Rede óptica de pacotes de serviços avançados

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Rede óptica de pacotes de serviços
avançados
Marcos Rogério Salvador*, Eduardo Mobilon, Felipe Rudge Barbosa, Vinicius Garcia
de Oliveira, Rodrigo Bernardo, Luis Renato Monte, Mateus Marques Pereira, Jaime
Alexandre Matiuso, Leonardo Pezzolo, Antonio Donizete Coral, Maria Fernanda Menna
Barreto de Barros Falcão de Oliveira, Alberto Paradisi
Este artigo descreve a tecnologia de rede óptica de pacotes avançada em desenvolvimento nos laboratórios
do CPqD. Este trabalho de pesquisa aplicada e desenvolvimento visa uma tecnologia de rede óptica flexível
que seja viável na próxima transição tecnológica das telecomunicações. A tecnologia baseia-se fundamentalmente
na comutação óptica de pacotes para oferecer serviços dos tipos Ethernet e transparentes. Esses serviços são
de interesse em várias aplicações, tais como rede de armazenamento, rede metropolitana, núcleo de rede de
campus, computação de grade.
Palavras-chaves: Rede Óptica. Comutação de Pacote. Anel.
1.
Introdução
A penetração dos serviços de comunicações
digitais, visando a inclusão digital e a sociedade
da informação, requer várias transformações nas
infraestruturas de comunicações existentes, seja no
Brasil ou em qualquer outro país. No curto prazo
essas transformações concentram-se na
convergência dos serviços voz, vídeo e dados para
a Internet através do protocolo IP e de tecnologias
como Ethernet e WiMax. No médio e longo prazos
essas transformações concentram-se na busca de
um novo paradigma tecnológico e na definição de
novas arquiteturas de rede visando o suporte a
serviços variados e ainda mais sofisticados que os
atuais, a facilidade para atender demandas e
situações imprevistas, a facilidade de expansões
em capacidade e em distância de transporte, a
robustez perante falhas, a segurança contra roubo
de informações e o custo reduzido de operação.
O reconhecimento da necessidade de novas
arquiteturas e tecnologias de rede tem levado
muitas universidades e muitos centros de pesquisa
e desenvolvimento de excelência ao redor do
mundo a investirem na busca de novas arquiteturas
e tecnologias de rede para a próxima transição
tecnológica das telecomunicações. Dentre as
arquiteturas de rede em estudo, destacam-se as
que maximizam o uso das tecnologias ópticas para
*
reduzir o chamado gargalo eletrônico. Essas
arquiteturas representam uma mudança do
paradigma reinante, centrado em soluções que
otimizam os aspectos de transmissão, o grande
gargalo do passado, para um novo paradigma,
centrado em soluções que reduzem o processamento eletrônico, o grande gargalo atual.
São várias as arquiteturas inovadoras de rede
óptica em estudo, porém de uma forma geral elas
podem ser classificadas de acordo com as técnicas
de comutação óptica que utilizam. São elas:
comutação de comprimento de onda (wavelength
routing), que equivale à comutação de circuito,
comutação de pacote (optical packet switching) e
comutação de rajada (optical burst switching). Todas
elas apresentam vantagens e desvantagens, porém
no médio e longo prazo a maioria dos esforços
tem se concentrado nas duas últimas em vista da
maior flexibilidade que elas oferecem.
Ciente da janela de oportunidades estratégica
e comercial para o país e para empresas brasileiras
na próxima transição tecnológica das telecomunicações, o CPqD iniciou em 2004 o projeto Pesquisa
Aplicada em Redes de Chaveamento de Pacotes
Ópticos (PA-RCPO) em cooperação com universidades brasileiras. Este projeto visa o desenvolvimento
e a demonstração, até o final de 2006, de uma
tecnologia de rede inovadora de alto desempenho
e eficiência, com baixos custos de aquisição e de
Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p. 95-108, jan./dez. 2005
operação, com funcionalides e flexibilidade adequadas para a nova realidade das telecomunicações e com potencial mercadológico na próxima
transição tecnológica das telecomunicações.
