Estudo experimental do tempo de recuperação de falhas em comutadores de caminhos óticos

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1 Universidade Federal do ABC - UFABC Curso de Pós-Graduação em Engenharia da Informação Dissertação de Mestrado Autor: Claudecir Lopes Arnar Estudo experimental do tempo de recuperação de falhas em comutadores de caminhos óticos Santo André, SP 2012

2 Curso de Pós-Graduação em Engenharia da Informação Dissertação de Mestrado Autor: Claudecir Lopes Arnar Estudo experimental do tempo de recuperação de falhas em comutadores de caminhos óticos Dissertação de Mestrado apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia da Informação, sob orientação do Professor Doutor Gustavo Sousa Pavani. Santo André, SP 2012

3 Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, de acordo com as observações levantadas pela banca no dia da defesa, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador. Santo André, 28 de março de Assinatura do autor: Assinatura do orientador:

4 Agradecimentos Agradeço primeiramente ao meu orientador Gustavo Sousa Pavani mentor deste grandioso projeto que me deu a oportunidade e todo o suporte para que este trabalho fosse realizado. À minha digníssima esposa Luciana Gonsalez Arnar que durante toda a minha trajetória me apoiou e sei que continuará a me apoiar durante todas as diculdades que a vida nos assinala. Aos meus lhos Gabriela e Felipe que compreenderam as ausências justicáveis, mas não menos importante que o amor que lhes dedico, apesar de todas as barreiras e obstáculos que enfrentamos juntos. Venho também expressar a minha gratidão para minha mãe, irmã e meus irmãos que sempre foram uma referência na minha vida. E aos meus amigos Dener e Júlio que de uma forma ou de outra contribuíram para que eu pudesse almejar a conquista deste grande labor que é a vida. Amo todos vocês!! Esta dissertação contou com o suporte nanceiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientíco e Tecnológico (CNPq), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Fotônica para Comunicações Ópticas (FOTONICOM)

5 Resumo A contribuição desta dissertação consiste na integração de um comutador de caminhos óticos (Optical Cross Connect (OXC)) em um sistema de enlace ótico ponto-a-ponto. Com essa integração, é possível oferecer a camada ótica os serviços de aprovisionamento dinâmico de caminhos óticos, proteção ou restauração automática de caminhos óticos, atenuação e equalização do sinal ótico e a reconguração da topologia lógica, tendo como principais vantagens o melhor aproveitamento da largura de banda utilizada na bra, menor custo relacionado ao processamento eletrônico de dados nos nós da rede, transparência com relação ao protocolo de comunicação e um eciente tratamento e adequação a falhas dos componentes de rede, sejam estas falhas em enlace ou nós. Tais funcionalidades são tratadas através do protocolo de gerenciamento de rede Simple Network Management Protocol (SNMP) que utiliza a estrutura de objetos denominada Management Information Base (MIB), para troca de informações. Em nossos experimentos utilizamos um OXC Polatis atuando como intermediador entre a conexão de dois equipamentos com taxa de transmissão de 10Gbps. Durante as transmissões, foram monitorados a quantidade de pacotes transmitidos, simulando-se um rompimento de bra para a análise da quantidade de quadros perdidos até que ocorra a comutação da proteção. Com os experimentos, foi possível avaliar a inuência de parâmetros do OXC e a denição das características do tempo de recuperação. Palavras-chave: Comutador de caminhos óticos (OXC), Rede de Transporte Ótica (OTN), Recuperação de falhas, Comutação de Proteção Automática (APS).

6 Conteúdo Agradecimentos Resumo Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Acrônimos i ii v vi vii 1 Introdução 1 2 Redes Óticas Histórico A rede ótica roteada por comprimentos de onda Componentes da rede ótica A bra ótica O acoplador O multiplexador e o demultiplexador O comutador de caminhos óticos(oxc) O módulo compensador de dispersão (DCM) O amplicador de bra dopada a Érbio (Erbium Doped Fiber Amplier (EDFA)) Degenerações na camada ótica Efeitos lineares Emissão espontânea amplicada (ASE) Dispersão cromática Dispersão de modo de polarização (PMD) Efeitos não lineares Espalhamento estimulado de Brillouin SBS Espalhamento estimulado de Raman (SRS) Auto modulação de fase (SPM) Modulação cruzada de fase (Cross-Phase Modulation (XPM)) Mistura de quatro ondas (FWM) Recuperação de falhas Fases do processo de recuperação Classicação dos mecanismos de recuperação

7 CONTEÚDO iv 3 Rede de Transporte Ótica (Optical Transport Network (OTN)) Arquitetura e interfaces da Optical Transport Network (OTN) Monitoramento do desempenho elétrico Monitoramento do desempenho ótico Classicação dos métodos de monitoramento ótico Degradações na camada ótica Parâmetros do monitoramento ótico Mecanismos de recuperação de falhas Gerenciamento da rede ótica Plano de controle Rede ótica de comutação automática (ASON) O plano de controle GMPLS Gerenciamento de elementos de rede Arquitetura de gerenciamento de rede Estrutura de gerenciamento de rede Denições dos objetos gerenciados da rede Estrutura de gerenciamento de informações Protocolo de comunicação Capacidade de segurança e de administração Infra-estrutura experimental Enlace ótico experimental Comutador de caminhos óticos (OXC) Comutação de proteção automática (APS) Resultados experimentais Cenário 1: Recuperação de conexão 10GBase-LR Cenário 2: Recuperação de uma conexão OTN Conclusão 55 Referências Bibliográcas 57

8 Lista de Figuras 2.1 Rede ótica roteada por comprimento de onda Atenuação da luz na bra ótica Esquema de construção de um EDFA Exemplo de recuperação de falha Fases dos processos de recuperação Estrutura de encapsulamento/desencapsulamento do sinal cliente da Optical Transport Hierarchy (OTH) Domínios de operação da OTH Sistema de gerenciamento de rede Árvore de identicadores de objetos Exemplo de denição de objeto através da Structure of Management Information (SMI) Infra-estrutura de bras do projeto KyaTera Esboço do enlace ótico experimental entre a UFABC e a UNICAMP Princípio de funcionamento do OXC Comutador de caminhos óticos da Polatis Esquema básico de proteção por comutação Esquema das portas em um OXC para recuperação Esquema de dois grupos de proteção Conguração do experimento de proteção 1 : 1 para conexão 10GBase-LR Tempo de perda de pacotes para averaging time de 50 ms Tempo de perda de pacotes para averaging time de 500 ms Tempo de perda de pacotes para averaging time de 2000 ms Tempo de perda de pacotes para averaging time de 50 ms e falha emulada através de VOA Conguração do experimento de proteção 1 : 1 para conexão OTN Tempo de perda de pacotes para averaging time de 50 ms na conexão OTN.. 54

9 Lista de Tabelas 2.1 Bandas espectrais usadas em comunicações óticas Taxas de linha na OTN Condições de alarme e indicadores mais comuns na OTN Lista das degenerações da camada ótica mais comuns em ordem decrescente de frequência relativa de ocorrência Correlação entre os parâmetros usuais de monitoramento da camada ótica e as degenerações de camada física com alta frequência relativa de ocorrência Tempo para média na medida da potência Estatísticas dos experimentos

10 Lista de Acrônimos AGC APC API APS ASE ASON BDI BEI BER BIP-8 CMIP CMISE DCM EDFA FAPESP FAS FEC FWM FSC GMPLS IANA IETF Automatic Gain Control Automatic Power Control Application Programming Interface Automatic Protection Switching Amplied Spontaneous Emission Automatically Switched Optical Network Backward Defect Indication Backward Error Indication Bit Error Rate Bit Interleaved Parity-8 Commom Management Information Protocol Commom Management Information Service Element Dispersion Compensation Module Erbium Doped Fiber Amplier Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo Frame Alignment Signal Forward Error Correction Four-Wave Mixing Fiber Switch Capable Generalized Multi-Protocol Label Switching Internet Assigned Numbers Authority Internet Engineering Task Force

11 LISTA DE TABELAS viii IP ISO ITU-T LOF LOS LMP LSA LSC LSR LSP MIB OADM OAMP OCh ODU OEO OID OMS OOF OPM OPU OSI OSNR OSPF-TE OTH OTN OTS Internet Protocol International Organization for Standardization International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector Loss Of Frame Loss Of Signal Link Management Protocol Link-State Advertisement Lambda Switch Capable Label Switching Router Label Switched Path Management Information Base Opical Add/Drop Multiplexer Operations, Administration, Maintenance and Provisioning Optical Channel Optical channel Data Unit Optical-Electrical-Optical Object Identier Optical Multiplex Section Out-Of-Frame Optical Performance Monitoring Optical channel Payload Unit Open Systems Interconnection Optical Signal-Noise Ratio Open Shortest Path First with Trac Engineering Optical Transport Hierarchy Optical Transport Network Optical Transport Section

12 LISTA DE TABELAS ix OTU Optical channel Transport Unit OXC Optical Cross Connect PM Path Monitoring PMD Polarization Mode Dispersion QoS Quality of Service QoT Quality of Transmission RHE Recovery Head-End RSVP-TE ReSerVation Protocol Trac Engineering RTE Recovery Tail-End RWA Routing and Wavelength Assignment SBS Stimulated Brillouin Scattering SDH Synchronous Digital Hierarchy SLA Service Level Agreement SM Section Monitoring SMI Structure of Management Information SNMP Simple Network Management Protocol SONET Synchronous Optical Network SPM Self-Phase Modulation SRLG Shared Risk Link Group SRS Stimulated Raman Scattering TCA Threshold Crossing Alarm TCM Tandem Connection Monitoring TE Trac Engineering TIDIA Programa Tecnologia da Informação no Desenvolvimento da Internet Avançada TLV Type-Length-Value UDP User Datagram Protocol UFABC Universidade Federal do ABC UNICAMP Universidade Estadual de Campinas

13 LISTA DE TABELAS x USP VOA WDM WRON XPM Universidade de São Paulo Variable Optical Attenuator Wavelength Division Multiplexing Wavelength Routed Optical Network Cross-Phase Modulation

14 Capítulo 1 Introdução O conjunto de serviços e aplicações que dependem das redes de comunicação é muito vasto: redes de telefonia, correio e comércio eletrônico, distribuição de conteúdo, etc. Isso torna a vida das empresas e dos indivíduos cada vez mais dependente dos serviços de comunicação, de tal forma que qualquer interrupção pode gerar grandes transtornos. Por esse motivo, é importante que as redes de comunicação sejam conáveis, o que levou desde muito cedo ao desenvolvimento de tecnologias e padrões para a recuperação da rede na presença de uma falha. Há uma série de dimensões que devem ser exploradas quando o assunto de recuperação de falhas em rede é tratado: Qual é o tempo para que se recupere completamente a falha? Após a recuperação, a rede continuará operando com uma qualidade de serviço similar ao momento que antecedia a falha? Há algum impacto na estabilidade da rede como resultado da tentativa de recuperação de uma falha? Quais as implicações do aumento de complexidade na rede para possibilitar a recuperação de falhas?

