Comparativo entre algoritmos RWA através de simulações para estabelecimento de lightpaths em redes totalmente ópticas controladas por GMPLS

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1 III SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL E TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2015 Comparativo entre algoritmos RWA através de simulações para estabelecimento de lightpaths em redes totalmente ópticas controladas por GMPLS Diego Fernandes Gonçalves Martins 1, André Luis da Rocha Abbade 2 Abstract The appearance of complex networks requiring higher bandwidths drive advanced techniques for increasing the optical spectral efficiency. WDM multiplexing it wave length combined with an efficient control plane of optical network is shown as a solution. The diversity and complexity to managing the network encourage adoption of GMPLS in order to provide not only labels in more packet networks also in all-optical networks by switching wavelengths. The switching wavelengths generates an NP-complete problem, requiring a large computational effort for obtaining optical paths between any two points in the network, called lightpaths. Another problem is that an all-optical network suffers from limitations and constraints of the physical layer of the number of wavelengths available. In this work we compare the routing algorithms and allocation of wavelengths, called RWA (wavelength routing association). The RWA algorithms plays a key role in the success of an all-optical network and seek presents them through relevant parameters: the values of the physical layer, allocation model wavelength and their ability to provide redundancy. Comparing the algorithms from their blocking rates in congestion situations. It can be seen that the work for a congested one RWA algorithm can be more efficient than others, but in this case wavelengths, and therefore less investment is required for the same blocking position. Simulations were performed using the GMPLS GLASS and TONETs simulator. The simulators have some major RWA algorithms. Since we cannot simulate the lightpath routing and wavelength assignment at once, we consider algorithms that separate this task into two distinct parts. We emphasize that the TONETs software is much more complete than the GLASS and beyond the blocking probability, we compare on the same network different routing algorithms. Index Terms GMPLS, Algoritmos RWA, Roteamento óptico, Atribuição de comprimento de onda. Resumo O surgimento de aplicações complexas de redes exigindo larguras de banda maiores impulsionam técnicas avançadas para aumento da eficiência do espectro óptico. A multiplexação por comprimento de onda WDM - aliada a um plano de controle eficiente desta rede óptica mostra-se como uma solução. A diversidade e complexidade para administrar essa rede incentivam a adoção do GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching), a fim de prover rótulos não apenas em redes de pacotes, mas também em redes totalmente ópticas, através da Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. Me. André Luis da Rocha Abbade. Trabalho aprovado em 06/2015. comutação de comprimentos de onda. A comutação de comprimentos de onda gera um problema NPcompleto (Non-Deterministic Polynomial time), exigindo um grande esforço computacional para obtenção dos caminhos ópticos entre dois pontos quaisquer da rede, os chamados lightpaths. Outro problema inerente é que uma rede totalmente óptica sofre com limitações da camada física e limitações do número de comprimentos de onda disponíveis. Neste trabalho buscamos comparar os algoritmos de roteamento e alocação de comprimentos de onda, chamados de RWA (Routing and wavelenght algorithms), ou seja, os algoritmos de roteamento por associação de comprimento de onda. Os algoritmos RWA tem papel fundamental no bom desempenho de uma rede totalmente óptica e buscamos apresentá-los através de parâmetros relevantes: considerações sobre a camada física, modelo de alocação do comprimento de onda e suas capacidades de prover redundância. Comparamos os algoritmos a partir de suas taxas de bloqueio em situações de congestionamentos. É possível observar no trabalho que para uma situação de congestionamento um algoritmo RWA pode ser muito mais eficiente que outro quando comparado o número de comprimentos de onda utilizados para uma mesma probabilidade de bloqueio. Para está situação pode-se escolher usar menos comprimentos de onda mantendo a mesma probabilidade de bloqueio com investimentos menores, ou investir em uma maior quantidade de comprimentos de onda para uma probabilidade de bloqueio menor. Foram realizadas simulações utilizando o simulador GMPLS GLASS e também o TONETs. Os simuladores contam com alguns dos principais algoritmos RWA. Como não podemos simular o roteamento do lightpath e atribuição de comprimento de onda de uma única vez, consideramos os algoritmos que separam esta tarefa em duas partes distintas. Ressaltamos que o software TONETs é muito mais completo que o GLASS e além da probabilidade de bloqueio, comparamos para uma mesma rede os diferentes algoritmos na fase de routing dos RWAs. Palavras chave GMPLS, Algoritmos RWA, Roteamento óptico, Atribuição de comprimento de onda. I. INTRODUÇÃO Os recursos disponíveis para transmissões principalmente em backbones de operadoras estão cada vez mais concorridos. Este fato ocorre principalmente pelas novas demandas de serviços impulsionadas pelo aumento na oferta de novos produtos de acesso a Internet. Na Figura 1 temos um gráfico mostrando como o acesso a novos produtos vem crescendo ao longo dos anos. As novas demandas de serviços estão

