Diseño y análisis de una red de comunicaciones con conmutación óptica de paquetes

Transcripción

1 Diseño y análisis de una red de comunicaciones con conmutación óptica de paquetes A. López Resumen El crecimiento de los requerimientos de ancho de banda experimentado por las redes de comunicaciones en los últimos años ha impulsado el desarrollo de la tecnología WDM que se destaca como la candidata perfecta para el desarrollo de las redes presentes y futuras. Las nuevas redes ópticas permiten la transmisión de la información de forma transparente y por tanto presentan compatibilidad con cualquier formato y tasa de transmisión de los paquetes. Por otra parte, eliminan el cuello de botella asociado al procesado electrónico en los nodos intermedios cuando la tasa de transmisión aumenta, como se preve que ocurra en las redes futuras. En este trabajo nos centramos en el área metropolitana caracterizada por una alta sensibilidad al coste. La red propuesta está basada en OPS y combina sencillez y bajo coste con moderada escalabilidad, alto rendimiento y reducida latencia. La red propuesta ha sido analizada considerando aspectos telemáticos y físicos, obteniendo su escalabilidad y prestaciones a partir de las restricciones propias de cada enfoque. Por otra parte, el estudio experimental de algunos de los subsistemas requeridos por el diseño de red presentado han demostrado la posibilidad de su implementación con componentes comercialmente disponibles. En este sentido se ha realizado un estudio de técnicas de señalización de los paquetes y de la problemática de amplificación en redes ópticas dinámicas. Índice 1. Introducción 2 2. Diseño de una red OPS Arquitectura de red Control de acceso al medio Estudio de la escalabilidad de la red Análisis en términos de tráfico Limitaciones físicas Estudio experimental de subsistemas Codificación de la información de control o etiquetado Amplificación en redes dinámicas Conclusiones 21 1

2 1. Introducción El increíble aumento de la capacidad de transmisión requerido por los usuarios en los últimos años ha hecho más patente la brecha existente entre el ancho de banda disponible en la fibra óptica y el ancho de banda que los componentes electrónicos son capaces de gestionar. La tendencia lógica para evitar este hueco es acercar al dominio óptico la implementación de las funciones de red básicas y así conseguir que la información sea transportada por la fibra de forma transparente: sin necesidad de conversiones entre los dominios eléctrico y óptico e independientemente del formato o la tasa de transmisión. Sin duda, en la actualidad, la única tecnología de transporte capaz de satisfacer la creciente demanda es WDM. Por otra parte, la evolución del mercado de las telecomunicaciones ha estado marcada en los últimos años por una indiscutible predominancia de aplicaciones basadas en tráfico IP debida principalmente al impactante incremento del número de usuarios de Internet. Así, la solución basada en la transmisión de paquetes IP directamente sobre una capa WDM, IP over WDM (IPoWDM), se ha alzado como la combinación más prometedora para el desarrollo de las futuras redes de comunicaciones [1, 2, 3]. Hoy en día, la mayor parte de transmisión mediante WDM se realiza a través del estándar SONET/SDH. Sin embargo, la transmisión del ubicuo tráfico IP mediante redes de conmutación de circuitos con acceso TDM del tipo SO- NET/SDH presenta serias limitaciones entre las que destacan rigidez y baja granularidad en la asignación de recursos y alto overhead. Las anteriores limitaciones suponen una reducción de eficiencia y ancho de banda que se puede evitar de forma natural eliminando una o varias de las capas intermedias en la pila de protocolos [2, 4]. De forma adicional, esta simplificación de la pila de protocolos reduce las dificultades y costes derivados de la interoperabilidad entre capas. De esta forma surge el concepto de capa óptica como una capa dotada de inteligencia y capaz de englobar funciones de capa de enlace además de las propias de capa física. La Figura 1 muestra una evolución plausible de la pila de protocolos respecto a la implementación de soluciones de transporte de paquetes IP. Redes SONET/SDH tradicionales Redes actuales: introducción de tecnología WDM en capa física Redes futuras: interacción directa IP/WDM IP IP ATM IP ATM IP SONET/SDH IP SONET/SDH Capa óptica WDM Capa física óptica IP Figura 1. Evolución de las redes de comunicaciones ópticas según una visión multicapa [2]. Tanto las redes tradicionales como la mayoría de redes actuales han usado la fibra óptica (Capa física óptica en la Figura) como un mero medio de transmisión que permite el transporte de grandes volúmenes de información a alta velocidad. Este tipo de redes constituyen la primera generación de redes ópticas que se 2

