volume 2 número 1 janeiro/ 2011 páginas 1-11 Análise do Algorimo sem Ponderação para Redes de Acesso GPON A. F. Sanos e E. D. S. Souza Depo de Química e Exaas, DQE - UES 45200-000 Jequié, A alexferreira.uesb@gmail.com, eudesdionaas@gmail.com Resumo Nese arigo propomos e analisamos um algorimo de alocação dinâmica de banda para rede de acesso GPON (gigabi passive opical nework). O algorimo aloca banda mínima para as ONUs e disribui a banda não uilizada de acordo com criério baseado em rês prioridades. A axa de bi upsream é 1,25 Gbps e o desempenho do algorimo é analisado com base na variação do araso de pacoes em função do ráfego gerado nas ONUs. Os resulados obidos por meio de simulações compuacionais mosram a versailidade do algorimo. Palavras-chave: Passive Opical Nework (PON), Gigabi PON (GPON), alocação dinâmica de banda. Absrac In his paper we propose and analyze an algorihm for dynamic bandwidh allocaion for nework access GPON (Gigabi Passive Opical Nework). The algorihm allocaes bandwidh o he ONUs and disribues unused bandwidh according o crieria based on hree prioriies. The bi rae is 1.25 Gbps upsream and performance of he algorihm is analyzed based on he variaion of packe delay as a funcion of raffic generaed in he ONUs. The resuls obained by compuer simulaion show he versailiy of he algorihm. Keywords: Passive Opical Nework (PON), Gigabi PON (GPON), dynamic bandwidh assignmen. Inrodução As redes de acesso êm se ornado objeo de inensa expansão e ofera de ecnologias. Esima-se que em um fuuro não muio disane, os assinanes necessiarão de acesso com banda de 70 a 100 Mbps na direção downsream e 20 a 30 Mbps na direção upsream em suas residências. Esa banda downsream é capaz de acomodar canais HDTV (high-definiion elevision) e SDTV (sandard-definiion elevision), navegação na Inerne, VoIP (voice over Inerne proocol), jogos on line e ouros serviços banda larga. Com a migração dos serviços de elevisão para as redes de dados (IPTV inerne proocol elevision), a capacidade de downsream (2.488 Mbps) pode ser esgoada em pouco empo, pois um canal SDTV requer aproximadamene 3 Mbps e um canal HDTV, 18 Mbps, se for uilizada codificação MPEG-2. No senido upsream o perfil do ráfego pelo uso de aplicações P2P e de sies que operam com upload (como Youube e Flick) irá alerar as caracerísicas das redes de acesso de assimérica para quase simérica em um fuuro próximo. Para suprir a grande demanda de banda, uma solução eficiene é a rede ópica de acesso padrão GPON. Uma das premissas do padrão GPON é o oferecimeno de banda larga e qualidade de serviço (QoS qualiy of service). Com o passar dos anos o ráfego na Inerne e ouros serviços coninuarão aumenando, e um mecanismo de gerenciameno eficiene de largura de banda é cada vez mais imporane. Assim, é 1
necessário que as operadoras de elecomunicações uilizem, em suas OLTs (opical line erminal), algorimos eficienes de alocação de banda que gerenciem oda a rede, com inuio de minimizar o araso e eviar o desperdício de banda. No GPON, a ransmissão no senido downsream, da OLT para as ONUs (opical nework uni), é realizada por meio de difusão (broadcas). Cada ONU idenifica seu ráfego por meio de endereçameno. No senido upsream, das ONUs para a OLT, o meio de ransmissão é comparilhado uilizando a écnica de acesso múliplo por divisão de empo (TDMA ime division muliple access), que, aravés da alocação de ime slos, permie conrolar quando cada ONU pode