DETECCIÓN Y ANÁLISIS DE FALLOS EN REDES DE CONMUTACIÓN DE RÁFAGAS ÓPTICAS

JUAN SEBASTIAN CALDERON RIOS ELKIN FABIAN AGUAS MARTÍNEZ

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Proyecto Curricular de Ingeniería Electrónica Ingeniería Electrónica 2015

DETECCIÓN Y ANÁLISIS DE FALLOS EN REDES DE CONMUTACIÓN DE RÁFAGAS ÓPTICAS

JUAN SEBASTIAN CALDERON RIOS ELKIN FABIAN AGUAS MARTÍNEZ

Trabajo de grado para optar al título de: Ingeniero Electrónico

Director: Ph.D Ing. Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Proyecto Curricular de Ingeniería Electrónica Ingeniería Electrónica 2015

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Nota de aceptación.

_____________________________________ _____________________________________ _____________________________________

_____________________________________ Presidente de jurado.

_____________________________________ Jurado.

_____________________________________ Jurado.

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Resumen Este proyecto plantea la propuesta de un algoritmo para el análisis de fallos en redes WDM de fibra óptica que funcionen con el modelo de conmutación óptica de ráfagas. Se pretende que el algoritmo propuesto sea capaz de detectar los diferentes tipos de fallos que se pueden presentar en la red y tomar decisiones que permitan el restablecimiento y continuidad de los servicios en la red. Los capítulos que comprenden este libro son presentados a continuación con una breve descripción de su contenido. Generalidades: este capítulo está conformado por los aspectos preliminares necesarios para la propuesta del proyecto. Marco referencial: se realiza una presentación de las temáticas de redes ópticas, modelos de conmutación y dispositivos ópticos, los cuales son clave para el entendimiento del contexto en el que se propone el algoritmo. Fundamentos y diseño de un nodo de borde y un nodo de núcleo para una red OBS: ya tocando el tema de redes OBS, este capítulo contiene los conceptos necesarios para poder entender los diferentes elementos que conforman una red OBS, y el diseño de nodo de borde y núcleo en el software de simulación OMNeT++. Propuesta del algoritmo para la detección y toma de decisiones ante fallos: en este capítulo se presenta la propuesta de algoritmo realizada. Simulación del algoritmo en OMNeT++: aquí se muestran y analizan los resultados obtenidos de las simulaciones de la red. Conclusiones: en el capítulo de conclusiones se presentan los pensamientos finales relacionados a los resultados obtenidos y al análisis realizado a estos.

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Agradecimientos Los autores desean agradecer y reconocer a las siguientes personas por su contribución al presente proyecto: Ing. Gustavo Puerto: Por su paciencia, orientación, dedicación y aportes durante la realización del proyecto. Nuestros Amigos: por su confianza, apoyo, por creer en nosotros y haber sido una parte importante durante nuestra formación, haciendo de esta etapa de nuestras vidas algo que jamás olvidaremos. A nuestras familias: Por su apoyo incondicional a lo largo de toda nuestra formación, por creer en nosotros por orientarnos en los momentos difíciles, por los valores y educación que nos brindaron los cuales fueron indispensables para poder llegar a este punto de nuestras vidas. El autor Juan Calderón quiere agradecer a Dios: Por haberme sido mi apoyo en los momentos más difíciles de mi formación, por brindarme la oportunidad de compartir con mis compañeros y crecer como persona. También quiero agradecer a mi compañero y amigo Elkin Aguas por su esfuerzo y dedicación en este proyecto. Este Proyecto de grado, es desarrollado en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en los años 2014/15.

Juan S. Calderón Ríos Elkin F. Aguas Martínez

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Contenido GENERALIDADES .................................................................................................................... 14 1.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 15 1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA........................................................................... 16 1.3. JUSTIFICACIÓN............................................................................................................... 16 1.4. OBJETIVOS....................................................................................................................... 17 1.4.1. Objetivo general .......................................................................................................... 17 1.4.2. Objetivos específicos ................................................................................................... 17 1.5. ALCANCE Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ......................................................... 18 1.5.1. Alcances....................................................................................................................... 18 1.5.2. Limitaciones ................................................................................................................ 18

MARCO REFERENCIAL ......................................................................................................... 19 2.1. TIPOS DE REDES ............................................................................................................. 20 2.1.1. Redes de comunicaciones ............................................................................................ 20 2.1.1.1. Conmutación de circuitos .................................................................................... 20 2.1.1.2. Conmutación de paquetes .................................................................................... 20 2.1.2. Redes ópticas ............................................................................................................... 20 2.1.2.1. Conmutación óptica de circuitos.................................................................... 21 2.1.2.1. Conmutación óptica de paquetes..................................................................... 22 2.1.2.1. Conmutación óptica de ráfagas....................................................................... 22 2.2. FIBRA ÓPTICA ................................................................................................................. 23 2.2.1. Fibra multimodo .......................................................................................................... 23 2.2.2. Fibra monomodo.......................................................................................................... 24 2.3. DISPOSITIVOS ÓPTICOS ............................................................................................... 24 2.3.1. Fuentes ópticas ............................................................................................................ 24 2.3.2. Detectores ópticos........................................................................................................ 25 6

2.3.3. Amplificadores ópticos ................................................................................................ 25 2.3.4. Acopladores ................................................................................................................. 26 2.3.5. Filtros ópticos .............................................................................................................. 26 2.3.6. Multiplexores y demultiplexores ................................................................................. 26 2.3.7. Conmutadores .............................................................................................................. 28 2.4. CONCEPTOS GENERALES DE PROTECCIÓN DE REDES ........................................ 28 2.4.1. Rutas de trabajo ........................................................................................................... 28 2.4.2. Rutas de protección ..................................................................................................... 28 2.4.3. Protección dedicada ..................................................................................................... 28 2.4.4. Protección compartida ................................................................................................. 28 2.4.5. Protección reversible ................................................................................................... 28 2.4.6. Protección no reversible .............................................................................................. 29 2.5. FALLOS EN REDES OBS ................................................................................................ 29 2.5.1. Tipos de fallos ............................................................................................................. 29 2.5.2. Desarrollo en el análisis de fallos y restablecimiento de servicios .............................. 30 2.6. MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN DE FALLOS........................................................... 34 2.6.1. Identificación de fallos ................................................................................................ 34 2.6.2. Desarrollos en la identificación de fallos .................................................................... 34 2.7. MECANISMOS DE RESTABLECIMIENTO Y SU APLICACIÓN ............................... 35 2.7.1. Restablecimiento ......................................................................................................... 35 2.7.2. Desarrollos en los mecanismos de restablecimientos .................................................. 35 METODOLOGIA ....................................................................................................................... 38 3.1. Fundamentos y diseño de un nodo de borde y un nodo de núcleo para una red OBS ....... 39 3.2. Partes de un nodo de borde ................................................................................................ 39 3.2.1. Unidad de adaptación .................................................................................................. 39 3.2.2. Buffer de línea ............................................................................................................. 39 3.2.3. Ensamblador ................................................................................................................ 39 3.2.4. Desensamblador........................................................................................................... 40 3.2.5. Interfaz de salida .......................................................................................................... 41 3.3. Partes de un nodo de núcleo ............................................................................................... 41 7