2 centradas em criação de vídeo e seu compartilhamento pela Internet. Este fato aumenta a necessidade de banda e torna vital o uso eficiente do recurso disponível. Figura 1 Evolução de Eletrônicos 2011 a 2014 [3]. Muitos trabalhos já mostraram que a comunicação óptica é a única alternativa para solucionar a demanda por banda na Internet. Acredita-se que mesmo as redes ópticas, se mal dimensionadas podem não suprir a real necessidade. Neste contexto, o DWDM (Dense Wavelength division multiplexing) tem se mostrado como uma solução eficiente, neste caso uma única fibra transporta vários comprimentos de onda e assim várias conexões e tráfegos podem compartilhar o mesmo meio físico de forma independente e com flexibilidade de transmissão. Todavia esta é uma solução ótima para o plano físico, porém em um futuro próximo outras tarefas precisam ser aperfeiçoadas nas camadas subsequentes. Nos modelos atuais de roteamento IP (Internet Protocol) o grande overhead causado pelo encapsulamento das camadas adjacentes é um problema, além do alto tempo de comutação dos roteadores. No trabalho em questão o objetivo é estudar o plano de controle das redes totalmente ópticas, ou seja, uma proposta de rede onde não existe conversão eletro-óptica do sinal no plano de dados. O aprovisionamento da rede é realizado pelo GMPLS no plano de controle, neste plano labels generalizados são trocados e a comutação passa a ser realizada por OXCs(Optical Cross Connect), elementos que trocam comprimentos de onda de entrada por seu correspondente de saída, não realizando conversão elétrica. Estamos interessados neste trabalho em explorar através de simulações os algoritmos RWA. Trata-se de uma das partes muito importante do plano de controle GMPLS. Os algoritmos RWA são responsáveis por descobrir os lightpaths (caminhos puramente ópticos) entre uma origem e um destino, além disso, eles são responsáveis por associar comprimentos de ondas para cada conexão de entrada, garantindo que um mesmo comprimento de onda não seja associado para duas conexões distintas em um mesmo enlace. Caso uma nova conexão não possa ser estabelecida por falta de recurso a mesma é bloqueada pela rede. Como as redes totalmente ópticas sofrem efeitos físicos inerentes das comunicações ópticas, um algoritmo de roteamento óptico deve levar essa informação em consideração. A não conversão eletro-óptica melhora consideravelmente a velocidade de comutação, porém gera uma grave restrição, a necessidade de continuidade do mesmo comprimento de onda em todos os enlaces. Esta restrição aumenta a probabilidade de bloqueio e a complexidade da fase de alocação de comprimento de onda dos algoritmos RWA. II. GMPLS COMO SOLUÇÃO PARA O PLANO DE CONTROLE As redes WDM com comutação puramente óptica possuem um plano de controle complexo. Os vários comprimentos de onda disponíveis no sistema devem, em um plano de controle, contar com aprovisionamentos para que o caminho óptico seja construído da origem ao destino. A principal motivação para este tipo de rede é o alto overhead imposto pela comutação tradicional baseada em redes puramente IP ou modelos com MPLS (Multiprotocol Label Switching) tradicional. Este overhead é mostrado na estrutura em camadas da Figura 2. Cada encapsulamento inserido pelas diversas camadas dos modelos anteriores diminuem a eficiência da rede. Figura 2: Redução do overhead das redes com GMPLS O GMPLS é mantido principalmente pelo IETF (Internet Engineering Task Force), porém ele será provavelmente o padrão do ASON (Automatically Switched Optical Network), arquitetura do ITU (International Telecommunication Union) para redes inteligentes. A estrutura de encapsulamento do pacote em rótulos ocorre no GMPLS normalmente de maneira hierárquica. A Figura 3 busca mostrar o encapsulamento em cada nível. Figura 3:Hierarquia de labels [12] Cada ponto de comutação de label observa apenas o rótulo mais externo, removendo-o e passando para a próxima camada. Os pacotes já rotulados pela sua classe de serviço recebem um novo rótulo para os canais TDM (Time Division Multiplexing). Logo depois é associado um rótulo do comprimento de onda (Lambda). Por fim, o fluxo que passa pela fibra também recebe um rótulo diferenciado dos demais.