ransmiir a sua rajada de dados. Nese arigo propomos e analisamos um algorimo de alocação dinâmica de banda para rede de acesso por fibra padrão GPON, operando com axa de bi upsream 1,25 Gbps, e rês ipos de SLAs. Rede GPON A rede GPON é composa por fibras ópicas e diversos disposiivos ópicos e sisemas, como ONUs, OLTs, filros, divisores passivos e lasers. Os principais componenes ópicos e sisemas são descrios a seguir. OLT: Terminal de linha ópica. Esá localizada na cenral da operadora de serviços, conecando a rede de acesso à rede meropoliana. A OLT ransmie sinal ópico, que é disribuído para os diversos usuários aravés dos divisores ópicos passivos. Uma OLT é formada por diversos servidores que fornecem serviços, como VoiP, HDTV e Inerne. Toda a ransmissão da rede é gerenciada pela OLT. ONU: Unidade de rede ópica. Esá localizada próxima do assinane. A ONU concenra o ráfego aé que possa ser ransmiido para a OLT. Além disso, quando a OLT envia as mensagens em broadcas, as ONUs reconhecem apenas as mensagens desinadas à ela e ignoram as demais. Oura funcionalidade imporane é a conversão do sinal ópico em elérico para os disposiivos padrões, como elefones, compuadores, TV e ouros equipamenos de aplicação do usuário final. Divisor Passivo (Splier): Ese disposiivo esá localizado enre a OLT e a ONU, sendo responsável por dividir ou combinar o sinal ópico da fibra. No senido downsream, o sinal de enrada é dividido e enviado para odas as poras de saída. No senido upsream, o sinal de odas as ONUs é combinado e ransmiido à OLT. A Figura 1 ilusra uma rede GPON composa de uma OLT, um divisor ópico passivo e quaro ONUs. Figura 1. Rede GPON. 2
Alocação de anda Um algorimo de alocação de banda aua com base em um conjuno de criérios a fim de alocar ime slos para que as ONUs ransmiam seus respecivos quadros de ráfego, gerenciando o meio comparilhado e eviando colisões. A alocação de banda pode ser classificada em esáica ou dinâmica e o seu desempenho é avaliado pelo araso de pacoe (laência), variação do araso de pacoe (packe delay variaion PDV) e pela probabilidade de perda de pacoe. A implemenação mais simples é a que aloca ime slos fixos para as ONUs. Enreano, se os ime slos aribuídos são insuficienes para cobrir os requisios de largura de banda da ONU (que devem aguardar para serem ransmiidos) haverá aumeno do araso de pacoes. Por ouro lado, se os ime slos forem subuilizados haverá desperdício de banda. Esa implemenação é conhecida como alocação esáica de banda. Na alocação dinâmica de banda (DA dynamic bandwidh allocaion) o princípio é alocar banda aos elemenos da rede que esejam aivos e reduzir ime slos quando não há dados a ransmiir, disponibilizando-os para as ONUs que necessiam. O desafio para o DA é saber a quanidade de byes que aguardam ransmissão nas ONUs. No caso de esquema esáico, o conrole (operadora) dispõe de visibilidade limiada sobre ráfego no canal upsream, resulando em laência elevada e perda excessiva de pacoes, reduzindo a eficiência e provocando perda de receia. Se o uso da banda for ineficiene, não será possível ampliar o número de ONUs aendidas. Esas limiações são superadas por algorimos que auam de forma dinâmica, alocando banda de acordo com a necessidade de cada ONU. Com isso, a laência e a perda de pacoes podem ser reduzidos. A Figura 2 e a Figura 3 mosram simplificadamene as alocações esáica e dinâmica de banda, respecivamene. OLT Slo Vazio ONU C Slo Vazio ONU A ONU A ONU ONU C Slo Vazio ONU C Figura 2. Alocação esáica de banda. Se as ONUs não possuem dados a ransmiir (quadrado branco na figura) os ime slos alocados a elas ficam indisponíveis para serem uilizados por ouras ONUs. A operadora de serviços não pode ampliar o número de ONUs porque a banda uilizada de forma ineficiene não permie. 3