3.3.1. Interfaz de entrada ....................................................................................................... 41 3.3.2. Unidad de control ........................................................................................................ 42 3.3.3. Conmutador - conversor óptico ................................................................................... 42 3.3.3.1. Modulación de ganancia cruzada.................................................................... 42 3.3.3.2. Modulación de fase cruzada........................................................................... 43 3.3.4. Interfaz de salida .......................................................................................................... 48 3.4. Diseño de un nodo de borde en OMNeT++ ....................................................................... 49 3.5. Diseño de un nodo de núcleo en OMNeT++ ..................................................................... 50 3.6. Diseño enlaces en OMNeT++ ............................................................................................ 51 3.7. Propuesta de algoritmo para la detección y toma de decisiones ante fallos ...................... 51 3.8. Tiempo de compensación (offset time) .............................................................................. 52 3.9. Diagrama de flujo ............................................................................................................... 53 3.9.1. Diagrama de flujo de detección de fallos en una red OBS .......................................... 53 3.9.2. Diagrama de flujo de análisis y toma de decisiones ante fallos en una red OBS ........ 55 3.10. Paquetes............................................................................................................................ 58 3.10.1. Paquete de control ..................................................................................................... 58 3.10.2. Ráfaga de datos .......................................................................................................... 58 3.10.3. Paquete de verificación de conectividad y paquete de confirmación de conectividad ............................................................................................................................................... 58

SIMULACIÓN DEL ALGORITMO EN OMNeT++ .............................................................. 59 4.1. Topología ........................................................................................................................... 60 4.2. Especificaciones ................................................................................................................. 60 4.3. Fallos .................................................................................................................................. 61 4.4. Resultados .......................................................................................................................... 62 4.4.1. Resultados de fallos sin la implementación del algoritmo .......................................... 62 4.4.2. Resultados de fallos con la implementación del algoritmo ......................................... 67

CONCLUSIONES....................................................................................................................... 79

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Apéndices ..................................................................................................................................... 82 A. Simulador OMNeT++ .............................................................................................................. 83 B. Funciones de aleatoriedad principales...................................................................................... 86 C. Código de ejecución de fallos .................................................................................................. 89 D. Código enrutador...................................................................................................................... 91 E. Código de algoritmo de detección y corrección de fallos ........................................................ 94

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Lista de Figuras 2-1. Representación de una red óptica. Fuente de la imagen: propia. .......................................... 21 2-2. Representación de los modos de transmisión en una fibra multimodo. Fuente de la imagen: propia. ....................................................................................................................................... 23 2-3. Representación del modo fundamental en una fibra monomodo. Fuente de la imagen: propia. ................................................................................................................................................... 24 2-4. Estructura de demultiplexores ópticos basado en rejillas. Fuente de la imagen: propia. ...... 27 2-5. Estructura de un multiplexor óptico de 4 canales con 3 MZI 2x2. Fuente de la imagen: propia. ....................................................................................................................................... 27 2-6. Representación de los elementos básicos de una red óptica. Fuente de la imagen: propia. .. 30 2-7. Ejemplo de mecanismo de detección de fallos por BFD ....................................................... 31 2-8. Imagen para el proceso de restablecimiento de ruta. Fuente de la imagen: propia. .............. 36 3-1. Diagrama de bloques nodo de borde. Fuente de la imagen: propia. ...................................... 40 3-2. Diagrama de bloques nodo de núcleo. Fuente de la imagen: propia. .................................... 42 3-3. Esquema de conversión en XGM. (a) Codireccional. (b) Contradireccional. Fuente de la imagen: propia. ......................................................................................................................... 43 3-4. Respuesta de XGM con respecto a la potencia de la señal de continua. Fuente de la imagen: propia. ....................................................................................................................................... 45 3-5. Respuesta de XGM con respecto a la potencia de la señal de bombeo. Fuente de la imagen: propia. ....................................................................................................................................... 45 3-6. Esquema de conversión en XPM. (a) Codireccional. (b) Contradireccional. Fuente de la imagen: propia. ......................................................................................................................... 46 3-7. Distribución interna de los amplificadores de semiconductor en los conversores basados en XPM. (a) Sin entrada/salida amplificada. (b) Con entrada/salida amplificada. Fuente de la imagen: propia. ......................................................................................................................... 47 3-8. Caracterización del conversor de longitud de onda basado en XPM. (a) Punto de trabajo del conversor A. (b) Función de transferencia del conversor A. (c) Punto de trabajo del conversor B. (d) Función de transferencia del conversor B. Fuente de la imagen: propia. ....................... 48 3-9. Modelo de nodo de borde. Fuente de la imagen: software de simulación OMNeT++. ........ 50 3-10. Modelo de nodo de núcleo. Fuente de la imagen: software de simulación OMNeT++….. 51 3-11. Diagrama de flujo para diferenciar entre canal de control y canal de datos. Fuente de la imagen: propia. ......................................................................................................................... 54

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3-12. Diagrama de flujo para la detección de fallos en una red OBS. Fuente de la imagen: propia. ................................................................................................................................................... 55 3-13. Diagrama de flujo para la verificación de canales en una fibra. Fuente de la imagen: propia. ................................................................................................................................................... 56 3-14. Diagrama de flujo de análisis y toma de decisiones ante fallos en una red OBS. Fuente de la imagen: propia....................................................................................................................... 57 4-1. Topología de red NSFNET, modificada. En color rojo se muestran los enlaces originales de la red con su correspondiente distancia en kilómetros, en color azul los enlaces agregados a la red con su correspondiente distancia en kilómetros. (Ni - Nodo de borde i, Bi - Nodo de núcleo i, Ei enlace i). Fuente de la imagen: propia. .................................................................. 60 4-2. Porcentaje de pérdidas (a) y tiempo promedio de transmisión de origen a destino (b) en función de la probabilidad de error para 50 simulaciones sin algoritmo. Fuente de la imagen: propia. ....................................................................................................................................... 63 4-3. Porcentaje de pérdidas en función de la probabilidad de fallo para canal (a), fibra (b), enlace (c) - (d) y nodo (e) - (f). Fuente de la imagen: propia ............................................................... 64 4-4. Tiempo de transmisión promedio de origen a destino en función de la probabilidad de fallo para canal (a), fibra (b), enlace (c) y nodo (d). Fuente de la imagen: propia............................ 66 4-5. Porcentaje de pérdidas (a), tiempo promedio de transmisión de origen a destino (b) y número de procesos (c) en función de la probabilidad de error para 50 simulaciones con algoritmo. Fuente de la imagen: propia. ................................................................................... 67 4-6. Porcentaje de pérdidas en función de la probabilidad de fallo de canal sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. ....................................................................... 68 4-7. Porcentaje de pérdidas en función de la probabilidad de fallo de fibra sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. .............................................................................. 69 4-8. Porcentaje de pérdidas en función de la probabilidad de fallo de enlace sin algoritmo (a) y su acercamiento de imagen (b) y con algoritmo (c) y su acercamiento de imagen (d). Fuente de la imagen: propia. ......................................................................................................................... 70 4-9. Porcentaje de pérdidas en función de la probabilidad de fallo de nodo sin algoritmo (a) - (b) y con algoritmo (c) - (d). Fuente de la imagen: propia. ............................................................ 71 4-10. Tiempo de transmisión promedio de origen a destino en función de la probabilidad de fallo de canal sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. .......................... 72 4-11. Tiempo de transmisión promedio de origen a destino en función de la probabilidad de fallo de fibra sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. ........................... 72 4-12. Tiempo de transmisión promedio de origen a destino en función de la probabilidad de fallo de enlace sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia ......................... 73 4-13. Tiempo de transmisión promedio de origen a destino en función de la probabilidad de fallo de nodo sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. .......................... 73 4-14. Número de procesos en función de la probabilidad de fallo de canal sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. .............................................................................. 74 4-15. Número de procesos en función de la probabilidad de fallo de fibra sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. .............................................................................. 75 4-16. Número de procesos en función de la probabilidad de fallo de enlace sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. ....................................................................... 75 4-17. Número de procesos en función de la probabilidad de fallo de nodo sin algoritmo (a) y con algoritmo (b). Fuente de la imagen: propia. .............................................................................. 76

