Resolución de la Congestión en el Dominio de Longitud de Onda y de Tiempo en las Redes Ópticas de Conmutación de Paquetes

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1 Pág.1 Resolución de la Congestión en el Dominio de Longitud de Onda y de Tiempo en las Redes Ópticas de Conmutación de Paquetes F.Callegati, C.Raffaelli, W.Cerroni Esta traducción ha sido realizada por Antonio Salavert respetando el texto y formato originales. Nota del traductor: El artículo original en inglés se publicó en la revista BUSINESS BRIEFING : GLOBAL OPTICAL COMMUNICATIONS 2002 Este artículo se ocupa de la cuestión de la resolución de la congestión en una red óptica de conmutación de paquetes. Se investigan las oportunidades ofrecidas por el uso combinado de los dominios de tiempo y longitud de onda en la resolución de la congestión. En particular se ve que el uso del dominio de longitud de onda para resolver la congestión limita los requerimientos de las colas de espera de paquetes en el dominio de tiempo, y por tanto limita la necesidad de memorias ópticas difíciles de fabricar. Se han considerado ambos escenarios: la red IP no orientado a conexión y la red MPLS orientada a conexión, proponiendo algunos algoritmos heurísticos de asignación de longitud de onda que intentan optimizar el rendimiento global de la red Introduccción El escenario de la red de banda ancha ha cambiado significativamente en los últimos años. Internet y la red IP han llegado a ser las soluciones líderes en la interconexión de redes, y han emergido nuevas tecnologías de transporte como los sistemas Gigabit Ethernet y DWDM. Mientras tanto, con el mejor esfuerzo de IP es insuficiente incorporar las facilidades de gestión de ingeniería de tráfico y calidad de servicio, han emergido propuestas tales como MPLS 1 y la arquitectura de servicios diferenciados 2 para suministrar la funcionalidad adicional para el backbone de Internet. La integración de las redes ópticas en el backbone ha sido un tema de intenso debate, centrado en el grado de transparencia óptica que se consigue y en las redes, entre los planos de control de las redes viejas y las redes ópticas. La propuestas tales como MPLS 3 y GMPLS 4 han emergido para soportar el desarrollo de un plano de control para redes ópticas que se puede integrar bien con las redes viejas. En particular, el GMPLS provee una visión jerárquica de una arquitectura de red donde el

2 plano de control encajará la tecnología de conmutación y la granularidad disponible a nivel de red. Pág.2 En el corazón óptico, la conmutación se puede conseguir con un granularidad grosera en cuanto al ancho de banda por medio de espacio óptico o enrutamiento de longitud de onda. Los dispositivos tales como los MEMS, se pueden usar para realizar cross-connects ópticos con tiempos de conmutación del orden de fracciones de segundo 5. Una granularidad de conmutación más fina se consigue con la técnica OBS 6, y la granularidad de conmutación más fina con OPS 7. La viabilidad OPS requiere conmutadores todo-ópticos muy rápidos (tiempo de conmutación del orden de nanosegundos) y arquitecturas de redes más complejas 8. Desde un punto de vista lógico, la cuestión de la resolución de la congestión es el centro del problema de diseño de redes OPS. La resolución de la congestión se puede realizar en el dominio óptico por medio de enrutamiento de desviación, en el dominio del tiempo por medio de colas de espera y en el dominio de longitud de onda multiplexandolas en los enlaces DWDM o usando una combinación de estas herramientas. En particular, algunos trabajos recientes muestran que, combinando multiplexación en el tiempo y con longitud de onda, se pueden diseñar efectivos algoritmos de resolución de congestión que reducen la complejidad en términos de colas de espera ópticas y que se pueden integrar con MPLS 9,10. Asumiendo que los paquetes de longitud variable asíncronos son los que más se parecen a los datagramas IP, este artículo presenta una breve descripción de estos resultados. Buffering con FDL y DWDM Habitualmente las forma más viable de implementar colas de espera ópticas es con FDLs que se usan para retardar los paquetes y evitar llegadas simultaneas en los enlaces de salida de los conmutadores. El comportamiento de los buffers FDL con paquetes asíncronos de longitud variable ya se ha analizado en detalle 11. El principal problema es que, debido al numero finito y normalmente pequeño de FDLs, los retardos solo están disponibles en determinados momentos, mientras que las colas de espera de los paquetes asíncronos y de longitud variable requieren valores de retardo de forma continua que depende de la frecuencia de llegadas y la longitud de los paquetes. El efecto resultante es que el buffer FDL crea gaps artificiales entre paquetes, en consecuencia se produce una infrautilización de los enlaces de salida. Este efecto se puede considerar equivalente a un aumento artificial de la longitud media de los paquetes y el rendimiento del buffer es muy sensible a este fenómeno. En un entorno DWDM, la multiplexación en el tiempo y en la longitud de onda se pueden usar para resolver la congestión. Con el término multiplexación de longitud de onda, nos referimos a la capacidad de poder usar varias longitudes de onda por fibra que son equivalentes desde el punto de vista de camino de enrutamiento a una herramienta de resolución de la congestión. Las longitudes de onda se pueden usar como un recurso compartido con la carga de tráfico diseminada en todo el conjunto de longitudes de onda en una base de disponibilidad. Así se puede combinar buffering con FDL y multiplexación de longitud de onda. Cuando llega un paquete, el algoritmo de envío analiza la cabecera del paquete y decide el destino del paquete en términos de fibra de salida. Entonces, dado que todas las longitudes de onda de la fibra son equivalentes desde el punto de vista de envío, el algoritmo de selección de longitud de onda elige la longitud de onda para enviar el paquete. Se pueden diseñar varios algoritmos de selección de longitud de onda y hacerlos a medida ya sea en un entorno no orientado a conexión u orientado a

