Capítulo 4. Integração de Redes IP com Rede Ópticas * Centro de Informática Av. Professor Moraes Rego, 1235 Cidade Universitária Recife PE Brasil

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1 Capítulo 4 Integração de Redes IP com Rede Ópticas * Jeísa Oliveira 1, Anderson Costa 1, Ramide Dantas 1, Eduardo Souto 1,2 Carlos Kamienski 1, Djamel Sadok 1 1 Universidade Federal de Pernambuco Centro de Informática Av. Professor Moraes Rego, 1235 Cidade Universitária Recife PE Brasil 2 Universidade Federal do Amazonas Av. Gal. Rodrigo O. Ramos, 3000 Campus Universitário Manaus AM Brasil {jpo, afbfc, rasd, ejps, cak, jamel}@cin.ufpe.br Resumo Este documento aborda os principais conceitos, modelos, características, problemas e desafios encontrados na integração das redes ópticas e IP. O plano de controle, que se refere à infra-estrutura e inteligência distribuída que controla o estabelecimento e manutenção das conexões na rede, é discutido em detalhes. Essa inteligência é tipicamente realizada por vários protocolos de comunicação que podem ser classificados em sinalização, roteamento, gerenciamento de enlace e recuperação. O objetivo é fornecer ao leitor subsídios para compreender e avaliar os aspectos envolvidos na integração de redes IP com redes ópticas e as soluções atualmente existentes. Abstract This document focuses the main concepts, models, characteristics and challenges involved with the integration of IP and optical networks. The control plane, the distributed infrastructure and intelligence controlling the establishment and maintenance of network connections, is presented in details. This intelligence typically is fulfilled by various communication protocols, classified as signaling, routing, link management and recovery. Therefore, this document aims at providing enough information for understanding ad evaluation aspects involved with the integration of IP and optical networks and also the current existing solutions. * Este trabalho foi parcialmente financiado pelo CPqD e pela CAPES.

2 4.1. Introdução Com o surgimento de novas aplicações e serviços, a infra-estrutura da Internet está se movendo em direção a um modelo formado por roteadores de alta velocidade conectados por um núcleo de redes ópticas [1]. A arquitetura escolhida para a interação entre as camadas de redes IP e ópticas ainda está em desenvolvimento. Novas tecnologias, tais como DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) e comutadores ópticos inteligentes, têm sido propostas para as redes ópticas. Embora o aparecimento dessas tecnologias tenha direcionado uma nova era na comunicação de alta velocidade, novos problemas têm surgido. As redes ópticas devem ser versáteis de modo a comportar a interoperabilidade dos diversos elementos que as compõem. Ao mesmo tempo, existe um consenso na indústria de que a inteligência de uma rede óptica (ou seja, seu plano de controle) deva utilizar protocolos baseados em IP para dinamicamente estabelecer, supervisionar e liberar rotas através das sub-redes ópticas. Contudo, algumas questões e requisitos que são específicos das redes ópticas devem ser entendidos para que, de forma ajustável, seja possível adotar os protocolos baseados em IP. Além disso, existem visões diferentes sobre o modelo de interação entre as redes ópticas e redes clientes (por exemplo, redes IP). As principais alternativas de integração são discutidas neste curso. Existem duas questões fundamentais relacionadas à arquitetura IP sobre redes ópticas. A primeira é a adaptação e reuso dos protocolos do plano de controle IP dentro do plano de controle de redes ópticas. A segunda questão é o transporte do tráfego IP através da rede óptica. O objetivo deste curso é apresentar um arcabouço sobre a integração de redes IP com redes ópticas cobrindo os requisitos e mecanismos para estabelecer um plano de controle óptico baseado em IP. A gerência de redes ópticas dinâmicas é outro ponto importante. A infraestrutura de gerenciamento de rede existente é inadequada para lidar com estas redes. Os provedores de serviço geralmente gerenciam seus backbones usando sistemas de gerenciamento fornecidos pelos fabricantes dos equipamentos ou desenvolvidos sob encomenda. Devido à natureza proprietária dos sistemas de gerenciamento, torna-se difícil e custoso integrar novas tecnologias e oferecer novos serviços com a infraestrutura existente. Além disso, o risco de falhas acidentais aumenta. O crescimento da complexidade das redes ópticas torna esse problema ainda pior [2]. Algumas terminologias e conceitos relacionados a redes ópticas são apresentados na subseção seguinte. O objetivo é fornecer uma visão das tecnologias emergentes que tornarão possível a implementação das arquiteturas de integração das redes ópticas e IP Conceitos de Redes Ópticas Uma alternativa interessante para aumentar a capacidade de transmissão das redes existentes é utilizar a transmissão simultânea de diversos canais na mesma fibra, utilizando multiplexação por divisão do comprimento de onda (WDM Wavelength Division Multiplexing). De maneira simples, um sistema WDM pode ser visto como um conjunto de canais ópticos, cada um usando diferentes comprimentos de onda, mas todos partilhando um único meio de transmissão. Tais sistemas transportam dezenas a

3 centenas de comprimentos de onda por fibra, com cada comprimento de onda modulado a uma taxa de 10 Gbps ou superior [3]. A transmissão de dados através de uma camada óptica envolve vários dispositivos com diferentes papéis, provavelmente desenvolvidos por diferentes fabricantes. Para melhor entender a complexidade da integração entre as redes IP e óptica, esta seção apresenta alguns dos principais componentes de uma rede óptica moderna. A arquitetura de uma rede óptica, mostrada na Figura 1, basicamente consiste de terminais ópticos (OLTs Optical Line Terminals), multiplexadores (OADMs Optical Add/Drop Multiplexers) e comutadores (OXCs Optical Crossconnects) interconectados através de enlaces de fibra. Amplificador OXC OXC OXC OLT Roteador IP Lightpath 2 OADM 1 Termina latm Termina lsonet Roteador IP 1 2 Roteador IP Roteador IP Figura 1. Arquitetura de redes ópticas: OLTs, amplificadores, OADMs e OXCs Conforme observado na Figura 1, a rede fornece caminhos ópticos (lightpaths) para redes clientes, como redes IP, ATM e SONET. Um caminho óptico consiste de um canal óptico, ou comprimento de onda (), entre dois nós na rede, interconectados por múltiplos nós intermediários. OLTs Optical Line Terminals OLTs são elementos de rede utilizados no início e no fim de um enlace para multiplexar e demultiplexar comprimentos de ondas. Os principais elementos funcionais que compõem uma OLT são os transponders e os multiplexadores/demultiplexadores. A Figura 2 apresenta a composição de um OLT.

4 Figura 2. Principais componentes de um OLT Um transponder adapta o sinal de entrada (vindo de um cliente da rede óptica) para um sinal que possa ser utilizado dentro da rede óptica. Em casos onde a interface do equipamento da rede cliente possui funções de adaptação de comprimento de ondas, o uso de transponders é desnecessário, como mostra a Figura 2 para um elemento da rede SONET. O sinal de saída de um transponder é multiplexado em diferentes comprimentos de onda por um multiplexador. Amplificadores Ópticos Em um sistema de comunicação, os sinais ópticos de um transmissor são atenuados durante suas propagações nas fibras ópticas. Assim, não há como garantir a integridade do sinal a longas distâncias sem que o sinal seja amplificado. Basicamente existem três tipos de amplificadores ópticos: EDFA (Erbium-Dobed Fiber Amplifier), Raman e semicondutores [4]. Esses amplificadores possibilitaram a amplificação dos comprimentos de onda sem a necessidade da conversão óptica-elétrico-óptica (O/E/O). Por exemplo, os EDFAs usam fibras ópticas dopadas com o elemento químico Érbio (Er). A estimulação dos átomos de Érbio causado por um laser bomba efetua a emissão de fótons na mesma faixa do sinal, contribuindo para a sua amplificação. Esse processo de amplificação é apresentado na Figura 3. Figura 3. Diagrama de blocos de um amplificador EDFA Multiplexadores Ópticos Os OADMs (Optical Add/Drop Multiplexers) são usados na rede para inserir (add) ou extrair (drop) canais ópticos (comprimentos de onda) de uma transmissão óptica. Um exemplo do papel de um multiplexador add/drop é apresentado na Figura 4. Nó A Nó B Nó C OADM (ADD/DROP)

5 Figura 4. Exemplo de uso de um OADM em uma rede óptica Comutadores Ópticos A função mais importante dos comutadores ópticos é o aprovisionamento dos caminhos ópticos. Como mencionado anteriormente, um caminho óptico é uma conexão entre dois nós na rede que é configurada pela atribuição de um comprimento de onda dedicado ao enlace estabelecido entre os nós. Em redes ópticas, o elemento responsável por comutar comprimentos de onda de uma porta de entrada para uma porta de saída é denominado de OXC (Optical Crossconnect). O processo de comutação pode exigir uma conversão óptico-elétrica (O/E) na porta de entrada e uma conversão elétrico-óptico (E/O) na porta de saída, ou pode ser totalmente óptico (O/O/O). No caso de uma conversão ópticoelétrico-óptico (O/E/O) ocorrer nos nós ao longo de um caminho óptico (nós intermediários), a rede é dita opaca. Por outro lado, quando o sinal óptico não sofre nenhuma conversão quando passa pelos nós intermediários, a rede óptica é denominada de transparente. Em uma rede óptica transparente, os nós ao longo de um caminho óptico não têm acesso ao conteúdo da informação trafegada. Um OXC deve possuir um plano de controle que executa ações necessárias aos protocolos de roteamento e sinalização em uma rede óptica. As principais funções fornecidas por um OXC são: 1. Serviço de aprovisionamento um OXC pode ser usado para aprovisionar os caminhos ópticos na rede de forma automatizada. 2. Escalabilidade os OXCs têm um grande número de portas (na faixa de dezenas a milhares) e são capazes de comutar comprimentos de onda de uma porta de entrada para outra de saída. 3. Proteção o crossconnect é um elemento de rede inteligente que a partir de uma falha detectada na rede pode rapidamente estabelecer novas rotas aos caminhos ópticos atingidos pela falha. 4. Conversão de comprimento de onda além de comutar o sinal óptico de uma extremidade à outra, os OXCs podem também incorporar capacidades de conversão de comprimentos de onda Organização do Curso Além desta seção introdutória, este capítulo é composto de mais cinco seções, as quais fornecem ao leitor subsídios para a compreensão dos aspectos envolvidos na integração de redes IP com redes ópticas. Na Seção 2 são apresentadas algumas alternativas arquiteturais para integração de redes IP sobre redes ópticas, trazendo também considerações sobre as interfaces e os modelos de interconexão dessas redes. A Seção 3 descreve as principais funções e protocolos de comunicação necessários para o desenvolvimento de um plano de controle de uma rede óptica moderna. A Seção 4 apresenta e discute alguns cenários de

6 implantação de planos de controle. A Seção 5 oferece ao leitor uma visão prática da teoria abordada no curso. São expostos os objetivos do Projeto GIGA e suas áreas de pesquisa, focalizando na área de Redes Óptica, mais especificamente na sub-área de IP sobre DWDM. Por fim, a Seção 6 traz as considerações finais, tratando sobre os diferentes esforços de padronização existentes relativos à integração IP/Redes Ópticas, as soluções futuras e os tópicos de pesquisa no campo das redes ópticas IP sobre Redes Ópticas Nesta seção são analisados os aspectos de integração entre redes IP e redes ópticas. Primeiro, são apresentadas as alternativas arquiteturais que permitem trafegar pacotes IP sobre uma infra-estrutura de transporte óptica. Em seguida, são discutidas questões relacionadas à interconexão entre redes IP/Ópticas. São apresentadas as interfaces existentes entre essas redes e os modelos de interconexão que podem ser adotados Arquiteturas de Integração No sentido de permitir que tráfego IP seja transportado sobre uma óptica de transporte, um cenário bastante comum é constituído por uma arquitetura em quatro camadas: IP sobre ATM sobre SDH/SONET sobre DWDM. Aplicações e serviços utilizam o IP para trafegar seus dados. A tecnologia ATM (Asynchronous Transfer Mode) possibilita engenharia de tráfego e gerenciamento de banda; em especial, permite a definição de canais virtuais que constituirão as adjacências de roteamento e de dados no nível IP. A conectividade ponto a ponto e o transporte sobre a fibra óptica são fornecidos pelo SONET/SDH (Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy), que também provê recuperação rápida de falhas no nível físico. Por fim, tem-se o DWDM (Dense WDM) estaticamente configurado, multiplicando a capacidade de transmissão das fibras. Essa arquitetura tira proveito de funcionalidades oferecidas por tecnologias propostas em contextos distintos, combinado-as em um cenário de integração funcional, porém, com algumas desvantagens. Cada uma dessas tecnologias tem personalidade própria, com complexidades inerentes, e potencializadas quando combinadas. Funcionalidades redundantes, e incompatíveis, contribuem para o aumento da complexidade (por exemplo, mecanismos de QoS - Quality of Service, são oferecidos no nível IP e também no ATM). O custo dessa complexidade desnecessária reflete em toda a rede, o que torna a manutenção das quatro camadas bastante onerosa à medida que o volume de tráfego aumenta. Do ponto de vista técnico, a abordagem em multicamadas tende a se adaptar lentamente ao aumento no volume de tráfego, uma vez que uma única camada pode limitar a escalabilidade das outras, e por fim, de toda a rede. O overhead proporcionado pelo encapsulamento de pacotes IP sobre ATM 2 pode gerar o desperdício de até 25% da banda disponível [2]. Visando melhorar a utilização da capacidade da rede, uma arquitetura alternativa pode eliminar a camada ATM, dispondo IP sobre SDH/SONET. Para tanto, pode ser usado o protocolo PPP (Point-to-Point Protocol), que define mecanismos para lidar com enlaces ponto-a-ponto 2 Na abordagem clássica, cada pacote IP é colocado dentro de um quadro AAL5 (ATM - Adaptation Layer Type 5). Ver [6] para mais informações.

