optikai transzport hálózatok...

1

Optikai transzport hálózatok

Bevezetés

Dr. János Tapolcai

[email protected]

http://opti.tmit.bme.hu/~tapolcai/

mailto:[email protected]

http://opti.tmit.bme.hu/~tapolcai/

A cél

• Ilyet sohase lássunk:

2

Infokommunikációs hálózatok

http://www.icn.co

3

http://www.icn.co/

4

High Speed

Backbone Service

providers

PSTN PSTN

Internet Internet

Video Video

Backbone

Mobile access

Metro Metro

Business Business

Infokommunikációs hálózatok

A hálózati hibák

• Két fajta hibát kezelünk – Fizikai hibák (helyhez kötött)

– Logikai hibák (Murphy törvénye)

Renesys

elemzése a

Sandy hurrikán

alatt működő

routerekről

5

6

Hagyományos architektúra

optikai gerinchálóztokban IP (Internet

Protocol)

ATM

(Asynchronous

Transfer Mode)

SDH

(Synchronous

Digital Hierarchy)

WDM

(Wavelength

Division

Multiplexing)

Útvonalválasztás,

továbbítás

Forgalom terelés

(Traffic engineering)

Szállítás és

védelem

Magas

sávszélesség

7

A rétegek evolúciója

Thin SONET

Optics

MPLS SONET

IP

Optics

ATM

Layer 3

2

1

0 Packet

Optical

Inter- working Smart

Optical Smart Optical

Layer

2/3

0/1

1999 201x 2003

Adaptáció a hibákra:

BGP-4: 15 – 30 perc

OSPF: 10 sec-től percekig

SONET: 50 ms

IP

GMPLS

Packet IP/Ethernet

Packet IP/Ethernet

8

IP - Internet Protocol

• Csomagkapcsolt

– Statisztikus multiplexálás

– A csomagok az útvonalválasztó táblák alapján kerülnek

továbbításra

• Útvonalválasztás link-állapot alapú protokollokkal

– OSPF (Open Shortest Path First), IS-IS (Intermediate

System To Intermediate System)

– Link állapotokat (késleltetés) szétterjesztjük a hálózatban

• A csomagok a legrövidebb út mentén továbbítódnak

• Széles körben elterjedt

– Mérnöki szemmel nem túl népszerű

Átlapolódó prefixek

128.9.16.0/21 128.9.172.0/21

128.9.176.0/24

Forwarding decisions: find the longest prefix match for the destination

address

0 232-1

128.9.0.0/16 142.12.0.0/19

65.0.0.0/8

128.9.16.14

Longest matching

prefix

8

32

24

Pre

fix L

en

gth

Default

router

entry

0.0.0.0/

0

11

IP/MPLS • ATM helyett MPLS (virtuális áramkörkapcsolt)

• Akár több diszjunkt út egy összeköttetésnek

• Kapcsoló táblákat használ – Link state protokollok

• Topológia információkat terjesztenek

• OSPF-TE, IS-IS-TE

– Jelzésrendszer és címke terjesztésére • LSPs (Label Switched Path)

• LDP, RSVP-TE, CR-LDP

Forwarding:

Label Swapping

Control:

IP Router

Software

Control:

IP Router

Software

Forwarding:

Longest-match

Lookup

Control:

ATM Forum

Software

Forwarding:

Label Swapping

IP Router MPLS ATM Switch

12

MPLS működése

1a. Routing protokollok (e.g. OSPF-TE, IS-IS-TE)

topólogiai információkat terjesztenek

1b. Label Distribution Protocol (LDP)

beállítja a csomagtovábbítási táblákat

2. Ingress LER csomagokat kap,

amelyeket “fejléccel” lát el

IP

3. LSR továbbítás

közben címcserét

hajt végre “label

swapping”

4. egress LER

leválasztja a csomagról

az MPLS fejlécet

IP

13

Forgalom terelés

Traffic Engineering • Egy ellenálló hálózattal szemben elvárható

– A felhasználó megkapja az általa előfizetett szolgáltatás minőséget (QoS) a be- és kilépési csomópontok között (pl. torlódás, késleltetés, max, kiesés)

– Hatékony sávszélesség kihasználás (túlterhelt linkek elkerülése)

– Meghibásodások után is „elfogadható” módon kell működnie

• Az útvonalválasztási döntések felügyelete és optimalizálása a forgalom terelés (TE) segítségével lehetséges. TE estén az egyes folyamokat esetenként hosszabb útvonalon vezetjük el, pl. a hálózat jobb sávszélesség kihasználásának érdekében.

14

Létezik forgalom menedzsment az

IP hálózatokban? • A TE az útvonalválasztást felügyeli (és optimalizálja)

– a forgalmakat úgy tereli, hogy a hálózat minél hatékonyabban ki legyen használva

• Valamilyen szinten igen: – Torlódásnál a TCP kevesebb csomagot küld

– Az IP kezelni tudja a topológia változásokat

• Ettől még sokat lehet javítani a hálózat hatékonyságán – Használunk-e túlterhelt linkeket amikor van szabad út is?

