Universidade Federal do Rio de Janeiro Núcleo de Computação Eletrônica Donato Antonio Marino Junior REDES METRO ETHERNET: Uma Visão Geral da Tecnologia Rio de Janeiro 2005
Donato Antonio Marino Junior REDES METRO ETHERNET: Uma Visão Geral da Tecnologia Monografia apresentada para obtenção do título de Especialista em Gerência de Redes de Computadores no Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Gerência de Redes de Computadores e Tecnologia Internet do Núcleo de Computação Eletrônica da Universidade Federal do Rio de Janeiro NCE/UFRJ. Orientador: Prof. Moacyr Henrique Cruz de Azevedo, M.Sc., UFRJ, Brasil Rio de Janeiro 2005
Donato Antonio Marino Junior REDES METRO ETHERNET: Uma Visão Geral da Tecnologia Monografia apresentada para obtenção do título de Especialista em Gerência de Redes de Computadores no Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Gerência de Redes de Computadores e Tecnologia Internet do Núcleo de Computação Eletrônica da Universidade Federal do Rio de Janeiro NCE/UFRJ. Aprovada em setembro de 2005. Prof. Moacyr Henrique Cruz de Azevedo, M.Sc., UFRJ, Brasil
Dedico este trabalho ao meu Pai, que sempre me apoiou, mesmo que nem sempre de forma clara. Jovem, nos deixou no decorrer deste curso de Pós-Graduação para sentar-se ao lado do Criador.
AGRADECIMENTOS Agradeço ao Prof. Moacyr, pelo seu tempo e apoio dispensado neste trabalho. Sua orientação foi fator fundamental para que esta monografia tenha sido realizada com grande satisfação, apesar de todos os problemas encontrados no caminho. A todos os professores do Núcleo de Computação Eletrônica da UFRJ, sem exceção, por sua excelência e dedicação na construção do nosso conhecimento. A todos os amigos do MOT, pela seriedade e pela alegria, sempre no momento certo.
RESUMO MARINO Jr., Donato Antonio. REDES METRO ETHERNET: Uma Visão Geral da Tecnologia. Monografia (Especialização em Gerência de Redes e Tecnologia Internet). Núcleo de Computação Eletrônica, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2005. Este trabalho sintetiza uma visão da tecnologia Metro Ethernet e sua utilização nas redes metropolitanas e de longa distância. Apresenta desde a criação do padrão Ethernet e sua evolução, até a implementação do Metro Ethernet sob a infra-estrutura de redes metropolitanas de legado. Além disso, apresenta o padrão definido pelo Metro Ethernet Fórum, com os parâmetros e atributos utilizados nos serviços Ethernet em redes metropolitanas.
ABSTRACT MARINO Jr., Donato Antonio. REDES METRO ETHERNET: Uma Visão Geral da Tecnologia. Monografia (Especialização em Gerência de Redes e Tecnologia Internet). Núcleo de Computação Eletrônica, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2005. This work synthesizes a vision of the Metro Ethernet technology and its use in the metropolitan area networks and wide area networks. It presents since the creation of the Ethernet standard and its evolution, until the implementation of Metro Ethernet under the legacy metropolitan area infrastructure. Moreover, it presents the standard defined in the Metro Ethernet Forum, with the parameters and attributes used in Ethernet services in metropolitan area networks.
