Tecniche di Protezione per la Rete WDM

Tecniche di Protezione per la Rete WDM
Guido Maier, Achille Pattavina∗, Simone De Patre, Mario Martinelli*
CoreCom, Via Ampere 30, 20131 Milano, Italy
e-mail: {maier, depatre, martinelli}@corecom.it
Abstract —This paper is an introduction to survivability of WDM networks. All the
main optical protection techniques proposed since now for the WDM layer are
classified and reviewed. In particular, commonly adopted protection strategies for ring
and mesh networks are explained and network planning with path protection is briefly
introduced.
1
INTRODUZIONE
Il problema della protezione delle connessioni ottiche
oggi divenuto di
importanza primaria nell ambito delle reti a multiplazione a divisione di
lunghezza d onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Ci
dovuto
all ovvia ragione che l interruzione di una connessione ottica operante a elevato
bit-rate (10 Gbit/s o pi ), anche per pochi secondi, comporta un enorme perdita
di informazione. Gli operatori delle reti di nuova generazione devono quindi
rispondere a requisiti da parte dei loro clienti che sono divenuti estremamente
stringenti per quanto concerne i tempi di fuori servizio.
Nel passato gli eventi di guasto nella rete venivano gestiti manualmente
reinstradando in modo temporaneo le connessioni colpite e inviando una
squadra per effettuare le riparazioni in situ. Oggi le reti ottiche che richiedono
l intervento di un operatore per reinstradare il traffico in seguito a un guasto si
possono considerare non protette. Infatti in queste reti il tempo di fuori servizio
inaccettabile, sebbene la possibilit di riconfigurare gli apparati di
commutazione da una centrale operativa in remoto, introdotta con le reti
telefoniche digitali (dal PDH in poi), sia chiaramente un vantaggio rispetto alle
reti telefoniche pre-digitali. Attualmente nessun operatore di rete ottica
disposto ad accettare infrastrutture non protette: la survivability deve quindi
sempre essere garantita adottando opportuni meccanismi di recovery
automatica dei guasti, ossia di reistradamento automatico delle connessioni
interrotte [1]. Ci si propone qui di illustrare le strategie di base che sono state
fino ad oggi proposte per realizzare la survivability nelle reti WDM.
∗
Anche con Dipartimento di Elettronica e Informazione, Politecnico di Milano, Piazza
Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italy, e-mail: [email protected]
2
CONCETTI FONDAMENTALI SULLE RETI WDM
Le moderne reti ottiche sono sistemi complessi sviluppati in base ad un
approccio stratificato. Gli strati superiori sono realizzati dagli apparati
elettronici: varie combinazioni di protocolli sono possibili (IP su SDH, IP su
ATM, ATM su Ethernet, IP su PPP, ATM su SDH, e cos via). In tutti i casi,
secondo una nuova concezione ormai acquisita, lo strato ottico
stato
standardizzato come una piattaforma comune che realizza un supporto di
trasporto multi-protocollo e orientato alla commutazione di circuito. La
funzione fondamentale dello strato WDM
quindi il provisioning della
connettivit e della banda agli strati elettronici in un rapporto di tipo clientserver. Il servizio offerto consiste pi in particolare nel realizzare le connessioni
punto-punto richieste, dette connessioni virtuali (o logiche secondo altri autori),
istaurando dei circuiti ottici punto-punto. Tali circuiti sono detti lightpath e
sono costituiti ciascuno da una sequenza di canali WDM che conduce dal nodo
sorgente al nodo destinazione attraverso la rete ottica. Ciascun lightpath porta
un flusso digitale ad elevato bit-rate inserito ed estratto dalle interfacce
optoelettroniche tra lo strato WDM e gli strati elettronici superiori e viene
commutato in modo trasparente dagli apparati di commutazione dello strato
WDM (optical cross connect, OXC).
Lo strato protocollare WDM a sua volta articolato in pi sottostrati in modo
da consentire una pi agevole realizzazione delle sue funzioni principali che
sono: controllo dei lightpath (instradamento e assegnamento delle lunghezze
d onda), propagazione e mantenimento dei segnali ottici WDM, rivelazione dei
guasti e protezione delle connessioni (fault recovery). Secondo quanto prescritto
dalle norme ITU-T, lo strato WDM si suddivide in quattro sottostrati: optical
channel sublayer (OChS), optical multiplex sublayer (OMS), optical
transmission sublayer (OTS) e physical media sublayer.