Este artigo apresenta alguns dos resultados
obtidos na PA-RCPO. Especificamente, apresentase uma arquitetura inovadora de rede óptica em
anel baseada na comutação óptica de pacotes,
um dos protocolos de controle de acesso ao meio
em estudo, um modelo analítico para avaliação
de desempenho da arquitetura e alguns resultados
de desempenho.
O restante deste artigo está organizado da
seguinte maneira: na seção 2 apresenta-se a
arquitetura da rede; na seção 3 descreve-se o
protocolo MAC; na seção 4 descreve-se o modelo
analítico da arquitetura; na seção 5 apresentam-se
resultados de desempenho obtidos com o modelo
analítico; na seção 6 finaliza-se o artigo com
algumas conclusões.
2.
Arquiteturas da rede e do nó da rede
A arquitetura da rede óptica de pacotes [1]
foi concebida com foco em aplicações metropolitanas (embora não esteja limitada a essas
aplicações), onde os requisitos dos usuários e das
aplicações se fazem bastante presentes e, por esta
razão, onde provavelmente estará o próximo
gargalo das redes de telecomunicações.
Para atender aos requisitos das aplicações
metropolitanas, a arquitetura da rede suporta
serviços Ethernet e serviços transparentes do tipo
um-para-um e um-para-muitos sob demanda.
Especificamente, a arquitetura oferece os serviços
Ethernet de melhor esforço, Ethernet reservado e
Transparente reservado. O foco nos serviços
Ethernet e o suporte a serviços transparentes
conferem à arquitetura grande flexibilidade,
necessária para atender a tecnologia (Ethernet) na
qual o transporte tende a convergir e outras, sejam
elas legadas (ex.: SDH) ou ainda inexistentes.
O mecanismo de proteção usa o roteamento
alternativo no nó origem para recuperação rápida
da falha e, ao contrário de SDH, não impede o
uso de um anel de proteção enquanto este não for
necessário na ocorrência de uma falha no anel de
trabalho correspondente.
A Figura 1 ilustra a arquitetura da rede, que
consiste de N nós conectados por F pares de anéis
ópticos do mesmo tamanho, cada um com L
comprimentos de onda (ou lambdas) habilitados
por meio da tecnologia de multiplexação por
divisão de comprimento de onda (wavelength
division multiplexing-WDM). Desses L comprimentos de onda, L-1 são usados para o transporte
de dados (isto é, pacotes ópticos) e um é usado
para sinalização, incluindo os cabeçalhos dos
pacotes ópticos. A transmissão do cabeçalho do
pacote em comprimento de onda separado é
necessária para permitir o processamento (eletrônico)
que resultará na decisão acerca do que fazer com o
pacote propriamente dito -o pacote óptico está
indisponível.
Figura 1 Rede Óptica de Pacotes
96
Para proteção e para flexibilidade de
roteamento, as transmissões nos comprimentos de
onda de um anel de fibra seguem uma direção, ao
passo que as transmissões nos comprimentos de
onda do outro anel de fibra seguem na direção
contrária.
A Figura 2 ilustra a arquitetura do nó da rede
[2]. Esta arquitetura consiste de uma unidade de
plano de controle (UPC), uma unidade de
montagem de rajada e encaminhamento (UMRE),
que é o coração do nó da rede, e uma matriz de
comutação óptica de pacotes (MCOP). A UPC é
responsável pela operação automática da rede, o
que inclui a manutenção das tabelas diversas (ex.:
roteamento, recursos) e o atendimento às
solicitações de serviços dos usuários. Esta unidade
disponibiliza uma interface aos usuários (usernetwork interface–UNI) para que estes possam
solicitar os serviços da rede dinamicamente.
