Desafios das próximas gerações de Redes Ópticas de Transporte

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1 Desafios das próximas gerações de Redes Ópticas de Transporte André Soares Dept. Computação - UFPI ENUCOMP 2013

2 Agenda Introdução Redes ópticas opacas Redes ópticas transparentes Redes ópticas translúcidas Mestrado em Ciência da Computação da UFPI ENUCOMP

3 Introdução A demanda de tráfego vem crescendo de forma significativa Aumento do nº de usuários Aplicações sofisticadas e.g. E-science Fibra óptica Grande largura de banda, baixa perda, imunidade a interferências eletromagnéticas, entre outras. Tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) Vários comprimentos de onda em uma única fibra (com até 80 Gbps) Múltiplos circuitos de grande capacidade em uma única fibra óptica. ENUCOMP

4 Rede óptica de transporte ENUCOMP

5 Rede ópticas WDM WDM (Wavelength Division Multiplexing) ENUCOMP

6 Rede ópticas WDM Fibra óptica + WDM = Comprimentos de onda Gbps 80 Gbps 80 Gbps Gbps ENUCOMP

7 Classificação das redes ópticas de Transporte Considerando processamento eletrônico no plano de dados: Redes ópticas opacas Redes ópticas transparentes Redes ópticas translúcidas ENUCOMP

8 Redes Ópticas Opacas Domínio eletrônico OEO ENUCOMP

9 Rede óptica Opacas Roteamento no domínio eletrônico Utilização de conversores OEO Óptico-Eletro-Óptico Inserção de atrasos de processamento Aumento do custo dos equipamentos Transparentes Roteamento no domínio óptico Evita conversores OEO e suas limitações ENUCOMP

10 Plano de dados X Plano de controle GMPLS Controle de Roteamento Controle de Sinalização Controle de Enlace Plano de Controle Rede Cliente Plano de Dados ENUCOMP 2013 Rede Cliente 10

11 Comutação Óptica (Simplificando) Um mero espelhinho de ângulo ajustável! ENUCOMP

12 Comutador óptico Portas de tronco OXC Portas de tronco Fibra w 1 w 2 w 3 Comutador Óptico w 1 w 1 w 2 w 3 Fibra Fibra w 1 w 2 w 3 Comutador Óptico w 2 w 1 w 2 w 3 Fibra Fibra w 1 w 2 w 3 Comutador Óptico w 3 w 1 w 2 w 3 Fibra Do cliente (add) Para o cliente (drop) Portas locais ENUCOMP

13 Paradigmas de comutação óptico Optical Circuit Switching OCS Reserva dos recursos antes do envio dos dados Estabelecimento do circuito óptico Facilidade em garantir Quality of Service (QoS) Processo de sinalização de duas vias Ineficiente para comunicações de curta duração ENUCOMP

14 Paradigmas de Comutação: OCS Nó 1 Nó 2 Nó 3 Nó 4 Nó 5 Tproc + Troute Tproc Tproc Tproc Tproc void Tproc Toxc void Tproc Toxc Recurso Alocado void Tproc Toxc Recurso Alocado void Toxc Recurso Alocado Tproc + Twa Tempo Circuito Óptico ENUCOMP 2013 Path Message Resv Message 14

15 Paradigmas de comutação óptico 2. Optical Packet Switching OPS Eficiente quando o tráfego possui alto dinamismo Não há a reserva prévia de recursos Dificuldade em garantir QoS Cabeçalhos e dados são enviados na mesma banda É necessário armazenar os dados e processar o cabeçalho ENUCOMP

16 Paradigmas de Comutação: OPS 2. Optical Packet Switching OPS Tecnologia ainda pouco madura Necessita de avanços nas áreas de processamento e armazenamento óptico ENUCOMP

17 Paradigmas de comutação óptica 3. Optical Burst Switching OBS É uma alternativa que provê uma infraestrutura de transporte flexível para o encaminhamento de pequenos volumes de dados Envio de rajadas ópticas Envio de uma mensagem de controle antes do envio da rajada A rajada óptica possui um tamanho máximo ENUCOMP

18 Paradigmas de Comutação: OBS 3. Optical Burst Switching OBS 1 Fluxo de dados 4 Envio das rajadas Nuvem óptica Fluxo de dados 2 Quebra do fluxo Montagem das Rajadas ópticas Legenda Nó óptico Rajada óptica ENUCOMP

19 Paradigmas de Comutação OBS Envio de uma rajada óptica por meio do protocolo Offset Nó 1 Nó 2 Nó 3 Nó 4 Nó 5 Toxc Tproc Toxc Tproc Toxc Tproc Alocação de comprimentos de onda Rajada Óptica Toxc Tproc Tempo Pedido de reserva De recurso Liberação de Recursos 19

20 Paradigmas de Comutação Óptica 4. Comutação Híbrida OCS/OBS Redes clientes 1 Chegada de fluxo Fluxo Longo 2 Escolha de um Paradigma (OCS ou OBS) Fluxo curto Redes clientes Redes clientes Tráfego de longa duração Tráfego de curta duração ENUCOMP