3 A hierarquia de LSP (Label Switched Path) é uma das inovações do GMPLS, porém alguns fatos ainda são herdados do MPLS: mecanismos de engenharia de tráfego (MPLS-TE Traffic Engineering) e reutilização da técnica de endereçamento IP. As principais evoluções do GMPLS são: LSPs bidirecionais, protocolo de gerenciamento de enlace e aprimoramento da capacidade de roteamento. O conjunto de protocolos definidos no plano de controle pelo GMPLS possui funções específicas. A. Roteamento no GMPLS Durante muito tempo o MPLS fez, de certa forma, uso de parâmetros para prover qualidade de serviço baseado na arquitetura IntServ. Alguns fatores importantes comprovam esse uso: disseminação da informação utilizando parâmetros de qualidade do enlace e disponibilidade para garantir recurso para uma nova conexão. O algoritmo OSPF-TE (Open Shorstest Path First - TE) é uma extensão do algoritmo OSPF para prover mecanismos de engenharia de tráfego. Em sua versão tradicional o OSPF é um protocolo baseado em estado de enlace e utiliza a camada IP para manter em cada nó no plano de controle uma topologia global de toda rede. A camada TE é responsável por criar e gerenciar uma nova tabela chamada TED (Traffic Engineer Database). As informações de engenharia de tráfego são enviadas utilizando a estrutura de distribuição já conhecida do OSPF tradicional e as TEDs são assim construídas de forma dinâmica e atualizadas da mesma forma. As funções de engenharia de tráfego são encapsuladas em mensagens TLVs (Type Length Value) e a partir de TLVs, sub-tlvs podem ser definidas. Duas classes são definidas para TLVs: Router Address e TE Link. O TLV Router Address é utilizado para disseminar na área OSPF informações do nó que está realizando o processo. Neste caso, a informação do IP identificará unicamente este nó (ip de loopback). Após o envio do TLV uma conexão com outro nó é realizada e todos os nós da área identificam unicamente este nó. Caso outros protocolos sejam utilizados como o IS-IS-TE apenas uma tabela TED é gerenciada. Todos os atributos necessários para prover engenharia de tráfego são enviados pelo TE Link. Neste tipo de TLV os parâmetros restritivos impostos por cada nó são de fato enviados para todos os nós da área. Como garantia da organização, este TLV muitas vezes é enviado com a composição de muitos sub-tlvs cada um responsável por um atributo específico. Para o GMPLS novas Sub-TLVs foram propostos conforme mostrado: Link Local/Remote Identifiers: especifica enlaces que são identificados por um identificador não-ip Link Protection Type: Descreve o nível de proteção do enlace. Shared Risk Link Group (SRLG): Identifica os grupos de risco que o enlace está inscrito. Neste caso uma falha em um recurso compartilhado compromete todo o grupo. Interface Switching Capability Descriptor: Descreve quais tecnologias um enlace pode comutar. B. Sinalização no GMPLS Os protocolos de sinalização são utilizados para estabelecimento dos LSPs. No caso das redes MPLS estes protocolos sugerem rótulos puramente visando à comutação de pacotes. No entanto em uma rede GMPLS surge o conceito de rótulo generalizado onde o rótulo depende do tipo de comutação realizado pelo roteador. A sinalização no GMPLS ocorre através do uso do protocolo RSVP (Resource Reservation Protocol). O protocolo RSVP é utilizado devido a sua adoção pelo roteamento IP tradicional e MPLS para prover qualidade de serviço. A fase de sinalização no GMPLS é inicializada pela solicitação de rótulo generalizado pelo roteador de ingresso. A mensagem utilizada nesse caso é o PATH, quando esta solicitação percorre a rede são distribuídos os rótulos no sentido downstream. Quando a reserva de recurso atinge o roteador de destino uma mensagem RESV (Reservation Request) é enviada para a origem transportando os rótulos que serão utilizados no sentido upstream. O processo é ilustrado na Figura 4, notamos também que erros podem acontecer, neste caso as mensagens PATHError e RESVError são propagadas. Figura 4: Mensagens de sinalização para criação de um LSP ([12] Ao remover um LSP é realizado um processo similar ao de criação, porém a mensagem PATHtear é utilizada. C. Gerenciamento de enlace no GMPLS O protocolo utilizado de forma ponto a ponto para gerenciamento de enlace é o LMP (Link Management Protocol), sua função principal é o estabelecimento de comunicação entre nos adjacentes utilizando o protocolo de transporte UDP (user datagrama protocol) [8]. A adjacência em redes GMPLS ocorre por vários tipos de enlaces e a configuração manual em todos os LSRs é inviável. Paralelo a isso o LMP criado pelo IETF descobre estas adjacências e gerencia suas particularidades. As principais funções são: Ativação do canal de controle: Para realizar o processo de troca de informações o canal é ativado para um

4 determinado enlace. A manutenção é realizada com o uso de mensagens Hello. Descoberta de enlaces: Através dos identificadores locais de cada enlace, algumas informações são trocadas visando gerenciar seus estados de operação e seus atributos. Capacidade dos enlaces: Durante o processo de engenharia de tráfego é necessário conhecer as capacidades de cada enlace, desta forma é preciso trocar informações de capacidades, por exemplo, o número de lambdas de um enlace WDM. Integridade do enlace: O protocolo LMP tem papel fundamental para garantir resiliência em uma rede GMPLS, através de sua capacidade de gerenciar o estado de cada enlace. III. CONSIDERAÇÕES SOBRE ALGORITMOS RWA Quando consideramos uma rede composta apenas por IP/GMPLS, como mostrado anteriormente, surgem novos problemas no plano do roteamento. A rede DWDM utiliza uma única fibra óptica com vários comprimentos de onda, onde cada um destes comprimentos deve ser alocado para um determinado tráfego entre uma origem e um destino. Este processo de alocação de comprimento de onda forma um lightpath fim a fim. O estabelecimento e restauração dos lightpaths são os principais desafios das