Estudo sistêmico das redes ASON e protocolos de roteamento e atribuição de comprimento de onda.

Estudo sistêmico das redes ASON e protocolos de roteamento e atribuição de comprimento de onda. Claudinei da Silva Rosa Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel claudinei_net@yahoo.com.br Guilherme Pedro Aquino Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel guilhermeaquino@inatel.br Resumo O objetivo deste artigo é fazer uma revisão dos temas principais relacionados à rede óptica comutada automaticamente ASON. Dentre os temas abordados estão os algoritmos de roteamento de comprimento de onda e os algoritmos de atribuição de comprimento de onda. Além disso, será feito um estudo com relação ao uso de EDFAs neste tipo de rede, e os problemas que podem ocorrer com estes amplificadores quando a rede atribui novas rotas e novos serviços dinamicamente. Palavras chave ASON, RWA, EDFA, DWDM. I. INTRODUÇÃO. O Hoje em dia é notório o grande aumento dos serviços de transmissão de dados em banda larga [1]. Serviços como voz, dados e vídeo vêm requerendo cada vez mais recursos das redes para escoamento dos dados. Portanto, é necessária uma rede que forneça altas taxas de transmissão, transporte transparente [2] e custo relativamente baixo. As redes de transporte ópticas baseadas em multiplexação por divisão em comprimento de onda denso (DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing) [3] são uma ótima alternativa a este panorama atual. Estas redes possuem alta capacidade de tráfego, elevadas qualidade de transmissão e baixa atenuação, o que permite enlaces com grandes distâncias e grandes taxas de transferência de bit [4]. A multiplexação por comprimento de onda (WDM) permite que vários canais ópticos sejam transmitidos em uma única fibra óptica. Cada canal ocupa uma determinada largura de faixa em um comprimento de onda ( n ) específico dentro da fibra. Cada canal pode transportar informações distintas, com seu próprio esquema de modulação e codificação, permitindo assim, que cada canal tenha sua própria taxa de transmissão de bit. A soma das taxas de cada comprimento de onda dentro da fibra fornece a taxa de transmissão total desta fibra. As pesquisas em DWDM não param de derrubar os C. S. Rosa (claudinei_net@yahoo.com.br) e G. P. Aquino (guilhermeaquino@inatel.br) pertencem ao Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel. Av. João de Camargo, 510 - Santa Rita do Sapucaí - MG - Brasil - 37540-000. recordes do número de canais multiplexados em uma única fibra, que já ultrapassam a casa de alguns milhares de canais, assim como da taxa máxima transmitida, que já ultrapassa a casa de Tbps (Terabits por segundo). As redes ópticas com roteamento por comprimento de onda (WRN Wavelength Routing Networks) [5] proporcionam aos sistemas de comunicações um grande aumento em sua flexibilidade e, consequentemente, em capacidade de transmissão, que ocorre através da otimização da infra-estrutura disponível de fibras ópticas. Neste tipo de rede, a configuração, a proteção e a restauração de caminhos ópticos são processos dinâmicos e automáticos, realizados através de elementos capazes de promover a inserção e remoção de sinais ópticos, em determinados pontos da rede, proporcionando, assim, um elevado grau de reconfigurabilidade a mesma. A Rede Óptica Comutada Automaticamente (ASON Automatically Switched Optical Network) [6] é um tipo de rede de transporte comutada automaticamente (ASTN Automatically Switched Optical Network) [7] adaptada para conexões orientada a circuito ou redes de transporte de pacotes [6]. A rede ASON tem por função estabelecer uma rota e um comprimento de onda dentro da rede óptica WDM para um determinado serviço. Em caso de falhas ou problemas na estrutura da rede óptica (ex: rompimento de fibra), a rede reconfigura automaticamente novos caminhos e novos comprimentos de onda para manter a qualidade de serviço necessária. Portanto, a rede ASON atribui características de resiliência à rede óptica, aumentando a confiabilidade do serviço de transporte de informações. Para o funcionamento da rede ASON é necessário o uso de um algoritmo de atribuição de caminhos e de comprimento de ondas, denominado de RWA (Routing and Wavelength Assignment) [8]. A atribuição da rota e do comprimento de onda para um determinado serviço deve otimizar a utilização dos recursos de redes disponíveis. Embora a rede ASON traga benefícios às comunicações ópticas, existem alguns problemas que são conhecidos. Como

