Rede de malha óptica - Optical mesh network

Rede de transporte baseada na arquitetura de anel SONET / SDH

Uma rede de malha ótica é um tipo de rede de telecomunicações óticas que emprega comunicação de fibra ótica com fio ou comunicação ótica de espaço livre sem fio em uma arquitetura de rede de malha .

A maioria das redes de malha óptica usa comunicação de fibra óptica e é operada por provedores de serviços de Internet em cenários metropolitanos e regionais, mas também nacionais e internacionais. Eles são mais rápidos e menos sujeitos a erros do que outras arquiteturas de rede e oferecem suporte a planos de backup e recuperação para redes estabelecidas em caso de qualquer desastre, dano ou falha. As constelações de satélites atualmente planejadas visam estabelecer redes de malha óptica no espaço usando comunicação sem fio a laser .

Exemplo de rede mesh: NSFNET 14nodes

História das redes de transporte

As redes de transporte, a camada subjacente das redes de telecomunicações baseadas em fibra óptica , evoluíram de arquiteturas de malha baseadas em sistema de conexão cruzada digital (DCS) na década de 1980 para arquiteturas de anel SONET / SDH (Synchronous Optical Networking / Synchronous Digital Hierarchy) na década de 1990 . Em arquiteturas de malha baseadas em DCS, as operadoras de telecomunicações implantaram sistemas de restauração para circuitos DS3 , como AT&T FASTAR ( FAST Automatic Restoration ) e MCI Real Time Restoration (RTR), restaurando circuitos em minutos após uma falha de rede. Em anéis SONET / SDH, as operadoras implementaram proteção de anel como SONET Unidirecional Path Switched Ring (UPSR) (também chamado de Sub-Network Connection Protection (SCNP) em redes SDH ) ou SONET Bidirectional Line Switched Ring (BLSR) (também chamado de Seção Multiplex - Anel de proteção compartilhado (MS-SPRing) em redes SDH ), protegendo contra e se recuperando de uma falha de rede em 50 ms ou menos, uma melhoria significativa sobre o tempo de recuperação suportado na restauração de malha baseada em DCS e um driver chave para a implantação de Proteção baseada em anel SONET / SDH.

Tem havido tentativas de melhorar e / ou desenvolver arquiteturas de anel tradicionais para superar algumas de suas limitações, com arquitetura de anel transoceânico (definida em ITU-T Rec. G.841), proteção de "ciclos P", SONET de próxima geração / SDH equipamento que pode lidar com vários anéis, ou tem a capacidade de não fechar o lado do anel de trabalho ou de proteção, ou de compartilhar a capacidade de proteção entre os anéis (por exemplo, com Virtual Line Switched Ring (VLSR)).

Os avanços tecnológicos em switches de transporte óptico na primeira década do século 21, juntamente com a implantação contínua de sistemas de multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM), levaram os provedores de serviços de telecomunicações a substituir suas arquiteturas de anel SONET por arquiteturas baseadas em malha para novo tráfego. As novas redes de malha óptica suportam a mesma recuperação rápida anteriormente disponível em redes em anel, ao mesmo tempo em que alcançam melhor eficiência de capacidade e resultam em menor custo de capital. Essa recuperação rápida (na casa das dezenas a centenas de milissegundos) em caso de falhas (por exemplo, link de rede ou falha de nó) é alcançada através da inteligência embutida nestes novos equipamentos de transporte óptico, que permite que a recuperação seja automática e tratada dentro da própria rede como parte do plano de controle da rede , sem depender de um sistema de gerenciamento de rede externo .

Redes de malha óptica

Comutação, multiplexação e preparação de tráfego em um dispositivo OEO

Redes de malha ótica referem-se a redes de transporte que são construídas diretamente a partir da infraestrutura de fibra semelhante a malha implantada em áreas metropolitanas, regionais, nacionais ou internacionais (por exemplo, transoceânica) por meio da implantação de equipamentos de transporte ótico que são capazes de comutar o tráfego (no comprimento de onda ou nível de subcomprimento de onda) de uma fibra de entrada para uma fibra de saída. Além de alternar os comprimentos de onda, o equipamento normalmente também é capaz de multiplexar o tráfego de baixa velocidade em comprimentos de onda para transporte e de preparar o tráfego (desde que o equipamento seja denominado opaco - consulte a subseção sobre transparência). Por fim, esses equipamentos também permitem a recuperação do tráfego em caso de falha na rede. Como a maioria das redes de transporte evolui para topologias mesh utilizando elementos de rede inteligentes ( cross-connects ópticos ou switches ópticos ) para provisionamento e recuperação de serviços, novas abordagens foram desenvolvidas para o projeto, implantação, operações e gerenciamento de redes ópticas mesh.

