Redes de Transporte SDH Sobrevivência de Rede

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1 Redes de Transporte SDH Sobrevivência de Rede João Pires Redes de Telecomunicações 212

2 Sobrevivência de Rede A sobrevivência de rede traduz a capacidade de uma rede continuar a oferecer serviços na presença de falhas internas. As falhas podem ocorrer a nível dos nós da rede (equipamento) ou a nível das vias de transmissão, sendo as últimas as mais frequentes. A causa mais comum está associada à danificação dos cabos de fibras ópticas devido a causas de origem natural (tremores de terra, etc. ) ou humana (escavadoras, incêndios, etc.). AT&T fiber optic cable cut in California April 9, :07pm ET An AT&T-owned fiber optic cable was severed in Silicon Valley Thursday, causing Internet, voice, and wireless outages, as well as compromised 911 access for thousands of customers. AT&T confirmed the outage to CNET, and said it is working to fix the issue. Fonte: In December 2006, 4 major fiber optic lines were severely damaged following a major earthquake in Taiwan. The cuts basically erased all eastward data routes from Southeast Asia. It took 49 days for crews on 11 giant cable-laying ships to fix all of the 21 damage points. Fonte: Corte de cabos de fibra óptica em Lisboa deixa... (1/11/2007) Um corte nos cabos de fibra óptica na zona de São Sebastião, junto ao Corte Inglés, em Lisboa, privou cerca de 12 mil clientes da TV Cabo dos serviços da Portugal Telecom na quarta-feira, disse à Lusa fonte oficial da operadora. «Também alguns clientes móveis foram afectados», adiantou a mesma fonte. O corte deveu-se às obras do metropolitano em São Sebastião, onde umas estacas bateram num cabo de fibra óptica e deitaram-no abaixo, indicou à Lusa fonte do Metropolitano de Lisboa. Fonte:metrolisboa.blogspot.com/2007/11/corte-de-cabos-de-fibra-ptica-em-lisboa.html João Pires Redes de Telecomunicações 213

3 Fiber Optic Cable Cuts Isolate Millions From Internet,Future Cuts Likely (January 31, 2008) O cabo submarino FLAG foi um dos cabos afectados Large swaths of the Middle East and Southeast Asia fell into internet darkness after two major underseas fiber optic links were damaged off Egypt s coast on Wednesday. Early reports blamed an errant anchor for severing the cables, but THREAT LEVEL has not yet been able to confirm that s the cause. Telecoms in Egypt, India, Pakistan and Kuwait (among others) are scrambling to find other arrangements to carry their internet and long distance phone traffic. Some telecoms had complete outages since their contingency plans if one cable broke was to use the other. Seventy percent of the networks in Pakistan experienced an out, with Egypt, Malidives, Kuwait, Lebanon and Algeria also suffering severe outages, according to traffic analysis by Renesys. The cuts hit two fiber optic links: FLAG Europe Asia and SEA-ME-WE-4. The two cables are competitors that carry traffic from Europe through the Middle East along to Japan (and vice versa). FLAG runs about 17,000 miles, stretching from London, through the Suez canal, around India, along China s coast to Japan. SEA-ME-WE-4 follows roughly the same geographic path. Fonte: João Pires Redes de Telecomunicações 214

4 Disponibilidade A disponibilidade (availability) de um sistema traduz a probabilidade desse sistema estar perfeitamente operacional num certo instante de tempo. A disponibilidade é normalmente expressa em termos da percentagem de tempo durante um ano em que o sistema está totalmente operacional. Disponibilidade (%) 99% (2 noves) 99.9% (3 noves) 99.99% (4 noves) % (5 noves) % (6 noves) Tempo em baixa/ano 3.65 dias 8.76 h 52.6 m 5.26 m 31.5 s Assumindo que as disponibilidades de um nó (elemento de rede) e de uma ligação (via de transmissão) são independentes, a disponibilidade de um caminho obtém-se multiplicando as disponibilidades DXC DXC DXC Protecção DXC DXC A disponibilidade do caminho representado seria dada por: x0.9995x x0.9998x Para aumentar e disponibilidade do caminho seria necessário ter por exemplo um caminho redundante (caminho de protecção) para o caso de falha do primeiro. João Pires Redes de Telecomunicações 215

