GERENCIAMENTO DINÂMICO DA QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES COMUTADAS POR RAJADAS ÓPTICAS BASEADAS NO GMPLS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA GERENCIAMENTO DINÂMICO DA QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES COMUTADAS POR RAJADAS ÓPTICAS BASEADAS NO GMPLS FERNANDO NAZARENO NASCIMENTO FARIAS UFPA CT - PPGEE CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ BELÉM PARÁ BRASIL 2008

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3 ii UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA FERNANDO NAZARENO NASCIMENTO FARIAS GERENCIAMENTO DINÂMICO DA QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES COMUTADAS POR RAJADAS ÓPTICAS BASEADAS NO GMPLS Dissertação submetida à Banca Examinadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará como requisito parcial para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Elétrica com Ênfase em Computação Aplicada UFPA CT - PPGEE CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ BELÉM PARÁ BRASIL 2008

4 iii UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA GERENCIAMENTO DINÂMICO DA QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES COMUTADAS POR RAJADAS ÓPTICAS BASEADAS NO GMPLS AUTOR: FERNANDO NAZARENO NASCIMENTO FARIAS Dissertação submetida à Banca Examinadora do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal da Pará como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Elétrica com ênfase em Computação Aplicada. BANCA EXAMINADORA: Prof. Dr. Antônio Jorge Gomes Abelém (ORIENTADOR - UFPA) Prof. Dr. Alexandre Sztajnberg (MEMBRO - UERJ) Prof. Dr. João Crisóstomo Weyl Albuquerque Costa (MEMBRO - UFPA) VISTO: Prof. Dr. Evaldo Gonçalves Pelaes (COORDENADOR DO PPGEE/CT/UFPA) UFPA CT PPGEE CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ BELÉM PARÁ BRASIL 2008

5 i v iv Dedico esta dissertação ao meu Pai e minha Mãe pelo carinho, amor e dedicação, esta vitória é reflexo de seus esforços.

6 v v AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus por todas as vitórias em minha vida, e em especial a esta, pois o Senhor guia o meu caminho no melhor trajeto possível rumo a superação todas as dificuldades apresentadas. Agradeço também, ao meu Pai pela lição de vida deixada, por todos os ensinamentos, amor e carinho, que me tornaram a pessoa que sou hoje. Pai! Onde quer que o Senhor esteja essa vitória é nossa. Também minha Mãe querida que me aturou por todo esse tempo, dedicando seu amor e compreensão, principalmente, quando estava de mau humor por causa desse dissertação. Logo, aproveito para agradeço a toda a minha família: Flávio, Bruna, Flávia e o pequeno Gabriel. Vocês foram essenciais na minha para que eu pudesse crescer nos meus estudos, na minha vida profissional e como ser humano. Agradeço de forma carinhosa a uma pessoa muito especial na minha vida, a qual amo bastante e que me ajudou muito durante esse período. Lis! Obrigado pelo seu amor, carinho e compreensão nas horas difíceis em que tivemos abdicar de alguns momentos juntos, para que eu pudesse concluir os estudos no Mestrado e também esta dissertação. Agradeço ao meu orientador Antônio J. G. Abelém, por ter acreditado em mim e me dado essa oportunidade. Professor! Obrigado por todos os ensinamentos passados dentro e fora da sala de aula. Suas orientações me ajudaram a crescer muito profissionalmente e pessoalmente. Agradeço ao grupo de redes ópticas do GERCOM em especial ao meu amigo Rafael P. Esteves, pelas horas de discussão durante a elaboração desse trabalho onde conseguíamos tirar nossas dúvidas e aprender bastante. Sua ajuda e competência foram essenciais para finalização deste trabalho. Também a minha amiga Decíola pela experiência profissional e pelas horas dedicadas a este e outros trabalhos. No entanto, também a agradeço a todos os outros membros do GERCOM: Waldir, Vagner, Gabriel, Elisângela, Caroline, Klenilmar e Andrea. Que contribuíram direto, e indiretamente neste trabalho, através de nossas discussões no laboratório do GERCOM. Agradeço também a RNP/Funtel através do projeto CARAVELA pelo apoio financeiro oferecido. Por fim, agradeço a todos que torceram por esta vitória, MUITO OBRIGADO!

7 v i vi Primeiro eles o ignoram. Depois, riem de você. Chega um ponto em que lutam contra você. Até o dia em que você vence (Gandhi)

8 v i vii SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... IX LISTA DE TABELAS... X LISTA DE SIGLAS... XI RESUMO... XIII ABSTRACT... XIV INTRODUÇÃO REDES ÓPTICAS COM QUALIDADE DE SERVIÇO OBJETIVOS ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO... 6 REDES ÓPTICAS OBS BASEADAS NO GMPLS EVOLUÇÕES DAS REDES ÓPTICAS WDM COMUTAÇÃO PURAMENTE ÓPTICA Comutação de Circuitos Ópticos Comutação de Pacotes Ópticos Comutação de Rajadas Óptica ARQUITETURA DE REDE DE RAJADAS ÓPTICAS Construção da rajada Sinalização Escalonamento de Rajada REDE DE RAJADAS ÓPTICAS ROTULADAS Arquitetura de Comutação de Rótulos Componentes Label Edge Router LER Label Switch Router LSR Forwarding Equivalency Class FEC Label Label Distribution Protocol LDP Exemplo de Funcionamento GMPLS Redes Ópticas OBS Rotuladas CONSIDERAÇÕES FINAIS QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES DE RAJADAS ÓPTICAS MODELOS DE QOS EM REDES DE RAJADAS ÓPTICAS QoS Relativa QoS Absoluta TRABALHOS RELACIONADOS CONSIDERAÇÕES FINAIS ARQUITETURA DE GERENCIAMENTO DINÂMICO DE QOS ARQUITETURA DQM Objeto Métricas Objeto Políticas Objeto Agente... 56

9 v i viii 4.2 AGENTE DQM ADEQUAÇÕES DA ARQUITETURA OBS CONSIDERAÇÕES FINAIS SIMULAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS FERRAMENTA DE SIMULAÇÃO CENÁRIO DA SIMULAÇÃO ANÁLISES DOS RESULTADOS CONSIDERAÇÕES FINAIS CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS CONCLUSÕES GERAIS TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 84

10 i x ix LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1: SISTEMA WDM FIGURA 2.2: OADM (A) E OXC (B) BASEADOS NA TECNOLOGIA MEMS [26] FIGURA 2.3: EVOLUÇÃO DAS REDES ÓPTICAS WDM [18] FIGURA 2.4: EVOLUÇÃO DAS METODOLOGIAS DE TRANSPORTE PURAMENTE ÓPTICA FIGURA 2.5. COMUTAÇÃO DE LAMBDAS [28] FIGURA 2.6: COMUTAÇÃO DE PACOTES ÓPTICOS [31] FIGURA 2.7: COMUTAÇÃO DE RAJADAS ÓPTICAS [31] FIGURA 2.8: ARQUITETURA DE UMA REDE OBS FIGURA 2.9: RESPONSABILIDADES DOS NÓS DE INGRESSO, NÚCLEO E EGRESSO FIGURA 2.10: SINALIZAÇÃO TAG FIGURA 2.11: SINALIZAÇÃO TAW FIGURA 2.12: SINALIZAÇÃO JET FIGURA 2.13: FUNCIONAMENTO DO LAUC-VF FIGURA 2.14: RÓTULO MPLS FIGURA 2.15: CAMINHO COMUTADO POR RÓTULOS (LSP), LER E LSR FIGURA 2.16: FUNCIONAMENTO DE UMA REDE MPLS FIGURA 2.17: ESTABELECIMENTO DE UM LSP EM GMPLS [44] FIGURA 4.1: VISÃO GERAL DA ARQUITETURA DQM FIGURA 4.2: AGENTES DQMA FIGURA 4.3: INFORMAÇÕES E AÇÕES UTILIZADAS PELO AGENTE DQM DE NÚCLEO FIGURA 4.4: INFORMAÇÕES E AÇÕES UTILIZADAS PELO AGENTE DQM DE BORDA FIGURA 4.5: FUNCIONAMENTO DO DQMA QUANDO O BCP É RECEBIDO FIGURA 4.6: FUNCIONAMENTO DO DQMA QUANDO RECEBE UM ALARME FIGURA 4.7. ADAPTAÇÕES NA MENSAGEM BCP FIGURA 5.1: FUNCIONAMENTO DO AGENTE LOBS [11] FIGURA 5.2: ESTRUTURA DO AGENTE LOBS NO NS FIGURA 5.3: NOVA ESTRUTURA DO NÓ LOBS INTEGRADO COM AGENTE DQMA FIGURA 5.4: TOPOLOGIA UTILIZADA NAS SIMULAÇÕES FIGURA 5.5: RESULTADOS POR CLASSES DE FLUXOS FIGURA 5.6: RESULTADOS POR CLASSE DE SERVIÇO

11 x x LISTA DE TABELAS TABELA 2.1. COMPARAÇÃO ENTRE OS PARADIGMAS DE COMUTAÇÃO ÓPTICA TABELA 2.2. EXEMPLO DE LIB TABELA 2.3. TIPOS DE REPRESENTAÇÃO DE RÓTULOS UTILIZADOS PELO GMPLS TABELA 2.4. PROTOCOLOS DO GMPLS TABELA 3.1: RESUMO DOS TRABALHOS RELACIONADOS TABELA 4.1. EXEMPLO DAS POLÍTICAS OU QCLS TABELA 4.2. INFORMAÇÕES DE MÉTRICAS ARMAZENADAS NO DQMA (EXEMPLO) TABELA 4.3. INFORMAÇÕES DE ROTAS ALTERNATIVAS PARA CLASSE DE RAJADAS (EXEMPLO) TABELA 5.1. PARTICIPAÇÃO NO TRÁFEGO POR CLASSE DE RAJADAS EM CADA CENÁRIO.. 70 TABELA 5.2. ROTAS REAIS E AS ALTERNATIVAS PARA CADA CLASSE DE SERVIÇO UTILIZADA PELO DQMA TABELA 5.3. CONTEXTOS UTILIZADOS POR CADA CLASSE DE SERVIÇO... 72

12 xi LISTA DE SIGLAS IP Internel Protocol OPS Optical Packet Switching OBS Optical Burst Switching VoIP Voice over IP RNP Rede Nacional de Pesquisa WDM Wavelength Division Multiplexing QoS Quality of Service MPLS Multiprotocol Label Switching GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching EF Expedited Forwarding AF Assured Forwarding BE Best Effort JET Just Enough Time QOPS Quality Optical Packet Switching NS-2 Network Simulator 2 DQM Dynamic QoS Management FDM Frequency Division Multiplexer ATM Asynchronous Transfer Mode SDH Synchronous Digital Hierarchy SONET Synchronous optical networking CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing MAN Metropolitan Area Network WAN Wide Area Network WSXC Wavelength Seletive Crossconnect OXC Optical Cross Connect WADM Wavelength Add/Drop Multiplexer OADM Optical Add/Drop Multiplexer MEMS Micro Electro-Mechanical Systems RWA Routing Wavelength Assignment FDL Fibre Delay Line SLE Static Lightpath Establishment DLE Dynamic Lightpath Establishment NGN Next Generation Network BHP Burst Header Packets BCP Burst Control Packet SCU Switch Control Unit BDP Busrt Data Packet TAG Tell-And-Go TAW Tell-And-Wait JIT Just-In-Time

13 x i xii LAUC-VF OSPF OSPF-TE RSVP-TE CR-LDP IETF LDP RSVP LER LSR FEC TTL DSCP DIFFSERV PHB VPN LSP LIB PSC LSC FSC ISIS-TE LMP TE LOBS INTSERV QCL DQMA CBR Latest Available Unscheduled Channel with Void Filling Open Shortest Path First Open Shortest Path First with Traffic Engineering Resource ReSerVation Protocol with Traffic Engineering Constraint-based Routing Label Distribution Protocol Internet Engineering Task Force Label Distribution Protocol Resource ReSerVation Protocol Label Edge Router Label Switching Router Forwarding Equivalency Class Time to Live Diffserv Code Point Differentiated Services Per-Hop Behaviors Vitrtual Private Network Label Switching Path Label Information Base Packet Switch Capable Lambda Switch Capable Fiber Switch Capable Intermediate System to Intermediate System with Traffic Engineering Link Management Protocol Traffic Engineering Labeled Optical Brust Switching Integrated Services QoS Control List Dynamic QoS Management Agent Constant Bit Rate

14 xiii RESUMO Este trabalho apresenta uma proposta de gerenciamento dinâmico de Qualidade de Serviço (QoS) em redes ópticas baseadas no paradigma de comutação de rajadas ópticas (OBS), com plano de controle utilizando GMPLS. Agentes de monitoração são utilizados para verificar a qualidade de serviço oferecida às classes de rajadas e executar mecanismos reativos para garantir níveis absolutos de desempenho e, através da engenharia de tráfego do GMPLS, oferecer recursos ociosos a fluxos cujo nível de serviço não esteja sendo obedecido. Resultados de simulação mostram que a proposta é capaz de reduzir a probabilidade bloqueio de fluxos de rajadas na ocorrência de quebras de contexto. PALAVRAS CHAVE: Redes de Rajadas Ópticas, Qualidade de Serviço, Redes Ópticas WDM, GMPLS.