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A-1. RED en OMNeT++, las cajas de fondo azul representan los módulos simples, las cajas de fondo verde los módulos compuestos. Las flechas que conectan las pequeñas cajas representan las conexiones y puertas............................................................................................................ 84

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Lista de tablas 4-1. Causas y probabilidad de un fallo en una red óptica. ............................................................ 60 4-2. Valores mínimo, máximo y promedio obtenidos para porcentaje de pérdida de paquetes en función de la probabilidad de fallo. .......................................................................................... 76 4-3. Valores mínimo, máximo y promedio obtenidos para tiempo de transmisión en función de la probabilidad de fallo. ................................................................................................................ 77 4-4. Valores mínimo, máximo y promedio obtenidos para número de procesos normalizados a un valor de 16x en función de la probabilidad de fallo. .......................................................... 77

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Capítulo 1

GENERALIDADES

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1.1. INTRODUCCIÓN La evolución de las tecnologías en el campo de las telecomunicaciones ha llevado a la aparición de nuevos medios y métodos para la transmisión de información. En la actualidad una de las tecnologías de punta en el área de las comunicaciones es la fibra óptica, ésta usa luz como recurso para la transmisión de grandes volúmenes de datos a muy altas velocidades. Las redes de fibra óptica se han hecho cada vez más comunes como reemplazo de las redes convencionales que trabajan únicamente en el dominio eléctrico, con esto se espera una mejora en la capacidad de transmisión en los sistemas de telecomunicaciones actuales; sin embargo, aún no es posible implementar redes ópticas con el mismo nivel de flexibilidad de la redes convencionales, esto es debido a que no existe la tecnología para procesar señales de luz de la misma manera en que son procesadas las señales eléctricas. Es por esta razón que se deben utilizar métodos que, en conjunto con la tecnología existente, obtengan un alto desempeño de las nuevas redes implementadas. Para brindar flexibilidad a los nuevos modelos de redes se emplea el uso de híbridos que permiten que la red realice las tareas de procesamiento en el dominio eléctrico y el envío de la información completamente en el dominio óptico. Las denominadas redes ópticas de segunda generación ofrecen mayor flexibilidad al permitir acciones como el enrutamiento de la información óptica y la conversión de la longitud de onda a la que ésta es transportada, esto es conseguido con el uso de conceptos de conmutación como OBS (Optical Burst Switching). La conmutación de ráfagas ópticas (OBS por sus siglas en inglés) es un concepto de conmutación que combina funcionalidades de la conmutación óptica de circuitos y de paquetes [1]. En OBS se envía un paquete de control el cual contiene información que permite a los nodos de núcleo de la red realizar reservas de ancho de banda y procesos de enrutamiento de ráfagas ópticas. Para ser procesado en el nodo de núcleo [2], el paquete de control es convertido del dominio óptico al eléctrico (COE), posteriormente para ser enviado este paquete debe ser convertido del dominio eléctrico al óptico (CEO), a cada paquete corresponde una ráfaga, ésta es enviada después de su correspondiente paquete de control con un tiempo de retardo predeterminado y sin ningún aviso de establecimiento de conexión [1]. Una ráfaga óptica agrupa un conjunto de datagramas IP clasificados según su destino o servicio, y es creada electrónicamente en los nodos de ingreso de la red [2], luego de ser formada es convertida al dominio óptico para posteriormente ser transportada hasta llegar a su destino en un nuevo nodo de ingreso en el cual se realiza su conversión del dominio óptico al eléctrico. Una de las grandes características de las redes OBS es su capacidad para soportar una amplia gama de servicios los cuales son apoyados por protocolos IP. Un solo fallo que se presentará podría interrumpir los servicios para un gran número de usuarios, causando pérdidas de ingresos

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para los proveedores de servicios, así mismo se reduciría de manera significativa la calidad de servicio de la red. Este proyecto se enmarca en el estudio y análisis de fallos en redes OBS bajo el cual se busca el diseño de un algoritmo para plano de control que realice tareas de diagnóstico y recuperación frente a fallos en redes de conmutación de ráfagas ópticas.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En las últimas décadas se ha presentado un crecimiento exponencial del uso de equipos informáticos, que necesariamente han tenido que utilizar medios para comunicarse entre sí, causando un rápido crecimiento del tráfico en las redes como en internet, por lo que ha surgido la necesidad de nuevos medios para poder atender la demanda de ancho de banda capaz de soportar diferentes servicios como: voz, datos, video, etc. Uno de los medios que está en la capacidad de proporcionar un gran ancho de banda y con esto suplir esta necesidad es la fibra óptica. Se han hecho varias propuestas para aprovechar las ventajas de las comunicaciones ópticas, pero aún no se está en la capacidad de implementar las más innovadoras debido a las limitaciones de la tecnología óptica con la que se cuenta en la actualidad, por lo que se ha propuesto un enfoque que permite aprovechar en gran medida las virtudes de las comunicaciones ópticas con los desarrollos tecnológicos con los que se cuenta, denominado OBS (conmutación de ráfagas ópticas). Pero aún en este sistema se pueden presentar diferentes fallos responsables de la pérdida de información y baja calidad de servicio, y aunque se han presentado diferentes mecanismos para prevenir y corregir estos fallos y con esto aumentar la eficiencia y confiabilidad de las redes OBS, no hay muchas propuestas enfocadas a la detección y análisis de un conjunto de fallos que pudieran presentarse en esta. De lo anterior surge la pregunta: ¿Es posible diseñar un mecanismo capaz reducir la pérdida de información causada por fallos de: nodo, enlace, fibra, canal de control y canal de datos, que se pudieran presentar en una red de conmutación de ráfagas ópticas?