3 caracterizan por la provisión estática de recursos y la interacción IP/tecnología óptica a través de múltiples capas intermedias. Entre las redes ópticas de primera generación se incluyen alternativas que varían desde las redes convencionales con conexiones punto a punto mediante fibra óptica hasta otras con transporte más eficiente de tráfico de datos: PoS (Packet over SONET/SDH). En las redes ópticas de segunda generación la capa de adaptación WDM está dotada de cierta inteligencia mediante la cual es capaz de asignar recursos bajo demanda. Este tipo de redes se caracterizan, por tanto, por la provisión dinámica de recursos y la desaparición de muchas de las capas intermedias. Es el caso de las redes basadas en encaminamiento por longitud de onda o WRON (Wavelength-Routed Optical Network) y las redes de conmutación óptica de ráfagas o redes OBS (Optical Burst Switching). En ambos enfoques todavía es necesaria una capa de adaptación que gestione la provisión de circuitos ópticos o lightpaths en el primer caso y la reserva de recursos para la posterior transmisión de datagramas en el segundo. En el futuro se preve la aparición de las denominadas redes ópticas de tercera generación, en las que los paquetes IP sean transportados directamente sobre la tecnología WDM. Nuevas generaciones de redes ópticas La segunda y tercera generación de redes ópticas sugieren un acercamiento al dominio óptico de una función básica de red como es el encaminamiento o routing de la información entre origen y destino. Este cambio de orientación ha sido impulsado por una parte por el incremento de la tasa de transmisión de los flujos individuales de información, que ha aumentado la complejidad y coste de los circuitos electrónicos. Por otra parte, la introducción de WDM ha multiplicado el número de componentes en los nodos, que requieren tantos receptores, moduladores y fuentes ópticas como canales existan en la red. Ambos efectos resultan en un aumento enorme del coste de la redes unido a la necesidad de mayor espacio y al incremento del consumo de energía. La implementación de la función de routing en el dominio óptico permite superar las limitaciones de velocidad encontradas al evitar el procesado electrónico de la información de capa superior o payload contenida en cada paquete. Además supone una reducción del espacio y del consumo de energía mediante la integración monolítica de los componentes conmutadores con otros componentes ópticos [5]. De forma análoga a la clasificación de las redes tradicionales de conmutación en el dominio eléctrico según su nivel de granularidad, existen tres paradigmas de conmutación en el dominio óptico: OCS (Optical Circuit Switching) también conocido como wavelength routing, basado en la conmutación a nivel de longitud de onda. OBS (Optical Burst Switching), basado en la conmutación a nivel de ráfaga o burst. Donde una ráfaga consiste en la agregación de varios paquetes con las mismas necesidades de transmisión. OPS (Optical Packet Switching), basado en la conmutación a nivel de paquete. La Tabla 1 compara las características básicas de los tres paradigmas o esquemas de conmutación óptica. 3

4 Esquema Granularidad Utilización Latencia Implementación OCS Baja (coarse) Baja Baja Sencilla OBS Moderada Moderada Moderada Moderada OPS Alta (fine) Alta Baja Compleja Tabla 1. Comparación de los tres esquemas de conmutación óptica para redes de próxima generación: OCS, OBS y OPS. El entorno metropolitano Gran cantidad de trabajos de investigación se han dedicado en los últimos años al diseño y desarrollo de técnicas y subsistemas que hagan viable la introducción de los nuevos paradigmas de conmutación en redes ópticas [5, 6]. Sin embargo, aún existe escepticismo entre muchos de los operadores que, de forma generalizada, consideran aspectos distintos a los del entorno académico. Estudios tecno-económicos recientes [7, 8] han demostrado que si bien hoy en día la tecnología asociada todavía está en fase de desarrollo o maduración, es previsible que a medio y largo plazo se producirá una migración hacia redes basadas en conmutación de datagramas en el dominio óptico, es decir: OBS y OPS. Por otra parte, los distintos segmentos de la red presentan restricciones y requerimientos distintos. En concreto, el entorno metropolitano se identifica como un segmento de potencial penetración de las nuevas tecnologías ópticas dadas sus características de alta diversidad de clientes, predominio del tráfico de datos y sensibilidad al coste [1]. Objetivos y estructura Los objetivos planteados se pueden resumir en dos: por una parte, el diseño de una arquitectura de red basada en OPS y la evaluación de su viabilidad y sus limitaciones mediante simulaciones; por otra, la investigación experimental de algunos aspectos clave para la implementación de la red. Para la validación del diseño de red se han evaluado sus prestaciones tanto en términos de tráfico como de limitaciones físicas. En cuanto al análisis experimental nos proponemos el estudio de algunos de los aspectos más relevantes. En concreto, los relacionados con la técnica de escritura y lectura de la información de control de cada paquete o labeling y con la amplificación en redes con patrones dinámicos de tráfico. La estructura de este resumen se ajusta a los objetivos de la tesis. Así, tras esta introducción se plantean secciones para cada uno de los grandes hitos llevados a cabo en la realización de la tesis. 2. Diseño de una red OPS A pesar del desajuste tecnológico, de las tres filosofías de capa óptica descritas en la sección anterior aquella que presenta mayor granularidad y que se considera la solución óptima para redes ópticas de próxima generación es la conmutación óptica de paquetes. Por ello en la literatura se han realizado múltiples propuestas de arquitectura para este tipo de redes [9, 1, 11]. La topología más 4

5 común en el entorno metropolitano es la de anillo que representa una evolución directa de las redes SONET/SDH actuales. La revisión de trabajos existentes se centra en las arquitecturas RPR, WON- DER y HORNET por su aplicación a redes de área metropolitana. RPR representa el estándar de red óptica de conmutación de paquetes en este tipo de entornos, mientras que WONDER y HORNET son arquitecturas especialmente afines al diseño presentado en este trabajo dadas sus características de simplicidad y bajo coste. Estándar RPR (Resilient Packet Ring) [12, 13]. Es una adaptación a topología en anillo del protocolo Ethernet. Consiste en un anillo bidireccional con una longitud de onda para cada sentido de la comunicación (uno de los sentidos es para protección frente a fallos). Realiza conversión O/E/O en cada nodo. Dispone de buffers electrónicos para cada flujo de información (en tránsito, para insertar y para extraer). RingO (Ring Optical network) - continuado con WONDER (WDM Optical Network DEmonstrator over Rings) [14, 15, 16]. Anillo WDM unidireccional con operación en modo slotted. El número de longitudes de onda es igual (RingO) al número de nodos que componen la red. El control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) se realiza mediante la monitorización de todas las longitudes de ondas al comienzo de cada slot. Los nodos presentan arquitectura F T W F R (W Fixed Transmitters - Fixed Receiver). Cada nodo tiene una longitud de onda propietaria en la que recibe paquetes. El resto de longitudes de onda no son procesadas por el nodo. HORNET (Hybrid Optoelectronic Ring NETwork) [17, 18, 19, 2]. Anillo WDM bidireccional con operación slotted y gestión de paquetes de tamaño variable. El número de longitudes de onda es menor que el número de nodos en la red, y por tanto la longitud de onda no define unívocamente a cada nodo. El protocolo MAC consiste en el uso de un canal (o longitud de onda) de control, que contiene la información de ocupación de los canales de datos y es extraído, modificado y reinsertado en cada nodo (conversión O/E/O). Los nodos presentan una arquitectura T T F R (Tunable Transmitter - Fixed Receiver). Por tanto, cada nodo recibe paquetes en una única longitud de onda, que extrae (conversión O/E) y reinserta (conversión E/O), sólo en caso de que el paquete no vaya dirigido a él. El resto de longitudes de onda atraviesan el nodo de forma transparente. La conmutación se realiza en el dominio eléctrico. Las claves del diseño de una red OPS óptima pasan por la aplicación de los conceptos de encaminamiento transparente en los nodos (sin conversiones O/E/O) y reutilización espacial de las longitudes de onda. Ambos conceptos determinan las reglas del control de acceso al medio de la arquitectura. En la arquitectura propuesta en este trabajo todo el tráfico que no esté destinado a un nodo en particular lo atraviesa de forma transparente de forma que las conversiones entre los dominios óptico y eléctrico se reducen al máximo. La clave reside en el uso de un switch óptico como elemento conmutador de los paquetes. Los recientes avances de tecnología óptica hacen que tanto el switch 5