15 x i xiv ABSTRACT This work presents a proposal to dynamically control the Quality of Service (QoS) in optical networks based on optical burst switching (OBS) which use a GMPLS control plane. Monitoring agents are used to verify the quality of service experienced by the burst classes and to deploy reactive mechanisms in order to guarantee absolute performance levels and, through GMPLS traffic engineering, offer idle resources to traffic flows whose service level is not being achieved. Simulation results show that the proposal can minimize the blocking probability when there are violations of burst flows parameters. KEYWORDS: Optical Burst Network, Quality of Service, WDM Optical Network, GMPLS.

16 1 Capítulo 1 INTRODUÇÃO Com o crescimento do uso da Internet, a partir da década de 90, novas aplicações surgiram na rede mundial de computadores para os mais diversos fins. Algumas tiveram que se adaptar ao contexto de comutação de pacotes, tais como, telefonia IP (VoIP), vídeo sob-demanda e vídeo conferência. Isso impulsionou uma corrida por tecnologias que pudessem oferecer redes capazes de satisfazer os requisitos impostos por essas aplicações [1]. Dentre essas novas tecnologias, destaca-se o sistema de comunicação óptica baseado na multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM - Wavelength Division Multiplexing), que atualmente está implantado em várias redes de comunicação do mundo, destacando-se: rede da RNP [2], Internet2 Network [3] e IIJ Network [4]. Oferecendo redes ópticas de comunicação de dados com enlaces de capacidade de transmissão na ordem de dezenas de gigabits por segundo. Neste capítulo é apresentada uma breve introdução sobre as redes ópticas, sua evolução e a preocupação de como oferecer qualidade de serviço a esse tipo de rede. Na Seção 1.2 são descritos os objetivos desta dissertação, bem como as contribuições oferecidas. Por fim, encerrando o capítulo, a Seção 1.3 contém uma breve apresentação das demais seções e a forma de como estas estão da organizadas nesta dissertação.

17 2 1.1 REDES ÓPTICAS COM QUALIDADE DE SERVIÇO As novas aplicações em redes de backbones ópticos de telecomunicação são em grande parte formada principalmente por aplicações multimídia, onde tais aplicações são sensíveis ao comportamento da rede, como atraso, variação do atraso e probabilidade de bloqueio. Portanto, existe a necessidade de se oferecer garantias a esse serviço, ou seja, um contrato de garantia de recursos de rede necessários para um bom desempenho da aplicação. Isso acontece principalmente devido ao fato de não se poder garantir que essa expansão na capacidade da rede será suficiente para satisfazer ao crescimento do tráfego tanto em médio prazo quanto em longo prazo. Essas técnicas de gerenciamento de desempenho são comumente denominadas de Qualidade de Serviço (QoS), que é uma forma de adaptar determinadas aplicações a perfis de garantias, onde um desses perfis oferecerá as exigências necessárias da aplicação para que a mesma tenha uma boa performance [5]. Com o objetivo de otimizar o desempenho nas redes ópticas, no que diz respeito ao transporte de dados, houve a necessidade de se minimizar as desvantagens da comutação eletrônica, tais como a conversão do sinal no domínio óptico para o domínio eletrônico e vice-versa. Diversos estudos foram desenvolvidos permitindo que os dados fossem transmitidos no domínio puramente óptico resultando em uma comutação puramente óptica. Estes estudos resultaram basicamente em três abordagens para comutação puramente óptica: a comutação óptica de circuitos (Optical Circuit Switching OCS) [6], a comutação de pacotes ópticos (Optical Packet Switching OPS) [7] [8] [9] e a comutação de rajadas ópticas (Optical Burst Switching - OBS) [10] [11] [12].

18 3 Dentre os paradigmas citados, a comutação de rajadas ópticas se destaca por ser uma proposta híbrida que busca contornar os problemas apresentados pelos os dois paradigmas como, por exemplo, a falta de escalabilidade, o uso de buffers ópticos e a necessidade de se enviar as informações de controle em conjunto com os dados. Outro fator, que contribui para a escolha do paradigma de comutação OBS é que a mesma é séria candidata para atender à computação em grade (Grid) [13], principalmente por oferecer: Mapeamento nativo entre as rajadas e o Grid Jobs 1 : A granularidade de lagura de banda oferecida pelas redes OBS permite uma eficiente transmissão dos Jobs dos usuários com diferentes perfis. Separação do plano de controle do plano de dados: Permitindo transmissões puramente ópticas e rápidas configurações de caminhos de luz (ligth-paths). Processamento eletrônico dos pacotes de controle de rajadas em cada nó: Esta característica permite a infraestutura de rede, oferecer mais funcionalidades a camadas de protocolos da Grade (por exemplo, a descoberta inteligente de recursos e segurança. Oferecer qualidade de serviço em redes puramente ópticas não é uma tarefa fácil, pois a maioria das propostas de QoS atuais são oferecidas para redes de comutação eletrônica baseando-se principalmente no gerenciamento de buffers eletrônicos, tais como filas de roteadores, onde tal estrutura de armazenamento temporário equivalente para redes puramente ópticas ainda não é viável em termos de complexidade e custo de implementação [14]. 1 Grid Jobs: É um termo utilizado para representar as requisições feitas pelas aplicações por recursos do Grid para a execução de uma determinada operação, como, por exemplo: realizar um processamento de um cálculo matemático, armazenamento de informações ou renderizações de aplicações multimídias.

19 4 A partir daí, vários trabalhos sugiram com o objetivo de aplicar QoS às redes de comutação puramente ópticas. Podemos destacar alguns desses trabalhos como, por exemplo, em [15], onde se tem uma proposta do uso de serviço diferenciado em redes de rajadas ópticas no qual as rajadas são agregações de pacotes pertencentes ao mesmo grupo de classificação (EF, AF e Best offer) e adaptações ao protocolo de reserva de recurso JET (Just Enough Time) [12] foram realizadas para se definir um tempo de ajuste (offset) para cada classe de serviço. Já em [16], tem-se uma proposta de arquitetura experimental de uma rede WDM com velocidade de transmissão de 10Gb/s e baseada na comutação de pacote ópticos com QoS habilitado, chamada de QOPS. A qualidade serviço é gerenciada através de três mecanismos: i) a criação de grupos de comprimento de ondas para cada classe de serviço; ii) a utilização de fibras de delays com objetivo de minimizar a probabilidade de bloqueio; iii) o uso de preempção de pacotes ópticos para que pacotes ópticos de prioridade baixa não intervenham em pacotes de ópticos de prioridade alta. Outra forma de se oferecer essa união, entre as redes de comutação puramente óptica e qualidade de serviço, foi a adoção de um plano de controle inteligente, que é um ponto fundamental em um projeto de redes ópticas, pois o mesmo é responsável pela reserva de recursos, definição de rotas, tratamento e correção de falhas, entre outras funções de gerenciamento. A evolução do plano de controle MPLS (Mulitprotocol Label Switching) [17] para GMPLS (Generalized Mulitprotocol Label Switching) [18] vem sendo considerada a melhor alternativa de plano de controle para redes ópticas em virtude das suas facilidades de integração com o IP, pois o rótulo pode ser representado por um comprimento de onda e, assim, fornecer uma arquitetura mais simples, com inteligência e garantias (QoS, proteção e restauração, monitoração de enlaces, etc.).

20 5 Por fim, algumas classes de serviços podem não está obedecendo as suas características de desempenho necessitando que a rede que se adapte e ofereçá os recursos necessários para que aos requisitos sejam obedecidos. Outro fator é que toda a inteligência e visão da rede estão vinculadas a borda da rede OBS, não se analisando o comportamento que está ocorrendo no seu núcleo e que pode influenciar no desempenho das classes de serviços. Porém, tais protocolos, desta rede OBS, não foram preparados para realizar funções reativas. 1.2 OBJETIVOS O principal objetivo desta dissertação é investigar o gerenciamento dinâmico da qualidade de serviço em redes OBS baseadas no plano de controle GMPLS, propondo uma arquitetura capaz de monitorar em modo absoluto medidas de QoS para cada fluxo de rajadas e em caso de quebra de contexto (valores de máximo ou mínimo de métricas, por ex. atraso, variação do atraso ou probabilidade de bloqueio) de QoS em uma determinada classe de serviço, alertar e executar medidas reativas, utilizando engenharia de tráfego do GMPLS. Para alcançar estes objetivos, são definidos os seguintes alvos que são analisados nesta dissertação: Verificar se a proposta está garantindo os níveis de QoS de forma absoluta para a métrica de probabilidade de bloqueio em cada classe de serviço.. Observar o impacto causado pelo uso da engenharia de tráfego em cada classe de serviço, e também no caso de uma rota determinada explicitamente compartilhar enlaces e comprimento de ondas com outros fluxos.

21 6 Fazer uma comparação entre os resultados obtidos através de simulações em redes OBS rotulada utilizando a arquitetura de gerenciamento dinâmico proposto e sem a utilização da arquitetura de gerenciamento dinâmico. Além disso, as contribuições desenvolvidas e oferecidas por esta dissertação são: Estudo sobre os problemas encontrados de como oferecer qualidade de serviço absoluta a redes OBS baseadas no GMPLS. Desenvolvimento de novas extensões para o simulador de eventos discretos Ns-2 (Network Simulator) [19]. Desenvolvimento de uma arquitetura de gerenciamento dinâmico de QoS para redes OBS rotuladas. 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Além deste capítulo introdutório a dissertação ainda possui mais cinco capítulos. Que tratam sobre assuntos pertinentes a proposta. No capítulo 2, são apresentados os conceitos de redes ópticas WDM observando principalmente a sua evolução para redes puramente ópticas, em especial a comutação de rajadas ópticas, e também a integração desta rede com o plano de controle GMPLS criando uma arquitetura mais leve, barata e inteligente. No capítulo 3 são tratados os modelos de qualidade de serviço às redes de rajadas ópticas, observando quais os tipos de qualidade de serviço podem ser oferecido e os trabalhos relacionados.

22 7 No capítulo 4 é apresentada a proposta de arquitetura para oferecer o um gerenciamento reativo dos perfis de qualidade de serviço oferecidos pela rede OBS, bem como uma descrição de todos os elementos envolvidos na arquitetura DQM. No capítulo 5 são realizadas análises dos resultados obtidos, detalhando-se desde as ferramentas de simulação utilizadas para validar proposta, bem como, os cenários adotados e os testes efetuados para cada classe de serviço em uma determinada topologia. Por fim, no capítulo 6 são apresentadas as conclusões gerais sobre do trabalho e sugeridos de possíveis trabalhos futuros.