1.3. JUSTIFICACIÓN El desarrollo de redes ópticas ha llevado al estudio de diferentes métodos para el envío de información a través de estas. Un primer método es la conmutación de circuitos ópticos (OCS); primeramente establece una ruta entre fuente y destino y luego de esto procede al envío de información a través de dicha ruta, luego de que todos los datos son enviados, los recursos del canal son liberados para que puedan ser usados de nuevo. La conmutación de paquetes ópticos (OPS) consiste en dividir una señal de luz en un determinado número de paquetes que serán enviados por diferentes rutas, cada paquete es analizado individualmente en el dominio óptico

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por los nodos de la red para determinar la ruta que deberá tomar hasta su destino final, esto provee al proceso de envío un gran dinamismo y uso de recursos, sin embargo, la falta de tecnologías para el procesamiento de luz hace de OPS un concepto que no puede ser implementado en la actualidad. Debido a la falta de las tecnologías para el análisis de señales de luz, las redes ópticas deben ser un híbrido óptico-eléctrico, esto significa que deben procesar los paquetes de control en el dominio eléctrico y realizar el envío de la información en el dominio óptico. La conmutación de ráfagas ópticas (OBS) es un método para el envío de información que permite un mayor dinamismo que OCS sin la necesidad del uso de elementos de procesamiento de señales de luz, por esta razón OBS es considerado un mecanismo intermedio entre OCS y OPS. Principalmente debido a la gran cantidad de información que se puede perder en caso de ocurrir algún tipo de fallo en una red de conmutación de ráfagas ópticas, lo que conllevaría a tener una deficiente calidad y desperdicio de recursos de red, surge la necesidad de detectar y analizar los fallos más comunes con el fin de encontrar medidas para el restablecimiento de los servicios afectados por estos. Este tipo de medidas buscan brindar además una base sólida para la confiabilidad de este tipo de redes con el fin de poder implementar diferentes servicios que requieran un alto nivel de fiabilidad en la conexión.

1.4. OBJETIVOS 1.4.1. Objetivo general Detectar y analizar los diferentes fallos que se pueden presentar en una red de conmutación de ráfagas ópticas.

1.4.2. Objetivos específicos ● Estudiar los diferentes tipos de fallos que se pueden presentar en una red de conmutación de ráfagas ópticas con el fin de buscar mecanismos efectivos para recuperar los servicios comprometidos. ● Diseñar mecanismos para la detección de fallos y restablecimiento de servicios con base en el análisis de investigaciones realizadas en contexto con el presente proyecto. ● Desarrollar un algoritmo para garantizar el mínimo de pérdida de datos causada por fallos en una red de conmutación de ráfagas ópticas. ● Validar a través de simulación los resultados del algoritmo desarrollado para diferentes escenarios donde se presenten los fallos estudiados. 17

1.5. ALCANCE Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1. Alcances El proyecto tiene como alcance el diseño de un algoritmo capaz de detectar y tomar medidas ante diferentes tipos de fallos que se pueden presentar en una red de conmutación de ráfagas ópticas. Este algoritmo comprende las tareas de detección de fallos y restablecimiento de los servicios afectados por estos. Un alcance más del proyecto es el generar resultados que sirvan como punto de partida o como documento de estudio para proyectos futuros en el área de las redes ópticas, específicamente en temáticas de redes de conmutación de ráfagas ópticas.

1.5.2. Limitaciones El proyecto tiene como limitación la falta de recursos físicos para la implementación de los mecanismos a diseñar en una red de conmutación de ráfagas ópticas, es por esto que se debe recurrir a la simulación.

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Capítulo 2

MARCO REFERENCIAL

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2.1. TIPOS DE REDES 2.1.1. Redes de comunicaciones Una red de comunicaciones está formada por una serie de procesadores (hosts) que se encargan del análisis de la información que viaja en la red, nodos de red (switches) que conectan los procesadores, y enlaces (líneas de transmisión). Las redes de comunicaciones convencionales funcionan completamente en el dominio eléctrico; esto es, envían, reciben y procesan únicamente señales eléctricas. Gracias al gran avance en la electrónica, los métodos y elementos utilizados en este tipo de redes permiten grandes posibilidades en términos de aplicaciones. Algunos de los objetivos de las redes de comunicaciones son: hacer posible compartir recursos tales como bases de datos, programas y procesadores, sin importar la ubicación física del usuario y el recurso; proveer a los usuarios la capacidad de comunicarse entre sí; y permitir a más de un procesador trabajar en un problema específico [3].

2.1.1.1. Conmutación de circuitos La conmutación de circuitos es uno de los tipos de conexiones para el envío de señales en redes de comunicaciones. En esta conexión la red transmite señales a través de enlaces dedicados; para el envío de información primero se establece una ruta entre el origen y el destino de la señal, luego de esto toda la información que se desea transmitir es enviada por este único enlace entre emisor y receptor.

2.1.1.2. Conmutación de paquetes La conmutación de paquetes es otro tipo de conexión para el envío de información en una red. En este tipo de conexión la red divide la información a enviar en partes más pequeñas denominadas paquetes [3]; los paquetes pueden tomar diferentes rutas entre la fuente y el destino, y también pueden llegar en diferente orden a este último, a su llegada los paquetes son reensamblados en la unidad de destino. Todo este proceso permite dar la red un mayor nivel de calidad de servicio debido al dinamismo con el que son manejados los procesos.

2.1.2. Redes ópticas Las redes de comunicaciones ópticas se caracterizan porque pueden transportar información en forma de señales de luz. El uso de este tipo de sistemas de comunicaciones ha permitido el incremento de la capacidad de transmisión, estimando un aumento en redes ópticas comerciales

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de 100 Mb/s en la década de 1970 a aproximadamente 1 Tb/s para el año 2000, lo que indica un aumento en la capacidad en un factor de 10000 en un espacio de tiempo de tres décadas [4]. Las redes ópticas actuales están conformadas por elementos que manejan señales ópticas y elementos que manejan señales eléctricas. Aunque el envío de la información se haga en el dominio óptico (a través de señales de luz), cualquier tipo de procesamiento debe ser hecho en el dominio eléctrico debido a la falta tecnología para el análisis de señales ópticas. Debido a esto, se han desarrollado métodos de conmutación para el envío de información con el objetivo de obtener el mejor provecho de la tecnología disponible.

2.1.2.1. Conmutación óptica de circuitos La conmutación de circuitos ópticos (OCS por sus siglas en inglés) provee un canal de datos dedicado entre fuente y destino. Este tipo de conmutación está basada en el establecimiento, antes del envío de la información, de un paso de luz [5]-[6]; este establecimiento de la ruta se hace al enviar un paquete de control que sufrirá una conversión O/E en cada nodo de núcleo (ver figura 2-1) para así realizar su respectivo procesamiento y luego se efectuará sobre este una conversión E/O para su envío al siguiente nodo. Al enviar la información, los paquetes entrantes deben ser convertidos del dominio eléctrico al óptico, lo cual sucede en los nodos denominados de ingreso (ver figura 2-1); luego de esta conversión las señales ópticas serán enviadas en la ruta que ya se ha establecido con anterioridad, la conversión de la señal de nuevo al dominio eléctrico se realiza cuando esta llega a su destino.

Figura 2-1. Representación de una red óptica. Fuente de la imagen: propia.

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2.1.2.2. Conmutación óptica de paquetes La conmutación de paquetes ópticos (OPS por sus siglas en inglés) se basa en un nivel de trabajo con una fina granularidad para transmisión y conmutación [7], dicho de otro modo, la señal óptica enviada será dividida en pequeños paquetes de luz sobre los cuales se realizarán todos los procesos (procesamiento, enrutamiento, transmisión) que tienen lugar en la red. El uso de conmutación de paquetes ópticos prevé una conversión de las redes de comunicaciones a un dominio completamente óptico, uso eficiente del ancho de banda, una mayor flexibilidad y dinamismo en la red [7]. Sin embargo, existen en la actualidad muchos problemas con respecto a la implementación de este tipo de redes; estos problemas radican en el hecho de que aún no se ha desarrollado una tecnología eficiente para el almacenamiento y procesamiento de señales de luz.