L optical channel sublayer provvede a tutte le funzioni di end-to-end
networking, e pi precisamente le gi citate funzioni di routing e assegnamento
della lunghezza d onda, di verifica delle connessioni e di fault recovery, di
elaborazione dei segnali di controllo. La segnalazione avviene tramite un optical
supervisory channel (OCh-OSC) che pu sessere realizzato in vari modi) [2].
L entit fondamentale controllata dal sublayer OChS il lightpath. Il sottostrato
optical multiplex sublayer si occupa di gestire le risorse in modo locale
relativamente a ciascun link. L entit gestita non pi il singolo ligthpath, ma
l aggregato dei canali WDM che transitano su di una fibra, ciascuno ad una ben
determinata lunghezza d onda; le funzioni svolte sono il monitoraggio dei
multiplex di canali WDM per verificarne l integrit e la stabilit in lunghezza
d onda, l elaborazione dei segnali di controllo (segnalazione mediante un
optical supervisory channel OMS, normalmente trasmesso su una lunghezza
d onda dedicata). Il sottostrato optical transmission sublayer presiede a tutte le
funzionalit di controllo e supervisione degli apparati di trasmissione
(amplificatori, transponder, rigeneratori, ecc.). L entit gestita una mappatura
1 a 1 dell entit del OMS, e cio ancora l aggregato di canali WDM che
transitano su di una fibra [3]. L OTS si occupa anche della gestione del OMSOSC, che condivide con l OMS per trasmettere la propria segnalazione.
3
SURVIVABILITY NELLO STRATO OTTICO WDM
Una distinzione preliminare tra tecniche di protezione WDM riguarda il
sottolivello in cui esse vengo realizzate. Esistono due possibili scelte: Optical
Channel Section o Optical Multiplex Section. Nel primo caso l entit protetta
il lightpath, e per questo la protezione nel OChS viene indicata anche come path
protection. Prevede che in caso di guasto ciascun lightpath interrotto venga
reinstradato su un lightpath di protezione [4, 5]. La commutazione, cos come
la rilevazione del disservizio, vengono attuate dagli apparati OChS di
terminazione dei lightpath (end-to-end). Il lightpath protetto viene definito
working, mentre quello che viene utilizzato dopo i guasto (che pu essere
preallocato o venire creato all istante, come spiegheremo) detto protection.
Nell OMS invece l entit protetta il multiplex di canali WDM trasmesso su di
una fibra. La protezione diventa una funzione locale gestita dagli apparati OMS
di terminazione delle fibre che costituiscono un singolo link (nome alternativo:
link protection). Il meccanismo di protezione interviene a seguito di un guasto
dirottando i multiplex WDM coinvolti su di un percorso alternativo che
consenta di aggirarlo. Una differenza sostanziale rispetto alla path protection
quindi il reinstradamento contemporaneo di tutti i lightpath colpiti
contemporaneamente. Esistono due approcci per definire le strutture ordinarie e
quelle di riserva, a seconda della modalit d utilizzo delle risorse trasmissive. I
cavi trasmissivi a fibre ottiche che costituiscono un link di una rete WDM sono
generalmente bidirezionali e simmetrici, composti da coppie di fibre ciascuna
per la propagazione in un verso. Nella modalit di OMS protection detta a
quattro fibre in ogni link per ogni coppia di fibre utilizzata per la trasmissione
bidirezionale ordinaria viene riservata una seconda coppia (di backup) per
ospitare i canali dirottati da un altro link in caso di guasto. In alternativa, nella
modalit detta a due fibre sulla fibra di una coppia in una data direzione si
utilizzano met canali WDM per la trasmissione ordinaria e l atra met per la
protezione; sulla fibra in direzione opposta il ruolo dei canali WDM si inverte.
Vedremo poi l applicazione di entrambe le modalit a casi semplici.