23 8 Capítulo 2 REDES ÓPTICAS OBS BASEADAS NO GMPLS As redes ópticas WDM tiveram o seu uso em larga escala principalmente por proporcionar uma ampliação na capacidade de transporte das informações, sem a necessidade de modificação da infra-estrutura física, ou seja, não sendo obrigatória a modificação das fibras utilizadas, ampliação da capacidade da rede de forma transparente, pois os recursos da rede podem ser incrementados adicionando um ou mais comprimentos de onda, e transmissão de sinais de ótima qualidade sem a necessidade de regeneração em distâncias acima de dez quilômetros [20]. Outro fator que contribuiu para esta otimização foi a atualização do transporte de dados em um meio puramente óptico, utilizando a comutação por rajadas ópticas. Por fim, a integração de um plano de controle inteligente, como GMPLS, possibilitando a melhor união entre o WDM/OBS diretamente com IP e a introdução de QoS. Neste capítulo, são apresentadas as partes integrantes de uma rede óptica OBS baseada no GMPLS. Na Seção 2.1, são apresentadas as características do WDM e a evolução das redes ópticas WDM. Na Seção 2.2, abordam-se os paradigmas de transporte de dados no domínio puramente óptico, resultando na comutação puramente

24 9 óptica. Na Seção 2.3, temos uma descrição dos componentes utilizados para formar uma arquitetura de rede de rajadas ópticas. Na Seção 2.4, expõe-se a integração da rede OBS com o plano de controle GMPLS. Por fim, na Seção 2.5, as considerações finais. 2.1 EVOLUÇÕES DAS REDES ÓPTICAS WDM As redes de comunicação ópticas baseadas na multiplexação por comprimento de onda oferecem enormes capacidades de transmissão solucionando alguns problemas das redes de próxima geração [21]. O WDM é uma espécie de multiplexação por divisão de freqüência (FDM Frequency Division Multiplexer) no domínio óptico, que permite que vários comprimentos de onda (Cores de Luz) sejam transmitidos sobre uma única fibra, Basicamente, um sistema de transmissão WDM é composto de três componentes: o transmissor óptico 2 WDM (multiplexador), o meio de transmissão (fibra óptica) e o receptor óptico WDM (demultiplexador), como ilustrado na figura 2.1. Multiplexador WDM Demultiplexador WDM λ4 λ3 λ2 λ1 Fibra óptica λ4 λ3 λ2 λ1 Comprimento de Onda Figura 2.1: Sistema WDM. 2 Transmissor Óptico, neste caso, referece-se ao conjunto completo de dispositivos utilizados para o envio do sinal óptico WDM pelo meio de transmissão. O mesmo conceito pode ser utilizado para Receptor Óptico.

25 10 O transmissor óptico é responsável por multiplexar os canais de entrada representados por uma cor de comprimento de onda e injetá-los em uma única fibra, podendo ser dos mais variados tipos: ATM, SDH/SONET ou IP. Já o receptor óptico tem a função inversa do transmissor, ou seja, a função de demultiplexador, que redireciona os comprimentos de onda ao seu respectivo canal de saída. Os modos de sistemas WDM podem ser classificados de acordo com número de comprimentos de onda utilizados, espaçamentos entre as ondas ou até a distância que o sinal pode percorrer sem a necessidade de regeneração, podendo ser de duas formas: modo esparso WDM (Coarse WDM CWDM) ou modo denso WDM (Dense WDM DWDM). O sistema CWDM é uma modalidade de WDM com baixa densidade. Nesta técnica, a informação é agrupada entre 16 e 20 canais, variando nas janelas de 1310 nm (nanometers) a 1610 nm, onde a distância entre os canais é em torno de 20 nm a 22nm [22]. Isso faz com que o sistema CWDM seja a tecnologia WDM preferida para redes metropolitanas (MAN Metropolitan Area Network), devido a seu custo acessível [22] e a distância alcançada. Já os sistemas DWDM podem combinar algo em torno de 100 canais em uma única fibra. No entanto, podemos encontrar em testbed, sistemas DWDM capazes de multiplexar mais de 300 comprimentos de onda [23]. O espaçamento entre os canais pode ser de 1.6 nm, 0,8 nm, 0,4 nm e podendo chegar a 0,2 nm. Os sistemas DWDM utilizam comprimentos de onda entre aproximadamente 1500 nm e 1600 nm e apresentam alta capacidade de transmissão por canal (10 Gbps) podendo alcançar acima de 1 Tb/s na transmissão de dados sobre uma fibra óptica [23]. A pesquisa e o desenvolvimento em redes ópticas WDM tem amadurecido consideravelmente com o passar das décadas, oferecendo redes com capacidade de

26 11 transmissão cada vez maior. Em [20], observa-se esse evolução caracterizada em três gerações de redes ópticas WDM. A primeira geração de redes ópticas WDM é formada principalmente por enlaces físicos ponto-a-ponto utilizados apenas em ligações WAN (World Area Network). Essas redes WDM são configuradas estaticamente (por ex: determinação de transmissão de um canal somente por um comprimento de onda λ) ou o uso de modificação manual (a utilização de intervenção humana para o gerenciamento da rede). As principais questões desta geração de redes WDM incluíam criação e desenvolvimento de lasers e amplificadores WDM, roteamento estático de comprimentos de onda e protocolos de acesso ao meio. Esta primeira evolução é marcada ainda por uma forte integração entre o meio eletrônico e o meio óptico, ou seja, a necessidade de conversão de dado do domínio óptico para o domínio eletrônico também conhecido como conversão O-E-O (optical-eletro-optical), como conseqüência desta integração temos canais com baixas taxas de transmissão. A segunda geração foi marcada principalmente pelo fato de oferecer transmissão de dados sem a necessidade de conversões O-E-O, na tentativa de apresentar uma comutação puramente óptica. Esta geração já é capaz de estabelecer caminhos de luz (ligthpaths) fim-a-fim orientado a conexão na camada óptica. Esta evolução se deu principalmente pela introdução de WSXC (Wavelength Seletive Crossconnect) ou mais conhecido também OXC (Optical Cross Connect) [24] [25] e também pelos WADM (Wavelength Add/Drop Multiplexer) ou OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) [26] [27]. A tecnologia mais recente empregada na construção de uma matriz de comutação óptica é denominada MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Com esta tecnologia, é possível fabricar, em larga escala, fileiras uni-dimensionais e bi-dimensionais de minúsculos espelhos, cujas orientações podem ser mudadas rápida e precisamente por

27 12 sinais elétricos. Os componentes utilizados para construção de comutadores ópticos com número elevado de portas (OADMs e OXCs) [28] são apresentados na Figura 2.2. Figura 2.2: OADM (a) e OXC (b) baseados na tecnologia MEMS [28] Com a chegada desses novos dispositivos, possibilitou-se a criação de novas topologias, como: a topologia em malha e a topologia em anel. As principais questões dessa geração incluem: a introdução de OADM e OXC, dispositivos em redes ópticas WDM, conversão de comprimentos de onda em dispositivos OXC e RWA (Routing Wavelength Assignment) dinâmicos. Por fim, a terceira geração oferece redes de comutação de pacotes ópticos, sendo que tais informações de controle são enviadas em cabeçalhos ou rótulos ópticos, podendo ser anexados ou não ao pacote e processado em cada switch óptico WDM. A utilização de rajadas ou pacotes ópticos em redes puramente ópticas ainda está sob pesquisa. Outro elemento importante para esse geração foi a adição de dispositivos de fibras de atraso (FDL Fibre Delay Line) [29], com objetivo de minimizar contenção de pacote óptico por falta de comprimentos de onda ou outros recursos de rede. As

28 13 FDLs são uma espécie de buffers ópticos capazes de introduzir atraso à chegada dos sinais ópticos. Um resumo das três gerações é ilustrado na Figura 2.3. Figura 2.3: Evolução das Redes Ópticas WDM [20] Com a introdução da comutação puramente óptica, a partir da segunda geração de redes ópticas WDM, novos paradigmas surgiram com o objetivo de oferecer comutação na camada óptica. Na Figura 2.3, observam-se esses paradigmas, destacamse: optical circuit switching (comutação de circuitos ópticos), optical packet switching (comutação de pacotes ópticos) e optical burst switching (comutação de rajadas ópticas). 2.2 COMUTAÇÃO PURAMENTE ÓPTICA A evolução das redes ópticas WDM com conversões eletrônicas para as redes WDM com comutação puramente óptica (e com isso o tratamento das informações na camada óptica) trouxe um grande avanço para as redes ópticas WDM, permitindo que

29 14 novos paradigmas de comutação puramente óptica fossem desenvolvidos com o objetivo de aproveitar melhor as potencialidades da tecnologia WDM e das fibras ópticas, principalmente no que se refere às taxas transmissão. Cada sistema de transmissão óptica tem o potencial teórico de prover taxas de 50 Tb/s em uma única fibra. Desde então, diferentes metodologias de transporte óptico foram criadas visando à melhor integração do transporte de dados no domínio puramente óptico. A Figura 2.4 ilustra essa evolução. Figura 2.4: Evolução das metodologias de transporte puramente óptica. Como apresentado na seção anterior e ilustrado na Figura 2.4, as principais metodologias de comutação puramente óptica são: OCS, OPS e OBS Comutação de Circuitos Ópticos A rede de comutação de circuitos ópticos, ou também conhecida como redes de comutação de lambdas, tem o seu funcionamento semelhante a uma rede de comutação de circuitos eletrônica, onde no domínio óptico o circuito estabelecido entre dois hosts

30 15 são conhecidos como lightpaths e, para cada circuito óptico, temos um ou mais comprimentos de onda (λ) dedicados, como apresentado na Figura 2.5. Figura 2.5. Comutação de Lambdas [30] O problema da escolha de rotas e da atribuição de comprimento de onda é conhecido da literatura como problema RWA (Routing Wavelength Assignment) [31] [32]. O estabelecimento de lightpaths pode ser feito de duas maneiras: estática (SLE Static Lightpath Establishment) ou dinâmica (DLE Dynamic Lightpath Establishment). No modo SLE, os conjuntos de conexões já são conhecidos previamente, ou seja, já existe um circuito óptico pré-estabelecido e com comprimento de onda dedicado para aquela conexão. O problema do SLE é como configurar novos circuitos para essas conexões quando os recursos de rede estiverem insuficientes, por exemplo, comprimento de onda. Por outro lado, no modo DLE, para cada conexão recebida é estabelecido um ligthpath dinamicamente e após um intervalo de tempo o circuito é extinto. O problema do DLE é a má utilização dos recursos da rede, pois mesmo que não haja dado a ser transmitido, o circuito óptico continua ativo impedindo o estabelecimento de novos circuitos e aumentando o nível de probabilidade de bloqueio para futuras conexões.

31 16 Por fim, a comutação OCS é a solução utilizada comercialmente nos principais dispositivos de redes de backbones ópticos WDM Comutação de Pacotes Ópticos As redes de comutação de pacotes ópticos é umas das principais tecnologias de transporte nas redes ópticas de próxima geração (Next Generation Network NGN). A idéia por trás desta solução é criar um ambiente semelhante às redes de pacotes eletrônicas, só que no domínio puramente óptico. Nas redes comutação OPS os pacotes são transmitidos e roteados baseados nas informações de controle inseridas no cabeçalho do pacote (header), onde tanto o cabeçalho como o pacote são transmitidos juntos, como pode ser observado na Figura 2.6. Figura 2.6: Comutação de pacotes ópticos [33]. Quando o pacote óptico chega ao OXC, o cabeçalho é processado eletronicamente e a transmissão do sinal para o próximo salto é retardada por um período suficiente para que esse cabeçalho seja processado e os recursos (comprimento de onda, decisão da porta de saída, configuração dos espelhos e etc) sejam alocados.

