Routing and Wavelength Assignment

(RWA)

Marc Riera VillanuevaDavid Lucas Montoya

XC2

Índice

• Escenario• Formulación del Problema• Posibles Soluciones• Resumen y Conclusiones

Escenario• En los últimos tiempos la tendencia es que las redes ópticas aumenten con más

routers, más capacidad, y con muchas más “wavelengths”.

• Con estos cambios es necesaria una menor dependencia de conversores optico-electrico-optico(OEO Regenerator), los cuales mejoran la calidad de la señal óptica regenerándola, para poder llegar a destinos de larga distancia, pero aumentan los costes, el consumo, y el calor generado.

Escenario(2)

• Hay diferentes tipos de arquitecturas, ya que se ha ido evolucionando de las redes opacas (todos los nodos tienen un OEO) a translucidas (se colocan solo unos pocos OEO) y de éstas a el objetivo final que son las transparentes(sin OEO) todo óptico, cada vez hay que tener más en cuenta los impedimentos físicos y como estos afectan al RWA.

Problema• El problema, acostumbra a dividirse en dos:

– El primero consiste en escoger el camino para ir de un origen a un destino. (R)– El segundo consiste en escoger la longitud de onda para cada enlace. (WA)

• Además, al principio no se tenían en cuenta los problemas físicos de la red en el diseño de los algoritmos del RWA, ahora si, pasando al problema llamado PLI-RWA(Physical Layer Impairments Routing and Wavelength Assignment).

• También hay que tener en cuenta la posibilidad de colocar conversores OEO que a parte de las funciones antes mencionadas, convierten la longitud de onda a otra, y por lo tanto tenemos el problema de saber donde colocarlos, pues resultan bastante costosos.

Impedimentos Físicos (PLI)

• Linear Impairments: – Son independientes de la potencia de la

señal.– Afectan a cada una de las longitudes de

onda de forma individual.– Ej: Atenuación, Dispersión Cromática …

• Non Linear Impairments:– No solo afectan a cada longitud de

onda de forma individual, sino que también interfieren entre ellos.

– Ej: Four Wave Mixing

Algoritmos• Para resolver el RWA, existen muchos algorítmicos heurísticos,

algunos meta-heurísticos y otros basados en optimización. – Heurísticos: Algoritmos que simplifican modelos físicos

complejos basados en los impedimentos físicos de la red óptica para conseguir un tiempo de cómputo menor partiendo desde el punto que no se puede conseguir un algoritmo que encuentre una solución óptima en un tiempo razonable.

– Meta-Heurísticos: Algoritmos que no necesitan formulas matemáticas complejas y permiten calcular una buena solución con iteraciones sucesivas.

– De Optimización: Algoritmos que se basan en la optimización de la red, consiguiendo un buen ancho de banda y una buena calidad de la señal óptica.

• Cada uno de estos algoritmos se basan principalmente en solventar o mejorar algún impedimento físico concreto, sacrificando el resto.

Formas de aplicar el PLI-RWA• A- R+WA+PLI verification• B- R(+PLI constraints)+WA(+PLI constraints)• C- A+B

Planos de Control• Se pueden seguir dos enfoques para resolver el problema del PLI-RWA, uno

centralizado y otro distribuido:

– Centralizado: Un solo elemento guarda toda la información sobre la topología de la red, la cantidad de recursos disponibles y los impedimentos físicos. El elemento central puede ser el NMS(Network Management System) o el PCE(Path Computation Element).

– Distribuido: Cada nodo es responsable de calcular, configurar y mantener los “caminos ópticos”(lightpaths) usando un plano de control común y distribuido.

Planos de Control(2)• Modelo PCE: Modelo centralizado que almacena dos bases de datos:

– La primera es la Traffic Engineering Database(TED), que se actualiza a partir de las TED de cada nodo, – La segunda es la PLI Database(PLID), obtenida a través del NMS o del Sistema de monitorización del

rendimiento. Esta mantiene información actualizada sobre los PLI de cualquier enlace de la re

Planos de Control(3)• Routing Model: Consiste en extender el protocolo de enrutamiento (ej: OSPF-TE…)

para tener en cuenta los PLI. Cada nodo tiene que guardar sus TED y PLID(de forma similar al OSPF). Los PLI locales pueden ser almacenados en la PLID de cada nodo, mientras los PLI remotos se pueden obtener a través del protocolo de enrutamiento extendido(ej: OSPF-TE).