LISTA DE FIGURAS Página Figura 1 O esboço de Metcalfe 13 Figura 2 Visão geral do Metro Ethernet 21 Figura 3 O Ethernet over SONET 23 Figura 4 Exemplo de utilização do VCAT 24 Figura 5 O dispositivo RPR age como um packet ADM conectado a um meio compartilhado 29 Figura 6 A proteção do RPR 29 Figura 7 O Resilient Packet Ring 31 Figura 8 Ethernet hub-and-spoke 33 Figura 9 A proteção do Ethernet com o protocolo spanning-tree 34 Figura 10 Separação lógica do tráfego e dos serviços 43
LISTA DE TABELAS Página Tabela 1 As características do SONET 17 Tabela 2 Protocolos de rede suportados pelo GFP 27 Tabela 3 Serviços UNI 45 Tabela 4 Serviços EVC 46
SUMÁRIO Página 1 INTRODUÇÃO 10 2 O PADRÃO ETHERNET E AS REDES METROPOLITANAS DE LEGADO 12 2.1 O PADRÃO ETHERNET 12 2.1.1 A Evolução do Padrão 14 2.1.1.1 O Fast Ethernet e o Full Duplex 14 2.1.1.2 O Gigabit Ethernet 15 2.2 AS REDES METROPOLITANAS DE LEGADO 16 2.2.1 TDM Time Division Multiplexing 16 2.2.2 SONET/SDH Hierarquia de Sinais Digitais 16 2.2.3 As Tecnologias utilizadas na Interligação de Redes MAN / WAN 17 2.2.3.1 O ATM Assynchronous Transfer Mode 17 2.2.3.2 O Frame-Relay 19 3 AS REDES METRO ETHERNET 21 3.1 TECNOLOGIAS METRO ETHERNET 22 3.1.1 Ethernet over SONET/SDH 22 3.1.2 RPR Resilient Packet Ring 27 3.1.3 Transporte Ethernet 32 4 OS SERVIÇOS METRO ETHERNET PADRÕES 35 4.1 O METRO ETHERNET FÓRUM 35 4.2 OS SERVIÇOS METRO ETHERNET 35 4.2.1 Parâmetros e Atributos dos Serviços Ethernet 36 4.2.1.1 Atributo de Interface Física Ethernet 36 4.2.1.2 Parâmetros de Tráfego 37 4.2.1.3 Parâmetros de Performance 38 4.2.1.4 Parâmetros de Classes de Serviços (CoS) 40 4.2.1.5 Atributos de Serviço de Entrega de Quadros 41 4.2.1.6 Atributo de Suporte a Tag VLAN 42 5 CONCLUSÃO 47 REFERÊNCIAS 49
10 1 INTRODUÇÃO O objetivo principal deste trabalho é apresentar, de forma sintetizada, a tecnologia Metro Ethernet, suas vantagens técnicas e estudos para sua utilização nas redes metropolitanas de legado. As grandes operadoras de telecomunicações já se movimentam na direção desta tecnologia, adequando a infra-estrutura instalada para tal. Conceitos como simplicidade, otimização de recursos, performance e segurança, são perseguidos por estas empresas ao implementarem esta tecnologia. A oferta de enlaces mais rápidos e robustos às empresas e ao público em geral é fator importante para o desenvolvimento de nosso país, assim como o crescimento qualitativo do conhecimento e da cultura de nossa população. Indiretamente, a utilização de tecnologias com estas vantagens possibilitarão a democratização da informação nos vários campos do conhecimento. Desta forma, o tema em questão torna-se de grande relevância na criação de uma infra-estrutura cada vez melhor e mais disponível a todos. A tecnologia Metro Ethernet deve ser a próxima área no crescimento da indústria de infra-estrutura de redes, e representará uma grande mudança de como os serviços de dados são oferecidos à empresas e aos usuários residenciais. A rede metropolitana sempre foi um ambiente desafiador na entrega de serviços de dados pois foi construída de forma a atender as necessidades de disponibilidade e confiabilidade do tráfego de voz. As operadoras de telecomunicações deverão definir importantes mudanças para a implementação de uma nova geração de serviços de dados demandados pelas empresas e consumidores. Esta não será somente uma mudança tecnológica, mas também uma mudança no modelo operacional e
11 empresarial que possibilitará que estas operadoras passem a oferecer novos e melhores serviços de dados. O trabalho apresentado foi estruturado para mostrar a visão geral desta nova tecnologia. O capítulo 2 discorrerá sobre a criação do padrão Ethernet, sua evolução para os padrões Fast Ethernet, Gigabit Ethernet e o mais recente 10 Gigabit Ethernet. Ainda no capítulo 2, é apresentada a atual estrutura das redes metropolitanas, com as principais tecnologias utilizadas. O capítulo 3 apresenta a tecnologia Metro Ethernet, seus conceitos e soluções para a utilização na infra-estrutura existente, preservando assim o investimento feito anteriormente pelas operadoras de telecomunicações. Por fim, o capítulo 4 apresenta o Metro Ethernet Fórum, órgão criado para definir o escopo, conceitos e terminologias de implementação do Metro Ethernet e os atributos e parâmetros mais importantes para a implementação desta tecnologia.