2.1.2.3. Conmutación óptica de ráfagas La conmutación de ráfagas ópticas (OBS por sus siglas en inglés) es un método que combina características de OCS y OPS con el fin brindar una mayor flexibilidad y un mejor uso de recursos en las redes ópticas actuales. En OBS los datos que tienen el mismo destino son recolectados en los nodos de ingreso para formar una ráfaga; un paquete de control es enviado, previo a la ráfaga, para realizar la reserva de los canales de longitudes de onda a través de la ruta que tomará la ráfaga [8]. Una de las diferencias con OCS es que no se debe esperar al establecimiento completo de la ruta para el envío de la ráfaga, en cambio, esta es enviada un tiempo de compensación, previamente establecido, después de que el paquete de control es enviado. Con la variación de este tiempo también se puede compensar la falta de elementos para el almacenamiento o retardo de la luz (FDL) y variar la prioridad de las ráfagas en la red. Una de las ventajas de OBS en comparación con OCS es el uso de un menor tiempo de reserva. Debido a que los recursos de los canales son reservados salto a salto (hop-by-hop), el uso de estos recursos es solo necesario mientras la ráfaga esté haciendo uso del respectivo enlace, esto implica que los recursos pueden ser liberados una vez la ráfaga ya no esté haciendo uso de estos, esto contribuye al aumento de la eficiencia en el uso del ancho de banda de la red [8]-[1]. En comparación con OCS, OBS presenta problemas en lo que respecta a la supervivencia de la información en la red. En OCS una ruta es establecida antes de realizar cualquier envío de información, esto asegura un camino fijo que existirá mientras la información es enviada. En OBS, por otro lado, no se establece una ruta fija de extremo a extremo de la comunicación, lo que implica un menor nivel de confiabilidad para la correcta entrega de los datos [1].

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Debido a la mayor flexibilidad presente en OBS, un mayor número de fallos pueden presentarse en la red. Con esto en mente, este proyecto busca hacer frente a este tipo de fallos para poder fortalecer uno de los puntos débiles de la conmutación de ráfagas ópticas.

2.2. FIBRA ÓPTICA La fibra óptica es un medio de transmisión dieléctrico que permite la transmisión de ondas electromagnéticas en las frecuencias más altas que pueden ser usadas en los sistemas de comunicaciones actuales [9]. Una fibra óptica está formada por una barra dieléctrica cilíndrica delgada y larga llamada núcleo, esta está rodeada por otro material dieléctrico en forma de capa concéntrica denominada revestimiento o recubrimiento [9]. Es la diferencia entre los índices de refracción del núcleo y el revestimiento lo que permite la transmisión de señales a través de la reflexión interna de estas en el núcleo.

2.2.1. Fibra multimodo La fibra óptica multimodo es una guía de onda dieléctrica que transporta cierto número de modos de propagación [10]. La representación de estos modos en la fibra se ve reflejada en la figura 22.

Figura 2-2. Representación de los modos de transmisión en una fibra multimodo. Fuente de la imagen: propia.

En este tipo de fibras las rutas por las que viajan los modos depende de su ángulo relativo con el eje [10]. De esta manera los diferentes modos, o componentes, en un pulso llegarán a su destino en tiempos diferentes; esto conlleva a que el pulso se expanda, lo cual limita la tasa de bit de una posible señal transmitida.

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2.2.2. Fibra monomodo Al reducir el diámetro del núcleo y la diferencia entre los índices de refracción del núcleo y el revestimiento, se puede lograr que solo se propague un modo, este es conocido como modo fundamental [10]. Una representación gráfica de este tipo de fibras se ve en la figura 2-3.

Figura 2-3. Representación del modo fundamental en una fibra monomodo. Fuente de la imagen: propia.

Al transmitirse solo el modo fundamental en la fibra no hay expansión del pulso enviado debido a diferentes tiempos de propagación de diferentes modos como es el caso de la fibra multimodo.

2.3. DISPOSITIVOS ÓPTICOS En las redes ópticas se hace uso de una amplia variedad de dispositivos que permiten el transporte de datos a través de ésta en el dominio óptico - electrónico. Los dispositivos más relevantes son: las fuentes ópticas, detectores ópticos, los amplificadores ópticos, los acopladores, los filtros ópticos, los multiplexores y demultiplexores, conmutadores, entre otros.

2.3.1. Fuentes ópticas Para transmitir señales luminosas en un medio óptico como lo es la fibra óptica, se requieren elementos de emisión y recepción de luz, capaces de convertir señales eléctricas en luminosas y viceversa.

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El elemento emisor, modula la intensidad de una fuente luminosa a partir de una señal eléctrica. La señal óptica es acoplada a una fibra óptica y es transmitida hasta el elemento receptor, el cual hace un proceso de conversión de la señal óptica a una señal eléctrica. En la actualidad las únicas fuentes ópticas capaces de cumplir con todos los requerimientos exigidos por una red de telecomunicaciones óptica, son: los diodos emisores de luz (LED) y los diodos láser (LD) [11]. La elección entre el LD y el LED es función del sistema: para anchos de banda grandes y largos enlaces, el láser ofrece un mejor rendimiento. Para distancias cortas y medias con anchos de banda escasos, en donde la baja potencia de salida, la respuesta en frecuencia o la gran anchura espectral no sean factores limitativos, se suele escoger el LED.

2.3.2. Detectores ópticos El los receptores ópticos, la señal es detectada por un fotodetector semiconductor en el cual los fotones incidentes son convertidos en corriente eléctrica. En el fotodiodo se aprovechan el efecto de la absorción de la radiación luminosa por un semiconductor. En este proceso, para transportar corriente se libera un par electrón - hueco por la incidencia de un fotón con mayor energía que la separación de las bandas de energía, cada fotón que llega se transforma en la pareja electrón hueco, por medio de la absorción de la energía del fotón [11]. Se suelen usar dos tipos de receptores en los sistemas de transmisión por fibra óptica: los fotodiodos PIN y los fotodiodos de avalancha (APD). Las características más importantes de estos son la sensibilidad, la respuesta espectral, la ganancia de corriente en función de la tensión de polarización, la potencia equivalente de ruido y la banda pasante [11].

2.3.3. Amplificadores ópticos Cuando una señal se propaga por la fibra óptica se necesitan emplear regeneradores para amplificar la señal debido a los efectos de la atenuación y la dispersión. El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al igual que en un láser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee una realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel de potencia de la señal pero no generar una señal óptica coherente [12]. Una fuente de bombeo inyecta una energía en la zona activa del amplificador. Esta energía es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energía produciéndose la inversión de población. Al ser alcanzados estos electrones por los fotones de la señal óptica de entrada 25

caen a unos niveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo fotón, esto es el proceso de emisión estimulada, produciéndose así la amplificación de la señal [12]. La amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del material, así como su estructura. Los dos principales tipos de amplificadores ópticos son: los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers, los DFAs y Doped-Fiber Amplifiers [12].

2.3.4. Acopladores Los acopladores son componentes pasivos. Estos operan en el dominio óptico y se emplean en la distribución y combinación de señales, la realización de multiplexación y demultiplexación por longitud de onda, la construcción de otros componentes ópticos y la monitorización de sistemas [12].