6 óptico como el resto de componentes de los nodos en la red propuesta sean dispositivos comercialmente disponibles y de coste relativamente reducido, lo que aumenta el atractivo de la red y la hace realista y viable hoy en día. La mejora de la red propuesta con respecto a HORNET reside en la eliminación de la conversión O/E/O y por tanto la transparencia de los nodos de red. Por otra parte, WONDER elimina la necesidad de disponer de elementos conmutadores en los nodos, pero no hace uso del concepto de reutilización espacial Arquitectura de red Como en muchas de las redes OPS existentes en la literatura [11, 21, 22, 23, 24, 25, 19, 12, 16] la topología de la red propuesta en este trabajo es un anillo. En concreto, nuestro diseño básico de red supone un anillo WDM unidireccional en el que existen dos tipos de nodos: puntos de acceso y puntos de presencia. Los puntos de acceso (APs, Access Points) conectan a los usuarios de redes locales al anillo. Por otra parte, los puntos de presencia (POPs, Points Of Presence), son necesarios para la conexión con la red de nivel superior en la jerarquía (red troncal o metro/regional). De esta forma, los usuarios pertenecientes a redes locales distintas pueden comunicarse entre sí a través del anillo y también con la red troncal exterior. Así, el tipo de tráfico que el anillo gestiona se clasifica en tráfico interno (destinado dentro del anillo, entre APs o de POPs a APs) y tráfico externo (destinado fuera del anillo, de APs a POPs). La Figura 2 muestra un esquema de la arquitectura propuesta. Extrae paquetes en 1 con dirección LAN Inserta paquetes en cualquier longitud de onda ext Access Points (APs) Point of Presence (POP) ext Inserta paquetes en cualquier longitud de onda interna Extrae paquetes en ext WAN Figura 2. Arquitectura de red propuesta donde se incluyen las características de transmisión y recepción de los dos tipos de nodos, APs y POPs. La red está basada en el uso compartido de recursos (en este caso, longitudes de onda o canales) entre los nodos. Con este fin, los APs se agrupan de forma que cada grupo tiene una longitud de onda característica que define el canal 6

7 que transporta los paquetes destinados a los APs pertenecientes al grupo. Cada AP dentro del anillo debe ser capaz de comunicarse con cualquier otro AP y con el exterior a través de los nodos POP, por tanto debe estar equipado con un receptor fijo (a una longitud de onda) y un tranmisor sintonizable. De esta forma, un AP que quiera insertar un paquete destinado a un AP perteneciente al grupo 1 deben tranmistirlo en la longitud de onda λ 1. Todos los APs del grupo 1 reciben y procesan el paquete, que sólo será extraído del anillo por el AP destino. La señalización de los paquetes (ver detalles en el apartado 4.1) se realiza a dos niveles: por una parte, cada paquete está identificado por la longitud de onda en la que es transportado; por otra parte, contiene información de control que incluye la dirección del AP destino. La recepción se realiza mediante un demultiplexor que selecciona la longitud de onda asociada al AP y un circuito de detección convencional con fotodiodo, mientras que la transmisión se realiza mediante un array de láseres [26, 27]. Se ha pensado en un esquema F T W F R (W transmisores fijos y receptor fijo) como en la red RingO [14] frente a T T F R (transmisor sintonizable y receptor fijo) como en la red HORNET [19] teniendo en cuenta las ventajas de simplicidad, bajo coste y transmisión simultanea que un esquema aporta sobre el otro Control de acceso al medio El control de acceso al medio está basado en el uso de una línea de retardo y por tanto está diseñado para la operación con paquetes de tamaño fijo. La falta de buffers ópticos limita la gestión de paquetes de tamaño variable en nuestra arquitectura. Por tanto, nuestro diseño asume que los paquetes son encapsulados de forma previa por equipamiento externo a la red que nos ocupa. Se ha realizado un estudio teórico de los tiempos asociados a la correcta operación de la red. Además del tiempo de la línea de retardo, es importante notar la necesidad de considerar un tiempo de guarda entre paquetes para evitar colisiones en el switch óptico, así como un retardo de la señal de control del switch. La Tabla 2 resume las expresiones de los tiempos asociados al MAC de la red propuesta. Parámetro Tiempo de guarda entre paquetes Retardo control switch Línea de retardo (FDL) Periodo de deshabilitación Expresión τ guarda = t switch +.1 t switch τ delay = τ paquete τ label τ F DL = τ paquete t switch + τ label τ disable = 2 (τ paquete t switch ) Tabla 2. Expresiones de los tiempos asociados al control de acceso al medio (MAC) de la red propuesta. 7