Una classificazione generale delle tecniche di protezione di reti ottiche
riportata in figura 1. Relativamente alla gestione dinamica delle risorse di
protezione [5], sono possibili due soluzioni radicalmente differenti. La
soluzione pi diffusa nelle applicazioni commerciali reali il preplanning: le
risorse di protezione vengono preallocate all atto di setup di un lightpath
oppure, se la rete supporta solo traffico statico, al momento di pianificare la
rete. In caso di guasto le operazioni che devono compiere gli apparati di rete
per attuare la protezione sono molto limitate e semplici, in quanto la rete gi
predisposta a reagire. Questo consente di ottenere un recovery velocissimo, ma
al prezzo di destinare in modo rigido le risorse trasmissive o alla protezione o
all utilizzo normale; sono al massimo possibili soluzioni che consentono di
utilizzare le risorse di protezione in assenza di guasto per trasmettere traffico a
bassa priorit (preemptive) che viene perduto in caso di guasto. L alernativa
detta provisioning: la rete viene genericamente sovradimensionata rispetto alle
esigenze del trasporto in assenza di guasto, ma nessuna capacit di protezione
viene preallocata; in caso di guasto la rete provvede a rimpiazzare le
connessioni cadute attivando dinamicamente delle nuove connessioni. Questa
soluzione chiaramente pi lenta e complicata del preplanning, ma sembra
sempre pi attuabile oggi, periodo in cui, soprattutto in seguito al fenomeno IP
over WDM, si assiste all evoluzione del modello di controllo della rete WDM
da statico a dinamico. Un secondo grande vantaggio del provisioning
la
possibilit di garantire la survivability anche in presenza di molti guasti
contemporamei (es. un disastro ambientale che colpisce un intera regione), che
il preplanning non consente (a meno di casi particolari in cui si riescono a
recuperare due o tre failure simultanei) a causa dell associazione rigida tra le
risorse di protezione e i lightpath di working.
Nel seguito verranno descritte le pi diffuse tecniche di protezione per reti ad
anello e a maglia nel solo caso di protezione di tipo preplanned.
4 PROTEZIONE NELLE RETI WDM AD ANELLO
La topologia ad anello molto diffusa nelle reti WDM, soprattutto in area
regionale e metropolitana: per la loro semplicit e facilit di integrazione con le
strutture SDH, gli anelli WDM sono storicamente il primo stadio evolutivo
delle reti ottiche e l ambito per cui per primo furono standardizzate le tecniche
di protection. Per questo esistono ormai da tempo delle opzioni ben note e
collaudate di semplici schemi di protezione.
Per quanto concerne la path protection, stata definita la configurazione OChdedicated protection ring (OCh-DPring): viene applicata ad anelli a due fibre
utilizzate in versi contropropaganti. La path protection viene attuata usando
entambe le fibre per istaurare due lightpath contropropaganti verso la
destinazione; la sorgente trasmette due copie identiche del segnale
contemporaneamente sui due lightpath e il ricevitore seleziona il segnale di
migliore qualit . Si definisce questa modalit di dedicated protection 1+1 e la
struttura anche detta self-healing ring. In caso di guasto non si richiede alcun
cambiamento di stato di apparati, se non del ricevitore, n alcun tipo di
segnalazione; il recovery pu essere molto veloce; la protezione impegna
esattamente il 50% delle risorse fisiche (con la modalit 1+1 ovviamente non
possibile alcuna condivisione di risorse).
survivability
preplanned protection
provisioning
mesh
ring
link protection
ring loopback
node cover
ring cover
dedicated
p-cycles
path protection
generalized
loopback
shared
double cycle
cover
dedicated
1:1
link
protection
path
protection
OChS
DPRING
1+1
OMS
SPRING
2 fiber
OMS
SPRING
4 fiber
shared
Figure 1 — Classificazione degli schemi di protezione per reti WDM
Nel OMS sono stati definiti due schemi di link-protection per gli anelli detti
shared protection ring (OMS-SPring) per anelli a due e a quattro fibre. La
commutazione in entrambi i casi viene effettuata da switch ottici 2x2 a larga
banda ottica in grado di commutare rapidamente (nel range dei microsecondi
nel caso ad esempio di tecnologia optomeccanica) l intero multiplex di segnali
WDM da una fibra ad un altra. Tali dispositivi (due e quattro per gli schemi
rispettivamente a due e quattro fibre) sono in genere ospitati all interno degli
add-drop multiplexer ottici (OADM). In caso di guasto di link, i due OADM
adiacenti attuano la protezione richiudendo l anello e utilizzando le fibre o i
canali di protection (operazione di loopback). L OMS- SPring consente anche
la protezione da guasto in un nodo: in questo caso sono gli switch ottici
all interno del nodo guasto stesso ad effettuare il loopback. Inoltre sono
possibili meccanismi revertive (normalmente preferiti) o non revertive a
seconda che dopo il guasto e il recovery il sistema ritorni o meno allo stato
originale; la protezione richiede il 50% delle risorse fisiche (bench il termine
shared possa trarre in inganno); si richiede segnalazione per coordinare il
loopback ai due estremi del link interrotto.
5
PROTEZIONE NELLE RETI WDM MAGLIATE
Se le reti ad anello sono le pi utilizzate e conosciute, le reti a maglia stanno
assumendo oggi sempre maggiore importanza, soprattutto grazie allo sviluppo e
al perfezionamento dell OXC, l apparato di commutazione per il mesh.