5 Técnicas de Sobrevivência As técnicas usadas para garantir que uma rede SDH continue a proporcionar serviços mesmo em presença de falhas na rede são as seguintes: Protecção de equipamento; Protecção linear; Protecção de anel; Restauro. A protecção de equipamento é garantida duplicando as cartas e as ligações entre estas. A protecção linear é aplicada em ligações ponto-a-ponto. Essa protecção pode ser realizada a nível de caminho (protecção de caminho), ou a nível de secção de multiplexagem (protecção de secção). A protecção de anel aplica-se a topologias físicas em anel e também pode ser realizada a nível de caminho ou a nível de secção. O restauro aplica-se a redes com uma topologia física em malha e consiste em encontrar caminhos alternativos aos caminhos com falhas, sendo a operação, normalmente, coordenada pelo plano de gestão de rede. João Pires Redes de Telecomunicações 216

6 Anomalias, Defeitos e Falhas O sistema de protecção ou de restauro numa rede SDH é activado na presença de falhas graves. Essas falhas desencadeiam um processo de geração de alarmes, que por sua vez são responsáveis por activar o sistema referido. Um comportamento errático em certas funcionalidades da rede pode ser classificado como anomalia, defeito ou falha. Uma anomalia corresponde a uma degradação do desempenho do sistema. Um defeito conduz a uma incapacidade para executar um serviço devido ao mau funcionamento do hardware ou do software do sistema, ou a uma degradação do desempenho muito acentuada, traduzida por uma razão de erros binários igual ou superior a Uma falha é um defeito persistente. A detecção de um defeito a nível de caminho ou secção é realizada monitorizando o sinal recebido. Exemplos de defeitos: perda de sinal ou LOS (loss of signal), perda de trama ou LOF (loss of frame), incoerência do traço de sinal ou TIM (trace identification mismatch), perda de ponteiro ou LOP (loss of pointer), etc. As anomalias são originadas por eventos tais como perda de enquadramento de trama ou OOF (out of frame alignment), sinal degradado ou SD (signal degrade) e os erros de detectados usando B1, B2, B3 e BIP-2 desde que a razão de erros fique abaixo de João Pires Redes de Telecomunicações 217

7 Protecção Linear A protecção linear de caminho protege os caminhos (VCs) individualmente (extremo-aextremo), enquanto a protecção de secção protege todo o sinal STM-N (em cada arco). Qualquer uma dessas protecções ainda pode ser dedicada (1+1) ou partilhada (1:1). Protecção de secção dedicada (1+1) O sinal STM-N é duplicado e enviado simultaneamente pela via de serviço e pela via de protecção (fibras de serviço e protecção). Na recepção é seleccionado o sinal da via de serviço. Quando esse sinal se degrada o receptor comuta para a via de protecção. Funcionamento em estado normal STM-N comutador Fibra de serviço (ou λ) Fibra de protecção (ou λ) NE 1 NE 2 Corte na fibra de serviço (ou λ) comutador Alarmes que desencadeiam a comutação Perda de sinal ou LOS (Loss of Signal) Perda de trama ou LOF (Loss of Frame) Sinal degradado ou DS (Degraded Signal) (Valor de BER elevado 10-3 Funcionamento depois de uma falha Fibra de protecção (ou λ) NE 1 NE 2 O sistema pode funcionar em modo de protecção reversível (volta à situação normal depois da falha ser reparada) ou modo irreversível no caso oposto. Esta forma de protecção é muito rápida e não requer nenhum protocolo de sinalização João Pires Redes de Telecomunicações 218

8 Protecção Linear (secção 1:1) A protecção de secção 1+1 requer a duplicação dos sinais STM-N, sendo por isso uma solução dispendiosa. Tem a vantagem de não requerer sinalização entre os nós da rede, sendo portanto muito rápida. A protecção 1:1 requer o uso de sinalização (mais lenta), mas pode usar o sistema de protecção para tráfego não prioritário. Protecção de secção partilhada (1:1) O sinal STM-N é enviado num certo instante é enviado através de uma única via. Em presença de uma falha na fibra o sinal é comutado para a outra fibra. Requer também o uso de um comutador no emissor e um protocolo APS (Automatic Protection Switching). comutador comutador Funcionamento em estado normal Funcionamento depois de uma falha STM-N Fibra de serviço (ou λ) Fibra de protecção (ou λ) NE 1 NE 2 Fibra de serviço (ou λ) Fibra de protecção (ou λ) comutador NE 1 NE 2 Alarmes que desencadeiam a comutação Perda de sinal ou LOS (Loss of Signal) Perda de trama ou LOF (Loss of Frame) ) Sinal degradado ou DS (Degraded Signal) O NE que detecta a falha (NE 2) deve comunicar com o NE que inicia a secção (NE 1) usando o protocolo APS, para este comutar o tráfego para a via de protecção. O APS é transmitido nos octetos K1 e K2 do cabeçalho de sec. de multiplexagem. João Pires Redes de Telecomunicações 219