2.3.5. Filtros ópticos Un filtro óptico es un dispositivo capaz de seleccionar una banda de longitudes de onda y de eliminar el resto. Las principales aplicaciones de los filtros ópticos, que lo convierten en un dispositivo clave en los sistemas de comunicaciones ópticas son [12]: ● ● ●

la eliminación del ruido, introducido por ejemplo por los amplificadores ópticos. la ecualización de la respuesta de los amplificadores ópticos. la selección de canales en sistemas WDM.

Para realizar estas aplicaciones de forma óptima estos dispositivos deben tener unas pérdidas de inserción reducidas. Idealmente, su banda de paso debe ser plana para evitar así la distorsión de la señal. Además la banda de transición de su respuesta debe ser abrupta para evitar la diafonía ( cross-talk) con los canales próximos. También es necesario que su comportamiento sea independiente de la polarización de la señal [12].

2.3.6. Multiplexores y demultiplexores Los multiplexores y demultiplexores ópticos son dispositivos esenciales en los sistemas WDM (Wavelength Division Multiplexing). Estos dispositivos se pueden clasificar en dos grandes grupos: basados en rejillas de difracción y basados en filtros ópticos [12]. Los demultiplexores basados en rejilla, figura 2-4, se basan en el fenómeno de la difracción de Bragg. La señal de entrada es reflejada por la rejilla, la cual la separa espacialmente las longitudes de onda de la señal de entrada, y mediante una lente estas señales son enfocadas cada

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una en una fibra óptica. El empleo de lentes de índice gradual en lugar de lentes convencionales simplifica el alineamiento de las señales y se consigue un dispositivo más compacto [12].

Figura 2-4. Estructura de demultiplexores ópticos basado en rejillas. Fuente de la imagen: propia.

Los multiplexores basados en filtros se apoyan en el fenómeno de la interferencia óptica para seleccionar una longitud de onda. A partir de la combinación de varios MZI se puede construir multiplexores y demultiplexores con N canales, donde N = 2n [12]. La figura 2-5 muestra un multiplexor de 4 canales construido mediante la combinación de en 3 MZI. En esta estructura la diferencia de longitud entre los brazos de los MZI es tal que la potencia óptica de las dos entradas sólo aparece en una salida [12].

Figura 2-5. Estructura de un multiplexor óptico de 4 canales con 3 MZI 2x2. Fuente de la imagen: propia.

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2.3.7. Conmutadores El equipo de conmutación es el elemento que realiza el proceso de encaminamiento de las señales. Estas señales son adaptadas mediante el interfaz de entrada (cambio de formato de las señales, cambio de longitud de onda) para que el equipo de conmutación pueda realizar sus operaciones. De forma análoga la interfaz de salida adecua las señales para su transmisión. El bloque de control de conmutación es el encargado de configurar el equipo de conmutación [12].

2.4. CONCEPTOS GENERALES DE PROTECCIÓN DE REDES 2.4.1. Rutas de trabajo Son las rutas o caminos encargadas de transportar la carga de red en condiciones normales [13].

2.4.2. Rutas de protección Son las rutas o caminos alternativos por las que se transporta la carga de red en caso de que se presente una fallo [13].

2.4.3. Protección dedicada Ruta de protección que se asigna a una sola ruta de trabajo para prevenir la pérdida de la información ante un fallo. Este mecanismo de protección es más seguro pero es más ineficiente ante el uso de los recursos de la red.

2.4.4. Protección compartida Ruta de protección que es asignada a varias rutas de trabajo para prevenir la pérdida de información en el caso de que se llegara a ocurrir un fallo, este mecanismo de protección se basa en el hecho de que no todas las conexiones en la red fallan al mismo tiempo. Al usar este tipo de protección se hace un mejor uso de los recursos de la red [13].

2.4.5. Protección reversible En este sistema de protección una vez se repara la ruta de trabajo, la carga de red se conmuta a esta de forma automática. Los esquemas de protección compartida son siempre de este tipo, mientras que los esquemas de protección dedicada pueden o no serlo [13].

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2.4.6. Protección no reversible En este sistema de protección una vez se repara la ruta de trabajo, la carga de red no vuelve a la ruta principal y se debe conmutar de forma manual [13].

2.5. FALLOS EN REDES OBS 2.5.1. Tipos de fallos Conocer los elementos en una red de fibra óptica es la mejor manera de entender los posibles fallos que se pueden presentar en esta, entre estos elementos se pueden encontrar cinco, los cuales describen la red de una manera completa. En primer lugar se encuentran los nodos que son los responsables del procesamiento de información en la red; la conexión entre nodos se hace a través de enlaces, y cada uno de estos enlaces a su vez está constituido por cierto número de fibras ópticas; en cada fibra óptica se pueden transmitir dos tipos de canales, un canal de control y un canal de datos [14]. Debido a la gran cantidad de información que se puede perder en una red óptica es fundamental identificar y tomar medidas cuando se presentan fallos en cada uno de los elementos de la red. Para detectar los fallos de canal es necesario monitorear la señal óptica por longitudes de onda; para poder reconocer el fallo específico, el canal de control y su correspondiente canal de datos deben ser gestionados en pareja. Los fallos de fibra pueden ser detectadas al usar la información de estado por fibra la cual es obtenida al monitorear la pérdida de la luz [14]. Un fallo de enlace puede ser determinada implícitamente usando el estado de las fibras en dicho enlace; si todas las fibras en el enlace fallan se presenta un estado de desconexión que implica la existencia de un fallo de enlace [14]. Para detectar fallos de nodo cada uno de ellos debe intercambiar paquetes con sus vecinos, si no se recibe ningún paquete se dice que existe un semifallo de nodo; tras este semifallo se debe verificar el enlace en busca de posibles fallos en este, si no se encuentra un fallo de enlace se dice entonces que hay un fallo de nodo [14].

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Figura 2-6. Representación de los elementos básicos de una red óptica. Fuente de la imagen: propia.

2.5.2. Desarrollo en el análisis de fallos y restablecimiento de servicios Los fallos de enlace son uno de los fallos más comunes en las redes OBS. Cuando se presenta un fallo de enlace “la mayoría de los esquemas de restablecimiento OBS presentados en la literatura, consideran solo el fallo de enlace y por lo general hacen uso de enrutamientos de desviación cooperativo, sin tener en cuenta un factor preliminar e importante como lo es el tiempo de compensación (offset time)” [15]. La elección de un adecuado tiempo de compensación es crítica, debido a su influencia en la pérdida de ráfagas ópticas, dado que este separa la transmisión del paquete de control y su correspondiente ráfaga de datos. Para [15] se determina que las principales demoras que se pueden presentar en los nodos intermedios que son los encargados de procesar el paquete de control y reservar los recursos necesarios son: “el tiempo de la configuración de la conexión óptica cruzada, el tiempo de demora del paquete de control y el tiempo de procesamiento” [15]. Para lidiar con estas demoras definen parámetros como el tiempo necesario para reserva de recursos, que es el número exacto de saltos a lo largo de la trayectoria entre el origen y el destino, multiplicado por el retardo medio en los nodos intermedios y un parámetro de tiempo extra añadido al tiempo de compensación, calculado sobre la base de un nivel de retardo y factor de extensión, que es un número entero que representa múltiplos de la duración extra añadido a la compensación de tiempo. Teniendo diferentes valores del factor de extensión se pueden definir diferentes niveles de QoS (Quality of Service) en la red. Los resultados obtenidos en un ambiente de simulación OPNET, utilizando un esquema ARPANET [15], muestran que al variar el factor de extensión en el parámetro de tiempo extra, hay una mejora considerable en cuanto a bloqueo de ráfagas y pérdida de las mismas.