redes ópticas modernas. Existem basicamente dois grandes grupos de redes: opacas e totalmente ópticas. Nas redes opacas existe uma conversão eletro-óptica nos nós intermediários, a grande vantagem é que podemos utilizar diferentes comprimentos de onda para cada enlace do lightpath, aumentando a generalidade da solução e assim reduzir a probabilidade de bloqueio da rede por falta de comprimentos de onda. A desvantagem das redes opacas é o custo envolvido nos elementos de conversão eletro-ópticas. As redes totalmente ópticas transportam a informação sobre o mesmo comprimento de onda da origem para o destino. Como não existem conversões eletro-ópticas, este tipo de rede é limitada em distância, pois o sinal óptico sofre atenuação, dispersão e efeitos não-lineares. Cabe citar ainda as redes translúcidas, como uma rede intermediária. Os elementos OXCs são utilizados para permitir a comutação de comprimentos de ondas sem convertê-los. Estes elementos são colocados em alguns pontos da rede totalmente óptica, aumentando sua generalidade. A. Diferenças entre algoritmos de roteamento RWA e roteamento tradicional Nos roteamentos IP, por exemplo, as informações de roteamento são utilizadas no plano de dados no momento do encaminhamento do pacote. As informações sobre qual rota um determinado pacote deve seguir é baseado no seu cabeçalho IP, basicamente no seu endereço IP de destino. Nas redes totalmente ópticas o roteamento tem função de atualização da topologia da rede e as imprecisões dos protocolos de roteamento podem causar problemas em novas conexões, mas as conexões já existentes continuarão operando normalmente. B. Limitações da camada física Na maioria dos casos os algoritmos RWA eficientes levam em consideração as limitações impostas pela camada física. As principais limitações do meio físico estão listadas abaixo: Atenuação: O sinal de luz perde potência conforme caminha pela fibra óptica. Os conectores alocados na entrada e saída de cada elemento OXCs colocado na fibra óptica também provocam atenuação; Dispersão cromática: Trata-se da dispersão do pulso no tempo. Cada componente espectral do feixe de luz viaja dentro da fibra óptica com diferentes velocidades, pois o índice de refração da fibra varia de acordo com o comprimento de onda. Este fato provoca chegadas em tempos distintos no receptor; Dispersão de modo de polarização: Existem duas polarizações: vertical e horizontal. Devido a imperfeições na fabricação da fibra óptica, ou por esforços na fibra instalada o sinal pode propagar-se com velocidade diferente nas diferentes polarizações ortogonais; Interferência entre canais: Quando vários canais são transmitidos dentro de uma mesma fibra óptica com uma potência muito elevada, interferências podem ser observadas, principalmente pela não linearidade da fibra óptica. C. Topologias e recursos da rede no LightPath O processo RWA é composto por duas partes distintas. Primeiramente é necessário conhecer a priori a topologia e recursos disponíveis na rede. Nesta fase existe um processo de roteamento, através de protocolos tradicionais modificados, como o próprio OSPF- TE. Este roteamento será necessário para a troca de informação dos recursos disponíveis. O conhecimento da topologia é realizado utilizando o protocolo LMP. A segunda fase é o momento de realizar o aprovisionamento propriamente dito do lightpath, realizando a reserva do comprimento de onda para a nova conexão. IV. PROBLEMA RWA Os algoritmos RWA possuem um propósito bem definido: estabelecer lightpaths. Alguns algoritmos dividem esta tarefa em duas partes distintas. A primeira tarefa é o estabelecimento de rotas e a segunda é a associação de comprimentos de ondas para estas rotas. O estabelecimento de lightpaths pode ocorrer de forma estática ou dinâmica. Na forma estática os lightpaths são estabelecidos com a premissa de conhecimento de todos os tráfegos em cada nó. Este tipo de estabelecimento possui diversas limitações e dificilmente podemos utilizá-lo em um ambiente complexo com vários usuários e conexões surgindo a cada momento. Os lightpaths estáticos podem ser utilizados em backbones de operadoras, onde provavelmente o tráfego possui menos granularidade. O estabelecimento de lightpaths dinâmico ocorre em cada nova conexão entrante em um nó de origem. Caso um

5 comprimento de onda não esteja disponível a conexão pode ser bloqueada. Em redes ópticas totalmente ópticas a necessidade de utilizar o mesmo comprimento de onda implica em uma grande restrição aumentando a probabilidade de bloqueio da rede. Existe um consenso de que o estabelecimento estático de lightpaths pode ser muito mais fácil para as redes do futuro, porém estabelecimentos dinâmicos ainda são complexos, principalmente pelos OXCs que ainda são caros e em fase de desenvolvimento. A. Proposta de roteamento e atribuição de comprimento de onda nos algoritmos RWA Existem diversas propostas para a fase de roteamento nos algoritmos RWA. Para resolver problemas de lightpaths estáticos usa-se programação linear inteira. Este tipo de solução possui complexidade NP-Completo, assim é utilizada em redes pequenas. Outra forma de resolução é baseada em modelos heurísticos. Neste tipo de solução destacam-se os algoritmos genéticos que são técnicas para problemas de combinação, quando diversos atributos de uma solução são conflitantes e a solução ótima possui um alto custo computacional. Quando consideramos problemas de estabelecimento dinâmico de lightpaths, estamos interessados em obter a menor probabilidade de bloqueio para um dado número de comprimentos de onda. Existem diversas propostas de algoritmos para roteamento dinâmico. Os algoritmos que iremos comparar neste trabalho estão listados abaixo: Roteamento fixo: É um método mais simples de roteamento com uma rota. Existe uma alta probabilidade de bloqueio caso a rota já esteja ocupada por outra conexão. O roteamento fixo, também não é tolerante a falhas físicas nesta rota. Alguns