Sobrevivência em Redes Ópticas Elásticas

A principal comparação realizada no estudo se centra na taxa de bloqueio entre as estratégias de proteção dedicada e compartilhada em redes ópticas elásticas. Os resultados das simulações indicaram que, na maioria das redes simuladas, a taxa de bloqueio da proteção compartilhada ficou em torno de 0,5 da taxa observada na proteção dedicada. Em alguns casos específicos, essa diferença foi ainda mais acentuada, atingindo uma razão de 0,3. Esse dado demonstra uma redução significativa na probabilidade de bloqueio ao se utilizar a proteção compartilhada, sugerindo uma maior eficiência dessa estratégia no que tange a garantir a disponibilidade de conexões. A redução na taxa de bloqueio é um fator crucial na avaliação do desempenho de uma rede, afetando diretamente a qualidade do serviço oferecido aos usuários.

Em relação à utilização de recursos, o estudo não identificou diferenças consideráveis entre as duas estratégias de proteção quando analisada a utilização absoluta de recursos. No entanto, uma análise mais profunda, considerando a taxa de bloqueio, a fragmentação de rede e a carga da rede, revelou impactos significativos. A fragmentação da rede apresentou valores consideravelmente mais altos na proteção dedicada, chegando a 0,8 em algumas redes simuladas. Por outro lado, na proteção compartilhada, a fragmentação máxima observada foi de 0,6. A diferença na fragmentação é relevante pois indica uma melhor organização e utilização do espectro na estratégia de proteção compartilhada. A fragmentação excessiva na proteção dedicada pode levar a uma redução na capacidade de atender novas requisições, mesmo com recursos disponíveis na rede. Redes como Memorex, Metrona e RNP mostraram um aumento na carga média suportada de aproximadamente 50% com o uso da proteção compartilhada, indicando uma maior eficiência na utilização dos recursos disponíveis.

A sobrevivência da rede, capacidade de manter a conectividade mesmo em caso de falhas, é um aspecto fundamental, porém impõe desafios em termos de performance, custo e complexidade de controle. Em redes óticas elásticas, o problema de roteamento e alocação de tráfego torna-se ainda mais complexo do que em redes fixas tradicionais, devido a restrições mais severas de continuidade e contiguidade. O estudo destaca que a sobrevivência exige uma quantidade significativa de recursos, o que pode influenciar diretamente na ocorrência de eventos de bloqueio. As estratégias de proteção, tanto dedicada quanto compartilhada, impactam diretamente na sobrevivência, sendo que a escolha da estratégia ideal envolve um equilíbrio entre a garantia de continuidade do serviço e a utilização eficiente dos recursos da rede. A análise dos resultados demonstra a influência direta da estratégia de proteção na sobrevivência, impactando na taxa de bloqueio e na fragmentação da rede.

O principal objetivo do estudo foi avaliar a relação entre as estratégias de proteção (dedicada e compartilhada) e outras propriedades da rede afetadas por essas estratégias, em EONs. A pesquisa comparou as taxas de bloqueio e a utilização de recursos para ambas as estratégias, analisando ainda características específicas dos eventos de bloqueio. Para alcançar este objetivo, o estudo utilizou simulações em diversas redes, permitindo analisar o impacto das estratégias de proteção em diferentes cenários e topologias de rede. A metodologia empregada envolveu a comparação das métricas de desempenho obtidas nas simulações, permitindo identificar as vantagens e desvantagens de cada estratégia de proteção considerando fatores como a taxa de bloqueio, a fragmentação da rede e a utilização de recursos. A escolha de métricas específicas permitiu uma análise quantitativa e comparativa do desempenho de cada abordagem.

O problema de roteamento e alocação de espectro (RSA) em Redes Óticas Elásticas (EONs) é significativamente mais complexo do que em redes fixas tradicionais. Enquanto em redes fixas o problema se resume ao Roteamento e Atribuição de Comprimento de Onda (RWA), nas EONs evolui para o Roteamento, Modulação e Alocação de Espectro (RMLSA), introduzindo novas restrições ao processo de engenharia de tráfego. A maior complexidade surge da necessidade de alocar recursos considerando a modulação utilizada, além do roteamento e da atribuição do espectro. Nas redes fixas, as restrições de continuidade e contiguidade, embora presentes, são menos severas que nas EONs. A capacidade de utilizar diferentes níveis de modulação, em conjunto com a menor granularidade na alocação do espectro óptico nas EONs, aumenta a complexidade do problema, pois é necessário encontrar uma faixa de espectro contígua e disponível em todos os enlaces do caminho desejado, levando em conta a largura de banda requerida pelo sinal modulado.

