ESTUDIO COMPARATIVO DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE … · hermanita por traer la fuerza y a Dios a la...

0UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

VALPARAÍSO-CHILE

“ESTUDIO COMPARATIVO DEL CONSUMO

ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RUTEO

EN REDES DINÁMICAS WDM”

FRANCISCO JAVIER URIBE ARANEDA

MEMORIA DE TITULACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO

CIVIL TELEMÁTICO

PROFESOR GUÍA : DRA. ALEJANDRA BEGHELLI

PROFESOR COREFERENTE : DR. RICARDO OLIVARES

ENERO 2012

i

“Agradecimientos”

En uno de los tantos viajes en mi vida, me tocó pasar un día por fuera de un castillo

medieval. Quién diría que el destino haría de ese lugar mi casa durante varios años. Allí

conocí muchas personas que junto conmigo emprendían el mismo camino de aprendizaje y

sabiduría. Lo bueno es que nunca estuve solo. Conmigo siempre mi inseparable amigo “el

Negro Esteban” a quien agradezco todo el apoyo, risas y ánimo, mi amiga “Catherine

Krauss” a quien agradezco la paciencia y su amistad, a “Telo-Cracks” por las victorias y

derrotas en la cancha. A los chicos de la pensión con quienes compartíamos la distancia de

nuestras familias, en especial a “Pablito Shilling” y Sebastian “Piola” Verdejo, a mis

amigos de la vida Javier Mardones y Claudito Angulo, a los profesores que en verdad

fueron amigos: Javiera Barrera, Don Leopoldo Silva y mi profesora guía Alejandra

Beghelli a quien le debo el hoy culminar este proceso.

Un párrafo aparte merecen algunas personas. Gracias mamita por tu esfuerzo, dedicación y

por ser un pilar fundamental en mi vida y en la familia. Gracias papito por tu presencia hoy

con nosotros, ya puedes descansar pues nos toca ahora trabajar a nosotros por tí. Gracias

hermanita por traer la fuerza y a Dios a la casa. Gracias tíos y abuelos por creer en mí.

Gracias monita linda por ser mi compañera de la vida…

Gracias a todos a quienes la pluma ha olvidado y que han sido parte de este camino, en

especial a Dios y a la virgen María…

ii

“Me pregunto si las estrellas se iluminan

con el fin de que algún día,

cada uno pueda encontrar la suya”

Antoine de Saint-Exupéry, El principito.

iii

Resumen

El concepto de eficiencia energética en redes ópticas es uno de los principales temas

de investigación en los últimos años. La importancia de redes energéticamente eficientes

radica en los beneficios tanto económicos como ambientales de su implementación debido

a que las limitaciones de energía podrían ser a futuro una restricción en la capacidad de

internet. En este sentido los trabajos publicados a la fecha apuntan hacia mejorar protocolos

de comunicaciones, niveles de procesamiento y modelos de standby en redes de

telecomunicaciones.

En esta memoria se propone el uso de un modelo de standby que permita reducir la

utilización de componentes de conmutación al interior de los nodos de la red, en este caso

en particular de los switches presentes en las mallas de conmutación. Para esto se proponen

algoritmos a que a nivel de red escojan aquellas rutas cuyos nodos ya estén activos y

posean un mayor nivel de tráfico en sus enlaces y a nivel de nodo algoritmos que eviten

utilizar switches no operativos en las mallas de conmutación.

Los algoritmos propuestos fueron evaluados en términos de una métrica de

eficiencia energética (tiempo promedio de utilización de switches) y su compromiso en

bloqueo. La evaluación se llevo a cabo en 2 topologías de red distintas, 2 tipos de mallas de

conmutación, 2 algoritmos de ruteo a nivel de red y 2 algoritmos de ruteo a nivel de nodo.

Los resultados numéricos mostraron que la combinación de algoritmos de red y nodo

propuestos permiten mejorar en términos energéticos la eficiencia de la red comparados con

las otras combinaciones de algoritmos estudiadas. También se obtuvo que estas mejoras en

términos de eficiencia energética conducen a un compromiso en términos de bloqueo en las

topologías de red empleadas.

Conceptos claves: Eficiencia energética en redes ópticas, conmutación en redes ópticas,

algoritmos de ruteo para eficiencia energética, modelos de Standby.

iv

Índice General

Introducción……………………………………………………………………………..

1

Conmutación en redes ópticas…………………………………………………………... 6

2.1 La capa óptica………………………………………………………………..

2.2 Elementos de conmutación de la capa óptica………………………………..

6

8

2.2.1 Demultiplexores/multiplexores…………………………………….

2.2.2 Malla de conmutación……………………………………………...

2.2.3 Conmutadores Ópticos MEMS 2x2…………………………….....

2.2.4 Unidad de Control………………………………………………....

10

11

14

15

2.3 Arquitecturas de Optical Cross-Conects……………………………………. 16

2.4 Algoritmos de búsqueda de caminos en mallas de conmutación………….... 19

2.5 Resumen……………………………………………………………………..

21

Propuesta de algoritmo de ruteo para bajo consumo energético en la capa óptica……... 22

3.1 Métrica de ahorro energético………………………………………………... 23

3.2 Algoritmo de ruteo de bajo consumo energético en la capa óptica………… 24

3.2.1) Algoritmo de ruteo a nivel de red………………………………...

3.2.2) Algoritmo de ruteo a nivel de malla de conmutación…………….

24

26

3.3 Resumen……………………………………………………………………..

29

Resultados numéricos…………………………………………………………………… 30

4.1 Topologías de red estudiadas………………………………………………..

4.2 Arquitectura de los nodos…………………………………………………....

4.3 Resultados numéricos……………………………………………………......

31

32

33

4.3.1 Resultados para algoritmo de ruteo Packing (nivel malla de

conmutación)……………………………………………………………..

4.3.2 Resultados para algoritmo de ruteo Random (nivel malla de

conmutación)……………………………………………………………..

4. 3.3 Comparación de utilización con respecto a las topologías

estudiadas………………………………………………………………...

4.3.4 Análisis en términos de bloqueo…………………………………..

34

36

39

41

v

4.4 Resumen...…………………………………………………………………...

42

Conclusiones y Trabajos Futuros………………………………………………………..

43

Bibliografía……………………………………………………………………………… 46

Índice de Figuras

Figura 2.1 Modelo de Capas ISO/OSI para una red de datos………………………….. 7

Figura 2.2 Ejemplo de conmutación dentro de una red de comunicaciones óptica……. 8

Figura 2.3 Esquemático de un OXC…………………………………………………… 8

Figura 2.4 Esquemático de las funciones de un demultiplexor/ multiplexor………….. 10

Figura 2.5 Esquemático de mallas de conmutación en un OXC………………………. 11

Figura 2.6 CrossBar de 4 entradas y 4 salidas…………………………………………. 12

Figura 2.7 Spanke de 4 entradas y 4 salidas…………………………………………… 13

Figura 2.8 Estados de un switch MEMS………………………………………………. 14

Figura 2.9 Conexiones Conmutador MEMS 2x2……………………………………… 15

Figura 2.10 Unidad de control OXC……………………………………………………. 15

Figura 2.11 OXC selectivo de longitud de onda con buffer……………………………. 16

Figura 2.12 OXC selectivo de longitud de onda con conversor de longitud de onda…... 17

Figura 2.13 OXC con conversión de longitud de onda y buffer………………………… 18

Figura 2.14 Etapas de una malla de conmutación………………………………………. 19

Figura 2.15 Algoritmos de Conmutación al interior de malla CrossBar………………... 20

Figura 3.1 Diagrama de Flujo Algoritmo de Elección de ruta más colapsada…………. 25

Figura 3.2 Ejemplo de operación de algoritmo de ruteo……………………………….. 26

Figura 3.3 Diagrama de Flujo del algoritmo de elección de rutas en la malla de

conmutación…………………………………………………………………………….. 28

Figura 4.1a Datos Nodales Eurocore……………………………………………………. 31

Figura 4.1b Datos Nodales NSFNet…………………………………………………….. 32

Figura 4.2 : Mallas de conmutación a) CrossBar de 4 entradas y 4 salidas y b) Spanke

de 4 entradas y 4 salidas………………………………………………………………… 33

vi

Índice de Tablas

Tabla 2.1 Comparación de propiedades de arquitecturas de mallas de conmutación…... 13

