Calidad de Servicio sobre redes de acceso pasivas ópticas para

Calidad de Servicio sobre redes de acceso pasivas ópticas para
Ethernet First Mile (EPON)
Lorena Benedí, Rafael del Hoyo, Pilar Fernández de Alarcón, Elvira Narro,
Juan José Navamuel, David Abadía.
Departamento de Electrónica y Comunicaciones, Instituto Tecnológico de Aragón
Instituto Tecnológico de Aragón, C/ María de Luna, 7 – 50018 Zaragoza.
Telf: 91-624-8778, Fax: 91-624-8749
E-mail: { lbenedi, rdelhoyo, pfernandez, enarro, jnavamuel, dabadia } @ita.es
Abstract
El siguiente artículo presenta los trabajos efectuados en el proyecto QUAR2 en relación a las Redes
Pasivas Ópticas para Ethernet First Mile (EPON), realizando un estudio sobre la provisión de
Calidad de Servicio en estas redes de acceso de próxima generación, dada la gran importancia de
ésta en servicios con grandes requerimientos de calidad como son Televisión Digital sobre IP,
servicios de video asistencia o vídeo bajo demanda.
1. Introducción
El presente artículo presenta el trabajo enmarcado en
el Proyecto europeo CELTIC “QUAR2” (Quality of
Real
Time
Applications
End-to-end
over
Heterogeneous Domains) cuyo objetivo es la
definición y desarrollo de un sistema que permita la
provisión de Voz y Video con calidad sobre redes IP
heterogéneas. En particular, se estudian escenarios
con redes de acceso heterogéneas (Cable, xDSL y
EPON). El trabajo presentado se centra en redes
pasivas ópticas para Ethernet First Mile (EPON) [1].
Uno de los objetivos de este proyecto ha sido la
implementación de la arquitectura EPON en un
escenario de red usando la herramienta de
simulación OPNET. En esta simulaciones se han
tenido en cuenta los requerimientos de Calidad de
Servicio (QoS), el modo de acceso al medio y el
protocolo de señalización usado para tal fin,
MultiPoint Control Protocol (MPCP).
Figura 1. Topología de red EPON
Los componentes básicos de la red de acceso EPON
son:
−
−
−
−
−
2.
OLT (Optical Line Terminal): cabecera de red
de la arquitectura EPON.
Splitter: multiplexador pasivo óptico.
ONU (Optical Network Unit): concentrador de
tráfico de los usuarios finales.
Clientes: Terminales, servidores o redes LAN
Ethernet.
Enlaces de fibra óptica monomodo a 1 Gbps.
Arquitecturas Redes EPON
2.1.
Arquitectura
Las redes EPON son redes basadas en tecnología
pasiva óptica con enlaces punto a multipunto sobre
fibra óptica, a velocidades de 1 Gbps, distancias de
10 ó 20 kilómetros y unidos con splitters pasivos
ópticos. Se ha diseñado una arquitectura EPON en la
herramienta de simulación OPNET, como se puede
observar en la figura 1, con objetivo de estudiar las
diferentes características que este tipo de red posee
en relación a otro tipo de redes de acceso como son
las redes de Cable o las redes xDSL.
Una arquitectura clásica PON se compone de un
terminal OLT y varias ONUs. El módulo OLT
trabaja como nodo de acceso, conectando la red de
acceso óptica a la red troncal y es la encargada de
planificar y asignar los recursos de transmisión a las
ONUs.
2.2.
Mecanismo de Transmisión
En el sentido downstream (desde OLT a ONUs), una
PON es una red punto a multipunto, mientras que en
la dirección upstream se trata de una red punto a
punto.
En la dirección downstream, las tramas transmitidas
por el terminal OLT pasan a través de un splitter
pasivo que se encarga de retransmitirlas hacia todas
las ONUS. Este comportamiento es similar a una red
de medio compartido: los paquetes son transmitidos
de manera broadcast por el módulo OLT y la ONU
destino los extrae si están marcados con el
identificador de enlace propio.
En la dirección upstream las tramas de una ONU
únicamente han de alcanzar el terminal OLT, no a
las otras ONUs. Esto se asemeja a una arquitectura
Punto a Punto, a diferencia de que aquí, las tramas
de diferentes ONUs pueden colisionar, por lo que
hay que compartir recursos.