Planos de Control(4)• Signal Model: Consiste en extender el protocolo de señalización (signaling) (ej: RSVP-

TE…) para tener en cuenta los PLI. Cada nodo tiene que guardar sus TED y su PLID local actualizado.

Planos de Control(5)• Comparación:

Solución experimental: Centralizado VS Distribuido

• Basado en un caso real (Topología similar a la de Deutsche Telekom(DT))• Rendimiento entre una versión centralizada y una distribuida de un plano de control

consciente de los impedimentos físicos. • Banco de pruebas experimental con 14 nodos bajo condiciones de trafico dinámico. • Medidor en tiempo real de la calidad de transmisión(QoT). Software VS Hardware.

Solución experimental: Centralizado VS Distribuido(2)

• Cada nodo tiene:– OCC (Optical Connection Controller):

Ejecuta el GMPLS extendido y tiene una interfaz que conecta con el nodo óptico.

– OXC Emulator: Conectado al OCC por el CCI(Connection Controller Interface)

• NPOT(Network Planning and Operation Tool): Implementa el algoritmo IA-RWA, el Q-Tool que calcula la QoT. También dispone de las TED i PLID.

• NMS(Network Management System): Monitoriza y controla la infraestructura.

Enfoque Centralizado• El OCC origen pide al NPOT el cálculo de una ruta. El NPOT con el módulo IA-RWA

calcula la ruta solicitada, utilizando el Q-Tool y la información de las bases de datos.

• Cuando se ha encontrado la ruta con una QoT garantizada, se envía al OCC origen y se establece el camino óptico entre el origen y el destino a través del RSVP-TE estándar. Se actualizan las bases de datos locales y la global a través del OSPF-TE. Finalmente el OCC origen actualiza el NMS.

Enfoque Distribuido• Se extienden los protocolas para transportar las longitudes de onda disponibles y

la información de los PLIs en tiempo real durante el establecimiento de la conexión.

• Cada nodo tiene una instancia del NPOT distribuido.• Cuando llega una petición de conexión el OCC origen pide al NPOT local el cálculo

de k-rutas. • El mensaje PATH del RSVP-TE acumula los PLIs entre el origen y el destino.• Si todo va bien los posibles nodos afectados actualizan sus bases de

Resultados

• El enfoque distribuido consigue tiempos de configuración más bajos y la diferencias se incrementan conforme se carga la red.

• Se debe a que en el esquema centralizado solo se puede calcular una ruta al mismo tiempo, además hay que dejar un tiempo suficiente entre las peticiones al NPOT central para dejar que este actualice la PLID y las longitudes de onda disponibles

• El modelo distribuido va haciendo los cálculos durante el proceso de señalización.

Resultados(2)

• Probabilidad de bloqueo en la red.• Con k = 2 rutas en el modelo distribuido, el enfoque centralizado tiende a

bloquearse menos.• En el distribuido las rutas punto a punto se calculan con solo las longitudes de

onda disponibles, pudiendo a veces no conseguir una QoT aceptable.• En el enfoque centralizado el cálculo de la ruta se basa en información sobre los

PLI y las longitudes de onda disponibles actualizada y completa, consiguiendo una QoT aceptable.

Mejora hardware• Implementación hardware mediante una Xilinx Virtex IV FPGA para mejorar el tiempo de

calculo de la QoT del modelo centralizado.• Como se puede ver en la gráfica la implementación hardware de la FPGA en el modelo

centralizado consigue acercarse al rendimiento del modelo distribuido.• Utilizando la Q-Tool basada en software, el 72 % de las restauraciones de los caminos

ópticos en caso de fallo se calculan en menos de 5 s., mientras que la versión acelerada con la FPGA obtiene mejoras significativas. Alrededor del 30 % de las restauraciones se calculan en menos de 1 s.(en software no llegan a esas cifras ni el 10%).

Mejora Software: Algoritmo Multi-Parametric(MP)

• Costes según las fuentes de los impedimentos físicos: Longitud camino(path length) Número de saltos(number of hops) Número de fuentes de “crosstalk”(number of crosstalk sources) Otros parámetros de interferencia entre caminos ópticos(other

inter-lightpath interfering parameters)

• Al solicitar una conexión el algoritmo calcula un conjunto de caminos ópticos candidatos cuya QoT es válida usando una función que combina los diferentes impedimentos físicos en un valor que llaman “Transmission Performance”(TP).

• Se escoge aquel camino con menor TP (De entre varias optimizaciones).