Tabla 4.1 Propiedades numéricas en mallas de conmutación…………………………... 33

Tabla 4.2 Simulaciones realizadas para combinaciones de algoritmos de ruteo a nivel

de red y a nivel de nodo………………………………………………………………… 34

Tabla 4.3 Conectividad física en topologías de red estudiadas………………………… 41

Tabla 4.4 Conexiones posibles vs Capacidad NSFNet y Eurocore…………………….. 42

Índice de Gráficos

Gráfico 1.1: Estimación de huella carbono para las redes TIC…………………………. 2

Gráfico 1.2a : Estimación de Consumo energético para infraestructuras de

telecomunicaciones……………………………………………………………………… 3

Gráfico 1.2b : Estimación de Costos Operacionales para infraestructuras de

telecomunicaciones……………………………………………………………………… 3

Gráfico 3.1: Análisis de consumo energético en una red……………………………….. 23

Gráfico 4.1a: Utilización vs Carga en Eurocore utilizando Packing a nivel de nodo…... 35

Gráfico 4.1b: Utilización vs Carga en NSFNet utilizando Packing a nivel de nodo…… 35

Gráfico 4.1c: Utilización vs Carga en Eurocore utilizando Random a nivel de Nodo….. 36

Gráfico 4.1d: Utilización vs Carga en NSFNet utilizando Random a nivel de Nodo… 37

Gráfico 4.2a: Comparación Utilización Promedio Eurocore……………………………. 38

Gráfico 4.2b: Comparación Utilización Promedio NSFNet…………………………….. 38

Gráfico 4.3: Promedio de utilización en diferentes topologías de red…………………... 40

Gráfico 4.4: Tasa de Bloqueo vs Carga según algoritmo de ruteo……………………… 41

Estudio comparativo del consumo energético de algoritmos de ruteo en redes dinámicas WDM

1

Capítulo 1

Introducción

El concepto de eficiencia energética en redes de telecomunicaciones es uno de los

temas más populares en los últimos años. Su estudio en conferencias y congresos de

especialistas, además de traducirse en una gran cantidad de artículos en la literatura (ver por

ejemplo [12,15,16] y sus referencias) y programas de desarrollo de proveedores de

tecnología actuales como en [13,19], demuestran una preocupación evidente por temas de

este tipo. Además de la sensibilidad general ante temas del tipo ecológicos, los intereses en

el desarrollo de sistemas de telecomunicaciones energéticamente eficientes también derivan

de las necesidades económicas de las empresas de telecomunicaciones y proveedores de

internet. En el caso del medio ambiente, se busca disminuir el impacto de las emisiones de

CO2 generadas por los sistemas de telecomunicaciones. Por otro lado, en el ámbito

económico se busca la reducción de los costos para mantener redes funcionando a niveles

cada vez mayores de ancho de banda, equilibrando esto con el cada vez mayor costo de la

energía.


2

Gráfico 1.1: Estimación de huella carbono para las redes TIC [Gtons año](Incluye PCS,

Redes y periféricos).

La huella de carbono es la totalidad de gases de efecto invernadero emitidos por efecto directo o indirecto de un individuo, organización, evento o producto. En el gráfico 1.1 [10] se observa la proyección (para el año 2020) de la huella de carbono generada por las redes de telecomunicaciones. El eje horizontal representa la huella de carbono en Gtons/año producida por redes TIC. Para cada barra, en verde obscuro se representa la huella de carbono generada en la construcción e implementación de las redes TIC, mientras que en verde claro la huella de carbono generadas por el funcionamiento de las redes en sí. Se estima que el 2020 las redes TIC cubrirán el 2,7% del total de emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global. Es por ello que la inclusión de políticas medioambientales y medidas de consumo energético que se orienten hacia la incorporación de tecnologías de redes energéticamente eficientes son fundamentales. Un estudio realizado en [19] desarrolla una proyección, de cómo las redes eco-sustentables disminuirán el consumo energético comparado con las redes con tecnología actual. Además se realiza una proyección de los ahorro en términos monetarios de la implementación de redes eco-sustentables. Esta información se presenta en el grafico 1.2 a) y b).

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas_de_efecto_invernadero


3

Gráfico 1.2a: Estimación de Consumo energético para infraestructuras de

telecomunicaciones Europea en escenarios: Proyección con tecnología actual (BAU) y Red Eco sustentable (ECO), y la curva de ahorro acumulativo de energía entre ambos

escenarios.

Gráfico 1.2b: Estimación de Costos Operacionales para infraestructuras de

telecomunicaciones Europea en escenarios: Proyección con tecnología actual (BAU) y Red Eco sustentable (ECO) , y la curva de ahorro acumulativo de Costos entro los 2 escenarios.

La preocupación por el consumo energético de las redes ha gatillado la aparición de diversas investigaciones que describen el impacto del consumo de energía de equipos de red. En este sentido, el aspecto más preocupante es que la capacidad de internet podría eventualmente verse restringida por las limitaciones de densidad de energía y las consideraciones de la disipación de calor, en lugar de por el ancho de banda de estos


4

componentes de red [9]. Por lo tanto, resolver el problema de desarrollar componentes de

redes energéticamente eficientes así como diseñar y operar redes con bajo consumo

energético es fundamental para disminuir las proyecciones de este problema.

En [10] se presenta una revisión de literatura de tópicos relacionados con conciencia

energética en redes de telecomunicaciones. De aquí se desprende que los enfoques actuales

sobre el desarrollo de soluciones energéticamente eficientes se clasifican en:

1) Procesos de re-ingeniería.

2) Adaptación dinámica de la operación de la red

3) Inserción del modo Standby en la operación de la red

La re-ingeniería tiene por objetivo introducir el diseño de componentes de red

energéticamente eficientes, mientras que, la adaptación dinámica se refiere al

procesamiento energéticamente eficiente de los datos. Finalmente, la inserción del modo de

operación standby se utiliza para determinar en forma inteligente qué unidades o

dispositivos encender. Si los dispositivos no requieren estar activos, pasan a modo standby,

de bajo consumo energético. En esta memoria se utilizará este último enfoque, orientado a

la selección de cuáles switches activar al interior de las mallas de conmutación de los nodos

de una red.

Por ser esta una línea de investigación reciente, existen pocos trabajos previos en la

literatura. Recién el año 2011 se presentaron dos reportes en esta línea, [15] y [17]. En [15]

se expone una propuesta de apagado de componentes de la red en escenarios de bajo nivel

de tráfico. La desventaja de esta propuesta es que se presenta un análisis incompleto del

efecto de este modo de operar: sólo se presentan los beneficios en términos de eficiencia

energética que van entre un 6% a un 30% de reducción de consumo en comparación a no

realizar standby, pero no incluye un análisis de la eventual degradación del bloqueo

resultante de su implementación. En [17] se presenta un modelo de apagado diferenciado de

componentes. Dependiendo del nivel de tráfico en la red, se propone aplicar un algoritmo

de asignación de recursos que privilegia tener la mayor cantidad posible de equipos en

modo standby o un algoritmo que privilegia el uso de rutas más cortas para evitar el

bloqueo. La desventaja de este artículo es que se considera que el consumo energético al

interior del nodo como constante, lo que lo aleja de resultados reales donde el número de

switches activos al interior de una malla de conmutación afecta el consumo de la misma.

En esta memoria se propone tomar ventaja de la utilización del modo de operación standby

de los switches de las mallas de conmutación. Para esto, el algoritmo de ruteo deberá

considerar el uso de la menor cantidad posible de switches cuando establezca una conexión.


5

A diferencia de los trabajos anteriores, se analizará tanto el consumo energético como el

impacto que un algoritmo de ruteo como éste tiene en el bloqueo de la red.

El resto de esta memoria se encuentra estructurada de la siguiente manera. En el capítulo 2

se describe la capa óptica de una red, sus componentes físicos y los algoritmos de ruteo

utilizados al interior de las mallas de conmutación de los nodos. En el capítulo 3 se describe

una propuesta de algoritmo de ruteo energéticamente eficiente, mientras que en el capítulo

4 se exponen los resultados numéricos del desempeño de distintos algoritmos de ruteo para

distintos tipos de nodo. El desempeño de los algoritmos se mide en términos del consumo

energético y el bloqueo. Finalmente, el capítulo 5 presenta las conclusiones de esta

memoria y posibles líneas de trabajo futuro.