3 Pág.3 conexión. Algoritmos para el Modo de Transferencia no Orientado a Conexión En un entorno no orientado a conexión, el algoritmo void filling 12 es probablemente el que funciona mejor, aunque es muy costoso desde el punto de vista computacional. De acuerdo con su nombre, el void filling intenta llenar todos los gaps del FDL. Se han propuesto dos algoritmos alternativos: longitud mínima y gap mínimo 9. Estos implementan colas de espera FIFO y son mucho más simples desde el punto de vista de implementación. En vez de requerir una extensiva búsqueda en la lista de los gaps existentes, que puede ser muy grande, solo requiere una comparación directa con los tiempos que las distintas longitudes de onda de la fibra de salida están libres. El algoritmo de la distancia mínima elige la longitud de onda con la cola de espera más corta, mientras que el gap mínimo mira la longitud de onda donde la espera del paquete causará el gap más pequeño. Un ejemplo muy simple de lo que la selección de longitud de onda significa, se presenta en la figura 1 para el caso de cuatro retardos y cuatro longitudes de onda. El ejemplo clarifica cual es el significado de retardos discretos. Cuando llega un nuevo paquete en el instante t0 y encuentra todas las longitudes de onda ocupadas, se puede retardar con una línea de retardo de tiempo t0+d, o con otra de t0+2d, etc, hasta t0+4d. En este ejemplo el algorimo de cola de espera mínimo retardará el paquete 2D y lo enviará a?4 la primera longitud de onda que llega a estar disponible para transmitir. El algoritmo de gap mínimo retardará el paquete 3D y lo enviará por?1, donde el gap entre el paquete previo y el actual es mínimo. De este ejemplo, la intuición puede sugerir que el algoritmo de cola de espera mínima es preferible. Los resultados numéricos demuestran que no es el caso y actualmente el gap mínimo es mejor en términos de probabilidad de pérdida de paquete y en términos de retardo de cola de espera. Un ejemplo de los valores de la probablidad de pérdida de paquetes se presenta en la figura 2 como una función de la unidad de retardo, en el caso que los FDLs tienen múltiples retardos de la misma unidad.