Do lado do emissor, a UMRE é responsável
pela montagem das rajadas a partir dos quadros
Ethernet provenientes dos clientes e pela
transmissão dessas rajadas, como pacotes
ópticos, aos seus destinatários. Do lado receptor,
a UMRE é responsável por extrair e segregar os
quadros Ethernet da rajada recebida (como pacote
óptico) do anel e por transmitir esses quadros aos
seus clientes.
A UMRE contém um conjunto de filas virtuais
de saída (virtual output queuing-VOQ) criadas, em
tempo de inicialização, para serviços Ethernet de
melhor esforço e também um número adicional de
filas criadas sobre demanda do plano de controle
para serviços Ethernet reservado; o tráfego dos
serviços transparentes não passa pela UMRE.
Pacotes provenientes de redes clientes são
armazenados nessas filas de acordo com a classe
de equivalência de encaminhamento (forwarding
equivalence class-FEC) a que pertencem, sendo
que pacotes que pertencem à mesma FEC são
armazenados na mesma fila. Dois pacotes
pertencem à mesma FEC quando apresentam
certas características comuns (ex.: mesmo nó
destino, mesmo nó destino e mesma prioridade).
Periodicamente, o montador de rajadas
inspeciona todas as filas procurando por aquelas
que atendem a pelo menos um dos critérios de
montagem: i) tamanho da fila igual ou maior que o
tamanho definido de rajada; ii) tempo de
permanência em fila do primeiro pacote da fila
(head of the line – HOL) igual ou maior que o
período de montagem de rajada. O resultado
deste processo é uma lista de requisições de
transmissão, sendo uma para cada rajada
montada.
O módulo de controle de acesso aos anéis
ópticos (medium access control–MAC), interno ao
UMRE, então decide quais rajadas podem ser
transmitidas e qual rota e anel cada transmissão
deve usar.
O hardware eletrônico que implementa a
UMRE consiste de uma placa principal e de duas
placas filhas (veja Figura 3 e Figura 4). A placa
principal dispõe de um componente de lógica
Figura 2 Arquitetura do Nó da rede
97
programável (field programmable gate array-FPGA)
de alta densidade que permite a implementação
de todo um circuito digital composto por
máquinas de estado e lógica combinacional. Esse
circuito digital é extremamente complexo para ser
desenvolvido como um bloco único e, portanto,
foi dividido em diversos blocos funcionais que
estão sendo desenvolvidos de forma paralela e
depois serão integrados e programados no
dispositivo. Maiores informações podem ser
obtidas em [2].
A primeira placa filha é responsável pelo
controle de tráfego Ethernet cliente e, no projeto
atual, disponibiliza quatro interfaces ópticas Gigabit
Ethernet em padrão SFP (Small Form Pluggable).
Já fabricada, montada e totalmente funcional, esta
placa baseia-se em um projeto de alta
complexidade com desafios tecnológicos
concentrados no desenho do layout da placa de
circuito impresso, repleto de linhas de transmissão
de impedância controlada e comprimento
equalizado para sinais com taxas de bit de até 1,25
gigabit por segundo.
A segunda placa filha é responsável pela
conversão serial-paralelo (Serializer-Deserializer SERDES) necessária na transmissão e na recepção
de pacotes ópticos. Esta placa disponibiliza quatro
interfaces proprietárias de transmissão e recepção,
cada uma operando em taxas de até 1,25 gigabit
por segundo -o desenvolvimento das interfaces
proprietárias fez-se necessária pela incapacidade
que a interface Gigabit Ethernet tem de operar no
modo rajada. Projetada e em vias de fabricação,
esta placa exibe um projeto de média
complexidade.
A MCOP consiste de um número de unidades
de comutação óptica (UCO), onde o número exato
depende da configuração de transmissão e
recepção do nó. Cada UCO consiste de um
acoplador que divide o sinal de entrada em dois
Figura 3 Esquemático do hardware eletrônico que implementa a UMRE
Figura 4 Foto do protótipo de hardware da UMRE
98
braços, cada um com uma chave óptica do tipo
liga/desliga baseada em amplificador óptico a
semicondutor (semiconductor optical amplifierSOA).