8 3. Estudio de la escalabilidad de la red En esta sección se presentan los resultados de simulación referentes a los límites de escalabilidad y el rendimiento de la arquitectura de red propuesta. El estudio se ha realizado teniendo en cuenta tanto aspectos relacionados con el tráfico como limitaciones físicas de los componentes que constituyen los nodos y de la propia fibra que enlaza unos con otros Análisis en términos de tráfico Se han buscado los límites de escalabilidad de la red en función de la carga de tráfico que ésta es capaz de soportar antes de entrar en estado de congestión. Dado el tamaño limitado de las memorias o buffers presentes en la etapa de inserción de los nodos, el fenómeno de congestión es equivalente al de pérdida de paquetes. Se ha comprobado empíricamente que un criterio de congestión adecuado es aquel que considera la varianza del tiempo de espera en cola de los paquetes superior a un umbral de.5 ms 2. La Figura 3 muestra la evolución temporal de la ocupación de los buffers en los tres puntos de inserción considerados. Las gráficas se corresponden al caso de 22 APs/λ int, t switch de 1 µs y barrido del porcentaje de ocupación de las LAN en todo su rango (condiciones de las Figuras anteriores). El resto de parámetros de simulación toman su valor estándar. Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) Figura 3. Ocupación de los buffers (número de paquetes encolados) en los tres puntos de inserción de tráfico. De arriba a abajo: tráfico interno en APs, tráfico interno en POPs y tráfico externo en APs. Como se puede apreciar en la Figura, en lo que refiere al tráfico interno, el número de paquetes encolados es notablemente superior (un orden de magnitud) en los POPs que en los APs, lo cual sugiere, como se había previsto, distintos requerimientos de capacidad de almacenamiento. En cuanto al tráfico externo, los requerimientos de almacenamiento son del orden de aquellos de tráfico interno en APs. La Figura 4 muestra las curvas de varianza de tiempo de encolamiento en los tres puntos de inserción de paquetes asociadas al caso representado en la Figura 3. En cada gráfica se visualiza el límite de carga de tráfico requerido para que no se produzcan pérdidas en el buffer correspondiente. En el escenario analizado, los límites a la carga de tráfico que la red es capaz de gestionar impuestos por los distintos tipos de buffer son 74, 34 y 38 %. Para el 8

9 Varianza tiempo espera en cola (ms 2 ) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) Figura 4. Varianza del tiempo de espera en cola en los tres puntos de inserción de tráfico. De arriba a abajo: tráfico interno en APs, tráfico interno en POPs y tráfico externo en APs. umbral considerado la capacidad máxima necesaria en cada punto de inserción de tráfico es del orden de 5 paquetes para los buffers de tráfico interno y externo en los APs y 5 paquetes para el buffer de tráfico interno en los POPs, lo cual se corresponde con capacidades de 75 y 75 kb, respectivamente. Dado que el almacenamiento se realiza en el dominio eléctrico (de forma previa a la inserción de los paquetes en el anillo), las capacidades requeridas no suponen desafío tecnológico alguno. Modelo de tráfico En el análisis en términos de tráfico es especialmente relevante el modelo de tráfico implementado. En este sentido, se han considerado dos modelos: por una parte un modelo clásico Poisson (modelo C), y por otra un modelo autosemejante más realista basado en la agregación de fuentes ON-OFF (modelo A). Dado que el switch óptico es el principal componente de nuestro diseño, resulta de especial interés el estudio de escalabilidad en función de su tiempo de conmutación. Con el fin de dar una idea global del comportamiento de la red según la naturaleza del tráfico que deba gestionar, la Figura 5 muestra la evolución temporal de la ocupación de los buffers en los puntos de inserción de paquetes en el anillo para distintas cargas de tráfico. Se representan cuatro gráficos correspondientes a cuatro casos de t switch : 1, 1, 25 y 1 ns. El modelo de tráfico aplicado en las simulaciones es el modelo clásico Poisson (modelo C) y el tamaño de la red es el máximo considerado en este estudio (22 APs/λ int ). Como se puede observar en la Figura, el tiempo de conmutación del switch es un parámetro crítico para las prestaciones de la red que afecta de forma directa a sus límites de escalabilidad. Los gráficos correspondientes al modelo de tráfico autosemejante (modelo A) se muestran en la Figura 6. La influencia del valor de t switch sobre las prestaciones de la red presenta una tendencia similar en los resultados correspondientes a los dos modelos de tráfico analizados. Sin embargo, hay que notar dos diferencias: Los límites de carga de tráfico para los cuales la red entra en saturación y sus buffers comienzan a experimentar pérdida de paquetes son mayores en el caso del modelo clásico de Poisson. 9

10 Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) (a) t switch = 1 ns (b) t switch = 1 ns Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) (c) t switch = 25 ns (d) t switch = 1 ns Figura 5. Evolución temporal de la ocupación de los buffers en los tres puntos de inserción de tráfico en función de la carga de tráfico ofrecida por las LAN. Modelo de Poisson para distintos tiempos de conmutación del switch óptico. En caso del modelo autosemejante, el punto de saturación de la red se alcanza de forma brusca e intermitente (efecto de las ráfagas de paquetes). Estas dos observaciones nos permiten derivar el efecto del tráfico autosemejante sobre las prestaciones de la red: empeoramiento general y llenado de forma intermitente o a ráfagas de los buffers. La consecuencia clara de la primera observación es que el modelo de tráfico clásico proporciona estimaciones más optimistas que el autosemejante. En cuanto a la segunda observación, su principal implicación será la necesidad de disponer de capacidades de almacenamiento mayores que eviten la pérdida de paquetes ante la llegada de ráfagas. En adelante, se ha usado únicamente el modelo de tráfico autosemejante, por ajustarse de forma más fiel a escenarios con tráfico a ráfagas. Escalabilidad El tamaño máximo de la red se ha evaluado considerando, de forma análoga al análisis de carga de tráfico presentado anteriormente, distintos valores del tiempo de conmutación del switch óptico. En este caso, la carga de tráfico ofrecida por cada AP es del 1 %. La Tabla 3 resume los límites de tamaño de red encontrados para cada caso de tiempo de conmutación del switch. De nuevo, 1