7 e realiza o enquadramento HDLC[7] dos pacotes IP para transmissão sobre o SDH/SONET[8]. Eliminando-se a camada ATM, perde-se a flexibilidade da engenharia de tráfego e o controle sobre a banda dos enlaces. Essas funcionalidades podem ser compensadas em parte com a utilização do MPLS (Multiprotocol Label Switching) no nível IP. As altas taxas proporcionadas pelo transporte óptico sugerem a possibilidade de remover as camadas ATM e SDH/SONET e integrar IP e DWDM diretamente [5]. Como resultado, é esperada uma rede mais simples e menos onerosa, mais flexível e com capacidade para transportar grandes volumes de dados. Para que seja possível essa integração, funções das camadas suprimidas devem ser assimiladas pelas camadas restantes. Neste novo cenário, se consolida a proposta de estender o MPLS para possibilitar o controle dos elementos ópticos, incluindo a adaptação de protocolos de roteamento e sinalização do mundo IP. Este processo conduz a definição de um plano de controle padronizado capaz de gerenciar este novo ambiente, para o qual o GMPLS (Generalized MPLS) surge como opção mais adequada. A Figura 5 resume o processo de evolução que culminou no modelo de integração IP/GMPLS sobre DWDM IP ATM SONET-SDH DWDM IP/MPLS SONET-SDH DWDM IP/GMPLS DWDM Figura 5. Evolução das arquiteturas de integração IP-Óptico O GMPLS e suas extensões serão retomados e explicados com mais profundidade na seção Interfaces de Interconexão O interesse da indústria pela próxima geração de redes ópticas com comutação automática de comprimentos de onda causou a surgimento de diversas soluções proprietárias. No entanto, em um ambiente de integração de redes heterogêneas, não é esperada uma boa interoperabilidade entre essas soluções. Esse cenário conduziu ao desenvolvimento de procedimentos padronizados visando o funcionamento em conjunto dessas soluções [9]. Para tanto, é preciso que sejam definidos: 1. Domínios de controle e pontos de referência/acesso associados a estes domínios; 2. Serviços oferecidos pelas redes de transporte através de domínios de controle; 3. Protocolos usados para sinalizar a invocação desses serviços através das interfaces; 4. Mecanismos para transportar as mensagens de sinalização.

8 As interfaces de controle definem pontos onde ocorre a interação entre domínios de controle distintos. Por meio dessas interfaces ocorre a comunicação entre os planos de controle desses domínios, possibilitando a descoberta dos serviços oferecidos por cada rede e a requisição dos serviços por parte da rede cliente. Com esta proposta, são definidos três tipos de interfaces de interconexão. Essas três interfaces são listadas a seguir: User-Network Interface (UNI): Interface de controle entre um elemento da rede cliente e um elemento de borda da rede óptica. Exterior Network-Network Interface (E-NNI): Interface de controle entre duas sub-redes pertencentes a domínios de controle diferentes. Interior Network-Network Interface (I-NNI): Interface de controle entre duas sub-redes dentro de um domínio de controle. A Figura 6 a seguir ilustra os cenários de uso dessas interfaces: Domínio de Controle Domínio de Controle Sub-rede UNI E-NNI UNI I-NNI UNI E-NNI UNI Figura 6. Interfaces de interconexão e seus cenários de uso A UNI definida pelo OIF (Optical Internetworking Forum) [10] tem como função principal permitir a criação e destruição de conexões sob demanda. Uma conexão é definida como um circuito (uni ou bidirecional) com largura de banda fixa, estabelecido entre um ponto de entrada (ingress point) e um ponto de saída (egress point) da rede de transporte. No contexto GMPLS, uma conexão é mapeada em um LSP (Label Switched Path) estabelecido entre elementos da rede óptica que fazem interface com redes clientes (ver seção 4.3.2). A UNI-OIF é divida em duas entidades: UNI-C e UNI-N. A UNI-C é parte do lado cliente, enquanto a UNI-N faz parte da rede de transporte, porém ambas podem estar no mesmo elemento de rede (elemento de borda). Entre UNI-C e UNI-N ocorre a sinalização para criação, encerramento e obtenção do status de uma conexão. Embora a UNI não faça parte da especificação do padrão GMPLS, a função de sinalização requerida por ela se assemelha à oferecida pelos protocolos de sinalização RSVP-TE e CR-LDP, suportados pelo GMPLS. Com algumas extensões, esses protocolos de sinalização podem ser utilizados para a sinalização UNI. Similarmente, outras funções atribuídas à UNI pelo OIF, como o gerenciamento de enlaces entre os elementos de rede, podem ser fornecidas pelo protocolo LMP. Este pontos serão abordados com mais detalhes na seção

9 Modelos de Interconexão Na interconexão de redes IP e redes de transporte ópticas, diversos aspectos devem ser considerados sob os pontos de vista técnico e administrativo das redes envolvidas. Estes aspectos dizem respeito, principalmente, à interação dos protocolos de roteamento e sinalização dessas redes, isto é, de seus planos de controle. Os modelos de interconexão definem níveis de integração dos planos de controle das redes IP e óptica. Três modelos de integração têm sido propostos [11], [12] e [5], e serão discutidos a seguir. Esses modelos vão desde uma abordagem de separação total (modelo Overlay) até a unificação dos planos de controle (modelo Peer), passando por um modelo intermediário com integração parcial (modelo Augmented). Modelo Overlay No modelo Overlay (sobreposição), o paradigma de interação das redes é Cliente/Servidor: a redes IP são clientes da rede óptica, de forma que a função da rede óptica é fornecer conectividade ponto-a-ponto entre as redes IP clientes. Essas redes clientes não têm acesso à topologia interna da rede óptica de transporte, enxergando apenas as outras redes IP conectadas à rede óptica. Esse modelo é similar ao modelo de integração IP sobre ATM clássico. Ao esconder o conteúdo da rede de núcleo, o modelo Overlay define fronteiras administrativas e de controle entre a rede de núcleo e as redes clientes. Neste modelo, ilustrado na Figura 7, os planos de controle das redes IP e óptica são independentes. Também são distintos os esquemas de endereçamento adotados. Os roteadores de borda das redes cliente não participam da mesma instância do protocolo de roteamento em execução no núcleo da rede; em particular, os elementos de borda desconhecem a topologia do núcleo. Podem existir, no entanto, interações de roteamento entre elementos de borda (roteadores) e de núcleo (comutadores ópticos) para permitir a troca de informações de alcançabilidade com outros elementos de borda [12]. A sinalização entre as redes é feita por meio de interfaces de serviço nas bordas da rede óptica, como a UNI, pelas quais as redes clientes requisitam a criação e o encerramento de caminhos ópticos. Esses caminhos ópticos, que também podem ser estabelecidos a priori, interconectam as redes clientes nas bordas da rede óptica de transporte de forma transparente. Rede Cliente UNI Rede Óptica de Transporte UNI Rede Cliente UNI UNI Figura 7. Exemplo de configuração de rede seguindo o modelo Overlay Os caminhos ópticos, após serem estabelecidos, podem ser tratados como enlaces ponto-a-ponto na camada IP, interconectando roteadores de borda das redes clientes. Porém, esta abordagem pode levar a um alto overhead de roteamento.

10 Considerando n o número de roteadores de borda das redes clientes, o número de adjacências de roteamento entre estes roteadores é O(n 2 ), mesma proporção do número de conexões possíveis. Esta condição pode conduzir ao colapso da rede quando mudanças nos estados do enlaces forem freqüentes [5]. Modelo Peer No modelo Peer, as redes IP e óptica são geridas por uma única instância do plano de controle. Roteamento e sinalização são unificados: roteadores IP e comutadores ópticos operam em conjunto, de forma que as interações entre elementos na borda e no núcleo da rede são as mesmas que ocorrem entre elementos de núcleo. Isto permite ao roteador IP ter acesso à topologia física da rede de núcleo. Também é adotado um esquema de endereçamento comum a todas as redes. As interfaces de serviço entre as redes IP e óptica deixam de existir; os serviços definidos por essas interfaces são incorporados à sinalização. Um exemplo interconexão de redes segundo o modelo Peer é apresentado na Figura 8. Rede Cliente Rede Óptica de Transporte Rede Cliente Figura 8. Exemplo de configuração de rede seguindo o modelo Peer Caso seja necessária conectividade total entre elementos de borda das redes cliente, ainda é requerida uma malha de O(n 2 ) conexões ponto-a-ponto, porém, exclusivamente para o propósito de transporte dos dados. No modelo Peer, o dispositivo de borda é adjacente, do ponto de vista do roteamento, ao comutador óptico ao qual está diretamente conectado, ao invés de outros dispositivos de borda, como pode ocorrer no modelo Overlay. Com O(n) adjacências de roteamento, um malha completa com O(n 2 ) caminhos de dados pode ser suportada. Isto permite aos protocolos de roteamento se adaptarem a redes de grande porte [5]. Modelo Augmented O modelo Augmented (aumentado) é um modelo intermediário entre o modelo Peer e o Overlay, combinando funcionalidades de ambos. Nesse modelo, são executadas instâncias diferentes dos protocolos de roteamento em cada rede. No entanto, existe uma troca limitada de informações de topologia entre as redes, visando principalmente permitir o compartilhamento de informações de alcançabilidade entre os elementos de borda, resultando em uma opacidade parcial da rede de núcleo. Estes elementos de borda participam de ambos os planos de controle, criando um cenário onde os planos de controle estão parcialmente sobrepostos. O modelo de interconexão idealizado para a próxima geração de redes ópticas é o modelo Peer. No entanto, a implementação desse modelo ainda é pouco viável, restando como alternativa mais tangível o modelo Overlay. O modelo Augmented seria

11 um passo intermediário, partindo do modelo Overlay, no sentido de se atingir o modelo Peer. Na seção 4.4 são discutidas questões de implementação envolvendo os três modelos. O conjunto de funções requeridas para dar suporte ao modelo Overlay é um subconjunto das funções necessárias à implementação do modelo Peer. Pode-se obter uma configuração de rede segundo o modelo Overlay partindo-se de um modelo Peer e desabilitando administrativamente o compartilhamento de topologia, mantendo preservadas as funções de sinalização de conexões. Essa observação sugere que um único conjunto de protocolos com flexibilidade suficiente para suportar ambos os modelos pode ser a abordagem mais eficiente também em termos de custo. Isto torna essa solução bastante atrativa às operadoras de serviços, pois oferece flexibilidade para implantar o modelo mais adequado para suas necessidades técnicas, seja Peer, Overlay, ou alguma abordagem híbrida. A arquitetura concebida para o GMPLS, como será visto, não restringe a escolha do modelo de interconexão, dando suporte a qualquer uma dessas implementações Plano de Controle Óptico Baseado em IP Esta seção descreve uma arquitetura de alto nível para um plano de controle de uma rede óptica moderna. Também são apresentados as principais funções e protocolos de comunicação necessários para o estabelecimento e manutenção das conexões na rede Estrutura de Planos: Transporte, Controle e Gerenciamento As redes ópticas de comutação automática (ASON Automatic Switched Optical Network), como definidas pelo ITU-T em [13], são constituídas de três planos: o plano de transporte, o plano de controle e o plano de gerenciamento. A Figura 9 ilustra os três planos, detalhando a interação entre os domínios da rede e as entidades de cada plano. Como pode ser observado na Figura 9, as conexões inter e intradomínio dentro do plano de controle são realizadas pelas interfaces I-NNI e E-NNI, respectivamente, e a comunicação entre o plano de controle e o domínio do usuário ocorre através da UNI (ver seção 4.2.2). O plano de controle é a inteligência da rede óptica. Essa inteligência encontra-se distribuída na rede, nos controladores de conexão óptica (OCC - Optical Network Controller), e é realizada através de protocolos de sinalização, roteamento, entre outros. Por ser o foco desse minicurso, o plano de controle, suas funções e seus protocolos serão abordados mais detalhadamente nas próximas seções. Os planos de controle e de transporte se comunicam utilizando a interface CCI (Connection Control Interface), através da qual são trocadas mensagens de controle para estabelecimento e encerramento de conexões, e informações sobre o estado das conexões. O plano de transporte abrange a lógica e o hardware necessários para a transferência física de dados na rede. Em outras palavras, o plano de transporte é composto por uma rede de transporte óptica que provê canais ópticos unidirecionais ou bidirecionais entre usuários e detecta informações sobre o estado da conexão. As conexões fim a fim são estabelecidas dentro do plano de transporte e controladas pelo plano de controle.