A Figura 5 apresenta o esquemático da UCO;
a Figura 6 apresenta uma foto de um protótipo da
UCO, já com sua placa de eletrônica de controle
correspondente. Cada SOA necessita de um
controle de temperatura e um circuito de excitação
(driver) de alta velocidade para fornecer a corrente
necessária para o dispositivo amplificar (estado ON)
ou não (estado OFF) o sinal óptico e está interface
é a responsável por essas funções.
Figura 5 Esquemático da UCO
A UCO pode ser configurada em um dos
quatros estados:
- Deriva: este estado ocorre quando o nó
detecta o pacote óptico destinado a ele
e é configurado ligando-se a chave óptica
do braço superior e desligando-se a do
braço inferior;
- Insere: este estado ocorre quando o nó
resolve transmitir o pacote óptico e é
configurado desligando-se as chaves
ópticas dos braços superior e inferior;
-
-
Encaminha: este estado é usado quando
o nó detecta que o pacote óptico é
destinado a outro nó e é configurado
desligando-se a chave óptica do braço
superior e ligando-se a do braço inferior;
Deriva e encaminha: este estado é usado
quando o nó detecta que ele é um dos
destinatários do pacote óptico e é
configurado ligando-se as chaves ópticas
dos braços superior e inferior.
O modo de funcionamento básico do nó da
rede, considerando-se apenas um anel de fibra e
um comprimento de onda de dados para clareza,
é o descrito a seguir. Na entrada do nó, o
cabeçalho do pacote óptico é enviado a UMRE.
O pacote óptico correspondente segue para uma
linha de atraso baseada em fibra (fiber delay lineFDL), que irá retê-lo tal que quando ele chegue a
MCOP o módulo MAC já tenha processado o
cabeçalho, tomado as decisões apropriadas e
configurado a MCOP adequadamente. Saindo da
FDL o pacote óptico é demultiplexado e enviado
a UCO correspondente. Neste ponto, o pacote
óptico é derivado, encaminhado ou derivado e
encaminhado. Neste ponto também pode ser
inserido um novo pacote óptico no anel.
Na saída do nó o pacote óptico encaminhado ou inserido é multiplexado, juntamente
com seu cabeçalho correspondente, e deixa o nó
em direção ao seguinte.
Cabe ressaltar que a arquitetura da rede foi
definida de forma modular para permitir que partes
dela tivessem utilidade técnica ou comercial mesmo
separadamente ou que partes dela pudessem ser
substituídas por outras de maior interesse. Por
exemplo, a MCOP permite que a UPC seja substituída
por outra de tal forma que, conforme sua natureza,
a rede possa operar no modo comutação de
circuito, comutação de pacote, comutação de
rajada ou até como uma combinação destas.
Figura 6 Foto do Protótipo da UCO
99
3.
Protocolo MAC
Em virtude da arquitetura modular da rede,
pode-se implementar vários protocolos MAC de
tal forma que a rede opere de formas e com
desempenhos variados. Estão sendo estudados
dois tipos de protocolos MAC, um de
implementação mais fácil, porém de menor
desempenho, e outro de implementação mais
difícil, porém de maior desempenho e eficiência.
Este trabalho concentra-se na primeira abordagem.
Maiores informações sobre os outros protocolos
em estudo estão disponíveis em [3][4][5].
O protocolo MAC adotado para
prototipagem baseia-se no proposto para a
arquitetura LightRing [6], que segue um mecanismo
denominado tell-and-go [7]. Neste modelo não há
a necessidade de pré-reserva de recursos (a não
ser para os serviços reservados). O conhecimento
de um recurso disponível habilita o acesso
imediatamente, bastando apenas informar os
outros nós que o recurso será imediatamente
ocupado e iniciar a transmissão dos dados.
O protocolo usa um pacote de controle,
denominado token, que circula no comprimento
de onda de sinalização e informa aos nós da rede
as condições de uso dos enlaces da rede. Essa
informação permite aos nós determinar quando
pacotes ópticos podem ser inseridos, devem ser
retirados do anel ou devem ser encaminhados para
o próximo nó.