La solución adoptada para el acceso al medio en
sentido upstream es la multiplexacion temporal [2].
Al adoptar la solución de medio compartido, es
necesaria una sincronización de todas las ONUs,
para que cada una de ellas transmita en su slot de
tiempo correspondiente. En un “time slot” es posible
transmitir varias tramas Ethernet. Una ONU tendrá
que almacenar las tramas recibidas de un suscriptor
hasta que pueda transmitir. Cuando llega su “time
slot” correspondiente, la ONU transmite la
información almacenada a la velocidad de Ethernet,
en este caso 1Gbps.
2.3.
Multi-Point Control Protocol
Las redes EPON disponen de una subcapa a nivel
MAC Control la cual implementa el protocolo de
MPCP (“Multi-Point Control Protocol”) [1], que
controla la red punto-multipunto en los siguientes
aspectos:
- reparto y asignación de ancho de banda
- proceso de “auto-descubrimiento”.
El proceso de auto-descubrimiento es el registro
inicial de la ONU en la red de acceso mediante la
asignación que le hace la OLT de un identificador de
enlace lógico (LLID).
Un factor que queda a elección porque permanece
abierto en el estándar es la asignación de un
identificador de enlace lógico (LLID) para cada
ONU o uno por cada cola de una ONU. Se ha
decidido el uso de un solo LLID por ONU, esto
conforma ventajas y desventajas. Una ventaja es la
reducción del consumo de ancho de banda por los
mensajes MPCP para planear las transmisiones de
las ONUs. Sin embargo, una desventaja es que las
colas de baja prioridad pueden estar mal atendidas.
3.
Algoritmos de Asignación de Recursos
3.1.
Asignación de Recursos
El estándar de EFM determina el protocolo de
señalización entre las entidades ONU y OLT de la
arquitectura EPON (MPCP), pero no determina la
política de asignación de recursos a cada ONU ni el
método de planificación y servicio de colas para la
provisión de Calidad de Servicio (QoS). Así mismo
tampoco define la política de admisión de nuevas
conexiones (CAC, Connection Admission Control)
ni la forma de encuesta por parte de la OLT a las
ONUs para la planificación del reparto de ancho de
banda.
Zhu Yongquing presenta en [2] dos algoritmos de
encuesta a ONUs para la posterior asignación de
ancho de banda. Estos métodos son el algoritmo
BGP (Bandwidth Guaranteed Polling) y EDA
(Evenly Distribution Algorithm). Así mismo Glen
Kramer, Biswanath Mukherjee y Gerry Pesavento
proponen IPACT “Interleaved Polling with
Adaptative Cicle Time” [3] como método de
asignación de recursos en EPON.
3.2.
Algoritmo IPACT
IPACT es un protocolo para la asignación dinámica
de ancho de banda en redes EPON. Se basa en un
esquema de encuesta por parte de la OLT a las
ONUs que dependen de ella, similar a la encuesta
realizada por los hubs, donde cada ONU se sondea
antes de que la transmisión de la anterior haya
llegado. El sondeo se realiza conjuntamente con el
envío del permiso de transmisión a la ONU, tras la
transmisión de datos de la ONU esta informa del
estado de sus colas. La OLT distribuye los slots
temporales de las ONUS con un tamaño de ventana
dinámico de acuerdo con el tamaño instantáneo de
las colas de las ONUs.
En IPACT todas las ONUs son tratadas del mismo
modo. En el esquema de encuesta que propone
IPACT, la OLT mantiene una tabla que contiene
para cada ONU el tamaño de colas y el “Round Trip
Time” o RTT. El RTT es la suma del tiempo de
propagación del upstream y el downstream entre
OLT y ONU. Este tiempo se tiene en cuenta porque
la distancia entre ONUs y OLT es variable y estas
diferencias afectan al envío correcto de la
señalización y del inicio de los slots temporales.
Esta tabla se actualiza con los mensajes de control
“Request”. Si una ONU vacía completamente sus
colas, en el siguiente ciclo sólo se le permitirá enviar
mensajes “Report” de control, pero ningún dato.
En IPACT no es necesario la sincronización de las
ONUs, cada una de ellas ejecutan el mismo
procedimiento dado por los permisos de transmisión
recibidos desde la OLT. El algoritmo de
planificación y asignación está enteramente
implementado en la OLT y las ONUS no tienen que
negociar los nuevos parámetros, aceptarlos ni
cambiarlos de forma síncrona con el resto del
sistema.