12 Domínio Cliente Plano de Controle UNI Domínio A OCC I-NNI OCC CCI OXC OXC E-NNI PI Domínio B OCC OXC NMI NMI Plano de Gerenciamento Plano de Transporte CCI E-NNI I-NNI NMI Connection Control Interface External Node to Node Interface Internal Node to Node Interface Network Management Interface OCC Optical Network Controller OXC Optical Cross Connect PI Physical Interface UNI User Network Interface Figura 9. Planos de uma rede óptica (ASON) O plano de gerenciamento se conecta com os outros dois planos através da NMI (Network Management Interface), interface de gerenciamento necessária para realizar as operações de manutenção do sistema. O plano de gerenciamento é responsável pela supervisão, configuração e faturamento da rede, ou seja, ele compreende os sistemas, interfaces e protocolos usados para gerenciar os planos de transporte e de controle. No âmbito da IETF, atualmente os esforços de padronização com relação a gerenciamento se concentram na definição de MIBs (Management Information Base) de equipamentos ópticos [14], [15], [16] e [17]. Quanto ao plano de controle, a IETF enfoca os aspectos práticos, definindo padrões que, na medida do possível, estejam de acordo com as recomendações do ITU-T Arquitetura GMPLS O GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching) [11] é a proposta da IETF para implementação do plano de controle. Consiste em uma generalização do MPLS (Multiprotocol Label Switching) que estende o encaminhamento de dados baseado em rótulos para dispositivos de comutação não baseada em pacotes. O GMPLS acrescenta outros tipos de comutação: comutação por timeslot, por comprimento de onda (lambda) e por fibra óptica (isto é, portas físicas). Assim como no MPLS, a arquitetura do GMPLS encontra-se dividida em dois planos: um plano de encaminhamento e um plano de controle. Basicamente, a arquitetura do MPLS é estendida para incluir LSRs (Label Switching Routers) cujo plano de encaminhamento não reconhece pacotes (ou células) e, portanto, não pode encaminhar os dados baseado nas informações contidas nos cabeçalhos de pacotes (ou células). A decisão de comutação desses LSRs é baseada em timeslots, comprimentos de onda ou portas físicas. O GMPLS então define cinco classes de interfaces que um LSR pode apresentar: pacote (PSC Packet Switch Capable interface), célula (L2SC

13 Layer-2 Switch Capable interface), timeslot (TDM Time Division Switch Capable interface), comprimento de onda (LSC Lambda Switch Capable interface) e portas físicas (FSC Fiber-Switch Capable interface). Um circuito (LSP Label Switched Path) pode ser estabelecido apenas entre interfaces de mesmo tipo. No entanto, hierarquias de LSPs (ou LSPs aninhados) podem ocorrer entre interfaces diferentes, como ilustrado na Figura 10. LSP 1 LSP 2 LSP 3 LSP 4 PSC TDM LSC FSC LSP 4 - Fibra LSP 3 - Lambda LSP 2 - Timeslot (TDM) LSP 1 - Pacote Figura 10. Hierarquia de LSPs Um conceito importante introduzido pelo GMPLS é a capacidade de gerar, a partir de um pedido de conexão, o estabelecimento de outra conexão utilizando uma abordagem top-down [18]. Por exemplo, ainda observando a Figura 10, o estabelecimento de um LSP de pacote de 10 Mbps (LSP 1 ) gera o estabelecimento de um LSP TDM (como um VC-4, representado pelo LSP 2 ), que gera o estabelecimento de um LSP Lambda (por exemplo, um canal óptico de 10 Gbps LSP 3 ), que, por sua vez, gera um LSP de fibra (um canal WDM LSP 4 ). A criação dos LSPs de maior ordem, no entanto, é necessária apenas se não existir um LSP com capacidade para suportar o LSP subordinado. No exemplo da Figura 10, o LSP 2 só será criado se não houver um LSP dessa ordem com capacidade suficiente para conter o LSP 1, e assim sucessivamente até o LSP 4. Esse conceito é importante porque está fortemente ligado ao dinamismo das camadas do plano de transporte (sob o GMPLS), as quais podem ser tratadas como entidades separadas mesmo usando uma mesma instância de plano de controle. Extensões ao MPLS-TE Na realidade, o GMPLS é baseado nas extensões de Engenharia de Tráfego (TE) para o MPLS (ou MPLS-TE [19]), visto que a maioria das tecnologias que podem ser usadas abaixo da camada PSC requer alguma forma de engenharia de tráfego. Assim, o GMPLS estende os dois protocolos de sinalização definidos pelo MPLS-TE o RSVP- TE [20] e o CR-LDP [21] e dois protocolos tradicionais de roteamento intra-domínio

14 OSPF-TE [22] e IS-IS-TE [23]. Além disso, o GMPLS propõe um novo protocolo para gerenciamento de enlace, o LMP [24]. Com relação ao modelo de roteamento e endereçamento, o GMPLS é baseado no modelo do IP. Este assume que endereços IPv4 e/ou IPv6 são usados para identificar interfaces e que protocolos tradicionais de roteamento IP são utilizados. Os protocolos OSPF e IS-IS são estendidos para disseminar características TDM, LSC e FSC, estáticas e dinâmicas, relacionadas a nós e enlaces. As camadas TDM, LSC e FSC introduzem problemas de escalabilidade ao endereçamento IP, uma vez que centenas de enlaces físicos (ex. comprimentos de onda) podem interligar dois nós. GMPLS propõe dois mecanismos ópticos para aumentar a escalabilidade de endereçamento e roteamento: enlaces não-numerados (unnumbered links) e agrupamento de enlaces (link bundling). Enlaces não-numerados são enlaces que não possuem endereço IP. Tais enlaces são identificados através de IDs locais atribuídos pelos dois pontos finais (LSRs) do enlace. Um agrupamento de enlaces consiste em divulgar vários (ou todos os) enlaces existentes entre dois LSRs como sendo um único enlace. O conjunto lógico resultante é chamado bundled link e seus enlaces físicos denominam-se enlaces componentes (os quais são identificados por índices de interface). O agrupamento de enlaces aumenta a escalabilidade de roteamento reduzindo a quantidade de informação tratada pelo OSPF e/ou IS-IS através da agregação/abstração de informações. A escalabilidade do MPLS-TE (e conseqüentemente do GMPLS) pode ser melhorada através da agregação de vários LSPs TE dentro de um LSP TE maior. Nós intermediários enxergam apenas o LSP externo, não precisando manter o estado de encaminhamento de cada LSP interno. Esse agregado é chamado Forwarding Adjacency (FA) e pode ser um enlace numerado ou não-numerado. O uso de FAs provê um mecanismo para melhorar a utilização de banda quando sua alocação dinâmica é realizada em unidades discretas 3, uma vez que o LSP é anunciado pelo nó como sendo um enlace TE que pode ser utilizado para computar outros LSPs. Um enlace TE é um enlace lógico que possui propriedades TE. Algumas dessas propriedades podem ser configuradas no LSR que criou o enlace TE, outras podem ser obtidas de outros LSRs utilizando algum protocolo, e outras podem ser deduzidas de enlaces componentes do enlace TE. Um enlace TE entre um par de LSRs não implica que esses dois nós sejam vizinhos IGP (Internal Gateway Protocols), e o LSR precisa saber o status de um enlace TE. Para solucionar esses e outros problemas, a IETF padronizou um protocolo denominado LMP para gerenciar enlaces TE. Esse protocolo permite que nós descubram a identidade e informações detalhadas de nós vizinhos e mantém essas informações atualizadas à medida que as configurações e as propriedades mudam. Outra característica do GMPLS é a capacidade de criação de LSPs bidirecionais. No MPLS, um LSP é unidirecional, sendo necessária a criação de dois LSPs unidirecionais para formar um LSP bidirecional. O GMPLS permite a criação de um 3 Para interfaces de comutação não baseada em pacotes, a alocação de banda é realizada em unidades discretas, devido aos sistemas de transporte que implementam essas interfaces. Por exemplo, um nó SONET atuando como um LSR TDM pode alocar timeslots apenas em incrementos de STS-3 (155,52 Mbps).

15 LSP bidirecional usando um único conjunto de mensagens, o que diminui a latência de estabelecimento do LSP bidirecional. Os tópicos abordados nesta seção serão apresentados em mais detalhes nas seções seguintes Endereçamento Para a interoperabilidade através de sub-redes usando plano de controle baseado em IP, uma questão fundamental é determinar quais entidades devem ser identificadas sob o ponto de vista de roteamento e sinalização [1]. Entidades que podem ser identificadas em redes ópticas incluem OXCs, enlaces ópticos, canais e sub-canais ópticos, etc. Assim, a granularidade da identificação destas entidades deve ser levada em consideração em processo de comunicação. Por exemplo, um OXC pode ter muitas portas, que podem formar vários canais ópticos, que contêm vários sub-canais, etc. Talvez não seja razoável assumir que a cada sub-canal, canal ou mesmo porta de um OXC deva ser atribuído um endereço IP. Isso sugere um esquema de identificação onde OXCs são identificados por um endereço IP e um seletor que identifica as informações de menor granularidade como portas, canais e sub-canais. Com um plano do controle baseado no GMPLS, um rótulo é utilizado para desempenhar tal função [11]. A troca de identificadores pode ser realizada através do protocolo LMP (ver seção 4.3.4), por meio de protocolos de sinalização como RSVP-TE/CR-LDP, ou através de protocolos de roteamento como IS-IS-TE ou OSPF-TE Gerenciamento de Enlace (LMP) As redes ópticas atuais têm sido desenvolvidas com roteadores, switches, crossconnects, sistemas DWDM e multiplexadores add-drop (ADMs), que em geral usam um plano de controle comum (por exemplo, GMPLS) para dinamicamente alocar recursos e manter a rede operacional. Um par de nós pode ter milhares de interconexões, onde cada uma pode consistir de múltiplos enlaces de dados quando multiplexados (por exemplo, slots TDM ou comprimentos de ondas em WDM). Para tornar possível a comunicação entre os nós, por motivos de roteamento, sinalização e gerenciamento de enlace, deve existir um par de interfaces IP que seja mutuamente alcançável. O fato de serem mutuamente alcançáveis não garante que essas interfaces sejam diretamente conectadas por um enlace IP. Pode existir, por exemplo, uma rede IP entre as elas. Além disso, a interface sobre a qual as mensagens de controle são enviadas ou recebidas pode não ser a mesma sobre a qual os dados fluem. No GMPLS, por exemplo, os canais de controle entre dois nós adjacentes podem usar circuitos virtuais, comprimentos de ondas ou mesmo fibras diferentes das utilizadas pelo enlace de dados. A conseqüência em permitir que o canal (ou canais) de controle entre dois nós seja logicamente ou fisicamente separado dos canais de enlaces de dados é que a saúde do canal de controle não está correlacionada com a saúde do enlace de dados, e vice-versa. Neste contexto, a IETF padronizou um protocolo denominado de LMP (Link Management Protocol) [24] que atua entre um par de nós e é usado para gerenciar os

