desafios das próximas gerações de redes Ópticas de transporte · enlace plano de controle rede...
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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
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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
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Controle de
Roteamento
Controle de
Sinalização
Controle de
Enlace
Plano de Controle
Rede Cliente
Rede Cliente
Plano de Dados
GMPLS
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(Simplificando) Um mero espelhinho de ângulo ajustável !
Comutação Óptica
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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OXC 3
OXC 4
OXC 5
OXC 6
OXC 1
OXC 2
Considere uma topologia de 6 nós interconectados por fibra óptica
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Problema RWA – Paradigma OCS
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Problema RWA – Paradigma OCS
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Problema RWA – Paradigma OCS
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Problema RWA– Paradigma OCS
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Problema RWA– Paradigma OCS
Circuito Estabelecido
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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
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Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI
Algoritmo de roteamento: MMRDS
a) Com conversão total de comprimento de onda
b) Sem conversão de comprimento de onda
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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
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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.
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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
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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).
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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
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Efeitos de Camada Física
Self wavelength crosstalk
1 3
2 4
λ1
λ2
λ1 λ2 λ1 λ2
Nó 1 1
1
2 4
3
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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
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Efeitos de Camada Física
Four Wave Mixing
Necessidades de Algoritmos RWA-IA
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Um circuito pode ser estabelecido sem QoT aceitável RWA-IA = RWA ciente de camada física
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Resultados do Disnel/PPGCC/UFPI
Balancing of Usage Frequency by Node (BUFN)
Rede Óptica Translúcida
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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
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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
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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
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-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
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
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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
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Utiliza POSCOMP + Pré- Projeto + Currículo
www.posgraduacao.ufpi.br/ppgcc [email protected] 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
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