15 2 Quais os custos envolvidos em termos de equipamentos e largura de banda de reserva? Um fator complicador para essas questões é que cada camada de rede possui mecanismos de recuperação de falhas, que interagem entre si na ocasião de uma falha da rede. Nesse contexto, o objetivo desta Dissertação é explorar de forma experimental o que acontece quando uma falha simples atinge um enlace de um comutador de caminhos óticos OXC em uma rede totalmente ótica. Mostrar-se-á a dinâmica envolvida no mecanismo de recuperação implementado no comutador de caminhos ótico, incluindo-se uma análise detalhada do tempo de recuperação da falha. O restante desta Dissertação está organizada da seguinte forma: Capítulo 2 São apresentadas as redes óticas, seu histórico, principais características e mecanismos de recuperação de falhas; Capítulo 3 Se descreve as redes de transporte óticas, cuja arquitetura é baseada na recomendação ITU-T G.872 [1]. São explanadas as suas especicidades quando comparadas às redes óticas do Capítulo 2. Capítulo 4 Neste Capítulo, são descritos os planos de controle e as formas de gerenciamento das redes (de transporte) óticas. Capítulo 5 Dissertação. Se detalha as facilidades experimentais usadas no desenvolvimento desta Capítulo 6 Cenários de avaliação do tempo de recuperação em um comutador de caminhos óticos são apresentados, com os respectivos resultados; Capítulo 7 As conclusões obtidas nesta Dissertação são apresentadas e discutidas.

16 Capítulo 2 Redes Óticas As redes óticas vem evoluindo rapidamente ao longo do tempo e se tornaram um elemento chave para o crescimento da Internet que se vê nos dias de hoje. Assim, é importante entender as principais características dessas redes, incluindo o que se pode esperar em termos de conabilidade. 2.1 Histórico O primeiro estudo de propagação de luz em bras óticas foi publicado por Sir Charles Kuen Kao e George Alfred Hockhan em 1966 [2], pioneiros no desenvolvimento e utilização de bras óticas, Kao e Hockham destacaram que a atenuação em uma bra ótica se devia a impurezas no vidro e a perda intrínseca determinada pelo espalhamento de Rayleigh. De fato, eles previram que se poderia chegar a uma perda de 20 db/km. Essa previsão notável, feita em uma época em que a perda de potência em uma bra de vidro era de aproximadamente 1000 db/km, seria demonstrada mais tarde. Atualmente, perdas de transmissão que chegam a 0, 1 db/km são possíveis. Kao cou conhecido como pai da bra ótica e padrinho da banda larga, premiado em 2009 com o Prêmio Nobel em Física pela realizações inovadoras relacionadas com a transmissão da luz em bras para comunicação ótica. As pesquisas nos sistemas de transmissão óticos começaram por volta de Cada autor classica de forma diferente as gerações das redes óticas, para este trabalho será usado

17 2.2 A rede ótica roteada por comprimentos de onda 4 as considerações feitas por Agrawal [3]. O primeiro sistema de comunicação ótico na faixa de frequências de 0, 8 µm, usando lasers semicondutores de GaAs a uma taxa de 45 Mbps e repetidores a cada 10 Km. Este sistema se tornou disponível comercialmente em 1980 [4]. A segunda geração das redes óticas surgiu a partir do uso do laser de InGaAsP, o qual operava em torno da frequência de 1, 3 µm, devido à menor dispersão da bra em torno dessa frequência. No início, com o uso das bras multimodo as taxas de transmissão se limitavam a 100 Mbps [5]. Por volta de 1987, com a substituição por bras monomodo, as transmissões chegavam até 1, 7 Gbps, usando um espaçamento de repetidores de 50 km. A terceira geração de sistemas óticos aconteceu durante a década de 1980, com laser operando na frequência de 1, 55 µm e com perdas na bra por atenuação de 0, 2 db/km. Já em 1985, experimentos indicavam a possibilidade de transmissão a taxas de até 4 Gbps em distâncias superiores a 100 km [6]. Em 1990, taxas de até 10 Gbps já eram possíveis. A quarta geração faz uso de amplicação ótica para aumentar o espaço entre repetidores e de multiplexacão por divisão de comprimentos de onda Wavelength Division Multiplexing (WDM) para aumentar as taxas de transmissão. Na maioria dos sistemas WDM, as perdas na bra são compensadas pelo uso de amplicadores de bra dopada a érbio (Erbium Doped Fiber Amplier (EDFA)), espaçados entre 60 a 80 km. Tais sistemas começaram a ser desenvolvidos em 1985 e se tornaram comercialmente disponíveis em A quinta e atual geração tenta aumentar a largura de banda disponível e a taxa de transmissão por canal. Atualmente já se encontra comercialmente disponível taxas de 100 Gbps. 2.2 A rede ótica roteada por comprimentos de onda A rede ótica roteada por comprimentos de onda (Wavelength Routed Optical Network (WRON)) é constituída por switches óticos interligados por bras óticas formando uma topologia física arbitrária, onde pode haver amplicação e/ou conversão de comprimentos de

18 2.2 A rede ótica roteada por comprimentos de onda 5 onda. Cada usuário nal, normalmente um roteador ou terminal SONET/SDH, é conectado via bra ao switch daquele nó. Figura 2.1: Rede ótica roteada por comprimento de onda. A rede ótica fornece um caminho ótico para um usuário a partir de uma requisição de conexão. Caminhos óticos são conexões óticas que vão de um nó origem a um nó destino utilizando um comprimento de onda nos enlaces que ligam esses nós. No exemplo da Figura 2.1, o nó A (transmissor) estabeleceu uma conexão com o nó C (receptor), usando o mesmo comprimento de onda λ 1 e passando pelos switches 1, 6 e 7. Em alguns casos, pode haver conversão de um comprimento de onda para outro em um mesmo caminho ótico, como mostrado entre as estações D e E. Uma rede ótica é dita transparente quando a regeneração do sinal se dá sem a necessidade de conversão ótica-eletro-ótica (Optical-Electrical-Optical (OEO)) nos nós intermediários da conexão. O sinal ótico, ao atravessar os componentes da rede ótica, sofre alterações em suas

19 2.3 Componentes da rede ótica 6 características. Essas alterações são geralmente chamadas de degenerações da camada física da rede ótica. 2.3 Componentes da rede ótica A rede ótica é formada por inúmeros componentes. Dentre os mais comumente usados podemos citar: A bra; O acoplador; O multiplexador e o demultiplexador; O comutador de caminhos óticos (OXC); O módulo de compensação de dispersão (DCM). O amplicador de bra dopada a Érbio (EDFA); A bra ótica A bra ótica é um excelente meio de transmissão se comparada com o cobre ou o ar livre. A bra permite uma transmissão com baixas perdas com uma faixa de pelo menos 25 THz. Em geral, as bras têm como parâmetro de fabricação o seu coeciente de atenuação (α), que é cerca de 0, 2 db/km para um comprimento de onda na região de 1550 µm, mas que é bastante alto (cerca de 5 db/km) para a luz visível. Entretanto, a resposta da bra, como qualquer meio dielétrico à luz, se torna nãolinear quando submetida a campos eletromagnéticos intensos, causando a maior parte das degenerações (veja a Seção 2.4) que o sinal ótico sofre na rede ótica. A atenuação é a redução da potência ótica do sinal à medida que ele viaja na bra, sendo denida pela relação entre a potência luminosa na entrada da bra (P in ) e a potência

20 2.3 Componentes da rede ótica 7 luminosa na saída da bra (P out ) [7]. Para uma bra ótica de comprimento L, a atenuação x f é dada pela equação: x f = 10log( P in P out ) L (2.1) A bra de vidro é formada pela fusão de moléculas de Sílica (SiO 2 ). O vidro resultante não é um composto, mas sim uma mistura de moléculas de SiO 2, que possuem variações nas localizações moleculares ao longo do material. Uma mistura de Titânio, Germânio, Boro, Fósforo e Flúor podem ser feitos a este material, com o objetivo de elevar o grau de pureza, transformando em uma bra de baixas perdas. Os mecanismos básicos, responsáveis pela atenuação em bras óticas são a absorção, o espalhamento, as curvaturas e o projeto de guia de onda. As impurezas são também uma das principais fontes de perdas intrínsecas na faixa de comprimento (ultravioleta), a medida que se aproxima da região visível a perda decresce. A impureza mais importante, cuja concentração deve ser minimizada, é o íon hidroxila (OH ). O mecanismo de perda de energia para o íon OH é a vibração que estica e contrai a ligação química. Os átomos de Oxigênio e Hidrogênio estão vibrando devido à mobilidade térmica. A frequência de ressonância ocorre para um comprimento de onda de 2, 73 µm. Embora o pico de absorção esteja fora da região de interesse, os sobretons dessa ressonância ocorrem dentro da região de interesse. De fato esse mecanismo de absorção impossibilita o uso das bras óticas de Sílica além do comprimento de onda de 1, 6 µm [7]. Além da atenuação e das impurezas nas bras, um dos fatores que altera o alcance do sinal ótico e, portanto, a necessidade de regeneração, é a frequência de transmissão (ou comprimento de onda) que é escolhido. De fato, há comprimentos de onda que sofrem maior ou menor atenuação na bra ótica. Há duas janelas com menor atenuação, de cerca de 0, 2 db/km (em outras palavras, cerca de 50% de atenuação em 15 km) em torno dos comprimentos de onda de 1310 e 1550 µm [8], conforme pode ser visto na Figura 2.2. Note que o espectro eletromagnético de interesse está na região chamada de infra-

21 2.3 Componentes da rede ótica 8 Figura 2.2: Atenuação da luz na bra ótica. vermelho próximo, que ca entre 0, 7 e 1, 4 µm, e infra-vermelho de ondas curtas, que ca entre 1, 4 e 3 µm, não sendo visível para seres humanos. A luz visível tem comprimento de onda entre 400 e 700 nm [9]. A Tabela 2.1 mostra as bandas espectrais, com os respectivos nomes, que são comumente usados em comunicações óticas em bras monomodo. Está fora do escopo deste trabalho o uso de bras multimodo, pois estas estão restritas a comunicações de curta distância, como redes locais. Banda Descrição Intervalo (nm) O Original E Extendida S Curta C Convencional L Longa U Ultra-longa Tabela 2.1: Bandas espectrais usadas em comunicações óticas.