11 Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) (a) t switch = 1 ns (b) t switch = 1 ns Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) Tiempo (ms) Paquetes internos (APs) Paquetes internos (POPs) Paquetes externos L(%) (c) t switch = 25 ns (d) t switch = 1 ns Figura 6. Evolución temporal de la ocupación de los buffers en los tres puntos de inserción de tráfico en función de la carga de tráfico ofrecida por las LAN. Modelo autosemejante para distintos tiempos de conmutación del switch óptico. las limitaciones impuestas por el tráfico interno y el externo son recogidas por separado. El máximo número total de nodos (AP y POP) que la red es capaz de servir es el mínimo de estos dos valores. t switch (ns) Máximo tamaño de la red (nodos) Tráfico interno Tráfico externo Tabla 3. Límites de escalabilidad de la red en términos del máximo número de nodos (AP y POP) que la componen. Rendimiento y latencia Existen varios indicadores de las prestaciones de una red de comunicaciones 11

12 en términos de los cuales se pueden comparar distintas arquitecturas. El entorno en el que se desarrolle la red es crucial para elegir los parámetros en función de los cuales se ha de caracterizar ésta. Así, por ejemplo, para redes dedicadas a tráfico interactivo el retardo reducido es imprescindible, mientras que en una red dedicada a transferencia de ficheros no es tan crítico. Dos de los parámetros de evaluación de redes más habituales son el rendimiento o throughput y el retardo medio, existiendo comunmente un compromiso entre la maximización del primero y la minimización del segundo. El análisis de rendimiento o throughput es fácilmente extraíble de los estudios de escalabilidad previamente presentados. Definimos el throughput como el caudal en bits/s que la red es capaz de transportar en un instante dado. Por tanto, a partir de la carga de tráfico máxima que cada nodo tiene permitido insertar para el tamaño de red considerado es posible calcular el throughput total de la red mediante la suma de tres términos thr = thr int AP s + thr int P OP s + thr ext (1) Donde se han considerado por separado los paquetes internos insertados por nodos AP, por nodos POP y los paquetes de tráfico externo. A partir de la ecuación (1) y los resultados de carga de tráfico máxima para cada tamaño de red, se ha calculado el throughput, que se representa en la Figura 7 para el tráfico interno y externo por separado. En los cálculos de rendimiento se ha considerado el límite de carga de tráfico más restrictivo (impuesto por el tráfico interno en los nodos POP). Throughput interno (Gb/s) tswitch = 1 ns tswitch = 25 ns tswitch = 1 ns tswitch = 25 ns tswitch = 1 ns Throughput externo (Gb/s) tswitch = 1 ns tswitch = 25 ns tswitch = 1 ns tswitch = 25 ns tswitch = 1 ns Numero de nodos Numero de nodos Figura 7. Throughput o rendimiento de la red para el tráfico interno y el tráfico externo por separado. Como máxima carga de tráfico se considera la más restrictiva (impuesta por el tráfico interno en los nodos POP). Se observa que a pesar de la mejora de rendimiento observada al mejorar la velocidad del switch óptico, es notable la reducción de rendimiento con respecto al límite máximo teórico. Un análisis similar realizado con tráfico poissoniano demuestra que este efecto es en parte debido a la naturaleza a ráfagas del tráfico que la red debe gestionar. Otro de los factores que influyen en la reducción de rendimiento de la red es el fenómeno de desigualdad entre nodos o unfairness. En cuanto al estudio de latencia, los valores obtenidos para la red propuesta son de.6 ms para los paquetes de tráfico interno y de.3 ms para los de tráfico externo en el caso de una red de 9 nodos (perímetro de 18 km). El estudio comparativo de la red propuesta con la arquitectura HORNET ha indicado que el comportamiento de la red en términos de rendimiento es similar, si bien la 12

13 red estudiada en esta tesis es superior en términos de latencia. Por otra parte, es evidente que la principal ventaja del esquema propuesto es la ausencia de conversión entre los dominios óptico y eléctrico cuyo beneficio se refleja principalmente en transparencia a formato de los paquetes y reducción de coste y del consumo de energía Limitaciones físicas En primer lugar se ha analizado el efecto de la fibra (presente en la FDL y en el enlace entre nodos) y se han obtenido los límites impuestos por los efectos no lineales y la dispersión [28]. Los resultados muestran que para que los primeros no aparezcan, la potencia óptica no debe superar 12 dbm. Por otra parte, la dispersión limita la escalabilidad de la red a tamaños que en el diseño original de los nodos (SMF en la FDL) no superan los 14 nodos. Sin embargo, este límite puede verse aumentado hasta un valor de 2 nodos en el caso de usar DCF en la FDL y hasta 34 nodos en el caso de incorporar un modulo específico de compensación de dispersión. Los resultados de BER frente a número de hops o nodos para los campos de label y payload se muestran en la Figura 8. log(ber) atenuacion SMF en FDL DCF en FDL comp. dispersion potencia recibida Numero de hops Potencia optica recibida (dbm) log(ber) atenuacion SMF en FDL DCF en FDL comp. dispersion potencia recibida Numero de hops Potencia optica recibida (dbm) Figura 8. Escalabilidad de la red: influencia de la dispersión en la calidad de la transmisión. Prestaciones de label (izquierda) y payload (derecha) en términos de BER. Para ayudar a la interpretación de las curvas se ha incluido la evolución de la potencia con el número de nodos, que es independiente del caso considerado debido al efecto del amplificador. También se ha representado el límite máximo de BER según los criterios de calidad considerados para la información de control o label y el payload. En cuanto a la atenuación, es un factor decisivo en este tipo de redes debido al elevado número de componentes. Es necesaria la inclusión de amplificadores en línea para compensar las pérdidas incurridas en los nodos. La alternativa más adecuada en el caso de redes metropolitanas es el uso de amplificadores de semiconductor linealizados o LOAs. Con el fin de estudiar el efecto de las características y la posición de los amplificadores, se han analizado las prestaciones de la red para cuatro configuraciones distintas (A1,A2,B1y B2) [29]. Los resultados muestran que existe un compromiso tanto en la elección de la ganancia del amplificador como en la elección de su posición. En el primer caso, altas ganancias suponen el uso de menos amplificadores por nodo, pero pueden disparar la aparición de efectos no lineales; en el segundo, posiciones próximas a la entrada del nodo suponen una menor degradación de la relación señal a ruido, 13