16 enlaces e verificar alcançabilidade do canal de controle. As principais funcionalidades do protocolo LMP, descritas a seguir, são: gerenciamento do canal de controle, correlação das propriedades do enlace, verificação da conectividade do enlace e gerenciamento de falhas. Gerenciamento do Canal de Controle Para iniciar a comunicação entre dois nós LMP adjacentes, um ou mais canais de controle bidirecionais devem estar ativos. Os canais de controle (CCs) podem ser utilizados para trocar informações do plano de controle tais como aprovisionamento do enlace e informações de gerenciamento de falhas (LMP), gerenciamento de caminhos e informações de distribuição de rótulos (RSVP-TE, CR-LDP), e informações sobre a topologia e distribuição do estado da rede (OSPF-TE ou IS-IS). O gerenciamento do canal de controle é usado para estabelecer e manter os canais de controle entre nós adjacentes. Para estabelecer um CC, o endereço IP do destino do canal de controle deve ser conhecido. Este procedimento pode ser manualmente configurado ou descoberto automaticamente. O LMP define três mensagens (Config, ConfigAck e ConfigNack) utilizadas para obter dinamicamente o endereço IP do destino e gerenciar o canal de controle. Os canais de controle existem independentemente dos enlaces TE, e múltiplos CCs podem ser ativados simultaneamente entre um par de nós. Contudo, os parâmetros de cada CC devem ser negociados de forma individual. Uma vez que o canal de controle entre dois nós adjacentes é ativado, um protocolo Hello pode ser utilizado para manter a conectividade e detectar falhas no CC. Correlação das Propriedades do Enlace A função de correlação das propriedades do enlace do LMP é projetada para agregar múltiplos enlaces de dados (portas ou componentes dos enlaces) em um enlace TE e para sincronizar as propriedades do enlace TE entre nós adjacentes. Essa tarefa é realizada através da troca de mensagens LinkSummary. Uma mensagem LinkSummary inclui os identificadores do enlace remoto e local, uma lista de todos os enlaces de dados que compõe um enlace TE, e várias propriedades do enlace. O conteúdo dessa mensagem é construído usando objetos LMP, que podem ser negociáveis ou não. Objetos negociáveis podem ser usados por ambos os lados para concordarem sobre certos parâmetros do enlace (por exemplo, velocidade da porta). Uma mensagem LinkSummaryAck ou LinkSummaryNack deve ser enviada em resposta ao recebimento de uma mensagem LinkSummary indicando a concordância ou não das propriedades do enlace. Verificação da Conectividade do Enlace No LMP é definido um procedimento opcional para verificar a conectividade dos enlaces de dados e dinamicamente descobrir as associações entre enlace TE e os identificadores das Interfaces. Este procedimento deve ser feito quando do

17 estabelecimento de um enlace TE e periodicamente para todos os enlaces de dados não alocados do enlace TE. O suporte para esse procedimento é indicado pela configuração de uma flag na mensagem LinkSummary. O procedimento de verificação da conectividade do enlace é coordenado através da troca de mensagens BeginVerify sobre um canal de controle. Mensagens BeginVerifyAck e BeginVerifyNack são utilizadas pelo mecanismo de transporte para confirmar ou não o recebimento da mensagem BeginVerify. Uma vez que um CC tenha sido estabelecido entre dois nós, a conectividade do enlace de dados pode ser verificada pela troca de mensagens Test sobre cada um dos enlaces de dados especificados pelo enlace TE. É importante observar que todas as mensagens LMP, exceto a mensagem Test, são trocadas sobre os CCs e que as mensagens Hello continuam sendo trocadas sobre cada CC durante o procedimento de verificação do enlace de dados. Gerenciamento de Falhas O LMP também define um procedimento opcional para gerenciar falhas através da rápida notificação do status de um ou mais canais de dados de um enlace TE. O escopo desse procedimento é o enlace TE e, como tal, seu uso é negociado na troca de mensagens LinkSummary. O procedimento pode ser usado para rapidamente isolar falhas nos enlaces de dados ou em um enlace TE. Se um ou mais enlaces de dados falhar entre dois nós, um mecanismo de sinalização deve ser usado para rapidamente notificar a falha. O procedimento de gerenciamento de falhas, baseado na troca de mensagens ChannelStatus, é realizado da seguinte forma: uma mensagem não solicitada ChannelStatus é enviada e é usada para notificar os vizinhos LMP sobre o status de um ou mais canais de dados do enlace TE. Uma mensagem ChannelStatusAck é usada para confirmar o recebimento da mensagem ChannelStatus. Uma mensagem ChannelStatusRequest é usada para consultar um vizinho LMP a respeito do estado de um ou mais canais de dados de um enlace TE. A mensagem ChannelStatusResponse é usada para confirmar o recebimento de uma mensagem ChannelStatusRequest e indicar o estado dos enlaces de dados consultados Roteamento O GMPLS estende os protocolos de roteamento para dar suporte a tipos de comutação não baseados em pacotes. Até o presente momento, os esforços de padronização se concentraram no roteamento intradomínio. Já foram feitas propostas a respeito do roteamento inter-domínios, como é o caso do OBPG (Optical Border Gateway Procotol) [25]. No entanto, essas propostas ainda precisam ser amadurecidas (ou não obtiveram a aceitação necessária ainda) para se tornarem padrões. Dessa forma, esta seção abordará as questões relacionadas aos protocolos de roteamento intradomínio, ou IGPs (Internal Gateway Protocols), apresentando as principais contribuições introduzidas pelo GMPLS para dar suporte às novas formas de comutação. Em especial, serão analisados os efeitos dessas extensões no suporte às redes ópticas da próxima geração.

18 A arquitetura GMPLS reutiliza os protocolos de roteamento IP. Com isso, tira-se proveito da maturidade de protocolos como o OSPF e IS-IS desenvolvidos e testados ao longo de anos por instituições de pesquisas e operadoras de serviços, mantendo-se também certo grau de interoperabilidade entre redes GMPLS e redes legadas. Com a separação dos planos de controle e de dados (encaminhamento), os protocolos de roteamento, dentro dessa nova arquitetura, têm o papel mais restrito de disseminar as informações de topologia da rede e de estado dos enlaces. A disseminação de tais informações é feita por meio de mensagens do tipo Link State Adverstisiments (LSAs), propagadas pelos protocolos IGP. Grande parte das extensões introduzidas pelo GMPLS se concentra nessas mensagens. As informações propagadas pelos LSAs compõem uma base de dados descrevendo a topologia da rede (ou do domínio) e o estado de seus enlaces. Esta base é mantida em cada roteador (LSR), e suas informações possibilitam o emprego de técnicas de engenharia de tráfego na escolha dos caminhos, que é requerido pelos tipos alternativos de comutação suportados pelo GMPLS. Os protocolos IGP adotam comumente algoritmos de roteamento de menor caminho (SPF Shortest-Path First) no encaminhamento de pacotes. Com GMPLS, no entanto, esses algoritmos são evitados, pois os esquemas de comutação não baseados em pacotes possuem restrições (largura de banda, tipo de enquadramento, capacidade de proteção, etc.) nem sempre respeitadas por tais algoritmos, requerendo portando, algum tipo de engenharia de tráfego. No entanto, algoritmos SPF ainda são aplicáveis no caso da comutação de pacotes. Nesse novo cenário, emprega-se o roteamento explícito na definição dos caminhos, isto é, o nó origem define a seqüência de enlaces por onde seguirá o tráfego. Para o cálculo deste caminho pode ser usado um algoritmo CSPF (Constrainted Shortest-Path First), que realiza a escolha dos enlaces tendo em vista as restrições do LSP a ser criado. Uma vez escolhido o caminho, é realizada a alocação dos recursos nos elementos de rede que o compõem (comutadores ópticos, por exemplo) por meio dos protocolos de sinalização (ver seção 4.3.6). No contexto das redes ópticas transparentes, cuja comutação é feita sobre os comprimentos de onda, uma restrição fundamental é a disponibilidade de comprimentos de onda em cada enlace que compõe o caminho e, em caso de não haver conversão de comprimentos de onda nos nós intermediários, de que ao menos um mesmo comprimento de onda esteja disponível em todo o caminho. Essa restrição é referenciada como Restrição de Continuidade de Comprimento de Onda (Wavelength Continuity Constraint). Os algoritmos empregados para computar caminhos nas redes ópticas sujeitos a tais restrições são chamados genericamente de algoritmos de RWA ( Routing and Wavelength Assignment). O papel desses algoritmos é discutidos na seção Os protocolos OSPF e IS-IS foram estendidos para se adaptar a esse novo contexto, definido pelo GMPLS. Essas extensões tiveram dois objetivos principais. Primeiro, adicionar suporte à disseminação das informações de estado dos novos tipos de enlace. Segundo, visando aumentar a escalabilidade desses protocolos. O problema da escalabilidade de protocolos como o OSPF (Open Shortest Path First Protocol) e o IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol) fica aparente quando considerado um cenário no qual os elementos da rede estão altamente

19 conectados (vários enlaces conectando um par de elementos adjacentes). No cenário de funcionamento original desses protocolos, tem-se apenas um enlace (ou alguns poucos) entre um par de roteadores. Como conseqüência do maior número de enlaces, tem-se o overhead causado nos elementos de rede ao se disseminar a mudança de estado desses enlaces via inundação de mensagens (flooding), como realizado normalmente por protocolos de estado de enlace. Considerando um ambiente bastante dinâmico, no qual o estado dos enlaces muda freqüentemente, esta inundação de mensagens de controle sobrecarregaria enlaces de controle e aumentaria consideravelmente o processamento dentro dos LSRs. Esse cenário é esperado para as próximas gerações de redes ópticas, nas quais dezenas de fibras podem conectar um par de comutadores ópticos, e, dentro de cada uma delas, centenas de comprimentos de onda emulam enlaces físicos. Foi introduzido o conceito de enlace TE (TE Link Traffic Engineering Link), que passa a ser a unidade de trabalho dos protocolos de roteamento e onde se concentram as extensões do GMPLS. Um enlace TE é um enlace que agrega informações de engenharia de tráfego. Mais do que isso, o enlace TE é uma entidade lógica que pode não representar exatamente um enlace físico. Um enlace TE pode ser composto por diversos enlaces paralelos (entre o mesmo par de nós), formando o que se chama de agrupamento de enlaces ou link bundle. Em outra situação, um LSP pode ser divulgado como enlace ponto-a-ponto. Tem-se então um enlace TE chamado de adjacência de encaminhamento ou forwarding adjacency (FA). Agrupamentos de enlaces e adjacências de encaminhamento podem ser combinados com a restrição de que agrupamentos de FAs comecem e terminem no mesmo par de LSRs. Outro artifício empregado pelo GMPLS são os enlaces não-numerados (unnumbered links). Este conceito, incorporado aos enlaces TE, permite o endereçamento de um número muito grande de recursos da rede sem esgotar o espaço de endereços IP. Enlaces não-numerados, agrupamentos de enlaces e adjacências de encaminhamento formam o arcabouço do GMPLS para prover escalabilidade a rede. Adjacências de Roteamento Tipicamente, uma adjacência de roteamento (canal por onde os roteadores trocam mensagens de controle) é estabelecida entre dois elementos de rede dado que tais elementos podem comutar pacotes de dados entre si (adjacência de dados). Na arquitetura GMPLS essa relação muda como descrito a seguir: Enlaces não baseados em pacotes também possuem propriedades de engenharia de tráfego; todavia, uma adjacência de roteamento não pode ser construída diretamente sobre esses enlaces. Nas redes ópticas transparentes isto é especialmente verdade, uma vez que a comutação é feita sobre os comprimentos de onda. Não havendo conversão OEO, (ainda) não é viável extrair as mensagens de controle desses enlaces. Um LSP pode ser divulgado pelo protocolo de roteamento como um enlace TE ponto-a-ponto, isto é, como uma adjacência de encaminhamento. Sendo assim, um enlace TE não necessariamente interliga diretamente dois elementos de rede vizinhos no plano de roteamento.