22 2.3 Componentes da rede ótica 9 Outros fatores limitam o uso efetivo dos sistemas de comunicação ótica, além da atenuação. Esses fatores serão estudados na Seção O acoplador Um acoplador é usado para combinar ou dividir sinais em uma rede ótica. O acoplador tem vários usos na rede ótica, por exemplo, no acoplamento do sinal de bombeio com o sinal proveniente do enlace no Erbium Doped Fiber Amplier (EDFA) O multiplexador e o demultiplexador Os multiplexadores combinam vários comprimentos de onda em uma única bra, enquanto os demultiplexadores fazem o serviço contrário, separando vários comprimentos de onda, que estão em uma única bra, em várias bras O comutador de caminhos óticos(oxc) O contínuo aumento da demanda por taxas de transmissões mais elevadas e a evolução das tecnologias do comutador de caminhos óticos (Optical Cross Connect (OXC)), permitiram rotear comprimentos de onda fazendo que o gerenciamento ecaz dos recursos sejam fatores essenciais para ampliar a eciência e o desempenho das redes óticas. O OXC tem a função de comutar comprimento de onda entre diferentes bras, sendo na verdade uma matriz de comutação. Mais especicamente, OXC é capaz de rotear um comprimento de onda de uma porta de entrada para uma porta de saída. Ele pode ou não conter um conversor de comprimento de onda para trocar a frequência de determinado sinal ótico. Existem várias técnicas possíveis de construção de um OXC. Em nosso caso especíco, em que foi adquirido um OXC do fabricante Polatis [10], é usada a tecnologia de comutação em espaço livre com colimadores em bra e atuadores pieozelétricos. Maiores detalhes serão apresentados no Capítulo 5.

23 2.3 Componentes da rede ótica O módulo compensador de dispersão (DCM) O módulo compensador de dispersão (Dispersion Compensation Module (DCM)) contém uma bra ótica monomodo especial, que possui dispersão negativa para compensar a dispersão cromática. Normalmente, esse módulo é construído de acordo com o tamanho do enlace que necessita da compensação, pois o comprimento da bra especial irá determinar a compensação que será oferecida no enlace. Esse tipo de módulo introduz uma atenuação extra de alguns dbs no enlace ótico. Quando essa perda de inserção é muito grande ou quando se deseja um módulo sintonizável é usada a tecnologia de grades de Bragg O amplicador de bra dopada a Érbio (EDFA) O amplicador de bra dopada a Érbio (Erbium Doped Fiber Amplier (EDFA)) consiste de uma bra de sílica cujo núcleo é dopado com íons de érbio (Er 3+ ). A bra recebe um laser de bombeio com o comprimento de onda de 980 ou 1480 nm [11]. Para se juntar o laser de bombeio com o sinal ótico a ser amplicado, há um acoplador com seleção de comprimentos de onda no início da bra dopada. Na sua saída, outro acoplador com seleção de comprimentos de onda pode ser usado para separar o sinal amplicado dos vestígios do sinal de bombeio. Em geral, um isolador é usado na entrada e/ou saída para evitar reexões dentro do amplicador. Um esquema possível de EDFA é mostrado na Figura 2.3. Sinal em 1550 nm Fibra dopada a érbio Isolante Saída do sinal Bombeio 980 nm Resíduo do bombeio Acoplador com seleção de comprimento de onda Figura 2.3: Esquema de construção de um EDFA. Os EDFA podem ser usados em três tipos diferentes de conguração:

24 2.3 Componentes da rede ótica O pré-amplicador é usado antes de um receptor para melhorar sua sensibilidade; 2. O amplicador de potência é usado após o transmissor para aumentar a potência de saída; 3. O amplicador de linha é usado no enlace para compensar as perdas de atenuação de seus componentes. Entre os motivos que garantiram o sucesso do uso dos EDFAs, pode-se citar: A disponibilidade de lasers semicondutores de bombeio que são extremamente compactos e conáveis; Como o EDFA é feito de bra, ele é independente da polarização e facilmente acoplável nos sistemas óticos; A simplicidade do dispositivo; Largura de banda de 25 nm na região do comprimento de onda de 1550 nm, com relativa planura de ganho nessa região. Isso possibilita a amplicação de vários canais WDM simultaneamente; O fato de não introduzir interferência entre canais na amplicação de sinais WDM. O ganho no EDFA depende da potência total dos sinais óticos de entrada. Para altas potências de entrada, o EDFA satura e seu ganho diminui. Os EDFAs podem ser construídos para operar em dois modos especiais: Controle automático de ganho (Automatic Gain Control (AGC)), onde o ganho para cada canal é mantido constante, desde que a potência ótica total entrando no amplicador não exceda sua potência de saturação; Controle automático de potência (Automatic Power Control (APC)), onde é mantida a potência total de saída.

25 2.4 Degenerações na camada ótica Degenerações na camada ótica Além da bra ótica, todos os outros componentes óticos atenuam o sinal ótico, tais como os multiplexadores, demultiplexadores, os elementos de permutação e os módulos de compensação de dispersão. De forma similar, todos os componentes da rede ótica também inserem degenerações no sinal ótico, além da atenuação. Essas degenerações são comumente classicadas em efeitos lineares e não-lineares. Os efeitos lineares são independentes da potência do sinal e não causam interferência em outros canais. Já os efeitos não-lineares são fortemente relacionados aos níveis de potência e causam interferência entre os canais Wavelength Division Multiplexing (WDM) Efeitos lineares Ao longo de uma propagação ótica, os sinais podem ser impedidos sicamente através da atenuação e da dispersão, restringindo o alcance de um sistema. Estes impedimentos são classicados como efeitos lineares quando não depende da potência do sinal. As principais causas de efeitos lineares que serão apresentados são a emissões espontâneas amplicada (Amplied Spontaneous Emission (ASE)), a dispersões cromática e a dispersão de modo de polarização (Polarization Mode Dispersion (PMD)) Emissão espontânea amplicada (ASE) A emissão espontânea amplicada (ASE) é o ruído dominante gerado pelo EDFA. Essa emissão dá origem a um largo espectro de fótons que são amplicados junto com o sinal ótico. O processo de emissão espontânea não contribui para o ganho de primeira ordem do amplicador. Embora os fótons emitidos tenham a mesma energia que os fótons incidentes do sinal ótico, eles são emitidos em direção, polarização e fase aleatórios. Esse processo é diferente do processo de emissão estimulada, onde os fótons emitidos têm a mesma direção, polarização e fase dos fótons incidentes, e que é responsável pela amplicação do sinal ótico.

26 2.4 Degenerações na camada ótica 13 A emissão espontânea prejudica o sistema ótico. O amplicador não consegue distinguir o sinal ótico das emissões espontâneas, amplicando ambas. Assim, em redes óticas de longas distâncias, que se valem do cascateamento de amplicadores óticos para compensar as perdas do sistema, a ASE se torna o fator mais crítico que deve ser gerenciado. Há duas razões para isso [12]: a ASE vai se acumulando pelos amplicadores e degrada a relação sinal-ruído quando o número de amplicadores aumenta. A segunda razão é que, conforme o nível de ASE aumenta, ela contribui para saturar os amplicadores óticos, reduzindo, dessa forma, o ganho dos amplicadores que estão localizados mais a frente no enlace. O resultado nal é que o sinal tende a diminuir e a ASE tende a aumentar em sistemas de longa distância, quando se vai aumentando o número de amplicadores óticos, até que, em um caso limite, a taxa de erros de bit (BER) que inaceitável Dispersão cromática Dispersão cromática é o nome dado ao fenômeno em que diferentes componentes espectrais de um pulso se propagam a diferentes velocidades. Ela acontece por dois motivos. Primeiro, o índice de refração da sílica, que é o material com que é feita a bra ótica, é dependente da frequência. Esse componente da dispersão cromática é chamado de dispersão material. A segunda razão é que o índice efetivo de refração do modo fundamental é também dependente da frequência. Esse segundo componente é chamado de dispersão da guia de onda. A dispersão cromática faz com que a forma dos pulsos propagando na bra não seja preservada, provocando, em geral, um alargamento dos mesmos Dispersão de modo de polarização (PMD) A dispersão de modo de polarização (PMD) acontece porque as bras não são perfeitamente simétricas, de modo que dois modos ortogonalmente polarizados tenham diferentes constantes de propagação, ou seja, as bras são levemente bi-refringentes. Como a energia do pulso propagando na bra é geralmente dividido entre esses modos, essa bi-refringência

27 2.4 Degenerações na camada ótica 14 causa um alargamento do pulso. A PMD é um efeito particularmente importante em taxas de transmissão iguais ou superiores a 40 Gbps Efeitos não lineares Há duas categorias de efeitos não-lineares. A primeira categoria compreende os efeitos que surgem devido à interação das ondas de luz com os fónons (vibrações moleculares) na sílica. Devido ao espalhamento presente nesses efeitos, a energia de uma onda de luz é transmitida para uma segunda onda, chamada de onda de Stokes, que tem maior comprimento de onda. A energia perdida é absorvida pelos fótons. A primeira onda funciona como um bombeio que causa uma amplicação da onda de Stokes. Os dois principais efeitos dessa categoria são o espalhamento estimulado de Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering (SBS)) e espalhamento estimulado de Raman (Stimulated Raman Scattering (SRS)). O segundo tipo de efeitos não-lineares ocorre devido à dependência do índice de refração à potência ótica na bra. Os principais efeitos dessa categoria são: auto modulação de fase (Self-Phase Modulation (SPM)), modulação cruzada de fase (Cross-Phase Modulation (XPM)) e mistura de quatro ondas (Four-Wave Mixing (FWM)). Para uma completa referência sobre os efeitos não-lineares, veja [12, 3] Espalhamento estimulado de Brillouin SBS No espalhamento estimulado de Brillouin (SBS) é gerado em níveis elevados de potência pela modulação do sinal ótico propagante por vibrações moleculares dentro do meio (sílica), com unidades de energia vibracional chamada fónons na faixa de frequências acústicas. Os fónons acústicos estão envolvidos na interação de espalhamento, e essa interação ocorre em uma faixa de cerca de 20 MHz (no comprimento de onda 1550 µm). Neste caso, a onda que funciona como bombeio é um sinal ótico e a onda de Stokes é uma onda gerada devido ao processo de espalhamento, a qual se propaga no sentido oposto à onda que serve de bombeio. O SBS pode causar grande distorção dentro de um mesmo canal (intracanal).

