Desafios das próximas gerações de Redes Ópticas de Transporte

André Soares

Dept. Computação - UFPI

ENUCOMP 2013

Agenda   Introdução   Redes ópticas opacas   Redes ópticas transparentes   Redes ópticas translúcidas

  Mestrado em Ciência da Computação da UFPI

2 ENUCOMP 2013

Introdução

ENUCOMP 2013 3

  A demanda de tráfego vem crescendo de forma significativa   Aumento do nº de usuários   Aplicações sofisticadas

  e.g. E-science

  Fibra óptica   Grande largura de banda, baixa perda, imunidade a interferências

eletromagnéticas, entre outras.   Tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing)

  Vários comprimentos de onda em uma única fibra (com até 80 Gbps)   Múltiplos circuitos de grande capacidade em uma única fibra óptica.

Rede óptica de transporte

ENUCOMP 2013 4

Rede ópticas WDM

ENUCOMP 2013 5

WDM (Wavelength Division Multiplexing)

Rede ópticas WDM

ENUCOMP 2013 6

Comprimentos de onda ..

.1 2 3

80

80 Gbps 80 Gbps 80 Gbps

80 Gbps

Fibra óptica + WDM =

Classificação das redes ópticas de Transporte

ENUCOMP 2013 7

Considerando processamento eletrônico no plano de dados:

  Redes ópticas opacas

  Redes ópticas transparentes

  Redes ópticas translúcidas

Redes Ópticas Opacas

ENUCOMP 2013 8

Domínio eletrônico

OEO

Rede óptica

ENUCOMP 2013 9

  Opacas   Roteamento no domínio eletrônico   Utilização de conversores OEO – Óptico-Eletro-Óptico

  Inserção de atrasos de processamento   Aumento do custo dos equipamentos

  Transparentes   Roteamento no domínio óptico   Evita conversores OEO e suas limitações

Plano de dados X Plano de controle

ENUCOMP 2013 10

Controle de

Roteamento

Controle de

Sinalização

Controle de

Enlace

Plano de Controle

Rede Cliente

Rede Cliente

Plano de Dados

GMPLS

ENUCOMP 2013 11

(Simplificando) Um mero espelhinho de ângulo ajustável !

Comutação Óptica

ENUCOMP 2013 12

Comutador Óptico

w1

Comutador Óptico

w2

Comutador Óptico

w3

OXC

Fibra

Fibra

Fibra

Fibra

Fibra

Fibra

Portas de tronco Portas de tronco

w1 w2 w3

w1 w2 w3

w1 w2 w3

w1 w2 w3

w1 w2 w3

w1 w2 w3

Do cliente (add) Para o cliente (drop)

Portas locais

Comutador óptico

ENUCOMP 2013 13

Paradigmas de comutação óptico

Optical Circuit Switching – OCS  Reserva dos recursos antes do envio dos dados

 Estabelecimento do circuito óptico

 Facilidade em garantir Quality of Service (QoS)  Processo de sinalização de duas vias

 Ineficiente para comunicações de curta duração

Paradigmas de Comutação: OCS Nó 1 Nó 5

Tproc + Troute Tproc

Tproc

Tproc Toxc

Tproc Toxc

Tproc Toxc

Tproc Toxc

Circuito Óptico Tempo

void

void void void Tproc + Twa

Recurso Alocado

Recurso Alocado

Path Message

Tproc

Nó 2 Nó 3 Nó 4

Recurso Alocado

Resv Message 14 ENUCOMP 2013

ENUCOMP 2013 15

2. Optical Packet Switching – OPS  Eficiente quando o tráfego possui alto dinamismo  Não há a reserva prévia de recursos

 Dificuldade em garantir QoS

 Cabeçalhos e dados são enviados na mesma banda  É necessário armazenar os dados e processar o