9 Protecção Linear de Caminho A protecção linear de secção só protege os arcos ou ligações entre os elementos de rede. Como as diferentes fibras ou comprimentos de onda são transportados no mesmo cabo, esse mecanismo não resolve os problemas dos cortes nos cabos, mas unicamente as falhas nas cartas dos NEs. A protecção linear de caminho ( aplicada a sinais VC-n) pode ser dedicada (1+1) ou partilhada (1:1). No último caso o protocolo APS é transmitido no octeto K3 para o caso do VC-3 e VC-4. O esquema de protecção SNCP (Subnetwork Connection Protection) é um exemplo de protecção linear de caminho 1+1. Serviço SNCP: Vc-n Protecção Protege contra falhas simples nos nós e nas ligações. João Pires Redes de Telecomunicações 220

10 Protecção de Anel: Tipos e Estrutura de Anéis Os anéis podem ser unidireccionais ou bidireccionais. No caso dos anéis unidireccionais um caminho (bidireccional) entre dois nós ocupa todo o anel, enquanto nos anéis bidireccionais só ocupa parte do anel. Anel Unidireccional Anel Bidireccional com 2 fibras Arco A A D B D B C Fibra de protecção Fibra de protecção C Fibra de serviço Fibra de serviço Um anel é composto de diferentes arcos, sendo cada um responsável por ligar dois nós. Os anéis podem ainda usar duas ou quatro fibras. João Pires Redes de Telecomunicações 221

11 Anel Unidireccional com Protecção de Caminho O anel unidirecional com protecção de caminho, designado na terminologia SONET por UPSR (Unidirectional Path-Switched Rings) usa um esquema de protecção dedicado 1+1. O tráfego originado num determinado nó é enviado simultaneamente pela fibra de serviço no sentido dos ponteiros do relógio e pela fibra de protecção no sentido contrário. Este tipo de protecção representa uma caso particular da SNCP A A D Estado Normal Fibra de protecção C B D Estado Normal Fibra de protecção C B As entidades comutadas são contentores virtuais Corte nas duas fibras Fibra de serviço A comutação de protecção é realizada a nível da camada de caminho para cada ligação. A qualidade do sinal é continuamente monitorizada. Quando tem lugar um corte na fibra de serviço o nó que detecta a falha comuta para a fibra de protecção. Comuta para a protecção João Pires Redes de Telecomunicações 222

12 Protecção de Anel: Protecção a Nível de Secção A protecção de anel a nível de secção de multiplexagem pode ser partilhada ou dedicada. Protecção de secção Anel com protecção partilhada de secção de multiplexagem ou MS-SPRING (Multiplex Section Shared Protection Ring) (ITU-T G.841) Anel com protecção dedicada de secção de multiplexagem ou MS-DPRING (Multiplex Section Dedicated Protection Ring) Os anéis MS-SPRING compreendem duas categorias: anéis de 2 fibras e anéis de 4 fibras. Estes anéis são bidireccionais: os sinais de tráfego normal (canais de serviço) são transmitidos sobre os mesmos arcos mas em sentido oposto. Os canais de serviço são protegidos pelos canais de protecção, que podem ser usados para tráfego não prioritário. Na terminologia SONET, esses anéis designam-se por BLSR (Bidirectional Line- Switched Rings). Os anéis MS-DPRING consistem em dois anéis unidireccionais com propagação em sentido inverso. Um transporta tráfego normal (anel de serviço) e o outro é reservado para proteger este tráfego (anel de protecção). João Pires Redes de Telecomunicações 223

13 Anel MS-DPRING No anel com protecção dedicada de secção de multiplexagem, os diferentes nós estão ligados por duas fibras ópticas, uma para a função de serviço e outra para protecção. O anel é unidireccional e no estado de funcionamento normal só a fibra de serviço transporta tráfego. O anel de protecção é usado quando a terminação de secção de multiplexagem detecta uma falha ou uma degradação do sinal na fibra de serviço. A A D Estado Normal B Estado de Protecção D B Fibra de protecção C C Derivação Corte nas duas fibras Fibra de serviço Derivação Depois de detectada a falha inicia-se o processo de recuperação usando o protocolo APS, o qual permite estabelecer derivações da fibra de serviço para a fibra de protecção nos nós que envolvem a falha e transportar a secção afectada pela fibra de protecção. João Pires Redes de Telecomunicações 224