12 2 O PADRÃO ETHERNET E AS REDES METROPOLITANAS DE LEGADO 2.1 O PADRÃO ETHERNET A tecnologia de redes locais Ethernet foi criada por Robert Metcalfe em 1973, no PARC (Palo Alto Research Center, da Xerox), que provê a interconexão de estações de trabalho, para troca de dados entre elas e para impressoras [SPURGEON]. O Ethernet foi uma evolução do ALOHA, que foi idealizado para transmitir dados entre vários computadores utilizando um canal de rádio. Cada estação poderia enviar dados quando quisesse e aguardava por uma confirmação. Caso esta confirmação não fosse recebida por um determinado tempo, presumia-se que teria havido uma colisão, fato gerado pela transmissão simultânea de duas ou mais estações. Neste caso, as estações aguardavam um tempo aleatório para retransmitir os dados. Porém, à medida que o tráfego aumentava, a taxa de colisão do canal também aumentava. Devido a este fato, o percentual de utilização real do canal ficava em torno de apenas 18%. Para tentar minimizar o problema, foi idealizado o Slotted Aloha, que através de um clock central dividia o tempo em slots, e só era possível iniciar uma transmissão no início desta faixa de tempo. Com isto, a utilização máxima do canal ficava em torno de 37%. Pensando em melhorar o Aloha, Robert Metcalfe desenvolveu um sistema que incluía mecanismo de detecção de colisão. Além disso, incluiu neste novo sistema um mecanismo de verificação do meio antes de transmitir, ou escutar antes de falar. O meio físico compartilhado poderia ser utilizado por acessos múltiplos, aonde cada estação escutava o meio antes de transmitir. No caso de ser detectada
13 uma colisão, cancelava-se a transmissão, aguardava-se um tempo aleatório e depois o quadro era retransmitido. O algoritmo deste novo sistema é o CSMA/CD, ou Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect (Sensor de Portadora de Acesso Múltiplo com Detecção de Colisão). Com este novo sistema, Metcalfe conseguiu uma utilização do canal de até quase 100%. Figura 1 O esboço de Metcalfe A taxa de transmissão da primeira versão do Ethernet era de apenas 2,94 Mbps, adaptado para os padrões da Xerox, já que toda a pesquisa foi feita dentro da empresa. Em 1980 foi realizado um consórcio de empresas e o Ethernet começou a se tornar um padrão de tecnologia de interligação de redes locais. A DEC, a Intel e a Xerox lançaram uma versão chamada DIX Ethernet que utilizava taxa de transmissão de 10Mbps utilizando o cabo coaxial grosso (ou Thick Ethernet, padrão 10Base5). O IEEE (Instutute of Electrical and Electronics Engineers), órgão mundial responsável por desenvolver padrões técnicos, incluindo computares e telecomunicações, publicou em 1985 o IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access
14 with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Phisical Layer Specifications. 2.1.1 A evolução do padrão Com o tempo, outros meios físicos de transmissão foram surgindo, e vários suplementos do IEEE padronizavam vários outros tipos de mídias, tais como o cabo coaxial fino (IEEE 802.3a), o cabo par trançado (IEEE 802.3i), a utilização de fibra ótica (IEEE 802.3j) e outros. Além de novos meios físicos, novas taxas de transmissão foram desenvolvidas mantendo o funcionamento básico do padrão Ethernet. A primeira evolução em termos de taxa de transmissão foi publicada no suplemento IEEE 802.3u, que padronizou o Fast Ethernet e a autonegociação de transmissão, possibilitando a utilização da taxa de 10 Mbps junto com a nova taxa de 100 Mps introduzida na publicação do suplemento. 