por exemplo, os efeitos não-lineares causados pela saturação de amplificadores à fibra dopada com érbio (EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier) [9], quando ocorre um novo estabelecimento de rota (re-routing) devido às falhas de conexão. Sendo assim, este trabalho tem por objetivo estudar as características da rede ASON, bem como apresentar alguns algoritmos de atribuição e roteamento de comprimento de onda. Além disso, o estudo discutirá o problema do controle de ganho dos amplificadores EDFA. Além disso, fará um levantamento sobre as referências bibliográficas sobre o assunto. Para o cumprimento do objetivo deste artigo, a Seção II apresenta a arquitetura lógica da rede ASON, enquanto que a Seção III mostra as principais funcionalidades dos algoritmos de roteamento e atribuição de comprimento de onda. A Seção IV apresenta o problema da utilização do EDFA neste tipo de rede, e a Seção V traz as conclusões deste artigo. II. ARQUITETURA DAS REDES ASON. As discussões sobre as Redes Ópticas Comutáveis Automaticamente (ASON) se iniciaram em 1999 pelo International Telecommunications Union - Telecommunications (ITU-T) e foi aprovada a primeira versão da Recomendação ITU-T G.8080 em 2001 [6]. O termo ASON refere-se a uma arquitetura de rede projetada para configurar, de forma automática, as conexões fim-a-fim entre elementos de rede (NE Network Element) ópticos. Para isso, a rede ASON pode ser subdividida em três planos distintos: (i) plano de transporte, (ii) plano de controle, e (iii) plano de gerenciamento. Através de um sistema de controle e gerenciamento inteligente, a rede ASON pode garantir proteções e restaurações de rotas ópticas, controle de admissão de conexões e controle de QoS (Quality of Service) a diversos serviços. Todas estas vantagens podem ser aproveitadas em diversas topologias de redes ópticas, especialmente, em malha [10]. A Figura 1 ilustra as divisões de planos de uma rede ASON. Interface de Sinalização Plano de Controle Plano de Transporte Plano de Gerência Fig. 1. Divisão da ASON em plano de transporte, controle e gerenciamento. O Plano de Transporte da ASON (ATP ASON Transport Plane) provê a transferência unidirecional ou bidirecional das informações dos usuários finais de um NE a outro e detecta as informações do estado da conexão (por exemplo: falhas e qualidade do sinal óptico). Pela Figura 1 pode-se notar que existem equipamentos ópticos interligados em malha. Os comprimentos de onda desse plano podem ser comutados para criar qualquer rota possível entre qualquer NE. As soluções desenvolvidas para realização das comutações nas redes totalmente ópticas foram introduzidas por equipamentos como OXC (Optical Crossconect) [11], OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) [12] e ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) [13]. OADM, que atualmente é maioria nas redes ópticas existentes, possui a função de inserir ou retirar comprimentos de onda passivamente em um ponto qualquer da rede óptica. Já o ROADM é capaz de prover, além da inserção e retirada de canais, mecanismos de reconfiguração baseados em monitoramento de potência e em chaves ópticas por canal, onde estas são capazes de aprovisionar caminhos ópticos e possibilitar estratégias de proteção na camada óptica. O OXC é um dispositivo composto por várias chaves ópticas. Este possui certa inteligência, sendo capaz de