02 - Conmutacion Optica y OBS

OBS 2 Departamento de Ingeniería Telemática

Optical cross-connect switch

T4

T8

OXC • Conmutación fija entre: –  Fibras –  Longitudes de onda (λ) –  Intervalos de tiempos

Optical Circuit Switching (OCS) Wavelength routing

Wavelength converter


OXC   Hoy: O/E/O masivamente

  Cuello de botella   Productos comerciales all-optical incipientes. La tecnología ganadora

debe demostrar:   Low: Insertion loss, polarization-dependent loss (PDL), wavelength

dependency, Crosstalk   High: Switching speed   Scalability, Small Size, Low Cost, Manufacturability, Serviceability, long-

term reliability   Tecnologías

  Mecánicos con óptica en espacio libre   gran tamaño, peso, conmutación lenta

  Guided-wave solid state switches:   Actualmente: Altas pérdidas y diafonía, implican baja escalabilidad

  MEMS:   Óptica en espacio libre, reducido tamaño, peso, tiempos de conmutación

submilisegundo, mayor escala de integración (microóptica)


Tecnologías en estudio

  optomechanical   liquid crystal (LC)   holografic   micro-electrical mechanical (MEMS)   thermo-optical

  gel/oil-based

  electro-optical   acousto-optic   semiconductor optical amplifier (SOA)   ferro-magnetic


OXC basados en MEMS (Micro ElectroMechanical Systems)

Micro actuadores electro-mecánicos y micro-óptica integrados monolíticamente en el mismo substrato

NxN espejos

No adecuados para arquitecturas multietapa (e.g. redes de Clos)


MEMS mirrors

2D vs 3D Un 3D MEMS switch tiene espejos que Pueden rotar en 2 ejes La luz puede dirigirse con precisión con múltiples ángulos (al menos tantos como nº de entradas)

Baja pérdida de inserción Transmisión en espacio abierto reducida

Ejemplo: Agere Systems: 64x64 IL=6dB, T= 10ms

Fuente: IEEE Communications . Nov 2001

Lucent: WaveStar MEMS mirror perteneciente al router WaveStar Lambda


Nortel X-1000 switch

Xros 1152x1152 50ms .. en desarrollo


Evolución


IP sobre WDM   OWS or OCS (Optical wavelength switching)

  Granularidad de conmutación = wavelength   Circuitos ópticos (lightpaths) entre routers de entrada y salida de la red óptica

(ingress y egress edge routers)   Baja sobrecarga de control

  Un camino por ruta o por nodo de salida preestablecidos   Uso ineficiente de ancho de banda para tráfico impulsivo

  OPS (Optical packet switching)   Granularidad de conmutación = paquete (tamaño variable)

  Más eficiente gracias a la multiplexación estadística   Inconvenientes

  Tecnología de memorias ópticas inmadura   Alta sobrecarga de control

  DWDM transporta múltiples OC-192 o OC-768 (y se requiere conmutar cada paquete)

  OBS (Optical Burst switching)   Granularidad de conmutación = ráfaga de paquetes (tamaño variable)   Objetivo: combinar las ventajas de OWS y OPS

  OLS (Optical Label Switching)   Granularidad de conmutación = unidad de datos con la misma etiqueta (cualquier

tamaño)   Abstracción independiente de la granularidad usada (OWS..OBS..OPS)

  Objetivo: facilitar el control IP de conmutadores de circuitos

OWS OBS OPS


Conmutador OPS

Optical Switch fabric

Electrical header

Processor / Switch Control

O/E/O

¿cómo hacer OPS hoy?

Packet header In-band/out-band

H1

H2

Local delay

Sincron.

Requiere inteligencia en la capa óptica para extraer la cabecera de los paquetes. Se debe almacenar el paquete durante el procesamiento de la cabecera más un tiempo variable de resolución de la colisión (este “buffer óptico” implica la implementación de líneas de retardo variables)

1 pkt = 12 kbits @ 10 Gbps requiere 1.2 µs de tx retardo de 1.2 µs => 360 m de fibra FDL = Fiber Delay Loop

La tecnología de Conmutación Óptica de Paquetes es incipiente y se emplean procesos muy rudimentarios.


Red OBS

G = Guard band CP = Control Packet

Data burst G G

Data burst G G offset

t

CP offset

CP

Switch Controller

Wavelength interface

Optical Switch

burstifier

OBS Controller


OBS Core Node

Optical Switch

Switch Controller

Wavelength interface

O/E/O


OBS Edge Node

burstifier

OBS Controller: Burst scheduler

Burst: misma FEC (mismo egress, QoS,..)