Para cada comprimento de onda de dados
há um token que controla o acesso àquele
comprimento de onda. Dado um anel com vários
comprimentos de onda, os tokens correspondentes
são espaçados de forma eqüidistante.
Ao contrário dos protocolos MAC
tradicionais baseados em token, neste protocolo
a posse do token por um nó não necessariamente
da àquele nó a permissão para transmitir. A
transmissão é possível somente se os enlaces
necessários estiverem ociosos, conforme indicado
no token. Nesta condição, o nó atualiza o token,
transmite o token e, então, os dados.
Para garantir que os nós da rede tenham
oportunidades de transmissão iguais, um nó de
rede que tenha alocado enlaces para transmissão
é obrigado a liberar esses enlaces quando o token
retornar. Ou seja, a permissão de acesso a um
enlace tem validade definida pelo tempo de rotação
do token verificado por aquele nó.
A Figura 7 ilustra o funcionamento da rede.
O cenário ilustrativo considera uma rede de um
único anel de fibra óptica com um único
comprimento de onda de dados e três nós. O token
gira no anel da esquerda para a direita, e ele
consiste de um vetor de três posições, onde o
100
primeiro elemento indica o estado do enlace entre
os nós A e B, o segundo elemento indica o estado
do enlace entre os nós B e C e o terceiro elemento
indica o estado do enlace entre os nós C e A numa implementação real essas informações são
insuficientes para a tomada de decisões local em
cada nó de rede. O valor 0 indica enlace sem uso;
o valor x = {A, B, C} indica que o enlace em uso
e o destinatário da rajada é o nó indicado por x.
Para facilidade de compreensão, o vetor t(y,w,z)
representa o conteúdo do token.
Na Figura 7a o nó A recebe t(0,0,0) e,
baseado no seu conhecimento do estado da
rede, decide transmitir para o nó B.
Conseqüentemente, ele atualiza o token para
t(B,0,0), envia o token para o nó B, abre sua
chave óptica para impedir qualquer tráfego em
trânsito e começa a transmitir. Ao receber t(B,0,0)
o nó B abre sua chave óptica para receber o
tráfego vindo de A (Figura 7b). Ao mesmo tempo,
baseado no seu conhecimento do estado da
rede, o nó B decide transmitir para o nó C.
Conseqüentemente, ele atualiza o token para
t(B,C,0), envia o token para o nó C e começa a
transmitir. O nó C, ao receber t(B,C,0), abre sua
chave óptica para receber o tráfego vindo de B
(Figura 7c). Assumindo-se que ele não tenha
dados a transmitir ou tenha encontrado os
enlaces necessários em uso, o nó C envia o token
para o nó A, sem qualquer alteração no seu
conteúdo. Ao receber o token (Figura 7d), e
assumindo que não haja tráfego para transmitir
ou que o tráfego existente exija enlaces já em
uso, o nó A libera o enlace alocado na rotação
anterior do token, atualiza o token para t(0,C,0),
fecha a chave óptica para permitir a passagem
de tráfego em trânsito e envia o token para o nó
B. Assumindo-se que ele também esteja na
mesma condição que o nó A, o nó B atualiza o
token para t(0,0,0), fecha a chave óptica para
permitir a passagem de tráfego em trânsito e envia
o token para o nó C (Figura 7e e Figura 7f).
Maiores detalhes a respeito do protocolo
MAC e da implementação do plano de controle
estão disponíveis em [8].
Duas abordagens de implementação do
token estão sendo consideradas. A primeira e mais
simples converte o cabeçalho para o domínio
eletrônico e o processa eletronicamente, de forma
tradicional. A segunda e mais complexa também
converte o cabeçalho para o domínio eletrônico,
porém o processamento ocorre no domínio de
freqüência ao invés de no domínio de software,
portanto, de forma muito rápida. Sobre esta
segunda abordagem existe uma solicitação de
patente [9] junto ao Instituto Nacional de
Propriedade Intelectual (INPI).