algoritmos tradicionais como o de Dijstra podem ser utilizados. Roteamento fixo-alternado: É uma solução generalizada do caso anterior. Neste caso múltiplos caminhos fixos são estabelecidos. Uma tabela com todas as possíveis rotas é mantida em cada nó, desta forma uma ordenação das melhores rotas é mantida. Caso a rota esteja ocupada à próxima rota é escolhida com custo constante. Roteamento adaptativo: Este é o modelo mais genérico possível, porém o mais complexo. Qualquer caminho que tenha comprimento de onda disponível em todos os enlaces são estabelecidos e conhecidos em cada instante de tempo. São alocados pesos em cada enlace de cada rota e as rotas são utilizadas conforme a necessidade, caso algum enlace não tenha o referido comprimento de onda, aloca-se o peso infinito ao mesmo. Na Figura 5 podemos observar as três propostas de algoritmos. A linha contínua indica a rota principal, enquanto a linha pontilhada indica a rota alternativa. Os números são os pesos definidos para cada enlace e o símbolo de infinito indica que o comprimento de onda não está definido para aquele enlace. Figura 5: Proposta de roteamento dos algoritmos RWA [13]. Um bom algoritmo RWA normalmente separa as fases de roteamento e distribuição dos comprimentos de onda. Em geral sempre contamos com diversos comprimentos de onda entre o par origem/destino. O objetivo principal da fase de alocação de comprimentos de onda é garantir que dois caminhos não compartilhem o mesmo comprimento de onda em uma mesma fibra. Nesta fase contamos com as atribuições de comprimento de onda fixo e adaptativo. Na atribuição fixa, contamos com uma sequência definida de alocação dos comprimentos de onda, por exemplo, sempre o menor índice disponível. Na alocação dinâmica contamos com a situação da rede no momento da conexão, podemos utilizar o menor ou maior índice ou algum critério previamente definido. Na maioria dos casos os algoritmos para definição dos comprimentos de onda são heurísticos. Uma classificação para os mesmos é mostrada abaixo: Balanceamento de carga: São algoritmos que buscam balancear a carga na rede. Uma lista com todos os comprimentos de onda disponíveis é mantida e uma escolha aleatória normalmente é realizada; Agrupamento: Os comprimentos de onda são sempre selecionados em grupos para serem utilizados em algum ponto da rede. Um exemplo dessa classe de algoritmos é o FirstFit. A estratégia é enumerar todos os comprimentos de onda escolhendo aquele de menor índice. Na Tabela 1 temos uma separação dos algoritmos de atribuição de comprimentos de onda.

6 TABELA I TABELA DE HEURÍSTICAS UTILIZADAS PARA ATRIBUIÇÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA. focado na camada física (Optical Protocols, RWA Algorithms) e na camada de arquitetura de rede (Optical Framework). Heurística de Atribuição de Comprimento de Onda Balanceamento de carga Agrupamento Globais Nome Least-used Random First-Fit MostUsed Min-Product Least-loaded Max-sum Característica Selecionar os comprimentos de onda menos utilizados. Seleção aleatória de comprimento de onda Grupo de comprimentos de onda e seleção do menor índice disponível Escolha dos comprimentos mais utilizados Multiplicação do número de fibras em cada enlace pelo número de comprimentos de onda que minimiza o valor alocado. Seleciona o comprimento de onda com maior carga alocada ao enlace de maior carga. Seleciona vários comprimentos de onda minimizando a perda de capacidade da rede óptica. Figura 6: Arquitetura em camadas do simulador GLASS/SSF Neste simulador podemos considerar a análise sobre diversas formas. Podemos fixar o tráfego de entrada para uma dada probabilidade de bloqueio, verificar o tráfego máximo permitido para cada número de comprimentos de onda. É possível também definir um número variável de elementos não confiáveis e verificar a condição de probabilidade de bloqueio para um tráfego de entrada variável. A. Simulação considerando a rede ideal Para esta simulação consideramos a rede ideal, ou seja, não levamos em consideração as limitações de camada física mostradas neste trabalho. Utilizamos como algoritmo de roteamento a rota de menor distância e simulamos com três tipos de algoritmos de comprimentos de onda: BestFit, MostUsed e Random. Nesta simulação consideramos quatro comprimentos de onda por enlace e um tráfego de entrada aleatório com características possonianas. A rede utilizada é mostrada na Figura 7. V. SIMULAÇÕES EM ALGORITMOS RWA A grande maioria dos trabalhos ligados a GMPLS e algoritmos RWA utiliza algum tipo de simulação para validar os modelos propostos ou medir a eficiência de algum algoritmo específico. As simulações substituem em alguns casos modelos matemáticos complexos que em muitos casos não podem ser realizados devido basicamente a sua grande complexidade. VI. SIMULAÇÃO UTILIZANDO O GLASS O GLASS é um software livre criado em Java para simular redes complexas utilizando GMPLS como plano de controle. O simulador funciona em conjunto com outro framework chamado Scalable Simulator Framework (SSF). O GLASS é capaz de criar objetos da camada física como comprimentos de onda, fibras e arquitetura WDM, as simulações são realizadas sempre considerando um algoritmo RWA específico. O foco básico do trabalho é em simulações de algoritmos RWA verificando parâmetros importantes como fator de utilização da rede e probabilidade de bloqueio. O simulador GLASS possui uma arquitetura baseada em camadas e pode ser observada na Figura 6. Este trabalho está Figura 7: Rede ideal com algoritmos RWA Para esta rede consideramos primeiro a probabilidade de bloqueio para diferentes taxas de utilização do sistema. A taxa de utilização do sistema foi medida em Erlang, variando a taxa média de entrada de novas requisições. A velocidade de atendimento da conexão depende do algoritmo RWA utilizado. Na Figura 8 mostramos a probabilidade de bloqueio encontrada para diferentes algoritmos de distribuição de comprimento de ondas.