La encuesta a las ONUs se realiza de forma
secuencial una tras otra, y tratándolas por igual, es
decir, ni se implementan mecanismos de priorización
y en ningún momento se garantiza el servicio a
ninguna ONU
3.3.
Algoritmo de Ciclo Fijo
Tomando como base IPACT, se ha desarrollado un
método de asignación dinámica de ancho de banda
dentro de un ciclo de tamaño fijo. Es decir, dentro
del ciclo de transmisión que es de duración constante
se reparte el tiempo total asignando slots temporales
variables según los requerimientos de cada ONU.
Las principales diferencias consisten en que no se
realiza un sondeo secuencial de ONUs y la
transmisión se ha organizado en ciclos. La OLT es la
que tiene todo el control sobre la planificación de
éstos. En cada ciclo, tras la transmisión de los datos,
cada ONU manda un mensaje “Report” en el que
indica el tamaño de sus colas. Esta información se
almacena en una tabla. Cada comienzo de ciclo se
envía toda la señalización de control a las ONUs,
indicándoles la posición de su slot temporal para el
ciclo siguiente. La información de colas que una
ONU manda en el ciclo i, es tenida en cuenta para el
tamaño de slot con el que transmitirá en el ciclo i+2.
Al ser el tiempo de ciclo constante y la asignación de
slot dinámica, existe la posibilidad de que se quede
parte del ciclo, y por tanto ancho de banda, sin
utilizar cuando las ONUs no tienen grandes
requerimientos de transmisión. Por ello es de vital
importancia en este caso ajustar bien el tiempo de
ciclo, según el tráfico que vaya a tener la red.
Las ONUs son tratadas por igual, por lo tanto, el
ancho de banda disponible se repartirá a partes
iguales entre ellas. Ello se traduce en un tiempo de
slot máximo determinado por la ecuación 1.
max
Tslot
=
Siendo
(Tciclo − Tsa )
N ONU
eq. 1
[eq.1]
max
Tslot
:Tiempo de slot máximo,
Tciclo : Tiempo de ciclo,
Tsa : Duración del slot de auto-descubrimiento.
N ONU : Número de ONUs conectadas.
Existe la posibilidad cuando hay tiempo de ciclo
sobrante, se haga una reasignación de recursos antes
de enviar la señalización a las ONUs. Esta
reasignación atiende a la siguiente política:
Se puede asignar un tamaño de slot mayor que el
máximo, cuando haya recursos sobrantes y alguna
ONU necesite un slot mayor aplicando la siguiente
ley (ecuación 2), con pesos para cada ONU y para
los dos tipos de trafico definidos, uno con prioridad
y otro no.
Fj (Tp , Tnp ) =
ω j . (Tp + k .Tnp )
n
∑ (ω .(T
i
p
[eq.2]
+ k .Tnp ))
i =1
T p : Tráfico prioritario sin servir en la ONU j.
T np
: Tráfico no prioritario sin servir en la ONU j.
k : peso del trafico no prioritario, entre 0 y 1. ω j :
peso de la ONU.
El tiempo asignado a la ONU j será el tiempo
sobrante en el slot multiplicado por Fj.
3.4.
Algoritmo de Ciclo Variable
Ésta implementación difiere de la anterior
principalmente en que el tiempo de ciclo ahora se
ajusta a los requerimientos de slot de las ONUs.
Sigue habiendo un tiempo de slot máximo pero
ahora el ciclo termina en el momento en que la
última ONU acaba con su slot temporal y llega el
turno del slot de auto-descubrimiento reservado en
cada ciclo para la posible incorporación de nuevas
ONUs. Por lo tanto, ahora no hay una posible
infrautilización del enlace, esto implica que no tiene
sentido la reasignación de recursos de la que hablaba
en el caso anterior.
3.5.
Implementación OPNET
En OPNET se han implementado el algoritmo de
Ciclo Variable y el algoritmo de Ciclo fijo
explicados anteriormente. Para el diseño de EPON
en OPNET se decidió estructurar las transmisiones
en ciclos de modo que con la información
transmitida por las ONUs el ciclo anterior, la OLT
hace el reparto de recursos y manda al principio del
ciclo actual la totalidad de la señalización indicando
en qué momento del siguiente ciclo deben de
comenzar las ventanas de transmisión.
