Comunicações Ópticas e a Internet do FuturoWorkshop CPqD - O Futuro da InternetCPqD, Campinas-SP, 15 e 16 de abril de 2009

Comentários iniciais

• Objetivo:• Discutir em como a óptica pode contribuir para o avanço da Internet e

não essencialmente com uma nova arquitetura da Internet (IP)

• Foco:• Tecnologia WDM, por ser mais conhecida de todos; há outras (ex.:

OTDM)• Elementos de alta capacidade• Plano de dados

Como funciona o roteamento de pacotes na Internet: correios

Propostas de novas arquiteturas de Internet não mudam este modelo de operação

Taxa de crescimento do tráfego Internet

Caindo, mas continua crescendoMas... IPTV, 3G, aplicações mais sofisticadas (ex.: vídeo 3D) e Computação em Nuvem podem (e devem) mudar este cenário drasticamente

Aumento da complexidade

Planos de controle e de dados penalizados pelo aumento de complexidade

Resultado: consumo e geração de calor

• Cisco CRS-1 • Linecard Chassis: 1.28Tbps, 13.6kW• Switch Fabric Chassis: 8kW

Resultado: consumo e geração de calor

• Maximum configuration: 92Tbps 72 x LC chassis + 8 x Fabric chassis

~1 MegaWatt!!!

Capacidade limitada por consumo energético e dissipação de calor - insustentáveis no longo

termo

Há solução?

SIM: comunicações ópticas

Comunicações ópticas

• Transmissão• 40Gbps por interface é realidade no mercado• 100Gbps por interface em padronização na IEEE• Sistemas comerciais com enlaces de até 1Tbps já existem• Demonstrações em lab de 640Gbps por comprimento de onda por

milhares de km• Demonstrações em lab de 32Tbps por fibra óptica por milhares de km• Amplificadores totalmente ópticos são realidade no mercado

• Comutação• No mercado ainda predominantemente eletrônica• Comutação de circuitos ópticos já existe no mercado• Comutação de pacotes ópticos existe em laboratório

Maior gargalo está na comutaçãoMaior gargalo está na comutação

O que é a comutação óptica

(Simplificando) Um mero espelhinho de ângulo ajustável

Os benefícios da comutação óptica: transparências

Óptico Óptico

ElétricoElétrico

Óptico

Elétrico IPIP

Comutação sem necessidade de operar nas taxas de transmissão e de entender os protocolos que governam as comunicações em andamento simplicidade, baixo custo

Comutação de circuitos ópticos

Realidade no mercado de operadora

Transporte simplificado e com custo mais baixo

Reconfigurabilidade trouxe flexibilidade

A comutação de comprimentos de onda (circuitos)

resolveu todos os problemas então?

Comutação de circuitos ópticos

• Tributários• Comprimentos de onda possuem granularidade grossa (ex.: 10Gbps, 40Gbps,

100Gbps) e por mais que as taxas de transmissão no acesso subam, a granularidade de um comprimento de onda na rede da operadora será bem mais grossa

• Como tratar os tributários adequada e eficientemente? Multihop é uma solução, mas recai no problema de consumo e dissipação de calor

• Multicast• Alocar comprimentos de onda especificamente para isso, com elementos

divisores de luz apropriados é uma solução adequada?• Com caching de conteúdo em vários pontos, multicast é mesmo necessário na

rede de transporte?

• Mobilidade• Mobilidade dos usuários e mobilidade de conteúdo com conteúdo mais sofisticado

(mais tráfego) pode ser um problema?

• Comunicações entre domínios administrativos ou de roteamento • Como resolver aspectos de contabilidade e tarifação de tráfego e de segurança

sem inspecionar o tráfego (pacotes) em trânsito?

A comutação de pacotes ópticosseria a solução?

Informações inacessíveis

Óptico Óptico

ElétricoElétrico

Óptico

Elétrico IPIP

Como determinar para onde encaminhar um pacote?

Alias, qual pacote?

Tempo de comutação do pacote

Como determinar o que fazer com o pacote e configurar a chave em tempo hábil considerando que pacotes tem duração

de poucos nanosegundos?

Falta de RAM óptica

1

1

1

2

3

4

1

2

3

4

1

1

1

2

3

4

1

2

3

4

Como atrasar um pacote pelo tempo necessário?

Multicast óptico

Como replicar um pacote para enviá-los a multiplos destinatários?

Processador de cabeçalho

Chave óptica

Linha de atraso de

fibraDivisor de luzFibra

óptica

O

E

E

O

Fila de recepção de

pacotes

Fila de transmissão de pacotes

Arquitetura típica de comutador de pacotes ópticos

O

E

O

E

•Tipicamente processamento eletrônico de cabeçalho transmitido em taxa mais baixa que o resto do pacote

•Processamento óptico de até 32 bits já foi demonstrado em laboratório para taxas de até 160Gbps

•Tipicamente usa-se estruturas de chaves e FDL para copiar de forma limitada funcionalidade de RAM eletrônica

• Redução de velocidade da luz é outra abordagem, porém muito complexa

Ainda distante do mercado

Projeto CPqD “Rede de Chaveamento de Pacotes Ópticos (RCPO)”: 2004 - 2006

Requisitos

• Topologia em anel• Comutação totalmente óptica• Uso de tecnologias ópticas disponíveis no “mercado”• Comutação de pacotes e também de circuitos• Serviços Ethernet e também transparentes• Unicast e multicast