6

Capítulo 2

Conmutación en Redes Ópticas

En este capítulo se presentan los fundamentos bajo los cuales opera la

conmutación en la capa óptica de una red de datos. Para esto, primeramente se describe la

operación de la red como un modelo de capas que interactúan entre sí, con énfasis en la

capa óptica. La operación de la capa óptica se basa en los elementos de conmutación. Por

este motivo, en este capítulo se describe también en detalle estos elementos, llamados

Optical Cross Connects(OXC), sus componentes internos, tipos de arquitecturas y modos

de operación. Finalmente se presentan los algoritmos de ruteo más comúnmente utilizados

para transferir las señales de entrada a las distintas salidas de un OXC.

2.1 La Capa Óptica

Una red de datos se describe típicamente como un modelo de capas. Uno de los

modelos más aceptados es el que se muestra en la figura 2.1 correspondiente al modelo

ISO/OSI [23]. Cada una de las capas del modelo ISO/OSI cumple una función específica

dentro del proceso de comunicación. En particular, la capa física se encarga de transmitir

las señales de datos usando algún medio de transmisión. Entre los medios de transmisión


7

más utilizados se encuentran: el par de cobre trenzado, el aire y la fibra óptica. Cuando se usa fibra óptica como medio de transmisión, la capa física se conoce también como la capa óptica.

Figura 2.1: Modelo de Capas ISO/OSI para una red de datos.

La principal función de la capa óptica es el transporte de las señales ópticas entre los nodos fuente y destino. Para esto, se necesita que los enlaces sean capaces de transmitir la señal óptica sin distorsión y que los nodos sean capaces de seleccionar el enlace de salida correcto para que la información llegue a destino. El proceso de seleccionar un enlace de salida para transmitir una señal óptica que ingresa a un nodo se conoce como conmutación.

En una red dinámica orientada al establecimiento de circuitos la conmutación es una función esencial llevada a cabo por los nodos de la red. La conmutación de un nodo involucra un cambio de estado: un nodo conmuta de un estado a otro para conectar un puerto de entrada con un determinado puerto de salida. De esta manera, es posible enrutar la información desde el nodo fuente hacia al destino: conmutando los nodos intermedios de manera que permitan el flujo de datos a través de ellos en la dirección requerida.

La figura 2.2 ejemplifica un proceso de conmutación en la capa óptica. En ella un nodo en el extremo A requiere enviar información hacia otro nodo en el extremo B. Para lograr este objetivo se establece una ruta a través de la red, en la cual los nodos intermedios conmutan


8

de estado para encaminar la señal de datos hacia el destino. Para conmutar de estado, los nodos de la capa óptica (OXCs) se componen de varios dispositivos internos que permiten realizar la conmutación. Tanto los OXCs como sus componentes se describen a continuación.

Figura 2.2: Ejemplo de conmutación dentro de una red de comunicaciones óptica.

2.2 Elementos de Conmutación de la Capa Óptica

En la capa óptica, los nodos son los encargados de realizar la conmutación y se denominan Optical Cross Connects (OXCs).Un OXC es un dispositivo donde convergen y salenmúltiples líneas de transmisión. Su función es la de conmutar conexiones desde una puerta de entrada del nodo hacia una puerta de salida del mismo.

Figura 2.3: Esquemático de un OXC.

Nodos intermedios de la red.


9

En la figura 2.3 se muestra la estructura genérica de un OXC.A la izquierda de esta figura,

los cilindros negros representan las fibras que ingresan al nodo y las flechas de colores las

longitudes de onda presentes en la fibra de entrada. En este ejemplo en particular, el OXC

tiene 3 enlaces de entrada y 3 de salida. Cada enlace (fibra) transporta 3 longitudes de onda.

Cabe destacar que los OXCs comerciales son capaces de trabajar con hasta 16 fibras de

entrada/salida y hasta 160 longitudes de onda [20]. Cada fibra de entrada (proveniente

desde otro nodo de la red) ingresa a un demultiplexor (denotado demux en la figura, más

detalles acerca de la operación de los demultiplexores se encuentran en la sección 2.2.1 b),

donde la información agregada de cada fibra se separa en sus distintas longitudes de onda y

se envía a la siguiente etapa, conformada por las mallas de conmutación (más detalles

acerca de las mallas de conmutación se encuentran en la sección 2.2.1 c). Note que a la

etapa de las mallas de conmutación ingresan también señales identificadas en la figura con

flechas que vienen desde abajo. Estas son señales que no provienen de otro nodo, sino que

se generan localmente y deben ser enviadas a alguna de las fibras de salida pasando por las

mallas de conmutación. Un OXC tiene tantas mallas de conmutación como número de

longitudes de onda diferentes existan en las fibras de entrada. Cada malla de conmutación

en particular atiende una longitud de onda específica y tiene tantas entradas como fibras de

entrada tiene el OXC y tantas salidas como fibras de salida tenga el OXC. La funcionalidad

de la malla de conmutación es la de conectar cualquiera de sus entradas a cualquiera de sus

salidas, mediante dispositivos de cruce denominados switches (una descripción más

detallada de los switches se encuentra en la sección 2.2.1 d), denotados por cuadros

amarillos en la figura 2.3. Gracias a los switches, es posible desviar cualquier longitud de

onda desde una fibra entrante hacia cualquiera otra fibra de salida. Para configurar una

malla de conmutación, se usa una unidad de control. La unidad de control se encarga de

indicar qué entrada de la malla de conmutación se conecta a cuál salida de la misma (para

más detalles acerca de la unidad de control, ver sección 2.2.1 a). Finalmente, las salidas de

las mallas de conmutación que deben transmitirse a otros nodos de la red son enviadas a un

multiplexor (mux en la figura) para ser agregadas en las distintas fibras de salida mostradas

por cilindros negros a la derecha. Las señales que tienen como destino el nodo local, no

ingresan a la etapa de multiplexación sino que son enviadas a las capas electrónicas del

nodo para su posterior procesamiento (flechas hacia abajo en la figura).

A continuación, se entrega una descripción detallada de cada uno de los componentes

recién mencionados: demultiplexores y multiplexores, mallas de conmutación,

conmutadores MEMS y unidad de control.


10

2.2.1) Demultiplexores/multiplexores Un demultiplexor de un OXC es un dispositivo óptico de tipo pasivo (prisma), cuya función es desagregar las señales ópticas de las distintas longitudes de onda de una fibra entrante. Los multiplexores en cambio cumplen la función opuesta: agregar las señales ópticas provenientes de las mallas de conmutación hacia una fibra de salida.

Figura 2.4: Esquemático de las funciones de un demultiplexor (izquierda) y un multiplexor (derecha).

En el extremo izquierdo de la figura 2.4 se muestra 3 señales (cada una en una longitud de onda distinta, identificadas por los colores azul, verde y rojo) que viajan en una fibra que ingresa a un demultiplexor (denotado demux en la figura). Luego de pasar por el demultiplexor, las 3 señales se separan en señales ópticas individuales. A la derecha de la figura 2.4 se muestra el proceso inverso: las señales ópticas individuales (identificadas por los colores rojo, verde y azul) provenientes de las mallas de conmutación ingresan al multiplexor (denotado mux en la figura). El multiplexor agrega las señales sobre una misma fibra de salida. Este mecanismo es denominado multiplexación por longitud de onda, más conocido por sus siglas en inglés como WDM (Wavelength DivisionMultiplexing).


11

2.2.2) Malla de Conmutación

Una malla de conmutación es un conjunto de switches en cascada. Su función es permitir que una señal óptica entrante pueda ser ruteada hacia una salida establecida por la unidad de control.

a)

b)

Figura 2.5: Esquemático de a) mallas de conmutación en un OXC y su conexión con otros componentes y b) interior de una malla de conmutación.

La figura 2.5a) muestra una serie de señales ópticas (flechas azules), que arriban desde los demultiplexores a las mallas de conmutación. Cada malla recibe una señal óptica en una determinada longitud de onda. La primera malla solo recibe señales ópticas en la longitud de onda λ1, la segunda solo recibe señales ópticas en la longitud de onda λ2 y así sucesivamente hasta completar el número de longitudes de onda presentes en las fibras que ingresan al OXC. A la izquierda, figura 2.5b), se muestra un esquemático del interior de una malla de conmutación. Se aprecia quela señal de entrada se encamina a través de la malla de conmutación hacia una salida que la conecte con un multiplexor, donde será agregada a la fibra de salida denotada por una flecha negra.

Según la factibilidad de conexión de entradas y salidas, las mallas de conmutación pueden clasificarse como:

a) Bloqueantes: En este tipo de malla conmutación no siempre es posible establecer una conexión entre cualquier entrada y cualquier salida no utilizada. Por lo tanto, algunas conexiones pueden experimentar bloqueo (no se pueden establecer).