2.1.1.1 O Fast Ethernet e o Full Duplex O Fast Ethernet foi publicado em junho de 1995 no suplemento 802.3u. Trabalha a 100 Mbits/s, com protocolos e formato idêntico ao 802.3. Na sua utilização half-duplex não apresentou grandes diferenças em relação ao 10 Mbits/s além de, é claro, a sua velocidade de propagação. Com a publicação do suplemento 802.3x em 1997, que se refere ao Ethernet Full-Duplex, houve uma mudança na forma de acesso ao meio com a suspensão da detecção da colisão, desta forma duplicando a banda de transmissão [SPURGEON]. O full duplex baseia-se na transferência ponto-a-ponto entre dois hosts, com a utilização de switches (criando micro-segmentos) não havendo necessidade da
15 detecção de colisão. Por outro lado, a criação de um link ponto a ponto também tira do Ethernet Full-duplex a necessidade do sensor de portadora, já que sendo apenas dois pontos não é preciso escutar o meio. Portanto, o algoritmo CSMA/CD não é utilizado no fast ethernet full-duplex, melhorando ainda mais sua performance e mantendo a confiabilidade. 2.1.1.2 O Gigabit Ethernet Desenvolvida entre 1998 e 1999, a tecnologia de redes Gigabit Ethernet alia várias vantagens em relação a tecnologias de alta velocidade em WANs. Pelo fato de ser uma tecnologia essencialmente de LANs, possui fácil configuração e provisionamento simples. Foi publicada em junho de 1998, no suplemento 802.3z. Funciona essencialmente em full-duplex, mantendo o protocolo e formatos idênticos ao 802.3 e é utilizada apenas com switches [AZEVEDO]. A evolução do Ethernet para a plataforma full-duplex permitiu o suporte para conexões dedicadas e escaláveis a taxas de transmissão que já chegam a 10 Gbits/s (10 Gigabit Ethernet, padrão IEEE 802.3ae). Mantendo a base e a simplicidade do padrão e sua evolução e aperfeiçoamento, várias operadoras de telecomunicações começaram a alavancar o emprego do Ethernet na agregação de tráfego de dados e voz, em múltiplos pontos de acesso nas redes metropolitanas (daí o nome Metro Ethernet, popularizado pelo mercado). Estuda-se neste momento a utilização do Ethernet para a implementação do acesso local das redes de telecomunicações, o EFM, Ethernet in the First Mile (muitas vezes chamado de Last Mile).
16 2.2 AS REDES METROPOLITANAS DE LEGADO As redes metropolitanas de legado (ou a atual estrutura das MANs) consistem principalmente da tecnologia TDM, ou time division multiplexing, que foi projetada e otimizada para serviços de voz. 2.2.1 TDM Time Division Multiplexing Tipo de multiplexação onde dois ou mais canais de informação são transmitidos através do mesmo meio de transmissão, através de alocação de um intervalo de tempo diferente (time slot) para a transmissão de cada canal [AZEVEDO]. Um sinal de sincronismo ou identificador é normalmente necessário para saber qual o canal a ser utilizado. O TDM é ineficiente se o tráfego é intermitente porque o slot de tempo é alocado independente do canal possuir dados a transmitir. Para tentar solucionar este problema foram idealizados os multiplexadores determinísticos, que mesmo assim podem desperdiçar banda pela necessidade de sinais de controle e uma alocação de tempo mínima, mesmo que o canal não possua dados a transmitir. 2.2.2 SONET/SDH Hierarquia de Sinais Digitais O SONET (Synchronous Optical Network) é uma tecnologia de camada física (padronizada pela ANSI Institute) desenvolvida para prover uma estrutura universal de transmissão e multiplexação, com taxas de transmissão na faixa do megabit ao gigabit por segundo, com sistema sofisticado de operação e gerenciamento. O SDH (Synchronous Digital Hierarchy), padronizado pelo ITU é bastante similar ao SONET, porém sua hierarquia de multiplexação de sinais é derivada do SONET [BATES].
