O documento discute o gerenciamento de redes ópticas transparentes através da coleta e disseminação de parâmetros de camada física usando o protocolo LMP. Ele explica como o LMP permite a correlação dos parâmetros físicos dos enlaces entre os nós da rede para suporte ao cálculo de rotas e sinalização considerando essas restrições.

1. Coleta e Disseminação de Informações de Camada Física em Redes Ópticas Baseadas no Padrão GMPLS Através do Protocolo LMP Fábio Dassan dos Santos 04/02/11

2. Sumário Introdução Arquiteturas de Redes Ópticas Parâmetros de Camada Física Parâmetros Lineares Parâmetros Não Lineares Gerenciamento de Redes Ópticas SONET/SDH GMPLS Criação de Rotas Aquisição de Parâmetros de Camada Física Gerenciamento de Enlaces (LMP) Proposta do trabalho Próximas Atividades

3. Introdução Demanda por maior capacidade de transmissão de dados Mais serviços aos usuários (residenciais e comerciais) Maior número de pessoas com acesso às novas tecnologias Exigência natural por qualidade de serviço (QoS) Single Play, Double Play, Triple Play Redes maiores Necessidade de eficiência na transmissão Capacidade de gerenciamento/manutenção Otimizações para Criação de rotas Localização/Correção de falhas

4. Arquiteturas de Redes Ópticas Podem ser classificadas em redes de núcleo, acesso e longa distância Duas alternativas para transmissão de dados: Aumentando a taxa, compartilhando os recursos da rede entre diversas conexões por espaços de tempo determinados (TDM) Transmitindo simultaneamente em canais diferentes em uma mesma fibra (WDM) TDM é custoso operacionalmente, pois é feito no domínio eletrônico (equipamentos com hardware muito específico e caro) WDM é mais flexível e eficiente, porém exige técnicas avançadas de modulação, transmissão e recepção

5. Arquiteturas de Redes Ópticas Diferença entre TDM e WDM

6. Arquitetura de Redes Ópticas Historicamente, as redes ópticas tiveram três grandes fases Primeira Geração Fibras multimodo, diodos para transmissão e fotodetectores para recepção, na janela de 1300 nm Segunda Geração Fibras monomodo, regeneradores eletrônicos, janela de transmissão em 1550 nm Terceira Geração Fibras monomodo, lasers DFB com regeneradores/amplificadores ópticos (EDFAs), na janela de 1550 nm Sob outro ponto de vista, é possível notar Inicialmente, as transmissões ópticas eram ponto-a-ponto Em um segundo momento, vieram as redes em anéis Atualmente, as redes mesh são possíveis graças a novas tecnologias de comutação de sinais ópticos

7. Parâmetros de Camada Física Limitam a transmissão de dados em velocidades muito altas Originados por fatores inerentes do processo de fabricação das fibras e dos transmissores Podem ser classificados em: Lineares – dependem do meio de transmissão, e não do sinal transmitido, com comportamento linear Dispersão do Modo de Polarização – devido a um fenômeno chamado birefringência, os modos de polarização do sinal percorrem a fibra em velocidades diferentes entre si, alargando o pulso e causando a dispersão. Atenuação – relação entre a potência de entrada e saída do sinal, diretamente proporcional à distância percorrida Dispersão Cromática – efeito relacionado às diferentes velocidades de propagação das diferentes componentes espectrais de um sinal

8. Parâmetros de Camada Física Limitam a transmissão de dados em velocidades muito altas Originados por fatores inerentes do processo de fabricação das fibras e dos transmissores Podem ser classificados em: Não Lineares – dependem da potência do sinal transmitido, da taxa de transmissão e do formato de modulação Four-Wave Mixing (FWM) – interação entre 3 frequências transmitidas simultaneamente na fibra, originando uma quarta, indesejada, que pode interferir em outro canal transmitido Modulação de Fase Cruzada – alteração na fase de um campo elétrico devido a alteração no índice de refração do meio causada por outro sinal transmitido simultaneamente na fibra Auto Modulação de Fase – variação do índice de refração do meio sob a ação do campo elétrico do sinal transmitido na fibra

