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Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open source

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Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open source.

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  • 1. Università degli Studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - Corso di Laurea in Ingegneria Informatica (Reti di telecomunicazioni LS)Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open source Tesi di: Raul Cafini Relatore: Prof.ssa Carla Raffaelli Correlatori: Dott. Ing. Walter Cerroni Dott. Ing. Michele Savi
  • 2. Sommario Una breve agenda del lavoro mostrato oggi …•  Cenni sulla tecnologia•  Le reti ottiche e paradigmi di commutazione•  Architetture per router ottici•  Il concetto di multi-granularità•  Il modello di router programmabile•  Implementazione software•  Test e valutazioni•  Conclusioni•  Sviluppi futuri18/03/2010 Raul Cafini 2
  • 3. Reti OtticheReti Ottiche: le informazioni viaggiano sottoforma di segnali luminosi.Fibre ottiche:•  Flessibili, immuni ai disturbi elettrici e allecondizioni atmosfericheMultiplazione WDM:•  Multiplazione di lunghezza d’onda;•  Fino a 160 lunghezze d’onda, limite teoricodi 1.6Tbit/s.Paradigmi di commutazione:•  Optical Circuit Switching (OCS)•  Optical Burst Switching (OBS) Fig. 3) Esempio di rete ottica OPS•  Optical Packet Switching (OPS) Rispetto ai normali router, nelle reti ottiche si cerca di far coesistere vari paradigmi di commutazione per far fronte alle diverse esigenze del traffico e ai diversi servizi offerti: Concetto di Multi-Granularità 18/03/2010 Raul Cafini 3
  • 4. Architettura generale di router ottico•  Input Interface: ingresso del traffico, delineazione e separazione delle informazioni di routing;•  Control Unit: Unità di controllo sulla gestione e l’inoltro del traffico mediante algoritmi di scheduling.•  Switching Matrix: Possibili implementazioni differenti per architetture e tecnologie utilizzate.•  Output Interface: interfaccia di uscita del traffico schedulato con successo verso altri nodi 18/03/2010 Raul Cafini 4
  • 5. Router ottico programmabile …Questa soluzione è conforme alla RFC 3746 che esprime leraccomandazioni IEEE per la Forwarding and ControlElement Separation:•  Separazione logica tra Control Element CE e ForwardingElement FE•  Protocollo standard di comunicazione tra CE e FE (orasoluzioni proprietarie) Una estensione proposta dal modello di studio da parte del dipartimento consiste nella introduzione di elementi detti Forwarding Modules (FM)•  Indipendenza dall’hardware. Solo i FM sono definitispecificatamente per una determinata implementazionehardware.•  Alta personalizzazione da parte degli ISP che possonodefinire i propri FM 18/03/2010 Raul Cafini 5
  • 6. Contention ResolutionContention Resolution: quando due o più pacchetti competono per la stessa risorsa, ovverola stessa fibra di uscita e sulla stessa lunghezza donda allo stesso istante. Questo problemapuò essere affrontato in diversi domini:•  Spazio: aumento delle risorse, aumento dei costi•  Tempo: bufferizzare le informazioni•  Frequenza: o più propriamente lunghezza donda Lapproccio OPS permette di affrontare la contesa nel dominio delle lunghezze donda (wavelength domain) sfruttando le proprietà della conversione.•  Tunable Wavelength Converters (TWCs): dispositivi in grado diconvertire la lunghezza donda del segnale in ingresso su un’altralunghezza donda in uscita, permettendo così di risolvere le contese. Svantaggio: dispositivi molto costosi. 18/03/2010 Raul Cafini 6