17 Uma das funções do SONET é prover o transporte de sinais digitais de níveis mais baixos, tais como links DS-1, DS-2 e DS-3. De acordo com as características de seu quadro, como quantidade de bytes e taxa de amostragem, o canal básico do SONET (STS-1, Synchronous Transport Signal 1) possui taxa de 51,84 Mbps. A taxa do canal básico do SONET comporta 28 canais DS-1 (1.544 Mbps) ou 1 canal DS-3 (44.736 Mbps). A tabela 1 apresenta as principais taxas de transmissão do SONET e suas características: Tabela 1 As características do SONET 2.2.3 As Tecnologias Utilizadas na interligação das Redes MAN / WAN As tecnologias mais utilizadas na interligação entre redes metropolitanas e de longa distância são o ATM e o Frame-Relay. 2.2.3.1 O ATM Assynchronous Transfer Mode O ATM é uma tecnologia baseada na comutação e multiplexação de células de dados, com mecanismo de transporte orientado à conexão para um grande conjunto de serviços [TRILLIUM]. Células ATM de tamanho fixo possibilitam a comutação rápida em dispositivos de hardware. Permitem que diferentes fluxos de dados de dados sejam multiplexados em um canal de dados. Cada fluxo de dados
18 de dados é um canal de conexão virtual (PVC ou SVC), identificado no cabeçalho de cada célula ATM. Como principais vantagens do ATM, temos o controle de fluxo, roteamento de células pelo melhor caminho, utilização otimizada de banda, QoS definida para cada tipo de conexão e outros. Uma grande quantidade de aplicações como dados, voz e imagem podem utilizar o ATM. Vários tipos de camadas de adaptação (AAL) foram definidas para que as diferentes aplicações sejam mapeadas dentro das células ATM. Dentre várias interfaces físicas, o ATM pode facilmente utilizar o SONET como meio de transporte para suas células. Vários recursos foram desenvolvidos para o ATM de modo a adaptá-lo para vários tipos de tecnologias já existentes. São eles: a. Classical IP-over-ATM Permite aos usuários do IP migrarem para a utilização do ATM como tecnologia de transporte de dados, mantendo as aplicações existentes de sistemas IP de legado. Cria sub-redes lógicas IP (LIS) para comunicação via roteadores e utiliza o protocolo ATMARP em substituição ao tradicional ARP. b. Lan Emulation (LANE) Emula dentro da estrutura ATM uma rede 802.3 Ethernet ou 802.5 Token Ring. Através da LANE é possível a comunicação de hosts utilizando uma interface similar à comunicação através de endereços MAC. Possibilita a utilização de qualquer protocolo de camada de rede. c. Multiprotocol Over ATM (MPOA) No evento da disseminação do uso de redes IP sob ATM e a utilização de redes virtuais emuladas, a carga dos roteadores aumentou. Para amenizar este fato, foi especificado pelo ATM Fórum o serviço MPOA, que utiliza os recursos do ATM para estabelecer uma conexão
19 permanente durante uma transmissão. Uma das principais funções do MPOA é prover conexão fim-a-fim entre as inter-subredes que estão diretamente conectadas ao ATM ou redes legadas, que podem ou não estar usando LANE, conseguindo assim aproveitar as vantagens oferecidas pelo QoS do ATM. 2.2.3.2 O Frame-Relay O Frame-Relay é uma tecnologia de comutação de pacotes em alta velocidade [BATES]. A comutação de pacotes é uma tecnologia store and forward para redes onde as mensagens dos usuários são quebradas em pedaços menores chamados de pacotes. Cada pacote possui o seu cabeçalho contendo o endereço de destino e informações de controle. Os pacotes são enviados da origem ao destino através do compartilhamento de links de dados e utilizam o conceito do TDM para compartilhar estes meios de transmissão. A comutação de pacotes em alta velocidade é uma combinação de comutação de pacotes com a utilização de links de alta velocidade e baixo retardo. A comutação de pacotes em alta velocidade é uma tecnologia hold and forward desenhada para reduzir o atraso, diminuir o overhead e processamento e reduzir custos. Foi idealizada para ser utilizada em circuitos de alta velocidade com baixo ou nenhum erro. Os erros são corrigidos nas duas pontas, ao invés de sobrecarregar os roteadores no caminho. O Frame-Relay insere os dados em um quadro (opera no nível 2 da camada OSI) e o transporta através de um circuito virtual permanente (PVC) sem necessitar do tratamento de erros que as antigas redes X.25 utilizavam. Diferente das redes X.25, o Frame-Relay não utiliza o reconhecimento positivo de dados (ACK) ou negativo de dados (NACK). No X.25, qualquer pacote corrompido gerava um pedido
20 de retransmissão pelo nó da rede, o que não acontece no Frame-Relay onde as camadas superiores fazem esta correção. Apesar destas diferenças, os dois serviços utilizam conceitos do TDM.