7 Figura 8: Probabilidade de bloqueio para diferentes algoritmos de distribuição de comprimento de onda variando a carga da rede Notamos que de acordo com a implementação apresentada para o simulador GLASS o algoritmo de distribuição de comprimento de onda MostUsed foi o que apresentou o melhor desempenho para um número de comprimentos de onda fixado em quatro e para uma carga variável na rede. B. Simulação considerando a PMD como restrição óptica Nesta simulação consideramos a PMD como restrição óptica. Aplicamos a restrição da PMD em todos os enlaces da rede mostrada na Figura 7. A PMD considerada é de 0,5 ps/. Neste cenário continuamos utilizando o algoritmo Shortest Path Distance para roteamento e o BestFit para alocação do comprimento de onda e um algoritmo com ciência da restrição física imposta. O resultado da simulação é mostrado na Figura 9. Figura 9: Probabilidade de bloqueio com algoritmo considerando a restrição da PMD e algoritmo BestFit Notamos que os algoritmos que consideram os limiares da PMD possuem uma eficiência melhor quando comparado com algoritmos que não possuem essa ciência. Este fato ocorre basicamente porque quando o algoritmo que possui ciência da limitação física percebe que a PMD está acima do threshold estabelecido ele procura outra rota. O bloqueio ocorre apenas por falta de recurso na rede. Os algoritmos que não possuem ciência da restrição imposta da camada física observam essa rota inviável e o bloqueio ocorre também pela PMD inviável. VII. SIMULAÇÃO UTILIZANDO O TONET O software TONET foi desenvolvido na Universidade de Salvador (UNIFACs), por Gilvan Martins Durães. O software desenvolvido em Java é mais completo que o GLASS e com ele foi possível simular os diferentes tipos de arquiteturas de roteamento apresentados neste trabalho (Fixo, Fixo-alternado e Adaptativo). Para simulação no TONET utilizamos a mesma rede apresentada na Figura 7. Neste cenário simulamos a rede para os três tipos de roteamento. Os algoritmos de alocação de comprimentos de onda também foram testados em conjunto com os diferentes tipos de algoritmos de roteamento. Todavia não observamos variações entre os algoritmos de alocação de comprimento de onda, desta forma comparamos apenas os diferentes tipos de estratégias de roteamento. Como fizemos com o simulador GLASS, realizamos as simulações comparando as probabilidades de bloqueio para cada estratégia de roteamento disponível. No simulador TONET, além do tipo de roteamento, consideramos um tráfego uniforme em toda a rede. Desta forma, qualquer nó da rede da Figura 7 pode realizar uma conexão com qualquer outro nó com a mesma probabilidade. Assumimos também que o tráfego em Erlang da rede tem intensidade inicial de 10, e o incremento é de 20 e o tráfego possui característica possoniana. O simulador TONET permite também que diferentes estratégias de sobrevivência sejam definidas. As estratégias de sobrevivência definem como a rede se comportará em caso de falhas no lightpath estabelecido, definindo políticas para definição e uso de lightpaths alternativos para backup. Existem três tipos de abordagens [19]: Proteção: Neste caso recursos são previamente alocados para garantir uma rota fim a fim alternativa em caso de falha da rota principal. Este tipo de estratégia de sobrevivência consome uma grande quantidade de recursos, aumentando a probabilidade de bloqueio; Restauração: No mecanismo de restauração não existe alocação de recursos e sim uma rota alternativa definida no momento da conexão. Esta rota alternativa pode ser definida para outra conexão, não garantindo a existência de recursos em caso de falhas na rota principal; Mecanismo de sobrevivência adaptativa: Esta estratégia é uma solução hibrida entre as duas formas anteriores. Caso a rede ultrapasse o fator de utilização prédefinido C, a rede passa a utilizar o mecanismo de proteção, caso contrário à rede utiliza restauração. Neste contexto serão utilizadas duas abordagens para roteamento: Fixo e Adaptativo onde a escolha da rota será realizada levando em consideração a menor carga, entre as rotas possíveis (Least Load Routing). Para cada estratégia de roteamento são simuladas as diferentes estratégias de sobrevivência. A. Simulação Roteamento Fixo Neste cenário simulamos a rede considerando o roteamento Fixo, ou seja, aquele roteamento em que uma rota fixa é definida. As rotas alternativas para backup não são