28 2.4 Degenerações na camada ótica Espalhamento estimulado de Raman (SRS) No espalhamento estimulado de Raman (SRS) é gerado para níveis de potência do sinal que se propaga ainda mais elevados que os níveis de Brillouin, e é produzido pela interação com fónons de frequência ótica. O efeito tem maior alcance que o SBS, canais espaçados de até 15 THz podem ser afetados pelo SRS. Neste caso, a onda que funciona como bombeio é um sinal de menor comprimento de onda e a onda de Stokes é um sinal de maior comprimento de onda Auto modulação de fase (SPM) No caso da auto modulação de fase (SPM) os sinais transmitidos sofrem gorgeio (chirping). Isto acontece porque o índice de refração da bra causa um componente que é dependente da intensidade. Esse índice de refração não-linear causa um deslocamento de fase que é proporcional à intensidade do pulso. Como diferentes partes do pulso possuem diferentes deslocamentos de fase, surge o gorgeio dos pulsos. O gorgeio induzido pela SPM pode aumentar bastante a largura do pulso devido à dispersão cromática Modulação cruzada de fase (XPM) Nos sistemas WDM, os efeitos não-lineares são aumentados uma vez que os sinais combinados de todos os canais podem ter uma potência muito alta. Dessa forma, o deslocamento de fase dependente da intensidade do pulso com o consequente gorgeio induzidos pelo SPM é aumentado pela intensidade dos outros canais. Esse efeito é conhecido como modulação cruzada de fase (XPM) Mistura de quatro ondas (FWM) Em um sistema WDM que consiste no conjunto de frequências f 1,..., f n, a mistura de quatro ondas (FWM) gera novos sinais nas frequências com 2f i f j e (f i + f j f k ). Essa interferência entre canais é particularmente severa quando o espaçamento entre os canais é pequeno. Além disso, uma baixa dispersão cromática aumenta a interferência entre canais

29 2.5 Recuperação de falhas 16 gerados pela FWM. 2.5 Recuperação de falhas As redes de comunicação estão sujeitas a uma grande variedade de falhas causadas por desastres naturais, desgate, sobrecarga, erros de software ou de operação e até erros intencionais, como sabotagem. Essas falhas afetam o funcionamento da rede, causando a interrupção da comunicação de seus usuários [13]. Os serviços de comunicação estão se tornando cada vez mais indispensáveis para todas as atividades de nossa vida. Por exemplo, uma falha de comunicação pode suspender as operações críticas de uma empresa, causando sérios prejuízos nanceiros. Dene-se como integridade da rede a habilidade dessa rede de prover o QoS desejado aos serviços tanto em condições normais de operação quanto em situações de congestionamento e ocorrência de falhas[13]. A capacidade de sobrevivência da rede é a habilidade dessa rede de se recuperar o tráfego no evento de uma falha, causando pouca ou nenhuma consequência aos seus usuários [14]. A integridade da rede é essencial para muitos usuários. Assim, essas expectativas são traduzidas em contratos entre o fornecedor do serviço e os consumidores, através de um Service Level Agreement (SLA). Tipicamente, esses acordos incluem multas se o nível de serviço não é alcançado. O SLA usualmente especica a disponibilidade mínima do serviço e o tempo máximo para reparo em caso de falha. Quanto mais estrito for os requisitos de integridade, mais caro será o serviço de comunicação fornecido. A falha mais comum em redes óticas é o rompimento de um cabo ótico, que tipicamente estão relacionados com o comprimento do enlace. O tempo médio típico de eventos de rompimento varia de 50 a 200 dias para cada 1000 km de cabo [13], sendo que o tempo típico de reparo varia de algumas horas até várias semanas. A falha simples de enlace é denida como a situação em que o enlace entre dois nós da rede falha, de tal forma que não é possível a troca de informações entre esses nós.

30 2.5 Recuperação de falhas 17 As falhas de equipamentos são menos comuns que as falhas de rompimento de cabo ótico. Entretanto, quando acontecem, o nó da rede ótica deixa de funcionar, sendo chamada de falha simples de nó. As redes óticas normalmente usam esquemas de recuperação de falhas ou de resiliência. Tão logo uma falha na rede é descoberta, esses mecanismos automaticamente direcionam o tráfego afetado pela falha por um outro caminho na rede. Esses esquemas aumentam substanciamente a disponibilidade da comunicação da rede. Um esquema de recuperação de falhas é exemplicado na Figura 2.4 [15]. Em condições normais de operação, o tráfego é transportado pelo caminho de trabalho ou primário. Se uma falha é detectada nesse caminho, o mecanismo de recuperação é ativado. Parte do caminho de trabalho ou todo ele, dependendo da técnica usada, será trocado por um caminho de recuperação ou alternativo. O tráfego que passava pelo elemento da rede que falhou será direcionado para a cabeça de recuperação (Recovery Head-End (RHE)) para o caminho reserva. O tráfego, após passar pela cauda de recuperação (Recovery Tail-End (RTE)), é transferido para o caminho de trabalho até o destino. Normalmente o caminho de recuperação é disjunto do caminho de trabalho, assegurando que uma falha simples não afete ao mesmo tempo ambos os caminhos. O tempo de recuperação é denido, então, como o tempo entre a falha na rede e o ponto onde o caminho de recuperação ca ativo e o tráfego começa a uir por ele. Tipicamente, quanto menor o tempo de recuperação, menos os serviços da rede são afetados pela falha Fases do processo de recuperação O processo de recuperação pode ser decomposto em diferentes fases, conforme mostrado na Figura 2.5 [15]. Se uma falha acontece, algum tempo é necessário para o(s) nó(s) adjacente(s) detectar(em) a falha. Este tempo depende de uma série de fatores, incluindo a correlação das informações geradas para a identicação do local exato da falha. Uma vez que a falha é de-

31 2.5 Recuperação de falhas 18 Figura 2.4: Exemplo de recuperação de falha. Figura 2.5: Fases dos processos de recuperação. tectada, o(s) nó(s) que a dectectou(aram) pode(m) esperar algum tempo antes de enviar(em) mensagens de noticação a outros nós da rede. Esse tempo é chamado de tempo de espera (hold-o ) e pode ser usado para permitir que a recuperação em uma camada mais baixa seja feita para reparar a falha. Se a falha persistir após o tempo de espera, mensagens de

32 2.5 Recuperação de falhas 19 noticação deverão ser enviados pela rede para informar os outros nós que se envolverão na ação de recuperação Classicação dos mecanismos de recuperação Os mecanismos de recuperação podem ser agrupados em diferentes categorias, dependo de suas características. Quando se considera a alocação de capacidade de reserva, há duas opções principais: capacidade dedicada ou compartilhada. No caso de capacidade de reserva dedicada, um determinado recurso de reserva está alocado a um particular caminho de trabalho. Em outras palavras, há uma relação unívoca entre os recursos do caminho de trabalho e os recursos de reserva. A outra possibilidade é compartilhar os recursos de reserva entre vários caminhos de trabalho. Assim, existe uma relação de um para vários entre os recursos de reserva e os caminhos de trabalho. É importante ressaltar que embora a segunda opção é mais complexa, nesse segundo caso os recursos de reserva são usados de forma mais eciente. Já quando se considera o momento em que o caminho de recuperação é escolhido, podemos dividir os mecanismos como pré-planejados e dinâmicos. No caso pré-planejado, o caminho de recuperação é calculado antes que a falha ocorra, para todos os cenários de falha considerados. No caso dinâmico, os caminhos de recuperação não são planejados, de tal forma que o caminho é computado após a detecção da falha, por exemplo, pelos nó RHE ou RTE. A opção pré-planejada tem a vantagem de possibilitar uma rápida recuperação quando uma falha ocorre. Por outro lado, ela somente cobre os cenários de falha previamente planejados. Uma importante distinção é tipicamente feita nos mecanismos de recuperação sobre proteção e restauração [13]. Ambos as opções necessitam de sinalização, mas há diferenças no tempo em que as ações de sinalização são realizadas. No caso de proteção, os caminhos de recuperação são pré-planejados e totalmente sinalizados antes que a falha ocorra. Quando uma falha ocorre, não é necessária sinalização

33 2.5 Recuperação de falhas 20 adicional para aprovisionar o caminho de proteção. No caso da restauração, os caminhos de recuperação podem ser pré-planejados ou dinâmicos, mas quando a falha ocorre, são necessárias sinalizações adicionais para se estabelecer o caminho de restauração. Assim, a maior vantagem da proteção é o tempo de recuperação mais rápido, que pode ser importante para alguns tipos de aplicação. Por outro lado, os mecanismos de recuperação são mais exíveis e geralmente requerem menos capacidade de reserva. Podemos ainda dividir os mecanismos de proteção nos seguintes tipos: Proteção dedicada ou Um caminho de proteção dedicado protege exatamente parte ou o todo de um caminho de trabalho e o tráfego normal é permanentemente duplicado no RHE dos caminhos de trabalho e de recuperação. No RTE, o sinal com a melhor qualidade é selecionado e entrega ao destino. Alternativamente, o RTE seleciona o sinal do caminho de recuperação somente quando um defeito no sinal do caminho de trabalho é detectado. Essa estratégia é bastante eciente em termos de tempo de recuperação, mas é bastante cara em termos de uso de banda. Note que outros tipos de sinalização podem ocorrer, como sincronização da proteção entre o RHE e RTE. Proteção dedicado com tráfego extra ou 1 : 1 Um caminho de proteção dedicado protege exatamente parte ou o todo de um caminho de trabalho, mas, em condições normais, o tráfego somente é transmitido no caminho de trabalho. Isso permite que tráfego extra seja transmitido em condições em que uma falha não esteja presente. Tão logo uma falha é detectada na parte protegida do caminho de trabalho, o tráfego é transferido para o caminho de recuperação, sendo que o tráfego extra é preemptado. Proteção compatilhada ou 1 : N Uma entidade de recuperação é dedicada para a proteção de até N entidades de trabalho. Quando não há falhas, a entidade de recuperação pode ser usada para tráfego extra. Proteção M : N Um conjunto de M entidades de recuperação protegem N entidades de trabalho. Tráfego extra pode ser transportado pelas M entidades de recuperação, se estiverem disponíveis.

