Redes IP Ópticas. Optical IP Networks FEUP/DEEC/RBL 2005/06. José Ruela. Na literatura de língua Inglesa este tema é referido com várias designações

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1 Redes Ópticas Optical Networks FEUP/DEEC/RBL 2005/06 José Ruela Redes Ópticas Na literatura de língua Inglesa este tema é referido com várias designações» over Optical Networks» over (D)» Optical Data Networking» Optical Internet Networks» Optical (Internet) Packet Switching» Photonic Packet Switching Estas designações traduzem diferentes soluções tecnológicas e arquitectónicas e diferentes estádios de evolução, incluindo soluções actualmente em fase de investigação e que apenas serão plenamente concretizadas a médio e longo prazo (Optical / Photonic Packet Switching) Estas designações apontam para a convergência entre a tecnologia e redes de transporte baseadas em tecnologia óptica, suportadas em (D) As diferentes soluções que têm vindo a ser implantadas reflectem tendências de evolução na indústria / mercado das Telecomunicações, exploram componentes ópticos desenvolvidos e aperfeiçoados ao longo dos últimos anos, e baseiam-se em protocolos e arquitecturas de controlo normalizadas ou em vias de normalização

2 Evolução A indústria das Telecomunicações tem vindo a evoluir de um modelo de redes optimizadas para serviços de voz (comutação de circuitos) para redes optimizadas para tráfego de dados (comutação de pacotes)» O constitui actualmente o protocolo dominante em comunicações de dados (internetworking) e tende a tornar-se o protocolo universal em redes multi-serviços, permitindo e acelerando a convergência entre as redes de telecomunicações e as redes de comunicação de dados» Assiste-se assim a uma alteração de paradigma, de redes centradas em serviços de voz (voice-centric) para redes centradas em (-centric) Esta evolução tem-se caracterizado por um aumento exponencial do volume de tráfego, o que requer a instalação e operação de backbones de comutação rápida e de muito elevada capacidade» É necessário aumentar a capacidade dos sistemas de transmissão, com recurso a fibras ópticas e técnicas de multiplexagem de comprimento de onda» É necessário explorar essa capacidade de forma eficiente, sem as limitações inerentes ao processamento electrónico, o que requer evolução para uma rede de transporte com comutação no domínio óptico» É necessário adoptar novas soluções arquitectónicas que permitam satisfazer estes requisitos, tirando o máximo partido das tecnologias disponíveis em cada momento Arquitecturas Várias arquitecturas de referência podem ser apresentadas (com possíveis variantes), mas podem ser agrupadas em três grandes categorias» Sistemas ópticos de transmissão ponto-a-ponto, usando (D), sendo o processamento e comutação de pacotes integralmente no domínio electrónico Multiplexers podem realizar terminação de linhas (line termination multiplexers) ou inserir/remover comprimentos de onda (add-drop multiplexers)» Sistemas baseados em cross-connects ópticos (OXCs Optical Cross-Connects), que permitem criar canais ópticos ponto-a-ponto comutados (optical channel trails, lightpaths) entre pontos de acesso numa rede óptica de transporte A utilização de OXCs na rede óptica de transporte permite uma evolução de estruturas lineares e em anel para topologias em malha Um OXC pode ter de comutar milhares de canais (comprimentos de onda), por exemplo 32 fibras e da ordem de 100 canais por fibra Estas soluções constituem uma forma de comutação de circuitos, pois os canais ópticos são comutados de forma totalmente transparente» Sistemas baseados na comutação de pacotes no domínio óptico (OPS Optical Packet Switching) os pacotes são processados e comutados individualmente, como nas actuais redes de comutação de pacotes

3 Arquitecturas baseadas em SONET/SDH e ATM /MPLS PPP SONET/SDH SONET/SDH SONET/SDH over ATM over SONET/SDH /MPLS over SONET/SDH Packet over SONET/SDH Arquitecturas baseadas em comutação óptica /MPLS PPP OXC /MPLS (MPλS) OXC OPS OXC over Optical /MPLS over Optical (MPλS) Optical Packet Switching