cabeçalho

Paradigmas de comutação óptico

ENUCOMP 2013 16

•  Tecnologia ainda pouco madura – Necessita de avanços nas áreas de

processamento e armazenamento óptico

Paradigmas de Comutação: OPS

2. Optical Packet Switching – OPS

Paradigmas de comutação óptica

ENUCOMP 2013 17

3. Optical Burst Switching – OBS  É uma alternativa que provê uma infraestrutura

de transporte flexível para o encaminhamento de pequenos volumes de dados

 Envio de rajadas ópticas  Envio de uma mensagem de controle antes do

envio da rajada  A rajada óptica possui um tamanho máximo

Paradigmas de Comutação: OBS

ENUCOMP 2013 18

Fluxo de dados

Fluxo de dados

Quebra do fluxo

1 2 3 4

Nuvem óptica

Montagem das Rajadas ópticas

1

2

3

4 Envio das rajadas

Nó óptico

Rajada óptica

Legenda

3. Optical Burst Switching – OBS

Paradigmas de Comutação OBS Envio de uma rajada óptica por meio do protocolo

Nó 1 Nó 5

Rajada Óptica

Tproc

Tproc

Tproc

Tproc

Toxc

Toxc

Toxc

Toxc

Alocação de comprimentos

de onda

Tempo

Offset

Nó 2 Nó 3 Nó 4

Pedido de reserva De recurso

Liberação de Recursos

19

Paradigmas de Comutação Óptica

ENUCOMP 2013 20

4. Comutação Híbrida OCS/OBS

Fluxo Longo

Fluxo curto

Chegada de fluxo

Escolha de um Paradigma (OCS ou OBS)

Redes clientes

Redes clientes

Tráfego de longa duração Tráfego de curta duração

Redes clientes

1 2

Problema RWA

ENUCOMP 2013 21

Routing and Wavelength Assignment (RWA)   Roteamento

  Definir uma rota entre um nó origem e um nó destino

  Alocação de comprimento de onda   Definir um comprimento de onda a ser utilizado para o envio

dos dados

  Objetivo da solução RWA: Minimizar a probabilidade de bloqueio de futuros circuitos e rajadas ópticas

Redes Ópticas Transparentes

ENUCOMP 2013 22

1 2 3 4

Não existe comprimento de onda livre com continuidade !!!

O envio dos dados do par (1,4) será bloqueado.

  Envio de dados do nó 1 para o nó 4   Wavelength continuity constraint

Conversão de comprimento de onda

ENUCOMP 2013 23

pode ser superada com o uso de Wavelength Converters – WCs   Converte um comprimento de onda de entrada para um outro

comprimento de onda de saída

  Apesar dos avanços da tecnologia de WCs, seus custos ainda são altos.

  Uso dos WCs deve ser feitos de forma limitada   Posicionamento de WCs

ENUCOMP 2013 24

OXC 3

OXC 4

OXC 5

OXC 6

OXC 1

OXC 2

Considere uma topologia de 6 nós interconectados por fibra óptica

ENUCOMP 2013 25

Problema RWA – Paradigma OCS

ENUCOMP 2013 26

Problema RWA – Paradigma OCS

ENUCOMP 2013 27

Problema RWA – Paradigma OCS

ENUCOMP 2013 28

Problema RWA– Paradigma OCS

ENUCOMP 2013 29

Problema RWA– Paradigma OCS

Circuito Estabelecido

ENUCOMP 2013 30

Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11

100 125 150 175 200 Carga de Tráfego em Erlangs

Prob

abili

dade

de

Blo

quei

o

DJK

MMR

RRT

  Desempenho de todas as 144 combinações de menores caminhos para a topologia A6NET

  Estão destacados o desempenho das combinações encontradas pelos algoritmos de Dijkstra (DJK), RRT e MMR.

Algoritmo de roteamento: MMR - Melhor entre as Menores Rotas

ENUCOMP 2013 31

Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI

  Algoritmo de roteamento: MMRDS

a)  Com  conversão  total  de  comprimento  de  onda  

b)  Sem  conversão  de  comprimento  de  onda  

ENUCOMP 2013 32

Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI

0"0.05"0.1"

0.15"0.2"

0.25"0.3"

0.35"

156" 166" 176" 186" 196"

Blocking)Proba

bility)

Network)Load)(Erlangs))

Without"ABOI" ABOI"6"1"Resend"

ABOI"6"2"Resends" ABOI"6"3"Resends"

AVOIDANCE OF BLOCKING PER OUTDATED INFORMATION (ABOI)

Limitação de Camada Física   O aumento das taxas de transmissões e o tamanho dos

enlaces tende a agravar a degradação ao sinal devido os efeitos de camada física.