34 Capítulo 3 Rede de Transporte Ótica (OTN) A Rede de Transporte Ótica (Optical Transport Network (OTN)), padronizada nas recomendações ITU-T G.709 [16] e G.872 [1], tem a rede ótica WDM como seu principal componente na camada física [17], permitindo o tranporte transparente de tráfego Ethernet assim como de outros protocolos, transformando em realidade o paradigma do IP sobre WDM. 3.1 Arquitetura e interfaces da Optical Transport Network (OTN) A recomendação ITU-T G.709, que dene a interface para redes óticas de transporte, usa a experiência acumulada nas redes SONET/SDH para compor a base das redes óticas de nova geração. Ela provê um método padronizado para gerenciar m-a-m comprimentos de onda sem a necessidade de se converter o sinal ótico para o domínio elétrico. A OTN possui funções avançadas de operação, administração, manutenção e aprovisionamento (Operations, Administration, Maintenance and Provisioning (OAMP)) para cada comprimento de onda da rede. Adicionalmente, possui correção antecipada de erros (Forward Error Correction (FEC)) [18], com um código Reed-Solomon RS(255,239) capaz de corrigir até 8 erros de símbolos ou, alternativamente, detectar 16 erros de símbolo. A grosso modo, o quadro da OTN fornece opções de monitoramento digital enquanto

35 3.1 Arquitetura e interfaces da Optical Transport Network (OTN) 22 a arquitetura da OTN trata das opções de monitoramento para o domínio ótico. Toda essa infra-estrutura forma a hierarquia de transporte ótico (Optical Transport Hierarchy (OTH)), que é organizada em camadas como ilustrado na Figura 3.1. Os domínios de operação de cada camada são exibidos na Figura 3.2. As camadas da Optical Transport Hierarchy (OTH) são divididas em: Seção de transporte ótica (Optical Transport Section (OTS)); Seção de multiplexação ótica (Optical Multiplex Section (OMS)); Canal ótico (Optical Channel (OCh)); Unidade de transporte do canal ótico (Optical channel Transport Unit (OTU)); Unidade de dados do canal ótico (Optical channel Data Unit (ODU)); Unidade de carga útil do canal ótico (Optical channel Payload Unit (OPU)); Atualmente, há quatro taxas de linha básicas denidas. O tamanho do quadro permanece constante, o que muda é a taxa de envio de quadros, diferentemente do que ocorre no SONET/SDH. Esses dados são mostrados na Tabela 3.1. Tipo Taxa de linha (kbps) Período do quadro (ms) OTU ,971 OTU ,191 OTU ,034 OTU ,167 Tabela 3.1: Taxas de linha na OTN.

36 3.1 Arquitetura e interfaces da Optical Transport Network (OTN) 23 Figura 3.1: Estrutura de encapsulamento/desencapsulamento do sinal cliente da OTH. Figura 3.2: Domínios de operação da OTH.

37 3.2 Monitoramento do desempenho elétrico Monitoramento do desempenho elétrico A OTU é capaz de fazer o monitoramento de uma seção da conexão, enquanto a ODU é capaz de fazer o monitoramento m-a-m. Ambos carregam informações de monitoramento semelhantes, mas com escopo diferentes. Há alguns campos comuns e que são importantes para determinar a qualidade de transmissão em nível elétrico. O Bit Interleaved Parity-8 (BIP-8) [19] é calculado sobre o OPU, sendo inserido dois quadros adiante no campo apropriado do ODU Section Monitoring (SM), ODU Path Monitoring (PM) e Tandem Connection Monitoring (TCM). A capacidade de detecção é do campo BIP-8 é limitada a 6, (8 bits a cada bytes). Adicionalmente, a OTN dene alarmes e indicadores para diagnosticar degradações e/ou falhas: Loss Of Frame (LOF), que é disparado quando o processo de alinhamento de quadro é no estado Out-Of-Frame (OOF) por 3 ms. O protocolo está no estado OOF quando não consegue achar o sinal de alinhamento de quadro (Frame Alignment Signal (FAS)) F6F6F , por 5 quadros consecutivos; Loss Of Signal (LOS), quando a perda do sinal ótico é detectada. Esse alarme é disparado quando um determinado período de tempo é atingido sem que haja transições no sinal ótico de entrada ou, alternativamente, o sinal recebido está abaixo de um nível pré-determinado. Backward Error Indication (BEI), usado para enviar o montante de informação sobre o número de erros em quadros através do BIP-8; Backward Defect Indication (BDI), usado para indicar o montante se há problemas de conectividade, continuidade ou se um sinal de manutenção está ativo. O BDI dispara um alarme se é recebido por 5 quadros consecutivos. Esses alarmes e indicadores e suas condições estão sumarizados na Tabela 3.2.

38 3.3 Monitoramento do desempenho ótico 25 Alarme Condição OOF Perca do sinal de alinhamento do quadro LOF Ocorre quando em estado OOF por 3 ms LOS Quando a perda do sinal ótico é detectada BEI Enviar informações sobre o número de erros BDI Falha na conexão por cinco quadros consecutivos Tabela 3.2: Condições de alarme e indicadores mais comuns na OTN. 3.3 Monitoramento do desempenho ótico O monitoramento do desempenho ótico (Optical Performance Monitoring (OPM)) de redes WDM é discutido na recomendação ITU-T G.697 [20]. De fato, nessa recomendação uma série de parâmetros são apresentados para o monitoramento ótico de sistemas WDM e seus elementos de rede. O monitoramento no nível ótico complementa aquele proporcionado pelo BIP-8, que é realizado em nível elétrico. Assim, os objetivos do monitoramento de desempenho ótico são para detectar anomalias, defeitos, degradações e falhas que afetam a qualidade da camada ótica. Os parâmetros óticos a serem monitorados devem ser estabelecidos e denidos de acordo com requisitos especícos. Em efeito, a capacidade de melhorar o controle m-à-m com distribuição do monitoramento ótico tem um grande benefício para o gerenciamento, uma vez que alguns defeitos, degradações e falhas que afetam a qualidade da camada ótica são facilmente detectados e isolados através da monitoramento ótico. Nesse contexto, o monitoramento ótico é um processo proativo que pode ajudar a controlar nível de acordo de serviço (Service Level Agreement (SLA)) e mitigar os custos operacionais (embora muitas vezes há um aumento nos custos dos equipamentos). O monitoramento ótico está relacionado em elevar o nível de conabilidade do equipamento, juntamente com a capacidade de diagnosticar rapidamente degradações e falhas, localizando e reparando problemas na rede, que é um problema desaador que aumenta à medida que se aumenta a

39 3.3 Monitoramento do desempenho ótico 26 complexidade da rede Classicação dos métodos de monitoramento ótico Há tipos de métodos de monitoramento do desempenho sinal ótico: domínio do tempo e domínio da frequência. Os métodos que analisam o comportamento do sinal ótico no domínio do tempo tendem a ter as medições mais próximas da BER do que os relativos ao domínio da frequência. Estes métodos são sensíveis tanto para os efeitos de ruído quanto a efeitos de distorção. A desvantagem de tais métodos é a necessidade frequente da demultiplexação do sinal, da conversão OEO e, nos casos de métodos de amostragem, a sincronização da taxa de transmissão. Como exemplo de métodos no domínio do tempo, podemos citar o fator Q. Já os métodos de monitoramento no domínio da frequência (ou comprimento de onda) tem a característica de analisar o espectro do sinal ótico, de forma que não é necessário amostrar ou sincronizar o sinal. A forma mais simples de análise espectral é o monitoramento da potência ótica do sinal. Formas mais avançadas empregam um dispositivo analisador do espectro ótico. A desvantagem dos métodos no domínio da frequência é que são métodos que trabalham com médias, o que torna esse método insensível a todos os efeitos de distorção do sinal. Os métodos de monitoramento ótico também podem ser classicados de acordo com o tipo de equipamento usado. O primeiro tipo são os chamados métodos indiretos, que fazem uma relação entre as falhas dos equipamentos e a qualidade do sinal. As falhas podem ser caracterizada como falta de alimentação, temperatura muito alta ou perda do sinal, elas são detectadas através de auto-teste do equipamento. Os métodos indiretos, tem como a principal função indicar se o sistema está operando normalmente e supõe-se que há uma degradação do sinal quando o equipamento está fora dos parâmetros especicado. No entanto, quando um equipamento está funcionando dentro dos parâmetros estabelecidos não podemos garantir a integridade do sinal, uma vez que pode haver outras deciências

40 3.3 Monitoramento do desempenho ótico 27 que afetam a qualidade do sinal, como por exemplo, a atenuação na bra ótica. No segundo tipo de método, as funções dos equipamentos de monitoramento estão embarcados e a gestão das redes óticas são bem integrados. Por razões de custo, o monitoramento embarcados é normalmente limitado a poucos parâmetros. Por esse motivo diferentes pontos de monitoramento na mesma rede podem compartilhar o mesmo equipamento de monitoramento embarcado. Finalmente, temos os equipamentos de monitoramento externo, que normalmente servem a um propósito diferente dos equipamentos de monitoramento embarcados. Os equipamentos externos normalmente são utilizados para as medições adicionais, como análise de parâmetros de desempenho mais sosticados, ou quando um valor mais preciso de desempenho é necessário. Nesse caso, as principais aplicações seriam de se encontrar falhas em locais que dicilmente o sistema de monitoramento embarcado não pode encontrar, através de testes e medições de parâmetros durante a instalação, comissionamento ou reparação. Em contraste com equipamento de monitoramento embarcados, os instrumentos de monitoramento externo geralmente não são instalados permanentemente, mas sim conectada a rede nos pontos críticos e usados em um modo interativo, muitas vezes é controlado remotamente no centro de operações da rede Degradações na camada ótica As degradações na camada ótica limitam a capacidade do sistema de transportar informação. A Tabela 3.3 traz a lista dessas degenerações com a sua respectiva frequência relativa de ocorrência, quando se trabalha com sinais óticos a 10 Gbps.