Figura 7 Exemplo de funcionamento da rede
4.
Modelagem analítica
A modelagem analítica da rede [10] aborda
dois domínios: de espaço e comprimento de onda
e de tempo, e estende o modelo desenvolvido em
[11] a partir de [12].
Os modelos são descritos a seguir e usam
essas definições e parâmetros:
• Pl é a probabilidade de que um nó finaliza
um caminho de luz;
• Pn é a probabilidade de que um caminho
de luz começa num dado nó;
• W é o número de comprimentos de onda;
• ρ é a probabilidade de que w é usado
no enlace i;
• U e F são eventos que representam
respectivamente w estar sendo utilizado
no enlace e estar livre no enlace;
• D é a latência do anel;
• N é o número de nós;
• L é o tamanho da rajada;
• G é a largura de banda total da rede;
• a é o tempo de transmissão;
101
• x 1 é o tempo entre a geração da
requisição e a chegada do primeiro token;
• x2 é o intervalo de tempo requerido para
encontrar um comprimento de onda
disponível para transmissão. Ou, em
outras palavras, é o intervalo de tempo
entre a chegada do primeiro token e o
início da transmissão dos dados;
• x3 duração do caminho de luz;
•
l é a carga normalizada da rede;
•
λ é a taxa de chegada de requisições.
4.1. Domínio de espaço e comprimento de
onda
O modelo analítico da rede no domínio de
espaço e comprimento de onda visa determinar a
probabilidade de bloqueio da rede. A probabilidade de bloqueio é a probabilidade de uma
solicitação de transmissão de rajada falhar.
Uma aproximação da probabilidade de
bloqueio é dada a seguir. Por definição:
Em um anel bidirecional com roteamento
pelo menor caminho, um nó usa cada anel para o
envio de dados a
destinos. Assim, o
número esperado de nós pode ser aproximado
por
quando N é grande.
Observando que o tamanho médio dos
caminhos de luz em um anel bidirecional é
,
tem-se que o número esperado de nós é
Além disso, pela Equação (3) temos:
A probabilidade de bloqueio de uma
requisição para um caminho de luz de tamanho i é
e em estado estacionário a utilização da largura
de banda do enlace i é
Fazendo a média sobre todos os nós tem-se
Sob a premissa de distribuição uniforme de
tráfego,
, o que produz
Em um anel unidirecional, o número
esperado de nós é
quando N é grande.
A Figura 8 e a Figura 9 mostram que tanto
em redes com 1 anel (neste caso sem proteção)
quanto em redes com 2 anéis contra-propagantes,
a probabilidade de bloqueio é proporcional ao
número de nós e inversamente proporcional à
relação W/N.
A Figura 10, a Figura 11 e a Figura 12
mostram a probabilidade de bloqueio em redes
Figura 8 Probabilidade de Bloqueio - 1 Anel
102
Figura 9 Probabilidade de Bloqueio - 2 Anéis
Figura 10 Probabilidade de Bloqueio - 4 Nós
com 1 e 2 anéis com 4, 8 e 16 nós respectivamente.
Percebe-se que a probabilidade de bloqueio é
significativamente inferior em redes com 2 anéis
contra-propagantes. Como o roteamento é sempre
pelo menor caminho, as redes com 2 anéis
possuem caminhos de, no máximo,
nós. Dessa
forma, ficam livres do impacto causado por
103
Figura 13 Esquema de Reserva da Rede
caminhos de luz com
nós, resul-
tando em probabilidade de bloqueio menor.
4.2. Domínio de tempo
O domínio de tempo modela as interações
da rede com tempo de conexão com duração finita.
Uma fila M/G/1/1 com folga (vacation) é utilizada
para modelar a fila de requisições por caminhos de
luz em cada fonte de dados, o que na rede implica
em janelas (best-fit window-BFW) de tamanho 1 que
contém a requisição que melhor atende aos critérios
definidos. Em outras palavras, o sistema permite a
transmissão de apenas uma rajada por vez
independentemente do número de comprimentos
de onda disponíveis no sistema e das condições
de uso desses comprimentos de onda.