Estos “time slots” o ventanas de transmisión son de
tamaño variable, es decir, se realiza una asignación
de recursos dinámica en función de la ocupación de
las colas de las ONUs, mientras que los ciclos
pueden tener un tamaño fijo o variable.
Además en cada ONU se puede definir un número de
colas variable utilizadas para distinguir entre
distintos clases de servicio y así poder asignar
prioridades según el algoritmo de servicio de colas y
el planificador de tráfico que introduce los paquetes
en una cola u otra [4].
3.6.
Metodología
Para la búsqueda de los parámetros apropiados de la
red (eq 2.) se ha seguido la siguiente metodología:
Inicialmente se realiza una simulación con el
algoritmo de ciclo variable y se halla la estadística
de tiempo entre slots asignado a las ONUs. Se toma
este valor medio como referencia para el tiempo de
ciclo en el algoritmo de ciclo fijo.
Como se pretende que sea efectiva la reasignación de
recursos, este valor se aumenta en una proporción
adecuada con el volumen de tráfico de la red.
Una vez elegido el tiempo de ciclo se prueban
distintas combinaciones de los pesos de ONUs y
tráfico prioritario para hallar el mejor resultado
posible, teniendo en cuenta que los resultados que
buscamos es minimizar tanto el delay del tráfico
prioritario como su jitter delay, y todo ello sin
causar demasiado perjuicio al tráfico no prioritario.
Una recomendación a seguir para facilitar el proceso
y obtener mejores resultados es agrupar usuarios
prioritarios en ONUS prioritarias
4.
Comparación de Algoritmos y Resultados
4.1.
Escenario
Partiendo del escenario común de simulación
mostrado en la figura 2, se han realizado
comparaciones acerca del funcionamiento del
sistema para las dos opciones de tiempo de ciclo, de
duración fija y/o variable. Los escenarios con tiempo
de ciclo fijo admiten la priorización tanto de flujos
de tráfico como de unas ONUs respecto a otras, sin
embargo un tiempo de ciclo variable se adapta
mucho mejor a las necesidades de transmisión de las
ONUs.
4.2.
Resultados
Los resultados se ilustran en las figuras 3 y 4 en las
que aparece una comparación entre el escenario de
Ciclo Variable (gráfica azul) y el mejor resultado
para los escenarios de Ciclo Fijo (gráfica roja) en el
que se han optimizado los parámetros de
priorización para hallar los mejores resultados. En
este último los slots asignados a ONUs son
ligeramente mayores pero mucho más estables, y
además se consigue un delay para las aplicaciones
prioritarias menor a pesar de que el delay no
prioritario es 8 ms mayor. Esto no es de vital
importancia porque precisamente estamos hablando
de tráfico no prioritario por lo que un delay de 9 ms
en la red de acceso es más que aceptable.
Por lo tanto se puede hallar una configuración de los
elementos de red que mejore la respuesta de la red
ante distintos tipos de tráfico y así poder ofrecer
Calidad de Servicio a determinados clientes o
determinadas aplicaciones.
Las simulaciones se han realizado partiendo de la
existencia de dos flujos de tráfico uno con alta
prioridad y otro con baja prioridad.Los parámetros
de cada escenario se muestran en la tabla 1:
Tabla 1 Parámetros de los escenarios
Escenarios
Ciclo
variable
Ciclo fijo 1*
Ciclo fijo 2
Tiempo de
ciclo
4 ms
4 ms
Ciclo fijo 3
4 ms
Ciclo fijo 4
4 ms
Ciclo fijo 5
4 ms
Ciclo fijo 6
4 ms
Ciclo fijo 7*
3 ms
Peso ONUs
No admite
priorización
0.1 todas
0.5, 0.1 y el
resto 0.05
0.325, y el resto
0.075
0.325, y el resto
0.075
0.325, y el resto
0.075
0.3, 0.1 y el
resto 0.075
0.1 todas
Peso tráfico
prioritario
No admite
priorización
0.5
0.2
0.2
Figura 3. Delay tráfico prioritario
0.25
0.3
0.25
0.5
Figura 4. Delay tráfico no prioritario
Tabla 2 Resultados de los distintos escenarios
Escenario
Figura 2. Escenario de simulación
Ciclo
Variable
Ciclo Fijo 1
(sin
prioridades
Tc=4ms)
Ciclo Fijo 7
(sin
prioridades
Tc=3 ms)
Delay
prioritario
(ms)
Delay no
prioritario
(ms)
Tiempo
Slot
ONU entre slots
1 (ms) de ONU1
(ms)
0.47
2.95
2.08
1.9
3.14
2.69
0.74
2.33
2.66
0.55
4
3
Tabla 3 Parámetros de simulación
5.