20 Um conjunto de enlaces pode ser divulgado como um único enlace TE; novamente, não existe relação um-para-um entre adjacência de roteamento e enlace TE. Uma vez que os planos de controle e de dados são desacoplados, vizinhos no plano de controle (isto é, descobertos pelo IGP) podem não ser vizinhos no plano de dados. Portanto, para que seja possível a propagação dos anúncios de estado dos enlaces (LSAs) e demais mensagens de controle entre dois elementos de rede, é preciso que ambos possuam interfaces IP alcançáveis. As interfaces sobre as quais é formada uma adjacência de roteamento formam um canal de controle entre dois elementos. Pelo canal de controle não devem trafegar dados de usuário, apenas mensagens do plano de controle e administrativas (por exemplo, Telnet). Estes enlaces, no entanto, também precisam ser divulgados pelos protocolos de roteamento para permitir o encaminhamento dessas mensagens. Isso leva ao problema de como evitar que dados sejam encaminhados por enlaces de controle. Uma das soluções possíveis é adotar espaços de endereços diferentes para os enlaces de dados e de controle, criando também uma separação lógica entre as duas redes. Extensões de Roteamento GMPLS A seguir são apresentadas as extensões introduzidas pelo GMPLS às propriedades de engenharia de tráfego dos enlaces TE, como especificado em [26]. A codificação destas informações nas mensagens do protocolo OSPF-TE está especificada em [27]. A codificação para o protocolo IS-IS-TE está especificada em [28]. Enlaces não-numerados (Unnumbered links) Um enlace TE não-numerado deve ser ponto-a-ponto. Um LSR no extremo de um enlace não-numerado atribui a cada enlace um identificador único local ao LSR de 32 bits. Cabe aos protocolos de roteamento carregar em seus LSAs os identificadores de ambos os extremos do enlace. Tipo de Proteção do Enlace (Link Protection Type) O Tipo de Proteção representa a capacidade de proteção existente no enlace, podendo ser usado no cálculo de caminhos para configurar LSPs com o nível de proteção adequado. Os seguintes tipos de proteção são definidos em [26]: Tráfego Extra (Extra Traffic) define enlaces que protegem outros enlaces. LSPs nestes enlaces são encerrados em caso de falha no enlace protegido. Sem Proteção (Unprotected) LSPs em enlaces sem proteção são perdidos em caso de falha no enlace, pois nenhum outro recurso o protege. Proteção Compartilhada (Shared Protection) define enlaces protegidos por um ou mais enlaces do tipo Tráfego Extra, os quais podem estar protegendo outros enlaces com proteção compartilhada. Proteção Dedicada 1:1 neste tipo de proteção, o enlace é protegido por um enlace disjunto dedicado do tipo Tráfego Extra.

21 Proteção Dedicada 1+1 a proteção é feita por um enlace dedicado e disjunto, o qual não é anunciado em LSAs, não permitindo a criação de LSPs sobre ele. Proteção Avançada a proteção avançada implica que um esquema mais confiável que a Proteção Dedicada 1+1 está sendo empregado no enlace. Grupo de Enlaces com Risco Compartilhado (Shared Risk Link Group Information) Um conjunto de enlaces constitui um grupo de enlaces de risco compartilhado quando compartilham recursos cuja falha pode afetar todos os enlaces do conjunto. Um SRLG é identificado por um número de 32 bits que é único dentro do domínio IGP. A informação de SRLG é uma lista não ordenada dos SRLGs aos quais o enlace pertence. A informação de SRLG é útil no cálculo de caminhos disjuntos para esquemas de proteção (ver seção 4.3.8). Descritor de Capacidade de Comutação da Interface (Interface Switching Capability Descriptor) As interfaces podem ter diferentes capacidades de comutação no contexto do GMPLS. Um LSA carrega os descritores de capacidade de comutação apenas da interface pertencente ao LSR que originou o LSA. Uma interface pode ter mais de um descritor de capacidade de comutação (por exemplo, comutação por comprimento de onda e por fibra óptica). Para enlaces bidirecionais, a capacidade de comutação de uma interface é a mesma para ambas as direções. A capacidade de comutação da interface oposta pode ser determinada com as informações da base de dados de enlaces TE. Para enlaces unidirecionais, é assumido que ambas as interfaces possuem a mesma capacidade de comutação. Os seguintes descritores de capacidade de comutação são definidos em [26]: Sinalização Packet-Switch Capable-1 (PSC-1) Packet-Switch Capable-2 (PSC-2) Packet-Switch Capable-3 (PSC-3) Packet-Switch Capable-4 (PSC-4) Layer-2 Switch Capable (L2SC) Time-Division-Multiplex Capable (TDM) Lambda-Switch Capable (LSC) Fiber-Switch Capable (FSC) Comprimentos de onda e potencialmente canais TDM dentro de um comprimento de onda podem ser modelados como um rótulo. Protocolos de sinalização MPLS com extensões de engenharia de tráfego podem ser apropriadamente estendidos e utilizados para sinalização de requisição de caminhos ópticos. Estes protocolos podem ser adaptados para uma sinalização cliente/servidor no caso do modelo de serviços de

22 domínio, e para uma sinalização integrada fim-a-fim no caso de um modelo de serviços unificado. Com o modelo de serviços de domínio, a sinalização do plano de controle na rede IP/óptica é completamente separada como mostra a Figura 11. Esta separação também implica na separação do espaço de endereços IP e óptico, mesmo que a rede óptica esteja usando um endereçamento IP interno. Enquanto que o RSVP e o LDP podem ser adaptados para sinalização UNI, a funcionalidade total destes protocolos não será utilizada. Por exemplo, a sinalização UNI não requer a especificação de rotas explícitas. Por outro lado, baseados nos atributos de serviço, novos objetos necessitam ser sinalizados utilizando estes protocolos [29], [10]. Rede IP Rede Óptica Roteador Roteador OXC OXC Sinalização MPLS Sinalizacão UNI Sinalização MPLS Figura 11. Sinalização cliente/servidor Modelos de Serviços de Domínio Com o modelo de serviços unificado, o endereçamento é comum na rede IP e na inter-rede óptica e a sinalização de controle é ilustrada na Figura 12. A sinalização GMPLS é implementada no domínio IP e óptico, mas a semântica dentro da inter-rede óptica pode ser diferente da rede IP. Como um exemplo, os serviços de proteção oferecidos na inter-rede óptica podem ser diferentes dos serviços de proteção fim-a-fim oferecidos pela rede IP (ver seção 3.8). Um outro exemplo diz respeito à largura de banda, enquanto a rede IP pode oferecer uma largura de banda contínua, a inter-rede óptica oferecerá apenas larguras de banda discretas. Assim, os atributos e serviços de sinalização são definidos independentemente para os domínios IP e óptico. Os roteadores de borda devem então identificar os serviços de borda e executar traduções adequadas nas mensagens de sinalização que atravessam a fronteira IP-óptica. Isto ainda pode ocorrer mesmo que a sinalização do plano de controle em ambas as redes sejam baseadas em GMPLS e exista um estreito acoplamento do plano de controle comparado com o modelo de serviços de domínio. Camada IP Serviço de Fronteira Camada Óptica Serviço de Fronteira Camada IP Roteador Roteador OXC OXC Roteador Sinalização GMPLS Sinalização GMPLS Sinalização GMPLS Figura 12. Sinalização integrada fim-a-fim Modelo de serviços unificados

23 Sinalização GMPLS A sinalização na arquitetura GMPLS estende as funções dos protocolos de sinalização, e em alguns casos, adiciona funcionalidades. Essas mudanças e adições de funções provocam um impacto nas propriedades dos LSPs, tais como o modo como os rótulos são solicitados, a natureza unidirecional dos LSPs, a forma como os erros são propagados, e a maneira como as informações são fornecidas para sincronização dos nós de entrada e saída. A arquitetura GMPLS define as seguintes extensões para os protocolos de sinalização: 1. Formato genérico de requisição de rótulo. 2. Rótulos para interfaces TDM, LSC e FSC, que são genericamente conhecidos como rótulos generalizados (Generalized Label). 3. Suporte a comutação de banda de onda (waveband). 4. Sugestão de rótulo (Label Suggestion) no sentido upstream. 5. Restrição de rótulo (Label Restriction) no sentido upstream. 6. Estabelecimento de LSPs bidirecionais com contenção de resolução. 7. Notificação rápida de falhas. 8. Informações de Proteção, focando a proteção no enlace e a indicação de LSPs primários e secundários. 9. Roteamento explícito com controle de rótulo explícito. 10. Parâmetros de tráfego específicos por tecnologia. 11. Tratamento de status administrativo de um LSP. 12. Separação do canal de controle. A proposta do GMPLS é ser bastante genérico, apresentando várias extensões, algumas obrigatórias e outras optativas, permitindo que existam diferentes formas de se implementar a sinalização em uma rede óptica. Apenas as extensões 1, 2 e 10 são obrigatórias. Tipicamente, as extensões 6 e 9 tem a implementação recomendada, e os demais módulos são opcionais. A especificação de sinalização da arquitetura GMPLS sugere a utilização de dois protocolos com suas devidas extensões, o RSVP-TE e o CR-LDP. A arquitetura não define a escolha de qual dos protocolos deve ser utilizado, ficando sob responsabilidade de quem for implementar o plano de controle. A IETF permitiu a especificação em paralelo destes dois protocolos, no entanto, o grupo de trabalho do CR-LDP já cessou as atividades sobre esse protocolo [30]. Portanto, este minicurso abordará somente os aspectos relacionados ao protocolo de sinalização RSVP-TE. A seguir será dada uma visão geral do RSVP e as extensões necessárias para sua inclusão no plano de controle óptico. RSVP

24 O RSVP (ReSource reservation Protocol) é um protocolo para estabelecimento de recursos de rede para sessões IP (ou fluxos) [31]. A definição do RSVP consiste de procedimentos básicos, formatos de mensagens e objetos para sinalização em uma rede IP [10]. É um protocolo fim-a-fim, no qual são necessárias duas reservas para efetuar uma comunicação bidirecional. As mensagens do protocolo são passadas entre os roteadores com suporte ao RSVP no caminho. Caso algum roteador da rede não suporte RSVP, a mensagem assume o comportamento de melhor esforço e passa adiante diretamente para o próximo nó. Algumas características deste protocolo são: Faz reserva de QoS entre hosts; A reserva é simplex (apenas em um sentido); É um protocolo orientado ao receptor; É um protocolo de estado leve (soft state); Não existe os conceitos de rótulos, LSPs e rota explícita. Há dois tipos de mensagens fundamentais: Path e Resv. O estabelecimento da conexão, isto é, a reserva do caminho é feita em duas etapas. Na primeira etapa o nó transmissor origina uma requisição de estabelecimento de conexão através de uma mensagem que verifica a existência dos recursos. Numa segunda etapa, resposta do receptor efetua a reserva e o caminho é estabelecido fim-a-fim. RSVP-TE O RSVP foi projetado para ser um protocolo de reserva de recurso ao longo de um caminho pré-existente. Com o advento do MPLS baseado em engenharia de tráfego, MPLS-TE, havia um interesse em reusar implementações disponíveis do RSVP para suportar a criação, manutenção e encerramento de LSPs. O resultado foi um RSVP com extensões de engenharia de tráfego, ou simplesmente, RSVP-TE (ReSource reservation Protocol - Traffic Engineering). As características chave do protocolo RSVP-TE são: Uso das mensagens Path e Resv para requisitar e atribuir rótulos no estabelecimento do LSP; Capacidade de estabelecer rotas explícitas durante o estabelecimento ou reroteamento do LSP; Capacidade de especificar largura de banda e outros parâmetros de qualidade de serviço durante o estabelecimento do LSP; Capacidade de associar LSPs relacionados; Um novo protocolo Hello para manutenção dos peers adjacentes. As extensões do GMPLS para o RSVP-TE consistem de novos objetos, novas mensagens, e novos procedimentos, que causaram mudanças significativas no uso do protocolo RSVP-TE. Algumas dessas mudanças são apresentadas a seguir. Separação do plano de dados e plano de controle. Em particular, no RSVP as mensagens de controle estão vinculadas a interfaces específicas do plano de dados, com as extensões do GMPLS essa característica é eliminada.