32 17 Pelo fato de não existir tecnologia de armazenamento óptico, também conhecido como buffers ópticos, são utilizadas para esse papel fibras de retardos (Fiber Delay Lines FDL), cujo objetivo é fazer com que o sinal percorra distâncias adicionais e assim gerar o atraso necessário. Após estes procedimentos, o pacote é enviado para o próximo nó e novos cabeçalhos são escritos. Se não houver os recursos para a transmissão do pacote o mesmo será rejeitado Comutação de Rajadas Óptica Para contornar as desvantagens apresentadas pelos modelos de comutação citados anteriormente (OCS e OPS), uma nova abordagem chamada de comutação de rajadas ópticas (OBS) foi proposta [34]. A comutação de rajadas ópticas é considerada um modelo híbrido, que associa características do modelo OCS e do modelo OPS. Na comutação OBS, os pacotes e os dados de controle BHP (Burst Header Packets) ou BCP (Burst Control Packet) são transmitidos separadamente em canais distintos sem a necessidade do uso de FDLs, como ilustrado na Figura 2.7. Figura 2.7: Comutação de rajadas ópticas [33].

33 18 Os pacotes OBS, também conhecidos com rajadas, são criados na borda da rede a partir de agregações de múltiplos pacotes IP que possuem o mesmo destino. O tamanho da rajada pode ser determinado por um valor específico e fixo ou por um intervalo de tempo. Uma vez criada a rajada, o BCP é enviado para reservar os recursos que serão utilizados para a transmissão da rajada. Neste caso, existe um tempo de ajuste chamado de offset, que é um intervalo de tempo estimado para que seja feita a alocação dos recursos. Após esse período, a rajada de dados é enviada sem que haja qualquer confirmação de que os recursos necessários foram alocados corretamente. Na tabela 2.1, observa-se uma comparação entre os três paradigmas nos seguintes parâmetros: latência utilizada para reserva de recurso, utilização da largura de banda, velocidade da comutação requerida, overhead de processamento, sincronização e adaptação do tráfego. Paradigma de comutação Utilização de banda Latência de Sinalização Velocidade de comutação requerida Overhead de processamento e sincronização Adaptação ao tráfego Comutação de circuitos ópticos Comutação de pacotes ópticos Comutação de rajadas ópticas Baixa Alta Baixa Baixo Baixa Alta Baixa Alta Alto Alta Alta Baixa Média Baixo Alta Tabela 2.1. Comparação entre os paradigmas de comutação óptica Podemos observar que a comutação de rajada óptica faz um uso mais racional dos recursos da rede, pelo fato de que esses recursos são reservados apenas pelo tempo de transmissão da rajada, logo a possibilidade de contenção de uma rajada é bem menor se comparada com a rede de comutação por circuito óptico, além disso, as rajadas ópticas transportam uma quantidade de informações maior do que os pacotes ópticos,

34 19 não ocorrendo necessidade de dispositivos com velocidade de comutação tão robusta quanto à utilizada pelo OPS. 2.3 ARQUITETURA DE REDE DE RAJADAS ÓPTICAS Uma rede de comutação de rajadas ópticas (OBS) consiste em nós OBS interconectados por enlaces de fibra óptica, com cada enlace suportando múltiplos canais de comprimentos de onda usando multiplexação de comprimento e ondas (WDM), ilustrado na Figura 2.8. Em uma rede OBS os nós podem ser classificados como nós de borda ou nós de núcleo. Os nós de borda são responsáveis por construírem as rajadas de pacotes, executarem o escalonamento nos pacotes que serão transmitidos por um canal de comprimento de onda e estabelecer o caminho e recursos que serão utilizados para transmissão da rajada. Figura 2.8: Arquitetura de uma rede OBS Os nós de borda de ingresso é o nó responsável por fazer a ligação entre a rede de acesso e rede de núcleo OBS, também é responsável por encaminhar os pacotes dos clientes e prepará-los para rajada, encontrar a rota, atribuir comprimentos de ondas e escalonar as rajadas [12]. As rajadas construídas são transmitidas no domínio óptico

35 20 através dos roteadores OBS sem a necessidade de armazenamento em nós intermediários. Já os nós de egresso têm a responsabilidade de receber a rajada, desfazêla e encaminhar os pacotes aos seus destinos. Porém, os nós de núcleo têm o encargo de fazer a comutação das rajadas da porta de entrada para a porta de saída baseadas nas informações entregues pelo BHP (Burst Header Packet) que são os pacotes responsáveis por fazer as configurações dos recursos, além de realizar contenções de rajadas. Um resumo sobre as funcionalidades dos nós de ingresso, egresso e de núcleo está ilustrado na Figura 2.9. Figura 2.9: Responsabilidades dos nós de ingresso, núcleo e egresso. Como observado na Figura 2.9, nesta arquitetura, podemos assumir que cada nó suporta tanto tráfego não óptico como tráfego puramente óptico ou somente tráfego puramente óptico, denominados roteadores de borda e rotadores de núcleo, respectivamente. Os roteadores de núcleo consistem de dispositivos conhecidos como optical cross connect (OXC) e uma unidade de controle de comutação (Switch Control Unit -

36 21 SCU). O SCU é responsável por criar e gerenciar a tabela de encaminhamento, configurar os espelhos do OXC e analisar os pacotes de controle. Por exemplo, quando o SCU recebe um BCP com as informações a respeito dos recursos necessários para uma rajada, este é analisando no domínio eletrônico. Em seguida, o destino é identificado e a rota é determinada pra saber qual a porta de saída que será reservada para esta rajada. Se o recurso estiver disponível, o SCU irá configurar os espelhos do OXC e reservará o comprimento de onda que será utilizado na saída da porta e, se houver necessidade, aplicará a conversão de lambdas [35]. Caso contrário, o OXC será configurado para aplicar as políticas de contenção oferecidas pela rede. Por outro lado, os roteadores de borda contêm uma unidade de roteamento, uma unidade de construção e desconstrução de rajada e uma unidade escalonamento da rajada. A unidade de roteamento é responsável por determinar o caminho que será utilizado pela rajada e enviar os pacotes para a unidade de construção da rajada. Nesta unidade, os pacotes são armazenados em filas para construção de uma rajada e então a unidade escalonamento irá decidir se a rajada será transmitida. Ao término do encaminhamento óptico e da desconstrução da rajada, os pacotes são removidos e enviados ao seu destino final Construção da rajada A construção da rajada em uma rede óptica OBS é o processo que inicia com a classificação de pacotes vindos do meio eletrônico, depois esses pacotes são armazenados e agregados em filas e por fim técnicas de construção de rajada decidirão como esses pacotes serão encapsulados em um pacote de rajadas de dados (BDP - Busrt Data Packet). Segundo [36], as técnicas mais comuns para construção de rajadas são as baseadas no intervalo de tempo, limiares de tamanho e em ambos (intervalo de tempo e limiar de tamanho).

37 22 Nas construções baseadas no intervalo de tempo, as rajadas são criadas e enviadas na rede OBS em intervalos periódicos de tempo, ou seja, o buffer de armazenamento de pacote e construção da rajada irá receber pacotes por um determinado intervalo de tempo e, após esse período, a rajada é criada e pronta para ser enviada. Nesta abordagem, o tamanho da rajada enviada ao núcleo pode variar bastante dependendo da quantidade de carga que está sendo oferecida à rede. Por outro lado, nas abordagens de construção baseadas em limiares de tamanho de dados, o buffer de armazenamento tem um limite na quantidade de dados que será utilizada para construção da rajada, podendo ser medida em quantidade de pacotes ou em bytes de informações. Neste caso, as rajadas serão geradas sempre com tamanhos fixos e em períodos aleatórios. Uma vez atingido o limiar do buffer, a rajada é construída e enviada para o núcleo da rede OBS. Por fim, com o objetivo de minimizar os problemas que acontecem nas abordagens baseadas no tempo e no tamanho, principalmente causados pelo uso errado de variáveis como: o aumento da probabilidade de bloqueio devido às altas quantidades de rajadas com o uso de tamanhos ou tempos relativamente baixos, atrasos altos incrementados nos pacotes quando as mesmas variáveis (tamanho ou tempo) são valores altos. O uso de uma abordagem híbrida oferece a melhor solução para os problemas descritos acima pelo fato de que as gerações das rajadas são mais flexíveis do que as baseadas em apenas uma abordagem [12]. Neste esquema, os parâmetros utilizados para a criação das rajadas são um timeout, mínimo tamanho para rajada e o máximo tamanho para rajada, e são calculados baseados no tempo de processamento do BCP em cada nó e a quantidade de canais por fibra.

38 23 Quando uma rajada está sendo construída, o buffer irá receber pacotes até o tamanho máximo ou até que o intervalo de timeout seja alcançado. Se o tamanho máximo for atingido primeiro, a rajada será imediatamente enviada, mas se o timeout for alcançado primeiro, a unidade de criação da rajada verificará se o tamanho mínimo foi atingido. Em caso positivo, a rajada será enviada, mas em caso negativo será estabelecido um novo timeout até que a rajada atinja o tamanho mínimo sendo assim transmitida pela rede OBS Sinalização A sinalização em redes OBS tem um papel muito importante, pois é responsável por reservar os recursos e configurar os dispositivos ao longo da rede OBS. As abordagens de sinalização utilizadas em uma rede de comutação de rajadas ópticas são implementadas utilizando pacotes de controle (BCP), que carregam o cabeçalho contendo as informações da rajada, separado dos dados e enviado em um canal fora da banda, ou seja, em um canal próprio para o envio de dados de controle e não mesmos canais utilizados pelos dados. As principais abordagens de sinalização encontradas em redes ópticas OBS são: TAG (Tell-And-Go), TAW (Tell-And-Wait) e JET (Just Enough Time). A sinalização TAG é conhecida como um protocolo de reserva de uma via (One- Way Reservation) [37], ou seja, não há a espera de confirmação da rede de que os recursos foram alocados para que a rajada seja enviada, como ilustrado na Figura 2.10.

39 24 Figura 2.10: Sinalização TAG Nesta abordagem, quando a rajada está pronta, envia-se um o BCP em um canal de controle e logo em seguida envia a rajada sem ter a confirmação de que a reserva será efetuada. O problema desta abordagem é que há necessidade do uso de FDL para compensar o tempo de processamento do BCP. Entretanto, a sinalização TAW baseia-se em um protocolo de reserva de duas vias (Two-Way Reservation). Neste protocolo, existe a necessidade do recebimento de confirmação da rede OBS de que os recursos estão disponíveis e foram reservados para a transmissão da rajada, como apresentado na Figura 2.11.

40 25 Figura 2.11: Sinalização TAW Nesta sinalização, quando a rajada está pronta existem duas fases na operação de reserva. Na primeira fase é enviado um BCP SETUP na direção da fonte até o destino, na tentativa de reserva dos recursos (banda, comprimento de onda, rota, etc.) uma vez recebido o BCP SETUP os recursos são alocados por um período de tempo finito baseado nas informações entregues pelo BCP. Na segunda fase o nó de borda de egresso envia um BCP CONFIRM no sentido do destino até a fonte aviso de que todos já foram alocados e, após esta confirmação, a rajada é enviada. Por fim, após o envio da rajada, o nó de egresso envia um BCP RELEASE desfazendo a reserva de recurso. Contudo, na sinalização JET a reserva de recurso é em um protocolo de uma via, como a sinalização TAW, sendo que no JET existe um tempo chamado de tempo de ajuste (offset), que é o período entre o BCP e o envio da rajada, conforme apresentado na Figura 2.12.