14 pero pueden hacer operar al amplificador fuera de su rango lineal y por tanto hacer que las pérdidas del nodo no se compensen completamente con la ganancia del amplificador debido al efecto de saturación en éste. El análisis presentado ha indicado la necesidad de modificar ligeramente el diseño del nodo sustituyendo el acoplador 9/1 de la etapa del Packet Manager por otro con relación de acoplo 5/5. Los resultados obtenidos han mostrado que la mejor configuración es aquella que incluye dos amplificadores de ganancia media (del orden de 11 db) situados a la entrada y la salida del nodo respectivamente. La Tabla 4 resume los valores de tamaño de red máximo para tres de las configuraciones con mejores prestaciones. Configuración G nominal G +.5 db G + 1. db A1 9/1 B1 9/1 B1 5/5 B2 9/1 B2 5/5 label payload label payload > 84 label payload label 73 > 84 payload 11 > 84 > 84 label payload Tabla 4. Comparación del tamaño de la red máximo para las configuraciones A1, B1 y B2 y relaciones de acoplo 9/1 y 5/5 cuando se usan amplificadores con distintos factores de ganancia. El estudio de limitaciones físicas permite concluir que para la mejor configuración el tamaño máximo de red es de 7 nodos, que es notablemente superior al tamaño máximo obtenido del análisis de tráfico del apartado anterior. En este sentido es importante notar que el análisis de escalabilidad de capa física aquí presentado es bastante optimista ya que no ha considerado el efecto de dependencia de los componentes con la longitud de onda. 4. Estudio experimental de subsistemas Como complemento de la validación y análisis mediante simulación de la red propuesta, se han estudio experimentalmente algunos de los subsistemas clave para su implementación real Codificación de la información de control o etiquetado Existen varios métodos de labeling [6], que se pueden clasificar en cuatro grandes grupos dependiendo de la forma en la que la información de control y el payload se combinan: Señalización fuera de banda, como es el caso de las técnicas WDM (Wavelength Division Multiplexing) [19] y SCM (SubCarrier Multiplexing) 14

15 [3]. El primer caso está basado en el uso dedicado de una longitud de onda del esquema WDM para el transporte de la información de control de todos los canales de datos. En el segundo caso, se introduce una subportadora de RF fuera de la banda ocupada por el payload pero próxima a ésta. Señalización mediante bits en serie o TDM (Time Division Multiplexing) [31]. Se basa en la introducción del label como una secuencia de bits previos al payload. Señalización mediante códigos u OCDM (Optical Code Division Multiplexing) [32, 33]. La introducción de la información de label se realiza mediante la codificación del payload con un código que contiene la información de control. Señalización mediante modulaciones ortogonales, en la que el label se introduce en una dimensión ortogonal a la del payload [34, 35, 36]. Las dimensiones de la señal óptica que pueden portar información de label o payload son amplitud, frecuencia, fase y polarización. Una forma de reducir la penalización de ancho de banda propia del etiquetado mediante modulaciones ortogonales es la reducción de la distancia frecuencial entre tonos FSK. Denominamos a este tipo de modulación narrow-fsk y presenta la ventaja añadida de poder ser implementada de forma sencilla mediante modulación directa de láseres de semiconductor gracias al fenómeno de chirp en fuentes ópticas. El aumento de la eficiencia espectral es muy importante en redes WDM ya que asegura la ausencia de crosstalk entre canales. Adicionalmente, la reducida desviación frecuencial de la modulación implica ventajas en cuanto a reducido RIM y vulnerabilidad frente a dispersión. La implementación del método de labeling propuesto se ha realizado usando dispositivos comerciales de bajo coste. La Figura 9 representa el montaje experimental empleado. El payload esta formado por tramas Ethernet a 1.25 Gb/s (GbE), mientras que la información de label está constituida por una secuencia de datos con codificación CMI y tasa de transmisión de 155 Mb/s. Optical Conversión to electrical O/E conversion analizador GbE traffic tráfico analyzer GbE DFB 1545 nm Payload payload 1.25Gb/s modulador MZ modulator MZ BERT Label, label, 155Mb/s CMI acoplador 3dB coupler 3-dB MZ DI osciloscopio Scope Figura 9. Montaje de laboratorio para los experimentos de validación y análisis del método de labeling propuesto (modulaciones ortogonales IM/narrow-FSK). El componente más crítico del montaje experimental ha sido el filtro demodulador FSK, que se ha diseñado específicamente para esta aplicación y esta basado en un interferómetro Mach-Zehnder con ramas de distinta longitud (MZ- DI). La separación frecuencial de los tonos FSK en los experimentos ha sido de 15