OLT Slo Exra Alocado para ONU A Slo Exra Alocado para ONU ONU A ONU Slo Exra Alocado para ONU ONU C Figura 3. Alocação dinâmica de banda. Em sequência, o primeiro (da esquerda para a direia) ime slo não uilizado pela ONU C é alocado para a ONU A; o segundo ime slo não uilizado pela ONU C é alocado para a ONU ; O ime slo não uilizado pela ONU A é alocado para a ONU. Desa forma, a ransmissão upsream não exibe ime slo desocupado, aumenando a eficiência da rede. Porano, um dos desafios para a implemenação do DA é saber a quanidade de byes que aguardam ransmissão nas ONUs. Alguns algorimos são apresenados na lieraura [5], [6]. Enreano, o mais uilizado é o DM (dynamic minimum bandwidh). Ese algorimo é baseado em SLAs (service level agreemen), que é um conjuno de especificações de serviços e prioridades negociados enre provedor e usuário. O DM aloca uma banda mínima para cada SLA, cuja disribuição é realizada de acordo com faores de ponderação. Assim, ese algorimo diferencia a alocação de banda para os SLAs e disribui a banda mínima igual para odos os usuários. A banda não uilizada é realocada para as ONUs, independenemene dos SLAs. Esa alocação é dinâmica e depende da banda excedene e do esado das filas de ráfego das ONUs. O algorimo DM é implemenado em duas eapas. A banda mínima para cada SLA é esipulada no primeiro eságio e a banda não uilizada, no segundo. A seguir será apresenada a formulação maemáica do algorimo de alocação dinâmica de banda sem ponderação, que propomos, similar ao DM. Todas as simulações foram realizadas uilizando um simulador desenvolvido em linguagem de programação C++. Algorimo Sem Ponderação Ese algorimo aloca banda (CIR commied informaion rae) igual para odas as ONUs e em seguida realoca dinamicamene a banda não uilizada (EIR excess informaion rae) com base nas prioridades dos SLAs. A sequência de ransmissão é sempre esabelecida de acordo com o padrão GPON. Os resulados foram baseados em opologia GPON formada por uma OLT e 16 ONUs. A disância enre OLT e ONUs é escolhida por soreio, com base em variável aleaória, não excedendo 20 km, conforme esabelece a norma. Assim, o empo de ida-e-vola (RTT round rip ime) do sinal é diferene para cada ONU. As 16 ONUs esão disribuídas em rês ipos de SLAs, conforme mosra a Tabela 1. O gerenciameno de banda é realizado pelo DA, que aloca banda (CIR) para odas as ONU. Em nossa abordagem, a banda excedene é uilizada sem limiação pelos SLAs. O SLA 1 (prioridade ala) pode uilizar oda banda excedene em caso de necessidade. Depois de aendidas as soliciações do SLA 1, a banda que resa pode ser uilizada pelo SLA 2 (prioridade média), ambém sem resrição. O SLA 3 (prioridade baixa) uiliza a úlima porção de banda que resar. A seguir será apresenada a formulação maemáica do primeiro algorimo proposo. 4