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Otra técnica utilizada para prevenir los fallos de enlace como fallos de nodos está basada en el protocolo de detección de envío bidireccional BFD (Bidirectional Forwarding Detection), este protocolo se basa a su vez en protocolos de reserva OBS como JIT (Just-In-Time) y JET (JustEnough-Time) y técnicas de redireccionamiento rápido (FRR). El protocolo JIT reserva una longitud de onda para una ráfaga inmediatamente después de que llega el paquete de control, si no es posible hacer la reserva de la longitud de onda en ese momento se rechaza el paquete de control y se deja perder la ráfaga [16]. Por otro lado, el protocolo JET realmente no reserva los recursos desde que el paquete de control llega al nodo hasta que pasa la ráfaga, sino que reserva los recursos de una forma óptima desde que llega la ráfaga hasta que es conmutada [2]. Las FRR son técnicas utilizadas en OBS en las que se calculan rutas alternativas a la primaria para ser utilizadas en el momento en el que se detecta un fallo de enlace o de nodo, estas pueden ser rutas de extremo a extremo o locales [16]. En el protocolo BFD se envía un BCP o BHP (paquete de encabezamiento de sincronización) entre los nodos centrales a través de un canal de control, de esta forma se construye una sesión BFD entre dos nodos centrales, estos tienen que enviarse entre sí un BFD en un tiempo de negociación TI para garantizar que aún está vigente la conexión entre ellos. Si un nodo central no recibe la BFD desde el homólogo dentro de un tiempo de detección DT, el nodo central asumirá que en su contraparte ocurrió un fallo de enlace o de nodo y recurrirá a una FRR [16], esto se muestra en la figura 2-7.

Figura 2-7. Ejemplo de mecanismo de detección de fallos por BFD. a) En la figura a los paquetes BFD son enviados por el nodo A y recibidos por el nodo B quien envía un paquete BFD a el nodo A en el tiempo negociado TI= 10ms, durante todo el tiempo de detección DT= 30ms, garantizando que aún está vigente la conexión entre ellos. b) En la figura b los paquetes BFD son

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enviados por el nodo A pero no se recibe ningún paquete BFD del nodo B durante el tiempo de detección DT= 30ms, lo que indica que ocurrió un fallo en la conexión. Fuente de la imagen: propia. BFD puede proporcionar tiempos de detección de fallos rápidos para la red OBS con bajo costo de operación, y el mecanismo de detección de fallos por BFD es fácil de implementar. Los resultados de simulación muestran que el mecanismo propuesto puede evitar o reducir eficazmente la pérdida de ráfagas cuando se combina con FRR. El análisis de fallos en redes también está relacionado con problemas que se puedan presentar en los equipos utilizados en los nodos de la red [17]. Los resultados del análisis de fallos en la red pueden variar en función del tipo de fallo que se presente, en este caso se tendrán en cuenta fallos de enlace y de nodo y el método usado para el manejo de alguna de estas, se sigue teniendo como método para enfrentar errores en la red el reenrutamiento de las ráfagas ópticas. Algunos de los esquemas de protección que se tienen en cuenta para el análisis de fallos de enlace y de nodos son los siguientes [17]: ● Ruta dedicada: La capacidad de reserva es dedicada a una ruta de protección individual. ● Ruta compartida: La capacidad de reserva es compartida entre diferentes rutas de protección. ● Restauración de ruta: Reemplaza toda la ruta entre la fuente y el destino. ● Restauración de enlace: Reenruta el tráfico interrumpido alrededor del enlace fallido. Los resultados de simulaciones realizadas aplicando los esquemas de protección para fallos de enlace y de nodos [17], muestran que el esquema de protección dedicada y compartida ofrece buena protección a fallos de enlace cuando hay entre 0% - 25% de este tipo de fallos en la red, para una cantidad de fallos por encima del 25% la restauración de enlace se desempeña mejor en términos del número de longitudes de onda recuperadas. La restauración de ruta muestra ser capaz de manejar el porcentaje más alto de fallos de nodo con mayor efectividad en términos de recuperación de longitudes de onda [17]. Además de las técnicas y métodos expuestos anteriormente para prevenir los fallos de enlace y fallos de nodo, existen otros que buscan evitar estos problemas y al mismo tiempo evitar la pérdida de ráfagas estableciendo servicios de calidad, una técnica que busca esto es la llamado Doble Reserva (DR) [18]. DR reserva canales en dos caminos disjuntos entre el nodo de entrada y el nodo de salida una vez que se genera una ráfaga. De estas dos reservas, una es denominada reserva primaria y la otra reserva secundaria. A diferencia de los sistemas de protección existentes en OBS, DR permite que las reservas sobre estos dos caminos tengan diferentes prioridades. La ráfaga emitida en el 32

camino secundario tiene un tiempo de compensación más largo que el de la ruta o camino principal, y por lo tanto tiene mayor prioridad que ésta. Si la reserva por el camino principal es exitosa y la ráfaga alcanza el destino, este le enviará un paquete de LIBERACIÓN a lo largo de la ruta secundaria de destino a origen. Al recibir el paquete de LIBERACIÓN, el nodo intermedio en el camino secundario liberará la reserva de canal para el resto del tráfico. Si la ráfaga en el camino principal se pierde por alguna razón (como la insuficiencia o fallo planificación enlace/nodo), el destino esperará la ráfaga emitida en el camino secundario [18]. DR puede reducir la tasa de pérdidas de ráfagas causada por la contención de longitud de onda y el fallo de enlace/nodo. Además de minimizar la tasa de pérdida de datos para todas las ráfagas, también puede proporcionar la calidad de servicio para ráfagas con diferentes requisitos de pérdida. Las simulaciones realizadas utilizando una topología NSFNET 14 nodos [19], muestran que el sistema de reserva propuesto mejora significativamente la tasa de pérdida de rendimiento [18]. De todos los tipos de problemas que se pueden presentar en una red, existen diversos tipos de fallos que pueden afectar los canales, tanto de datos como de control, en una fibra óptica. La creación de cuellos de botella en los canales de control de la red aumenta el número de paquetes de control que son descartados, el que esto suceda no solo incrementa el radio de pérdidas de ráfaga sino que también incurre en la baja utilización del ancho de banda. Debido a que FIFO es el método por excelencia considerado para la programación de recursos de canales en redes de tipo OBS [20], el establecimiento de diferentes tiempos de compensación entre los paquetes de control y sus respectivas ráfagas puede causar que algunas de estas ráfagas sean descartadas debido que su correspondiente paquete de control no sea procesado a tiempo para realizar la reserva de recursos antes de que la ráfaga llegue al nodo en cuestión. Se hace necesario el uso de un método de programación que tenga en cuenta los tiempos de compensación para poder establecer un camino a aquellas ráfagas con una mayor urgencia en la red. Debido a que los paquetes de control llevan información sobre la ráfaga, se puede realizar el almacenamiento y procesamiento de estos paquetes en el dominio eléctrico con el fin de analizar los valores de tiempo y longitud de la ráfaga para así tomar una decisión sobre el orden en el cual se deben asignar recursos [20]. Aunque esto no evite la pérdida de información si disminuye la probabilidad de que esto suceda. Los resultados obtenidos de la simulación del enrutamiento con el análisis de tiempos de las ráfagas muestran una reducción en la tasa de pérdidas y un aumento en el uso del ancho de banda en relación con el método FIFO [20].