restaurar caminhos ópticos ou reconfigurar a rede de acordo com os algoritmos responsáveis por estas tarefas, que se encontram no plano de controle da rede. No OXC, diferentemente do ROADM, cada comprimento de onda utilizado na rede pode ter seu tráfego redirecionado para qualquer um dos outros comprimentos de onda disponíveis, possibilitando assim, o reuso de comprimentos de onda na rede óptica. A função do Plano de Controle da ASON (ACP ASON Control Plane) é controlar a admissão de novos canais, configurar e manter as rotas fim-a-fim entre elementos do plano de transporte. Para tal, deve existir uma conexão do ACP com o ATP através de interfaces de sinalização, como pode ser visto na Figura 1. As rotas podem ser definidas pelo ACP de maneira automatizada, ou pode ser definida pelo gerente da rede através de comandos vindos do plano de gerência. Os elementos do ACP possuem várias funcionalidades. Dentre elas, pode-se citar o controle de conexões (CC Connection Controller) que avalia se uma nova conexão pode ou não ser permitida. Algumas características são avaliadas na nova conexão, como, existência de um canal livre, capacidade de tráfego deste canal, entre outros. Outra funcionalidade é o controle de roteamento (RC Routing Controller) que avalia o melhor caminho entre dois NE em uma rede em malha. Várias métricas podem ser avaliadas para decisão da melhor rota. Portanto, o caminho será decidido por um algoritmo de roteamento presente no ACP. Alguns destes algoritmos serão apresentados na Sessão III. Além destas duas funcionalidades, o ACP também é responsável por gerenciar os recursos do enlace (LRM Link Resource Manager), policiamento de tráfego (TP Traffic Policing), entre outras. Estas funcionalidades juntas irão trabalhar para que quando ocorrer uma falha na rede (rompimento de uma fibra, por exemplo) o mecanismo de sobrevivência [14] contido ACP se encarregue de garantir, o mais rápido possível, uma nova rota para o transporte de dados.

Alguns estudos apresentam uma arquitetura baseada na rede GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching) denominada de arquitetura IP/GMPLS over WDM como sendo a melhor aplicação para o plano de controle de redes ASON [15] [16] [17]. Por último, o Plano de Gerência da ASON (AMP ASON Management Plane) desempenha as funções de gerenciamento, tais como: falhas na rede, verificação de desempenho da rede, configuração dos NEs e segurança do ACP e ATP. Com base nestes três planos, é possível habilitar uma rede inteligente através da interconexão entre a camada de pacote e camada óptica de modo a escolher um caminho mais curto com custo mínimo por comprimento de onda roteado. A ASON habilita a configuração de cada OXC escolhido e define um caminho óptico para transportar um tráfego baseado no protocolo orientado à conexão fim-a-fim [18]. Este protocolo é capaz de ativar a restauração e proteção óptica distribuída no ATP. Quando ocorre uma falha no OXC ou mesmo num enlace óptico, um conjunto de sinalização é trocado entre os planos ATP, AMP e ACP a fim de reconfigurar um novo caminho óptico e manter o QoS exigido pelos usuários finais. III. ALGORITMOS RWA (ROUTING WAVELENGTH ASSIGNMENT). A recomendação que trata a ASON [6] não menciona nenhum protocolo específico de sinalização e roteamento para a rede óptica inteligente. Porém, alguns estudos indicam que os protocolos utilizados pelo MPLS (sinalização e roteamento) poderão ser utilizados pela rede ASON [19][20][21][22]. Os protocolos de roteamento usados em redes IP (Internet Protocol) podem ser aplicados à rede ASON desde que satisfação as exigências das redes ópticas transparentes. Portanto, podem-se usar protocolos como RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) e EIGRP (Enhanced IGRP) [23]. Os conceitos de roteamento e atribuição de comprimento de onda devem ser adicionados aos cabeçalhos dos protocolos apresentados. Logo, estes novos protocolos recebem o rótulo