41 26 Figura 2.12: Sinalização JET. No JET, quando a rajada está pronta é enviado um BCP SETUP, para a alocação de recursos e após um intervalo de tempo (offset) a rajada é transmitida sem que haja qualquer confirmação de que os recursos foram reservados e, caso isto não ocorra, a rajada será bloqueada. O tempo de ajuste é um período estimado para que seja feita a alocação de recursos, sendo que o seu valor é bastante discutido, e várias soluções são propostas para a estimativa desse tempo [15] Escalonamento de Rajada Em redes puramente ópticas vem se tornando cada vez mais usual a utilização de conversões de comprimentos de onda com o objetivo de otimizar o uso do canal. O escalonamento em redes OBS é diferente do escalonamento em redes IP. Nestas, cada nó armazena os pacotes em buffers eletrônicos e depois são escalonados para uma porta de saída. Já nas redes OBS, com a chegada de uma rajada, a mesma deve ser

42 27 imediatamente enviada para o próximo nó sem que haja o armazenamento em buffers eletrônicos. Para que uma rajada possa sair do nó de ingresso, deve lhe ser atribuída um comprimento de onda (lambda) ou canal. Por outro lado, nos nós intermediários, inclusive no nó de ingresso, são utilizados algoritmos de escalonamento para determinar o comprimento de onda que será utilizado e otimizaraperfeiçoar o espaço ocioso entre duas rajadas que utilizarão o mesmo canal (lambda), preenchendo o espaço ocioso com uma nova rajada. Um dos principais algoritmos de escalonamento de rajadas é o LAUC- VF (Latest Available Unscheduled Channel with Void Filling) [38]. O LAUC-VF é um algoritmo de escalonamento que gerencia o tempo de duração da rajada (início e fim), tentando encaixar novos intervalos de alocação de canal em lacunas (gaps) entre dois períodos de alocação de canal já escalonados. Por exemplo, dados quatro canais, D 0, D 1, D 2 e D 3, conforme ilustrado na Figura 2.13, e sendo L i,j o intervalo de alocação do canal, onde S i,j é o tempo de início e chegada da rajada, e E i,j o tempo final da alocação do canal, tal que L i.j = S i,j + E i,j, onde i é o canal escolhido para rajada, e j é a rajada sobre o canal. Temos também que os canais de D 0 a D 3 apresentam gaps entre as rajadas, de forma que gap 1 > gap 2 > gap 0 > gap 3. Ao receber um BCP, a rajada precisará do canal por um período L a e o tempo de chegada da rajada é de S a. No LAUC-VF a escolha do canal é feita procurando dentre os canais D i aquele que tiver o menor gap que possa acomodar a rajada pelo período requerido, que no exemplo é o gap 3, ou seja, L a <= gap 3, portanto, neste exemplo, o canal D 3 é o escolhido.

43 28 Figura 2.13: Funcionamento do LAUC-VF Caso o LAUC-VF não consiga escalonar um período para rajada, tanto a rajada como o BCP serão bloqueados. 2.4 REDE DE RAJADAS ÓPTICAS ROTULADAS A integração do IP com o paradigma OBS pode apresentar alguns problemas como, por exemplo, o roteamento, que é a funcionalidade crucial para o bom desempenho da rede, pois o roteamento IP tradicional em redes OBS é baseado no menor caminho, o que pode implicar em congestionamentos de enlaces e um desbalanceamento na distribuição do tráfego, sendo que boas técnicas de engenharia de tráfego e métodos de roteamento adequados poderiam minimizar este problema. Outro fato está relacionado com a sinalização, pois com a falta de escalabilidade no roteamento, o processamento do BCP ficaria comprometido, implicando em um aumento na probabilidade de contenção da rajada, pois sucessivos incrementos de atrasos do BCP podem resultar na chegada prematura da rajada em um determinado nó de núcleo OBS sem que os recursos necessários tenham sido reservados [39].

44 29 Com o objetivo de diminuir a complexidade da arquitetura, fornecer maior inteligência ao plano de controle da rede OBS e reduzir problemas de roteamento, foi proposta a utilização do plano de controle GMPLS nas redes OBS [33]. Com essa união, parte da arquitetura OBS teve que sofrer modificações bem como a adição de novos protocolos de roteamento e sinalização. O protocolo de roteamento da arquitetura GMPLS é o OSFP-TE [40], que é o OSPF com extensões para engenharia de tráfego, enquanto que a sinalização é feita pelos protocolos RSVP-TE [41] ou CR-LDP [42] Arquitetura de Comutação de Rótulos A arquitetura de comutação de rótulos, o MPLS (Multiprotocol Label Switching) [15] foi proposto pelo IETF (Internet Engineering Task Force) com o principal objetivo de integrar o paradigma de troca de rótulos com o nível tradicional de roteamento em redes. Esta integração aumenta a eficiência no encaminhamento de dados solucionando o problema de escalabilidade encontrado no protocolo IP. Esta falta de escalabilidade proveniente do protocolo de roteamento IP mostra-se ineficiente à medida que o tamanho da rede vai aumentando, implicando em elevados índices no atraso de propagação e congestionamento na rede. Os atrasos de propagação são causados principalmente pela grande quantidade de informações guardadas nas tabelas de roteamento, causando uma lentidão nas buscas por endereços, fato este que se agrava no roteamento IP tradicional, pois essas buscas são feitas salto a salto. Além disso, o mecanismo de roteamento tem como característica localizar caminhos baseados no paradigma do menor número de saltos, o que acarretaria em uma convergência para um número de rotas restritas, recebendo a maior carga de tráfego e subutilizando outros enlaces ou caminhos na rede.

45 30 Com introdução do MPLS, as redes IP ganharam mais eficiência e inteligência pelo fato de que na arquitetura MPLS tem-se a separação do plano de dados com o plano de controle. O plano de dados consiste nos componentes de reenvio que promovem uma simples comutação por rótulos. O plano de controle está preocupado com funções de coordenação, como roteamento e sinalização, para facilitar o deslocamento do tráfego através de toda a rede. Dentre as principais vantagens oferecidas pelo MPLS, temos a qualidade de serviço, capacidade oferecer melhores desempenho a classes de aplicações, e à engenharia de tráfego, que é a capacidade de fazer o gerenciamento de recursos ociosos da rede. No MPLS, os dados são comutados pela rede através das informações contidas no seu rótulo (labels), de tamanho curto e fixo inserido no pacote assim que ele entra na rede MPLS, sendo que, diferente do roteamento IP convencional o envio do pacote para o próximo salto é determinado pela análise do valor do rótulo e não através de cálculos de menor caminho baseados em endereços de destinos, tornando um encaminhamento mais rápido e simples. Entretanto, para determinar quais rotas e rótulos que serão utilizados pelo pacote durante o percurso, existe uma fase de sinalização, que em conjunto do protocolo de roteamento, tem como responsabilidade determinar o caminho que será utilizado, reservar recursos necessários para envio dos dados ao longo do caminho e determinar os rótulos que serão trocados para fazer a comutação do pacote pela rota escolhida. Os principais protocolos utilizados pelo MPLS para fazer a tarefa de sinalização são o LDP (Label Distribution Label) [43] e o RSVP (Resource Reservation Protocol) [44] Componentes Em seguida são apresentados os principais componentes utilizados na arquitetura MPLS, seguido de uma breve descrição de suas características.

46 Label Edge Router LER São roteadores localizados na fronteira entre a rede de comutação por rótulos e a outras redes (por exemplo, as redes de comutação por pacotes), ou seja, na borda da rede MPLS. Este componente tem o objetivo classificar o tráfego que chega a rede MPLS, podendo ser pelo endereço de destino ou pelo endereço de rede utilizado, e rotulá-los mediante o resultado da classificação Label Switch Router LSR Os LSRs são indivíduos que tem objetivo de fazer as trocas dos rótulos e encaminhar os pacotes ao próximo salto, isso é feito com base em uma tabela que contém as informações de rótulos, essas informações são relações tipo: rótulo de entrada/porta de entrada X rótulo de saída/porta de saída. Os LSRs são encontrados no núcleo da rede MPLS Forwarding Equivalency Class FEC O pacote não rotulado ao chegar à borda de uma rede MPLS ele é classificado pelo segundo as suas características para que possa seguir algum caminho dentro da rede de comutação de rótulos. No MPLS cada caminho está ligado a uma classificação que é chamada de classe de equivalência para o encaminhamento (FEC), ou seja, grupo de pacotes ou fluxos de pacotes que possuem a mesmo tratamento de encaminhamento. Para cada pacote é determinado uma FEC que por sua vez determinará o caminho, rótulos e recurso que serão usados pelo pacote. Essa classificação pode ser feita mediante o endereço de destino do pacote, endereço da fonte do pacote ou a classe de serviço pertencente ao pacote, por exemplo: encaminhamento expresso (Expedited Forwarding EF), encaminhamento assegurado (Assured Forwarding AF) ou de melhor esforço (Best Effort BF).

47 Label O rótulo é componente principal da arquitetura MPLS, pois, através das informações contidas nele é que rede MPLS consegue enviar um pacote de um salto a outro sem necessidade de analisar as informações da camada 3 da arquitetura TCP/IP contidas nos pacotes. Quando pacote chega ao LER ele é classificado a uma FEC então lhe é inserido um rótulo que fica localizado entre a camada 2 e camada 3, comumente chamada de camada 2,5 conforme ilustrado na Figura Figura 2.14: Rótulo MPLS O rótulo é um campo de 32 bits inserido no cabeçalho da camada 2 sendo dividido em quatro partes: Label, Exp, S e TTL. O campo Label é formado por 20 bits de informações e contémcontêm os valores que são utilizados pelo LSR para determinação dos próximos saltos, esse valores estão entre 0 e ( ). Já o campo Exp de uso experimental é formado por 3 bits, e utilizado principalmente na integração do MPLS com a arquitetura DiffServ [45], onde é

48 33 armazenado o diffserv code point (DSCP) utilizado determinar o nível de qualidade de serviço (QoS) que será oferecido ao pacote. O campo S de um bit é utilizado para identificar qual cabeçalho MPLS será analisado quando se está utilizando empilhamento de rótulos, ou seja, uma rede MPLS com vários domínios ou túneis utiliza-se de vários rótulos empilhados e o campo S identifica quem é o rótulo que está no topo da pilha que será utilizado no domínio correspondente. Está funcionalidade é muito importante quando se está utilizando VPN (redes virtuais privadas) com MPLS. Por fim, o campo TTL de 8 bits tem a mesma função do campo TTL do cabeçalho IP que identifica o tempo de vida do pacote (Time To Live) que decrementado de uma unidade a cada salto, evitando loop em roteamento Label Switch Path LSP Quando um pacote é ligado a uma FEC, a ele é determinado que um caminho que será utilizado para percorrer por dentro da rede MPLS esses caminhos são conhecidos como caminhos comutados por rótulos (LSP) é composto por LER e LSR que estão no caminho escolhido, conforme apresentado na figura 15. Para cada LSP são determinados rótulos que serão utilizados pelo pacote no decorrer do caminho e que modificados a cada salto, podendo ser construídos de duas maneiras de forma estática ou de forma dinâmica.