41 3.3 Monitoramento do desempenho ótico 28 Degeneração Frequência Descrição Atenuação Alta Variação da potência ótica do canal devido a variação do ganho Alta Desvio da frequência nominal Alta ITU-T G.692 PMD (primeira ordem e superiores) Média ITU-T G.663 FWM Média ITU-T G.663 ASE Média ITU-T G.663 Dispersão cromática Média ITU-T G.663 Variação da dispersão cromática Média ITU-T G.652, G.653, G.655 Reexões Média ITU-T G.663 Ruído do laser Média Diafonia entre canais Média ITU-T G-Sup.39 Diafonia interferométrica Média ITU-T G-Sup.39 XPM Baixa ITU-T G.663 SPM Baixa ITU-T G.663 SBS Baixa ITU-T G.650.2, G.663 SRS Baixa ITU-T G Alta: probabilidade de eventos com penalidade severa de 10 ocorrências por ano. 2 Média: probabilidade de eventos com penalidade severa de 1 ocorrência por ano. 3 Baixa: probabilidade de eventos com penalidade severa de 1 ocorrência a cada 10 anos. Tabela 3.3: Lista das degenerações da camada ótica mais comuns em ordem decrescente de frequência relativa de ocorrência Parâmetros do monitoramento ótico Os seguintes parâmetros de monitoramento ótico podem ser utilizado para medição de sistemas de transmissão ótica, de acordo com as tecnologias atuais: Potência do canal; Potência total;

42 3.4 Mecanismos de recuperação de falhas 29 Relação Sinal Ruído Ótico (Optical Signal-Noise Ratio (OSNR)), quando nenhum ruído signicativo estiver presente; Frequência do canal; Fator Q. É importante salientar que as estimativas de OSNR podem sofrer interferência de ltragens sucessivas, enquanto as estimativas obtidas pelo fator Q podem ser comprometidas por dispersão residual [20]. A correlação entre esses parâmetros e as degenerações de camada física com alta frequência relativa de ocorrência podem ser vistos na Tabela 3.4. Parâmetros Potência Potência Frequência Fator OSNR do canal total do canal Q Atenuação X X X X Variação da potência ótica do canal devido a variação do ganho X X X X Desvio da frequência nominal X X X Tabela 3.4: Correlação entre os parâmetros usuais de monitoramento da camada ótica e as degenerações de camada física com alta frequência relativa de ocorrência. 3.4 Mecanismos de recuperação de falhas Em uma OTN, os mecanismos de recuperação de falhas podem ser implementadas tanto na camada OMS quanto na camada ODU. No primeiro caso, um conjunto de canais óticos multiplexados é protegido entre as extremidades do OMS (OXC ou OADM, por exemplo). No segundo caso, cada canal ótico de trabalho é protegido individualmente entre os nós origem e destino. Isso é chamado de esquema de recuperação de caminho, pois um caminho de recuperação entre os nós origem

43 3.4 Mecanismos de recuperação de falhas 30 e destino do canal de trabalho é estabelecido. A proteção na camada ODU tem a vantagem de sobreviver em caso de falha simples de nó, visto que a proteção na camada OMS é um esquema de recuperação baseado em enlace, que não atravessa o nó. A ODU contém um campo para comutação automática de proteção (Automatic Protection Switching (APS)) para a camada de caminho (campo APS/PCC). Sua funcionalidade é similar ao campo correspondente do SONET/SDH e permite a implementação de esquemas de proteção de caminho. Todos os esquemas de proteção, com exceção do esquema de proteção unidirecional, depende de um protocolo de coordenação do APS. Para se coordenar a temporização da proteção nos switches em múltiplas camadas ou em um domínios de proteção em cascata, um temporizador de espera pode ser necessário. Como já visto, tal temporizador permite que a camada servidor conserte o problema antes de comutar para a camada cliente ou, alternativamente, permite a proteção de um domínio à montante da falha comutar antes de um domínio à jusante. Cada grupo de proteção deve permitir o aprovisionamento de um temporizador de espera. Os tempos sugeridos são de 0, 20 e 100 ms a 10 s, em passos de 100 ms (acurácia de 5 ms [21]).

44 Capítulo 4 Gerenciamento da rede ótica A rede ótica deve ser gerenciada de forma integrada, através de um plano de controle comum a todos os seus elementos. Por outro lado, cada elemento da rede ótica deve ser passível de ser gerenciado individualmente, de tal forma que seu estado possa ser obtido e que sua operação possa ser feita pelo plano de controle. 4.1 Plano de controle O plano de controle em redes óticas surge da necessidade de se gerenciar a operação da rede, de tal forma a assegurar um aprovisionamento rápido, comável e exível de conexões. A arquitetura do plano de controle foi denida de forma independente por dois entes distintos: a ITU-T e a IETF. A ITU-T criou o conceito de rede ótica de comutação automática (Automatically Switched Optical Network (ASON)) e o IETF criou um conjunto de protocolos no padrão Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS). O escopo da ASON cobre a arquitetura, os requisitos e as funcionalidades do plano de controle independentemente de uma escolha particular do protocolo. Já o Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) foca na implementação do plano de controle. A terminologia usada nesses planos de controle foi unicada em [22], sendo que os requisitos para que o GMPLS suporte as funcionalidades da ASON podem ser encontrados em [23].

45 4.1 Plano de controle Rede ótica de comutação automática (ASON) A recomendação ITU-T G.8080 [24] descreve o conjunto de componentes do plano de controle que são usados para prover a funcionalidade de estabelecer, manter e nalizar conexões em uma rede de transporte, além da interação do plano de controle com os planos de dados e de gerenciamento. Assim, no contexto dessa recomendação, o propósito do plano de controle é: Facilitar a conguração rápida e eciente de conexões na camada de transporte da rede; Recongurar ou modicar as conexões previamente estabelecidas; e Desempenhar funções de proteção e restauração em caso de falhas nas conexões. A ASON considera os aspectos operacionais e de negócio das redes de transporte, levando em consideração a existência de múltiplos domínios administrativos e/ou de gerência hierarquizados. A arquitetura do plano de controle é descrita em termos de componentes e interfaces, os quais representam entidades abstratas ao invés de implementações físicas. Esses componentes são: Link Resource manager É o responsável pelo inventário das conexões e enlaces do plano de controle, provendo informações de estado e topologia; Call Controller É o responsável por prover um serviço através da rede, orquestrado componentes para atender ao serviço requisitado; Connection controller É o responsável pela coordenação entre o Link Resource Manager, Routing Controller e Connection Controllers subordinados, com o propósito de gerenciar e supervisionar o estabelecimento, manutenção e nalização de conexões em um domínio; Routing Controller É o responsável em prover caminhos entre dois pontos da rede, mantendo uma visão da topologia e calculando rotas que atendam as restrições exigidas;

46 4.1 Plano de controle 33 Protocol Controller É o responsável por prover a função de mapeamento dos parâmetros das interfaces dos componentes em mensagens que são transportadas por um protocolo, de forma a prover o suporte de interconexão via uma interface. A ASON explicitamente separa o espaço de endereçamento da rede dos clientes O plano de controle GMPLS O padrão Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) [25], foi denido pelo IETF para prover um plano de controle comum para equipamentos que operam em qualquer dos seguintes domínios: pacote, time slot, comprimento de onda e bra. O padrão GMPLS simplica a operação da rede e seu gerenciamento por automatizar o aprovisionamento ma-m de conexões, gerenciar os recursos da rede e prover um nível de qualidade de serviço (QoS) necessário para aplicações sosticadas. Em uma rede GMPLS, o plano de controle e o plano de dados (transporte) são logicamente separados. O plano de controle é responsável pelo roteamento e pela sinalização, enquanto o plano de dados é responsável pelo encaminhamento dos dados. O plano de controle no padrão GMPLS é constituído por três tipos de protocolo: Sinalização É o processo de troca de mensagens para congurar, manter, modicar e nalizar conexões no plano de dados. Essas conexões são chamadas de caminhos comutados por rótulo (LSP) no contexto de GMPLS. O protocolo mais utilizado para sinalização é o ReSerVation Protocol Trac Engineering (RSVP-TE) [26], o qual possibilita o estabelecimento de Label Switched Paths (LSPs) de duas maneiras: a cada hop ou de forma explícita, ou seja, no nó de origem. Roteamento É o processo de disseminação de informação que será usado como base para o cálculo de rotas. É diferente do roteamento IP, que determina o próximo salto na rede de um pacote que vai em direção ao nó de destino. O protocolo normalmente usado para o roteamento é o Open Shortest Path First with Trac Engineering (OSPF-TE) [27, 28].

47 4.2 Gerenciamento de elementos de rede 34 As extensões TE desses protocolos usam informações sub-tlv para especicar e distribuir informação de enlaces TE 1. São denidos características de comutação para pacotes (PSC), camada 2 (L2SC), multiplexação por divisão de tempo (TDM-SC), comprimento de onda (LSC) e bra (FSC). A unidade básica para disseminação de informações nesse protocolo é o Link-State Advertisement (LSA). Gerenciamento de enlace É o processo onde é possível que os nós da rede sejam congurados, se descubra o estado operacional dos enlaces e possibilita a detecção de falhas. O protocolo responsável pelo gerenciamento do enlace é o Link Management Protocol (LMP) [29] e suas extensões [30]. O cálculo do caminho e a escolha do comprimento de onda são especícos do equipamento ou da rede. 4.2 Gerenciamento de elementos de rede Existem muitas denições para o gerenciamento de rede, entre elas, podemos destacar a denição dada pela International Organization for Standardization (ISO), onde é previsto mecanismo para o monitoração, controle e coordenação de recursos em um ambiente Open Systems Interconnection (OSI) e denições de padrões de protocolos para troca de informações entre esse recursos [31]. Com essas funções de gerência podemos controlar equipamentos remotos e analisar os dados, garantindo que os equipamentos estejam funcionando e operando dentro os limites especicados, alem de fazer ajustes de acordo com as modicações ocorridas Arquitetura de gerenciamento de rede Há três componentes principais em uma arquitetura de gerenciamento de rede: uma entidade gerenciadora (Gerente), os dispositivos gerenciados (Agente) e um protocolo de 1 Um enlace TE é um enlace entre dois LSRs adjacentes que possui um conjunto de características de engenharia de tráfego.