Comutadores ópticos construídos por empresas como Sycamore eCiena (com granularidade STS-1 de comutação) eO Tellium (com granularidade de comutação STS-48 ) foi implantado em redes mesh operacionais. A Calient construiu switches totalmente óticos baseados na tecnologia 3D MEMS .

Hoje, as redes de malha óptica não só fornecem capacidade de trunking para redes de camadas superiores, como conectividade entre roteadores ou entre switches em uma infraestrutura de pacotes centralizada em IP , MPLS ou Ethernet , mas também oferecem suporte a roteamento eficiente e recuperação rápida de falhas de alta Ethernet ponto a ponto de largura de banda e serviços SONET / SDH.

Várias constelações de satélites planejadas , como a SpaceX Starlink, destinadas ao provisionamento global da Internet, visam estabelecer redes de malha óptica no espaço. As constelações consistindo de várias centenas a milhares de satélites usarão comunicação a laser para links inter-satélites ópticos de alto rendimento. A arquitetura de rede interconectada permite o roteamento direto dos dados do usuário de satélite para satélite e permite o gerenciamento de rede contínuo e a continuidade do serviço.

Recuperação em redes de malha ótica

Proteção compartilhada do caminho de backup - antes da falha

Proteção de caminho de backup compartilhado - após falha e recuperação

As redes de malha óptica suportam o estabelecimento de serviços orientados para conexão em modo de circuito . Vários mecanismos de recuperação que fornecem diferentes níveis de proteção ou restauração contra diferentes modos de falha estão disponíveis em redes mesh . A proteção de canal, link , segmento e caminho são os esquemas de proteção mais comuns. Ciclos P é outro tipo de proteção que potencializa e estende a proteção baseada em anel. A restauração é outro método de recuperação que pode funcionar por conta própria ou complementar esquemas de proteção mais rápidos em caso de falhas múltiplas.

Em redes mesh protegidas por caminho, algumas conexões podem ser desprotegidas; outros podem ser protegidos contra falhas únicas ou múltiplas de várias maneiras. Uma conexão pode ser protegida contra uma única falha definindo um caminho de backup, diferente do caminho principal percorrido pela conexão na rede em malha. O caminho de backup e os recursos associados podem ser dedicados à conexão (Proteção de Caminho de Backup Dedicado, também conhecida como proteção de caminho dedicado (1 + 1), Proteção de Conexão de Sub- rede (SNCP) em redes SDH ou UPSR em redes em anel SONET ) ou compartilhados entre vários conexões ( Proteção de Caminho de Backup Compartilhado ), normalmente aquelas cujos caminhos primários provavelmente não falharão ao mesmo tempo, evitando assim a contenção para os recursos compartilhados no caso de um único link ou falha de nó. Vários outros esquemas de proteção, como o uso de caminhos preemptivos ou apenas caminhos de backup parcialmente diversos, podem ser implementados. Finalmente, várias rotas diversas podem ser projetadas para que uma conexão tenha várias rotas de recuperação e possa se recuperar mesmo após várias falhas (exemplos de redes mesh nos oceanos Atlântico e Pacífico ).

