Resolución de la Congestión en el Dominio de Longitud de Onda y

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Resolución de la Congestión en el
Dominio de Longitud de Onda y de
Tiempo en las Redes Ópticas de
Conmutación de Paquetes
F.Callegati, C.Raffaelli, W.Cerroni
Esta traducción ha sido realizada
por Antonio Salavert respetando
el texto y formato originales.
Nota del traductor: El artículo original en inglés se publicó en la revista “BUSINESS BRIEFING :
GLOBAL OPTICAL COMMUNICATIONS 2002”
Este artículo se ocupa de la cuestión de la resolución de la congestión en una red óptica de
conmutación de paquetes. Se investigan las oportunidades ofrecidas por el uso combinado de los
dominios de tiempo y longitud de onda en la resolución de la congestión. En particular se ve que el
uso del dominio de longitud de onda para resolver la congestión limita los requerimientos de las
colas de espera de paquetes en el dominio de tiempo, y por tanto limita la necesidad de memorias
ópticas difíciles de fabricar. Se han considerado ambos escenarios: la red IP no orientado a conexión
y la red MPLS orientada a conexión, proponiendo algunos algoritmos heurísticos de asignación de
longitud de onda que intentan optimizar el rendimiento global de la red
Introduccción
El escenario de la red de banda ancha ha cambiado significativamente en los últimos años. Internet y
la red IP han llegado a ser las soluciones líderes en la interconexión de redes, y han emergido nuevas
tecnologías de transporte como los sistemas Gigabit Ethernet y DWDM.
Mientras tanto, con el mejor esfuerzo de IP es insuficiente incorporar las facilidades de gestión de
ingeniería de tráfico y calidad de servicio, han emergido propuestas tales como MPLS1 y la
arquitectura de servicios diferenciados2 para suministrar la funcionalidad adicional para el backbone
de Internet.
La integración de las redes ópticas en el backbone ha sido un tema de intenso debate, centrado en el
grado de transparencia óptica que se consigue y en las redes, entre los planos de control de las redes
viejas y las redes ópticas. La propuestas tales como MPLS3 y GMPLS4 han emergido para soportar
el desarrollo de un plano de control para redes ópticas que se puede integrar bien con las redes
viejas. En particular, el GMPLS provee una visión jerárquica de una arquitectura de red donde el
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plano de control encajará la tecnología de conmutación y la granularidad disponible a nivel de red.
En el corazón óptico, la conmutación se puede conseguir con un granularidad grosera en cuanto al
ancho de banda por medio de espacio óptico o enrutamiento de longitud de onda. Los dispositivos
tales como los MEMS, se pueden usar para realizar cross-connects ópticos con tiempos de
conmutación del orden de fracciones de segundo5. Una granularidad de conmutación más fina se
consigue con la técnica OBS6, y la granularidad de conmutación más fina con OPS7. La viabilidad
OPS requiere conmutadores todo-ópticos muy rápidos (tiempo de conmutación del orden de
nanosegundos) y arquitecturas de redes más complejas8. Desde un punto de vista lógico, la cuestión
de la resolución de la congestión es el centro del problema de diseño de redes OPS. La resolución de
la congestión se puede realizar en el dominio óptico por medio de enrutamiento de desviación, en el
dominio del tiempo por medio de colas de espera y en el dominio de longitud de onda
multiplexandolas en los enlaces DWDM o usando una combinación de estas herramientas. En
particular, algunos trabajos recientes muestran que, combinando multiplexación en el tiempo y con
longitud de onda, se pueden diseñar efectivos algoritmos de resolución de congestión que reducen la
complejidad en términos de colas de espera ópticas y que se pueden integrar con MPLS9,10.
Asumiendo que los paquetes de longitud variable asíncronos son los que más se parecen a los
datagramas IP, este artículo presenta una breve descripción de estos resultados.
Buffering con FDL y DWDM
Habitualmente las forma más viable de implementar colas de espera ópticas es con FDLs que se usan
para retardar los paquetes y evitar llegadas simultaneas en los enlaces de salida de los conmutadores.
El comportamiento de los buffers FDL con paquetes asíncronos de longitud variable ya se ha
analizado en detalle11. El principal problema es que, debido al numero finito y normalmente pequeño
de FDLs, los retardos solo están disponibles en determinados momentos, mientras que las colas de
espera de los paquetes asíncronos y de longitud variable requieren valores de retardo de forma
continua que depende de la frecuencia de llegadas y la longitud de los paquetes.
El efecto resultante es que el buffer FDL crea gaps artificiales entre paquetes, en consecuencia se
produce una infrautilización de los enlaces de salida. Este efecto se puede considerar equivalente a
un aumento artificial de la longitud media de los paquetes y el rendimiento del buffer es muy sensible
a este fenómeno.
