, a tecnologia Metro Ethernet alia todas as facilidades de uma tecnologia idealizada para redes locais com a performance desejável em enlaces metropolitanos e de longa distância. A simplicidade na utilização de switches, com a consequente queda no custo da infra-estrutura, unida às tecnologias de recuperação de falhas, além da flexibilidade no fornecimento de largura de banda de acordo com as necessidades imediatas do cliente, tornam esta tecnologia uma das mais promissoras na área de telecomunicações para os grandes centros urbanos. O crescimento da solução Metro Ethernet tem sido intenso desde então, indicando que a tecnologia será cada vez mais utilizada pelas empresas, governos e, em futuro próximo, por clientes residenciais. 19

20 Bibliografia: /Metro_Ethernet_2006.pdf Monografia - Donato Antonio Marino Junior : Redes Metro Ethernet, Uma visão Geral da Tecnologia. Perguntas: 1-O que é Metro-Ethernet? R: Metro Ethernet é um modo de utilizar redes Ethernet em áreas Metropolitanas e geograficamente distribuídas 2-Cite duas vantagens no uso do Metro-Ethernet. R: Faz uso de equipamentos mais acessíveis e é de fácil gerenciamento. 20

21 3-Cite duas topologias utilizadas em redes Metro-Ethernet. R: Anel e Mesh. 4-O que é Ethernet Line? R: O serviço Ethernet Line ou linha Ethernet, corresponde a comunicação ponto-aponto entre duas UNIs. 5- Qual é o propósito do uso de MEtro-ethernet em redes corporativas? R: Acesso à Internet e conectar sites(filiais) geograficamente distantes. 6-O que são quadros Unicast? R: São quadros definidos pelo endereço MAC de destino. Esse atributo especifica se o quadro unicast deve ser descartado, entregue ou entregue condicionalmente 7- O que é uma UNI? R: O UNI é uma interface padrão Ethernet, denominada Interface Rede-Usuário, esta conecta o site à MEN. 8-Mostre um motivo para se utilizar MetroEthernet ao invés de SONET/SDH? R: Os equipamentos SONET apesar de apresentarem ótimo desempenho e qualidade possuem preços por muitas vezes proibitivos (altíssimos), dificultando sua implementação. 21