Nas EONs, a alocação de espectro é regida por restrições mais severas de contiguidade e continuidade. A contiguidade exige que o espectro alocado para um lightpath (caminho de luz) seja composto por slots de frequência adjacentes. A continuidade garante que a mesma faixa de espectro esteja disponível em todos os enlaces ao longo do caminho selecionado. Qualquer violação dessas restrições impede a alocação do lightpath. Em contraste, as redes tradicionais de grade fixa ou WDM (Wavelength-division Multiplexing) exigem apenas a continuidade, sem a restrição de contiguidade, simplificando o processo de alocação. A figura 5.1 ilustra uma situação onde a restrição de continuidade é violada, impedindo a alocação de uma requisição que demanda 3 slots. A necessidade de atender a ambas as restrições simultaneamente nas EONs, aumenta consideravelmente a dificuldade em encontrar um caminho viável para uma determinada requisição, impactando diretamente na taxa de bloqueio da rede.

A eficiência espectral em EONs é um fator crucial, representando a relação entre a faixa de espectro necessária para a transmissão de dados e a faixa de espectro alocada. A eficiência espectral ótima é alcançada quando a demanda é um múltiplo exato do tamanho do slot de frequência. No entanto, nas EONs, mesmo com demandas que não são múltiplos exatos do tamanho do slot, a eficiência espectral aumenta consideravelmente em comparação com as redes fixas tradicionais devido à menor granularidade dos slots. A menor granularidade permite que o espectro seja usado de forma mais eficiente, minimizando o desperdício em casos onde a demanda não se alinha perfeitamente com o tamanho do slot. A figura 1.1 e 1.2 ilustram a diferença de desperdício de espectro entre uma rede fixa e uma elástica, mostrando a vantagem das EONs em termos de eficiência espectral. A melhoria da eficiência espectral nas EONs é um dos principais motivadores para a adoção dessa arquitetura.

A proteção dedicada em redes de telecomunicações aloca recursos exclusivos para cada caminho de proteção, garantindo uma alta disponibilidade em caso de falhas. Essa abordagem reserva capacidade ociosa na rede para o caminho de proteção, assegurando uma rápida recuperação em caso de falha no caminho principal (working path). No entanto, essa estratégia apresenta a desvantagem do alto consumo de recursos. Um caminho de proteção dedicado é, no mínimo, tão custoso quanto o caminho principal, e geralmente mais custoso. Essa alta demanda por recursos pode levar a uma baixa eficiência no uso total da capacidade da rede. Além disso, embora a proteção dedicada garanta uma recuperação rápida, o custo de manter essa capacidade reservada pode ser proibitivo, especialmente em redes de grande porte. A abordagem dual-feeding (1+1), onde o tráfego é enviado simultaneamente por dois caminhos, representa uma solução mais ambiciosa, mas também com o inconveniente de um consumo excessivo de energia.

Em contraste com a proteção dedicada, a proteção compartilhada utiliza os recursos de forma mais eficiente. Nesse método, os recursos de proteção são compartilhados entre múltiplos caminhos, reduzindo a necessidade de capacidade ociosa na rede. Essa estratégia otimiza a utilização dos recursos, porém aumenta a complexidade do controle de roteamento e alocação de espectro em caso de falhas. Para garantir a proteção, os caminhos compartilhados devem ser disjuntos por enlace, evitando que uma única falha afete múltiplos caminhos simultaneamente. A figura 6.3 ilustra um exemplo de dois caminhos de proteção (P1 e P2) compartilhando recursos em um enlace, demonstrando a eficiência em termos de utilização de recursos. Apesar da economia de recursos, o gerenciamento de falhas e a realocação de tráfego se tornam mais complexos, exigindo algoritmos de roteamento e alocação mais sofisticados.

A simulação comparativa entre as estratégias de proteção dedicada e compartilhada revelou resultados significativos. Embora a utilização absoluta de recursos não tenha apresentado diferenças consideráveis entre as duas estratégias, o impacto sobre a taxa de bloqueio, fragmentação e carga da rede foi substancial. A razão entre os recursos utilizados pela proteção compartilhada e a dedicada ficou em torno de 0,9, indicando que a economia direta de recursos não foi tão significativa quanto esperado. Entretanto, a proteção compartilhada demonstrou uma melhora considerável na taxa de bloqueio, chegando a apenas 9% da taxa obtida com proteção dedicada em alguns cenários. Essa melhora se deve principalmente à menor fragmentação da rede observada na proteção compartilhada. Em resumo, a proteção compartilhada se apresenta como uma opção mais eficiente em termos de taxa de bloqueio e fragmentação, apesar da economia de recursos não ser tão expressiva em termos absolutos.

A análise da taxa de bloqueio revelou uma diferença significativa entre as estratégias de proteção dedicada e compartilhada. Na maioria das redes simuladas, a taxa de bloqueio da proteção compartilhada foi cerca de metade (0,5) da taxa observada na proteção dedicada. Em alguns casos, a diferença foi ainda maior, alcançando uma razão de 0,3. Isso indica que a estratégia de proteção compartilhada apresenta uma melhora substancial na capacidade da rede de atender novas solicitações, reduzindo significativamente a probabilidade de bloqueio. Essa redução na taxa de bloqueio é crucial para garantir a qualidade do serviço em redes de telecomunicações, impactando diretamente na experiência do usuário. A menor taxa de bloqueio na proteção compartilhada é um resultado importante, sugerindo que, apesar da maior complexidade, essa estratégia oferece vantagens significativas em termos de desempenho.