Señalización fuera de banda:

Los Paquetes de Control de OBS llevan información necesaria para conmutar la ráfaga (destino, reserva de recursos necesarios, etc) Configura el OXC y reserva capacidad de conmutación y transmisión sólo por el tiempo necesario para conmutar la ráfaga de datos en cada router óptico troncal, de manera que dicha ráfaga pueda conmutarse en los routers de manera óptica (cut through) sin conversiones O/E/O No se espera ACK del nodo de egreso

Burst assembly/dissasembly


Ventajas de OBS   Conmutación all-optical O/O/O   Buffering de paquetes en la entrada (más económico y

distribuido)   No se precisa RAM óptica ni FDL en nodos intermedios

  FDLs y wavelength converters son de uso opcional para reducir la pérdida de ráfagas

  Menor sobrecarga de control por bit que OPS   Por Paquete vs por ráfaga

  Menor número de conversiones O/E de paquetes de control que OPS   “Por paquete” vs “por ráfaga”, y en una sola lambda

  Multiplexación estadística con granularidad de ráfaga (vs OCS)   Relación de compromiso entre OCS y OPS   Explotación más eficiente ante trafico a ráfagas que OCS   Se consigue con redes de conmutadores ópticos con tiempos de

establecimiento/liberación de circuitos de ~100ms


Comparación

  Fuente: IEEE Network May/June 2004


Aspectos de OBS

  Ensamblado de Ráfagas (Burst Assembly)   Protocolos de Reserva (Burst Reservation

Protocols)   Conmutación de la Ráfaga (Burst switching)

  Planificación (Scheduling)   Resolución de colisiones (Contention resolution)


Burst assembly

burstifier

OBS Controller: Burst scheduler

Burst: misma FEC (mismo egress, QoS,..)

Tareas:

• Crear el paquete de control para la ráfaga • Calcular el offset • Planificar la ráfaga en una lambda de salida • Enviar la ráfaga

Burst assembly/dissasembly


Ensamblado de Ráfagas

  Algoritmos de ensamblado   Basado en temporizador: time > Timeout   Basado en longitud de ráfaga: l > b_threshold   Mixto ((time > Timeout) or (l > b_threshold))

  Optimizaciones   Adaptación de <Timeout , b_threshold> al tráfico en

tiempo real   Predicción de la longitud de ráfaga

  Reservar para l + f(offset)


Protocolos de Reserva de ráfagas

  Orígenes: TDMA, ATM - años 90   Tell-and-Wait (two-way)

  Espera confirmación de reserva de vuelta (ACK) antes de enviar la ráfaga (NAK → retransmisión).

  Tell-and-Go (one-way)   Sin confirmación

 Tell-and-wait mejor que tell-and-go sólo si retardo de propagación es despreciable frente al burst length.

Ejemplos   Just In Time (JIT). Reserva inmediata   Just-enough-time (1997 Yoo, Qiao)

  Es el protocolo distribuido predominante en OBS


Protocolos de Reserva de ráfagas

  Just-enough-time (JET)  No requiere buffering/retardo óptico en nodos intermedios

  Claves   Reserva unidireccional (one-way)   Paquete de control transporta información de offset, que es

actualizada en cada nodo   Realiza una “reserva retardada” para la ráfaga

correspondiente  La reserva comienza en el tiempo de llegada previsto para la ráfaga

  Fuente: IEEE Network May/June 2004


Conmutación de ráfagas  Optical switch: contention not resolved by buffering

  Planificación   Elegir una lambda para la ráfaga de acuerdo con las

reservas existentes   E.g. LAUC O(W), LAUC-VF O(W.logM),… Best-fit O(log2M)

•  W= # lambdas por puerto, M = Max. nº de reservas

  Resolución de colisiones   Resolución

 Desvío (en longitud de onda, espacio o tiempo (FDL))  Descarte  Requisa

  Otras técnicas  Segmentación de ráfaga


Agregación óptica y GMPLS

  LOBS (Labeled OBS, 2000)   GMPLS con OCS en la que las etiquetas se

corresponden con lambdas   Problema:

  Para agregar tráfico de varios lambdas de entrada en una se precisa: O/E/O

  Solución:   El paquete de control lleva información de etiquetas   La asociación etiqueta-wavelength se realiza a la escala de

ráfaga en lugar de a escala de conexión  Granularidad sub-wavelength es factible  Multiplexación estadística  LSP merging


Referencias   “Next generation optical networks”. Peter Tomsu, Christian Schmutzer.

Prentice Hall.   Optical burst switching: a new area in optical networking research. Chen,

Qiao, Yu. IEEE Network 2004   “Optical Burst Switching (OBS) – A new paradigm for an Optical Internet”.

Journal on High Speed Networking vol 8 nº 1 1999. C. Qiao, M. Yoo   John Strand, “Optical Networking and IP over Optical”, Feb 4, 2002   Kumar N. Sivarajan, “IP over Intelligent Optical Networks”, Jan 5, 2001   Gaurav Agarwal, “A Brief Introduction to Optical Networks”, 2001   Vincent W. S. Chan, “Optical Networks: Technology and Architecture”   Eytan Modian, “WDM-Based Packet Networks”, IEEE Communication

Magazine, March 1999   Ornan (Ori) Gerstel, Rajiv Ramaswami,, “Optical Layer Survivability—An

Implementation Perspective”, IEEE Journal on selected areas in communications, October 2000

  Eytan Modiano, Aradhana Narula-Tam, “Survivable lightpath routing:a new approach to the design of WDM-based networks”, IEEE JSAC,April 2002

  R. Ramaswami and K. N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective, San Francisco: Morgan Kaufmann, 1998.

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