14 Anel MS-SPRING com Duas Fibras No anel MS-SPRING com duas fibras, a capacidade de trabalho entre quaisquer dois nós só usa metade da capacidade bidireccional total, sendo a outra metade destinada a protecção. Assim, por exemplo, num anel com capacidade STM-N, os sinais STM-N transmitidos nos dois sentidos reservam os AU-4 numerados de 1 a N/2 para o transporte de tráfego de serviço e os AU-4 numerados de N/2+1 a N para protecção. Estado Normal STM-N Estado de Protecção A A D Protecção B D B C C Derivação Corte nas duas fibras Fibras ópticas Derivação A falha é indicada a nível de secção e a recuperação da falha usa o APS João Pires Redes de Telecomunicações 225

15 Protocolo APS de Anel O protocolo de comutação de protecção automática ou APS (Automatic Protection Switching) de secção de multiplexagem usado nos anéis SDH faz também uso dos octetos K1 e K2. Os primeiros quatro bits (b1b2b3b4) de K1 indicam o tipo de pedido. Os últimos quatro bits (b5b6b7b8) indentificam o nó destinatário do pedido. Condição: Falha de sinal ou SF(signal fail), degradação de sinal ou SF (signal degrade). Cada condição pode-se aplicar ao anel ou ao arco. Tipos de pedidos Pedidos iniciados externamente ao NE (utilizador ou sistema de gestão). Estado: Atraso de restabelecimento (wait-to-restore), ausência de pedido (no request), pedido reverso (reverse request) a nível de anel ou do arco, etc. Pedido externo: Inibição de protecção (lockout of protection), comutação forçada ou manual (forced and manual switch) a nível de anel ou de arco,etc. Os nós do anel são identificados por um número escolhido entre 0 e 15, o que permite ter no máximo 16 nós por anel. Os primeiros quatro bits de K2 indentificam o nó originário do pedido. O bit 5 identifica o tipo de percurso no anel (é igual a 0 para o percurso mais curto e igual a 1 para o percurso mais longo). Os outros três bits são usados, entre outras funções, para a transmissão de alarmes. João Pires Redes de Telecomunicações 226

16 Aplicação do Protocolo APS As etapas associadas à aplicação do protocolo APS em presença de um corte da fibra entre o nó B e o nó C são as seguintes: O nó B a partir da detecção de uma perda de sinal detecta a falha da fibra entre C e B. O nó B envia pelos octectos K1 e K2 pelo percuso mais curto e pelo mais longo um pedido de derivação para C. C depois de receber os octectos K1 e K2 e de reconhecer o seu endereço estabelece uma derivação para a via de protecção. A e D ao verificarem que os comandos recebidos não lhe são destinados reenviam-os. O nó C recebe de novo os octectos K1 e K2 pelo percuso mais longo e responde com o seu estado (comutado). Todos os nós são informados do novo estado. Quando B recebe essa informação passa também a comutado. A D Percurso mais longo A 5 Deixa passar K1 e K2 D B 2 1 Detecta a falha do sinal Envia octetos K nos dois sentidos D A 8 Estabelece uma derivação C 6 7 Recebe os octectos K1 e K2 Informa os nós do seu estado Percurso mais curto 4 Estabelece uma derivação 3 Recebe os octectos K1 e K2 João Pires Redes de Telecomunicações 227

17 Anel MS-SPRING com Quatro Fibras No anel MS-SPRING com quatro fibras usa duas fibras para a capacidade de serviço bidireccional e as outras duas para protecção. Neste anel a protecção pode ser de arco, quando há uma falha só nas fibras de serviço, ou de anel quando há um corte nas quatro fibras. Estado Normal Estado de Protecção (anel) A A 2 derivações D B D B Protecção C Protecção C Corte nas 4 fibras Serviço Serviço 2 derivações A falha é indicada a nível de secção e a recuperação da falha usa o APS João Pires Redes de Telecomunicações 228

