Comunicações Ópticas e a
Internet do Futuro
Workshop CPqD - O Futuro da Internet
CPqD, 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 crescendo
Mas... 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 comutação
O que é a comutação óptica
(Simplificando) Um mero espelhinho de ângulo ajustável 
Os benefícios da comutação óptica: transparências
IP
Elétrico
Elétrico
Elétrico
Óptico
Óptico
Óptico
IP
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 ópticos
seria a solução?
Informações inacessíveis
IP
Elétrico
Elétrico
Elétrico
Óptico
Óptico
Óptico
IP
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
2
3
4
1
1
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
1
Como atrasar um pacote pelo tempo necessário?
1
Multicast óptico
Como replicar um pacote para enviá-los a multiplos
destinatários?
Arquitetura típica de comutador de pacotes ópticos
•Tipicamente usa-se
estruturas de chaves e
FDL para copiar de forma
limitada funcionalidade de
RAM eletrônica
Fila de
recepção de
pacotes
Fibra
óptica
Linha de
atraso de
fibra
Divisor
de luz
OE
•Processamento óptico de até
32 bits já foi demonstrado em
laboratório para taxas de até
160Gbps
Processador
de cabeçalho
Chave
óptica
OE
OE
•Tipicamente processamento
eletrônico de cabeçalho
transmitido em taxa mais
baixa que o resto do pacote
EO
• Redução de velocidade
da luz é outra abordagem,
porém muito complexa
Ainda distante do
mercado
Fila de
transmissão
de pacotes
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
NMS
TX RX
TX RX
RX TX
Montador
de Pacotes Ópticos
+ MAC
(FPGA)
RX TX
Nó da Rede
Óptica de
Pacotes
RX TX
RX TX
RX TX
TX RX
UNI +
Plano de Controle
(Linux PC)
RX TX
SDH
TX RX
RX TX
TX RX
RX TX
Ethernet
RX TX
RX TX
Arquitetura do nó da rede (anel)
TX RX
informações
de controle
Chave óptica
(SOA)
dados de
usuários
Comutação híbrida: pacotes e circuitos
C
A
Segmento
indisponível para
comutação de
pacotes
B
• 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 (timeslotted 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
Arquitetura do montador de pacotes ópticos
classificador
agendamento
FIFO +
de saída
segregador de saída
Nó da
RCPO
Cliente
ETH
agendamento
de entrada
Chaves
Ópticas
Nó da
RCPO
Cliente
ETH
classificador
de entrada
Montador de
pacotes
ópticos
VOQ +
montador
solicita
transmissão
configura
autoriza
transmissão
MAC
configura
Nó da
RCPO
Plano de
controle
Arquitetura da unidade de chaveamento óptico
Recebe e encaminha
(Broadcast)
Recebe
Encaminha
•Comutação em 1ns
SOA-A
ligado
ligado
desligado
•Suporta multicast (1:2)
SOA-B
ligado
desligado
ligado
Protocolo MAC
Pacote
óptico
t
Pacote de
cliente
cabeçalhos
Lh
L1
L2
Li
LC-1
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
Chave óptica
ultra-rápida
Montador de pacotes
+ MAC
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 Tecnológica
Grupo de Tecnologias Ópticas / Diretoria de Redes de Telecomunicações
[email protected]
(19) 3705-4562