25 Ênfase nos procedimentos de recuperação do plano de controle. No RSVP e no RSVP-TE, falhas no plano de controle são refletidas no plano de dados. O GMPLS inclui procedimentos de recuperação que visam assegurar que eventos de falha no plano de controle não afetem as conexões do plano de dados. Suporte às conexões bidirecionais. RSVP-TE suporta LSPs unidirecionais. As extensões do GMPLS permitem a bidirecionalidade. Introdução de mecanismos de notificação remota. Enquanto as mensagens do RSVP-TE seguem a conexão definida pela trajetória da mensagem Path, o GMPLS introduz uma extensão de notificação que permite que a troca de mensagens de notificação entre nós remotos ao longo de rotas que estão vinculadas a uma conexão Path Computação de Rotas (RWA) A funcionalidade do plano de controle responsável pela determinação da rota por onde será estabelecido um caminho óptico, corresponde à execução de um algoritmo RWA (Routing and Wavelength Assignment). Este algoritmo baseia-se na topologia da rede de transporte, nos estados dos enlaces ópticos e em algum critério de otimização, para avaliar se existem recursos necessários para o estabelecimento desse caminho óptico (ligthpath) entre os dispositivos de borda, e então determinar a rota mais adequada. Dado um conjunto de conexões, o problema da determinação de um caminho óptico e a atribuição de um comprimento de onda esse caminho óptico é conhecido como problema de RWA. Tipicamente, as conexões requisitadas podem ser de três tipos: estática, incremental ou dinâmica [32]. Com o tráfego estático, o conjunto de conexões é conhecido de antemão. O problema consiste então em configurar caminhos ópticos para estas conexões de modo global, minimizando a quantidade de recursos da rede exigidos por estas conexões, como o número de comprimentos de onda ou de fibras ópticas. Em outras palavras, no problema de RWA estático todas as conexões são previamente conhecidas e o objetivo é diminuir o número de comprimentos de onda necessários para o atendimento dessas conexões. Alternativamente, pode-se tentar configurar tantas conexões quantas forem possíveis para um dado número fixo de comprimentos de onda. O problema de RWA para tráfego estático é conhecido como Static Lightpath Establishment (SLE). Algoritmos de RWA que trabalham de forma estática objetivam o planejamento da distribuição de demandas na rede. No caso de tráfego incremental, as conexões requisitadas chegam seqüencialmente, um caminho óptico é estabelecido para cada conexão e este caminho óptico fica permanece na rede indefinidamente. Para o tráfego dinâmico, um caminho óptico é configurado para cada conexão requisitada quando ela chega, e é liberado depois de um determinado período de tempo. No problema de RWA dinâmico não há conhecimento prévio das conexões. O objetivo é, dado um número de comprimentos de onda disponíveis, alocar comprimentos de onda de modo a reduzir a probabilidade de bloqueio de conexões futuras (isto é, a probabilidade de que uma requisição de conexão não seja atendida). O objetivo, nos casos de tráfego dinâmico e incremental, é configurar caminhos ópticos e atribuir comprimentos de onda de maneira que minimize

26 a quantidade de conexões bloqueadas, ou maximize o número de conexões que estão estabelecidas na rede. Este problema é referenciado como Dynamic Lightpath Establishment (DLE). Para tornar o problema de RWA mais tratável, ele pode ser dividido em dois subproblemas que podem ser solucionados separadamente: (a) cálculo da rota, e (b) atribuição de comprimento de onda. Para solução do subproblema de cálculo da rota, são encontradas na literatura três abordagens básicas: roteamento fixo, fixo-alternado e adaptativo [33], [34] e [35]. O roteamento fixo é aquele onde todos os pares de nós fonte e destino possuem somente uma rota fixa previamente estabelecida. Na presença de mais de uma requisição por par de nós, essas requisições disputarão o mesmo recurso, que neste caso são comprimentos de onda. Esse tipo de roteamento é bastante simples, mas proporciona uma probabilidade de bloqueio elevada. O roteamento fixo-alternado se caracteriza pela existência de mais de uma rota previamente calculada. Todas as combinações de pares de nós apresentam mais de uma rota, sendo necessário tabelas de roteamento para armazenamento das rotas disponíveis, ordenadas por algum critério de custo para um determinado nó destino. Essa técnica já apresenta uma diminuição na probabilidade de bloqueio em relação ao anterior e também já adiciona alguma tolerância a possíveis falhas na rede. O roteamento adaptativo é caracterizado pela escolha dinâmica das rotas em função do estado dos enlaces da rede. Para toda requisição de caminho óptico entre origem e destino é calculado o custo de todas rotas para se alcançar o destino (exemplo, caminho de menor custo). Este possui uma probabilidade de bloqueio ainda menor que os outros dois e é mais tolerante a falhas, entretanto é bem mais complexo em termos computacionais. Em resumo, dentre estes algoritmos, o roteamento fixo é o mais simples, e o adaptativo o que apresenta o melhor desempenho quanto à probabilidade de bloqueio. O roteamento alternado oferece um trade-off entre complexidade computacional e probabilidade de bloqueio. Para mais detalhes, checar referência [36]. Para solução do subproblema de atribuição de comprimento de onda, têm sido estudas algumas heurísticas, como: Random Wavelength Assignment, First-Fit, Least- Used/SPREAD, Most-Used/PACK, Least Load, MAX-SUM e Relative Capacity Loss. Detalhes sobre estas heurísticas em [36]. Um dos problemas que influenciam o funcionamento dos algoritmos de RWA é a desatualização das informações de estado de enlace da rede. No processo de atribuição de um comprimento de onda durante o estabelecimento de uma conexão entre os nós, informações sobre os estados de enlace da rede tornam-se necessárias para que o pedido de requisição de alocação do comprimento de onda adequado seja formado. Ao se alocar ou liberar um comprimento de onda, o estado do enlace é alterado, e, por conseguinte, é requerida a atualização desse estado nos demais nós da rede óptica. No entanto, novas requisições de conexão podem ser geradas antes que sejam atualizadas as informações de estado dos enlaces, e, portanto, o algoritmo de alocação de comprimento de onda não possuirá informações atualizadas sobre os enlaces. Essa situação pode acarretar a tentativa de alocação de comprimentos de onda já alocados ou o bloqueio de requisições mesmo existindo disponibilidade de comprimentos de onda.

27 Recuperação de Falhas Entre os diversos serviços fornecidos pelas redes de transporte, a recuperação rápida das conexões é um dos mais importantes. Com a convergência de voz, vídeo e serviços de dados, as redes provedoras de serviços têm transportado uma vasta quantidade de tráfego crítico e sensível à perda e atraso. Falhas que resultam de ruptura na rede física podem gerar sérias conseqüências e não devem afetar o tráfego por um longo período de tempo. Redes de transporte legadas empregam uma variedade de mecanismos de recuperação, por exemplo, as conexões redundantes encontradas em redes SONET/SDH. Como discutido em seções anteriores, um novo plano de controle vem sendo construído sobre um arcabouço que foi originalmente criado para o MPLS. Esse plano de controle utiliza mecanismos bem conhecidos na Internet, como roteamento OSPF, IS-IS e a sinalização baseada em RSVP, com as devidas extensões em cada protocolo para suportar engenharia de tráfego e formas de comutação não baseadas em pacotes. Proteção e restauração são ambos tipos de esquemas de recuperação, mas com algumas importantes diferenças. Em esquemas de proteção, recursos de backup dedicados são previamente alocados para proteger o tráfego; nos esquemas de restauração, as novas conexões são estabelecidas dinamicamente na ocorrência de falhas para que as conexões afetadas sejam deslocadas. Para suportar os mecanismos de proteção e restauração, os protocolos de sinalização GMPLS devem ser capazes de suportar a criação de caminhos de backup e de realizar operações rápidas de comutação para mover o tráfego que é afetado pelas falhas para os LSPs de backup. Proteção A proteção fim-a-fim possui duas variantes: proteção 1+1 e proteção compartilhada. Na proteção 1+1, junto ao caminho primário é estabelecido um caminho de backup (fisicamente separado do primário), pela qual também é enviado o sinal óptico. Ocorrendo falha no primário, a recepção do fluxo é chaveada para o backup. Na proteção compartilhada, vários caminhos de backup compartilham recursos da rede. No caso de falha num caminho primário assume-se que a mesma não atingirá os demais caminhos primários cujos backups compartilham recursos. Os esquemas de proteção são listados abaixo: Restauração 1:1: um caminho de backup protege 1 caminho primário; M:1: M caminhos de backup protegem 1 caminho primário; 1:N: um caminho de backup protege N caminhos primários (backup compartilhado); M:N: M caminhos de backup protegem N caminhos primários; 0:1: sem backup, ou seja, sem proteção; 1+1: duplicação de tráfego, ou seja, o tráfego é enviado pelos dois caminhos. Restauração automática de caminhos ópticos é um serviço oferecido pelas redes ópticas, onde seus mecanismos de restauração podem ser locais ou fim-a-fim. Nos mecanismos

28 locais, é selecionado um enlace alternativo entre dois OXCs na ocorrência de falhas, não afetando a rota fim-a-fim dos caminhos ópticos. Quando a restauração local não é possível, o caminho óptico é re-roteado para contornar os enlaces com falhas (restauração fim-a-fim). Os caminhos alternativos podem ser pré-computados para reduzir o tempo de recuperação Plano de Controle: Cenários de Implantação A implementação do plano de controle requer a transferência de informações entre as entidades que participam do processo de controle. A noção de um plano de controle padrão serve para facilitar a interoperabilidade entre os diversos equipamentos. A principal questão é determinar como a interoperabilidade entre os equipamentos ocorre. Neste contexto, a noção de domínios é útil. Grandes redes podem ser divididas em pequenos domínios devido a questões como gerenciamento, definição de limites entre os protocolos e escalabilidade do plano de controle. Portanto, um plano de controle deve ser capaz de aprovisionar e manter conexões da rede através de múltiplos domínios. Abstrações dos planos de controle para os modelos Overlay e Peer são apresentadas na Figura 13 e na Figura 14 respectivamente. Plano de Controle UNI UNI Rede Cliente Rede Cliente Rede Óptica Figura 13. Abstração do plano de controle baseado no modelo Overlay As interfaces de controle indicam os pontos onde ocorre a interação entre planos de controle. No modelo Overlay, Figura 13, estas interfaces são bem definidas, uma vez que há uma separação dos planos de controle, ao contrário do que ocorre no modelo Peer, Figura 14, no qual os planos de controle dos diferentes domínios são unificados. Uma questão que deve ser levada em consideração é se as funcionalidades do plano de controle devem estar presentes nos próprios elementos de rede. Tipicamente, este é o caso das redes IP, onde os protocolos de roteamento e sinalização estão diretamente implementados nos roteadores. No caso de redes ópticas, as funcionalidades do plano de controle são distintas das funcionalidades de transporte. Isto permite que as funcionalidades do plano de controle sejam implementadas fora do elemento de comutação óptica, por exemplo, por um agente proxy. Neste caso, um único agente de controle pode representar múltiplos elementos de rede. Duas entidades adjacentes do plano de controle não precisam estar diretamente conectadas, bastando que haja alcançabilidade IP entre estas entidades para a formação do canal de controle.

29 Plano de Controle Rede Cliente Rede Óptica Rede Cliente Figura 14. Abstração do plano de controle baseado no modelo Peer A Figura 15 apresenta uma proposta de arquitetura funcional do plano de controle de um elemento óptico. Esta arquitetura mostra a interação do plano de controle com as redes cliente e com os equipamentos ópticos (hardware óptico). Rede Cliente Alcançabilidade Roteamento Plano de Controle Interface de Serviços RWA Recuperação de Falhas Gerência de Enlaces Descoberta de Vizinhos Sinalização Equipamento Óptico Figura 15. Arquitetura funcional do plano de controle de um elemento óptico O plano de controle é composto pelos módulos de sinalização e interface de serviços, roteamento e alcançabilidade, descoberta de vizinhos e gerência de enlaces, e de computação de rotas (RWA). A função de recuperação de falhas não constitui um módulo isolado. Na prática, a implementação desta função pode ser distribuída nos demais módulos do plano de controle. As ligações entre os módulos indicam as possíveis interações entre as funcionalidades do plano de controle. Outras interações podem existir, alguns módulos dessa arquitetura podem ser suprimidos, assim como novos módulos podem ser inseridos, dependendo do nível de sofisticação desejado e dos requisitos de implementação do plano de controle. A arquitetura omite componentes relevantes do ponto de vista de implementação, por exemplo, os bancos de dados para o armazenamento das informações sobre enlaces TE e LSPs.