4 Pág.4 La mejora de la probablidad de pérdidas de paquetes que se puede conseguir con la multiplexación de la longitud de onda, puede ser de varios órdenes de magnitud (dependiendo del algoritmo elegido). Por lo tanto la conclusión es que en un entorno no orientado a conexión, la combinación de multiplexación en tiempo y longitud de onda es una estrategia de resolución de la congestión muy potente. Los resultados presentados en la literatura muestran que es posible un buen rendimiento con un número muy limitado de líneas de retardo (del orden de decenas), si el número de longitudes de onda por fibra es del orden de 16 o 32. Estos números son compatibles con la futura tecnología óptica para esta clase de aplicación. Escenario MPLS sobre DWDM Cuando se usa MPLS como plano de control para OPS, las funciones de nivel de red se dividen en dos componentes básicos: control y enrutamiento. El componente de control usa protocolos de enrutamiento estándard para construir y mantener la tabla de enrutamiento. El componente de enrutamiento examina las cabeceras de los paquetes de entrada y toma las decisiones de envío. El componente de enrutamiento elige el puerto de salida de acuerdo al modo de transferencia orientado a conexión en base de la etiqueta del paquete. Si el puerto de salida es una fibra con DWDM, el problema de elegir la longitud de onda es similar al explicado previamente en un entorno no orientado a conexión. La cuestión en este caso es si es posible también diseñar algoritmos que pueden optimizar el rendimiento sin funcionar en una base por paquete como en el caso previo, pero teniendo en cuenta la existencia de los caminos de conmutación de etiquetas LSP. La investigación en esta area ha empezado muy recientemente y la idea es implementar algoritmos dinámicos que exploten la naturaleza de la orientación a conexión del tráfico. Estos algoritmos fueron comparados con referencia a la capacidad de la resolución de la congestión y transparencia de envío. La capacidad de la resolución de la congestión es la medida normal de rendimiento para los conmutadores de paquetes. La efectividad del algoritmo es la posibilidad de reducir la probabilidad de pérdida de paquetes. La intuición sugiere que los algoritmos reaccionarían al evento de una cola de espera congestionada cambiando la tabla de enrutamiento para cambiar uno o más caminos LSPs a una longtud de onda de la misma fibra que no tiene la cola de espera

5 congestionada. Esta acción reducirá la carga en la cola de espera congestionada y aliviará el fenómeno de la congestión. La tarea difícil es diseñar la estrategia de elección de la nueva longitud de onda. Si esta acción no es llevada apropiadamente, puede resultar inútil e incluso mermar el rendimiento. Los algoritmos heurísticos prueban de dar una respuesta a este problema. Pág.5 Además el salto de los paquetes que pertenecen al mismo camino LSP de una longitud de onda a otra causará actualizaciones adicionales de la tabla de enrutamiento, resultando una sobrecarga para la función de control del conmutador de paquetes óptico con posible llegada de los paquetes desordenados, requiriendo interfaces más complejas en las fronteras de la red óptica para su reordenación. Un algorimo de asignación de longitud de onda que limita este fenómeno lo más posible es más transparente con respecto a las acciones de envío del conmutador de paquetes ópticos. Por esta razón la transparencia de envío es una medida de rendimiento. Se mide como la frecuencia de reasignaciones LSP a longitud de onda, que revela cuanto a menudo la tabla de enrutamiento se actualiza y por lo tanto provee una estimación de la sobrecarga en la función de control del conmutador. La cuestión de la llegada desordenada de los paquetes pertenecientes al mismo camino LSP es más difícil de medir. El número real de paquetes desordenados entregados a los usuarios finales de la red se puede evaluar solamente con un análisis extremo a extremo de los escenarios reales de la red. Esto excede del objetivo de este trabajo, que se enfoca en el comportamiento de un solo elemento de conmutación. No obstante el porcentaje de reasignaciones LSP a longitud de onda es aún una medida aproximada del porcentaje de los paquetes desordenados resultantes de las acciones de envío de una única matriz de conmutación. Esto es porque los algoritmos de asignación de longitud de onda están diseñados para minimizar la congestión; por lo tanto cuando un LSP se envía a otra longitud de onda, entraría en acción una cola de espera menos congestionada, y nuevamente los paquetes que llegan probablemente saldrán del conmutador antes de que los que están en cola de espera salten a otra longitud de onda. Varios algoritmos han sido propuestos para realizar la tarea de asignación dinámica de longitud de onda de las conexiones MPLS con el propósito de maximizar el rendimiento antes mencionado. Un ejemplo de los resultados obtenidos se presenta aquí. En la figura 3, se compara la probabilidad de pérdida de paquetes como una función del número de líneas de retardo (tamaño del buffer) para un algoritmo llamado EQWS (empty queue wavelength selection). El EQWS es un algoritmo heurístico que trata de explotar las correlaciones existentes entre paquetes debido a la naturaleza de la orientación a conexión del MPLS. La figura 3 muestra que es posible obtener un rendimiento similar al mejor de los algoritmos de asignación de longitud de onda en un entorno no orientado a conexión. Sin un algoritmo dinámico, el rendimiento, no reportado aquí, es muy pobre del orden de un poco por ciento. Debido al algoritmo dinámico de asignación de longitud de onda y por lo tanto al uso de la multiplexación de longitud de onda, se puede conseguir una buena probabilidad de pérdida de paquetes con solo ocho FDLs. Además, y esto se midió, a pesar del buen rendimiento, EQWS requiere muy pocas reubicaciones de longitud de onda del orden de menos del 10% del número tortal de paquetes transmitidos y por lo tanto garantiza una buena transparencia de envío.