8 consideradas. Na Figura 10 podemos observar os resultados para o roteamento fixo, utilizando as três formas de estratégia de sobrevivência. parâmetros das simulações realizadas no item anterior, temos os resultados para o roteamento adaptativo mostrado na Figura 11. Figura 10: Probabilidade de bloqueio em roteamento Fixo com diferentes estratégias de sobrevivência. O gráfico sem estratégia (azul) está sobreposto pelo tipo de estratégia de sobrevivência do tipo restauração (verde). Notamos nos gráficos da Figura 10 alguns comportamentos distintos em relação à probabilidade de bloqueio, para diferentes estratégias de sobrevivência. Primeiramente os gráficos sem o uso de estratégia e a restauração como estratégia de sobrevivência, estão sobrepostos. Desta forma em relação à probabilidade de bloqueio é importante utilizar uma estratégia de sobrevivência em caso de falhas do lightpath, pois além de proteger as conexões existentes não temos prejuízos em relação a bloqueios. Outro ponto importante a ser notado, é que a proteção de lightpaths tende a ser inversamente proporcional a eficiência a bloqueios na rede. Este fato é observado na estratégia de sobrevivência do tipo proteção e do tipo adaptativa. Quando protegemos um enlace, as rotas alternativas são pré-alocadas, tornando a rede bastante ineficiente com relação à probabilidade de bloqueio, assim é mostrado no gráfico da Figura 10. A estratégia adaptativa é um modelo híbrido, assim possui melhor eficiência com relação à probabilidade de bloqueio que a estratégia de restauração. Esta análise é feita considerando a probabilidade de bloqueio de uma nova conexão, ou seja, aquela que ocorre devido à falta de recursos na rede para uma nova conexão. O uso de estratégias de sobrevivência garante a continuidade de conexões mesmo em caso de falhas, porém torna o sistema menos robusto a novas conexões. B. Simulação Roteamento Adaptativo O roteamento adaptativo garante um parâmetro de escolha de uma melhor rota. A topologia de rotas disponíveis é conhecida oferecendo maior robustez, porém o custo computacional destes algoritmos é alto. Consideramos o uso do algoritmo que elege a rota menos carregada para alocação de um novo lightpath, ou seja, a que vem sendo menos alocada ao longo do tempo. Mantendo os Figura 11: Probabilidade de bloqueio em roteamento Adaptativo com diferentes estratégias de sobrevivência. O gráfico sem estratégia (azul) está sobreposto pelo tipo de estratégia de sobrevivência do tipo restauração (verde). Notamos que apesar de utilizarmos um algoritmo de roteamento adaptativo não tivemos nenhuma mudança comportamental em relação a probabilidade de bloqueio em nenhuma estratégia de sobrevivência utilizada. A vantagem do roteamento adaptativo é que apesar do alto custo computacional uma vez realizada à busca pelas rotas existentes, podemos utilizar qualquer estratégia de sobrevivência de forma mais rápida, devido ao conhecimento prévio de toda a rede. VIII. CONCLUSÃO Com este trabalho fica claro que o algoritmo RWA é parte fundamental do plano de controle das redes ópticas transparentes, ou seja, das redes comutadas no plano óptico. O plano de controle GMPLS através de sua capacidade de estender as redes MPLS tradicionais para domínios de comprimento de ondas e comutação de fibra óptica é uma ótima proposta para as redes do futuro. Quando analisamos os algoritmos RWA notamos que existem diferentes abordagens e conceitos e normalmente estes algoritmos são divididos em roteamento de lightpaths e distribuição de comprimento de ondas. Um bom algoritmo RWA possui a capacidade de encontrar todos os possíveis caminhos entre uma origem e um destino na rede óptica e buscar uma distribuição ótima dos comprimentos de onda para este caminho, reduzindo a probabilidade de bloqueio da rede. Notamos uma restrição crítica imposta pelas redes totalmente ópticas e a garantia da continuidade do comprimento de onda. Essa restrição é crítica e aumenta consideravelmente a probabilidade de bloqueio. Esta restrição deve garantir que um mesmo comprimento de onda não deve ser usado para duas conexões distintas. No futuro espera-se

9 que tenhamos equipamentos comutadores de comprimento de ondas no domínio óptico, ou seja, sem conversão eletro-óptica aumentando a abrangência deste tipo de rede. Considerando que estes dispositivos ainda são caros, a avaliação do resultado de desempenho pode ser verificada neste trabalho através de simulações. Para as simulações utilizamos o software GLASS e o TONET. O software GLASS possui algumas limitações e atualmente o projeto encontra-se parado, porém com os recursos disponíveis conseguimos simular algumas situações. Nestas simulações concluímos que existe uma diferença mínima de desempenho entre os algoritmos de alocação de comprimento de onda. Quando consideramos uma rede óptica ideal, ou seja, sem restrições da camada física o melhor algoritmo foi o MostUsed. Este fato deve-se basicamente pelo número baixo de comprimentos de onda utilizados. Para a simulação apresentada consideramos apenas quatro comprimentos de onda. O software TONET é um ótimo projeto da Universidade de Salvador e possui alguns recursos extras, explorados neste trabalho. Através do simulador TONET, mostramos como diferentes algoritmos de roteamento com diferentes estratégias de sobrevivência de lightpaths modificam a probabilidade de bloqueio da rede. Ressaltamos que as características do serviço ofertado na rede e onde esta rede está alocada é fundamental para a escolha da política de redundância utilizada. A solução adaptativa híbrida é uma alternativa, utilizando restauração e proteção de acordo com a variação de tráfego da rede. Quando consideramos a restrição da camada física, representada através dos efeitos de PMD, percebemos que algoritmos que detectam essa