En un entorno DWDM, la multiplexación en el tiempo y en la longitud de onda se pueden usar para
resolver la congestión. Con el término multiplexación de longitud de onda, nos referimos a la
capacidad de poder usar varias longitudes de onda por fibra que son equivalentes desde el punto de
vista de camino de enrutamiento a una herramienta de resolución de la congestión. Las longitudes
de onda se pueden usar como un recurso compartido con la carga de tráfico diseminada en todo el
conjunto de longitudes de onda en una base de disponibilidad.
Así se puede combinar buffering con FDL y multiplexación de longitud de onda. Cuando llega un
paquete, el algoritmo de envío analiza la cabecera del paquete y decide el destino del paquete en
términos de fibra de salida. Entonces, dado que todas las longitudes de onda de la fibra son
equivalentes desde el punto de vista de envío, el algoritmo de selección de longitud de onda elige la
longitud de onda para enviar el paquete. Se pueden diseñar varios algoritmos de selección de
longitud de onda y hacerlos a medida ya sea en un entorno no orientado a conexión u orientado a
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conexión.
Algoritmos para el Modo de Transferencia no Orientado a Conexión
En un entorno no orientado a conexión, el algoritmo “void filling”12 es probablemente el que
funciona mejor, aunque es muy costoso desde el punto de vista computacional. De acuerdo con su
nombre, el “void filling” intenta llenar todos los gaps del FDL. Se han propuesto dos algoritmos
alternativos: longitud mínima y gap mínimo 9. Estos implementan colas de espera FIFO y son mucho
más simples desde el punto de vista de implementación. En vez de requerir una extensiva búsqueda
en la lista de los gaps existentes, que puede ser muy grande, solo requiere una comparación directa
con los tiempos que las distintas longitudes de onda de la fibra de salida están libres. El algoritmo de
la distancia mínima elige la longitud de onda con la cola de espera más corta, mientras que el gap
mínimo mira la longitud de onda donde la espera del paquete causará el gap más pequeño.
Un ejemplo muy simple de lo que la selección de longitud de onda significa, se presenta en la figura 1
para el caso de cuatro retardos y cuatro longitudes de onda. El ejemplo clarifica cual es el significado
de retardos discretos. Cuando llega un nuevo paquete en el instante t0 y encuentra todas las
longitudes de onda ocupadas, se puede retardar con una línea de retardo de tiempo t0+D, o con otra
de t0+2D, etc, hasta t0+4D. En este ejemplo el algorimo de cola de espera mínimo retardará el
paquete 2D y lo enviará a ?4 – la primera longitud de onda que llega a estar disponible para
transmitir. El algoritmo de gap mínimo retardará el paquete 3D y lo enviará por ?1, donde el gap
entre el paquete previo y el actual es mínimo.
De este ejemplo, la intuición puede sugerir que el algoritmo de cola de espera mínima es preferible.
Los resultados numéricos demuestran que no es el caso y actualmente el gap mínimo es mejor en
términos de probabilidad de pérdida de paquete y en términos de retardo de cola de espera. Un
ejemplo de los valores de la probablidad de pérdida de paquetes se presenta en la figura 2 como una
función de la unidad de retardo, en el caso que los FDLs tienen múltiples retardos de la misma
unidad.
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La mejora de la probablidad de pérdidas de paquetes que se puede conseguir con la multiplexación
de la longitud de onda, puede ser de varios órdenes de magnitud (dependiendo del algoritmo
elegido). Por lo tanto la conclusión es que en un entorno no orientado a conexión, la combinación de
multiplexación en tiempo y longitud de onda es una estrategia de resolución de la congestión muy
potente. Los resultados presentados en la literatura muestran que es posible un buen rendimiento con
un número muy limitado de líneas de retardo (del orden de decenas), si el número de longitudes de
onda por fibra es del orden de 16 o 32. Estos números son compatibles con la futura tecnología
óptica para esta clase de aplicación.
Escenario MPLS sobre DWDM
Cuando se usa MPLS como plano de control para OPS, las funciones de nivel de red se dividen en
dos componentes básicos: control y enrutamiento. El componente de control usa protocolos de
enrutamiento estándard para construir y mantener la tabla de enrutamiento. El componente de
enrutamiento examina las cabeceras de los paquetes de entrada y toma las decisiones de envío. El
componente de enrutamiento elige el puerto de salida de acuerdo al modo de transferencia orientado
a conexión en base de la etiqueta del paquete. Si el puerto de salida es una fibra con DWDM, el
problema de elegir la longitud de onda es similar al explicado previamente en un entorno no
orientado a conexión. La cuestión en este caso es si es posible también diseñar algoritmos que
pueden optimizar el rendimiento sin funcionar en una base por paquete como en el caso previo, pero
teniendo en cuenta la existencia de los caminos de conmutación de etiquetas LSP. La investigación
en esta area ha empezado muy recientemente y la idea es implementar algoritmos dinámicos que
exploten la naturaleza de la orientación a conexión del tráfico.