estendido ou * para indicar a aplicação em redes ópticas (ex.: OSPF-Extended). O conjunto de protocolos de roteamento que podem ser implementados é vasto, porém, alguns destes protocolos serão explorados e comentados a partir daqui. Os protocolos de roteamento devem tomar a decisão das rotas baseados em métricas. Cada protocolo prioriza uma determinada métrica, algumas são discutidas a seguir: Comprimento do caminho: É a métrica mais comum da maioria dos sistemas, onde cada trecho do enlace em uma rede possui um custo diferenciado, dessa forma o valor da transferência de dados é obtido pela soma dos comprimentos do enlace total que a informação irá trafegar até o destino. Outra métrica utilizada é calculada pelo número de saltos, onde dessa forma o custo é gerado pela quantidade de nós da rede que a informação será comutada da origem até o destino. Confiabilidade: Esse item refere-se à confiança de cada enlace envolvido na rede, parâmetro o qual apresenta as diferenciações dos enlaces que se relaciona diretamente a alguns parâmetros fundamentais, como: (i) taxa de erro de bit (BER Bit Error Rate), (ii) Estruturação da rede que implica a quantidade de elementos comutadores e roteadores presente no enlace, (iii) Risco de ruptura de fibra, determinado pelo local onde estão implantados os sistemas, entre outros. Atraso de roteamento: Este parâmetro relaciona-se o tempo de transporte entre a origem até o destino. Este atraso depende de diversos fatores como banda dos enlaces, os buffers, entre outros itens que define o tempo de transferência do tráfego de dados. Largura de Banda: Diz respeito à taxa de bits por segundo que é disponível para o enlace. Carga: É definido pela de maneira usual da taxa média de chegada de dados nas conexões pela duração média em cada conexão, pode também ser definida pelo fator de utilização, ou intensidade de tráfego, descrita em Erlangs. Custo de comunicação: Em alguns casos quando o tráfego de dados é operado através da junção de duas redes que apresentam diferença nas suas taxas de transmissão, isso ocasiona uma divergência de atraso na rede, embora mesmo com esta defasagem, os pacotes serão enviados no intuito de diminuir o custo. No protocolo RIP, a métrica de custo utilizada é composta apenas pelo parâmetro número de saltos e representa a distância entre o par de elementos (fonte, destino). Cada salto em um caminho óptico entre o NE-fonte e o NE-destino, acrescenta o valor de 1 à métrica de custo. O caminho com menor métrica é escolhido. Este protocolo não considera fatores como, atraso, largura de faixa, custo de comunicação, entre outros. Portanto, vem sendo substituído por protocolos mais robustos. No protocolo OSPF, a métrica de custo utilizada é composta pela largura de banda disponível do enlace, e dada por 8 10 M OSPF, (1) Bw onde, Bw é a largura de banda da interface. Na configuração de um NE, o operador de rede define qual a largura de banda da interface de modo que para cada enlace é obtido uma métrica de custo que será utilizada no protocolo OSPF. O menor valor de métrica de custo é escolhido como sendo o caminho do sinal de transmissão. Já o protocolo IGRP, sua funcionalidade principal é a determinação que certos números de gateways possam

controlar suas rotas, possui alta funcionalidade de manter o roteamento estável independente do tamanho da rede, devido à capacidade da troca de informações de roteamento dos gateways adjacentes, admite ainda alta praticidade na mudança de topologias da rede. Sua métrica é composta por um conjunto de parâmetro que são avaliados como: atraso de propagação da rede, largura de banda, ocupação de canal de um caminho e confiabilidade de caminho. Sua métrica pode ser calculada por M K1 K Bw IGRP 2 D C r, (2) onde, e K são valores constantes, Bw é a largura de K1 2 D C banda disponível do enlace, é o atraso de propagação e r é a confiabilidade do enlace. O menor valor de métrica resulta na rota