9. Gerenciamento de Redes Ópticas As redes ópticas são classificadas em: Transparentes: não há conversão OEO na rede; Opacas: há conversões OEO em cada nó comutador da rede; Translúcidas: meio termo entre as duas primeiras, com conversões em alguns pontos da rede; No caso das redes opacas e translúcidas, a conversão para o domínio eletrônico permite um controle mais preciso da rede Monitoração, inserção de mensagens de controle Por outro lado, A conversão insere um atraso na propagação do sinal Os equipamentos são muito caros, com manutenção complexa, muito sensíveis e com hardware muito específico

10. Gerenciamento de Redes Ópticas As redes transparentes tem se tornado a principal alternativa entre as operadoras, por oferecerem taxas maiores Exigem um controle mais complexo da rede Uma proposta para controle da rede é a divisão em planos Plano de Dados: transmissão da informação dos usuários Plano de Controle: protocolos para controle dos recursos disponibilizados pelo Plano de Dados Plano de Gerência: interface para os administradores da rede, abstraindo as tarefas do Plano de Controle Esta abordagem é definida pela ASON, de acordo com a IETF ASON: Automatically Switched Optical Network IETF: Internet Engineering Task Force

11. Gerenciamento de Redes Ópticas Modelagem da rede segundo a definição de planos

12. Gerenciamento de Redes Ópticas SONET/SDH – Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy Padrão de transmissão de dados baseado em quadros de tamanho definido, com uma área de dados e uma área de controle Agrega várias funcionalidades de controle à rede Capacidade de gerenciamento Interoperabilidade Confiabilidade O padrão é dividido em camadas, e em cada uma delas são inseridas/removidas informações de controle

13. Gerenciamento de Redes Ópticas GMPLS – Generalized Multi-Protocol Label Switching Uma “implementação” concreta da arquitetura ASON voltada para o Plano de Controle, formada por um conjunto de protocolos que permite Interface para administração pelo Plano de Gerência; Suporte para configuração dos equipamentos do Plano de Dados; O controle é dividido em três áreas: Roteamento: encarregada de encontrar as rotas na topologia Sinalização: dado uma rota, os recursos para sua efetivação precisam ser reservados Gerenciamento de Falhas: responsável por estabelecer procedimentos para detecção, localização e recuperação de falhas

14. Gerenciamento de Redes Ópticas Especificamente, na área de roteamento As redes ópticas possuem algumas particularidades: Um mesmo comprimento de onda deve ser utilizado em todos os trechos do caminho (restrição de continuidade de comprimento de onda) Os parâmetros físicos do Plano de Dados interferem na qualidade do caminho estabelecido, por isso devem ser considerados Para atingir estes objetivos, tanto a lista de comprimentos de onda livres quanto o conjunto de parâmetros físicos devem estar disponíveis para os algoritmos de cálculo de rota Estes valores podem ser captados de duas formas: Modelagem matemática Aquisição (estática ou dinâmica)

15. Aquisição de Parâmetros A modelagem através de equações matemáticas traz um certo grau de precisão, mas ainda distante dos valores em situação real Alguns parâmetros são muito complexos para serem modelados A outra alternativa é utilizar processos de monitoração para adquirir estes valores, área conhecida como OPM ( Optical Performance Monitoring) Dividida em duas etapas Coleta dos parâmetros, através de interface com o Plano de Dados Incorporação dos valores nos protocolos de controle Duas abordagens principais Centralizada Distribuída

16. Aquisição de Parâmetros Na abordagem centralizada, cada elemento da rede envia seus dados de camada física para uma entidade central, com uma base de dados única para toda a rede TED – Traffic Engineering Database Na abordagem distribuída, existem duas hipóteses: Os dados de camada física são coletados localmente e disseminados através de protocolos de levantamento da topologia (OSPF-TE) Cada nó da rede possui as informações de camada física de todos os outros nós, permitindo que o cálculo de rota seja local Os dados de camada física são coletados localmente, mas não são disseminados. Cada nó tem sua base de dados local, e somente no processo de sinalização de uma rota os parâmetros são utilizados