Arquitetura do nó da rede (anel)

dados de usuários

Montador de Pacotes Ópticos

+ MAC(FPGA)

RX TX RXTX

NMS

RX TX

RX

TX

TX

RX

TX

RX

UNI +Plano de Controle

(Linux PC)R

XT

X

TX RX

informações de controle

Nó da Rede Óptica de Pacotes

Ethernet

RX TX

TX RX

RX TX

SDH

TX RX

TX

RX

RX TX

Chave óptica (SOA)

RX TX

TX

RX

Comutação híbrida: pacotes e circuitos

A B

C

Segmento indisponível para comutação de pacotes

• Reserva de recursos para alocação de circuitos feita via plano de controle (ex.: GMPLS)

• Alocação de recursos para alocação de pacote feita via protocolo MAC específico (time-slotted with destination release), que considera somente segmentos não reservados para circuitos

• As reservas e alocações podem ser feitas sobre um ou mais comprimentos de onda no anel

Cliente ETH

Nó da RCPO

agendamento de saída

VOQ + montador

agendamento de entrada

classificador de saída

Chaves Ópticas

MAC

autoriza transmissãoMontador de

pacotes ópticos

Nó da RCPO

Nó da RCPO

configura

Cliente ETH

solicita transmissão

Plano de controle

configura

Arquitetura do montador de pacotes ópticos

classificador de entrada

FIFO + segregador

Arquitetura da unidade de chaveamento óptico

splitter / coupler

Placa Circuitooperação e controle SOAs

A

B

fibrascliente w

cliente K

cliente z

sinal controle

In

Out

DropAdd

splitter / coupler

Placa Circuitooperação e controle SOAs

A

B

fibrascliente w

cliente K

cliente z

sinal controle

In

Out

DropAdd

Recebe e encaminha (Broadcast)

Recebe Encaminha

SOA-A ligado ligado desligado

SOA-B ligado desligado ligado

•Comutação em 1ns

•Suporta multicast (1:2)

Protocolo MAC

N0

N7 N1

N5

N6 N2

N4

N3

L0

LC-1

Slots

t

cabeçalhos

L1

L2

Li

LC-1

Lh

Pacote óptico

Pacote de cliente

slots

• Divisão de capacidade de cada canal em slots de igual e fixa duração

• Pacote óptico consiste de múltiplos pacotes de clientes

• Cabeçalho gerado e transmitido separadamente para cada pacote óptico

• Nó destino remove pacote do slot para melhor desempenho

Protótipos de hardware do nó da rede

Montador de pacotes + MAC

Chave óptica ultra-rápida

Futuros trabalhos

• Alocação de slots atual:• Em cada ciclo de acesso (T = R x RTT), um nó consegue determinar,

com base nas suas próprias demandas e considerando justiça de acesso baseado em taxa de transmissão, quantos slots pode usar para transmitir para cada um dos outros nós

• Alocação de slots no futuro• Determinar exatamente quais slots M = {1, 2, ... S} o nó i = {1, 2, ... N}

deverá usar para transmitir para cada outro nó j = {1, 2, ... N}• Desta forma, cada nó sabe exatamente o que fazer na “chegada”

(ocorrência no tempo) do slot M – encaminhar, receber ou transmitir• Conseqüentemente, não há necessidade de processamento de

cabeçalho e nem de FDL

A comutação óptica (circuitos ou pacotes) resolve mesmo o problema de consumo de

energia e dissipação de calor?

Arquitetura típica de roteadores e switches

Consumo total

* Capacidade de 100Tbps com interfaces de 40Gbps

Consumo por subsistema

* Capacidade de 100Tbps com interfaces de 40Gbps

Número de racks

* Capacidade de 100Tbps com interfaces de 40Gbps

Comentários finais

• Plano de dados da Internet também é um problema a ser resolvido• consumo e dissipação de calor dos roteadores limita capacidade

• Comutação de circuitos ópticos comprimentos de onda é uma realidade no mercado• Entrega altas capacidades, simplifica rede, reduz OPEX e elimina problemas de

consumo e dissipação de calor• Porém os circuitos tem granularidade muito grossa e o conteúdo dos circuitos não

pode ser inspecionado nas bordas dos domínios• Dá para evitar a necessidade de inspeção de pacotes?

• Comutação de pacotes ópticos ainda está distante do mercado• Mas novos desenvolvimentos aliados a mudanças na arquitetura da Internet (ex.:

uso de poucos bits de ID para o encaminhamento de pacotes) podem acelerar o desenvolvimento desta tecnologia

• Complementando a comutação de circuitos ópticos?

• A comutação óptica (pacotes ou circuitos) pode impactar (para o bem ou para o mal) na arquitetura da Internet do ponto de vista de plano de controle?

• Há alternativa à comutação óptica?

Marcos Rogério Salvador, Ph.D.Gerente de Pesquisa e Prospecção TecnológicaGrupo de Tecnologias Ópticas / Diretoria de Redes de

Telecomunicaçõesmarcosrs@cpqd.com.br(19) 3705-4562