  • 7. L’architettura Broadcast-&-Select Esistono diverse architetture per le matrici di commutazione:•  Alcune pongono attenzione al contenimento deicosti (Shared Architectures, condivisione TWC)•  Altre forniscono un supporto nativo alla QoS senzapreoccuparsi dei costi. Un esempio è l’architetturaBroadcast-&-Select: •  Il traffico è propagato a tutte le interfacce di uscita (supporto nativo a broadcast e multicast). •  Il percorso è ostacolato da dei dispositivi in grado di comportarsi come interruttori ottici. •  Configurando i dispositivi secondo le istruzioni fornite dall’algoritmo di scheduling è possibile instradare i pacchetti verso i percorsi voluti. •  Dispositivi diversi in base alla tecnologia: fast (SOA) e slow (MEMS). 18/03/2010 Raul Cafini 7
  • 8. Il modello implementatoDato che queste architetture e questi dispositivi sono in realtà molto costosi, per studiarequeste soluzioni si può ricorrere a diverse approcci:•  Test-bed: difficoltà di verifica delle prestazioni logiche, scarsa modularità e flessibilità nellaconfigurazione, costi elevati …•  Simulatori: le interazioni nel piano di controllo non sono evidenti, la modellazione el’attuazione dell’hardware è poco realistica, in caso di traffico non reale risultati fuorvianti. La nostra soluzione propone un approccio differente:•  Emulatore altamente configurabile (numero di ingressi, uscite, lunghezze d’onda) emodulare (modifica della architettura semplice ed immediata);•  Realizzato in ambiente open source (Linux) mediante il software Click! Modular Router;•  Implementazione attuale: architettura di tipo Broadcast-&-Select, con opzione Multi-Granulare (OPS-Slotted) e in linea con le raccomandazioni espresse in ForCES (RFC3746);•  Analisi e valutazione dei livelli di potenza e consumo all’interno del nodo. 18/03/2010 Raul Cafini 8
  • 9. Click! Modular RouterIl Click! è un framework open source modulare, orientatoalla realizzazione di dispositivi come:•  Router, processori di pacchetti, sorgenti di traffico,Ethernet switch, firewall, etc.Linguaggio:•  Dichiarativo•  I modelli definiti in file di configurazione, definendo glielementi e le connessioni che li caratterizzano (modularità).•  E’ possibile creare propri elementi in classi C++ per scopiparticolari (estendibilità)Pacchetti Click!: All’interno delle configurazioni nonviaggiano i dati reali ma dei pacchetti formati da:•  Un puntatore ai dati reali•  Una serie di annotazioni (memoria comune nel piano dicontrollo) 18/03/2010 Raul Cafini 9
  • 10. Il modello implementato•  Control Plane: piano di controllo.•  Data Plane: piano del traffico dati. 18/03/2010 Raul Cafini 10
  • 11. Diagramma di funzionamentoInput Fiber (IF):•  Inserimento delle informazioni nelleannotazioni (InputFiber, wavelength,power, …)•  Separazione tra header e payload•  Conversione OE dell’header e invio alpiano di controllo (CE)•  Invio del payload alla Switching Matrix(SM)Control Element (CE):•  Gestione del timeslot di appartenenza(OPS Slotted)•  Individuazione delle necessità ditraffico (priorità, banda, …) 18/03/2010 Raul Cafini 11
  • 12. il Forwarding ElementIngresso nel Forwarding Element (FE):•  Label Lookup (LL): Controllo della label di destinazione nella Forwarding Table e risoluzionedell’interfaccia di uscita relativa;•  FESimpleScheduler: Algoritmo di scheduling che valuta il numero di pacchetti già inoltrati perla voluta interfaccia di uscita, in aggiunta alle informazioni provenienti in retroazione dalForwarding Module (FM);•  Label Swap (LS): Inserimento delle nuove informazioni di routing nel nuovo header; 18/03/2010 Raul Cafini 12