6 Pág.6 Conclusión En este artículo, hemos apuntado al problema de la resolución de la congestión en redes OPS. Se asume que los paquetes ópticos son asíncronos y de longitud variable, y se han considerado escenarios puramente no orientados a conexión y orientados a conexión MPLS. El artículo discute la cuestión de la resolución de la congestión y muestra que un uso combinado de multiplexación por tiempo y longitud de onda puede ser muy efectivo. Se puede conseguir un buen rendimiento en términos de probabilidad de pérdida de paquetes con poco buffer óptico cuando se usan convenientes algoritmos de asignación de longitud de onda orientados a la reducción de la congestión en los conmutadores ópticos. Son necesarios diferentes algoritmos en los escenarios de no orientado a conexión y orientado a conexión, pero se consiguen rendimientos similares. 1. E Rosen, A Viswanathan and R Callon, Multiprotocol Label Switching Architecture, IETF RFC 3031, January S Blake, D Black, M Carlson, E Davies, Z Wang and W Weiss, An Architecture for differentiated services, Network Working Group, RFC2475, December D O Awduche, Y Rekhter, J Drake and R Coltun, Multi-Protocol Lambda Switching: Combining MPLS Traffic Engineering Control With Optical Crossconnects, IETF Draft (draft-awduche-mplste-optical-03.txt), October E Mannie, et al., Generalized Multiprotocol Label Switching (GMPLS) architecture, IETF Draft (draft-ietf-ccamp-gmpls-architecture-02.txt), IETF, March P Green, Progress in optical networking, IEEE Communications Magazine, Vol.39, January 2001, No. 1, pp C Qiao and M Yoo, Optical Burst Switching (OBS) - a New Paradigm for an Optical Internet, Journal of High Speed Networks, 1999, No. 8, pp

7 Pág.7 7. P Gambini, et al., Transparent optical packet switching: network architecture and demonstrators in the KEOPS project, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Invited paper, Vol. 16, 1998, No. 7, pp. 1,245 1, C Guillemot, et al., Transparent Optical Packet Switching: the European ACTS KEOPS project approach, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, Vol. 16, 1998, No. 12, pp. 2,117 2, F Callegati, W Cerroni and G Corazza Optimization of Wavelength Allocation in WDM Optical Buffers, Optical Networks Magazine, Vol. 2, 2001, No. 6, pp F Callegati, W Cerroni, C Raffaelli and P Zaffoni, Dynamic WDM Exploitation in Connection Oriented Optical Packet Switches, Sixth IFIP Working Conference on Optical Network Design and Modelling (ONDM 2002), Torino, Italy, 4 6 February F Callegati, Optical Buffers for Variable Length Packets, IEEE Communications Letters, Vol. 4, 2000, N.9, pp L Tancevski, S Yegnanarayanan, G Castanon, L Tamil, F Masetti and T McDermott, Optical routing of asynchronous, variable length packets, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 18, 2000, No 10, pp. 2,

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