16 .7 GHz, lo cual ha requerido un filtro con rango espectral libre reducido. Hemos demostrado experimentalmente la demodulación narrow-fsk mediante este filtro. La Figura 1 muestra el espectro óptico de la señal tras el proceso de doble modulación IM/narrow-FSK. La contribución del chirp adiabático es la responsable del desdoblamiento de la portadora óptica y por tanto de la modulación en frecuencia binaria (uno de los tonos corresponde a los bits 1 y el otro a los bits ). A efectos de comparación, en gris se representa el espectro óptico de la señal cuando únicamente es modulada en intensidad. Optical Power (dbm) Wavelength (nm) Figura 1. Espectros ópticos correspondientes a la señal GbE y a la señal GbE con el labeling introducido mediante la técnica narrow-fsk. La Figura 11 muestra los espectros ópticos de las señales en sendas salidas del MZDI. Como se puede apreciar, el filtro es capaz de eliminar cualquiera de los dos tonos FSK de forma efectiva. -1 Optical Power (dbm) GHz Wavelength (nm) Figura 11. Espectros ópticos tras la demodulación narrow-fsk en el proceso de lectura del label. Se muestran dos espectros correspondientes a cada una de las salidas de MZDI. El inset muestra la transmitancia del filtro MZDI utilizado en el proceso de demodulación. La combinación de modulaciones empleada no es totalmente ortogonal y se han evaluado los fénomenos de interferencia entre las modulaciones IM y narrow- FSK. Este análisis ha permitido concluir que existe un compromiso entre la calidad de label y payload regulable con la relación de extinción de este último. Las relaciones señal a ruido que cuantifican el crosstalk sobre payload y label 16

17 son respectivamente SNR P = m l 2 ω p S P (ω)dω ω p ( 1 ) m 2 S L(ω) + S P (ω) S L (ω) dω p (2) SNR L = ω l m 2 p ω l S L (ω)dω ( 1 n 2 S P (ω) + S P (ω) S L (ω)) dω donde ω p y ω l son los anchos de banda efectivos de los detectores de payload y label, los factores m p, m l y n corresponden a los indices de modulación IM, modulación RIM y factor de filtro y S P (ω), S L (ω) son las densidades espectrales de potencia de payload y label. Las Figuras 12 y 13 muestran la relación señal a ruido de payload y label en función de la relación de extinción del primero. En la primera de ellas, se consideran distintos índices de modulación RIM, valor que depende de las características de la fuente y la separación frecuencial entre portadoras. En la segunda Figura, por su parte, se consideran distintos ratios entre tasas de transmisión de payload y label. En ambos casos, se ha supuesto que la información de payload y label se codifica según señales PAM NRZ. En cuanto a los anchos de banda efectivos de los detectores, se ha asumido que se ajustan a la anchura del lóbulo principal de la densidad espectral de potencia correspondiente. (3) 35 SNR P (db) ER = 2.9 db SNR P = 11.6 db ER (db).15 Indice RIM Figura 12. Efecto del crosstalk del label sobre la relación señal a ruido del payload en recepción: dependencia con la relación de extinción de la modulación IM y el índice de RIM asociado a la modulación FSK. Como se deduce de la observación de la Figura 12 para valores de modulación residual elevados (con índices del orden del 15 %), la SNR del payload se reduce drásticamente y se requieren valores de ER altos para una correcta recepción. En contraste, y como muestra la Figura 13, los valores altos de ER del payload 17

18 ER = 2.9 db SNR L = 11.6 db 3 25 SNR L (db) ER (db) Ratio tasas 32 transmision 64 5 Figura 13. Efecto del crosstalk del payload sobre la relación señal a ruido del label en recepción: dependencia con la relación de extinción de la modulación IM y la relación de tasas de transmisión de payload y label. reducen la SNR del label. En este sentido, se observa que los requerimientos de ER reducida se relajan considerablemente al aumentar el ratio entre las tasas de transmisión de payload y label. Se ha comprobado que esta relación de tasas de transmisión tiene un efecto despreciable sobre SNR P ya que el ancho de banda efectivo del detector de payload (ω p ) es en todos los casos mayor que aquel del detector de label (ω l ). Los puntos destacados en las dos Figuras indican los valores de SNR P y SNR L óptimos asociados a la configuración del proceso de modulación y por tanto, se han obtenido calculando la intersección de las curvas resultantes de los cortes de las superficies representadas para índice RIM 8 % en 12 y ratio de tasas 4 en 13. El valor óptimo de ER de payload para esta configuración es ER opt = 2.9 db. Se ha comprobado experimentalmente el efecto de la interferencia entre los campos de control y de datos usando el montaje de la Figura 9 [37]. El análisis ha consistido en la medida de la tasa de error de label y payload para distintos valores de ER de la modulación IM (payload). El barrido de los valores de ER se ha realizado atenuando la señal proviniente del analizador de tráfico GbE. La tasa de error medida en el caso del label es la obtenida directamente de la lectura del BERT (Bit Error Rate Tester). En cuanto al payload la tasa de error considerada corresponde a la de errores FCS (Frame Check Sequence) calculada como el ratio de errores FCS respecto al número total de tramas recibidas siempre y cuando no haya ninguna pérdida de trama. Los resultados obtenidos se recogen gráficamente en la Figura 14. Ha resultado imposible realizar medidas de BER en la recepción de label por debajo de 1 9 debido a la deriva térmica del filtro demodulador. Hubiera sido deseable llegar al límite de 1 12 dados los criterios de calidad considerados en nuestra red (ver apartado 3.2). La reciente comercialización de filtros MZDI atérmicos [38] que presentan derivas con la temperatura tan bajas como.2 GHz/ C, hacen posible alcanzar tasas de este orden. En trabajos posteriores, hemos aplicado con éxito un filtro de este tipo a un sistema experimental de transmisión en redes PON con modulación narrow-fsk [39, 4]. Las predicciones teóricas de ER opt del apartado anterior han indicado que para la configuración experimental considerada este valor es 2.9 db, ligeramente superior al obtenido experimentalmente. La diferencia entre valor teórico y 18