• Para aumentar su rendimiento, se utiliza la Q-Tool solo al principio(“training period”) o al reconfigurar la red(ej.: más longitudes de onda disponibles) para calcular la importancia de cada impedimento y sus cotas.

Mejora Software: Algoritmo Online “Rahyab”(OR)

• Tiene en cuenta la imprecisión de la Q-Tool, que se basa en una mezcla de modelos analíticos y/o interpolaciones de varias muestras y simulaciones.

– También mira de no afectar a caminos ópticos ya establecidos.

– Al solicitar una conexión el algoritmo calcula k-rutas, teniendo en cuenta la continuidad, las longitudes de onda disponibles y la imprecisión al calcular la QoT.

– Esto se aplica a cada longitud de onda disponible en la red. Si hay 5 longitudes de onda y k = 3, OR calculará 15 caminos posibles y calculará la QoT de cada uno.

– Se escoge el camino con menor impacto en los caminos ya establecidos y mayor QoT.

– Los beneficios en optimización conllevan una bajada del rendimiento al medir la QoT numerosas veces para cada nueva conexión.

Mejora Software: Comparación

• El OR tiene un buen ratio de bloqueos, aunque a costa de un mayor tiempo de selección de la ruta, el cual se hace menor y muy parecido al del MP a medida que aumenta la demanda.

• Por lo tanto, para un escenario donde haya una gran carga de trafico, el OR parece la mejor opción ya que evita bloquear conexiones innecesariamente, manteniendo unos tiempos de conflagración comparables al MP.

• Sin embargo el MP podría mejorar su tasa de bloqueo seleccionando cuidadosamente los parámetros, a la vez que mantiene su velocidad.

Resumen y Conclusiones• La velocidad de las redes ópticas está aumentando a una velocidad que la electrónica no

puede alcanzar con unos costes y requisitos sostenidos. Cada vez que la red óptica aumenta, la electrónica es más cara, se calienta más y requiere más espacio.

• Para solucionar este problema es necesario evolucionar hacia redes más transparentes o translucidas, donde la mayor parte de la red sea óptica.

• Al no disponer ya de una parte electrónica que restaure la señal durante la transmisión, es necesario idear nuevos algoritmos que tengan en cuenta los impedimentos físicos de la red.

• Hemos investigado los últimos avances en la resolución del problema del PLI-RWA, que engloba el cálculo de la ruta(R) y la asignación de la longitud de onda(WA) en cada tramo teniendo en cuenta los impedimentos físicos(PLI), centrándonos en la parte del plano de control.

• En general, parece mejor el distribuido pero hemos podido ver algunas mejoras hardware y software para el modelo centralizado que lo dejan con un tiempo similar al distribuido y con mejor ratio de bloqueos.

Opinión Personal• En nuestra opinión muchas de las investigaciones hasta hace

poco tiempo no tenían en cuenta de forma real los impedimentos físicos de la red, dejando este problema en manos de la electrónica.

• Parece, sin embargo, que las más recientes investigaciones empiezan a tenerlos en cuenta, ya que los requisitos de la red y el tráfico están creciendo rápidamente y la electrónica puede impedir ese avance. Para solucionar este problema es necesario evolucionar hacia redes más transparentes o translucidas, donde la mayor parte de la red sea óptica.

Bibliografía• S. Azodolmolky, M. Klinkowski, E. Marin, D. Careglio, J. Solé-Pareta, I. Tomkos, "A survey on

physical layer impairments aware routing and wavelength assignment algorithms in optical networks", Computer Networks, vol. 53, no. 7, pp. 926-944, May 2009.

• F. Agraz et al., “Experimental Demonstration of Centralized and Distributed Impairment-Aware Control Plane Schemes for Dynamic Transparent Optical Networks,” Proc. OFC/NFOEC 2010, PDPD5.

• S. Spadaro, J. Perelló, et al., “Dynamic Impairment-Aware Optical Networking: Some Experimental Results of the EU DICONET Project”

• S. Spadaro, J. Perelló, et al., “Experimental Comparison of Impairment-Aware RWA Algorithms in a GMPLScontrolled Dynamic Optical Network”

• P. Kokkinos et al., “Multi-Parametric Online RWA Based on Impairment Generating Sources,” Proc. Of IEEE GLOBECOM 2009.

• Yvan Pointurier, Siamak Azodolmolky, Marianna Angelou and Ioannis Tomkos, “Issues and Challenges in Physical-Layer Aware Optically Switched Network Design and Operation”, September 15-19, 2009 – Pisa, Italy