48 4.2 Gerenciamento de elementos de rede 35 gerenciamento de rede. A entidade gerenciadora controla a coleta, o processamento, a análise e a apresentação de informações de gerenciamento de rede. É na apresentação que se iniciam a ação para controlar o comportamento da rede e é aqui que o administrador interage com os dispositivos da rede. O dispositivo gerenciado é um equipamento de rede, incluindo o software, que reside em uma rede gerenciada, podendo ser um switch, um roteador, uma impressora um modem, etc. No interior desses dispositivos podem haver vários objetos gerenciados. Esses objetos contém informações associadas a eles que são coletadas dentro de uma base de informações de gerenciamento (Management Information Base (MIB)), de tal forma que os valores dessas informações estão disponíveis para a entidade gerenciadora e em muitos casos, podem ser ajustados por ela. O terceiro componente é o protocolo de gerenciamento de rede. Esse protocolo é executado entre a entidade gerenciadora e o agente de gerenciamento, permitindo que a entidade gerenciadora investigue o estado dos dispositivos gerenciados e indiretamente, execute ações sobre eles mediante seus agentes. Os agentes utilizam o protocolo de gerenciamento de rede para informar à entidade gerenciadora sobre ocorrência de eventos. Os sistemas de gerência de rede permitem ao administrador vericar os dispositivos interligados a rede e atualização de suas informações, estado e congurações. A arquitetura de rede em geral se aplica a vários padrões e esforços de gerenciamento de rede que há anos vem sendo proposto. Os padrões de gerenciamento de rede começaram a amadurecer no nal da década de 1980, sendo que o Commom Management Information Service Element (CMISE)/Commom Management Information Protocol (CMIP) [32, 33, 34] e o Simple Network Management Protocol (SNMP) [5, 35, 36] emergiram como os dois padrões mais importantes [37, 38]. Ambos foram projetados para ser independentes de produtos ou redes de fabricantes especícos. No entanto, o CMIP não teve o sucesso esperado, possibilitando que o SNMP se tornasse o padrão de mercado. Como o SNMP foi projetado e oferecido rapidamente em uma época em que a necessidade de gerenciamento de rede começou

49 4.2 Gerenciamento de elementos de rede 36 Figura 4.1: Sistema de gerenciamento de rede. a car premente, ele encontrou uma ampla aceitação. Hoje, esse protocolo é a estrutura de gerenciamento de rede mais amplamente usada e disseminada Estrutura de gerenciamento de rede Numa descrição de qualquer estrutura para gerenciamento de rede, certas questões devem ser inevitavelmente abordadas: 1. O que está sendo monitorado? 2. Que tipo de controle pode ser exercido pelo administrador? 3. Qual é o modelo das informações que serão trocadas? 4. Qual o protocolo de comunicação para que seja feita a troca dessas informações? Nesse contexto, a estrutura de gerenciamento é constituída por quatro partes: Denições dos objetos gerenciados da rede, Linguagem de denição de dados, Protocolo de comunicação e Capacidade de segurança e de administração Denições dos objetos gerenciados da rede Os objetos gerenciados que são conhecidos de uma MIB devem abranger todas as informações necessárias para o gerenciamento da rede. Uma MIB pode conter um conjunto de

50 4.2 Gerenciamento de elementos de rede 37 informações descritivas, tais como: a versão de software que está sendo executado em um determinado servidor; informações do estado do dispositivo e se ele está funcionando corretamente; ou informações especícas sobre protocolos, como um caminho de roteamento até o destino. Assim um objeto da MIB dene as informações de gerenciamento mantidas por um dispositivo gerenciado. Na estrutura de nomes da MIB, os objetos são apresentados em uma hierarquia em formato de árvore, como podemos ver na Figura 4.2, sendo que cada ponto do ramo da árvore possui um nome e um número para sua identicação, chamado de identicador do objeto Object Identier (OID). No topo, temos três principais entidades de padronização: o ITU-T com o número 0, a ISO com o número 1 e a junção da ISO com o ITU-T com o número 2. Figura 4.2: Árvore de identicadores de objetos. Note que há possibilidade de se denir números privados para empresas, instituições ou até mesmo indivíduos, através do ramo iso.org.dod.internet.private.enterprise ( ),

51 4.2 Gerenciamento de elementos de rede 38 sendo que é de competência da IANA alocar tais números. Por exemplo, vemos na Figura 4.2 que a empresa Polatis, que é a fabricante do switch ótico usado na UFABC, recebeu o número Estrutura de gerenciamento de informações A estrutura de gerenciamento de informações (Structure of Management Information (SMI)) [39, 40, 41] dene os tipos de dados, o modelo de objetos e as regras para se escrever e se revisar informações de gerenciamento [42]. Com o uso dessa linguagem se assegurar que a sintaxe e a semântica dos dados de gerenciamento sejam bem denidas e que não apresente ambiguidade. A macro OBJECT-TYPE é usada para denir um tipo de objeto gerenciado, sendo constituído de 5 cláusulas: 1. A cláusula NAME que é o identicador do objeto. 2. A cláusula SYNTAX especica o tipo de dados básico associado ao objeto. 3. A cláusula MAX-ACCESS que especica se o objeto pode ser de leitura, escrita, escrita e leitura ou não acessível. 4. A cláusula STATUS indica a denição do objeto se ela é atual e válida, obsoleta ou depreciada. 5. A cláusula DESCRIPTION é a descrição textual da semântica do tipo do objeto, trazendo todas as informações necessárias para implementá-lo. Um exemplo de denição de objeto é mostrado na Figura Protocolo de comunicação Esse é o protocolo utilizado para transmitir informações e comandos entre uma entidade gerenciadora e um agente que os executa em nome da entidade dentro de um dispositivo de

52 4.2 Gerenciamento de elementos de rede 39 Figura 4.3: Exemplo de denição de objeto através da SMI. rede gerenciado. A utilização mais comum do protocolo de comunicação SNMP é o modo de comando e resposta, no qual a entidade gerenciadora envia uma requisição a um agente, que a recebe, realiza uma ação e envia uma resposta. Em geral usamos a requisição para consultar, recuperar ou modicar algum valor no objeto da MIB associado ao dispositivo gerenciado. Uma outra forma de utilização é quando um agente envia uma mensagem assíncrona a uma entidade gerenciadora para noticar de qualquer mudança de valores nos objetos da MIB. Nesse caso, essa mensagem é denominada como mensagem trap Capacidade de segurança e de administração O SNMP em seus suas versões 1 e 2 não possuiam recursos avançados de segurança, visto que era usadas primordialmente para monitorar ao invés de controlar. Em sua versão 3, a segurança e a administração foram aprimoradas, com a melhoria dos mecanismos de autenticação e privacidade, além de prover a identicação de usuários. Dessa forma, se alcançou uma maior segurança no controle e no transporte de informações.

53 Capítulo 5 Infra-estrutura experimental No mundo acadêmico, com o advento de aplicações de e-science cada vez mais sosticadas e que demandam uma grande quantidade de banda, há uma tendência de se construir e operar redes ópticas dedicadas ao ensino e a pesquisas colaborativas. No Brasil, por exemplo, temos os projetos GIGA [43] e KyaTera [44]. O projeto FAPESP/TIDIA/KyaTera provê uma infra-estrutura de bras apagadas que possibilita a interligação direta de diversas instituições de pesquisa no Estado de São Paulo. A Figura 5.1 exibe os enlaces de bra apagada entre os diversos participantes do projeto KyaTera. Figura 5.1: Infra-estrutura de bras do projeto KyaTera

54 5.1 Enlace ótico experimental Enlace ótico experimental Em um enlace de bra apagado cedido pelo projeto KyaTera, foi implementado um sistema de comunicação WDM com um canal sintonizável de 10 Gbps no padrão ITU-T G.709 [16] entre a UFABC e a UNICAMP. Foi desenvolvido para esse sistema uma pilha de controle GMPLS e uma API para controle dos elementos ativos desse sistema, que possuem uma forma de comunicação proprietária, de forma que se tem um controlador GMPLS em cada extremidade da conexão. Um canal de controle fora-de-banda é estabelecido através da rede estável do projeto KyaTera, servindo para a troca de mensagens de sinalização GMPLS entre a UFABC e a UNICAMP. Esse conjunto forma um enlace ótico experimental, que permite o estabelecimento dinâmico e sob demanda de um canal de dados entre esses dois locais. Na Figura 5.2, encontra-se um esboço da arquitetura do enlace ótico experimental estabelecido entre a UFABC e a UNICAMP para o estudo do aprovisionamento dinâmico de caminhos óticos. Figura 5.2: Esboço do enlace ótico experimental entre a UFABC e a UNICAMP.

55 5.2 Comutador de caminhos óticos (OXC) 42 De fato, em [45], foi demonstrado em tal enlace ótico experimental um algoritmo, que se baseia nas recomendações da ITU-T G.697 [20], o uso das informações do nível elétrico (BIP-8) e do nível ótico (potência ótica do canal) nos transponders para automaticamente aprovisionar um caminho ótico, regulando a potência ótica dos amplicadores óticas das extremidades. O algoritmo proposto, apesar de eciente, é aplicável somente a sistemas OTN pontoa-ponto, como o caso do enlace ótico experimental. Para se ter um testbed mais próximo de uma WRON, adquiriu-se um OXC da marca Polatis [10]. 5.2 Comutador de caminhos óticos (OXC) O OXC adquirido, que possui 8 portas de entrada e 8 portas de saída em uma con- guração estritamente não-bloqueante, oferece uma integração ideal na comutação ótica, atenuação e monitoramento, tendo interfaces web e SNMP simples e de fácil utilização, ideal para ambientes de testes e apresenta uma alta performance garantindo a máxima delidade do sinal. De fato, o equipamento oferece capacidade de proteção de comutação automática (APS), além de atenuação ótica variável (Variable Optical Attenuator (VOA)) e monitoramento da potência ótica nas portas de saída. A operação do switch é baseada na atuação pizo-elétrica e de sensores capacitivos. Com essa técnica, foi possível se alcançar uma perda de inserção e uma perda dependente de polarização consideravelmente baixas, pois o feixe ótico de entrada é focado diretamente na saída sem o uso de espelhos ou de outros componentes que degradam o sinal ótico. A Figura 5.3 demonstra o funcionamento da comutação do feixe ótico. A atenuação do sinal ótico feita pelo VOA nas portas de saída é obtida pelo rápido desalinhamento do feixe ótico, o que permite um amplo espectro de valores de atenuação. O VOA opera no modo absoluto, isto é, é possível xar uma potência ótica na saída.