21 Problema RWA Routing and Wavelength Assignment (RWA) Roteamento Definir uma rota entre um nó origem e um nó destino Alocação de comprimento de onda Definir um comprimento de onda a ser utilizado para o envio dos dados Objetivo da solução RWA: Minimizar a probabilidade de bloqueio de futuros circuitos e rajadas ópticas ENUCOMP

22 Redes Ópticas Transparentes Envio de dados do nó 1 para o nó 4 Wavelength continuity constraint Não existe comprimento de onda livre com continuidade!!! O envio dos dados do par (1,4) será bloqueado. ENUCOMP

23 Conversão de comprimento de onda pode ser superada com o uso de Wavelength Converters WCs Converte um comprimento de onda de entrada para um outro comprimento de onda de saída Apesar dos avanços da tecnologia de WCs, seus custos ainda são altos. Uso dos WCs deve ser feitos de forma limitada Posicionamento de WCs ENUCOMP

24 Considere uma topologia de 6 nós interconectados por fibra óptica OXC 1 OXC 3 OXC 5 OXC 4 OXC 2 OXC 6 ENUCOMP

25 Problema RWA Paradigma OCS ENUCOMP

26 Problema RWA Paradigma OCS ENUCOMP

27 Problema RWA Paradigma OCS ENUCOMP

28 Problema RWA Paradigma OCS ENUCOMP

29 Problema RWA Paradigma OCS Circuito Estabelecido ENUCOMP

30 Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI Algoritmo de roteamento: MMR - Melhor entre as Menores Rotas Desempenho de todas as 144 combinações de menores caminhos para a topologia A6NET Estão destacados o desempenho das combinações encontradas pelos algoritmos de Dijkstra (DJK), RRT e MMR. Probabilidade de Bloqueio 0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, Carga de Tráfego em Erlangs DJK RRT MMR ENUCOMP

31 Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI Algoritmo de roteamento: MMRDS a) Com conversão total de comprimento de onda b) Sem conversão de comprimento de onda ENUCOMP

32 Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI AVOIDANCE OF BLOCKING PER OUTDATED INFORMATION (ABOI) Blocking)Probability) 0.35" 0.3" 0.25" 0.2" 0.15" 0.1" 0.05" 0" 156" 166" 176" 186" 196" Network)Load)(Erlangs)) Without"ABOI" ABOI"6"2"Resends" ABOI"6"1"Resend" ABOI"6"3"Resends" ENUCOMP

33 Limitação de Camada Física O aumento das taxas de transmissões e o tamanho dos enlaces tende a agravar a degradação ao sinal devido os efeitos de camada física. A Qualidade da Transmissão (QoT) pode ser avaliada no nó destino de um circuito através de: Taxa de Erro de Bit (BER Bit Error Rate); Relação Sinal Ruído Óptica (OSNR Optical Signal to Noise Ratio). Desafios para rede ópticas transparentes ENUCOMP 2013

34 BER Bit Error Rate OSNR Optical Signal Noise Ratio BER = Número de bits errados Número de bits transmitidos Exemplo: BER = 3x10-9 significa que ocorrem 3 erros de bit para cada 1 bilhão de bits transmitidos OSNR = Potência do sinal Potência do ruído Exemplo: Potência de sinal igual 2,16 dbm e potência de ruído igual -13,4 dbm, então o OSNR = 15,56. OSNR = 15,56 db corresponde ao BER = ENUCOMP 2013

35 Efeitos de Camada Física Os efeitos de camada física podem ser classificados em: Efeitos lineares: são independentes da potência do sinal e afetam cada canal óptico individualmente; Efeitos não lineares: são dependentes da potência do sinal, afetam individualmente cada canal óptico e também causam distúrbios e interferências entre eles. ENUCOMP

36 Efeitos de Camada Física Importantes efeitos lineares: Attenuation (α); Insertion Loss (IL); Polarization Mode Dispersion (PMD); Amplified Spontaneous Emission (ASE); Crosstalk (XT); Chromatic Dispersion (CD). ENUCOMP

37 Efeitos de Camada Física Importantes efeitos não lineares: Self-Phase Modulation (SPM); Cross-Phase Modulation (XPM); Four-Wave Mixing (FWM); Stimulated Raman Scattering (SRS); Stimulated Brillouin Scattering (SBS). ENUCOMP

38 Efeitos de Camada Física Atenuação É a perda da intensidade luminosa ao longo da fibra Causada pelo próprio material da fibra, por eventuais emendas, físicas ou mecânicas, existentes e curvatura da fibra; A atenuação α das fibras SMF (Single- Mode Fiber) é cerca de 0,2 db/km; ENUCOMP