49 34 Figura 2.15: Caminho comutado por rótulos (LSP), LER e LSR Na construção estática, os LSPs são definidos pelo administrador da rede, ou seja, as rotas atribuídas a cada FEC são definidas mediante a vontade do administrador levando em consideração o número de saltos, métricas de qualidade serviço (atraso, variação do atraso ou largura de banda), etc... Já na abordagem dinâmica, os LSPs são determinados através de protocolos de roteamento, dentre os quais o mais utilizado em MPLS é OSPF, podendo também se preocupar com questões de recurso a serem oferecidos aos pacotes, esse tipo de LSP é conhecido como LSP baseados em restrições (Constraint Label Switching Path - CR- LSP) [42]. No CR-LSP, o LSP é construído levando em consideração restrição de qualidade serviço a serem oferecidos ao fluxo de dados que utilizarão o LSP, como por exemplo: largura de banda, atraso mínimo, taxa de transmissão e dentre outros Label Distribution Protocol LDP O protocolo LDP é responsável por fazer a negociação dos rótulos que serão utilizados por uma LSP para levar um pacote de uma borda à outra da rede MPLS. Antes que o LSP seja constituído o MPLS invoca o LDP para fazer a configuração do

50 35 caminho e a reserva de recursos necessários para LSP. No MPLS basicamente existem três protocolos para desempenhar este papel o RSVP, LDP e CR-LDP. O LDP primeiro encontra a rota e depois no retorno negocia os rótulos que serão utilizados no LSP Label Information Base LIB A base de informações de rótulos (LIB) é uma estrutura armazenada e cada LSR da rede MPLS e guarda informações entregues pelo protocolo LDP a respeito dos rótulos e suas interfaces conforme observado na tabela 2.2. Rótulo de Entrada FEC Interface de saída Rótulo de saída /16 A /16 C /16 D 51 Tabela 2.2. Exemplo de LIB Quando um pacote chega ao LSR é verificado o rótulo de entrada e a FEC, a partir desses valores é feito uma consulta a sua LIB para saber a qual interface de saída o pacote será entregue e com qual rótulo ele sairá Exemplo de Funcionamento Quando um pacote ele chega ao nó de borda da rede MPLS, o LER, o pacote é classificado de acordo com as suas características inseridas no cabeçalho IP (endereço de destino, endereço da fonte, qualidade serviço) e lhe é atribuído uma FEC, enquanto isso o MPLS invoca o protocolo de sinalização ou protocolo de distribuição de rótulos para determinar o LSP que será atribuído a FEC, os rótulos que serão utilizados pelos pacotes e o recurso que serão alocados.

51 36 O LDP é um protocolo de duas vias, ou seja, ele precisa da confirmação da rede para liberar a transmissão dos dados por aquele LSP. Então no primeiro momento o LDP (podendo ser o LDP, RSVP) confirma o caminho alocando e o recurso que será utilizado pelo fluxo, no sentido downstream (borda de saída à borda de chegada), enquanto no segundo momento, no sentido upstream (o inverso do downstream), o LDP confirma os rótulos que serão utilizados pelo entre os LSR. Quando LDP confirma o rótulo que será utilizado na transmissão entre os dois LSRs essas informações são guardadas na tabela LIB de cada LSR participante do LSP. Após a fase de sinalização, a FEC insere o rótulo que será utilizado no próximo salto para identificar a que porta e o rótulo de saída que será utilizado pelo pacote e assim sucessivamente até a borda de saída (LER de egresso), conforme ilustrado na Figura Figura 2.16: Funcionamento de uma rede MPLS.

52 37 No período em que o pacote se encontra na rede MPLS ele é comutado entre os LSR, pois não há análise de informações na camada 3 e após chegar noao LER de egresso o rótulo é retirado e o pacote volta a ser roteado da maneira convencional (analisando os dados da camada 3) até o seu destino final GMPLS Com a heterogeneidade das redes de computadores e a necessidade de oferecer redes mais inteligentes foram desenvolvidas novas arquiteturas de rede para que essa heterogeneidade se torne mais transparente possível. Por outro lado, isso gerou um aumento na complexidade desta arquitetura e tendo como conseqüência a dificuldade no seu gerenciamento e também um custo elevado na sua criação. Visto que o MPLS era uma solução que provia um gerenciamento inteligente e de custo relativamente baixo, a IETF resolveu evoluir e melhorar o seu suíte de protocolos oferecidos, para resolver o problema da diversidade. Com esta evolução, o Multiprotocol Label Switching passou a prover um controle não somente em domínios baseados na comutação por pacotes, mas também baseados na comutação por intervalos de tempo, por comprimento de onda e por espaço físico. A partir deste momento, o MPLS ganha uma característica principal que é a generalização do seu rótulo podendo ser representado agora não somente por um valor numérico, mas também por um time-slot, um comprimento de onda ou uma fibra, devido a este fato essa evolução foi chamado de MPLS generalizado ou Generalized Multiprotocol Label Swichting (GMPLS), na tabela 2.3 tem-se um resumo das tecnologias suportadas pelo GMPLS.

53 38 Domínio de Comutação Tipo de Tráfego Pacote ou Célula IP, ATM Rótulo Tempo TDM/SONET Fatia de Tempo Comprimento de onda Transparente Encaminhamento Dispositivo Nomenclatura Fibra Roteador IP e switch ATM crossconnectcross connect, ADM DWDM PSC (Packet Switch Capable) TDM Copable LSC (Lambda Switch Capable) Espaço Físico Transparente Fibra OXC FSC (Fiber Switch Capable) Tabela 2.3. Tipos de representação de rótulos utilizados pelo GMPLS Com esta evolução, por exemplo, agora é possível construir LSPs fim-a-fim independente do tipo de tecnologia utilizada, seja ela IP, TDM ou WDM, bem como, com as três ao mesmo tempo. Esse benefício está ilustrado na Figura 18, onde se tem três domínios (pacote,pacote, TDM e comprimento de onda )) utilizando o GMPLS e temos um LSP estabelecido passando por esses domínios heterogênicos e fornecendo um controle comum a ambos os domínios. Figura 2.17: Estabelecimento de um LSP em GMPLS [46]. Esta evolução do MPLS para GMPLS foi marcada principalmente pela extensão dos protocolos de roteamento (OSPF-TE e IS-IS-TE) e dos protocolos de sinalização (RSVP-TE e CR-LDP). Além destas extensões também foi adicionado um novo protocolo, chamado de protocolo de gerenciamento de enlace LMP (Link Management Protocol).

54 39 A seguir, na tabela 2.4 temos um resumo dos protocolos GMPLS e uma descrição de suas novas funcionalidades. Protocolos Roteamento OSPF-TE, IS-IS-TE Sinalização RSVP-TE, CR-LDP Gerenciamento de enlace LMP Descrição Protocolos de roteamento são usados para auto-descoberta da topologia da rede e seus recursos disponíveis e montar o banco de dados de engenharia de tráfego. Os protocolos de sinalização são usados para estabelecer LSPs baseados nas informações de en-genhariaengenharia de tráfego do protocolo de roteamento. PosslibilitandoPossibilitando o encaminhamento de dados em redes não IP e estabelecimento de LSPs bidirecional. Protocolo de gerenciamento de enlace para oferecer ferramentas que tem como objetivo analisar a disponibilidade da conectividade física do enlace entre seus vizinhos, isolar falhas, e gerenciar os canal de controle. Tabela 2.4. Protocolos do GMPLS Os protocolos de roteamento tiveram modificações para oferecer ao GMPLS funcionalidades de engenharia de tráfego (Traffic Engineering TE), que seria a capacidade quebrar com a tradicional metodologia dos protocolos de roteamento em fornecer o menor caminho. Com o uso do TE, o GMPLS pode gerenciar melhor o uso dos recursos da rede balanceando a sua utilização, evitando a ociosidade e o congestionamento. O principal protocolo de roteamento do GMPLS, com essa característica, é o OSPF-TE que é uma extensão do protocolo OSPF sendo que agora com um banco de dados de engenharia de tráfego. Com isso, a escolha de um caminho pelo algoritmo de roteamento é influenciada por algumas propriedades, dentre elas temos: largura de banda disponível, máxima de banda reservável e etc. A partir disso, os protocolos de sinalização também sofreram extensões para utilizar a característica de TE. Com informações oferecidas pelo protocolo de

55 40 roteamento (por exemplo, OSPF-TE) o protocolo de sinalização é capaz de construir LSP e distribuir rótulos, baseadas nas informações de engenharia de tráfego oferecidas pelo OSPF-TE. Além também de reservar os recursos necessários aos fluxos de dados que utilizaram o LSP. Ao contrário do MPLS os LSPs no GMPLS são bidirecionais, ou seja, os dados são enviados e recebidos em um mesmo LSP. Outra característica oferecida ao GMPLS pelo protocolo de sinalização é a questão do rótulo sugerido que uma forma de agilizar a distribuição de rótulos, sendo opcional a sua utilização. O principal protocolo de sinalização do GMPLS é o RSVP-TE, que é o RSVP com extensão para engenharia de tráfego, existe também os CR-LDP, mas por ter praticamente as mesmas funcionalidades do RSVP-TE teve o seu desenvolvimento interrompido pela IETF. O GMPLS também acrescentou um novo protocolo ao suíte, chamado de protocolo de gerenciamento de enlace (LMP) presente em cada LSR da rede GMPLS tem como funcionalidade administrar o enlace de um LSR ao seu vizinho, analisando a sua disponibilidade e em algumas vezes até corrigindo falhas que possam ocorrer nesta ligação. Dentre as suas funcionalidades estão: o isolamento de uma ou múltiplas falhas no domínio óptico, identificação de propriedades do enlace de nós adjacente (por exemplo, mecanismo de proteção), descoberta da conectividade do enlace entre os seus nós vizinhos e a negociação dos valores de parâmetros do enlace com seus vizinhos. Para oferecer uma melhor qualidade na transmissão dos dados o GMPLS também oferece funcionalidade de proteção e restauração de enlaces. Em caso de falhas no enlace o GMPLS oferece alguns mecanismos de recuperação: Proteção de LSP, Proteção do enlace, Restauração do LSP, Otimizado e trafego extra. No caso do mecanismo de proteção do LSP ele pode ser: proteção LSP 1+1 e proteção LSP 1:1. Na proteção LSP 1+1, para um LSP construído existe outro LSP

56 41 redundante onde trafegam uma cópia do trafico do LSP original e em caso de falha do LSP original são utilizados os dados do LSP redundante, por outro lado, na proteção LSP 1:1 para um LSP construído existe outro LSP dedicado alternativo que poderá ser utilizado imediatamente caso o LSP principal venha a falhar. Já no mecanismo de proteção do enlace os mecanismos podem ser: proteção de enlace 1+1, proteção de enlace 1:1 e proteção de enlace 1:N. Na proteção de enlace 1+1 um enlace auxiliar recebe uma copia dos dados que estão sendo trafegados no enlace principal. No caso da proteção de enlace 1:1, um enlace alternativo é utilizado em caso de falha do principal, enquanto na proteção de enlace 1:N, tempos um enlace alternativo para N enlaces principais. No mecanismo otimizado define que outros mecanismos de proteção devem ser utilizados para oferecer um grau maior de confiabilidade ao mecanismo 1+1 como, por exemplo, anéis de proteção. Enquanto no mecanismo tráfego extra, um LSP pode ser estabelecido a partir de recursos que estão protegendo outros tráfegos, neste caso existe o uso de preempção de nestes recursos para serem oferecidos a outros em caso de falha. E por fim no esquema de restauração de LSP, uma nova rota ou LSP é calculada somente após a ocorrência da falha sem nenhuma garantia que exista recurso disponíveis para construção do LSP [14] Redes Ópticas OBS Rotuladas O conceito de comutação por rótulos também pode ser estendido às redes de rajadas ópticas. Este conceito é conhecido como labeled optical brust switching (LOBS) idealizado primeiramente por [47], visando à utilização das redes OBS para o transporte e a interação com a camada IP, visto que muitos autores julgam que o GMPLS é o melhor mecanismo de integrar o IP com WDM [48].