56 5.2 Comutador de caminhos óticos (OXC) 43 Figura 5.3: Princípio de funcionamento do OXC. No monitoramento de potência das portas de saída é possível estabelecer alarmes de cruzamento de limiar (Threshold Crossing Alarm (TCA)) quando um valor de potência ótica acima ou abaixo dos limiares congurados é detectado. É possível congurar limiares distintos para o alarme de degradação de serviço e para o alarme de perda de serviço. Nesse último caso, caso um mecanismo de APS estiver congurado para a porta monitorada, ele é disparado, causando uma comutação automática de portas. É possível estabelecer um deslocamento (oset) nas medidas de potência ótica, que pode ser usado como um meio de comparar ou referenciar medidas de potências externas. É importante ressaltar que tal deslocamento não tem efeito nas medidas do VOA. O tempo para a média utilizada para monitoramento da potência pode ser congurado conforme a Tabela 5.1, onde a coluna da esquerda mostra os valores dos parâmetros disponíveis e o da coluna direita mostra o tempo médio correspondente. A Figura 5.4 mostra o OXC da Polatis nas dependências do nó ótico da UFABC. É importante ressaltar como resultado desse trabalho foi implementada uma API na linguagem Java para controlar e gerenciar via SNMP todas as funções do OXC Comutação de proteção automática (APS) Para efeitos de terminologia, usaremos a RFC 4427 [46], que trata de esquemas de recuperação baseados no GMPLS. A Figura 5.5 mostra um exemplo onde os dados são transmitidos entre dois OXC. O tráfego de informações é transportado pela linha de trabalho,

57 5.2 Comutador de caminhos óticos (OXC) 44 Parâmetros Tempo Médio (ms) Tabela 5.1: Tempo para média na medida da potência. Figura 5.4: Comutador de caminhos óticos da Polatis. a menos que haja uma falha que interrompa essa linha. Nesse caso, o tráfego é comutado para a linha de recuperação. Alternativamente, quando a linha de trabalho está funcionando corretamente, a linha de recuperação pode ser utilizada para transmissão de dados de baixa prioridade. No OXC, as portas são denidas como mostrado na Figura 5.6. Os dados são transmitidos pela porta de trabalho. As portas de proteção 1 e 2 protegem a porta de trabalho, sendo uma das extremidades da linha de recuperação. O OXC permite proteção do tipo M : N, onde M é o número de linhas de trabalho e N

58 5.2 Comutador de caminhos óticos (OXC) 45 Figura 5.5: Esquema básico de proteção por comutação. Figura 5.6: Esquema das portas em um OXC para recuperação. é o número de linhas de recuperação. Há possibilidade de que linhas de recuperação possam ser compartilhadas por linhas de trabalho. A Figura 5.7 esboça um esquema em que dois grupos de proteção são estabelecidos, usando de proteção compartilhada. A proteção de comutação no OXC é unidirecional. De fato, como já havíamos visto no APS da OTN, para haver uma comutação bidirecional, há a necessidade de um protocolo de coordenação, que não está presente no OXC.

59 5.2 Comutador de caminhos óticos (OXC) 46 Figura 5.7: Esquema de dois grupos de proteção.

60 Capítulo 6 Resultados experimentais Este trabalho foca no estudo do tempo de recuperação de uma conexão que atravessa o OXC, que foi adicionado ao enlace ótico experimental, de forma a termos uma topologia de rede ótica mais próxima de suas condições reais de operação. Em efeito, se procurou estudar o tempo de recuperação para uma proteção APS do tipo 1 : 1, como limitante inferior para trabalhos futuros em proteção e restauração. Inicialmente, os testes foram feitos usando a interface ITU-T G.709 sintonizável do nó ótico da UFBAC na conguração de loopback passando pelo OXC, de forma que atrasos de propagação não fossem signicativos nos resultados obtidos. Uma série de diculdades foram encontradas nessa conguração e que impediram o uso de OTN para o estudo do tempo de recuperação: A atualização dos valores relativos aos parâmetros da OTN é feita em intervalos longos pela placa de supervisão dos equipamentos de comunicação ótica, da ordem de vários segundos, e de forma assíncrona. Assim, leituras sucessivas acabam recebendo informações desatualizadas. Além disso, haveria o interesse que essas leituras pudessem ser feitas em uma escala de tempo compatível com o problema a ser estudado, que é da ordem de frações de segundo; Similarmente, comandos enviados a supervisão desses equipamentos podem demorar muitos segundos para serem completados;

61 6.1 Cenário 1: Recuperação de conexão 10GBase-LR 48 A contagem de quadros com erros ou recebidos corretamente somente é feita se há sinal ótico válido (mesmo degradado) sendo recebido pelo transponder. Assim, em um momento que ocorre um alarme de perda de sinal (LOS), não há contagem de quadros pela interface do transponder, o que inviabiliza a coleta de estatísticas em caso de falha. Diante da impossibilidade de se usar os parâmetros da OTN diretamente, avaliou-se a perda de pacotes na camada IP entre dois servidores, com o uso do programa Iperf [47] e seu frontend JPerf [48]. No primeiro servidor, o seguinte comando foi executado: bin/iperf.exe -s -u -P 0 -i 1 -p l 64.0B -f k E no segundo servidor, que faz o papel de cliente, o seguinte comando foi executado: iperf -c u -P 1 -i 1 -p l 64.0B -f k -b M -t 10 -T 1 Dois cenários foram usados para os testes de desempenho. No primeiro caso, se optou por estabelecer uma comunicação a 10 Gbps entre dois servidores com interfaces Ethernet 10GBase-LR através do OXC. No segundo cenário, os dois servidores com interfaces 10GBase- LR foram conectados entre si por meio de interfaces ITU-T G.709, que também atravessavam um OXC. Em efeito, foram usados pacotes UDP de 64 bytes e um tráfego de 1000 MB/s. Foi vericado que não ocorriam perdas de pacotes nos testes de desempenho de controle nesses dois cenários, que duravam 10 segundos. 6.1 Cenário 1: Recuperação de conexão 10GBase-LR Figura 6.1. Para o primeiro cenário, foi montada a seguinte conguração, conforme é mostrado na

62 6.1 Cenário 1: Recuperação de conexão 10GBase-LR 49 Figura 6.1: Conguração do experimento de proteção 1 : 1 para conexão 10GBase-LR. A porta 1 (linha de trabalho) do OXC foi protegida pela porta 2 (linha de recuperação). Em outras palavras, caso houvesse uma violação de potência na porta 1, o OXC comutaria para a porta 2. Foi estabelecido o valor de 35 dbm como valor mínimo de potência aceitável na saída da porta 9, isto é, um valor inferior causaria a comutação para a porta de proteção (porta 2). Primeiramente, foi estudada a inuência do tempo de média do cálculo da potência ótica (averaging time) na geração de TCA para disparo do APS. Foram estudados 3 tempos: 50, 500 e 2000 ms. Para simular a falha, o conector na porta do divisor que leva a porta 1 do OXC era removido. A Figura 6.2 mostra o tempo em que os pacotes UDP eram perdidos entre a falha e a completa recuperação do tráfego, quando se considerou um averaging time de 50 ms. Foram coletadas 10 amostras nesse experimento. O mesmo procedimento foi repetido para os averaging time de 500 e 2000 ms e os resultados podem ser vistos nas Figuras 6.3 e 6.4, respectivamente. Para vericar se a retirada manual do conector ligado a porta 1 inuenciou nos resultados, a montagem do experimento foi modicada da seguinte forma: a saída do divisor de potência que entrava na porta 1 foi deslocada para a porta 6 do OXC e a porta 12 foi conectada na porta 1, sendo estabelecida uma conexão entre a porta 6 e a porta 12 do OXC. Dessa forma, para se simular uma falha, o VOA da porta 12 era congurado para

63 6.1 Cenário 1: Recuperação de conexão 10GBase-LR 50 Figura 6.2: Tempo de perda de pacotes para averaging time de 50 ms. Figura 6.3: Tempo de perda de pacotes para averaging time de 500 ms.

64 6.1 Cenário 1: Recuperação de conexão 10GBase-LR 51 Figura 6.4: Tempo de perda de pacotes para averaging time de 2000 ms. atenuação máxima, de tal forma que a potência do sinal caía para muito abaixo do limiar de 35 dbm. Os resultados obtidos para um averaging time de 50 ms nessa nova conguração são mostrados na Figura 6.5. Com as amostras obtidas, foi possível calcular a média e o desvio padrão de cada experimento, que podem ser vistas na Tabela 6.1. Averaging time (ms) Média (ms) Desvio Padrão (ms) (VOA) Tabela 6.1: Estatísticas dos experimentos. A primeira conclusão que podemos tirar desses experimentos que o averaging time não

65 6.1 Cenário 1: Recuperação de conexão 10GBase-LR 52 Figura 6.5: Tempo de perda de pacotes para averaging time de 50 ms e falha emulada através de VOA. tem signicância estatística para o tempo de recuperação. Ou seja, ele tem pouca ou nenhuma inuência para o tempo de recuperação. Outro ponto importante, é que a emulação manual da falha pode ser usada, pois estatisticamente o uso de um agente externo para a emulação da falha teve praticamente o mesmo comportamento que puxar o conector fora da porta da linha de trabalho. Se considerarmos todas as 40 amostras, chegamos em um tempo médio de recuperação de 583 ms, com desvio padrão de 127 ms. Pela quantidade de amostras, é possível aproximar essa distribuição de uma distribuição normal. Na distribuição normal, quando se considera a média mais três desvios padrões, 99, 7% das amostras vão cair dentro desse intervalo. Analogamente, com um tempo de 964 ms, em 99, 7% dos casos, a conexão já foi recuperada. Assim, poderíamos considerar, em nosso caso, um tempo de hold-o de 1 segundo para as camadas superiores. Conforme [15], um tempo de recuperação de até 2 segundos não impacta na grande

66 6.2 Cenário 2: Recuperação de uma conexão OTN 53 maioria dos tráfegos na camada de serviço. 6.2 Cenário 2: Recuperação de uma conexão OTN Nesse segundo cenário, os servidores fazem uso de uma conexão OTN para comunicação, conforme ilustrado na Figura 6.6 Figura 6.6: Conguração do experimento de proteção 1 : 1 para conexão OTN. Nesse novo cenário, as interfaces 10GBase-LR dos servidores são conectadas a transponders de 10 Gbps OTN, sintonizados no canal C28 (1540, 5 nm). Em outras palavras, a conexão 10GBase-LR é cliente da rede OTN. Nesse caso, a rede OTN que sofrerá uma interrupção e deverá ser recuperada pelo OXC. Note que é usado novamente um esquema de APS unidirecional para o experimento. Similarmente ao Cenário 1, a porta 1 (linha de trabalho) do OXC foi protegida pela porta 2 (linha de recuperação). Foi estabelecido o valor de 35 dbm como valor mínimo de potência aceitável na saída da porta 9, isto é, um valor inferior causaria a comutação para a porta de proteção (porta 2). Foi considerado um averaging time de 50 ms, já que se vericou que esse parâmetro não é importante para o resultado do problema, sendo coletadas 10 amostras. Os resultados são mostrados na Figura 6.7.