Ciclo
fijo
Pruebas de Aplicaciones y Resultados
5.1.
Escenario
Con es siguiente escenario se pretende comprobar el
correcto funcionamiento de aplicaciones como
navegación web y videoconferencia en la red de
acceso, mediante el escenario presente en la figura 5.
Tráfico total IP
500
Mbps
500 Mbps
Tráfico generadores prioritarios
125
Mbps
125 Mbps
Tráfico generadores no
prioritarios
125
Mbps
125 Mbps
Inicio transmisiones
0.2 s
0.2 s
Tamaño de paquete
1000
1000
Tamaño colas ONU
10 Mbits
10 Mbits
De acuerdo a la clasificación de servicios de la
recomendación de la ITU G.1010 resumida en el
Anexo C se determina que:
•
•
La videoconferencia será un servicio al que se
le va a conceder alta prioridad: es una
aplicación del grupo llamado interactivo y
tolera errores. El retardo aceptable es menor
de 150 ms y el máximo admisible es de 400
ms, el jitter deseado es mucho menor que 1
ms y la pérdidas deben de estar en el límite
PLR < 1%
La navegación en la web será considerada
como un servicio de baja prioridad. Los
valores de delay preferidos son menores de 2
sg/página y aceptables menores de 4/página
sg, no tolerando pérdidas de información
pero sin restricciones de variación de delay.
Las pruebas a realizar serán las siguientes, para las
dos versiones de ciclo variable y fijo se introducirán
mediante generadores IP una carga en la red del 50%
de su capacidad, es decir, 500 Mbps. Sobre este
entorno
se
generarán
dos
aplicaciones,
videoconferencia y navegación web, y se
comprobará su correcto funcionamiento. Las
características del tráfico generado se muestran en las
tablas 3,4,5.
Ciclo
variable
Tiempo de ciclo
Slot mínimo
2,5/0.5 ms
0.05 ms
0.05 ms
Tabla 4 Parámetros de videoconferencia
Videoconferenci
a
Frame Interarrival Time
Information
30 frames/sec
Frame Size Information
352X240 pixels
Tabla 5 Parámetros de tráfico HTTP
Navegación web
(HTTP 1.1)
Page Interarrival Time
Objects per page
Object Size (bytes)
Initial Repeat
Probability
Pages Per Server
constant (0.1)
1
5
constant (1000)
uniform_int (500,
2000)
0.9
exponential (10)
El objetivo de las pruebas es comprobar que
efectivamente se cumplen los parámetros de Calidad
de Servicio recomendados por la ITU-T en un
escenario de pruebas con aplicaciones de
videoconferencia y tráfico HTTP para los dos tipos
de algoritmos desarrollados, de ciclo fijo y ciclo
variable.
Figura 5 Escenario básico de pruebas de
aplicaciones
5.2.
Resultados
En la tabla 6 se muestran los valores medios de
delay y jitter delay de las aplicaciones en los
distintos escenarios:
para los retardos introducidos por los tramos
restantes de red.
Tabla 6 Resultados de las simulaciones
Ciclo variable
Ciclo fijo
Aplicación
Videoconferencia
HTTP
Videoconferencia
HTTP
Delay
7.95 ms
21.95 ms
10.85 ms
22.75 ms
Jitter delay
0.105x10-3 ms
-
0.443x10-3 ms
-
El delay en los dos clientes de videoconferencia en
ningún caso supera los 12 ms. El jitter delay no
sobrepasa los 2.10-3 ms en el peor caso. Los peores
resultados se dan en el cliente situado tras la red de
acceso debido a que la red ha sido cargada en mayor
medida en el sentido uplink y además le afecta
directamente el modelo de acceso al medio en el
uplink..