12

b) No Bloqueantes: En este tipo de malla de conmutación es posible conectar cualquier entrada no utilizada con cualquier salida no utilizada. La mayoría de las aplicaciones requiere de este tipo de mallas de conmutación. Dentro de este tipo de mallas, existen 2 categorías: no bloqueantes en el amplio sentido y no bloqueantes en el sentido estricto. Estas categorías se describen a continuación.

No bloqueantes en el amplio sentido: Son mallas de conmutación donde se puede conectar cualquier entrada con cualquier salida, sin necesidad de reconfigurar conexiones. A veces, para conseguir la propiedad no bloqueante, la malla requiere que las conexiones se establezcan siguiendo reglas predeterminadas de ruteo. Un ejemplo de este tipo de mallas es la arquitectura CrossBar [4].

Figura 2.6: CrossBar de 4 entradas y 4 salidas.

En la figura 2.6 se muestra un CrossBar de 4 entradas y 4 salidas. Para conectar la entrada 1 con la salida 3, la ruta atraviesa los switches hasta la columna del mismo número de la salida (3era columna) y desciende por ella hasta la salir de la malla. Si se usa esta regla de ruteo, esta arquitectura mantendrá siempre la propiedad no bloqueante de la malla de conmutación.

No bloqueantes en el estricto sentido: corresponden a las mallas de conmutación que pueden conectar cualquier entrada a cualquier salida, independientemente de cómo se han establecido las conexiones anteriores (no es necesario usar reglas de ruteo predeterminadas). Generalmente, para

Entradas

Salidas


13

conseguir esta condición se necesita una mayor cantidad de switches en la malla de conmutación. La arquitectura tipo Spanke [4] en la figura 2.7 es un ejemplo de arquitectura no bloqueante en el sentido estricto.

Figura 2.7: Spanke de 4 entradas y 4 salidas.

Algunas mallas de conmutación consiguen la propiedad no bloqueante mediante la reconfiguración de conexiones ya establecidas. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones de redes no permiten la reconfiguración de conexiones establecidas por lo que no se profundizará mayormente en ellas en esta memoria.

En la tabla 2.1 [4] se muestran las propiedades principales de varias arquitecturas de mallas de conmutación

Propiedad CrossBar Benes Spanke-Benes SpankeTipo Bloqueante Amplio sentido Reconfigurable Reconfigurable Estricto SentidoNúmero de SwitchesNúmero mínimo de switches en ruta in/out

2n-1 n

Número máximo de switches en ruta in/out

1

Tabla 2.1: Comparación de propiedades de arquitecturas de mallas de conmutación.

Las cuatro arquitecturas presentadas en la tabla 2.1 están basadas en switches tipo MEMS.Por este motivo, a continuación se describe la arquitectura interna de este tipo de switch.


14

2.2.3) Conmutadores Ópticos MEMS 2x2

Un dispositivo MEMS (del inglés Micro Electro-Mechanical Switch) es el elemento básico de construcción de una malla de conmutación. Se trata de un switch óptico capaz de redirigir una señal óptica desde una de sus entradas a una de sus salidas. Los MEMSutilizados en las mallas de conmutación son pequeños, normalmente de 2 entradas y 2 salidas (denotados como MEMS 2x2).

Un MEMS 2x2 puede encontrarse en uno de dos estados:

-Estado Barra (Bar State): El rayo de luz viaja en línea recta dentro del switch. En la figura 2.8 [22], la figura de la izquierda muestra un ejemplo de este estado en el cual la luz va desde el puerto 4 al puerto 1.Si hubiera una señal de luz desde el puerto 3, en este estado, iría a la salida 2.

- Estado Cruz (Cross State): La luz viaja en diagonal dentro del switch. En la figura 2.8, la figura de la derecha muestra un ejemplo del estado cruz, donde la luz viaja desde el puerto 3 al puerto 1.Si hubiera una señal de luz desde el puerto 4, en este estado, iría a la salida 2.

Figura 2.8: Estados de un switch MEMS.

Mediante la selección de estos estados, el MEMS 2x2 puede conectar cualquiera de sus entradas a cualquiera de sus salidas, con un máximo de 2 conexiones establecidas simultáneamente.

Para seleccionar el estado del switch, se aplica un determinado voltaje a un punto de control:- Un pulso de duración de al menos 2 ms cambia el estado del MEMS ya sea de cruz a barra o de barra a cruz.- Un voltaje de 0 V hace que el switch se mantenga en el último estado seleccionado.

La figura 2.9 [22] ilustra a su izquierda las conexiones de los pines un MEMS 2x2, y su derecha su apariencia real.


15

Figura 2.9 Conexiones Conmutador MEMS 2x2.

2.2.4) Unidad de Control OXC

La unidad de control es un dispositivo de tipo electrónico programable, cuya función es configurar las mallas de conmutación (i.e. el estado de sus switches 2x2 constituyentes) para decidir por cuál fibra de salida se envía la señal óptica de una determinada entrada. Es por tanto el agente que maneja la correcta circulación de las señales a través del OXC [1].

Figura 2.10: Unidad de control OXC.

En la figura 2.10 se muestra un esquemático de una unidad de control (denotada Control en la figura). En ella, es posible apreciar que la unidad de control se comunica con los switches presentes en las mallas de conmutación. La señal que envía la unidad de control le indica al switch a cuál estado debe conmutar para permitir a las señales ópticas entrantes en la izquierda seguir el camino apropiado hacia la salida de la malla de conmutación.


16

2.3 Arquitecturas de Optical Cross-Conects

Además de los componentes recién descritos, los OXC pueden contar con dispositivos

adicionales que ayuden a disminuir la contención entre las distintas señales ópticas.

Dependiendo del tipo de dispositivo adicional, se generan distintas arquitecturas en la

construcción del OXC. Las arquitecturas más utilizadas [2] son las que se describen a

continuación:

a) OXC Selectivo de Longitud de Onda Simple:

Esta arquitectura corresponde a un OXC básico, como el descrito en la sección anterior.

Su estructura solo permite dirigir longitudes de onda que ingresan al OXC hacia alguna de

sus salidas, como se muestra en la figura 2.3.

b) OXC Selectivo de Longitud de Onda con Buffer:

Este dispositivo corresponde a un OXC selectivo de longitud de onda al que se le ha

agregado un buffer, como se muestra en la figura 2.11. El buffer presente en este

dispositivo corresponde a una línea de fibra óptica de retardo (FDL: FiberDelay Line), cuya

operación se basa en el retraso que experimenta la señal al desviarla hacia una larga

extensión de fibra. Si la salida de una señal óptica se encuentra ocupada al momento de

requerirla, la señal es desviada hacia el buffer donde será retardada por un período de

tiempo. El tiempo de retardo debe ser tal que cuando la señal retardada salga del buffer, su

salida ya se encuentre disponible. Con este tipo de operación, se busca disminuir el bloqueo

del OXC.

Figura 2.11: OXC selectivo de longitud de onda con buffer.


17

c) OXC selectivo de longitud de onda, con conversión de longitud de onda

Este dispositivo, al igual que el anterior, busca disminuir las ocasiones de contención en las fibras de salida. Para ello, en vez de utilizar un buffer utiliza un conversor de longitud de onda que cambia la longitud de onda de la señal de entrada hacia la longitud de onda de alguna malla de conmutación que posea una salida disponible. Como muestra la Figura 2.12, la unidad de conversión de longitud de onda se encuentra inmediatamente después de los demultiplexores de entrada y es comandada por la unidad de control del OXC la cual le entrega la información de cuando realizar conversión de longitud de onda para evitar la contención.

Figura 2.12: OXC selectivo de longitud de onda con conversor de longitud de onda.

d) OXC selectivo de longitud de onda, con conversión de longitud de onda y buffer

Este dispositivo combina las ventajas de los dos anteriores, al agregar buffer y conversión de longitud de onda al OXC, como muestra la Figura 2.13. El beneficio consiste en un OXC con una probabilidad de bloqueo menor. Sin embargo, su mayor desventaja radica en los costos económicos así como el incremento de consumo energético por el conversor de longitud de onda.


18

Figura 2.13: OXC con conversión de longitud de onda y buffer.


19

2.4 Algoritmos de búsqueda de caminos en mallas de conmutación

Cuando una nueva petición llega a la malla de conmutación, debe establecerse una conexión entre los terminales de entrada y salida. Denotemos por (x,y) a una nueva solicitud de conexión entre la entrada x y la salida y. La figura 2.14 entrega un ejemplo de una malla de conmutación, donde x [1, 4] e y[1, 4] e y [1,4].