21 3 AS REDES METRO ETHERNET Metro Ethernet é um termo genérico usado para descrever uma tecnologia de rede Ethernet em uma área metropolitana. Utiliza toda a escalabilidade, simplicidade e flexibilidade que a tecnologia Ethernet tem a oferecer [WHALLEY]. Nas redes corporativas, o Metro Ethernet tem dois propósitos principais: a conectividade com a Internet e a conectividade entre sites corporativos geograficamente distantes. Na ilustração abaixo é apresentada uma visão geral do Metro Ethernet. Figura 2 - Visão geral do Metro Ethernet De acordo com a figura 2: a. Os enlaces são ponto a ponto e podem ser de qualquer taxa de transmissão em Ethernet. b. Os nós podem ser switches ou roteadores, dependendo de sua localização na MEN (Metro Ethernet Network), de acordo com os serviços fornecidos.
22 c. Em grandes distâncias, enlaces WAN podem interligar as MEN. Os serviços podem ser classificados em ponto-a-ponto, multiponto-a-multiponto ou pontoa-multiponto. Podem ser também classificados de acordo com a largura de banda necessária. A largura de banda pode ser fornecida por demanda de 1Mbps a 1Gbps, em incrementos de apenas 1Mbps. d. Vários níveis de resiliência 1 podem ser obtidos na combinação de técnicas de proteção de redes. Podem ser fim-a fim ou nó-a-nó. e. A Qualidade de Serviços (QoS) é conseguida através de várias técnicas de hardware ou software, além de uma taxa máxima de perda de pacotes garantida. Na perspectiva do usuário final, a qualidade de serviços está definida no contrato comercial junto à operadora de telecomunicações (SLA Service Level Agreement) 3.1 TECNOLOGIAS METRO ETHERNET 3.1.1 Ethernet over SONET/SDH Muitas operadoras de telecomunicações realizaram grandes investimentos em infra-estrutura SONET/SDH nas redes metropolitanas. Para a utilização desta infra-estrutura foi idealizado o EoS (Ethernet over SONET) que além de proteger o investimento, traz vantagens na utilização deste meio [HALABI]. 1 Resiliência: Capacidade da infra-estrutura de se recobrar facilmente ou se adaptar às mudanças no estado dos enlaces.
23 O EoS otimiza as redes de transporte para adaptar o tráfego de dados e armazenamento, principalmente para o Ethernet e redes óticas. Recursos como VCAT (Virtual Concatenation), que possibilita a utilização flexível de largura de banda, LCAS (Link Adjustment Capacity Scheme), que provê um ajuste dinâmico da utilização desta banda, e GFP (Generic Framing Procedure), que possibilita a utilização de outros quadros além do Ethernet, são as principais vantagens desta tecnologia Metro Ethernet [JANDE]. Figura 3 O Ethernet over SONET O VCAT, Virtual Concatenation, é uma técnica de multiplexação inversa, que endereça alocação de banda associada com a hierarquia de sinais digitais do SONET/SDH. Possibilita qualquer combinação de canais SONET/SDH em um fluxo de dados, concatenando-os para obter melhor aproveitamento da largura de banda [HALABI].