  A Qualidade da Transmissão (QoT) pode ser avaliada no nó destino de um circuito através de:   Taxa de Erro de Bit (BER – Bit Error Rate);   Relação Sinal Ruído Óptica (OSNR – Optical Signal to Noise

Ratio).

ENUCOMP 2013

Desafios para rede ópticas transparentes

BER – Bit Error Rate OSNR – Optical Signal Noise Ratio

BER = Número de bits errados

Número de bits transmitidos Exemplo: BER = 3x10-9 significa que ocorrem 3 erros de bit para cada 1 bilhão de bits transmitidos

ENUCOMP 2013

OSNR = Potência do sinal Potência do ruído

Exemplo: Potência de sinal igual 2,16 dBm e potência de ruído igual -13,4 dBm, então o OSNR = 15,56. OSNR = 15,56 dB corresponde ao BER = 10-9.

Efeitos de Camada Física

ENUCOMP 2013 35

  Os efeitos de camada física podem ser classificados em:   Efeitos lineares: são independentes da potência do sinal e

afetam cada canal óptico individualmente;

  Efeitos não lineares: são dependentes da potência do sinal, afetam individualmente cada canal óptico e também causam distúrbios e interferências entre eles.

ENUCOMP 2013 36

 Importantes efeitos lineares:  Attenuation (α);

  Insertion Loss (IL);   Polarization Mode Dispersion (PMD);  Amplified Spontaneous Emission (ASE);

 Crosstalk (XT);  Chromatic Dispersion (CD).

Efeitos de Camada Física

ENUCOMP 2013 37

Efeitos de Camada Física

 Importantes efeitos não lineares:   Self-Phase Modulation (SPM);

 Cross-Phase Modulation (XPM);   Four-Wave Mixing (FWM);   Stimulated Raman Scattering (SRS);

  Stimulated Brillouin Scattering (SBS).

ENUCOMP 2013 38

Efeitos de Camada Física

 Atenuação   É a perda da intensidade luminosa ao

longo da fibra   Causada pelo próprio material da fibra,

por eventuais emendas, físicas ou mecânicas, existentes e curvatura da fibra;

  A atenuação α das fibras SMF (Single-Mode Fiber) é cerca de 0,2 dB/km;

ENUCOMP 2013 39

Efeitos de Camada Física

 Crosstalk  Origina-se do vazamento de potência de

sinal nos OXCs, ou na fase de demultiplexação ou no interior da matriz de comutação.

  Três tipos: •  Co-wavelength crosstalk; •  Self wavelength crosstalk; •  Neighbor-port wavelength crosstalk.

ENUCOMP 2013 40

Efeitos de Camada Física

 Co-wavelength crosstalk

1 3

2 4

λ1

λ2

λ1

λ1

λ1

λ1

1

Nó 1

1

2 4

3

Potência de sinal que vazou

ENUCOMP 2013 41

Efeitos de Camada Física

 Self wavelength crosstalk

1 3

2 4

λ1

λ2

λ1 λ2 λ1 λ2

Nó 1 1

1

2 4

3

ENUCOMP 2013 42

Efeitos de Camada Física

 Neighbor-port wavelength crosstalk

λ1

1 3

2 4

λ1

λ2

λ1 λ2

λ1 λ2 λ1 λ2

Nó 1 1

1

2 4

3

ENUCOMP 2013 43

Efeitos de Camada Física

 Four Wave Mixing

Necessidades de Algoritmos RWA-IA

ENUCOMP 2013 44

  Um circuito pode ser estabelecido sem QoT aceitável   RWA-IA = RWA ciente de camada física

ENUCOMP 2013 45

Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI

Balancing of Usage Frequency by Node (BUFN)

Rede Óptica Translúcida

ENUCOMP 2013 46

Opaca Transparente

Rede Translúcida Ideal

Transparência é rentável

Transparência não é economicamente viável

C1 C2

C1 + C2

C1 = Custo induzido pelo número de portas elétricas / ópticas

C2 = Custo induzido pela compensação de deficiência física

Rede Óptica Translúcida

ENUCOMP 2013 47

  Necessário regenerar o sinal;   A regeneração eletrônica é atualmente a técnica mais

econômica e confiável.