Figura 2.14: Etapas de una malla de conmutación.

Para establecer la conexión entre la entrada x y la salida y es necesario tener en cuenta el estado de los switches intermedios para determinar por cuál camino es factible establecer la conexión. Por ejemplo en la figura 2.14, los cuadros rojos representan switches de las etapas intermedias. Si se genera la nueva conexión (2,2), el primer tramo de la ruta podría ser desde el switch 5 hacia el switch 6 o bien desde el switch 5 hacia el switch 9. La elección de la mejor ruta es función del algoritmo de búsqueda de caminos al interior de la malla de conmutación. La calidad del camino escogido dependerá de la métrica que interesa optimizar.

Existen diversos algoritmos de ruteo en mallas de conmutación. Entre los más utilizados se encuentran: Random, Secuencial, Índice Mínimo, Quasi Random, Cíclico Estático y Packing [2]. Para efectos de esta memoria se utilizaron 2 de ellos. El algoritmo Packing,debido a su capacidad para re-utilizar los switches ya activos de las etapas intermedias y el algoritmo Random como medida de comparación en resultados. Estos algoritmos se describen en mayor detalle a continuación.

Etapas intermedias (en rojo)

Entradas (x)

Salidas (y)


20

Random: Se listan todos los caminos disponibles entre la entrada y la salida y se selecciona uno de ellos de manera aleatoria. En [2] se menciona que este algoritmo presenta un buen desempeño en el número de switches utilizados debido a que en ocasiones reutiliza totalmente los switches.

Packing: El algoritmo Packing utilizado en esta memoria se basa en el algoritmo de Packing propuesto para una malla de conmutación de 3 etapas en [2]. Los pasos de este algoritmo modificado son los siguientes.

Paso 1: Represente la malla de conmutación como un grafo. Cada nodo del grafo corresponde a un switch. En el grafo, agregue un enlace entre cada par de nodos que representen switches directamente conectados en la malla de conmutación.

Paso 2: Al enlace que va del nodo i al nodo j asígnele un costo igual al inverso del número de conexiones establecidas en el switch representado por el nodo j. Si el número de conexiones es igual al máximo de conexiones (2), asigne costo infinito.

Paso 3: Ejecute el algoritmo Dijkstra para encontrar el camino que use los switchescon mayor nivel de utilización.

La figura 2.15 muestra una malla de tipo CrossBar en la cual ya se han encaminado tres señales ópticas hacia 3 salidas diferentes de la malla. En 2.15a) se utiliza un algoritmo de conmutación de tipo Random, en este caso coincidente con la utilización máxima de switches para cubrir los requerimientos. Mientras que en 2.15 b) se utiliza Packing. Nótese que para cubrir los mismos requerimientos, Random en este caso utiliza 9 switches y Packing solo 6.

a) b)

Figura 2.15: Algoritmos de Conmutación al interior de malla CrossBar.


21

2.5 Resumen

En este capítulo se revisó la operación y arquitectura de los elementos de conmutación de la

capa óptica, llamados Optical Cross Connects. En particular, se dio énfasis a la operación

interna de las mallas de conmutación, sus componentes fundamentales y algoritmos de

ruteo. Este énfasis se basa en la suposición que el consumo energético de un OXC está

influenciado por el número de switches operativos. Por lo tanto, el uso de algoritmos de

ruteo que minimicen el número de switches activos debiera ayudar en la disminución del

consumo energético.

En el siguiente capítulo se propone un algoritmo de ruteo, tanto a nivel de red como a nivel

de mallas de conmutación, que busca disminuir el número de componentes que deben

activarse para establecer la conexión. El supuesto tras este tipo de operación es que un

menor número de componentes activos lleva a un menor consumo energético.


22

Capítulo 3

Propuesta de algoritmo de ruteo para bajo

consumo energético en la capa óptica.

En este capítulo, se describe el algoritmo propuesto con el objetivo de obtener un

bajo consumo energético en la capa óptica. Para ello, en primer lugar se propone una

métrica que permita orientar la elección de rutas a nivel de red y a nivel de las mallas de

conmutación. La métrica evalúa el nivel de consumo energético cuando se establece una

conexión, tomando en cuenta la configuración interna de las mallas de conmutación.

Finalmente, se describen los algoritmos de ruteo que se ejecutan a nivel de red y de nodo

con el objetivo de disminuir el valor de la métrica antes mencionada.


23

3.1 Métrica de ahorro energético

El gráfico 3.1, basado en [12], muestra cómo se distribuye el consumo energético de una red de comunicaciones de 10 nodos y 25 usuarios por nodo. La línea verde representa la potencia variable consumida en los enlaces, mientras que la morada representa el nivel de consumo en las redes de acceso, que es prácticamente constante. La línea azul muestra cómo a medida que aumenta la tasa de transmisión, mayor es el consumo energético asociado a los nodos, ya que se incrementa el flujo de datos que se conmuta a través de ellos. De la figura es posible apreciar cómo el consumo energético a nivel de red se concentra en la parte de acceso de la red y en los nodos de la red de transporte.

Gráfico 3.1: Análisis de consumo energético en una red.

En este sentido, mientras más nodos activos existan en la red, mayor será el consumo energético de la misma. Cada vez que un nodo se activa (es decir, se utiliza para establecer una conexión), es necesario utilizar algunos de los switches de su malla de conmutación. En esta memoria se supondrá que cada vez que es necesario activar un switch, esto corresponde a un cambio en su estado (que es la situación de mayor consumo). Por lo tanto, la medida de rendimiento propuesta, denotada por U, evaluará el tiempo promedio que los switches de las mallas de conmutación de los nodos se encuentran activos. Esto es:


24

Fórmula 3.1: Tiempo promedio de utilización de switches.

Donde N es el número de nodos de la red, Si es el número de switches dentro de las mallas de conmutación del nodo i y Tj corresponde al tiempo total que el switch j ha estado activo durante el período de operación de la red. Por lo tanto, U corresponde al tiempo medio que un switch ha estado activo durante el tiempo de operación de la red. Mientras menor sea este tiempo, se supondrá que mayor será el ahorro en el consumo de energía que genera un determinado algoritmo de ruteo.

3.2 Algoritmo de ruteo de bajo consumo energético en la capa óptica

Debido a la suposición de que el consumo energético de la red se concentra en los nodos, el algoritmo de ruteo propuesto se orienta a disminuir el número de nodos utilizados al establecer las conexiones de la red. A su vez, dentro de cada nodo, el objetivo es utilizar el menor número posible de switches. Por lo tanto, se trata de un ruteo a dos niveles con el mismo objetivo: a nivel de red se trata de minimizar el número de nodos que debe activarse para establecer una conexión (en otras palabras, se trata de utilizar los nodos ya activos) y a nivel de mallas de conmutación se busca disminuir el número de switches a utilizar para conectar el par entrada-salida.

A continuación se describen ambos algoritmos: a nivel de red y a nivel de mallas de conmutación.

3.2.1) Algoritmo de ruteo a nivel de red.

La parte derecha de la Figura 3.1 muestra los pasos que ejecuta el algoritmo cada vez que recibe una nueva solicitud para establecer una conexión entre un par fuente-destino en la red. En ese caso, el algoritmo ejecuta el algoritmo de Dijkstra para encontrar una ruta que ya tenga nodos activos. Existen diversas funciones de costos a asignar a los enlaces para encontrar esta ruta. En esta memoria se ha seleccionado asignar un costo igual al inverso de la carga de tráfico que tiene cada enlace. De esta manera, el algoritmo tenderá a utilizar los nodos activos más ocupados para establecer las conexiones. La idea detrás de esta elección es escoger nodos que ya están activos, y que tienen más conexiones establecidas. De esta manera, al interior de sus mallas de conmutación debieran re-utilizarse mas switches para conectar el par entrada/salida. La Figura 3.2 muestra un ejemplo de la operación del algoritmo en este caso. En la figura se ilustra el estado de los enlaces de la red en el momento en que se recibe una solicitud para establecer una conexión entre los nodos 1 y 6


25

(destacados en color verde). Los números sobre los enlaces representan la carga de tráfico (en Erlangs) de los mismos.