24 Normalmente o Ethernet pode ser mapeado em um canal que encapsula toda a largura de banda, o que resulta na possível ociosidade deste canal, já que o SONET/SDH opera com canais de largura de banda de tamanho fixo. Com o VCAT, o Ethernet pode ser mapeado em vários canais de menor tamanho que podem ser roteados separadamente através da rede. O ponto de chegada pode compensar qualquer atraso no caminho e reagrupar os canais virtuais novamente no fluxo de dados único original. Os dispositivos intermediários da infra-estrutura da rede SONET/SDH não precisam suportar o VCAT, possibilitando a compatibilidade com as redes de legado instaladas. Figura 4 Exemplo de utilização do VCAT O exemplo da figura 4 mostra a eficiência da utilização da largura de banda que o VCAT pode proporcionar. Se a concatenação padrão for utilizada e a largura de banda requerida é de 300 Mbps, a operadora de telecomunicações tem a opção de fornecer múltiplas interfaces DS-3, utilizando técnicas de multiplexação de pacotes para distribuir o tráfego através destas interfaces. Fornecer múltiplas DS-3
25 (44.736 Mbps) ao cliente é normalmente ineficiente, pois aumenta muito o custo e não garante a utilização da totalidade da largura de banda, devido à característica do SONET e sua hierarquia de sinais. A alternativa seria alocar uma OC-12 (622 Mbps) mas também haveria um grande desperdício de largura de banda. Com a VCAT, a operadora poderia fornecer um canal de 300 Mbps concatenando 6 canais DS-3 como se fosse um canal único, evitando o desperdício de largura de banda. O LCAS, Link Adjustment Capacity Scheme, é uma extensão do VCAT que permite a mudança dinâmica do número de canais SONET em um grupo de canais virtuais [CISCO]. Estes canais podem ser adicionados ou excluídos durante o fornecimento do serviço, sem causar impacto no tráfego deste canal virtual. O LCAS fornece um mecanismo de controle que incrementa ou decrementa a capacidade do grupo de canais virtuais (VGC Virtual Group Channel) para a largura de banda requerida. Além disso tem a capacidade de remover temporariamente um canal membro que apresentou falha. Este serviço ocorre de forma transparente, sem perdas. As vantagens do LCAS incluem: Possibilidade de incrementar ou decrementar a capacidade do grupo de canais virtuais em fragmentos de sua largura de banda; Mudanças na capacidade da largura de banda de forma transparente; Remoção automática de canais membro que apresentem falhas, assim como a alocação de canais para suprir esta falha; Interligação de grupos de canais virtuais que utilizam LCAS com outros que não utilizam e vice-versa; Controle unidirecional do grupo de canais virtuais, oferecendo a possibilidade de conexões assimétricas.
26 O GFP, Generic Framing Procedure, é o primeiro mecanismo de enquadramento capaz de endereçar um grande número de aplicações de transporte de dados dando suporte a uma variedade de protocolos de rede (resumidos na tabela 2) [FISCHABER]. O GFP foi apresentado pelo ITU na recomendação G.7041/Y.1303, e provê um mapeamento flexível e eficiente de vários protocolos em uma rede de transporte de dados. O GFP utiliza um fluxo de dados baseado em byte que mapeia diretamente em um fluxo de dados síncrono, como o SONET/SDH. O GFP mapeia protocolos baseados em pacotes, como o Ethernet, Fibra Ótica, FICON e ESCON (tecnologias usadas pela IBM em computadores de grande porte para comunicação com unidades de armazenamento de dados ou storages através de fibra ótica), e vários formatos de vídeo digital no SONET/SDH, normalmente utilizando o VCAT para prover canais de dados com taxas específicas. Comparado a outros tipos de enquadramentos, tais como o PoS (Packet over SONET/SDH), ATM e codificação 8B/10B, o GFP oferece uma redução significativa da latência e melhoria da utilização da largura de banda. O GFP utiliza dois modos de mapeamento, o GFP-F e o GFP-T. O GFP-F é normalmente utilizado para enquadrar protocolos baseados em pacotes/quadros tais como o IP/PPP ou Ethernet/MAC. Um quadro GFP é gerado antes de ser transmitido através da rede SONET/SDH. O GFP-T oferece transmissão direta de fluxos de dados que necessitam de baixa latência, tais como VoIP, video digital (ex. DVB-ASI) e aplicações SAN (Storage Area Network) tais como FICON/ESCON. O GFP-T é otimizado para protocolos que utilizam a codificação 8B/10B.