O tempo de serviço da fila representa o
tempo necessário pelo esquema de reserva para
encontrar um comprimento de onda disponível
e iniciar a transmissão. Só depois que o caminho
de luz é estabelecido, a requisição sai da fila
permitindo que uma nova requisição entre na fila.
Na fila M/G/1/1 com folga, o tempo de folga
é o tempo gasto entre a geração da requisição e a
visita do primeiro token na fonte de dados, x1, e é
determinado como segue:
104
onde ξ é uma variável aleatória exponencialmente
distribuída com média igual a 1/λ .
O tempo de serviço, x2, corresponde ao
intervalo de tempo entre a chegada do primeiro
token depois da chegada da requisição e a
chegada do token associado ao comprimento
de onda utilizado para a transmissão dos dados
como ilustrado na Figura 13.
Como a fila pode conter somente uma
requisição por vez, o fator de utilização da fila é
dada por
e a vazão normalizada por
onde
.
onde
é a probabilidade de
Desse modo, a taxa de requisições aceitas
por nó é dada por
, e pela Lei de
Little, o número esperado de caminhos de luz no
anel é de
Uma vez completa a transmissão de dados,
o caminho de luz só é terminado pela fonte de
dados após a recepção do token que está
associado com o comprimento de onda utilizado
para a transmissão. Dessa forma, a duração do
caminho de luz será dada por
que o i-ésimo token garantirá acesso na tentativa
de sucesso e Pw é a probabilidade de bloqueio do
canal.
Assume-se também que
é proporcional
ao tempo de vida do caminho de luz no anel, x3.
Sob esta premissa,
é derivado a partir das
Equações 14 e 16 fazendo com que e λ → ∞
ignorando-se .
onde
é a probabilidade de bloqueio sob carga
saturada. A partir da Equação 14, a vazão virtual
pode ser definida como
Pela definição de
, percebe-se que a
probabilidade de bloqueio exerce grande influência
sobre o seu valor, ou seja, quanto maior a
probabilidade de bloqueio, maior será o tempo
necessário para uma fonte de dados encontrar um
comprimento de onda disponível para fazer a
transmissão. Além disso, a expressão para Pb
derivada na seção anterior é estática e não leva
em consideração o tempo de vida dos caminhos
de luz que afetam a dinâmica do fluxo das
requisições para estabelecimento de caminhos de
luz. Dessa forma, a seguinte interpretação de Pb
pode ser considerada no domínio de tempo. A
primeira tentativa de criar um caminho de luz é
bloqueada com probabilidade Pb. Em caso de
bloqueio, uma segunda tentativa “virtual” será
realizada depois do intervalo de tempo
,
quando o estado do anel mudou de forma
significativa de forma que se possa afirmar que
esta segunda tentativa é independente da
anterior. Sob esta premissa, a probabilidade de
que a segunda tentativa será bloqueada será
novamente Pb. As tentativas continuarão até que
a requisição possa ser positivamente processada.
Combinando o tempo necessário para
realizar com sucesso uma tentativa e o tempo
necessário para a fonte de dados receber o token
que garantirá acesso ao anel, o tempo médio de
serviço pode ser computado como segue:
Assim, dada uma taxa de chegada λ, a vazão
e o tempo de resposta podem ser derivados a
partir das equações anteriores. Neste documento
vazão é a média entre a vazão de cada nó da rede.
A vazão de um nó é dada pela soma do tráfego
transmitido por aquele nó num dado período e
por
O tempo de resposta é a média entre o
tempo de resposta de cada nó da rede. O tempo
de resposta é dado pela soma do tempo que a
rajada espera na fila mais o tempo para sua
transmissão e por
A Figura 14 apresenta o gráfico de vazão da
rede em função da carga de tráfego com
distribuição uniforme. Os experimentos de
simulação consideraram uma rede com 100 Km
(D = 500 µs), 32 nós e 32 comprimentos de onda
operando a 10Gb/s cada um. O tamanho de rajada
adotado equivale ao tempo de rotação no anel.
