Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open source

Realizzazione di un modello di router ottico

in ambiente open source

Università degli Studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria -

Corso di Laurea in Ingegneria Informatica (Reti di telecomunicazioni LS)

Tesi di: Raul Cafini Relatore: Prof.ssa Carla Raffaelli

Correlatori: Dott. Ing. Walter Cerroni Dott. Ing. Michele Savi

18/03/2010 Raul Cafini 2

Sommario Una breve agenda del lavoro mostrato oggi …

•  Cenni sulla tecnologia

•  Le reti ottiche e paradigmi di commutazione

•  Architetture per router ottici

•  Il concetto di multi-granularità

•  Il modello di router programmabile

•  Implementazione software

•  Test e valutazioni

•  Conclusioni

•  Sviluppi futuri


Reti Ottiche Reti Ottiche: le informazioni viaggiano sotto forma di segnali luminosi.

Fibre ottiche: •  Flessibili, immuni ai disturbi elettrici e alle condizioni atmosferiche Multiplazione WDM: •  Multiplazione di lunghezza d’onda; •  Fino a 160 lunghezze d’onda, limite teorico di 1.6Tbit/s. Paradigmi di commutazione: •  Optical Circuit Switching (OCS) •  Optical Burst Switching (OBS) •  Optical Packet Switching (OPS)

Fig. 3) Esempio di rete ottica OPS

Rispetto ai normali router, nelle reti ottiche si cerca di far coesistere vari paradigmi di commutazione per far fronte alle diverse esigenze del traffico e ai diversi servizi offerti:

Concetto di Multi-Granularità


•  Input Interface: ingresso del traffico, delineazione e separazione delle informazioni di routing;

•  Control Unit: Unità di controllo sulla gestione e l’inoltro del traffico mediante algoritmi di scheduling.

•  Switching Matrix: Possibili implementazioni differenti per architetture e tecnologie utilizzate.

•  Output Interface: interfaccia di uscita del traffico schedulato con successo verso altri nodi

Architettura generale di router ottico


Router ottico programmabile … Questa soluzione è conforme alla RFC 3746 che esprime le raccomandazioni IEEE per la Forwarding and Control Element Separation:

•  Separazione logica tra Control Element CE e Forwarding Element FE

•  Protocollo standard di comunicazione tra CE e FE (ora soluzioni proprietarie)

Una estensione proposta dal modello di studio da parte del dipartimento consiste nella introduzione di elementi detti

Forwarding Modules (FM)

•  Indipendenza dall’hardware. Solo i FM sono definiti specificatamente per una determinata implementazione hardware.

•  Alta personalizzazione da parte degli ISP che possono definire i propri FM


Contention Resolution

•  Tunable Wavelength Converters (TWCs): dispositivi in grado di convertire la lunghezza d'onda del segnale in ingresso su un’altra lunghezza d'onda in uscita, permettendo così di risolvere le contese.

Svantaggio: dispositivi molto costosi.

Contention Resolution: quando due o più pacchetti competono per la stessa risorsa, ovvero la stessa fibra di uscita e sulla stessa lunghezza d'onda allo stesso istante. Questo problema può essere affrontato in diversi domini:

•  Spazio: aumento delle risorse, aumento dei costi

•  Tempo: bufferizzare le informazioni

•  Frequenza: o più propriamente lunghezza d'onda

L'approccio OPS permette di affrontare la contesa nel dominio delle lunghezze d'onda (wavelength domain) sfruttando le proprietà della conversione.


L’architettura Broadcast-&-Select Esistono diverse architetture per le matrici di

commutazione:

•  Alcune pongono attenzione al contenimento dei costi (Shared Architectures, condivisione TWC)

•  Altre forniscono un supporto nativo alla QoS senza preoccuparsi dei costi. Un esempio è l’architettura Broadcast-&-Select:

•  Il traffico è propagato a tutte le interfacce di uscita (supporto nativo a broadcast e multicast).

•  Il percorso è ostacolato da dei dispositivi in grado di comportarsi come interruttori ottici.

•  Configurando i dispositivi secondo le istruzioni fornite dall’algoritmo di scheduling è possibile instradare i pacchetti verso i percorsi voluti.

•  Dispositivi diversi in base alla tecnologia: fast (SOA) e slow (MEMS).


Il modello implementato

La nostra soluzione propone un approccio differente:

•  Emulatore altamente configurabile (numero di ingressi, uscite, lunghezze d’onda) e modulare (modifica della architettura semplice ed immediata);

•  Realizzato in ambiente open source (Linux) mediante il software Click! Modular Router;

•  Implementazione attuale: architettura di tipo Broadcast-&-Select, con opzione Multi-Granulare (OPS-Slotted) e in linea con le raccomandazioni espresse in ForCES (RFC3746);

•  Analisi e valutazione dei livelli di potenza e consumo all’interno del nodo.

Dato che queste architetture e questi dispositivi sono in realtà molto costosi, per studiare queste soluzioni si può ricorrere a diverse approcci:

•  Test-bed: difficoltà di verifica delle prestazioni logiche, scarsa modularità e flessibilità nella configurazione, costi elevati …

•  Simulatori: le interazioni nel piano di controllo non sono evidenti, la modellazione e l’attuazione dell’hardware è poco realistica, in caso di traffico non reale risultati fuorvianti.