Garantire la survivability delle reti mesh un problema molto pi complesso
rispetto al caso dell anello, soprattutto per l elevato numero di gradi di libert e
di scelte progettuali che si debbono compiere [2, 6, 7]. Essendo inoltre il
problema piuttosto nuovo non esistono ancora delle soluzioni standard
definitive, ma piuttosto una serie di possibili soluzioni.
Una via molto seguita la path protection a livello OChS. Nella versione
dedicated ogni richiesta di connessione viene soddisfatta instaurando una coppia
di protection lightpath e working lightpath. E possibile gestire la protezione in
modalit 1+1 o 1:1, trasmettendo sul protection lightpath traffico a bassa
priorit in assenza di guasto; in questo caso richiesta segnalazione che invece
non era necessaria nel 1:1. Perch la protezione sia efficace necessario che la
coppia working/protection sia instradata in diversit di percorso, ossia che i due
lightpath non condividano nessun link (link disjoint) o nessun link e anche
nessun nodo (node disjoint) se si vuole protezione anche da guasti sui nodi. La
dedicated path protection piuttosto onerosa per le reti mesh soprattutto per i
vincoli di diversit di percorso. La condivisione delle entit di protezione pu
ridurre la quantit di risorse fisiche. La shared protection pu essere attuata
end-to-end utilizzando un unico protection lightpath per N working lightpath
con medesima origine e destinazione (modalit 1:N): ovviamente necessario
avere a disposizione N+1 cammini link-disjoint tha i due nodi. Lo sharing pu
essere inoltre realizzato condividendo dei canali WDM tra protection lightpath,
purch relativi a working lightpath che siano mutuamente link disjoint [4, 6]: in
questo caso si noti che, se da un lato la condivisione consente di risparmiare
risorse, dall altro complica di molto l operazione di recovery. Nel caso
dedicated e nel caso shared end-to-end al momento del guasto intervengono solo
gli apparati terminali in quanto i protection lightpath sono gi presenti. Nel caso
di shared generale invece per effettuare il recovery necessario riconfigurare al
momento del guasto anche tutti gli OXC adiacenti ai canali condivisi, e quindi
il recovery time limitato dal tempo di riconfigurazione degli OXC, oltre che
dal tempo di propagazione delle segnalazioni. Inoltre l identificazione in tempo
reale dei lightpath (problema di segnalazione associata al OCh) e del loro
tracciato diventano fondamentali in quanto gli OXC devono riconfigurarsi ed
effettuare operazioni di instradamento che variano in base al working lightpath
da recuperare.
A livello OMS la link protection pu essere attuata sulle reti mesh in vari modi
[8]. E a volte preferita rispetto alla path protection per una maggiore facilit di
controllo e per il fatto che la link protection, essendo a recovery locale, si adatta
meglio al controllo distribuito piuttosto che centralizzato. A parte la link
protection basata su provisioning, di cui non parleremo, esistono due approcci
alla preplanned: il primo prevede il loopback ad anello mentre il secondo, pi
recente, utilizza il loopback generalizzato.
Il principio che sta alla base del loopback ad anello consiste nel riuscire a
definire una scomposizione della rete mesh in modo che si creino degli insiemi
di link che possono essere gestiti come se fossero anelli. Una volta che sia stata
effettuata la decomposizione, ciascun anello diventa un sistema protetto
indipendente che reagisce ai guasti effettuando il loopback del traffico,
esattamente come un OMS-SPring. Normalmente si fa in modo che gli anelli
elementari siano a quattro fibre, in quanto il caso a due fibre, a causa
dell interconnessione di pi anelli, richiederebbe convertitori di lunghezza
d onda. Il problema principale posto dall approccio ring loopback per reti mesh
come effettuare la decomposizione della topologia magliata [9] in modo da
minimizzare le risorse di rete, consentire un controllo distribuito, garantire un
veloce recovery, proteggere quanti pi link possibile e rendere la rete
facilmente espandibile (scalabilit ). Per soddisfare a tutti questi requisiti, spesso
in contrasto tra di loro, sono state proposte numerose tecniche. La prima tecnica
detta node cover: l insieme degli anelli scelto in modo che ogni nodo
appartenga ad uno o pi anelli e ogni link ad al massimo un anello. Un node
cover non necessariamente ricopre tutti i link: i link non ricoperti restano senza
protezione. Per evitare questo si pu ricorrere alla ring cover: tutti i link devono
appartenere ad almeno un anello. La protezione completa ma la quantit di
fibre di cui un dato link deve essere dotato pu crescere moltissimo in quanto
proporzionale al numero degli anelli a cui appartiene. Si pu ridurre le risorse
necessarie mediante sharing dei link di protezione tra pi anelli adiacenti, ma il
dimensionamento del sistema diventa un problema NP hard e la soluzione non
scalabile: se si vuole aggiungere un nuovo nodo alla rete bisogna riconfigurarla
completamente. Recentemente stata proposta come alternativa la tecnica dei pcicli, che si basa sul fatto che un anello pu proteggere, oltre ai propri link,
anche eventuali link corrispondenti alle corde dell anello stesso (cio che
collegano due nodi dell anello non adiacenti). I p-cicli consentono risparmi in
termini di risorse di protezione, ma anche in questo caso il planning
un
problema NP-hard e non scalabile. Un ulteriore possibilit
il double cycle
cover: gli anelli sono scelti in modo che ogni link sia ricoperto esattamente da
due anelli. Nel caso di topologia planare il planning pu essere risolto
facilmente in tempi polinomiali.