selecionada. Para a atribuição de comprimentos de onda, muitos algoritmos clássicos são utilizados no ASON, tais como: First-Fit (FF), Least-Used (LU), Most-Used (MU), Relative Capacity Loss (RCL) e Distributed Relative Capacity Loss (DRCL) [24]. O algoritmo FF é tido como um dos mais utilizados para atribuição de comprimento de onda devido sua simplicidade de implementação. Sua importância no processo de atribuição de onda é feita em conjunto com o protocolo de RWA, com finalidade de suprir falhas do RWA, para determinadas aplicações que o RWA, possa apresentar problemas ou falhas expressivas na comutação dados. De forma específica, temos seu funcionamento direcionado à enumeração dos comprimentos de ondas, com finalidade de na escolha do comprimento de onda de transporte da informação, e uma vez determinado será inteiramente utilizados ao longo do NE origem até o destino. Com esse artifício a enumeração, na maioria dos enlaces curtos e médios, é utilizada numerações de valores pequenas, consequentemente em enlaces longos, numeração valores grandes, definidas pela tabela criada pelo próprio algoritmo. O algoritmo DRLC possui sua funcionalidade na solução de problema na atribuição de comprimento de onda. Para seu funcionamento o DRCL necessita de uma tabela de roteamento que proverá a rota entre o par de NE s fonte e destino, basea-se também na probabilidade de perda de informações dos enlaces, logo quando é solicitada uma nova conexão da rede, ele escolhe um comprimento de onda que reflete na soma das perdas de informações de todos os enlaces que compõe aquele nó, a cada fluxo de dados que é concluído é armazenado, é controlado pelo protocolo e retiradas às informações de perdas, fazendo assim a otimização dos enlaces no intuito de melhorar a eficiência do tráfego da rede [25]. IV. VARIAÇÃO DE GANHO DO EDFA EM REDES ASON. Uma das principais limitações para a operação das redes ASON está relacionada ao uso de amplificadores EDFA neste tipo de rede. Por questões de eficiência e custo, os EDFA são utilizados na maioria dos enlaces com grandes distâncias entre dois elementos de rede. Com a introdução de dispositivos capazes de prover a adição e/ou remoção de comprimentos de onda, junto com a possibilidade de mudanças de rotas para canais ópticos, o número de comprimentos de onda que propagam pelas fibras da rede ASON podem mudar aleatoriamente durante o funcionamento da rede. Estas mudanças na quantidade de canais que propagam pela fibra provocam flutuações aleatórias na potência de sinal óptico que propaga pela mesma. Em um sistema WDM, a potência do sinal multiplexado é dada por PmuxdB PchdB10logN, (3) onde, P ch db é a potência na escala logarítmica de cada canal óptico antes da multiplexação, e N é o número de canais multiplexados em uma única fibra. Admite-se que todos os canais tenham a mesma potência antes da multiplexação. Nota-se por (3) que a potência do sinal que propaga pela fibra tem uma relação direta com o número de canais multiplexados nesta mesma fibra. A partir disso, conclui-se que, irá existir uma flutuação na potência do sinal de entrada de um determinado EDFA que se encontra entre dois elementos de rede. O problema aparece, pois, o ganho de potência do amplificador EDFA depende da potência de sinal em sua entrada, uma vez que, o ganho do EDFA é dado por P sat Psat Gmax G 1 ln, (4) P G in onde, é a potência de saturação do EDFA, é a potência de entrada do amplificador e G max é o ganho máximo do EDFA. É importante ressaltar que (4) é uma equação transcendental, portanto, sem solução analítica. A Figura 2 mostra a solução gráfica para um amplificador com G max 40dB e P sat 25dBm. P in