Tabela 1. Prioridades dos SLAs e disribuição das ONUs. SLA Prioridade ONUs 1 Ala 1 a 4 2 Média 5 a 8 3 aixa 9 a 16 Formulação Maemáica Em nossa implemenação, a banda que será alocada ( banda ( ) e banda exra ( exra ), conforme alocada ) para cada ONU é composa pela = +, (1) alocada exra na qual represena o número da prioridade (SLA), sendo, = 1 prioridade ala, = 2 prioridade média e = 3 prioridade baixa. A banda represena a banda mínima (CIR) disponível que será alocada para odas as ONUs independenemene da prioridade. Nesa alocação, será aribuída uma banda básica ( ) para as ONUs verificando o amanho da fila ( Q ). Se o amanho da fila for menor ou igual à banda básica, a ONU receberá a quanidade de banda soliciada ao OLT, ou seja, Q. Iso é realizado para eviar desperdício de banda. Se o amanho da fila for maior, será alocada a banda básica e a excedene será dispuada seguindo os criérios de alocação da banda exra ( exra ). A banda é alocada de acordo com básica básica ; Q > = Q; Q básica básica (2) A quanidade de banda exra que será alocada dinamicamene para as ONUs é composa pela diferença enre a banda oal da rede ( ) e a soma da banda alocada para odas as ONUs, conforme oal k não _ uilizada = oal, (3) i = 1 na qual k represena o número de ONUs. A banda exra é alocada para as ONUs que necessiarem de mais banda que a banda. Se iso ocorrer e exisir mais banda que a requerida, ( Q ), a ONU receberá a não _ uilizada quanidade de banda que soliciou (Q). Se exisir menos, ( Q ) > nãouiliza da, oda banda disponível será alocada. Caso a banda seja suficiene para suprir a quanidade de banda soliciada pela ONU, não será necessário alocar banda exra. Toda alocação de banda exra é realizada de acordo com as prioridades de alocação (SLAs), conforme 5
exra = ( Q não _ 0; uilizada ); Q > ;( Q > Q e ) > não _ uilizada não _ uilizada ( Q ) (4) Resulados Numéricos A Tabela 2 lisa os parâmeros uilizados nas simulações do algorimo proposo e a Tabela 1 suas prioridades. A Figura 4 mosra o araso médio de pacoe em função da carga oferecida para os rês SLAs e apenas um conêiner de ráfego. Uilizamos apenas um conêiner para evidenciar o efeio da dispua de banda excedene pelas ONUs. Ese gráfico é uilizado nas simulações como padrão de resulado do efeio de alocação de banda não uilizada de acordo com os SLAs. A diferença enre os valores de araso médio de pacoe dos SLAs 1 e 3 é acenuada porque a banda não uilizada, a que excede a banda alocada (3) para odas as ONUs, é realocada em sequência para os SLAs 1, 2 e 3. Quando a rede esá com carga máxima, os SLAs 1 e 2 praicamene consomem oda banda excedene. Assim, a adoção de criério de uilização livre, sem resrição da quanidade máxima, da banda excedene de acordo com os SLAs acarrea grande diferença enre os valores de araso médio. Nese caso, a rede se compora com parcialidade (unfairness), pois os SLAs de prioridade mais ala consomem as maiores porções de banda. Ese efeio pode ser viso de oura forma nas Figuras 4 e 5, que relacionam a quanidade de banda soliciada e aendida por número de soliciações por ONU e por SLA. Tabela 2. Parâmeros de simulação do algorimo proposo no padrão GPON. Descrição GPON Taxa de bi oal (Gbps) 1,25 Taxa de bi ONU (Mbps) 100 Número Toal de ONUs 16 Tamanho do buffer nas ONUs (M) 10 Disância máxima enre OLT e ONUs (km) 20 Tamanho máximo do ime slo () 1215 Tempo (bi) de guarda enre ransmissões 96 bi Tempo máximo do ciclo de inerrogação (µs) 125 6