19 1E-1 label: BER payload: tasa error FCS Error Ratio log (tasa error) 1E-2 1E-4 1E-6 1E-8 1E-1 1E ER (db) Figura 14. Medida de la tasa de error para los campos de label y payload en función del Extinction Ratio, ER de la modulación IM. experimental supone un desplazamiento de ER opt hacia valores en los que la calidad del label es superior a la del payload. Es razonable que la causa de este desplazamiento sea el proceso de filtrado FSK previo a la detección del label, que se ha considerado ideal en el estudio analítico de crosstalk. A pesar de la baja relación de extinción, la calidad de la transmisión del payload esta garantizada gracias a la reducida intensidad residual (RIM) asociada a la modulación narrow-fsk. Finalmente un análisis de las prestaciones del método ha mostrado un power penalty en la transmisión del label inferior a 1 db al introducir 25 km de fibra SMF, como se muestra en la Figura??, lo que demuestra la robustez del método propuesto [37]. La transparencia al formato del payload, reducida penalización de eficiencia espectral y simplicidad de implementación de la técnica propuesta la hacen especialmente apropiada para al red analizada en este trabajo. Por otra parte, y en relación con el análisis de limitaciones físicas presentado en el apartado 3.2, la interferencia cruzada entre los dos campos de información se refleja en una penalización de potencia que previsiblemente hará necesario el uso de amplificadores con mayores factores de ganancia y/o menores figuras de ruido o restringirá la escalabilidad de la red Amplificación en redes dinámicas Para abordar la problemática de la amplificación óptica en redes con tráfico dinámico, se ha analizado de forma experimental el comportamiento de los dos tipos de amplificadores ópticos más comunes en escenarios de potencia óptica variable en modo de ráfagas. Los dos amplificadores considerados en el estudio, EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier) y SOA (Semiconductor Optical Amplifier), están basados en procesos de amplificación fundamentalmente distintos, lo que hace que los dispositivos presenten diferencias significativas tanto en aspectos físicos (tamaño, coste, consumo de potencia) como en las prestaciones que ofrecen. La presencia de eventos de inserción o extracción de canales, ráfagas o 19

20 paquetes, característica de las redes con tráfico dinámico o bursty, causa variaciones de potencia a la entrada del amplificador. Estas variaciones de potencia derivan en penalizaciones en la calidad de la transmisión del resto de canales, ya que suponen variaciones en el factor de ganancia que experimentan al atravesar el amplificador y por tanto variaciones en la potencia en recepción. En particular, las variaciones de potencia dentro de una misma ráfaga o paquete son especialmente problemáticas en receptores con umbral de decisión fijo [41]. Para cada tipo de amplificador se ha presentado un estudio exhaustivo de prestaciones en el que se han analizado las posibles causas de degradación, así como la configuración del dispositivo para una operación óptima. Amplificadores EDFA Para los amplificadores EDFA se ha implementado una configuración con control de ganancia o gain clamping (GC-EDFA). Se ha observado que las degradaciones de calidad propias de la operación del GC-EDFA en redes dinámicas se deben a una contribución estática (variaciones de potencia de estado estacionario, SSPF) y a otra dinámica (oscilaciones de relajación, RO). Sin embargo, el análisis de prestaciones en términos de calidad de transmisión o factor Q [42, 43] ha revelado una cierta independencia con RO y una relación directa con SSPF, como muestra la Figura 15 donde se representan medidas para los distintos escenarios de red considerados en el estudio (1, 4 y 16 bursts). Figura 15. Medida del factor Q en función de FCL para 1, 4 y 16 bursts insertados/extraídos junto a las curvas de magnitud de SSPF para los mismos escenarios de red. En cuanto a la dependencia con la variación de potencia óptica a la entrada, los resultados muestran que al aumentar el número de bursts insertados/extraídos el valor de FCL requerido para unas prestaciones óptimas disminuye. Este hecho es debido a que la ganancia necesaria para el canal de realimentación aumenta al aumentar la magnitud de las fluctuaciones de potencia a la entrada del amplificador. Amplificadores de semiconductor En el caso de amplificadores ópticos de semiconductor, se ha analizado el comportamiento de un dispositivo comercial con control de ganancia, denomi- 2

21 nado LOA (Linearized Optical Amplifier). El conjunto de resultados obtenidos para este tipo de amplificador demuestra que los LOAs son dispositivos ideales para operar como amplificadores de línea en redes con conmutación óptica de ráfagas o paquetes. Las penalizaciones encontradas en escenarios de tráfico dinámico son sensiblemente menores a aquellas observadas en el caso de GC-EDFAs. A modo de ejemplo, la Figura 16 muestra las curvas de BER frente a potencia óptica en recepción en los tres escenarios considerados (1, 4 y 1e ráfagas) cuando la potencia del canal CW y de cada ráfaga del canal burst es de 7 dbm y la longitud de las ráfagas es de 5 µs. Figura 16. Medida de las prestaciones del LOA en distintos escenarios de tráfico dinámico. La potencia óptica de cada ráfaga es 7 dbm y su duración 5 µs.. Es importante notar, que a pesar de las bajas penalizaciones observadas en la operación de amplificadores LOA en redes dinámicas, éstos presentan un moderado factor de ganancia y una relativamente alta figura de ruido, por lo cual es conveniente conocer estas penalizaciones y reducirlas en la medida de lo posible mediante un conocimiento de las condiciones de operación del amplificador y una correcta configuración del mismo [44]. 5. Conclusiones Este trabajo ha presentado una arquitectura de red basada en conmutación óptica de paquetes cuya viabilidad y prestaciones han sido analizadas tanto desde un punto de vista de tráfico como desde un punto de vista físico. Los resultados demuestran su adecuación al entorno metropolitano, su relativamente alto throughput y su baja latencia. En cuanto al estudio experimental de aspectos relacionados con dicha red, se ha propuesto y validado experimentalmente una técnica de labeling que por sus características de sencillez y eficiencia espectral resulta especialmente apropiada para la arquitectura propuesta. Por último, el análisis de amplificadores ópticos ha revelado la superioridad de los LOA sobre los GC-EDFA en lo que a tratamiento de tráfico dinámico se refiere. Los primeros resultan, por lo tanto, la mejor alternativa para la red propuesta, presentando por otra parte menores coste y consumo de energía y espacio. 21