Contribución a la factibilidad de los sistemas de conmutación óptica

Laburpena

El incremento en la demanda de tráfico en las redes de comunicación ha puesto de relieve el cuello de botella provocado por las tecnologías electrónicas, especialmente en las redes troncales. Por ello, se hace necesaria una paulatina introducción de las tecnologías ópticas que dé soporte a la cada vez mayor demanda. El uso de las tecnologías ópticas en el campo de las redes de comunicación da lugar a lo que se conoce como redes de altas prestaciones. Realizar este cambio, de una tecnología a otra, no supone una mera sustitución, sino que requiere un proceso complejo de adaptación dadas las características particulares de cada una de las tecnologías. Por ello, se hace necesario estudiar en profundidad la manera de aprovechar, de manera eficiente, todo el ancho de banda que nos ofrece esta tecnología. Dentro de la investigación de la conmutación óptica se han propuesto diversos paradigmas, cada uno con ciertas ventajas y desventajas sobre los demás. Los principales paradigmas son la conmutación óptica de longitudes de onda (OWS), conmutación óptica de ráfagas (OBS), conmutación óptica de paquetes (OPS) y conmutación óptica de celdas (OCS). De todos ellos, OPS se ha posicionado como la solución más ventajosa para las redes troncales con multiplexación por división en longitudes de onda (WDM). Sin embargo, esta solución no ha logrado alcanzar su comercialización debido a las numerosas dificultades tecnológicas con las que se encuentra. Por ejemplo, la necesidad de conversión entre diferentes longitudes de onda, tiempos de conmutación del orden de nanosegundos y conmutación de longitudes de onda de forma individual. Por otro lado, existe la opinión generalizada en la comunidad científica de que los AWG son unos de los disposivos ópticos pasivos más prometedores para aquellos sistemas de conmutación que necesiten alcanzar tasas de terabit. Estos dispositivos permiten construir conmutadores WDM totalmente ópticos gracias a su capacidad de encaminamiento por longitud de onda, además de su capacidad para transmitir alta densidad de información, y su bajo consumo de energía. El problema que presenta este dispositivo al ser utilizado como conmutador es la presencia de diafonía coherente cuando se utiliza la misma longitud de onda en diferentes puertos que limita de forma severa la escalabilidad de los tejidos de conmutación basados en AWG. Además, el crecimiento de las demandas de tráfico en Internet y la gran variedad de clases de tráfico hacen que sea muy complicada la evaluación y gestión de las prestaciones de una red troncal. Los métodos más actuales para llevar a cabo esa tarea se basan en hardware complejo y costoso. Sin embargo, existen estudios sobre la compartición de ancho de banda que sugieren la posibilidad de definir métodos de evaluación que solamente necesiten estadísticos básicos sobre la utilización de los enlaces agregados como pueden ser la media o la varianza. Esta información se puede obtener fácilmente a través de llamadas SNMP y se simplificarían enormemente los sistemas de monitorización. En esta tesis proponemos algunas mejoras a los problemas anteriormente citados: - El desarrollo de nuevos paradigmas de conmutación óptica, basados en OPS, reducen la complejidad tecnológica eliminando la conversión de longitudes de onda y conmutando todas ellas de manera simultánea. Además, se han desarrollado nuevos dispositivos ópticos basados en interferometría que son capaces de realizar la conmutación de dos señales ópticas en tiempos inferiores al nanosegundo y que se encuentran disponibles comercialmente. Por tanto, gracias a los nuevos paradigmas y dispositivos se pueden solventar las dificultades presentadas en OPS. En esta tesis se propone una arquitectura para conmutadores totalmente ópticos basada en conmutadores interferométricos de niobato de litio que permiten reconfigurar los conmutadores en tiempos de nanosegundo. Además hacemos un análisis preliminar de la arquitectura tomando algunas simplificaciones que nos permiten obtener un umbral superior de la tasa máxima de bit que podemos alcanzar en una red óptica ideal, es decir sin la necesidad de regenarción 3R de la señal ni conversiones electro-ópcticas. - La limitación a la escalabilidad de los dispositivos AWG puede ser evitada gracias a la utilización de algoritmos de planificación específicos que permitan reducir la probabilidad de reutilización de la misma longitud de onda en diferentes puertos del dispositivo AWG, lo que puede reducir e incluso eliminar el efecto de la diafonía coherente. Por ello, extendemos varios algoritmos de planificación presentados en trabajos previos para aumentar su efectividad. Los nuevos algoritmos permiten construir conmutadores basados en AWG de tamaños mayores mientras mantienen la tasa de error de bit (BER) en niveles bajos. - Hemos comentado que existen métodos para sistemas de monitorización que permitirían reducir su coste y complejidad. Desafortunadamente, hasta donde sabemos, no existen herramientas que implementen estos métodos. Por ello presentamos la implementación de un plugin para el entorno de monitorización Nagios así como la validación de la herramienta para detección de degradación a partir de trazas de utilización del enlace agregado. El plugin no requiere hardware costoso ni complejo para obtener los datos, en lugar de eso, emplea información básica obtenida a través de SNMP sobre la utilización del enlace. - El método utilizado en la herramienta anterior, así como otros métodos existentes en esta línea necesitan conocer cierta información sobre la red que muchas veces se desconoce o es difícil de obtener. Por ejemplo, puede requerirse el conocimiento del valor de la capacidad del enlace agregado, pero podríamos estar ante enlaces alquilados o tener tráfico más prioritario y por tanto desconoceríamos ese dato concreto. Partiendo del análisis de estadísticos de la utilización del enlace agregado, obtenidos a través de muestras SNMP, proponemos un método que detecta degradación en tráfico TCP basado en muestras de utilización del enlace agregado. Con este método deja de ser necesario conocer la capacidad del enlace agregado u otros parámetros de la red.