1 0,1 SLA 3 (Prioridade aixa) SLA 2 (Prioridade Média) SLA 1 (Prioridade Ala) Araso Médio (s) 0,01 1E-3 1E-4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Carga Oferecida Pela ONU (%) Figura 4. Araso médio de pacoes em função da carga oferecida por ONU para os 3 SLAs e um conêiner de ráfego. A sequência de prioridade de SLA é mosrada na Tabela 1 e os parâmeros da simulação na Tabela 2. A Figura 5 mosra o volume de ráfego da rede em Terabye relacionado com as bandas soliciadas e aendidas por ONU em função dos SLAs para 100% de carga oferecida por ONU. O ráfego é gerado de forma similar para odas as ONUs. Se a quanidade de banda soliciada por ONU for aendida pela OLT, o volume de ráfego conido nos conêineres diminui, pois o ráfego é enviado ao OLT. No enano, à medida que o volume de ráfego aumena nos conêineres, a banda soliciada orna-se maior que a banda aendida e as ONUs precisarão soliciar uma quanidade maior de banda. Os valores mosrados se referem à média de 5 simulações realizadas. A banda média por ONU associada ao SLA é calculada por s, a, oal s, a, média = N (5) SLA na qual s a, média, é a banda média (por SLA), em bps; s, a oal é a banda oal (por SLA), em bps; N SLA é o número de ONUs associados aos SLAs, especificados na Tabela 1; s e a significam soliciada e aendida, respecivamene., 7
Volume de Tráfego da Rede em Terabye 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Revisa Cienífica do Deparameno de Química e Exaas anda Soliciada anda Aendida 0,05 0,0 1 2 3 Tipo de SLA Figura 5. Volume de ráfego da rede em Terabye relacionado com as bandas soliciadas e aendidas por ONU em função dos SLAs para 100% de carga oferecida por ONU. A linha horizonal delimia a quanidade de banda e a quanidade de banda exra alocado para cada SLA. Abaixo desa linha emos a quanidade de banda e acima a quanidade de banda exra. Na Figura 5, para 100% de carga oferecida por ONU as soliciações do SLA 3 são aendidas para o volume de ráfego de aé 0,05 Terabye. Iso represena que o SLA 3 receberá apenas a banda de 40 Mbps (observar na Figura 6 as bandas soliciadas e aendidas para o SLA 3 ). Iso ocorre porque a banda não uilizada (banda exra) é realocada sequencialmene para os SLAs 1, 2 e 3, sendo o SLA 3 o mais prejudicado não dispondo de banda exra para aendimeno de suas soliciações. Os valores de bandas mosradas na Figura 5, embora calculados por ONU associada à prioridade, são ainda valores essencialmene absoluos quando comparados com o oal de soliciações de odas as ONUs da rede. Há várias opções para calcular a média por soliciação e uma delas considera as bandas soliciadas e aendidas pelas 16 ONUs da rede. Nese caso, as soliciações das ONUs associadas aos SLAs ficam mascaradas. Uma forma de eviar ese mascarameno é calcular o número médio de soliciações feias pelas 16 ONUs da rede. Ese número é S médio = Soal / NONU, oal, na qual S médio é o número médio de soliciações; Soal é o número oal de soliciações das 16 ONUs; N ONU, oal é o número oal de ONUs, no caso, 16. Ese valor médio de soliciações é 10.341 e foi deerminado em 5 simulações. Assim, a Figura 6 mosra a banda média por SLA em relação à quanidade média de soliciações da rede, s, a, média / Smédio em bps. Somando as bandas aendidas e muliplicando pela quanidade de ONUs associadas às prioridades, vamos ober a banda oal da rede (1,25 Gbps). Como podemos observar na Figura 6, o SLA 3 não recebe banda exra, apenas a banda, 40 Mbps. Desa forma, percebemos que o volume de ráfego da rede aendido pela banda alocada é 0,05 Terabye (Figura 5). A Tabela 3 apresena os valores de banda aendida mosrada na Figura 6 e o oal de banda aendida em 100% de carga. 8