Click! Modular Router

Pacchetti Click!: All’interno delle configurazioni non viaggiano i dati reali ma dei pacchetti formati da:

•  Un puntatore ai dati reali

•  Una serie di annotazioni (memoria comune nel piano di controllo)

Linguaggio:

•  Dichiarativo

•  I modelli definiti in file di configurazione, definendo gli elementi e le connessioni che li caratterizzano (modularità).

•  E’ possibile creare propri elementi in classi C++ per scopi particolari (estendibilità)

Il Click! è un framework open source modulare, orientato alla realizzazione di dispositivi come:

•  Router, processori di pacchetti, sorgenti di traffico, Ethernet switch, firewall, etc.


Il modello implementato

•  Control Plane: piano di controllo.

•  Data Plane: piano del traffico dati.


Diagramma di funzionamento Input Fiber (IF):

•  Inserimento delle informazioni nelle annotazioni (InputFiber, wavelength, power, …)

•  Separazione tra header e payload

•  Conversione OE dell’header e invio al piano di controllo (CE)

•  Invio del payload alla Switching Matrix (SM)

Control Element (CE):

•  Gestione del timeslot di appartenenza (OPS Slotted)

•  Individuazione delle necessità di traffico (priorità, banda, …)


il Forwarding Element

Ingresso nel Forwarding Element (FE):

•  Label Lookup (LL): Controllo della label di destinazione nella Forwarding Table e risoluzione dell’interfaccia di uscita relativa;

•  FESimpleScheduler: Algoritmo di scheduling che valuta il numero di pacchetti già inoltrati per la voluta interfaccia di uscita, in aggiunta alle informazioni provenienti in retroazione dal Forwarding Module (FM);

•  Label Swap (LS): Inserimento delle nuove informazioni di routing nel nuovo header;


il Forwarding Module

Ingresso nel Forwarding Module (FM):

•  FMSimpleScheduler: Algoritmo di scheduling che valuta le contese per la fibra di uscita voluta e la lunghezza d’onda di provenienza. Le informazioni di successo o meno della risoluzione vengono inviate in retroazione al Forwarding Element (FE);

•  NewTimeslotScript: Script di reset dei dispositivi della matrice nel caso di un nuovo timeslot;

•  FMScript: Script di attuazione dei dispositivi della Switching Matrix in accorso agli handler impostati dal FMSimpleScheduler;


La SM e l’interfaccia di output Switching Matrix (SM):

•  Solo i dispositivi attivati correttamente dallo scheduler permettono ai pacchetti di attraversare la matrice;

•  I pacchetti che attraversano i dispositivi sono caratterizzati in potenza (attenuazione, amplificazione, rapporto segnale/rumore) secondo le funzioni “ideali” dei dispositivi;

Output Fiber (OF):

•  Il nuovo header è riconvertito nel dominio ottico;

•  Il payload e l’header sono ricongiunti a formare di nuovo il pacchetto ottico in uscita al nodo;


Le prestazioni misurate Packet Loss Probability (PLP): Probabilità di perdita dei pacchetti, espressa come differenza tra i pacchetti in ingresso e quelli effettivamente inoltrati sul totale dei pacchetti in ingresso:

•  Minore è, migliori sono le prestazioni del nodo (e quindi della sua architettura e del suo algoritmo di scheduling).

•  Variazioni del numero di ingressi, uscite, numero di lunghezze d'onda del canale e delle possibili implementazioni degli algoritmi di scheduling sono tutti fattori che, come vedremo, influenzano il valore espresso dalla PLP.


Confronto tra due configurazioni …

N.B. La PLP ha valori minori a parità di ingressi e uscite per un numero di lunghezze d’onda disponibili maggiori, si è in grado di risolvere

un maggior numero di contese …


Confronto tra varie configurazioni …

N.B. La PLP ha valori più distanti tra la configurazione 2:2 e 4:4 rispetto alle configurazioni 4:4 e 8:8 e così aumentando …


Conclusioni Il lavoro si è suddiviso in documentazione, analisi ed implementazione dei

concetti oggetto di ricerca: •  Obiettivo 1: Si sono studiate le tecnologie, i paradigmi e le soluzioni

proposte dalla letteratura per quanto riguarda la trasmissione dei dati nel dominio ottico;

•  Obiettivo 2: Si sono analizzate le principali architetture per matrici di commutazione ottiche valutandone punti a favore e contrari;

•  Obiettivo 3: Si è scelto mediante le informazioni raccolte di implementare una determinata architettura in un modello di router ottico programmabile;

•  Obiettivo 4: L'implementazione realizzata è di tipo B&S per reti OPS-Slotted e conforme nelle specifiche alle direttive della ForCES (RFC 3746) e all’estensione studiata dal dipartimento;

•  Obiettivo 5: L’emulazioni testate su varie configurazioni della nostra implementazione rispecchiano i valori di PLP dei modelli equivalenti di simulazione garantendone quindi la correttezza di funzionamento a livello logico e fisico.


Sviluppi futuri

•  Riduzione delle tempistiche di emulazione: rendere le emulazioni più veloci e verosimilmente comparabili con le tempistiche reali.

•  Implementazione totale della multi-granularità: estendere il modello anche per i paradigmi OCS e OBS rendendo l'architettura completamente multi-granulare.

•  Implementazione totale del modello di consumo di potenza: monitorare i livelli di potenza e consumo all'interno del router, ed emulare concretamente i valori in gioco in un dispositivo reale per restituire informazioni utili sul consumo di potenza al variare delle architetture e degli algoritmi di scheduling.

Technology

Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open source