Al aplicar el algoritmo propuesto, la ruta seleccionada a nivel de red será la compuesta por los nodos 1-3-4-6, cuyos enlaces conectores suman una carga de tráfico mayor que cualquier otra ruta.

a) Conexión b) Desconexión

λ: Longitud de ondabajo análisis.W: Cantidad de longitudes de onda (mallas de conmutación) disponibles.2A:Establecimiento de conexión a nivel de malla de conmutación2B:Desconexión de conexión a nivel de malla de conmutación

Figura 3.1: Diagrama de Flujo Algoritmo de Elección de ruta más colapsada


26

Volviendo al diagrama de flujo de la Figura 3.1, una vez determinada la ruta, es necesario encontrar una longitud de onda disponible en cada nodo de la misma. El proceso de buscar un camino disponible en una determinada malla de conmutación (longitud de onda) de un nodo corresponde al algoritmo de ruteo a nivel de nodo (denotado 2A en el diagrama de flujo). Este proceso se describirá en la sección siguiente. De no poder encontrarse la misma longitud de onda disponible en todos los nodos de la ruta, la conexión será rechazada. En caso contrario, se establece la conexión y se actualiza la información de la carga de tráfico en los enlaces de la ruta y la utilización switches en las mallas de conmutación correspondientes de los nodos.

Figura 3.2: Ejemplo de operación de algoritmo de ruteo.

La parte derecha de la figura 3.1 describe los pasos a ejecutar cuando se produce una solicitud de desconexión (al término de la transferencia de datos entre los nodos fuente y destino). En este caso, la liberación de los recursos se implementa liberando la carga de tráfico de la conexión de los enlaces correspondientes y retirando los recursos asignados al interior del nodo (denotado 2B en el diagrama). La liberación de recursos al interior del nodo que será explicado en la sección siguiente.

3.2.2) Algoritmo de ruteo a nivel de malla de conmutación

En esta sección se describe el procedimiento que se ejecuta en el paso denominado 2A del diagrama de flujo de la Figura 3.1.


27

La sección derecha de la Figura 3.3 muestra el algoritmo que se ejecuta cuando se recibe

una solicitud de conexión entre una entrada y una salida de cada una de las mallas de

conmutación de los distintos nodos de la ruta (la selección de la malla de conmutación está

dada por la longitud de onda bajo análisis). En la malla de conmutación se verifica si es que

existen los recursos necesarios para conectar la entrada y la salida. Para esto se puede usar

cualquiera de los algoritmos de ruteo mencionados en el Capítulo 2. Sin embargo, en esta

memoria se propone el uso del algoritmo de Packing, por ser un algoritmo orientado a usar

la menor cantidad posible de switches. Si en una malla de conmutación no existen recursos

disponibles se solicita a la capa de red que asigne una nueva longitud de onda para ser

cursada por otra malla que sí cuente con recursos. En este caso, las mallas de conmutación

correspondientes a la nueva longitud de onda de todos los nodos deben re-revisarse. De

tenerse los recursos, se actualizan los estados de los switches de la malla de conmutación

para asignar la ruta para conmutar la señal óptica de entrada hacia la salida correspondiente.

En la sección derecha de la figura 3.3 b) se muestra el diagrama de flujo de los pasos

ejecutados cuando se solicita la desconexión de un circuito a nivel de red. En este caso, en

la correspondiente malla de conmutación de cada nodo de la red se deben liberar los

switches que se habían asignado para cursar la conexión.


28

a) Conexión b) Desconexión

Figura 3.3: Diagrama de Flujo del algoritmo de elección de rutas en la malla de conmutación


29

3.3 Resumen

En este capítulo se propone un algoritmo de ruteo energéticamente eficiente a nivel de red y

nivel de malla de conmutación. A nivel de red, el algoritmo corresponde a la ejecución del

algoritmo de Dijkstra con el objetivo de encontrar las rutas que contengan nodos ya activos

con mayor nivel de tráfico. Se pretende con ello aumentar el número de switches a nivel de

malla de conmutación que sean re-utilizados en las rutas entre entrada y salida de la malla,

con el fin de que estén activos a su máxima capacidad. A nivel de malla de conmutación se

propone la utilización del algoritmo Packing que enruta las señales ópticas a través de los

switches que ya están siendo utilizados, reduciendo con ello el consumo energético de la

malla.

En el siguiente capítulo se exponen los resultados del desempeño del algoritmo propuesto,

obtenidos mediante en 2 topologías de red. El desempeño se evaluará en términos de la

métrica presentada en este capítulo, así como en términos de bloqueo.


30

Capítulo 4

Resultados Numéricos

En este capítulo se presentan los resultados obtenidos mediante simulación del

algoritmo propuesto en el capítulo 3, en términos de consumo energético (medido según se

explicó en el Capítulo 3) y bloqueo. Para ello primeramente se entregan los datos

relevantes de las topologías de red en las que se estudia el desempeño del algoritmo y los

tipos de mallas de conmutación utilizadas. Luego, se evalúa el desempeño del algoritmo

propuesto, así como un algoritmo clásico (que no considera el consumo energético en la

toma de decisiones). El análisis del rendimiento de cada algoritmo simulado se analiza

según el impacto que tiene la arquitectura de la malla de conmutación, el tipo de ruteo

utilizado en las mallas de conmutación y la topología. Finalmente se presenta un análisis

del compromiso existente entre la eficiencia entre ahorro energético y bloqueo del

algoritmo propuesto.

.


31

4.1 Topologías de red estudiadas

Para llevar a cabo la simulación de los algoritmos propuestos se utilizaron topologías con nodos con grado nodal (número de enlaces incidentes a un nodo) entre 1 y 6. Esto significa que el número de entradas y salidas de las mallas de conmutación de los nodos, dependiente del grado nodal del nodo al cual pertenezcan, se encuentra entre 1 y 7 ya que cada malla de conmutación tiene un número de entradas y salidas igual al grado nodal más 1. Es decir, si el grado nodal en uno de los nodos resultó ser 4, el número de entradas y salidas de cada malla de conmutación resulta ser 5, para permitir una entrada y salida dedicada a la generación y recepción de datos, respectivamente. Las topologías Eurocore y NSFNet además de las características de cada uno de sus nodos se presentan en la figura 4.1a) y 4.1b) respectivamente.

Eurocore

11 Nodos 25 Enlaces bidireccionales

Nodo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Grado Nodal 4 5 4 4 5 4 5 5 5 4 5

Número de switches por malla(CrossBar)

25 36 25 25 36 25 36 36 36 25 36

Número de switches por malla (Spanke)

40 60 40 40 60 40 60 60 60 40 60

Figura4.1a: Datos Nodales Eurocore.


32

NSFNet

14 Nodos 21 Enlaces bidireccionales

Nodo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Grado Nodal 3 3 3 3 3 4 2 3 4 2 3 3 3 3

Número de switches por malla(CrossBar)

16 16 16 16 16 25 9 16 25 9 16 16 16 16

Número de switches por malla(Spanke)

24 24 24 24 24 40 12 24 40 12 24 24 24 24

Figura4.1b: Datos Nodales NSFNet.

4.2 Arquitectura de los nodos

En el capítulo 2 se describió la estructura interna de las mallas de conmutación más comúnmente utilizadas en nodos de red. Esta memoria se enfoca en el uso de mallas de conmutación no bloqueantes. En particular, se estudiará el impacto de usar las mallas de tipo CrossBar y Spanke mostradas en la figura 4.2. La tabla 4.1 [5] muestra las características para las mallas utilizadas en las simulaciones, donde n corresponde al número de entradas que posee una malla de conmutación.


33

a) CrossBar b) Spanke

Figura 4.2 : Mallas de conmutación a) CrossBar de 4 entradas y 4 salidas y b) Spanke de 4 entradas y 4 salidas.

Propiedad CrossBar SpankeNumero de switchesNúmero mínimo de switches en una ruta 1Número máximo de switches en una ruta

Tabla 4.1: Propiedades numéricas en mallas de conmutación.

4.3 Resultados numéricos

El rendimiento del algoritmo propuesto se evaluó para distintas arquitecturas (CrossBar ySpanke) y algoritmos de ruteo (Packing y Random) de las mallas de conmutación de los nodos. A modo de comparación, un algoritmo de ruteo a nivel de red típico que escoge las rutas con menor tráfico (con el objeto de balancear la carga en la red) fue también incluido en los experimentos de simulación.

En la tabla 4.2 se muestran las combinaciones de algoritmos de ruteo a nivel de red, a nivel de malla de conmutación y arquitecturas de malla de conmutación usadas con cada una de las topologías de red mencionadas en 4.1.