restrição possuem melhor desempenho. Uma justificativa é que o algoritmo de alocação com ciência da restrição proposto é capaz de procurar novas rotas quando detecta a restrição da PMD acima do valor limite. O bloqueio neste caso ocorre apenas quando o sistema não possui mais comprimentos de onda para realizar a alocação de novas conexões. Existe uma possibilidade grande para trabalhos futuros na área de simuladores de redes ópticas transparentes. Neste trabalho os poucos simuladores que encontramos não estão disponíveis para acesso ou são ferramentas com alto custo de licença. REFERÊNCIAS [1] ABBADE, A. L. R.. Limites impostos pela dispersão por modo de polarização em sistemas ópticos de elevada taxa de transmissão, Dissertação de mestrado apresentada ao INATEL, Agosto de [2] BRASSOLATTI, Ivo Roberto. Dimensionamento de redes GMPLS com base em algoritmos RWA. Dissertação de mestrado apresentada a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Maio de 2006 [3] NIST (NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY).GMPLS Lightwave Agile Switching Simulator (GLASS) Disponível em [4] REDES FTTX [Online]. São Paulo, 08 março Disponível em: [5] ITU-T. Architecture for the Automatically Switched Optical Network (ASON). ITU-T Recommendation G.8080/Y.1304, 2006 [6] OCDE. Broadband growth and policies in OCDE countries [7] FSAN (Full Service Access Network) Group [Online], Disponível em Acesso em: 20 de Abril de [8] FERES, Mariana Massimino. Estudo de algoritmos RWA em redes GMPLS sobre DWDM. Dissertação de mestrado apresentada a UFSCAR, Junho de [9] DURÃEE, Gilvan. TONETS: Ferramenta para Avaliação de Desempenho de Redes Ópticas Transparentes, Agosto 2008 [10] ITU-T Disponível em: Acesso em: 10 de Abril de [11] WDMSIM. Simulador para redes WDM com roteamento transparente. Disponível em Acesso em 01 de Maio de [12] FARREL, Adrian; BRYSKIN Igor. GMPLS Architecture and Application, Morgan Kaufmann, pp , [13] LAGE, L.B., OLIVEIRA, M.C. Estudo de uma Rede de Acesso via Fibra Óptica. (Projeto Final de Graduação), Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília, Brasília/DF, [14] YAMANAKA, Naoaki; SHIOMOTO Kohei; OKI Eiji. GMPLS Technologies Broadband Backbone Network and Systems. pp , [15] XU, Zhuo.Designing and Implementing IP/MPLS-Based Ethernet Layer 2 VPN Services an Advanced Guide for VPLS and VLL, pp , [16] Ministério de Ciencia e Tecnologia MCT Plano Nacional de Banda Larga [Online], Junho de [17] APACHE fundation. Servidor Web utilizado pelo simulador simwdm. Disponível em Acesso em 01 de maio de [18] ANATEL - Agencia Nacional de Telecomunicações, Disponível em: Acessado em 26 de Abril de [19] DURÃES MARTINS, Gilvan. Ferramenta de simulação para avaliação de desempenho de redes ópticas transparentes. pp 10-65, Diego Fernandes Gonçalves Martins nasceu em Campinas, SP, em Possui os títulos: Engenheiro de Computação com Ênfase em Processos Industriais (UNICAMP, 2012). Foi bolsista no laboratório de pesquisa em processamento de sinais RT-DSP UNICAMP. Participação em projeto de educação à distância NIED - UNICAMP. Em 2012 foi contratado pela empresa AsGa para suporte técnico a clientes críticos da empresa. Trabalhou com diversas tecnologias ópticas como WDM, GPON e modelagem de redes ethernet, simulando cenários complexos de clientes como: Embratel, NET, OI e TIM. Atualmente é gerente de pré-vendas da empresa AsGa atuando no apoio técnico ao time comercial da empresa, elaborando propostas técnicas e auxiliando na viabilidade de grandes projetos na área óptica e wireless. André Luis da Rocha Abbade nasceu em São José do Rio Preto-SP em Mestre em Telecomunicações pelo Inatel, com defesa de dissertação realizada em agosto de Em 1990 e 2002, obteve respectivamente os títulos de Engenheiro Eletricista e Especialista em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações pelo Inatel. Em junho de 2012 concluiu o curso de Pós-Graduação em Gestão Empresarial pela FGV. Atuou como engenheiro de processos de 1990 a 1991 na NEC do Brasil. De 1991 a 1994 atuou como engenheiro responsável em diversas obras de rede externa de telefonia nas empreiteiras Siret e Arcos. Atuou como engenheiro da Telemig/Telemar/Oi no período de 1994 a 2001, ocupando diversos cargos nas áreas de engenharia de provisionamento de redes até 1998 e de operação e manutenção de rede de acesso e de transporte até É professor. no Inatel desde 1999, tendo ministrado regularmente neste período as disciplinas Técnicas de Atendimento a Terminais, de 1999 a 2003; Comunicações Ópticas, de 2004 até a presente data, Empreendedorismo e Inovação de 2013 até hoje; e Matemática Financeira em Atualmente, além de professor das disciplinas acima, ocupa os cargos de: Coordenador do Curso Superior de Tecnologia em Gestão de Telecomunicações do Inatel; Gerente de Educação Continuada no Inatel Competence Center, sendo responsável pela gestão operacional e financeira das áreas de Consultoria e Pós-Graduação LATO SENSU; Coordenador Acadêmico da Business School; e é conselheiro suplente no CREA-MG. Principais áreas de atuação: Comunicações Ópticas e Empreendedorismo..