A comparação da utilização de recursos entre as duas estratégias não mostrou diferenças significativas em termos absolutos. Ou seja, a quantidade total de recursos utilizados não variou drasticamente entre a proteção dedicada e a compartilhada. No entanto, ao analisar os efeitos sobre a taxa de bloqueio, a fragmentação e a carga da rede, a diferença se tornou evidente. A proteção dedicada, apesar de utilizar uma quantidade de recursos semelhante à proteção compartilhada, apresentou uma fragmentação de rede muito maior, chegando a 0,8 em algumas redes, enquanto a máxima na proteção compartilhada foi 0,6. Isso sugere que, embora os recursos sejam utilizados em quantidades parecidas, a forma como eles são alocados impacta significativamente o desempenho da rede. A maior fragmentação na proteção dedicada pode indicar uma pior utilização dos recursos, dificultando o atendimento de novas solicitações.

A fragmentação da rede, resultante da alocação não contígua de recursos, mostrou-se significativamente maior na proteção dedicada (atingindo valores em torno de 0,8 em algumas redes) do que na proteção compartilhada (com valores máximos de 0,6). Essa diferença na fragmentação tem um impacto direto na capacidade da rede em atender novas requisições. Redes como Memorex, Metrona e RNP, apresentaram aumento de quase 50% na carga média suportada com o uso de proteção compartilhada. A menor fragmentação, consequentemente, resulta em uma maior eficiência na utilização dos recursos disponíveis, permitindo que a rede suporte uma carga maior sem um aumento proporcional na taxa de bloqueio. A carga da rede e a fragmentação são, portanto, métricas importantes para avaliar a eficiência das estratégias de proteção em EONs.

A análise dos eventos de bloqueio revelou que, nas simulações com proteção compartilhada, não houve bloqueio no caminho de proteção, corroborando a ideia da maior eficiência desta estratégia. Em contraste, na maioria dos testes com proteção dedicada, apenas cerca de metade dos bloqueios ocorreram no caminho de proteção. Esse dado reforça a diferença de desempenho entre as duas estratégias, indicando que a proteção dedicada apresenta maior vulnerabilidade a bloqueios, mesmo com a alocação de recursos adicionais para o caminho de proteção. A análise da exaustão de rota, como causa de bloqueio, mostrou-se pouco significativa, com apenas 3 ocorrências nas redes Deutsch, Omnicom e Via Data Center. Em maior parte dos casos, os bloqueios ocorreram devido à fragmentação do espectro, evidenciando a necessidade de estratégias de desfragmentação para melhorar a eficiência da proteção dedicada.

Os resultados da pesquisa demonstram que a estratégia de proteção empregada em redes óticas elásticas tem um impacto significativo na performance da rede como um todo. A escolha entre proteção dedicada e compartilhada afeta diretamente a taxa de bloqueio, a fragmentação de rede e a utilização dos recursos. Constatou-se que a proteção compartilhada, apesar de não apresentar uma grande economia de recursos em termos absolutos, resulta em uma melhora drástica na taxa de bloqueio, principalmente devido à redução da fragmentação de espectro. Um bom projeto de rede, portanto, precisa considerar cuidadosamente o equilíbrio entre a necessidade de proteção e a eficiência na utilização dos recursos. Em situações que exigem alta disponibilidade e tolerância a falhas, a proteção dedicada pode ser necessária, mesmo com o custo maior de recursos. O dimensionamento adequado da rede é crucial para garantir o desempenho desejado, levando em conta as características específicas da topologia e do perfil de tráfego.

Este trabalho se baseia em pesquisas prévias sobre redes ópticas elásticas e estratégias de proteção. O estudo de Shen, Guo e Bose (2016) serviu como ponto de partida, fornecendo uma visão geral das propostas de métodos de sobrevivência para redes ópticas elásticas, embora o foco deste trabalho tenha sido diferente, concentrando-se na comparação entre proteção dedicada e compartilhada. Outros trabalhos relevantes citados incluem Velasco et al. (2012), que reportaram contribuições e questões da comunidade envolvida com EONs, e Klinkowski et al. (2013), que abordaram a variação de demanda de tráfego. A pesquisa de Rosa et al. (2015) sobre modelagem de alocação de espectro e Singh; Jukan (2017) sobre desfragmentação de espectro contribuíram para o desenvolvimento metodológico. A implementação da ferramenta de simulação utilizou como base o Elastico++ (Tessinari et al., 2016) e o Flexigrid 2.0 (Moura; Drummond, 2018). Finalmente, o trabalho de Morais (2008) sobre desenho topológico de redes óticas forneceu subsídios para a compreensão das implicações topológicas na escolha da estratégia de proteção.