1 1 2 3 4 5 6 2 Fig. 2. Relação entre o ganho e a potência de entrada do EDFA. A partir de (3) e (4) pode-se concluir que, quando um novo comprimento de onda é admitido em uma determinada rota, irá existir um aumento na potência de entrada de um EDFA que esteja localizado nesta rota. Sendo assim, o ganho do EDFA poderá ter uma diminuição no ganho caso Pin P sat. Esta alteração no ganho poderá influenciar toda a distribuição de potência dos enlaces da rede ASON, causando uma flutuação na relação sinal-ruído óptica (OSNR Optical Signal-to-Noise Ratio) dos canais, aumentando a taxa de erro de bit e comprometendo o desempenho do sistema. Considere a rede ASON proposta na Figura 3. Entre os elementos 1 e 2 existe o enlace óptico e um EDFA A 12 doravante denominado. Esta mesma nomenclatura serve para os demais enlaces e amplificadores. Admita que, em um primeiro instante de tempo, exista somente uma aplicação alocada no canal 1, que utiliza a rota 1-2-3-4. Em um segundo instante de tempo é admitida uma segunda aplicação usando o canal 2, e a rota atribuída foi a rota 2-3-6. Percebe-se então que as duas aplicações passam a compartilhar o enlace. Ao admitir o segundo L 23 L 12 comprimento de onda, a potência de entrada em A 23 aumenta. A 23 Desta forma, poderá existir uma diminuição no ganho de. Se isto acontecer, a potência de saída deste amplificador terá seu valor alterado. Desta maneira, todos amplificadores que sucederem A23 na rota de comunicação de 1 poderão ter seus ganhos alterados. No exemplo citado, o amplificador A 34 poderá ter uma flutuação no ganho mesmo não estando na rota da nova conexão estabelecida. Fig. 3. Problema de alteração de ganho de EDFA. Para minimizar este problema, existem algumas propostas de controle de ganho de EDFA. Um método existente utiliza uma realimentação óptica implementada no EDFA que permite a formação de um canal de controle [26] [27]. A Figura 4 ilustra este sistema. Outro método utiliza um circuito eletrônico que utiliza uma amostra do sinal na entrada do amplificador e atua diretamente no LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) de bombeio controlando o ganho de amplificação [28] [29]. A Figura 5 ilustra este circuito. Além do controle de ganho pode-se também implementar algoritmos RWA que levam em consideração métricas de camada física para atribuição e configuração de rotas. Em [30] é apresentado um algoritmo com limitação consciente (IA- RWA Impairment Aware RWA) que somente admite novos comprimentos de onda em uma rota, se a nova configuração não alterar os parâmetros de qualidade de transmissão (QoT Quality of Transmission) das conexões já estabelecidas. Este algoritmo tende a melhorar o desempenho de BER em toda a rede ASON, porém, ao custo de uma maior probabilidade de bloqueio de novos clientes [30]. Sinal de entrada Acoplador WDM EDFA LASER de bombeio EDF Atenuador variável Acoplador Sinal de saída Fig. 4. Método de controle automático de ganho de EDFA utilizando realimentação óptica. Sinal de entrada Acoplador LASER de bombeio WDM EDFA EDF Sinal de controle Sinal de saída Conversor O/E Microcontrolador Fig. 5. Controle de ganho eletrônico com alimentação adiante.

V. CONCLUSÕES. As redes ASON vêm sendo apontadas como o futuro das redes de telecomunicações por aliarem alta velocidade de transmissão, flexibilidade e confiabilidade altas. Para realizar as funções de atribuição automática de rota e de resiliência, a rede ASON necessita de algoritmos de roteamento e atribuição de comprimento de onda RWA. Estes algoritmos são adaptados de algoritmos já existentes e usados em redes IP. Apesar das vantagens desta rede, esta apresenta um problema quanto à utilização do EDFA em enlaces dinâmicos. O fato de a rede atribui e retirar comprimentos de onda de forma dinâmica causa flutuações nos ganhos dos EDFAs. Isto pode afetar de forma significativa a BER de todo o sistema. Este problema pode ser resolvido com controle automático do ganho destes amplificadores. Com soluções em controle de ganho de EDFAs e com a otimização de algoritmos RWA, as redes ASON podem se destacar com uma solução para as altas demandas de tráfego em redes de telecomunicações. 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