– Nagy a késleltetésünk, amikor létezik kis késleltetésű szabad út is?

15

TE – A klasszikus példa

1 2 3 4 5

6 7 8 9

1 5

6 9

Interference

16

Hosszú kerülőutak problémája

• A hosszú utak több erőforrást igényelnek

– A többi útvonalválasztó is egyre hosszabb utat fog

használni…

• Megoldás limitáljuk az utak hosszát

– “Ez a link elég forgalmas ahhoz hogy két másik linken

kerüljük”

• Szélsőséges eset

– Legrövidebb utakra korlátozni

– A legkevésbé terhelt legrövidebb utat választjuk

17

Útvonal számítás

• Shortest widest path

– A legnagyobb kapacitású utak közül

legrövidebb

• A legrövidebb út amely mentén a legtöbb a szabad

kapacitás

• Widest shortest path

– A legrövidebb utak közül az amelyik mentén a

legnagyobb a kapacitás

18

Idejét múlt információ

• Az útvonalválasztók régi adatok alapján

döntenek

– Elavult információ rossz döntéshez vezethet

– Mindegyik útvonalválasztó elkerüli a valaha

volt túlterhelt linket

– … más linkeket túlterhelve ezzel

– … és az egész kezdődik előröl

– Oszcillációt kezelni kell

19

SONET/SDH • Időosztásos multiplexálást valósít meg

• Pros

– Gyors helyreállítás garantáltan 50ms alatt

– Mivel széles körben alkalmazott technológia, olcsó

• Cons

– Durva granularitás, felügyelt (nincs vezérlő sík)

– Keretezés miatti overhead (egyel több réteg)

– Kiváló hang forgalomra, de IP/MPLS/SDH adatra…

• Új megoldások a rugalmasabbá tételére (Next generation SDH/SONET, ngSDH/SONET)

– GFP: general framing procedure => statisztikus multiplexálás

– VCat: Virtual concatenation => finomabb granularitá

– LCAS: Link capacity adjustment scheme=> alkalmazás sávszélességéhez igazítani

20

WDM

• Frekvencia osztásos multiplexálás (optikában hullámhossz)

• A hálózati topológiában bármilyen változtatás nélkül tudják a linkek átviteli kapacitását sokszorosára növelni (ásás drága)

• Tipikus sávszélesség érékek pl. 8 ritka (Coarse WDM) vagy 32 sűrű (Dense WDM) esetén, de ma már akár 155

• A legújabb modulációs technológiákkal minden hullámhosszon akár 10-40Gbps adat

Kábelátvágás esetén 155x40 Gbps = 6.2 Tb kiesés

másodpercenként!

21

Az átviteli technológiák fejlődése

Transport

Copper (Analog)

copper (Digital) Fiber cable

Point-point

Optical (circuit) switching

Opticla packet switching (OPS)

1970 1995

Signalling system

Centralized Network Management System

Optical Transport Network (OTN) SDH

??

Today

Distributed Signalling system (CP)

Transport technology

20xx 20xx

Átviteli kapacitás növekedése

22

Hagyományos IP-over WDM

architektúra • Állandó pont-pont összeköttetések, statikusan konfigurálják a

menedzsment síkon keresztül

• Az optikai áramköröket minden egyes csomópontban

végződtetni kell,

• O/E és E/O konverzió minden csomópontban az igények

összevonásához, szétbontásához (forgalomszövés,

grooming)

23

Francesco Musumeci, Massimo Tornatore, and Achille Pattavina, A Power Consumption Analysis for IP-Over-WDM Core Network

Architectures, Journal of Optical Communication Networks, VOL. 4, NO. 2/FEBRUARY 2012

IP-over-SDH-over-WDM architektúra

• Digitális kapcsolókat (Digital Cross Connects (DXCs) ) használnak

• Kis adatsebességgű igények azonos Virtual Container-be

csoportosíthatóak, amelyek más VC-kel együtt azonos hullámhosszon

továbbíthatóak.

• Minden csomópontban OE és EO koverzió a VC-k elektronikus

kapcsolásához (a DXC-kben).

• A VC-ket végződtetni kell ha egy összeköttetést hozzá akarunk adni, vagy

ki akarunk vanni belőle.

24



25

Teljesen optikai (All-optical) nézet

• Egy fényút egy olyan optikai út a hálózat két tetszőleges csomópontja között, melyen a jelek kizárólag az optikai tartományban terjednek. Két fényút akkor haladhat át azonos linken, ha különböző hullámhosszat használnak.

• A fényutakat lehetőség van dinamikusan kiépíteni és lebontani a GMPLS segítségével a felhasználó által kezdeményezett jelzésekre.