34

Algoritmo de ruteo a nivel de red Algoritmo de ruteo a nivel

de malla de conmutación

Tipo de malla de

conmutación

Camino con menos tráfico (DT, Dijkstra

con costo de enlace cursado = tráfico)

Random CrossBar

Spanke

Packing CrossBar

Spanke

Camino con mayor tráfico(DIT, Dijkstra

con costo de enlace cursado= 1/tráfico)

Random CrossBar

Spanke

Packing CrossBar

Spanke

Tabla 4.2: Simulaciones realizadas para combinaciones de algoritmos de ruteo a nivel de

red y a nivel de nodo

Para los experimentos de simulación se supuso que las solicitudes de conexión se

encuentran uniformemente distribuidas entre todos los pares de nodos origen-destino. El

tiempo entre generación de solicitudes de conexión de un determinado par fuente-destino se

supuso distribuido según una variable aleatoria exponencial. El valor medio del tiempo de

duración de una conexión se estimó como una variable aleatoria exponencial con valor

medio 0,95, pero que puede tomar distintos valores cada vez. Este tiempo (duración de una

conexión) corresponde también al tiempo en que los switches de la malla de conmutación

permanecen encendidos durante una conexión. Cada uno de los switches simulados

corresponde a una estructura MEMS de 2entradas y 2 salidas. La carga de tráfico, definida

como tON/(tON+tOFF), donde tON es el tiempo medio que una conexión se encuentra activa y

tOFF el tiempo medio entre solicitudes de conexión, se varió desde 0,1 hasta 0,9[Erlangs]

para cada una de las combinaciones mencionadas en la tabla 4.2. Por último cada una de las

simulaciones se realizó hasta alcanzar el máximo de 100.000 eventos y con un número fijo

de 4 longitudes de onda por enlace para ambas topologías.

4.3.1) Resultados para algoritmo de ruteo Packing (nivel malla de

conmutación)

Para evaluar los algoritmos de ruteo a nivel de red especificados en la tabla 4.2, se ha

mantenido constante el algoritmo de ruteo a nivel de mallas de conmutación al interior de

los nodos.

Las curvas presentadas en los gráficos 4.1 a) y 4.1 b) corresponden al tiempo promedio de

utilización de los switches, U (métrica descrita en Capítulo 3), para diferentes cargas de

tráfico en las topologías Eurocore y NSFNet. En ambas se utiliza Packing como algoritmo

de ruteo a nivel de malla de conmutación y se evalúan los algoritmos DT (Dijkstra con el


35

costo de cada enlace cursado igual al tráfico cursado en él) y DIT (algoritmo propuesto, correspondiente a la ejecución del algoritmo de Dijkstra con el costo de cada enlace igual al inverso del tráfico cursado en el) a nivel de red. Las mallas de conmutación consideradas son CrossBar y Spanke.

Gráfico 4.1 a): Utilización vs Carga en Eurocore utilizando Packing a nivel de nodo.

Gráfico 4.1 b): Utilización vs Carga en NSFNet utilizando Packing a nivel de nodo.


36

De los gráficos anteriores se observa que, tanto para Eurocore como para NSFNet, las combinaciones que utilizan CrossBar como malla de conmutación mantienen los switchesactivos por menos tiempo. Este comportamiento se debe a que Packing evita utilizar los switches que no están operativos. Para el caso de la malla de conmutación Spanke se observa un comportamiento independiente del ruteo a nivel de red. Esta característica se explica por la propiedad de las arquitecturas Spanke de utilizar siempre el mismo número de switches entre una entrada y cualquiera de sus salidas, independientemente de la entrada y salida que se quiera conectar. La arquitectura tipo CrossBar en cambio usa un número distinto de switches dependiendo del par entrada-salida a conectar (ver datos de Tabla 4.1). Se puede ver además que la mejor combinación, en términos de la métrica de interés (U, utilización de switches), ocurre al ocupar mallas del tipo CrossBar junto con el algoritmo DIT a nivel de red.

4.3.2) Resultados para algoritmo de ruteo Random (nivel malla de conmutación)

En las curvas presentadas en los gráficos 4.1 c) y 4.1 d) se ocupan los mismos algoritmos de ruteo a nivel de red (DT y DIT) y las mismas mallas de conmutación (CrossBar ySpanke) que en 4.3.1), pero esta vez se utiliza Random como algoritmo de ruteo a nivel de malla de conmutación.

Gráfico 4.1 c): Utilización vs Carga en Eurocore utilizando Random a nivel de Nodo.


37

Grafico 4.1 d): Utilización vs Carga NSFNet utilizando Random a nivel de Nodo.

Al cambiar el algoritmo de ruteo a nivel de malla de conmutación por Random, se observa que las curvas de las combinaciones que utilizan mallas del tipo Spanke ahora son mejores en términos de utilización promedio que aquellas que utilizan CrossBar. Esto debido a que Random reutiliza switches solo en forma aleatoria y por lo tanto, en algunos casos puede ocupar los caminos que utilizan mayor cantidad de switches entre una entrada y una salida.Sin embargo, en términos generales el análisis de ambas gráficas (4.1c ,4.1d) muestra que el rendimiento del algoritmo Random resulta un poco peor que el del algoritmo Packingcomo algoritmo de ruteo en malla de conmutación.

Además se puede apreciar que al usar Random, el rendimiento en los nodos que usan mallas de tipo Spanke no cambia significativamente respecto de la elección del algoritmo de ruteo a nivel de red.

Para apreciar de mejor manera el comportamiento de las combinaciones de algoritmos propuestos tanto a nivel de red como de nodo, junto con su operación en mallas del tipo CrossBar como Spanke, las gráficos 4.2 a) y 4.2b) presentan la misma información de las gráficas 4.1 a) y c) y 4.1. b) y d), respectivamente, de manera conjunta.


38

Gráfico 4.2 a): Comparación Utilización Promedio Eurocore.

Gráfico 4.2 b): Comparación Utilización Promedio NSFNet.


39

En ambas gráficas se aprecia que la mejor combinación para los casos estudiados ocurre al

utilizar a nivel de red el algoritmo DIT y a nivel de nodo el algoritmo de Packing y las

mallas de conmutación del tipo CrossBar. Al usar este algoritmo se obtiene una mejora de

hasta un 17% y 12% en la métrica U en las redes Eurocore y NSFNet respectivamente, con

respecto al peor caso (DT a nivel de red, Random a nivel de nodo y mallas de conmutación

CrossBar).

La mejor combinación se fundamenta en que a nivel de red DIT no busca el camino más

corto, sino que el que esté cursando mayor tráfico, con lo cual satura más rápido la red.

Esto sumado al hecho de que a nivel de malla de conmutación de tipo CrossBar el

algoritmo de ruteo Packing reutiliza los switches que están siendo ya utilizados permite

disminuir el uso de nuevos switches en las diferentes mallas de conmutación de los nodos

en la red. Mientras que la peor combinación se produce por utilizar el algoritmo Random a

nivel de malla de conmutación, el cual ocupa cualquiera de los switches presentes en las

etapas intermedias de la malla de tipo CrossBar, muchas veces utilizando los caminos que

utilizan la máxima cantidad de switches para conectar una entrada y una salida.

A continuación se muestra una comparación del desempeño de las dos topologías de red

estudiadas en términos de la utilización promedio de switches.

4. 3.3) Comparación de utilización con respecto a las topologías estudiadas

En el gráfico 4.3 se presenta un gráfico comparativo del desempeño de los

algoritmos estudiados en ambas topologías: Eurocore y NSFNet utilizando Packing y

Random como algoritmo de ruteo a nivel de malla de conmutación. Es posible apreciar que

para los casos estudiados siempre la topología Eurocore tuvo un mayor tiempo promedio de

utilización que NSFNet, independientemente de la combinación de algoritmos y mallas de

conmutación usada.


40

Gráfico 4.3: Promedio de utilización en diferentes topologías de red.

El peor comportamiento de la topología Eurocore en términos de consumo energético tiene relación con la conectividad física de la red (ver Tabla 4.3), la capacidad asignada por enlaces (4 longitudes de onda por canal para cada topología, lo que implica 5 mallas de conmutación por nodo) y el número de conexiones a establecer. Tomando como caso límite el uso de los caminos con menor número de saltos, el largo medio de un camino en Eurocore es de 1,58 saltos [18]. Considerando que en un camino de x saltos, se deben usar las mallas de conmutación de x+1 nodos, en Eurocore se usa un promedio de 2,58 nodos por par de nodos [18]. En el peor caso, se deben establecer 110 conexiones, lo que implica un total de 110 x 2,58=345,4 conexiones establecidas en todas las mallas de conmutación. Dividiendo este número por el número de mallas de conmutación (5 x 14 nodos), se tiene que en cada nodo se debe establecer en promedio 6,28 conexiones. Haciendo este mismo análisis con la red NSFNet (con un largo promedio de ruta de 2,14 saltos) se obtiene un promedio de 6,19 conexiones por switch. Es decir, en NSFNet se requiere activar un menor número switches en promedio, lo que es coherente con los resultados del gráfico 4.3.