17. Gerenciamento de Enlaces (LMP) LMP – Link Management Protocol É um protocolo de gerenciamento dos enlaces de uma rede de dados, garantindo a conectividade dos canais de controle desta topologia Constitui-se de quatro procedimentos Gerenciamento do Canal de Controle Correlação das Propriedades Físicas dos Enlaces Verificação de Conectividade dos Enlaces Gerenciamento de Falhas Atualmente, os dois primeiros são mandatórios (toda implementação do LMP deve contê-las), enquanto que os dois últimos são opcionais

18. Gerenciamento de Enlaces (LMP) Gerenciamento do Canal de Controle Um canal de controle é uma conexão lógica entre dois elementos adjacentes da topologia, caracterizada por um par de interfaces, estabelecendo um canal de comunicação entre eles Não existe uma especificação concreta sobre as características físicas desta conexão Este canal é utilizado para o envio e recebimento de mensagens de controle da rede Todas as mensagens de controle são trocadas por estes canais, exceto as mensagens de teste do meio físico de transmissão de dados no Plano de Dados Através da troca de mensagens de configuração, o canal de controle é estabelecido De tempos em tempos é verificado através de mensagens Hello

19. Gerenciamento de Enlaces (LMP) Correlação das Propriedades Físicas dos Enlaces Intercomunicação de todas as propriedades físicas dos enlaces que deixam um nó e chegam a um elemento adjacente Permite que seja realizada uma agregação lógica de vários enlaces físicos, denominada Link TE De forma semelhante ao processo de ativação do canal de controle, mensagens são trocadas entre os nós para correlacionar os dados de camada física dos enlaces

20. Gerenciamento de Enlaces (LMP) Verificação de Conectividade dos Enlaces Procedimento opcional para testar a conectividade dos enlaces no Plano de Dados Como não há obrigação do Canal de Controle ocupar o mesmo meio físico do Plano de Dados, podem ocorrer cenários de inconsistência, com o Plano de Dados em falha e o Plano de Controle funcionando, e vice-versa Idealmente, uma mensagem específica de teste é enviada periodicamente ao nó adjacente através do canal de dados A resposta do teste é encaminhada pelo Canal de Controle Em redes ópticas transparentes, este procedimento é inviável Não é possível inserir ou remover dados dos sinais ópticos entre comutadores

21. Gerenciamento de Enlaces (LMP) Gerenciamento de Falhas Como responsável pelos enlaces, o LMP deve possuir mecanismos que permitam identificar, localizar, notificar, corrigir e restaurar uma falha ocorrida no Plano de Dados Esta área ainda está sob pesquisa, pois os cenários de falha/recuperação são muito complexos Em redes ópticas, parte do processo de gerenciamento de falhas é feito pelo próprio Plano de Dados, implicando em uma maior interação com o Plano de Controle, ainda não definida pelos órgãos de padronização

22. Proposta do Trabalho Os dados de camada física utilizados atualmente pelos algoritmos de cálculo de rota são cadastrados estaticamente, no início da operação da rede Durante a execução do Plano de Controle, há a possibilidade de atualizá-los através de comandos de configuração, mas ainda assim manualmente Não existe um procedimento definido para coletar dinamicamente os dados dos elementos de camada física No Plano de Controle, a entidade lógica responsável pelos enlaces do Plano de Dados é o LMP Portanto, faz sentido que um procedimento que envolva a coleta destes dados seja feito através dele

23. Proposta do Trabalho Através de uma metodologia definida de acesso às informações de cada equipamento, pretende-se coletar os parâmetros físicos dos enlaces Em conjunto com os valores já existentes relacionados com as definições de Engenharia de Tráfego, o intuito é construir uma base de dados muito mais completa em comparação às existentes atualmente