4 Sistemas ponto-a-ponto O desenvolvimento da tecnologia permite aumentar significativamente a capacidade de sistemas de transmissão ópticos (centenas de Gbit/s por fibra)» Esta tecnologia tem sido utilizada em sistemas de transmissão ponto-a-ponto, requerendo terminação e processamento electrónico em cada nó» Com o aumento do número de portas e da capacidade disponível em cada porta, o aumento exigido da capacidade de processamento electrónico pode tornar-se rapidamente um factor limitativo, impedindo na prática a exploração da capacidade potencialmente disponível, isto é, o aumento efectivo da capacidade dos nós e da rede (é necessário providenciar dezenas ou centenas de interfaces electrónicas para terminar uma única ligação com um elevado número de canais, cada um podendo operar a 2.4 ou 10 Gbit/s) Soluções arquitectónicas que se enquadram nesta categoria são» over ATM over SONET/SDH over, com a possibilidade de substituição de /ATM por /MPLS» over SONET/SDH over (e igualmente ATM over SONET/SDH over para serviços não baseados em ) Nestas arquitecturas a infra-estrutura SONET/SDH disponibiliza circuitos TDM (transportados no respectivo payload) e suporta funções de protecção e restauro em intervalos de tempo curtos (< 50ms) Redes ópticas de transporte baseadas em OXCs Para ultrapassar as limitações dos sistemas de transmissão ponto-a-ponto, torna-se necessário providenciar um mecanismo de bypass na camada óptica, de forma a reduzir a necessidade de equipamento e processamento electrónico A utilização de OXCs permite realizar redes ópticas de transporte para ligar sistemas (terminais, routers, comutadores) que processam pacotes ao nível electrónico» É possível estabelecer conexões ópticas directas entre pontos de acesso, sem recorrer a comutação no domínio electrónico; a comutação é feita com base no comprimento de onda (transmissão e wavelength routing)» Estas redes são estruturadas num núcleo (core) e periferia (edge), a exemplo dos backbones de alta velocidade baseados em ATM (ou MPLS), em que o equipamento se situa na periferia, onde tem lugar o processamento electrónico

5 Rede óptica de transporte edge e core Edge constituído por routers, que realizam agregação de tráfego e processamento electrónico ao nível do pacote Core constituído por malha de OXCs e que se caracteriza pela ausência de processamento (electrónico ou óptico) a nível de pacote» É eliminado o processamento electrónico por pacote nos nós de trânsito (bypass no nível óptico), mas não existe igualmente, com esta tecnologia, possibilidade de processamento individual de pacotes no domínio óptico (a unidade de comutação é o comprimento de onda) São estabelecidas conexões ópticas directas (canais ópticos / lightpaths) ponto-a-ponto entre dispositivos situados na periferia Os canais ópticos fornecem uma rede overlay de percursos ópticos que definem a topologia de uma rede virtual entre clientes na periferia (routers, comutadores ATM, etc.), semelhante à providenciada por circuitos virtuais numa rede ATM» A rede óptica de transporte deve ser controlável e dinamicamente reconfigurável, de forma a adaptar-se a variações de tráfego e alterações da topologia física, e ser flexível de modo a suportar múltiplas camadas cliente (, ATM, SONET/SDH) Rede óptica de transporte