Como mostra a Figura 14, a vazão total da
rede é praticamente a mesma com 1 ou 2 anéis
até o momento em que a rede torna-se saturada.
Deste ponto em diante, a rede com 2 anéis tem
desempenho ligeiramente superior.
A Figura 15, a Figura 16 e a Figura 17
mostram o tempo de resposta como função da
105
Figura 14 Vazão versus atraso em anel de 100km, 32 nós e 32-comprimentos de onda
Figura 15 Tempo de resposta com 8 nós e 8 comprimentos de onda
106
carga em redes usando um total de 8, 16 e 32
comprimentos de onda. As redes com 2 anéis,
nestes casos, possuem um total 4, 8 e 16
comprimentos de onda por anel a taxa de
transmissão de 80Gbps, 40Gbps e 20Gbps,
respectivamente.
Deve ser ressaltado que os números de vazão
e de tempo de resposta apresentados foram
afetados pela simplificação do modelo analítico,
que limita um nó da rede a uma única transmissão
por vez, independentemente do número de
comprimentos de onda na rede e das condições
de uso desses.
Resultados preliminares obtidos em
simuladores computacionais implementados no
Network Simulator 2 (NS-2) mostram que sem esta
limitação os desempenhos são sensivelmente
superiores.
5.
Conclusões
Este trabalho apresentou a arquitetura e
alguns detalhes de implementação da rede de
comutação óptica de pacotes em desenvolvimentos nos laboratórios do CPqD.
Projetada para aplicações metropolitanas,
a arquitetura da rede foi concebida com base
na convergência para as tecnologias IP e
Ethernet. Visando flexibilidade nos modos de
operação e na oferta de serviços, o projeto
arquitetônico da rede foi estruturado em módulos
com interfaces bem definidas, seguindo as
abordagens de encapsulamento e refinamento.
Esta abordagem de projeto para mudanças
confere ao sistema grande flexibilidade,
permitindo que ele funcione com mecanismos
diferentes dos previstos inicialmente. Indo além,
partes do sistema podem ser usados em outras
arquiteturas de rede.
Os resultados de desempenho apresentados, limitados pelas simplificações do modelo
analítico que impedem a transmissão simultânea
de pacotes ópticos por um dado nó, de fato são
apenas razoáveis. No entanto, experimentos
preliminares de simulação computacional, onde as
limitações presentes no modelo analítico
desaparecem, mostram que os desempenhos reais
são bem melhores.
Visando desempenhos ainda melhores,
foram desenvolvidos alguns protocolos MAC para
operação em modo de multiplexação temporal
com acesso estatístico (denominado slotted ring).
Resultados preliminares obtidos em simuladores
computacionais mostram que esses protocolos
entregam desempenhos muito bons em vários
cenários de rede e de tráfego, seja no nível de
acesso ou de transporte com os protocolos UDP
e TCP.
6.
Agradecimentos
Este trabalho conta com as colaborações
de Nelson Luis Saldanha da Fonseca, professor
do Instituto de Computação (IC) da
Universidade Estadual de Campinas (Unicamp),
de Marbey Mosso, professor do Centro de
Estudos em Telecomunicações (CETUC) da
Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro (PUC-Rio), e de seus alunos de mestrado
e doutorado.
107
7.
Referências
conference on network design and modeling
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Abstract
This paper describes the advanced optical packet network technology under development in the CPqD
labs. This applied research and development work aims at a flexible optical network technology that will
be feasible at the next technological transition in telecommunications. The network technology centres
on optical packet switching to deliver Ethernet and transparent services, which are of interest in various
applications, such as storage area network, metropolitan area network, campus network backbone,
grid computing.
Key words: Optical Network. Packet Switching. Ring.
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Rede óptica de pacotes de serviços avançados

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