  • 13. il Forwarding ModuleIngresso nel Forwarding Module (FM):•  FMSimpleScheduler: Algoritmo di scheduling che valuta le contese per la fibra di uscitavoluta e la lunghezza d’onda di provenienza. Le informazioni di successo o meno dellarisoluzione vengono inviate in retroazione al Forwarding Element (FE);•  NewTimeslotScript: Script di reset dei dispositivi della matrice nel caso di un nuovo timeslot;•  FMScript: Script di attuazione dei dispositivi della Switching Matrix in accorso agli handlerimpostati dal FMSimpleScheduler; 18/03/2010 Raul Cafini 13
  • 14. La SM e l’interfaccia di outputSwitching Matrix (SM):•  Solo i dispositivi attivati correttamente dalloscheduler permettono ai pacchetti diattraversare la matrice;•  I pacchetti che attraversano i dispositivi sonocaratterizzati in potenza (attenuazione,amplificazione, rapporto segnale/rumore)secondo le funzioni “ideali” dei dispositivi;Output Fiber (OF):•  Il nuovo header è riconvertito nel dominioottico;•  Il payload e l’header sono ricongiunti aformare di nuovo il pacchetto ottico in uscita alnodo; 18/03/2010 Raul Cafini 14
  • 15. Le prestazioni misuratePacket Loss Probability (PLP): Probabilità di perdita dei pacchetti, espressacome differenza tra i pacchetti in ingresso e quelli effettivamente inoltrati sultotale dei pacchetti in ingresso:•  Minore è, migliori sono le prestazioni del nodo (e quindi della suaarchitettura e del suo algoritmo di scheduling).•  Variazioni del numero di ingressi, uscite, numero di lunghezze donda delcanale e delle possibili implementazioni degli algoritmi di scheduling sonotutti fattori che, come vedremo, influenzano il valore espresso dalla PLP.18/03/2010 Raul Cafini 15
  • 16. Confronto tra due configurazioni … N.B. La PLP ha valori minori a parità di ingressi e uscite per un numero di lunghezze d’onda disponibili maggiori, si è in grado di risolvere un maggior numero di contese …18/03/2010 Raul Cafini 16
  • 17. Confronto tra varie configurazioni … N.B. La PLP ha valori più distanti tra la configurazione 2:2 e 4:4 rispetto alle configurazioni 4:4 e 8:8 e così aumentando …18/03/2010 Raul Cafini 17
  • 18. Conclusioni Il lavoro si è suddiviso in documentazione, analisi ed implementazione dei concetti oggetto di ricerca:•  Obiettivo 1: Si sono studiate le tecnologie, i paradigmi e le soluzioni proposte dalla letteratura per quanto riguarda la trasmissione dei dati nel dominio ottico;•  Obiettivo 2: Si sono analizzate le principali architetture per matrici di commutazione ottiche valutandone punti a favore e contrari;•  Obiettivo 3: Si è scelto mediante le informazioni raccolte di implementare una determinata architettura in un modello di router ottico programmabile;•  Obiettivo 4: Limplementazione realizzata è di tipo B&S per reti OPS- Slotted e conforme nelle specifiche alle direttive della ForCES (RFC 3746) e all’estensione studiata dal dipartimento;•  Obiettivo 5: L’emulazioni testate su varie configurazioni della nostra implementazione rispecchiano i valori di PLP dei modelli equivalenti di simulazione garantendone quindi la correttezza di funzionamento a livello logico e fisico.18/03/2010 Raul Cafini 18
  • 19. Sviluppi futuri•  Riduzione delle tempistiche di emulazione: rendere le emulazioni più veloci e verosimilmente comparabili con le tempistiche reali.•  Implementazione totale della multi-granularità: estendere il modello anche per i paradigmi OCS e OBS rendendo larchitettura completamente multi-granulare.•  Implementazione totale del modello di consumo di potenza: monitorare i livelli di potenza e consumo allinterno del router, ed emulare concretamente i valori in gioco in un dispositivo reale per restituire informazioni utili sul consumo di potenza al variare delle architetture e degli algoritmi di scheduling.18/03/2010 Raul Cafini 19

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