6 Controlo de OXCs A função de comutação de um OXC (necessária para o estabelecimento de canais ópticos na rede de transporte) é controlada por configuração apropriada do seu núcleo de comutação (switching fabric)» Configuração estática os canais são estabelecidos manualmente, sem recurso a procedimentos de sinalização» Configuração dinâmica o estabelecimento de canais ópticos necessita de uma camada (protocolo) de controlo A (re)configuração dinâmica da camada óptica de transporte requer OXCs rápidos, integrados numa arquitectura de controlo e gestão Uma solução possível consiste na utilização de mecanismos baseados no plano de controlo da arquitectura MPLS o comprimento de onda é neste caso o substituto de uma etiqueta (label) e o processo designa-se Multiprotocol Lambda Switching (MPλS) Esta solução é o equivalente óptico da comutação de circuitos (estática ou dinâmica)» Dependendo das camadas protocolares presentes, um circuito (canal óptico) pode transportar um fluxo agregado de pacotes (com encapsulamento adequado) ou uma trama SONET/SDH (que por sua vez pode transportar circuitos com granularidade mais fina e/ou pacotes), mas de forma totalmente transparente a nível óptico OXC e canais ópticos Router Router Router Router OXC - A OXC - B OXC - C Os canais ópticos podem ser configurados de forma estática ou podem ser dinamicamente estabelecidos, como no caso de MPλS em qualquer caso trata-se de uma forma de comutação de circuitos (optical circuit switching), uma vez que não existe processamento individual de pacotes transportados no canal óptico; este é o objectivo mais ambicioso da comutação óptica de pacotes (optical packet switching)

7 Limitações As soluções descritas apresentam características próprias da comutação de circuitos que podem comprometer a exploração eficiente da capacidade instalada» A utilização de SONET/SDH implica a atribuição de circuitos TDM com largura de banda fixa» A granularidade da largura de banda disponível numa fibra manifesta-se ao nível do comprimento de onda (canal óptico) cada um com uma granularidade discreta e grossa (OC-12, OC-48, OC-192, etc.), o que igualmente remete para o problema anterior» Um canal óptico transporta um fluxo contínuo de dados; a impossibilidade de processar individualmente os pacotes no interior da rede óptica (core) tem como consequências Ausência de multiplexagem estatística pelo facto de os canais multiplexados numa fibra serem usados de forma independente e não como um recurso partilhado Má utilização da capacidade no caso de tráfego bursty ou insuficiente para ocupar a capacidade disponível num canal A agregação de tráfego na periferia da rede torna-se essencial para atenuar estes problemas e conseguir uma utilização mais eficiente da capacidade dos canais ópticos Simplificação redução de camadas protocolares Antes da implantação de redes ópticas de transporte baseadas em OXCs, os serviços de dados eram tipicamente suportados em redes que incluíam duas ou três camadas de multiplexagem / comutação no domínio electrónico (, ATM, SONET/SDH)» Embora cada camada tenha uma funcionalidade específica, a existência de múltiplas camadas origina ineficiência (overheads de controlo e processamento e possível duplicação de algumas funções, em particular quando as camadas são combinadas em modelos overlay), contribui para a acumulação de atrasos e pode impedir a provisão de garantias de QoS A possibilidade de eliminar algumas camadas (restando, possivelmente, no limite a camada e uma camada óptica) implica a necessidade de migração de funções essenciais para as camadas suportadas (admite-se a eliminação de funções que se revelem desnecessárias ou substituição de funções por outras equivalentes, existentes ou a criar nas camadas presentes)» Um passo essencial nesta evolução é a implementação dum plano de controlo que permita estabelecimento e manutenção (provisão e reconfiguração dinâmica) de canais ópticos» A camada ATM poderá ser eliminada, sendo transportado encapsulado em PPP ou possivelmente /MPLS sobre a camada óptica de transporte (MPλS)