18 Considerações sobre Aplicação do MSPRING Tempo de comutação : Num anel sem tráfego extra, com todos os nós a funcionar em modo normal e com menos de 1200 km de fibra óptica o tempo de comutação do tráfego para a capacidade de protecção (em arco ou anel) na presença de falhas deve ser inferior a 50 ms (ITU-T: G.841). MSPRING em aplicações submarinas : A aplicação directa do protocolo MSPRING poderia levar a situações com trajectos de protecção que atravessassem três vezes o oceano. Como as distâncias entre nós podem atingir vários milhares de km há que alterar o protocolo para estes casos: Na presença de falhas todos os AU-4 afectados pelas falhas são comutados para as vias de protecção pelos próprios nós fonte. Deve-se garantir um tempo de comutação inferior a 300 ms (ITU-T: G.841). Tráfego não protegido : Os MSPRING têm possibiliade de transportar alguns canais com tráfego não protegido, desactivando o protocolo APS para determinados AU-4s. O tráfego entre A e B é protegido pela camada ATM ATM Comutador ATM A ATM MSPRING (STM-16) ATM ATM B STM-1 não protegido STM-1 não protegido João Pires Redes de Telecomunicações 229

19 Interligação de Anéis A interligação de anéis pode ser feita usando DXC ou s. No último caso a interligação é feita ligando as saídas inserção/extraçção de dois s de diferentes anéis. A interligação pode ser feita usando arquitecturas com um nó de interligação simples ou dual. A primeira tem um ponto de falha no ponto onde os anéis se interligam e por isso oferece um nível de fiabilidade baixo. Interligação com nó simples Interligação com nó dual Permite proteger o tráfego que transita entre os dois anéis. Uma falha num de interligação não causa problemas ao tráfego entre anéis. Ponto de falha simples João Pires Redes de Telecomunicações 230

20 Facilidade Extrair & Continuar No caso da interligação com nó dual em vez de se estabelecer duas ligações entre o nó original e os dois nós de interligação num determinado anel, podese usar uma facilidade presente nos s designada por extrair & continuar (drop-and-continue) (ITU-T G-842). Selector De C Para C De D Para D C A D Nó 1 S Nó 1 S MSPRING 1 MSPRING 2 E B Nó 2 Nó 2 F Interligação: Eléctrica STM-1 Óptica STM-N O sinal unidireccional transmitido pelo nó C ao chegar ao nó 1 é extraído pelo desse nó e ao mesmo tempo é enviada uma réplica para o nó 2 (função continuar). O selector do nó 1 do anel 2 selecciona o sinal de melhor qualidade e envia-o para o anel. A interligação pode ser STM-1 ou STM-N. João Pires Redes de Telecomunicações 231

21 Interligação com Anel Virtual Como no caso da protecção SNCP (protecção de caminho) o tráfego é replicado na origem e enviado por dois caminhos distintos. Tráfego de Serviço De C Para C De D A Nó 1 Nó 1 D Para D C SNCP ring 1 SNCP ring 2 E B Nó 2 Nó 2 F Tráfego de Protecção O encaminhamento de informação deve ser feita de modo que o caminho associado ao tráfego de serviço usa nós de interligação entre os anéis diferentes do caminho de protecção João Pires Redes de Telecomunicações 232

22 Topologias Lógicas nas Redes em Anel O modo como o tráfego é distribuido entre os diferentes nós de um anel leva ao conceito de topologia lógica. Podem-se ter diferentes tipos de topologias lógicas: estrela simples, estrela dupla, anel, malha, misto, etc. Estrela simples Padrão de tráfego em hub simples Estrela dupla Padrão de tráfego em hub duplo Anel Padrão de tráfego adjacente Nó Pedido de tráfego bidireccional Malha Padrão de tráfego uniforme Padrão de tráfego longo Os pedidos de tráfego são entre nós diametralmente opostos João Pires Redes de Telecomunicações 233

23 Exemplos de Padrões de Tráfego num Anel STM-16 Nó A Padrão em hub simples 8 AU-4 Nó B Padrão de tráfego adjacente 8 AU-4 Nó A Nó B 5 AU-4 Nó D 5 AU-4 8 AU-4 O tráfego deve ser 8 AU-4 encaminhado entre dois nós de modo a MSPRING com 2 fibras MSPRING com 2 fibras ocupar o menor (STM-16) número de arcos e (STM-16) de modo a carregar o menos possível 3 AU-4 cada arco. Nó C Nó D 8 AU-4 8 AU-4 8 AU-4 Nó C 8 AU-4 3 AU-4 8 AU-4 Nó A 6 AU-4 6 AU-4 Nó B Padrão de tráfego misto Matriz de tráfego (AU-4) Nós A B C D 5 AU-4 Nó D 5 AU-4 MSPRING com 2 fibras (STM-16) 3 AU-4 2 AU-4 5 AU-4 Nó C 5 AU-4 2 AU-4 Os arcos A-B e A-D estão à capacidade máxima. A B C D AU-4 João Pires Redes de Telecomunicações 234