Optikai transzport hálózatok Bevezetés. Dr. János Tapolcai

Átírás

1 Optikai transzport hálózatok Bevezetés Dr. János Tapolcai 1

2 A cél 2 Ilyet sohase lássunk:

3 Infokommunikációs hálózatok 3

4 Infokommunikációs hálózatok Video PSTN Business Internet Metro High Backbone Speed Backbone Service providers Mobile access 4

5 A hálózati hibák 5 Két fajta hibát kezelünk Fizikai hibák (helyhez kötött) Renesys elemzése a Sandy hurrikán alatt működő routerekről Logikai hibák (Murphy törvénye)

6 Hagyományos architektúra optikai gerinchálóztokban Útvonalválasztás, továbbítás IP (Internet Protocol) Forgalom terelés (Traffic engineering) ATM (Asynchronous Transfer Mode) Szállítás és védelem Magas sávszélesség SDH (Synchronous Digital Hierarchy) WDM (Wavelength Division Multiplexing) 6

7 A rétegek evolúciója Layer IP ATM GMPLS Adaptáció a hibákra: BGP-4: perc OSPF: 10 sec-től percekig SONET: 50 ms MPLS SONET 0 Thin SONET Packet Packet Inter- IP/Ethernet Optics Optics working Smart Optical Optical IP Layer 2/3 0/ x 7

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 8

9 9

10 Prefix Length Átlapolódó prefixek Longest matching prefix / / / / /16 Default router entry / / Forwarding decisions: find the longest prefix match for the destination address

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 IP Router MPLS ATM Switch Control: IP Router Software Control: IP Router Software Control: ATM Forum Software Forwarding: Forwarding: Forwarding: Longest-match Lookup Label Swapping Label Swapping 11

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 4. egress LER leválasztja a csomagról az MPLS fejlécet IP IP 2. Ingress LER csomagokat kap, amelyeket fejléccel lát el 3. LSR továbbítás közben címcserét hajt végre label swapping 12

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. 13

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? 14

15 TE A klasszikus példa 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 16

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 17

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 18

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 19

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! 20

21 Az átviteli technológiák fejlődése Today 20xx 20xx Copper (Analog) copper (Digital) Fiber cable Transport technology Point-point Optical (circuit) switching Transport SDH Opticla packet switching (OPS) Optical Transport Network (OTN) Centralized Network Management System Distributed Signalling system (CP)?? Signalling system 21

22 Átviteli kapacitás növekedése 22

23 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) 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

24 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. 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

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) 25

26 Elosztott jelzésrendszer - Generalized MPLS Combining Low-Order LSP s Splitting High-Order LSP s PSC Cloud TDM Cloud Packet LSP 1 TDM Slot 1 Lambda 1 LSC Cloud FSC Cloud Packet LSP N TDM Slot N Lambda N Fiber 1 Fiber N Fiber Bundle Fiber LSP s Lambda LSP s TDM LSP s 26 Packet LSP s

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 PSC TDMC LSC FSC TDMC LSC 27

28 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. 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

29 Áttetsző IP-over-WDM architektúra Az összeköttetés igények szövése a TP-IPoWDM hálózatokhoz hasonló, de amikor csak a jel regenerálására van szükség 3Rregenerátorok alkalmazhatóak az IP routerek kikerüléséra. Hangolható hullámhossz koverterek, AWG alapú OXC-ik Optikai hullámhossz konverzió 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

30 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

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. 31

32 Védelem többrétegű hálózatokban Routing tábla átállítás (hiányzik egy link) Routing tábla átállítás (a link újra üzemel) Forgalom ALARM A link újra üzemel Link kiesés A link hibát az optikai hálózat védte 100 ms 10 másodperc 10 másodperc Hirtelen reakció a magasabb rétegben fölösleges helyreállítási akciót vált ki Source: RHK 32

33 Rétegek közötti együttműködés (1) 33

34 Rétegek közötti együttműködés (2) 34

35 Rétegek közötti együttműködés (3) 35

36 Rétegek közötti együttműködés (4) 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 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 37