Transparência

Troca opaca de tráfego entre links de fibra

Troca transparente de tráfego entre links de fibra

As redes de transporte tradicionais são feitas de links baseados em fibra óptica entre escritórios de telecomunicações, onde vários comprimentos de onda são multiplexados para aumentar a capacidade da fibra. Os comprimentos de onda são terminados em dispositivos eletrônicos chamados transponders , passando por uma conversão ótico-elétrica para Reamplificação, Remodelagem e Retiming (3R) do sinal . Dentro de um escritório de telecomunicações, os sinais são então tratados e comutados por um comutador de transporte (também conhecido como conexão cruzada ótica ou comutador ótico) e são deixados nesse escritório ou direcionados para um link de fibra de saída, onde são novamente transportados como comprimentos de onda multiplexados nesse link de fibra para o próximo escritório de telecomunicações. O ato de passar pela conversão ótico-elétrico-ótico (OEO) por meio de uma central de telecomunicações faz com que a rede seja considerada opaca . Quando os comprimentos de onda de entrada não passam por uma conversão ótica para elétrica e são comutados por meio de um escritório de telecomunicações no domínio ótico usando comutadores totalmente óticos (também chamados de conexão cruzada fotônica , multiplexador ótico add-drop ou Add-Drop ótico reconfigurável Sistemas multiplexadores (ROADM) ), a rede é consideradatransparente . Os esquemas híbridos que aproveitam os desvios ópticos e fornecem conversões OEO limitadas em locais-chave da rede são chamados de redes translúcidas .

As redes de malha óptica transparente baseadas em ROADM foram implantadas em redes metropolitanas e regionais desde meados dos anos 2000. No início da década de 2010, as redes operacionais de longa distância ainda tendem a permanecer opacas, pois existem limitações e impedimentos de transmissão que impedem a extensão da transparência para além de um determinado ponto.

Roteamento em redes de malha óptica

O roteamento é um controle chave e aspecto operacional das redes de malha óptica. Em redes transparentes ou totalmente ópticas, o roteamento de conexões está estreitamente vinculado ao processo de seleção e atribuição de comprimento de onda (denominado Routing and Wavelength Assignment , ou "RWA"). Isso se deve ao fato de que a conexão permanece no mesmo comprimento de onda de ponta a ponta em toda a rede (às vezes referida como restrição de continuidade de comprimento de onda, na ausência de dispositivos que podem traduzir entre comprimentos de onda no domínio óptico). Em uma rede opaca, o problema de roteamento é encontrar um caminho principal para uma conexão e, se a proteção for necessária, um caminho de backup diferente do caminho principal. Os comprimentos de onda são usados ​​em cada link independentemente um do outro. Vários algoritmos podem ser usados ​​e combinados para determinar um caminho primário e um caminho de backup diverso (com ou sem compartilhamento de recursos ao longo do caminho de backup) para uma conexão ou serviço, como: caminho mais curto , incluindo o algoritmo de Dijkstra ; k-caminho mais curto , como o algoritmo de Yen ; roteamento de borda e nó-diverso ou disjunto , incluindo o algoritmo de Suurballe ; e numerosas heurísticas . Em geral, entretanto, os problemas de roteamento ideal para proteção de caminho de backup dedicado com grupos de links de risco compartilhados (SRLGs) arbitrários e para proteção de caminho de backup compartilhado são NP-completos .

Formulários

A implantação de redes de malha óptica está permitindo novos serviços e aplicativos para provedores de serviços oferecerem a seus clientes, como

• Proteção de qualidade de serviço (QoS), permitindo serviços com diferentes níveis de proteção: preemptiva, desprotegida, protegida com recuperação garantida contra falha de link único ou nó único, protegida contra falhas múltiplas (através de uma combinação de proteção e restauração)
• Serviços dinâmicos, como largura de banda sob demanda (BoD), largura de banda Just-In-Time (JIT), programação de largura de banda e corretagem de largura de banda
• Redes ópticas virtuais privadas
• Lightpaths multicast

Ele também suporta novos paradigmas de rede, como

• Arquiteturas de rede IP sobre óptica

Arquiteturas de rede relacionadas

Redes mesh em geral e redes mesh sem fio em particular.

Veja também

Referências

Leitura adicional

• "Site on Network Protection - técnicas de proteção de rede, recuperação de falha de rede, eventos de falha de rede" [1]
• "Redes de transporte sobreviventes baseadas em malha: opções e estratégias para redes ópticas, MPLS, SONET e ATM", por Wayne Grover [2]
• "Optical Network Control: Architecture, Protocols and Standard", por Greg Bernstein, Bala Rajagopalan e Debanjan Saha [3]
• "Path Routing in Mesh Optical Networks", por Eric Bouillet, Georgios Ellinas, Jean-François Labourdette e Ramu Ramamurthy [4] , [5] , [6]
• "P-Cycles: an overview", R. Asthana, YN Singh, WD Grover, IEEE Communications Surveys and Tutorials, fevereiro de 2010 [7]
• "Redes sobreviventes: algoritmos para roteamento diverso", por Ramesh Bhandari [8]

links externos