30 Cenários de Implantação Além das questões mencionadas acima, existem outros desafios que tornam o desenvolvimento de um plano de controle integrado não trivial. Esta seção apresenta algumas alternativas para a implantação de planos de controle óptico. Os cenários de implantação são discutidos de acordo com as suas funcionalidades e interoperabilidade entre os protocolos. O objetivo é mostrar algumas alternativas de implantação de plano de controle partindo de um modelo com poucas funcionalidades (modelo Overlay simples) no sentido de se atingir um modelo considerado inteligente (modelo Peer) Cenários baseados no modelo Overlay Roteamento No plano de controle, os protocolos de roteamento são necessários para disseminar a topologia da rede e as informações sobre os recursos disponíveis, por exemplo, a quantidade de comprimentos de onde disponíveis por enlace. A informação levantada pelos protocolos de roteamento alimenta uma base de dados local, utilizada para a computação dos caminhos ópticos pelo módulo RWA. Para o módulo de roteamento, as opções de protocolos são OSPF-TE e IS-IS-TE estendidos pelo GMPLS para suportar formas de comutação diversas. Apesar de ambos os protocolos estarem em processo de padronização, existe uma tendência na indústria pela adoção do OSPF-TE, uma vez que o protocolo OSPF tem seu uso bastante difundido. No modelo Overlay puro, a disseminação de informações de topologia fica restrita a cada domínio. Instância diferente dos protocolos de roteamento é executada nas redes, cliente e óptica, não havendo troca direta de informações entre estas instâncias. Para tornar possível a comunicação entre redes clientes, os elementos de borda de ambas as redes, cliente e óptica, devem implementar algum mecanismo de troca de informações de alcançabilidade. Alcançabilidade Às redes clientes devem ser informadas quais outras redes estão acessíveis através da rede óptica de transporte. Devido à opacidade da rede óptica, esta informação não está diretamente acessível aos roteadores de borda das redes clientes. Algumas abordagens podem ser usadas para fornecer informação de alcançabilidade a estas redes. Em um cenário inicial, esta informação pode ser trocada entre os domínios de forma não automatizada, isto é, por vias administrativas, e configurada manualmente nos roteadores de borda das redes cliente. Outra opção seria filtrar as informações de topologia divulgadas internamente à rede núcleo e repassar apenas informações de alcançabilidade aos clientes da rede. Existem protocolos adaptados com o objetivo de disseminar informações de alcançabilidade, como é o caso do OBGP [25], adotado na CA*Net [38], o do protocolo DDRP [39], que é uma proposta surgida no contexto do OIF. Sinalização O módulo de sinalização do plano de controle é necessário para estabelecimento dos LSPs. Este módulo realiza a alocação de recursos nos comutadores ópticos que

31 compõem o caminho pré-computado pelo módulo de RWA. O GMPLS estende dois protocolos de sinalização, RSVP-TE e CR-LDP, para suportar interfaces generalizadas. O GMPLS RSVP-TE tem sido a opção mais adotada na implementação de planos de controle. O GMPLS RSVP-TE tem como limitação a necessidade de atualização periódica do caminho alocado, herança do RSVP que restringe sua escalabilidade; o GMPLS CR-LDP se apresenta como opção para um plano de controle mais simples. De fato, ambos os protocolos de sinalização podem ser suportados simultaneamente pelo plano de controle através de instâncias de sinalização diferentes. Apesar de pouco usual, esta solução pode ser interessante em cenários heterogêneos. Dependendo dos requisitos de recuperação de falhas, implementações mais ou menos elaboradas destes protocolos podem ser adotadas. Extensões de recuperação estão sendo definidas para o GMPLS RSVP-TE [40]. Interface de Serviço Uma interface de serviço é necessária para permitir as redes clientes solicitar a criação de LSPs, como visto na seção Esta interface está localizada nos elementos da rede óptica conectados a elementos das redes cliente. A implementação desta interface pode seguir a especificação dada pelo OIF para a UNI (User-Network Interface), a qual estabelece um protocolo próprio para a requisição e destruição de caminhos. Em uma abordagem mais prática, proposta no contexto da IETF, é realizada a tradução de requisições RSVP/LDP provenientes do lado cliente em sinalização RSVP-TE/CR-LDP dentro da rede óptica. Esta abordagem parte do pressuposto de que na rede cliente é uma rede IP com MPLS, cujos LSPs serão tunelados dentro dos caminhos ópticos criados na rede de transporte [11]. Descoberta de Vizinhos e Gerência de Enlaces O módulo de gerenciamento de enlace é responsável por verificar a conectividade dos enlaces, lidar com possíveis falhas nestes enlaces e gerenciar o canal de controle entre elementos de rede adjacentes. Como mencionado na 4.3.4, o LMP foi projetado para lidar com estes aspectos tendo em vista questões de escalabilidade. Em redes com poucos elementos, a utilização do LMP não é estritamente necessária do ponto de vista gerencial, mas tem implicações na confiabilidade da rede. A exclusão deste protocolo restringe a capacidade de detectar e isolar falhas nos enlaces, prejudicando a recuperação de LSPs. Também é função deste módulo realizar a descoberta de vizinhos no plano de dados. Protocolos como OSPF-TE e IS-IS-TE possuem a capacidade de estabelecer relações de vizinhança no plano de controle. Todavia, como o GMPLS prevê a separação dos planos de controle e dados, inclusive física, tais protocolos não garantem que estas relações sejam estabelecidas no plano de dados, justificando o uso do protocolo LMP. RWA O módulo de RWA (Routing and Wavelength Assignment) tem a função de executar algoritmos de cálculo de rotas e escolha de comprimentos de onda, em resposta às

32 requisições das redes clientes por caminhos ópticos. Sua presença é essencial nos elementos de borda da rede, responsáveis por atender a estas requisições. O tipo de algoritmo adotado na computação de rotas não é padronizado, o que dá liberdade aos fabricantes de equipamentos de oferecer soluções de roteamento mais ou menos sofisticadas. As opções neste caso variam desde adaptações simples de algoritmos SPF, até algoritmos CSPF que realizam o cálculo dos caminhos considerando requisitos de QoS e o balanceamento da carga na rede, por exemplo. Recuperação de Falhas A recuperação de falhas é uma função sofisticada que interage com vários outros módulos do plano de controle. Primeiro, há a necessidade de detectar e isolar as falhas, em seguida notificá-la ao elemento de rede responsável pelo procedimento de recuperação, que dá início à sinalização de recuperação. Etapas intermediárias podem existir dependendo do esquema de recuperação adotado (ver seção 4.3.8), e todas estas etapas devem ser executadas no menor tempo possível, reduzindo os efeitos sobre as conexões afetadas. Em um cenário mais simples, a função de recuperação de falhas estaria desabilitada pela falta de mecanismos de apoio como a detecção de falhas. Cenários mais elaborados exigiriam, além das etapas já mencionadas, uma etapa de computação de um caminho adicional de backup para proteger cada caminho primário. Em um esquema de proteção 1:1, os caminhos primário e de backup seriam computados e sinalizados simultaneamente, porém somente o primário estaria ativo; o de backup estaria apenas reservado. No momento da falha, seria feito o chaveamento do tráfego do caminho primário para o de backup. Este esquema, apesar de ser bastante eficiente em termos de velocidade de recuperação, tem um custo altíssimo para a rede, pois pode deixar 50% de sua capacidade ociosa. Uma alternativa seria o uso de um esquema de restauração, no qual um novo caminho seria computado e estabelecido no momento que a falha é identificada. Com isso, há uma melhora na utilização da rede, pois se elimina o problema da ociosidade dos enlaces/comprimentos de onda, ao custo de um maior tempo de recuperação. Estes esquemas podem ser usados em conjunto, e vários outros esquemas intermediários também podem ser adotados, dependendo dos requisitos de confiabilidade exigidos pelas redes clientes. Considerações Gerais sobre o Cenário Overlay Mesmo em um cenário de implantação considerado mais simples, como este baseado no modelo Overlay, as funções a serem desempenhadas pelo plano de controle já se mostram diversas e complexas. Também diversas são as opções disponíveis para a implementação destas funções, uma vez que o GMPLS deixa algumas escolhas em aberto, tais como o critério de escolha de rotas, a forma de gerenciamento de enlaces (manual ou via LMP) e os esquemas de recuperação adotados, por exemplo. Para o cenário apresentado, o leque de opções de implementação disponíveis permite distinguir (ao menos) dois cenários principais. O primeiro cenário, mais elementar, apresenta menor grau de automatização, fazendo uso apenas das funções mais básicas do plano de controle roteamento com OSPF-TE/IS-IS-TE, computação

33 de rotas e sinalização com RSVP-TE/CR-LDP, acrescidas de uma interface de serviço, baseada na UNI-OIF, por exemplo, para permitir que as redes clientes solicitem os LSPs. Algumas funções seriam realizadas de forma manual, como a gerência de enlaces, descoberta de vizinhos e mesmo a troca de informações de alcançabilidade. A computação de rotas seria baseada em algoritmos SPF modificados para considerar a disponibilidade de comprimentos de onda nos enlaces. A recuperação de falhas de forma automática ficaria inviabilizada pela falta de um mecanismo eficiente de detecção e localização de falhas (função desempenha por protocolos de gerência de enlaces como o LMP). Os protocolos de roteamento, no caso das redes ópticas, podem não detectar falhas devido à transparência dos enlaces ópticos, que impede a troca de mensagens do tipo Hello utilizada para determinar o status dos enlaces. Para realizar a detecção de falhas, protocolos como o LMP, por sua vez, interagem com o hardware dos equipamentos ópticos. Este primeiro cenário, apesar de rudimentar, serve como ponto de partida no sentido da implantação um plano de controle inteligente totalmente automatizado, tendo sido tipicamente adotado por redes experimentais. O cenário-alvo, ainda dentro do modelo Overlay, para o qual essas redes se dirigem, constitui o segundo cenário identificado, caracterizado por um alto grau de automatização das funções do plano de controle. Essa automatização faz com que esse novo cenário de implantação assemelhese ao modelo híbrido, ou Augmented, no qual já se tem uma maior integração entre as redes clientes e a rede óptica. Neste segundo cenário, é adicionada ao plano de controle uma implementação completa do LMP, para realizar a gerência de enlaces. Um mecanismo de recuperação de falhas (e.g., proteção 1:1 ou restauração) pode ser adotado, com as devidas extensões de sinalização. Um algoritmo de RWA mais sofisticado passa a ser necessário para a computação de caminhos primários e de backup. O roteamento intradomínio sofre poucas mudanças; para o problema da alcançabilidade pode ser utilizado um protocolo como DDRP e OBGP Cenários Baseados no Modelo Peer Roteamento Como nos cenários anteriores, o módulo de roteamento do plano de controle no modelo Peer também utiliza os protocolos OSPF-TE e IS-IS-TE. Entretanto, diferentemente dos planos de controle baseados no modelo Overlay, as redes clientes e óptica permitem a troca direta de informações de roteamento. As redes clientes e óptica são vistas como um único domínio, executando a mesma instância do protocolo de roteamento escolhido. Assim, a disseminação de informações de topologia ocorre de forma transparente para as redes cliente e óptica. No modelo Peer, os elementos que compõem as redes clientes e óptica compartilham o mesmo esquema de endereçamento (IP). Assim, os roteadores IP e

34 comutadores ópticos têm acesso à topologia física da rede de núcleo e das demais redes clientes conectadas, o que resolve automaticamente o problema da alcançabilidade. Sinalização O módulo de sinalização no modelo Peer também é implementado através dos protocolos RSVP-TE e CR-LDP. As interfaces entre as redes IP e óptica são extintas, e os serviços oferecidos por estas interfaces são integrados a sinalização dos protocolos. Descoberta de Vizinhos e Gerência de Enlaces No modelo Peer, as funções de gerenciamento de enlaces e de descoberta de vizinhos devem ser totalmente automatizadas utilizando o protocolo LMP, que também fica responsável por alimentar os protocolos de roteamento com as informações de estado dos enlaces ópticos. Dessa forma, tem-se um ganho no gerenciamento da rede e também na capacidade de recuperação de falhas. RWA A discussão sobre a computação de rotas nos cenários anteriores permanece válida para o modelo peer. Todavia, neste cenário de integração total, é esperada uma maior diversidade de tecnologias e de formas de comutação, o que pode embutir complexidade adicional aos algoritmos de RWA. Recuperação de Falhas A recuperação de falhas permanece com papel fundamental neste cenário. Os subsídios para sua implementação estão presentes na forma de mecanismos de detecção, localização e notificação de falhas, oferecidos pelo LMP, e de sinalização para o estabelecimento/ativação de caminhos de backup, desempenhados pelo RSVP-TE e/ou CR-LDP. Por outro lado, aumenta-se a complexidade ao se tentar combinar estes mecanismos e prover um esquema de recuperação rápido e que favoreça a utilização da rede. Considerações Gerais sobre o Cenário Peer A proposta de unificação dos planos de controle do modelo Peer cria um ambiente ideal do ponto de vista funcional, porém, com diversos impedimentos administrativos e, até o presente momento, tecnológicos. Do ponto de vista administrativo, questiona-se até que ponto a integração total é interessante para as operadoras de serviços, considerando aspectos como o controle sobre o tráfego da rede e sua segurança, para citar apenas dois aspectos. Tecnologicamente, a integração sugere dotar equipamentos como roteadores e switches nível 3 com a capacidade de interagir de igual para igual com comutadores ópticos e OADMs. Cenários de implantação menos sofisticados, como os discutidos no modelo Overlay, deverão ser experimentados, inclusive como forma de amadurecer as tecnologias que estão em processo de padronização hoje, até que seja tecnologicamente viável a unificação dos planos de controle IP e óptico.