8 MPλS Multiprotocol Lambda Switching O paradigma MPLS pode ser estendido ao domínio óptico, com a adopção das técnicas do plano de controlo MPLS para controlar um cross-connect óptico (OXC Optical Cross-Connect) e usando comprimentos de onda em lugar de etiquetas numéricas (conceptualmente equivalentes), o que é traduzido na designação Multiprotocol Lambda Switching» Funções do plano de controlo incluem descoberta de recursos, controlo distribuído de encaminhamento e gestão de conexões» Estas funções devem permitir estabelecimento expedito de canais óptico, suporte de funções de Engenharia de Tráfego e esquemas de protecção e restauro Um canal óptico (lightpath) pode consistir num único comprimento de onda ao longo do percurso na rede óptica de transporte (propriedade de continuidade de comprimento de onda) ou numa concatenação de comprimentos de onda (o que determina a necessidade de conversão) A mesma arquitectura de controlo pode ser usada para controlar LSRs e OXCs, que deste ponto de vista apresentam algumas propriedades comuns» Em ambos os casos existe separação do plano de controlo do plano de dados» As relações estabelecidas num LSR/OXC e mantidas numa tabela entre pares <porta, etiqueta / canal óptico > na entrada e na saída não são alteradas pelo payload dos pacotes (plano de dados) MPLS e MPλS comparação Existem algumas diferenças importantes entre MPLS e MPλS» Os OXCs actuais não realizam processamento de pacotes no plano de dados (LSRs realizam funções de processamento de pacotes no plano de dados)» Em LSRs a informação para comutação é obtida da etiqueta transportada de forma explícita no pacote, enquanto que em OXCs é deduzida do comprimento de onda» No domínio óptico não é possível realizar label merging nem label push / pop» A granularidade no domínio óptico para efeito de atribuição de recursos situa-se ao nível de comprimento de onda (equivalente a comutação de circuitos) O número de comprimentos de onda é limitado (quando comparado com o número de etiquetas MPLS) e a respectiva granularidade é grossa, sendo apenas possível aceder à totalidade da largura de banda de um canal óptico (que pode, por exemplo, transportar uma trama SONET/SDH) Mapear um único LSP com requisitos de largura de banda modestos (em comparação com a capacidade de um canal óptico) num comprimento de onda é naturalmente ineficiente; é necessário mapear vários LSPs num único canal óptico, o que obriga a embutir LSPs (nesting); os extremos destes LSPs embutidos têm de ser routers (ou comutadores ATM) apenas a etiqueta externa pode ser óptica (comprimento de onda), enquanto que as internas são obrigatoriamente etiquetas apensas aos pacotes As propriedades do Plano de Controlo MPLS (transparência e suporte de múltiplos protocolos) permitem transportar num canal óptico diferentes payloads digitais (, ATM, SONET/SDH).

9 GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching O MPλS constituiu uma primeira generalização do conceito MPLS O IETF está a especificar a arquitectura Generalized Multiprotocol Label Switching (GMPLS) que estende MPLS de modo a incluir múltiplas dimensões de comutação» Temporal comutação de pacotes (, ATM) e de circuitos (SONET/SDH, PDH, G.709)» Comprimento de onda comutação óptica de circuitos» Espacial comutação de fibras ou portas Uma arquitectura unificada do plano de controlo permitirá controlar uma variedade de planos de transporte de dados, independentemente do tipo de meio ou de equipamento, o que exige extensões aos actuais protocolos de sinalização e encaminhamento» Em GMPLS existe um Plano de Controlo único, comum a vários Planos de Dados» O Plano de Dados é estendido para suportar comutação de pacotes (MPLS), comprimentos de onda (MPλS), time slots ou fibras Uma etiqueta pode ter diferentes formas, conforme o ambiente» Ethernet a etiqueta é transportada num shim header entre cabeçalhos Ethernet e» ATM a etiqueta é um VPI/VCI e viaja com a célula» Frame Relay a etiqueta é um DLCI e viaja com a trama» TDM a etiqueta é um time slot» um comprimento de onda pode ser usado como etiqueta GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Possibly lightweight signaling protocols, protection / restoration functionality

10 Optical Packet Switching Se a expressão Optical Packet Switching for entendida como a capacidade de reconhecer e processar cabeçalhos e realizar as operações de controlo no domínio óptico, está ainda muito distante de se realizar A médio prazo, é mais realista admitir que as funções de controlo e o processamento do cabeçalho são feitos a nível electrónico (para além disso não são evidentes as vantagens dum processamento totalmente óptico) Algumas soluções emergentes baseiam-se num pacote óptico contendo uma etiqueta óptica (por exemplo utilizando modulação duma sub-portadora) e um payload este é comutado transparentemente no domínio óptico, mas o processamento do cabeçalho é feito electronicamente