41

Red N(Nro. Nodos) L(Enlaces) Nodos x par de nodos

Eurocore 11 25 2,58NSFNet 14 21 2,143

Tabla 4.3 Conectividad física en topologías de red estudiadas.

Además de estudiar los impactos de los algoritmos de red, los de malla de conmutación propuestos, así como también comparar el comportamiento de las topologías estudiadas, se hace necesario ver el compromiso en bloqueo que acarrean estas mejoras al desempeño de la red en términos energéticos.

4.3.4) Análisis en términos de bloqueo

El objetivo de este análisis es observar el compromiso en términos de bloqueo debido a la mejora en términos de eficiencia energética que resulta de utilizar el algoritmo propuesto. Para esto, se midió el bloqueo promedio para distintas cargas de tráfico en las topologías Eurocore y NSFNet considerando solo los algoritmos de ruteo a nivel de red presentados en la tabla 4.1. Esto debido a que como las estructuras de las mallas de conmutación son del tipo no bloqueante, no afectan al bloqueo de la red. El gráfico 4.4 muestra los resultados obtenidos.

Gráfico 4.4: Tasa de Bloqueo vs Carga según algoritmo de ruteo.


42

Como se aprecia en la gráfica anterior, la mejora en términos de utilización de switches

conseguida con DIT lleva consigo un costo traducido en un incremento de la probabilidad

de bloqueo a nivel de red. Al preferir las rutas con mayor tráfico para reutilizar switches,

DIT tiende a preferir rutas más largas que lo estrictamente necesario, lo que contribuye a

saturar más rápidamente la red.

Además se observa que el bloqueo producido por la utilización de estos algoritmos

de ruteo en NSFNet es mayor que Eurocore, debido a que el número de conexiones versus

capacidad en esta red es mucho menor que lo que sucede en Eurocore(4 longitudes de onda

por enlace en cada red, como se muestra en la tabla 4.4.).

Conexiones posibles

(pares de nodos )

Capacidad Enlaces

(Enlaces x Nro Long. Onda)

NSFNET 14x13=182 42 x 4=168

Eurocore 11x10=110 50 x 4=200

Tabla 4.4: Conexiones posibles vs Capacidad NSFNet y Eurocore.

4.4. Resumen

En este capítulo se presentaron los resultados numéricos obtenidos mediante simulación de

distintos escenarios en los cuales se aplican combinaciones de algoritmos de ruteo a nivel

de red y de malla de conmutación para 2 topologías. Los resultados obtenidos evalúan la

eficiencia energética de los algoritmos propuestos en términos de utilización de switches en

las mallas de conmutación de los nodos de la red. Estos resultados fueron mostrados

mediante gráficos comparativos junto con las conclusiones obtenidas de ellos. El principal

hallazgo de este capítulo fue la identificación de la combinación de algoritmo de ruteo de

nivel de red-algoritmo de ruteo malla de conmutación-arquitectura de malla de

conmutación que entrega el mejor resultado en términos de consumo energético:

DIT+Packing+CrossBar.

Adicionalmente, se demostró que la mejora en consumo se produce a expensas de un

aumento en el bloqueo de la red. En este caso en particular, lo que busca el algoritmo

propuesto es realizar el ruteo por las rutas más utilizadas, lo que trae consigo un aumento

en este factor.


43

Capítulo 5

Conclusiones y trabajos futuros

En esta memoria se ha propuesto un algoritmo de ruteo que asigna caminos prefiriendo

aquellas rutas cuyos nodos ya estén activos. El objetivo de este algoritmo es mantener la

mayor cantidad de nodos/switches en estado standby, con el consecuente ahorro de energía.

El rendimiento del algoritmo fue evaluado en distintas topologías de red en términos de

tiempo promedio de utilización de los switches de las mallas de conmutación y del bloqueo

obtenido. El rendimiento del algoritmo además se comparó con otro algoritmo de ruteo que

intenta utilizar las rutas con menor tráfico, que es una política de ruteo comúnmente usada

(balance de carga).También se analizó el impacto que el algoritmo de ruteo a nivel de malla

de conmutación, las arquitecturas de mallas de conmutación y la topología de red tienen

sobre el rendimiento del algoritmo.

Los resultados obtenidos muestran que el algoritmo propuesto, en conjunto con la elección

de una malla de conmutación de tipo CrossBar y un algoritmo de ruteo en malla de

conmutación Packing, logra un menor consumo energético que las otras combinaciones de

algoritmos y mallas de conmutación en las topologías estudiadas.


44

En términos de impacto del tipo de malla de conmutación utilizado, los resultados muestran

que el desempeño de la arquitectura de malla de conmutación CrossBar depende

fuertemente del algoritmo de ruteo a nivel de red y de malla de conmutación empleado. En

cambio, al utilizar la arquitectura Spanke, los resultados muestran una independencia sobre

los algoritmos a nivel red y malla de conmutación utilizados, debido a que en esta

arquitectura el número de switches que debe activarse para establecer una nueva conexión

es constante. En este sentido, si se utiliza el algoritmo Packing a nivel de malla de

conmutación, los resultados de Spanke son peores que los obtenidos con CrossBar en

términos de energía, pero si se utiliza el algoritmo Random a nivel de malla de

conmutación, los resultados de la arquitectura Spanke son mejores.

En términos de algoritmos de ruteo a nivel de malla de conmutación, en los casos

estudiados, Packing obtuvo siempre un mejor desempeño que Random al utilizar mallas de

conmutación del tipo CrossBar. Esto debido a que Packing se orienta a la reutilización de

los switches, mientras que Random no. En el caso de la arquitectura Spanke, el algoritmo de

ruteo no tiene incidencia en el número de switches utilizados por lo que no existe ganancia

en términos de ahorro de switches.

Los resultados del impacto de la topología de red muestran que en los casos estudiados, a

igualdad de capacidad por enlace, una topología más conectada (EuroCore) tiene una

mayor utilización promedio de switches de malla de conmutación que una menos conectada

(NSFNet) siendo por tanto la menos conectada más eficiente en términos de energía. Sin

embargo una topología menos conectada (NSFNet) tiene un nivel de bloqueo mayor a una

topología menos conectada (Eurocore), debido al número de conexiones versus capacidad

de este tipo de red.

Por último el análisis de bloqueo muestra, en los casos estudiados, que al utilizar el

algoritmo propuesto se obtiene un aumento de en promedio un 2% en el caso de Eurocore y

de un 4% en promedio en al caso de NSFNet en el bloqueo de conexiones respecto de no

utilizar el criterio de eficiencia energética.

Entre las posibles extensiones a esta memoria se encuentran:

- Evaluar el algoritmo en un escenario de tráfico del tipo “elefantes y ratones”, donde

los nodos no generan tráfico de manera uniforme (como se supone en esta

memoria) sino que muy pocos nodos generan el 80% del tráfico (elefantes) y el

resto de los nodos generan el 20% del tráfico (ratones).Se espera en este sentido

una mejora de los resultados de tiempo promedio de utilización de switches

debido a que se podría colocar en standby una mayor cantidad de nodos/switches

(los que generen poco tráfico en la red) y concentrar el consumo en los nodos que

emitan mayor tráfico(elefantes).


45

- Diseñar un nuevo algoritmo de ruteo donde la elección de la ruta de red y de ruta a

nivel de malla de conmutación no sean procesos separados sino que realizados en

forma conjunta por la unidad de control al interior del nodo. Se espera que esto

mejore el rendimiento tanto en términos de eficiencia energética, ya que se

decidirá por cuales nodos se debe enrutar la conexión para mantener el estado de

standby, como también en términos de bloqueo, pues la ruta será escogida en

tiempo de ejecución privilegiando aquellas que tengan componentes activas pero

con menor probabilidad de bloqueo.

- Analizar el impacto del algoritmo propuesto no sólo en términos de la

utilización de mallas de conmutación, sino también incluir otros componentes al

usar el modo standby en la red, tales como amplificadores ópticos y

convertidores de longitud de onda. Con ello se espera tener una visión más

realista de la eficiencia energética real del algoritmo propuesto.


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