Comunicações Ópticas e a Internet do Futuro

1. Comunicações Ópticas e a Internet do Futuro Workshop CPqD - O Futuro da Internet CPqD, Campinas-SP, 15 e 16 de abril de 2009

2. 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

3. Como funciona o roteamento de pacotes na Internet: correios Propostas de novas arquiteturas de Internet não mudam este modelo de operação

4. 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

5. Aumento da complexidade Planos de controle e de dados penalizados pelo aumento de complexidade

6. Resultado: consumo e geração de calor • Cisco CRS-1 • Linecard Chassis: 1.28Tbps, 13.6kW • Switch Fabric Chassis: 8kW

7. Resultado: consumo e geração de calor • Maximum configuration: 92Tbps •  72 x LC chassis + 8 x Fabric chassis ~1 MegaWatt!!!

8. Capacidade limitada por consumo energético e dissipação de calor - insustentáveis no longo termo Há solução? SIM: comunicações ópticas

9. 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

10. O que é a comutação óptica (Simplificando) Um mero espelhinho de ângulo ajustável 

11. Os benefícios da comutação óptica: transparências Elétrico Elétrico Elétrico IP IP Óptico Óptico Óptico Comutação sem necessidade de operar nas taxas de transmissão e de entender os protocolos que governam as comunicações em andamento  simplicidade, baixo custo

12. Comutação de circuitos ópticos Realidade no mercado de operadora Transporte simplificado e com custo mais baixo Reconfigurabilidade trouxe flexibilidade

13. A comutação de comprimentos de onda (circuitos) resolveu todos os problemas então?

14. 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?

15. A comutação de pacotes ópticos seria a solução?

16. Informações inacessíveis Elétrico Elétrico Elétrico IP IP Óptico Óptico Óptico Como determinar para onde encaminhar um pacote? Alias, qual pacote?

17. 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?

18. Falta de RAM óptica 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 4 4 4 1 Como atrasar um pacote pelo tempo necessário?

19. Multicast óptico Como replicar um pacote para enviá-los a multiplos destinatários?

20. Arquitetura típica de comutador de pacotes ópticos • Tipicamente usa-se estruturas de chaves e FDL para copiar de forma limitada funcionalidade de RAM eletrônica • Redução de velocidade da luz é outra abordagem, porém muito complexa Fila de recepção de pacotes Ainda distante do mercado Linha de atraso de fibra EO Divisor de luz Chave óptica Fibra óptica OE OE OE • Tipicamente processamento eletrônico de cabeçalho transmitido em taxa mais baixa que o resto do pacote • Processamento óptico de até 32 bits já foi demonstrado em laboratório para taxas de até 160Gbps Processador de cabeçalho Fila de transmissão de pacotes

21. Projeto CPqD “Rede de Chaveamento de Pacotes Ópticos (RCPO)”: 2004 - 2006

22. 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

23. Arquitetura do nó da rede (anel) SDH TX NMS Ethernet TX RX RX TX RX TX RX TX RX RX TX Nó da Rede Óptica de Pacotes RX TX UNI + Plano de Controle (Linux PC) RX TX RX TX RX TX Montador de Pacotes Ópticos + MAC (FPGA) RX TX TX RX RX TX TX RX RX TX TX RX informações de controle Chave óptica (SOA) dados de usuários

24. Comutação híbrida: pacotes e circuitos Segmento indisponível para comutação de pacotes C A 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 (time-slotted 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

25. Arquitetura do montador de pacotes ópticos classificador de saída agendamento de saída FIFO + segregador Nó da RCPO Cliente ETH Chaves Ópticas agendamento de entrada Nó da RCPO Cliente ETH VOQ + montador classificador de entrada solicita transmissão configura autoriza transmissão Montador de pacotes ópticos MAC configura Nó da RCPO Plano de controle

26. Arquitetura da unidade de chaveamento óptico • Comutação em 1ns • Suporta multicast (1:2)

27. Protocolo MAC • 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

28. Protótipos de hardware do nó da rede Chave óptica ultra-rápida Montador de pacotes + MAC

29. 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

30. A comutação óptica (circuitos ou pacotes) resolve mesmo o problema de consumo de energia e dissipação de calor?

31. Arquitetura típica de roteadores e switches

32. Consumo total * Capacidade de 100Tbps com interfaces de 40Gbps

33. Consumo por subsistema * Capacidade de 100Tbps com interfaces de 40Gbps

34. Número de racks * Capacidade de 100Tbps com interfaces de 40Gbps

35. 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?

36. Marcos Rogério Salvador, Ph.D. Gerente de Pesquisa e Prospecção Tecnológica Grupo de Tecnologias Ópticas / Diretoria de Redes de Telecomunicações marcosrs@cpqd.com.br (19) 3705-4562