Nó OEO Nó transparente

1

19

9

8

7

6

5

4

3

2 10

15

14

13

12

11

18

17

16

Comunicação Transparente Comunicação

Translúcida

Rede Óptica Translúcida

ENUCOMP 2013 48

  Desafios   Como posicionar os regeneradores ?   Quando regenerar um sinal ?

  Regenerar o sinal em todos os nós regeneradores pode ser um desperdício de recursos

  O Regenerador é um recurso limitado   Necessidade de algoritmos para alocação de regeneradores

ENUCOMP 2013 49

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Sigma 0

Sigma 0.5

Sigma 1

Sigma 1.5

Sigma 2

Sigma 2.5

Sigma 3

Sigma 3.5

Sigma 4

Sigma 4.5

Sigma 5

Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI

Carga na rede

Prob

abili

dade

de

bloq

ueio

Alocação de regeneradores

Desafios das próximas gerações de Redes Ópticas de Transporte

andre.soares@ufpi.edu.br

ENUCOMP 2013

Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC

Mestrado em Ciência da Computação www.posgraduacao.ufpi.br/ppgcc

ENUCOMP 2013

Objetivos do Curso/Perfil do profissional a ser formado:

52

  Pretende formar pessoal qualificado, capaz de atuar em instituições de ensino superior (terceiro grau), realizar pesquisa e desenvolvimento científico e tecnológico na área de computação.

  Primeira Turma em 2012   Primeiras defesas ocorrerão em 2014

  Atualmente estamos selecionando turma 2014

Linhas de Pesquisa

53

  Sistemas de Computação   Projeto de hardware,   Visão computacional,   Redes de computadores   Engenharia de software.

  Computação Aplicada   Inteligência computacional,   Otimização   sistemas robóticos.

Professores do Mestrado

54

  Sistemas de Computação   André Castelo Branco Soares (Coordenador)   Ivan Saraiva Silva (Sub-Coordenador)   Kelson Rômulo Teixeira Aires   Pedro de Alcântara dos Santos Neto   Raimundo Santos Moura

  Computação Aplicada   André Macedo Santana   Erick Baptista Passos   João Xavier da Cruz Neto   Jurandir de Oliveira Lopes   Paulo Sergio Marques dos Santos   Ricardo de Andrade Lira Rabêlo   Vinícius Ponte Machado

Alguns Números do PPGCC

ENUCOMP 2013 55

  25 artigos publicados em 2012 em eventos nacionais e internacionais

  2 Professores Bolsistas do CNPq   Edital CT-INFRA FINEP

  Construção de um novo prédio para PPGCC

  Cooperação com outras universidades: UnB, UFRN, UFPE, UFC, UFRGS, UFBA

  Projetos de pesquisa com financiamento: CNPq, FAPEPI

Infra-estrutura

56

  Sala de Estudo exclusiva para alunos de mestrado   Sala de vídeo conferência   Sala de aula   5 Laboratórios temáticos:

  CESLA – Lab. de Circuitos e Sistemas Embarcados   DISNEL – Lab. de Redes de Computadores e Sistemas

Distribuídos   EASII – Lab. de Engenharia de Software e Informática

Industrial   LabInC – Lab. de Inteligência Computacional   RAPOZA - Lab. de Robótica Aplicada, Pesquisa Operacional e

Otimização

Visão Macro Pr

oces

so S

elet

ivo

1º ano (2012) 2º ano 2013

Exam

e de

qua

lific

ação

3 di

scip

linas

(2 o

bg.)

3 di

scip

linas

Def

esa

da d

isser

taçã

o

Está

gio

doce

nte

Revi

são

da li

tera

tura

57

Am

adur

ecim

ento

do

proj

eto*

Subm

issão

de

artig

os p

ara

conf

./rev

istas

Ace

ite p

ara

publ

icaç

ão d

o ar

tigo

Processo Seletivo e informações

58

  Utiliza POSCOMP + Pré- Projeto + Currículo

 www.posgraduacao.ufpi.br/ppgcc   ppgcc@ufpi.edu.br   Interessados podem contactar antecipadamente seus

futuro orientadores

Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC

Mestrado em Ciência da Computação www.posgraduacao.ufpi.br/ppgcc

ENUCOMP 2013