Estos algoritmos fueron comparados con referencia a la capacidad de la resolución de la congestión
y transparencia de envío. La capacidad de la resolución de la congestión es la medida normal de
rendimiento para los conmutadores de paquetes. La efectividad del algoritmo es la posibilidad de
reducir la probabilidad de pérdida de paquetes. La intuición sugiere que los algoritmos reaccionarían
al evento de una cola de espera congestionada cambiando la tabla de enrutamiento para cambiar uno
o más caminos LSPs a una longtud de onda de la misma fibra que no tiene la cola de espera
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congestionada. Esta acción reducirá la carga en la cola de espera congestionada y aliviará el
fenómeno de la congestión. La tarea difícil es diseñar la estrategia de elección de la nueva longitud
de onda. Si esta acción no es llevada apropiadamente, puede resultar inútil e incluso mermar el
rendimiento. Los algoritmos heurísticos prueban de dar una respuesta a este problema.
Además el salto de los paquetes que pertenecen al mismo camino LSP de una longitud de onda a
otra causará actualizaciones adicionales de la tabla de enrutamiento, resultando una sobrecarga para
la función de control del conmutador de paquetes óptico con posible llegada de los paquetes
desordenados, requiriendo interfaces más complejas en las fronteras de la red óptica para su
reordenación. Un algorimo de asignación de longitud de onda que limita este fenómeno lo más
posible es más transparente con respecto a las acciones de envío del conmutador de paquetes
ópticos. Por esta razón la transparencia de envío es una medida de rendimiento. Se mide como la
frecuencia de reasignaciones LSP a longitud de onda, que revela cuanto a menudo la tabla de
enrutamiento se actualiza y por lo tanto provee una estimación de la sobrecarga en la función de
control del conmutador. La cuestión de la llegada desordenada de los paquetes pertenecientes al
mismo camino LSP es más difícil de medir. El número real de paquetes desordenados entregados a
los usuarios finales de la red se puede evaluar solamente con un análisis extremo a extremo de los
escenarios reales de la red. Esto excede del objetivo de este trabajo, que se enfoca en el
comportamiento de un solo elemento de conmutación. No obstante el porcentaje de reasignaciones
LSP a longitud de onda es aún una medida aproximada del porcentaje de los paquetes desordenados
resultantes de las acciones de envío de una única matriz de conmutación. Esto es porque los
algoritmos de asignación de longitud de onda están diseñados para minimizar la congestión; por lo
tanto cuando un LSP se envía a otra longitud de onda, entraría en acción una cola de espera menos
congestionada, y nuevamente los paquetes que llegan probablemente saldrán del conmutador antes
de que los que están en cola de espera salten a otra longitud de onda.
Varios algoritmos han sido propuestos para realizar la tarea de asignación dinámica de longitud de
onda de las conexiones MPLS con el propósito de maximizar el rendimiento antes mencionado. Un
ejemplo de los resultados obtenidos se presenta aquí. En la figura 3, se compara la probabilidad de
pérdida de paquetes como una función del número de líneas de retardo (tamaño del buffer) para un
algoritmo llamado EQWS (empty queue wavelength selection) . El EQWS es un algoritmo
heurístico que trata de explotar las correlaciones existentes entre paquetes debido a la naturaleza de
la orientación a conexión del MPLS. La figura 3 muestra que es posible obtener un rendimiento
similar al mejor de los algoritmos de asignación de longitud de onda en un entorno no orientado a
conexión. Sin un algoritmo dinámico, el rendimiento, no reportado aquí, es muy pobre – del orden
de un poco por ciento. Debido al algoritmo dinámico de asignación de longitud de onda y por lo
tanto al uso de la multiplexación de longitud de onda, se puede conseguir una buena probabilidad de
pérdida de paquetes con solo ocho FDLs. Además, y esto se midió, a pesar del buen rendimiento,
EQWS requiere muy pocas reubicaciones de longitud de onda – del orden de menos del 10% del
número tortal de paquetes transmitidos – y por lo tanto garantiza una buena transparencia de envío.
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Conclusión
En este artículo, hemos apuntado al problema de la resolución de la congestión en redes OPS. Se
asume que los paquetes ópticos son asíncronos y de longitud variable, y se han considerado
escenarios puramente no orientados a conexión y orientados a conexión MPLS. El artículo discute la
cuestión de la resolución de la congestión y muestra que un uso combinado de multiplexación por
tiempo y longitud de onda puede ser muy efectivo.
Se puede conseguir un buen rendimiento en términos de probabilidad de pérdida de paquetes con
poco buffer óptico cuando se usan convenientes algoritmos de asignación de longitud de onda
orientados a la reducción de la congestión en los conmutadores ópticos. Son necesarios diferentes
algoritmos en los escenarios de no orientado a conexión y orientado a conexión, pero se consiguen
rendimientos similares.
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7. P Gambini, et al., “Transparent optical packet switching: network architecture and demonstrators
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12. L Tancevski, S Yegnanarayanan, G Castanon, L Tamil, F Masetti and T McDermott, “Optical
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