La link protection per la rete magliata a loopback generalizzato radicalmente
diversa rispetto al caso precedente. Supponendo per semplicit link a due fibre,
il grafo che rappresenta la rete viene scomposto in due sottografi diretti
coniugati, uno working e uno protection, in modo che ciascun link sia percorso
da un arco di ciascun sottografo. In caso di guasto su un link il nodo a monte
esegue il loopback deviando tutti i canali working nel sottografo di protection
(normamente inutilizzato); i segnali si propagano nella rete mesh di protection
mediante flooding: in questo modo vi la garanzia che almeno una copia del
segnale originario giunga o prima o poi al nodo a valle del guasto che esegue il
loopback inverso reimmettendo i segnali nel sottografo working e ripristinando
cos la connettivit . Il loopback generalizzato efficiente in termini di risorse di
rete, si presta bene al controllo distribuito e soprattutto
scalabile, ossia
consente espansioni della rete senza che sia necessario riconfigurare
completamente i meccanismi di protezione.
6
PROGETTO DI RETI CON PATH PROTECTION
Si consideri ora in particolare la path protection applicata alla rete a maglia
WDM con traffico offerto statico. Come si detto, la protezione comporta una
quantit aggiuntiva di risorse che l operatore deve istallare e non pu utilizzare
oltre alle risorse di working. Per questo necessario effettuare il preplanning in
modo da minimizzare la quantit di risorse. All aumentare delle dimensioni
nelle reti e della loro compessit diventa sempre pi necessario effettuare anche
il planning con procedure automatiche piuttosto che per ispezione come si
faceva nelle prime istallazioni WDM. Il nostro contributo di ricerca nell ambito
delle reti WDM consistito nella costruzione di un tool di progetto per reti
mesh con traffico offerto statico con path protection, sia dedicated sia shared.
Note le richieste di connessione e la topologia, il tool consente di stimare come
devono essere instradati i lightpath di working e protection e come devono
essere assegnate le loro lunghezze d onda, e inoltre come devono essere
distribuite le fibre della rete suoi vari link (si considerano link multifibra) in
modo ottimo, cio tale da minimizzare un parametro di costo della rete (ad
esempio il numero di fibre totali o la lungezza totale di fibra). Il problema
viene risolto con un approccio euristico, che cio non fornisce l ottimo assoluto
ma una soluzione subottimale molto vicina. Il vantaggio di questo approccio
la limitata complessit calcolo: a differenza della ricerca dell ottimo assoluto,
problema NP completo che richiede tecniche di programmazione matematica
lineare ad interi (integer linear programming, ILP) l approccio euristico pu
essere applicato anche a reti di elevata complessit , senza che il tempo di
calcolo esploda. Il metodo euristico anche piuttosto flessibile e consente di
rappresentare varie condizioni di rete, come ad esempio la presenza o l assenza
di convertitori di lunghezza d onda nei nodi.
7
CONCLUSIONI
In questo lavoro si voluto fornire un introduzione alle metodologie e alle
tecniche adottate nelle reti ottiche WDM per garantire la survivability. La
rassegna qui presentata in sintesi verr sviluppata durante la presentazione. Si
cercato di fornire un panorama completo ma anche di dare maggior rilievo alle
soluzioni pi utilizzate e pi promettenti per il futuro. E stato incluso un
accenno ad un argomento strattamente correlato, la pianificazione di rete, per
offrire un esempio di come la ricerca pu contribuire attivamente
all argomento.
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