57 42 A integração do IP com o paradigma OBS pode apresentar alguns problemas como, por exemplo, o roteamento, que é a funcionalidade crucial para o bom desempenho da rede, pois o roteamento IP tradicional em redes OBS é baseado no menor caminho, o que pode implicar em congestionamentos de enlaces e em um desbalanceamento na distribuição do tráfego, sendo que boas técnicas de engenharia de tráfego e métodos de roteamento adequados poderiam minimizar o problema. Outro problema está relacionado com a sinalização, pois, com a falta de escalabilidade no roteamento, o processamento do BCP ficaria comprometido, implicando em um aumento na probabilidade de contenção da rajada, pois os incrementos nos atrasos no BCP podem resultar na chegada prematura da rajada em um determinado nó de núcleo OBS sem que os recursos necessários tenham sido reservados [39]. Com o objetivo de diminuir a complexidade da arquitetura, fornecer maior inteligência ao plano de controle da rede OBS e reduzir problemas de roteamento, foi proposta a utilização do plano de controle GMPLS nas redes OBS. Com essa união, parte da arquitetura OBS teve que sofrer modificações bem como a adição de novos protocolos de roteamento e sinalização. O protocolo de roteamento da arquitetura GMPLS é o OSFP-TE, enquanto que a sinalização é feita pelos protocolos RSVP-TE ou CR-LDP. Outra vantagem seria a redução no custo da arquitetura e no gerenciamento da rede OBS e outra característica importante seria a utilização da engenharia de tráfego para utilização de caminhos ociosos a rajadas que necessitem de recursos e prover um balanceamento de carga aos caminhos escolhidos dinamicamente pelos algoritmos de roteamento ou explicitamente definidos.

58 43 No GMPLS em redes OBS os nós de borda são responsáveis por classificar as rajadas e determinar a FEC (Forwarding Equivalence Class) que, por sua vez, define a forma de encaminhamento das rajadas. Os nós de ingresso (LER Label Edge Router) são responsáveis por enviar o pacote de controle BCP em um canal fora da banda, com o objetivo de reservar os recursos que serão utilizados pela rajada, construir os LSPs e negociar os rótulos (comprimentos de ondas) que serão utilizados para levar a rajada até o seu destino. Após o envio da rajada os recursos são realocados para o envio de novas rajadas. 2.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste capítulo foram apresentados os principais conceitos a respeito de redes ópticas e a sua integração com o plano de controle GMPLS. Com isso tivemos uma visão detalhada a respeito do modelo de arquitetura utilizado pelas redes de comutação óptica baseada em rajada, suas características e protocolos utilizados na transmissão de dados. Também foi visto o porquê da necessidade de se integrar o OBS com o plano de controle GMPLS, visando maior inteligência ao plano de controle da arquitetura OBS e oferecendo ao OBS todas as características do GMPLS, QoS, melhor utilização do recursosdos recursos da rede e engenharia de tráfego. E com isso apresentando a arquitetura de redes ópticas que será utilizado nesta dissertação e no ambiente de simulação.

59 44 Capítulo 3 QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES DE RAJADAS ÓPTICAS A comutação óptica por rajadas (OBS) é uma promissora arquitetura capaz de suportar grandes demandas de necessidade de largura de banda em redes de backbone ópticos que utilizam a tecnologia WDM. O OBS vem atraindo a atenção de muitos pesquisadores principalmente para o problema de como fazer com que redes OBS suportem qualidade de serviço (QoS). As soluções atuais de QoS são baseadas na utilização de buffers eletrônicos (buffer-based scheme). Dentre elas se destacam o modelo de arquitetura de serviços diferenciados (DiffServ) [49] e o modelo de arquitetura de serviços integrados (IntServ) [50]. Essas soluções trabalham com o esquema de armazenamento e encaminhamento de pacotes como também filas de prioridades. Por outro lado, o OBS trabalha com a

60 45 abordagem de encaminhamento direto, ou seja, em uma rede óptica OBS os nós de núcleo são transparentes e não possuem estruturas de armazenamento temporárias (optical queueing scheme). Portanto, faz-se necessária a utilização de mecanismos de QoS adaptados para redes puramente ópticas. Neste capítulo, observaremos os mecanismos necessários para oferecer QoS em redes de comutação ópticas de rajadas. Na Seção 3.1 são observados os modelos de QoS oferecidos às redes OBS, bem como a sua divisão e seus principais tipos de abordagem. Já na Seção 3.2, temos os trabalhos relacionados à QoS em redes OBS e também a proposta desta dissertação. E por fim na Seção 3.3, as considerações finais em relação a este capítulo. 3.1 MODELOS DE QOS EM REDES DE RAJADAS ÓPTICAS Em geral, pode-se prover qualidade de serviço em redes OBS pela diferenciação de parâmetros da rajada em função da classe de serviço associada à mesma. Tipicamente essas diferenciações incluem: diferenciação no tempo de ajuste, diferenciação por políticas, diferenciação na construção da rajada e diferenciação no escalonamento da rajada. Existem dois modelos básicos para qualidade de serviço em redes OBS: QoS relativa e QoS absoluta [51]. Com o uso de QoS relativa, algumas classes de tráfegos serão relativamente melhor que outras classes de tráfego sem especificar qualquer garantia quantitativa. Já no modelo de QoS absoluto, as garantias são especificadas quantitativamente para cada classe de serviço QoS Relativa No modelo relativo o desempenho de cada classe não é definido quantitativamente a partir de níveis de QoS determinados, mas sim em função do

61 46 desempenho da classe em relação às demais, ou seja, tem-se a garantia de que uma classe de maior prioridade terá melhor desempenho que uma classe de menor prioridade, mas não há certeza acerca do cumprimento de certas restrições de QoS em virtude da influência causada pela proporção do tráfego das diferentes classes. Existem vários mecanismos para oferecer qualidade de serviço relativa, dentre os quais se incluem: baseados no offfiset-time, na preempção de rajadas, escalonamento de BCP e QoS proporcional. Os mecanismos de QoS baseados no offset-time [52] são utilizados para suprimir a falta de buffers no nível óptico e assim diminuir a probabilidade de bloqueio. Neste mecanismo a solução é adotar valores de tempo de ajuste maior para as classes de alta prioridade com o objetivo de oferecer um intervalo de tempo mais alto para alocar os recursos e, com isso, a probabilidade de bloqueio das rajadas de alta prioridade tende a diminuir. Outro mecanismo é preempção probabilística de rajada oferecendo uma taxa de perda relativa para múltiplas classes de tráfegos. A idéia básica deste mecanismo é permitir que rajadas de baixa prioridade sofram preempção em caso de uma possível contenção de uma rajada de alta prioridade, ou seja, durante o escalonamento de uma rajada foi verificado que ela sofreria uma contenção e também se observou que se trata de uma rajada de alta prioridade, portanto, para que não ocorra a contenção, o escalonador procura dentre as rajadas de prioridade menor a que pode ser escolhida para ceder o lugar a uma rajada de maior prioridade. Com isto, esse modelo consegue diminuir a taxa de probabilidade de bloqueio das classes de maiores prioridades. Já o mecanismo de escalonamento de BCP tem o objetivo de evitar problemas com o uso de preempção de rajadas, ou seja, evitar a alocação de recursos a BCPs de rajadas de baixa prioridade que possuem uma grande probabilidade de sofrer

62 47 preempção, este mecanismo funciona criando uma fila de prioridade para os BCPs em cada nó da rede OBS, proporcionando assim maior prioridade à alocação de recursos para BCP de rajadas de alta prioridade. No QoS proporcional, o objetivo é prover um controle diferenciado em cada métrica de qualidade de serviço para cada classe de tráfego sendo proporcional para o mesmo fator de diferenciação, ou seja, para cada classe de serviço é associado um fator de diferenciação que está relacionado uma performance de uma determinada métrica para cada classe de serviço, onde a garantia dessa performance é relativo por classe de serviço. Principais métricas abordadas neste modelo são a perda proporcional de rajada e a média proporcional do atraso das rajadas QoS Absoluta O modelo de QoS absoluta trabalha através do estabelecimento de níveis determinados de qualidade de serviço que devem ser obedecidos. Por exemplo, pode-se definir um valor máximo de probabilidade de bloqueio para certa classe de rajadas de alta prioridade. Na QoS absoluta o valor da probabilidade de bloqueio não deve ser maior que o definido para a classe. Portanto, neste caso os níveis de QoS para uma determinada classe de serviço devem ser obedecidos indiscutivelmente, com o objetivo de fornecer o pior caso quantativamente de garantias de perda para as classes de tráfegos. Os principais mecanismos de QoS absoluta são descarte antecipado (early dropping) e agrupamento de comprimento de onda (wavelength grouping). No mecanismo de descarte antecipado, um nó monitora a performace local de QoS de todas as classe de tráfegos e comparando-as como o limiar exigido por cada classe. Quando uma determinada classe está com seu nível de contenção acima do valor requerido pela classe, o mecanismo localiza outra classe cujo seu nível de contenção esteja abaixo do requerido para descarte antecipado. Neste caso a classe que está com o

63 48 nível de contenção abaixo terá os BCPs descartados antes que requisite a reserva de recursos. Conseqüentemente, a carga oferecida ao nó é reduzida e a performance de outras classes, incluindo a classe que estava com o nível de contenção acima do requerido, serão melhoradas. Por outro lado, o agrupamento de comprimento de ondas é um mecanismo de QoS absoluta que tem como objetivo oferecer a cada classe de tráfego uma quantidade mínima de comprimento de ondas, ou seja, para cada classe serviço é determinado um número de comprimento de ondas do total da capacidade do enlace para ser usado somente por esta classe. Esse agrupamento pode ser feito de duas maneiras de modo estático ou de modo dinâmico. No modo estático os comprimentos de ondas são fixos para cada classe de serviço e as rajadas desta classe de serviço só poderão ser escalonadas para estes comprimentos de ondas. No modo dinâmico são determinados quantos comprimentos de ondas serão utilizados por cada classe, mas a atribuição de qual comprimento de onda será utilizada é feito de maneira dinâmica. 3.2 TRABALHOS RELACIONADOS Como mencionado em toda está seção a qualidade de serviço em redes OBS pode ser oferecida por vários mecanismos, mas em particular nesta subseção mostramse os trabalhos relacionados à proposta deste trabalho. Em [53], é apresentada uma proposta de qualidade de serviço dinâmica utilizando controle de admissão em cada nó da rede OBS. Os autores propõem um novo modelo de protocolo de admissão para rajadas. Este modelo utiliza uma arquitetura de rede OBS onde cada nó é composto de uma

64 49 unidade de comutação (US), unidade de espera (UE), formada por fibras de retardo, unidade de controle de comutação (UCC) (responsável por fazer reserva de recursos e contenção), unidade processamento de entrada (UPI) e unidade de processamento de saída (UPS). Quando se deseja enviar uma rajada, o nó de borda OBS envia o BCP (Burst Formatado: Inglês (EUA) Control Packet) com informações de qualidade de serviço e estatísticas de atraso. Os nós intermediários recebem o BCP, verificam os valores de QoS e fazem as estimativas para as métricas de atraso e bloqueio. Caso ocorra bloqueio, a unidade de controle envia a rajada para uma FDL (Fiber Delay Line), as fibras de retardo são utilizadas para oferecer atrasos às transmissões ópticas. Se a FDL estiver ocupada, a rajada é bloqueada. Se após a rajada sair da FDL o bloqueio ainda estiver ocorrendo, a rajada é bloqueada. Caso a estimativa do atraso seja maior que a definida em métrica de QoS, a rajada também será bloqueada Já [15] propõem a utilização da arquitetura de serviços diferenciados (Diffserv) para oferecer qualidade de serviço em redes OBS. Os pacotes de controle de rajada são processados eletronicamente para prover tratamento diferenciado às rajadas correspondentes através de diferentes PHBs (Per Hop Behavior) referentes aos serviços suportados: EF (Expedited Forwarding), AF (Assured Forwarding) e BE (Best Effort). A definição desses PHBs tem impacto no processo de montagem de rajadas que varia de acordo com a classe de serviço das mesmas. Os mecanismos de controle de admissão estático e dinâmico de rajadas são propostos por [51]. O princípio dos dois mecanismos é o mesmo, ou seja, reservar um determinado número de comprimentos de onda em um enlace para cada classe de serviço. Ambos se baseiam na ocupação do enlace para admitir as rajadas de uma determinada classe de serviço e, desta forma, diferenciar a probabilidade de bloqueio