• Az elektronikus tartományba való konverzióra kizárólag a végpontokban van szükség – Gyors

• Nincs szükség a lassú O/E/O konverzió elvégzéséra a közbülső csomópontokban

– Hullámhossz konverzió a transponderekben • 3R funkciók (Re-time, re-transmit, re-shape) az optikai tartományban

• De: a topológia tervezés nehéz feladattá válik (fizikai és logikai topológia elkülönül)

26

Lambda 1

Lambda N

FSC Cloud

LSC Cloud

TDM Cloud

PSC Cloud

Fiber 1

Fiber NFiber Bundle

TDM Slot 1

TDM Slot N

Packet LSP 1

Packet LSP N

Fiber LSP’s

Lambda LSP’s

TDM LSP’s

Packet LSP’s

Combining Low-Order LSP’s Splitting High-Order LSP’s

Elosztott jelzésrendszer -

Generalized MPLS

27

Optical Cross-connects (OXC) • Generalized MPLS kapcsolási funkciók

– Fényszálanként, Fiber-Switch Capable (FSC)

– Hullámhosszanként. Lambda Switch Capable (LSC)

• Optikai ADM vagy Optical Cross-connect (OXC)

– Időrésenként, Time Division Multiplexing Capable (TDMC)

• SONET/SDH ADM/Digital Cross-connects

– Csomagonként, Packet Switch Capable (PSC)

• Router/ATM Switch/Frame Relay Switch

FSC

LSC

LSC

TDMC

TDMC

PSC

Átlátszó IP-over-WDM architektúra

• Optikai kapcsolók (Optical Cross Connects, (OXCs), Reconfigurable Optical

Add-Drop Multiplexers (ROADMs))

• Az igények összevonhatóak azonos hullámhosszra (forgalomszövés,

grooming). Az IP routerek kikerülhetőek, ha se jel regenerálásra, sem pedig

szövésre nincs szükség.

• Ha szükséges regenerálás vagy összevonás, a jeleket az elektromos

rétegbe alakítják, és az IP rétegben történik feldolgozásra.

28



Áttetsző IP-over-WDM architektúra

• Az összeköttetés igények szövése a TP-IPoWDM hálózatokhoz

hasonló, de amikor csak a jel regenerálására van szükség 3R-

regenerátorok alkalmazhatóak az IP routerek kikerüléséra.

• Hangolható hullámhossz koverterek, AWG alapú OXC-ik

• Optikai hullámhossz konverzió

29



IP-over-WDM topológia tervezés Összefüggőség = Közös kockázat

Krishnaiyan Thulasiraman and Muhammad S. Javed, Guoliang (Larry) Xue, Circuits/Cutsets Duality and a

Unified Algorithmic Framework for Survivable Logical Topology Design in IP-over-WDM Optical Networks,

Infocom 2009, pp. 1026-1034

31

Közös kockázatú csoportok

(Shared Risk Link Group) • Az SRLG-k a hálózati eszközök (linkek, csp-ok,

alkatrészek, szoftver, stb.) meghibásodásai

közötti összefüggőséget modellezik

• Két link azonos SRLG-be tartozik, mert

– Ugyanabban a fizikai hierarchiában helyezkednek

el, mely a hálózat geográfiai jellemzőit veszi

figyelembe (azonos kábelben több fényszál is megy),

– vagy azonos logikai hierarchiában találhatóak,

amelyek a fényutak fizikai topológián való tényleges

elvezetésére vonatkozik.

32

Védelem többrétegű hálózatokban

• Hirtelen reakció a magasabb rétegben fölösleges helyreállítási akciót vált ki

Link kiesés

A link hibát az optikai hálózat védte

Routing tábla

átállítás (hiányzik egy link) Routing tábla

átállítás (a link újra üzemel)

A link újra üzemel

100 ms 10 másodperc 10 másodperc

ALARM

Forgalom

Source: RHK

33

Rétegek közötti együttműködés (1)

34


35


36


37

References

• Andrea Bobbio “Dependability & Maintainability Theory and Methods”

• Jim Gray “Dependability in the Internet Era”

• J.-P. Vasseur, M. Pickavet, P. Demeester, “Network Recovery. Protection and Restoration of Optical, SONET-SDH, IP, and MPLS”, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco 2004.

• Li Yin, „MPLS and GMPLS”

• Kefei Wang, „Protection & Restoration for Optical Ethernet”

• Dimitri Papadimitriou, „Generalized MPLS”

• Ling Huang, „Protection and Restoration in Optical Network”

• Jesús F. Lobo, „Impact of GMPLS on an integrated operator”

• Andrew G. Malis, „Using Multi-Layer Routing to Provision Services across MPLS/GMPLS Domain Boundaries”

optikai transzport hálózatok...

Documents