39 Efeitos de Camada Física Crosstalk Origina-se do vazamento de potência de sinal nos OXCs, ou na fase de demultiplexação ou no interior da matriz de comutação. Três tipos: Co-wavelength crosstalk; Self wavelength crosstalk; Neighbor-port wavelength crosstalk. ENUCOMP

40 Efeitos de Camada Física Co-wavelength crosstalk 1 3 Potência de sinal que vazou 1 λ 1 Nó 1 λ λ λ 1 λ 1 λ ENUCOMP

41 Efeitos de Camada Física Self wavelength crosstalk Nó 1 λ λ 1 λ 1 λ λ λ ENUCOMP

42 Efeitos de Camada Física Neighbor-port wavelength crosstalk λ 1 Nó 1 λ 1 λ λ λ 1 λ 2 λ 1 λ 2 λ ENUCOMP

43 Efeitos de Camada Física Four Wave Mixing ENUCOMP

44 Necessidades de Algoritmos RWA-IA Um circuito pode ser estabelecido sem QoT aceitável RWA-IA = RWA ciente de camada física ENUCOMP

45 Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI Balancing of Usage Frequency by Node (BUFN) ENUCOMP

46 Rede Óptica Translúcida C 1 = Custo induzido pelo número de portas elétricas / ópticas Transparência é rentável Rede Translúcida Ideal Transparência não é economicamente viável C 2 = Custo induzido pela compensação de deficiência física C 1 + C 2 C 1 C 2 Opaca Transparente ENUCOMP

47 Rede Óptica Translúcida Necessário regenerar o sinal; A regeneração eletrônica é atualmente a técnica mais econômica e confiável. 18 Comunicação Transparente Comunicação Translúcida Nó transparente Nó OEO ENUCOMP

48 Rede Óptica Translúcida Desafios Como posicionar os regeneradores? Quando regenerar um sinal? Regenerar o sinal em todos os nós regeneradores pode ser um desperdício de recursos O Regenerador é um recurso limitado Necessidade de algoritmos para alocação de regeneradores ENUCOMP

49 Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI Alocação de regeneradores 0.2 Probabilidade de bloqueio Sigma 0 Sigma 0.5 Sigma 1 Sigma 1.5 Sigma 2 Sigma 2.5 Sigma 3 Sigma 3.5 Sigma 4 Sigma 4.5 Sigma Carga na rede ENUCOMP

50 Desafios das próximas gerações de Redes Ópticas de Transporte ENUCOMP 2013

51 Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC Mestrado em Ciência da Computação ENUCOMP 2013

52 Objetivos do Curso/Perfil do profissional a ser formado: Pretende formar pessoal qualificado, capaz de atuar em instituições de ensino superior (terceiro grau), realizar pesquisa e desenvolvimento científico e tecnológico na área de computação. Primeira Turma em 2012 Primeiras defesas ocorrerão em 2014 Atualmente estamos selecionando turma

53 Linhas de Pesquisa Sistemas de Computação Projeto de hardware, Visão computacional, Redes de computadores Engenharia de software. Computação Aplicada Inteligência computacional, Otimização sistemas robóticos. 53

54 Professores do Mestrado Sistemas de Computação André Castelo Branco Soares (Coordenador) Ivan Saraiva Silva (Sub-Coordenador) Kelson Rômulo Teixeira Aires Pedro de Alcântara dos Santos Neto Raimundo Santos Moura Computação Aplicada André Macedo Santana Erick Baptista Passos João Xavier da Cruz Neto Jurandir de Oliveira Lopes Paulo Sergio Marques dos Santos Ricardo de Andrade Lira Rabêlo Vinícius Ponte Machado 54

55 Alguns Números do PPGCC 25 artigos publicados em 2012 em eventos nacionais e internacionais 2 Professores Bolsistas do CNPq Edital CT-INFRA FINEP Construção de um novo prédio para PPGCC Cooperação com outras universidades: UnB, UFRN, UFPE, UFC, UFRGS, UFBA Projetos de pesquisa com financiamento: CNPq, FAPEPI ENUCOMP

56 Infra-estrutura Sala de Estudo exclusiva para alunos de mestrado Sala de vídeo conferência Sala de aula 5 Laboratórios temáticos: CESLA Lab. de Circuitos e Sistemas Embarcados DISNEL Lab. de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos EASII Lab. de Engenharia de Software e Informática Industrial LabInC Lab. de Inteligência Computacional RAPOZA - Lab. de Robótica Aplicada, Pesquisa Operacional e Otimização 56

57 Visão Macro Processo Seletivo 3 disciplinas (2 obg.) Revisão da literatura Amadurecimento do projeto* 3 disciplinas Estágio docente Submissão de artigos para conf./revistas Exame de qualificação Aceite para publicação do artigo Defesa da dissertação 1º ano (2012) 2º ano

58 Processo Seletivo e informações Utiliza POSCOMP + Pré- Projeto + Currículo ppgcc@ufpi.edu.br Interessados podem contactar antecipadamente seus futuro orientadores 58

59 Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC Mestrado em Ciência da Computação ENUCOMP 2013