65 50 experimentada por cada classe. Os dois mecanismos usam o protocolo JET (Just Enough Time) e a implementação é feita em todos os nós da rede OBS, onde cada rajada ocupa um comprimento de onda durante a sua transmissão e cada nó OBS tem capacidade total de conversão de comprimentos de onda. O problema principal das abordagens citadas é que nenhuma delas leva em consideração a existência de recursos disponíveis na rede, que poderiam ser utilizados em caso de cenários de alta intensidade de tráfego, onde as técnicas propostas podem não se mostrar capazes de garantir o cumprimento de restrições absolutas de desempenho. Em [48], é apresentada uma proposta para utilizar a engenharia de tráfego do GMPLS desviando fluxos de rajadas para rotas alternativas e, assim, abrir possibilidades para o oferecimento de QoS do tipo absoluta. No entanto, a abordagem empregada para guiar as decisões de engenharia de tráfego é baseada em análises prévias do comportamento das classes de serviço na rede. Autor Proposta Solução Desvantagens Vantagens [53] QoS dinâmico utilizando controle de admissão em cada nó. Utiliza um controle de admissão para estima métricas de QoS. E assim determinar se a rajada será bloqueada ou não Não analisa a rede por recursos ociosos para oferecer a rajada que será bloqueada Utiliza fibra de delay antes de bloquear uma rajada [15] Propõem uma arquitetura de serviços diferenciados para redes OBS. Dá um tratamento diferenciado na aceitação do BCP em cada nó e conseqüentemente herdando isso as rajadas. As rajadas de maior prioridade podem monopolizar os recursos da rede, mesmo existindo outros recursos ociosos que podem ser oferecidos as classes de menor prioridade Com esse mecanismo os recursos são utilizados mais freqüentemente por rajadas de maior prioridade [51] Mecanismo de controle de admissão estático e dinâmico. Reserva um determinado número de comprimento de onda em um enlace para cada classe de serviço. Um aumento do tráfego de dados de menor prioridade pode aumenta o nível de contenção da mesma. Reserva uma quantidade maior de recurso para o tráfego de maior prioridade. [48] Usar a engenharia de Desviar fluxos de tráfego de rajadas que estão sofrendo um A abordagem que guia as decisões de Faz um aproveitamento

66 51 tráfego do GMPLS para oferecimento de QoS absoluta. alto índice de contenção para rotas alternativas que contém recursos ociosos engenharia de tráfego é baseada na análise previa do comportamento das classes do recurso da rede diminuindo o número de contenções das classes de rajadas. Tabela 3.1: Resumo dos trabalhos relacionados A proposta deste trabalho é superar as limitações identificadas nos trabalhos citados e em outros encontrados na literatura através de adaptações dinâmicas nos caminhos percorridos pelos fluxos de rajadas para que os seus parâmetros de QoS sejam satisfeitos de forma absoluta. 3.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste capítulo foram apresentadas as principais formas de se oferecer qualidade de serviço as redes ópticas de comutação por rajadas, mostrou-semostraram-se também como esses mecanismos podem ser classificados de acordo com a forma de qualidade de serviço é atribuída quantitativamente ou não. Observaram-se também os trabalhos relacionados a esta proposta e os objetivos que se deseja chegar para superar as limitações oferecidas por tais trabalhos e cuja proposta para isso é apresentada no próximo capítulo.

67 52 Capítulo 4 ARQUITETURA DE GERENCIAMENTO DINÂMICO DE QOS Como dito na Seção 2.3, em redes OBS, há uma otimização no uso dos recursos ópticos comparada ao paradigma de comutação de circuitos ópticos, já que após o envio dos dados (rajada óptica), os recursos são liberados para que possam ser utilizados por outras rajadas. No entanto, o OBS não oferece mecanismos adequados para gerenciar classes de serviços que possuem requisitos explícitos de desempenho, como, por exemplo, garantir um mínimo de probabilidade bloqueio, de atraso fim-a-fim ou de variação do atraso e, a partir desta análise, tomar uma decisão que envolva a utilização de recursos disponíveis na rede. Neste capítulo, é apresentado o modelo de arquitetura bem como a proposta para fornecer esse comportamento dinâmico no gerenciamento da qualidade de serviço em redes OBS. Além disso, são observados os agentes que auxiliam arquitetura DQM a realizar o monitoramento das classes de serviço e realizar as ações reativas na redesnas redes com o objetivo de oferecer recursos ociosos e garantir o contexto contratados para cada classe de rajada. Na Seção 4.1, tem-se a visão da arquitetura que é utilizada para fazer o gerenciamento dinâmico da qualidade serviço em classes de rajadas ópticas. Já na Seção 4.2 são apresentados os agentes que são utilizados nos nós das redes OBS para

68 53 monitorar as classes de serviços de acordo com os seus requisitos requeridos absolutamente. Na Seção 4.3 são abordadas as modificações sofridas pela arquitetura OBS para adequar a proposta a redes OBS baseadas no GMPLS. A Seção 4.4 trata de um exemplo de funcionamento da proposta. Por fim, a Seção 4.5 apresenta as considerações finais do capítulo. 4.1 ARQUITETURA DQM Para auxiliar na qualidade de serviço em redes OBS, é proposta uma arquitetura para gerenciamento dinâmico de QoS (DQM Dynamic QoS Management), que oferece ferramentas para proporcionar um melhor controle e monitoração das classes de serviços suportadas pela rede OBS. Na Figura 4.1, temos a ilustração da visão geral da arquitetura DQM. Figura 4.1: Visão geral da arquitetura DQM Na Figura 4.1, observa-se como estão relacionados os papéis de cada objeto participante da arquitetura DQM e observa-se também o fluxo de interatividade entre os

69 54 objetos relacionados. A Figura 4.1, ilustra também quatro objetos importantes na arquitetura são eles: o objeto Agente, objeto Métricas, objeto Políticas e objeto Tomadas de Decisãoões. Onde o conjunto, desses objetos, interage diretamente com a camada de gerenciamento de rede (plano de controle) e com isso, obter informações das rededas redes e conseguir fazer os ajustes dinâmicos dentre da rede OBS, no momento em que ocorre alguma quebra de contexto (regras de desempenho quantitativo das classes de serviço que devem ser obedecidas de forma absoluta) em alguma classe de tráfego de rajada Objeto Métricas O papel da métrica é informar quais critérios são analisados como, por exemplo, a probabilidade de bloqueio sofrida por uma determinada classe de rajadas. Para este trabalho está se abordando apenas a verificação da probabilidade de bloqueio. A arquitetura DQM, porém, está sendo preparada para suportar a análise de outras métricas, como: atrasos (delay) e a variação do atraso (jitter), que são essenciais em aplicações de voz e vídeo. Quando uma rajada ou BCP chegam ao nó OBS, essa informação é processadoprocessada fazendo com que o DQMA atualize a sua tabela de métricas com os novos valores de probabilidade de bloqueio para a classe de serviço analisada. Neste trabalho a métrica que está sendo abordada é a probabilidade de bloqueio δ probi, que é dada pelo número total de rajadas bloqueadas B TBLi dividido pelo número total de rajadas bloqueadas B TBLi mais o número total de rajadas recebidas B TACi pelo nó, na classe i. (1)

70 55 Os resultados obtidos em (1) correspondente à probabilidade de bloqueio atual que são informados às políticas que verificarão se houve ou não quebra de contexto Objeto Políticas O papel das políticas é policiar as classes de rajadas mediante o nível de QoS que pode suportado por elas, ou seja, as políticas contêm QCL (QoS Control List) ou o contexto que deve ser obedecido absolutamente por cada classe de rajada. Na Tabela 4.1, temos um exemplo de QCLs que são utilizadas pela arquitetura DQM em função das suas métricas máximas suportadas. Portanto a cada medição da probabilidade de bloqueio esse valor é comparado ao valor da política que deve ser obedecido caso ocorra uma quebra no contexto da classe a arquitetura DQM aplicará as tomadas de decisões. Classe Probabilidade de Bloqueio (%) Atraso (ms) Variação do atraso (ms) Alta 10% 5 2 Média 20% 10 3 Baixa 30% 15 4 Tabela 4.1. Exemplo das políticas ou QCLs Objeto Tomada de Decisão O papel da tomada de decisão junto à arquitetura DQM é tratar as ações que são realizadas em caso de violação de políticas (quebra de QCLs ou contexto) de qualquer uma das classes de rajadas. Tais ações podem ser o envio de alarme para outros agentes da arquitetura avisando que houve uma quebra de contexto por um fluxo de uma determinada classe de serviço ou uma interação com o plano de controle GMPLS para fazer o reroteamento do fluxo de uma determinada classe de rajada.

71 Objeto Agente O papel do agente é fazer a integração entre a arquitetura e a rede óptica OBS, ou seja, os agentes são responsáveis por monitorar a rede e realizar ações de gerenciamento de QoS. Os agentes estão espalhados em toda parte da rede OBS e são classificados como agente de Núcleo ou agente de Borda, comunicando-se entre si através de mensagens, sendo que estas podem ser: uma consulta à tabela de métricas ou um alarme avisando que houve uma quebra de contexto em uma classe de fluxo de dados e que seja tomada uma decisão para reduzir o índice de violação para o máximo permitido. Os agentes DQM são mais detalhadamente na próxima seção. 4.2 AGENTE DQM O DQMA (Dynamic QoS Management Agent) é incorporado aos nós da rede OBS, conforme ilustrado na Figura 4.2. Conforme dito anteriormente, o DQMA pode ser classificado como DQMA de núcleo ou DQMA de borda Figura 4.2: Agentes DQMA

72 57 O DQMA de núcleo possui como função atualizar as tabelas de métricas à medida que o tráfego passa pelo nó e gerar um sinal de alarme para o DQMA de borda caso ocorra quebra de contexto de QoS para uma determinada classe de rajada. As métricas armazenadas nestas tabelas são a probabilidade de bloqueio, atraso e variação do atraso, calculada para cada fluxo de rajada que é classificado em uma das classes, conforme ilustrado na figura 4.3. Figura 4.3: Informações e ações utilizadas pelo agente DQM de núcleo A Tabela 4.2 mostra um exemplo de como essas métricas são estruturadas dentro do agente DQMA. Fluxo Classe Rajadas Aceitas Rajadas Bloqueadas Probabilidade de Bloqueio 0 Alta ,2 % 1 Média ,6 % 2 Alta ,4 % 3 Baixa ,7 % Tabela 4.2. Informações de métricas armazenadas no DQMA (exemplo) O agente DQMA de núcleo recebe o contexto de cada classe, que contém informações de medidas de QoS (por ex. valor máximo de probabilidade de bloqueio

73 58 suportada pela classe) que devem ser obedecidas de forma absoluta. Essas informações são armazenadas em uma tabela de políticas semelhante à ilustrada na Tabela 4.2. Em seguida, é feita uma comparação entre o valor da métrica coletada pelo agente com os limites definidos na tabela de políticas. Em caso de quebra de contexto, o DQMA de núcleo envia um alerta para o DQMA de borda informando em qual classe ocorreu a violação do contexto e qual fluxo dessa classe é o maior prejudicado. Já o DQMA de borda possui as mesmas funções do DQMA de núcleo, com a diferença de que o agente de borda é capaz de receber e processar sinais de alarme enviados por agentes de núcleo, fazer consultas da tabela de métricas de qualquer fluxo de rajadas para cada classe em qualquer DQMA de núcleo e interagir com o plano de controle GMPLS para desviar fluxos que estejam violando o seu contexto de QoS, utilizando para isso a característica de engenharia de tráfego do GMPLS. O DQMA de borda armazena também rotas alternativas disponíveis para cada classe de serviço, onde o número de caminhos alternativos para cada classe vai depender do número de rotas disponíveis na rede, ou seja, quantidade de rotas alternativas varia para cada classe e em função dos recursos disponíveis na rede, e que podem ser utilizadas a qualquer momento em caso de quebra de contexto. AsO ações executas pelo DQMA de borda. Figura 4.4: Informações e ações utilizadas pelo agente DQM de borda