El tiempo de respuesta de página es como máximo
de 26 ms, en la figura 6 también se aprecian los
tiempos de respuesta para los objetos de las páginas.
Figura 6 Tiempo de respuesta
En el escenario de ciclo fijo, el delay en los dos
clientes de videoconferencia en ningún caso supera
los 12.6 ms. El jitter delay no sobrepasa los 6.10-3
ms en el peor caso. Al igual que anteriormente, os
peores resultados se dan en el cliente situado tras la
red de acceso. Estos resultados se pueden observar
en la figura 6..
Antes de afirmar que se cumplen las
recomendaciones de la ITU-T hay que reseñar que
estas son especificaciones extremo a extremo y que
las pruebas realizadas han sido únicamente sobre la
red de acceso, sin tener en cuenta el correspondiente
backbone y la red de acceso del otro extremo. Aun
así, los valores obtenidos son tan pequeños en
comparación a otras tecnologías de acceso que
sobradamente se cumplirían las especificaciones por
el hecho de que se dispone de un amplio margen
Figura 7 Delay extremo a extremo en la red de
acceso
6.
Conclusiones
Las conclusiones a las que se han llegado es que
tanto un algoritmo como el otro son perfectamente
válidos para la provisión de servicios de banda ancha
a los usuarios finales, con la salvedad que la opción
de ciclo fijo posee la posibilidad de priorización para
la provisión de calidad de servicio, mejorando el
comportamiento de la red. La diferencia principal de
comportamiento entre las dos opciones reside en la
mejor adaptación de la implementación con ciclo
variable a los cambios de volumen de tráfico de la
red, mientras que para el caso de ciclo fijo se
requiere una readaptación de los parámetros para
obtener el mejor servicio posible, incluso pudiendo
mejorar las prestaciones del algoritmo de ciclo
variable.
Los parámetros que aportan estas mejoras pueden ser
determinados siguiendo una metodología apoyada en
la simulación de escenarios. De ahí la importancia de
la implementación de la tecnología en una
herramienta de simulación que permite realizar un
análisis del comportamiento de la red, determinar los
mejores parámetros para su funcionamiento y
predecir posibles problemas antes de llevar la
implementación física de las redes. Por lo tanto
queda probada la validez del algoritmo propuesto
que mediante la reasignación de recursos basada en
priorización provee calidad de servicio en la red de
acceso EPON.
Otro punto principal en las pruebas realizadas es la
comprobación
del
cumplimiento
de
las
especificaciones de calidad de servicio de la ITU-T
para el transporte de aplicaciones de banda ancha
como videoconferencia o navegación web.
Para concluir, decir que este es un estudio inicial de
la arquitectura EPON que esta siendo desarrollado y
mejorado con el propósito de la inclusión de nuevos
métodos para proveer de calidad servicios como la
voz y video sobre IP. Adicionalmente, se han
asentado las bases para el diseño de una arquitectura
jerárquica para proveer QoS independientemente de
las redes de acceso y troncales sobre las que se
provea el servicio. Permitiendo dentro del proyecto
Quar2 encontrar una arquitectura capaz de soportar
Calidad de Servicio en Redes Heterogeneas.
Referencias
[1]
802.3AH-2004
Technology
Telecommunications and Information Exchange
Between Systems - LAN/MAN - Specific
Requirements - Part 3: Carrier Sense Multiple
Access with Collision Detection (CSMA/CD)
Access Method and Physical Layer Specifications
Amendment: Media Access Control Parameters,
Physical Layers, and Management Parameters for
Subscriber Access Networks
[2] Zhu Yongquing “Multiaccess Scheme for
Ethernet Passive Optical Network (EPON)”
Research
Report,
Nanyang
Technological
University. January 2003.
[3] Glen Kramer, Biswanath Mukherjee, Gerry
Pesavento. “Interleaved Polling with Adaptative
Cicle Time (IPACT): A Dynamic Bandwith
Distribution Scheme in an Optical Access Network”
July 2001.
[4] Chadi M. Assi, Yinghua Ye, Sudhir Dixit,
Mohamed A. Ali “Dynamic Bandwidth Allocation
for Quality-of-Service over Ethernet PONs” IEEE
Journal on Selected Areas in Communications vol 21
no.9 November 2003