35 Resumo dos Cenários A Tabela 1 sumariza as possibilidades de cenários de implantação de plano de controle com base nas funções discutidas nesta seção. É possível observar a variedade de opções disponíveis para a implementação do plano de controle. Tabela 1. Cenários para implantação de planos de controle FUNCIONALIDADES CENÁRIOS MODELO OVERLAY MODELO PEER ROTEAMENTO OSPF-TE / IS-IS-TE OSPF-TE / IS-IS-TE ALCANÇABILIDADE MANUAL / DDRP /OBGP INTEGRADA AO ROTEAMENTO ENDEREÇAMENTO ESQUEMAS DISTINTOS ESQUEMA UNIFICADO SINALIZAÇÃO RSVP-TE / CR-LDP RSVP-TE / CR-LDP INTERFACES DE SERVIÇOS UNI / E-NNI / I-NNI INTEGRADA À SINALIZAÇÃO RWA SPF / CSPF CSPF DESCOBERTA DE VIZINHOS MANUAL / LMP LMP GERÊNCIA DE ENLACE MANUAL / LMP LMP RECUPERAÇÃO SEM RECUPERAÇÃO / PROTEÇÃO 1:1 / RESTAURAÇÃO Múltiplos cenários de implantação distintos podem ser identificados, variando em nível de sofisticação de acordo com as escolhas realizadas durante o projeto do plano de controle. Tais escolhas devem ser dirigidas pelos requisitos técnicos da rede de óptica e redes cliente, e pelos requisitos econômico-adminitrativos da operadora de serviço e de seus clientes. Nesta seção foram explorados alguns desses cenários, com o propósito de ilustrar as questões que podem surgir durante a definição do plano de controle inteligente de uma rede óptica Projeto GIGA O GIGA é um projeto desenvolvido em parceria pelo CPqD (Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações) e pela RNP com recursos financeiros do FUNTTEL (Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações) e apoio da FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) [41] Motivação e Objetivos PROTEÇÃO 1:1 / RESTAURAÇÃO / OUTROS ESQUEMAS O Projeto GIGA tem como missão desenvolver tecnologias de rede óptica, aplicações e serviços de telecomunicações associados à tecnologia IP e banda larga. A idéia é capacitar empresas nacionais em tecnologias competitivas, em conjunto com instituições de P&D, além de fomentar a oferta de novos produtos, protocolos e serviços de telecomunicações à sociedade brasileira, desenvolvendo componentes, dispositivos, equipamentos e soluções para a rede óptica.

36 A organização do Projeto GIGA é ilustrada na Figura 16. O projeto é gerenciado através de uma Coordenação Executiva, da qual participam representantes do CPqD e da RNP, e através de quatro Coordenações Temáticas: Redes Ópticas, Serviços Experimentais de Telecomunicações, Protocolos e Serviços de Rede, e Serviços e Aplicações Científicas. As duas primeiras estão sob responsabilidade do CPqD e as duas últimas, sob responsabilidade da RNP. Coordenação Executiva Comitê Assessor CPq Coordenação D Redes Ópticas Coordenação Serviços Exp. de Telecom. RNP Coordenação Coordenação Protocolos / Aplic/Serviços Redes Científicos Rede GIGA Rede Experimental de Alta Velocidade Universidades, Instituições de Pesquisa, Empresas Brasileiras, Empresas Operadoras de Telecomunicações Figura 16. Organização do Projeto GIGA As operadoras de telecomunicações Telefônica, Telemar, Embratel, Intelig e Pegasus participam do projeto através de representantes que constituem o Comitê Assessor, com atribuições de acompanhar as pesquisas desenvolvidas e também propor e realizar pesquisas particulares, utilizando uma rede experimental. Tal rede, a Rede GIGA, consiste em uma grande plataforma de testes, onde os protocolos e serviços desenvolvidos no projeto serão validados. A Rede GIGA é composta por universidades e instituições de pesquisa, nas quais são desenvolvidos os subprojetos do Projeto GIGA, com o apoio das empresas brasileiras e empresas operadoras de telecomunicações. A seguir, são apresentados os objetivos e subprojetos de cada Coordenação Temática. Coordenações Temáticas A CTRO (Coordenação Temática de Redes Ópticas) tem por objetivo gerar tecnologias e soluções competitivas para a camada óptica das redes de telecomunicações com tecnologia IP sobre WDM. Essas tecnologias e soluções serão obtidas através de subprojetos de P&D voltados para a geração de protótipos laboratoriais de hardware ou software. A CTRO divide-se ainda em quatro sub-temas: Sistema de Longa Distância: Tem por objetivo desenvolver tecnologias inovadoras para um sistema WDM ponto a ponto de longa distância operando

37 em 10 Gbps, visando a escalabilidade em termos de número de canais e de distância. IP sobre WDM: Visa o desenvolvimento de tecnologias de redes ópticas WDM que permitam o aprovisionamento, a restauração e a re-configuração de caminhos ópticos de modo dinâmico e integrado com as camadas IP e de gerência. Nesta sub-área será desenvolvido um plano de controle, como será descrito na seção Rede Metropolitana: Tem por meta desenvolver tecnologias de baixo custo para redes ópticas metropolitanas. Serão desenvolvidos módulos de derivação e inserção de canais, amplificação de banda larga, amplificação de baixo custo e conversão de comprimento de ondas. Rede de Acesso: Visa a identificação das soluções tecnológicas propostas recentemente em WLANs, dentro de um contexto de alternativas tecnológicas de redes de acesso, em ambiente de redes ópticas. A Coordenação Temática de Protocolos e Serviços de Rede está dividida em dois sub-temas: redes ópticas de transportes; e gerenciamento e monitoramento de redes avançadas de tecnologias IP e ópticas. O primeiro sub-tema tem por objetivo a automatização da operação da rede do ponto de vista da criação de caminhos ópticos através da utilização de protocolos de sinalização e roteamento, e de funções de engenharia de tráfego e qualidade de serviço. O segundo visa às funções típicas de gerenciamento de falha, configuração, desempenho, segurança e contabilidade aplicados às especificidades das redes de alto desempenho. A Coordenação Temática de Serviços Experimentais de Telecomunicações tem o objetivo de desenvolver serviços para ajudar pessoas e entidades através das telecomunicações. Nesta área serão desenvolvidos um Serviço de Distribuição de Mídia Digital (Cinema Digital) criado para atender as necessidades atuais dos exibidores, distribuidores e administradores do negócio de distribuição de mídia digital e um Laboratório de Serviços Banda Larga uma infra-estrutura de serviços avançada, com o núcleo baseado em Web Services, que permita a criação fácil e rápida de novos serviços utilizando ou estendendo serviços já existentes. A Coordenação Temática de Serviços e Aplicações Científicas visa o desenvolvimento das novas categorias de serviços a serem disponibilizados nas futuras redes de alto desempenho. Esta coordenação encontra-se dividida em dois sub-temas: aplicações multimídia em tempo real, para atender às aplicações com demandas explícitas de QoS (representadas pelos parâmetros de atraso e jitter) típicas das aplicações multimídia, e aplicações distribuídas em larga escala, para atender as aplicações envolvendo a interação de um grande número de máquinas interconectadas (tipicamente encontradas nas chamadas aplicações grid). Através dessas quatro Coordenações Temáticas, o Projeto GIGA pretende transferir os resultados de cada subprojeto para Empresas Brasileiras em forma de protótipos, sejam eles serviços, protocolos, dispositivos ou equipamentos. As Empresas deverão se envolver através de atividades relacionadas à prototipagem industrial, marketing, lançamento de produto e operação no mercado.

38 Rede GIGA A Rede GIGA, em sua primeira fase, foi implantada em maio de 2004, com 735Km de extensão e capacidade de 2,5 Gbps, podendo chegar até 10 Gbps. Abrangendo os municípios de Campinas, São Paulo, São José dos Campos, Cachoeira Paulista, Rio de Janeiro, Niterói e Petrópolis, a rede interconecta universidades e centros de pesquisa do eixo Rio-São Paulo. A Figura 17 ilustra a topologia atual da Rede GIGA. As linhas tracejadas no diagrama indicam que o ponto ainda não foi implantado ou encontra-se em fase de implantação. Figura 17. Topologia atual da Rede GIGA (1 a Fase) Em 2005, a segunda fase da Rede GIGA pretende expandir suas conexões para o Nordeste. Nesta fase, serão interligados à rede centros de pesquisa e instituições de ensino das cidades de Salvador, Aracaju, Maceió, Recife, João Pessoa, Natal e Fortaleza Subprojetos Apesar de existirem quatro Coordenações Temáticas no Projeto GIGA, este curso enfatiza a de Redes Ópticas, em especial o subprojeto Plano de Controle do sub-tema IP sobre WDM. Como descrito na seção 4.5.1, o sub-tema IP sobre WDM tem o objetivo de desenvolver tecnologias de redes ópticas WDM que permitam o aprovisionamento, a restauração e a re-configuração de caminhos ópticos de modo dinâmico e integrado com as camadas IP e de gerência. A Figura 18 mostra os componentes de uma rede óptica que serão desenvolvidos neste sub-tema.

39 Figura 18. Componentes de uma rede óptica WDM Dos componentes visualizados na figura, serão desenvolvidos através dos subprojetos os seguintes componentes: Equalizador dinâmico de potência óptica (EDPO) para enlaces WDM, utilizando atenuadores ópticos controláveis externamente; Amplificador com controle automático de ganho, com utilização de atenuadores ópticos variáveis; Crossconnect óptico reconfigurável que permita chavear os comprimentos de onda sob ação do plano de controle; Plano de Controle da camada óptica baseado na especificação de algoritmos e protocolos. Para cada componente descrito acima, há um subprojeto correspondente responsável pelo seu desenvolvimento. O subprojeto Plano de Controle está ainda subdividido em três partes: algoritmos, protocolos e implementação. A parte de algoritmos se refere ao desenvolvimento de algoritmos RWA dinâmicos e estáticos com restrições de camada física, mecanismos de proteção e políticas variadas (ver seção 4.3.7). Na parte de protocolos serão especificados os protocolos de roteamento, de alcançabilidade, de sinalização e descoberta automática de vizinhos. E a parte de implementação é responsável pela implementação do plano de controle, incluindo especificação arquitetônica e funcional, desenvolvimento, prototipagem, testes e validação. O objetivo fundamental do projeto Plano de Controle da Rede GIGA consiste na especificação e implementação de funções que permitam automatizar, no interior da rede de transporte, o aprovisionamento de circuitos ópticos, desde o roteamento até a detecção e recuperação de falhas. Estes circuitos serão utilizados para interconectar o tráfego entre redes clientes na borda da rede óptica. O protótipo do Plano de Controle da Rede GIGA seguirá o modelo Overlay de interconexão, no qual as redes de borda atuam como redes clientes da Rede de Transporte. Essa relação cliente/servidor é realizada através da interface UNI, como ilustrado na Figura 19.