1,25G 1,20G 1,10G 1,00G anda Soliciada anda Aendida 900,00M anda (bps) 800,00M 700,00M 600,00M 500,00M 400,00M 300,00M 200,00M 100,00M 40,00 M 0,00 1 2 3 Tipo de SLA Figura 6. andas soliciadas e aendidas por SLA pela quanidade média de soliciações da rede. Calculada para 100% de carga oferecida por ONU, um conêiner de ráfego e média de cinco simulações. A linha horizonal delimia a quanidade de banda e a quanidade de banda exra. Abaixo desa linha emos a banda e acima a banda exra. Tabela 3. Prioridades dos SLAs, araso médio para 100% de carga por ONU (ms), número de ONUs por SLA, banda e exra em 100 % de carga (Mbps). SLA Araso Médio para 100% de carga por ONU (ms) Número de ONUs por SLA anda Garanida (Mbps) anda Exra (Mbps) anda em 100 % de carga (Mbps) anda Toal em 100 % de carga (Mbps) 1 0,3703 4 40 81,1 121,1 484,4 2 32,02 4 40 71,4 111,4 445,6 3 217,57 8 40 0 40 320 Toal 1250 A Figura 7 ilusra as bandas soliciadas e aendidas pelas ONUs de SLA 3 para alguns valores de carga oferecida pela ONU. O resulado mosrado na Figura 6 (100% de carga) esá incluído. O SLA 3 represena a siuação mais críica porque é o de prioridade mais baixa. Para cargas baixas e médias de carga (aé 60%) o aendimeno às soliciações é adequado (araso pequeno; ver Figura 4). 9
anda (bps) 1,25G 1,20G 1,10G 1,00G 900,00M 800,00M 700,00M 600,00M 500,00M 400,00M 300,00M 200,00M 100,00M 40 M 0,00 Revisa Cienífica do Deparameno de Química e Exaas anda Soliciada anda Aendida 20 40 60 80 100 Carga Oferecida Pela ONU (%) Figura 7. andas soliciadas e aendidas pelo SLA 3 pela quanidade média de soliciações da rede. Calculada para várias condições de carga oferecida por ONU, um conêiner de ráfego e média de cinco simulações. A linha horizonal delimia a quanidade de banda e a quanidade de banda exra. Abaixo desa linha emos a banda e acima a banda exra. Conclusões Nese rabalho propomos um algorimo de alocação dinâmica de banda para rede de acesso via fibra ópica padrão GPON e axa máxima 1,25 Gbps. Analisamos o araso médio de pacoes e a quanidade de banda soliciada e aendida para rês SLAs. Os resulados numéricos mosram a eficiência e versailidade do algorimo proposo. Pesquisa fuura inclui avaliação de axas para o esabelecimeno de diversos SLAs e ampliação de requisios de QoS. Referências [1] R. W. Heron e al., Technology Innovaions and Archiecure Soluions for he Nex-Generaion Opical Access Nework, ell Labs Technical Journal, vol. 13, pp. 163 182, março 2008. [2] GPON is more han jus a faser PON, roadligh, pp. 1-6. hp://www.broadligh.com/docs/pdfs/wp-gpon-more-han-faser-pon.pdf (daa de acesso, abril de 2010). [3] ITU-T Recommendaion G.984.3, "Gigabi-capable passive opical neworks (GPON): ransmission convergence layer specificaion", 2008. [4]Cisco, Approaching he Zeabye Era, hp://www.cisco.com/en/us/soluions/collaeral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/whie_paper_c1 1-481374_ns827_Neworking_Soluions_Whie_Paper.hml (daa de acesso, abril de 2010). [5] A. F. Sanos, S. M. Rossi, A. C. César, Algorimo de Alocação Dinâmica de anda para Rede Ópica de Acesso GPON. XXVII Simpósio rasileiro de Telecomunicações (SrT), lumenau, SC, 2009. 10
[6] A. Walid e A. Chen, Self-Adapive Dynamic bandwidh Allocaion for GPON (Gigabi Passive Opical Nework), Acceped for publicaion in ell Labs Technical Journal, 2010. [7] C.-H. Chang, P. Kouressis, and J. M. Senior, "GPON service level agreemen based dynamic bandwidh assignmen proocol," Journal of Elecronics Leers,vol. 42, pp. 1173-1174, 2006. 11