27 Tabela 2 Protocolos de rede suportados pelo GFP Protocolos com Mapeamento de Quadros Ethernet PPP RPR (IEEE 802.17) FC-BBW Multiple - Access Protocol Over SDH (MAPOS) Protocolos com Mapeamento Transparente Fibre Channel Gigabit Ethernet ESCON DVB ASI FICON Asynchronous FC A principal vantagem do GFP é permitir de forma flexível e eficiente a utilização da largura de banda com um mecanismo que combina elementos comuns e específicos de cada tipo de pacote. 3.1.2 RPR Resilient Packet Ring O Resilient Packet Ring oferece duas grandes vantagens que antes eram exclusivas do SONET, que são o suporte eficiente à topologia em anel e a recuperação rápida em caso de rompimento físico de fibras óticas ou falhas em links de dados [RESILIENT PACKET RING ALLIANCE]. Além disso, procura efetivar um controle de congestionamento e justiça na utilização da largura de banda. A utilização da topologia em anel nas redes metropolitanas tem larga utilização devido à possibilidade de recuperação à falhas. A topologia em anel é muito utilizada nas redes SONET/SDH, porém possui a desvantagem conhecida de desperdiçar banda em seus canais de largura fixa, ineficiência na utilização de tráfego multicast (já que reserva um canal fixo para cada ponto) e na utilização de
28 um anel duplo para a redundância e recuperação de falhas, desperdiça 50% da banda disponível. Em um cenário de topologia em anel utilizando a tecnologia Ethernet, comparado ao SONET/SDH, utiliza melhor a largura de banda. Porém é lento na recuperação de falhas, já que utiliza o protocolo spanning tree para esta recuperação, comparado a outras técnicas existentes. O RPR, aprovado como Standard (802.17) pelo IEEE em meados de 2004, é um protocolo MAC que opera na camada 2. Preservando a independência das camadas, pode operar sobre o SONET, Ethernet ou DWDM, tecnologias de camada física. O MAC RPR é baseado na arquitetura Add-Drop Muxes (ADM), em comparação à arquitetura de comutação do Ethernet. No RPR os dispositivos implementam a noção de caminho de trânsito, em que cada nó deixa passar o tráfego não direcionado a ele, não havendo necessidade de recebê-lo, enfileirá-lo e agendar sua transmissão. Basicamente a entidade MAC existente em cada nó executa três funções. Add, para inserir o tráfego destinado a outro nó, Drop, para receber e retirar o tráfego assinado ao nó (no caso de uma transmissão multicast ele não retira o tráfego do anel) e Pass, para encaminhar o tráfego em trânsito de um nó para outro. O caminho de trânsito efetivamente se transforma em parte do meio de transmissão e faz com que o anel RPR se comporte como um único e contínuo meio compartilhado por todos os nós do anel, o que facilita a utilização em altas taxas de transmissão.
29 Figura 5 O dispositivo RPR age como um packet ADM conectado a um meio compartilhado O RPR possui um grau de resiliência natural, por ser um protocolo de pacotes dentro de uma topologia em anel. Mensagens de proteção são trocadas entre estações para informar o estado do anel. Estão definidos mecanismos de redirecionamento e de cobertura. Todas as estações em um anel devem usar o mesmo mecanismo de proteção. Figura 6 A proteção do RPR
30 Uma importante característica do RPR é o controle de igualdade ou justiça (fairness). O protocolo de justiça RPR proporciona uma distribuição justa da largura de banda disponível para todas as estações em um anel, mesmo nos momentos em que o anel possui alto tráfego ou congestionamento [RESILIENT PACKET RING ALLIANCE]. Alguns dos objetivos do protocolo de justiça RPR: a. Justiça baseada no peso da fonte transmissora. Em qualquer segmento ligado ao anel, a largura de banda disponível é alocada a cada nó na proporção ao seu peso relativo. Por exemplo, se todos os nós possuem peso similar, a largura de banda disponível será compartilhada de forma similar por todos os nós. Caso um dos nós possua um peso maior, a largura de banda alocada ao nó será proporcional ao peso do nó dividido pela soma dos pesos de todos os nós. b. Requerimento de largura de banda. O protocolo de justiça deve ser capaz de requerer largura de banda não utilizada que é disponibilizada mas não utilizada. c. Tempo de resposta rápida. Pelo fato do tráfego ser muito variável, para possibilitar a máxima utilização da largura de banda e para garantir que o protocolo seja responsável por mudanças instantâneas no tráfego, ele deve responder de forma imediata a estas mudanças. d. Utilização de grandes taxas de largura de banda. O protocolo deve ser habilitado a lidar com grandes taxas de largura de banda, mesmo sob cargas próximas a 100% de utilização do anel. e. Escalabilidade. O protocolo deve ser escalável e deve ser capaz de atender as taxas de largura de banda e diâmetros do anel previstos no padrão.