24. Proposta do Trabalho Alguns requisitos devem ser atendidos para a execução deste projeto: Cada enlace (ou conjunto de enlaces) do Plano de Dados deve possuir um canal de controle associado a ele no Plano de Controle, pois as mensagens do LMP são trocadas através dele Cada elemento do Plano de Dados deve possuir uma interface de comunicação pela qual seja possível realizar a leitura dos valores de camada física que serão disponibilizados no Plano de Controle O processo de monitoração do meio físico deve ser realizado de forma independente, cabendo ao procedimento proposto somente a coleta dos valores Os elementos que pretendem ter seus valores lidos precisam, ao menos, ser alcançáveis pelo Plano de Controle. Não precisam executar todos os protocolos, mas ao menos o LMP é requerido

25. Proposta do Trabalho No Plano de Controle, uma extensão ao protocolo LMP é proposta Permitir que informações de camada física sejam transportadas nos campos dedicados a customizações proprietárias nas mensagens; Um procedimento adicional inclui implementar um canal de comunicação com o equipamento no Plano de Dados para coletar os dados, e inseri-los nas mensagens O procedimento do LMP que conterá esta extensão é a Correlação de Propriedades dos Enlaces Adicionalmente, todos os elementos contidos nos enlaces (amplificadores, medidores de potência, outros) poderão ter seus dados lidos

26. Proposta do Trabalho O acesso aos dados de camada física é representado como uma comunicação entre a instância do Plano de Controle e o firmware do equipamento no Plano de Dados

27. Proposta do Trabalho Nas mensagens do processo de Correlação de Propriedades, existe um campo dedicado à inserção de dados físicos do enlace. Este campo, chamado Data Link, pode ser usado para inserir novos dados de camada física que não estão previstos na definição do protocolo

28. Proposta do Trabalho Alguns parâmetros de camada física já são considerados pelo protocolo LMP, embora a forma pela qual eles serão obtidos não seja escopo da definição Link Group ID – identificador que permite localizar o ponto de uma falha no caso de alarmes gerados em efeito cascata SRLG ID – identificação de qual grupo de risco contém determinado recurso (enlace ou nó) BER Estimate – estimativa da taxa de erro de bit do enlace Optical Protection – indica o tipo de proteção usado no enlace Total Span Length – informa o comprimento (metros) do enlace Administrative Group (Color) – mostra a qual grupo administrativo determinado enlace pertence (geralmente utilizado pelo Plano de Gerência)

29. Proposta do Trabalho Alguns parâmetros de camada física já são considerados pelo protocolo LMP, embora a forma pela qual eles serão obtidos não seja escopo da definição O intuito é incluir novas informações nesta lista, além de especificar claramente um processo de coleta destes dados Potência de cada canal transmitido na fibra Potência total em cada enlace Relação sinal-ruído óptica (OSNR) Atenuação de cada enlace, em cada trecho A inclusão destes (e outros parâmetros) está sujeita à disponibilidade de processos/equipamentos que coletem estes dados

30. Proposta do Trabalho Os dados de camada física de cada enlace (e dos equipamentos intermediários contidos nele) serão armazenados localmente nos elementos comutadores adjacentes que o possuem A partir daí, duas abordagens de disponibilização podem ser adotadas Centralizada: os dados de cada nó são enviados para um único elemento centralizado, que contém uma base de dados central Distribuída: os dados são inseridos no protocolo OSPF-TE e disseminados entre todos os nós da rede Cada abordagem possui suas vantagens e desvantagens, e parte do trabalho constitui-se na análise destas possibilidades

31. Proposta do Trabalho Síntese do trabalho proposto

32. Próximas Atividades Emulação do protocolo LMP Execução correta das funcionalidades previstas na definição do protocolo LMP, para garantir a compatibilidade da versão que será desenvolvida para as já existentes Protocolo para coleta dos dados de camada física Definição de códigos e padrões para reconhecimento dos equipamentos do Plano de Dados, e implementação das interfaces de comunicação com estes elementos Complementação da base de dados de Engenharia de Tráfego Uma vez coletadas, os parâmetros de camada física precisam ser inseridos corretamente na base de dados de Engenharia de Tráfego, tornando-se disponíveis para utilização por outros processos