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2.6. MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN DE FALLOS 2.6.1. Identificación de fallos OBS presenta muchas ventajas debido a su complejidad, sin embargo, esto mismo hace que la detección de fallos sea una de las dificultades en este tipo de redes. La correcta detección y localización de errores es fundamental en el proceso de recuperación ante cualquier tipo de fallos; uno de los puntos clave en la detección de errores, además de ubicar de manera correcta en donde ocurrió un fallo, es hacerlo en el menor tiempo posible con el fin de mantener altos estándares de calidad de servicio y funcionalidad.

2.6.2. Desarrollos en la identificación de fallos En la búsqueda de métodos efectivos y eficientes para la identificación de errores, una de las propuestas es el algoritmo basado en el monitoreo por ciclos [21]. La idea fundamental del algoritmo es descomponer la red en un conjunto de ciclos. Todos los nodos y los enlaces se encuentran al menos en uno de estos ciclos, un módulo de sondeo es asignado por ciclo. Dividir la red en diferentes subredes es una buena técnica para facilitar el trabajo de la revisión por ciclos. Con la topología en anillo es relativamente fácil la detección de fallos y además es fácil el reenrutamiento, así que idealmente se busca que las subredes obtenidas tengan esta topología. Luego de realizar la división de subredes en forma de anillos y de abanico, se procede a realizar el árbol de expansiones (spanning tree) de la subred, el objetivo de esta etapa es el de obtener los ciclos en las diferentes subredes [21]. Para el proceso de detección de errores se establece una matriz de candidatos de fallos F cuando se enumeran códigos de alarma para cada enlace, el número de filas en la matriz F es igual al número total de enlaces en la red [21]. Una vez que las alarmas por fallos son recibidas, un código de alarma m es generado, se puede comparar este código con la matriz de candidatos F fila por fila y bit por bit, de esta manera se podría detectar el enlace en el que ocurrió el fallo [21]. Las simulaciones de este método para la detección de fallos, basado en un esquema de partición de red, presentan un grado de localización de fallos relativamente alto y también reduce el gasto general promedio de longitud de onda en relación a otros algoritmos [21].

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2.7. MECANISMOS DE RESTABLECIMIENTO Y SU APLICACIÓN 2.7.1. Restablecimiento El restablecimiento es la segunda parte en el proceso de recuperación ante fallos. En esta etapa se busca tomar medidas ante un fallo ocurrida en la red, cabe añadir que estas medidas están relacionadas con la toma de decisiones de lo que se debe hacer con los datos afectados por el fallo ocurrida. Además de que la buena toma de decisiones sea el núcleo de este proceso, el tiempo en el que se toman estas decisiones es fundamental para la buena calidad de servicio de la red.

2.7.2. Desarrollos en los mecanismos de restablecimientos Los esquemas generales de restablecimiento conocidos no pueden ser aplicados a redes OBS debido a que carecen de una característica fundamental en este tipo de tecnología, el tiempo de compensación. Este tiempo de compensación es un retardo existente entre un paquete de control y su correspondiente ráfaga. El proceso original de restablecimiento de ruta para redes OBS está dado por una serie de pasos [22]. El primer paso es la detección del fallo, en esta parte los nodos adyacentes (f y g en la figura 2-8) al fallo hacen la respectiva identificación de esta y proceden a dar aviso a los nodos de origen y destino de la ráfaga (a y e en la figura 2-8), con el fin de recalcular la nueva ruta y liberar recursos, esta acción es el segundo paso del proceso de restablecimiento. El tercer paso consiste en el cálculo de la ruta de respaldo y la reserva de esta, de ésta acción se encarga el nodo de origen de la ráfaga (a en la figura 2-8). El cuarto paso está dado por el ajuste del tiempo de compensación y conmutación de la ráfaga por la nueva ruta, es importante el ajuste del tiempo de compensación debido a que el número de nodos por los que debe pasar la ráfaga en la nueva ruta puede ser diferente al número de nodos que se tenía en la ruta anterior.

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Figura 2-8. Imagen para el proceso de restablecimiento de ruta. Fuente de la imagen: propia.

Para los casos de restablecimiento de sub-ruta y de enlace, la diferencia yace en el hecho de que el proceso no restablece la ruta completa desde el nodo de origen hasta el nodo de destino, en cambio solo se restablece una sección o tramo de la ruta. Con base en este esquema general se han desarrollado varios mecanismos para evitar fallos en redes OBS, uno de los propuestos en la literatura es denominado mecanismo de protección dinámico [23]. En éste se usa un control GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching) [2], el esquema de protección 1+1 [24] y el esquema de cambio de ruta previamente planificada, estos esquemas ofrecen diferentes tiempos de recuperación en una red OBS que generalmente toma valores entre varias decenas de milisegundos a varios segundos. Lo que propone este mecanismo es el uso dinámico de estos esquemas según los requerimientos de protección para garantizar la calidad de servicio de acuerdo a la prioridad del flujo de ráfagas, es decir, si una ráfaga es de alta prioridad se usará protección 1+1 que garantiza una pérdida menor que un esquema de protección de cambio de ruta previamente planificada, esta última es usada para tráfico de baja prioridad. En la experimentación se verificó que este mecanismo de protección dinámica, puede ser utilizado para dar cabida efectiva a múltiples flujos de ráfaga con diversos requerimientos de calidad de servicio, demostró una gran elasticidad ante los fallos en la red. Enrutar dinámicamente cada ráfaga de acuerdo al estado actual de la red podría distribuir mejor el tráfico. Los mecanismos de enrutamiento se centran en evitar la congestión en las etapas de cómputo de rutas, en lugar de lidiar con ella cuando ya ha sucedido [25]. DSR (Enrutamiento dinámico con reenrutamiento síncrono) y DAR (Enrutamiento dinámico con reenrutamiento asíncrono) son dos tipos de enrutamiento semidinámico que pueden ser usados para esta tarea. En DSR una tabla de enrutamiento es inicialmente establecida calculando la ruta más corta entre cada par de nodos. La cabecera de la ráfaga es enviada en la ruta almacenada previamente en la

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tabla, después de un periodo T la red es actualizada al analizar el ancho de banda de cada enlace, en base a esta información la tabla de enrutamiento es actualizada para cada ruta. En DAR si es recibida una petición de una ruta, y esta se encuentra en la tabla de enrutamiento, la ruta es utilizada; si la ruta no está definida esta será calculada y almacenada en la tabla un tiempo T. Después de T unidades de tiempo, la ruta será eliminada de la tabla hasta que se tenga una nueva petición para la misma ruta [25]. Un primer resultado del uso de técnicas de enrutamiento dinámico es que los tiempos de actualización de las tablas no deben ser ni muy cortos ni muy largos, tiempos cortos llevan a tablas de enrutamiento inestables y tiempos largos hacen que los enfoques tiendan a mecanismos estáticos. Los resultados muestran además que la probabilidad de pérdidas de ráfagas puede ser disminuida significativamente con el uso de enfoques de enrutamiento dinámico. Otro resultado significativo mostró que los mecanismos de enrutamiento dinámico consiguen un mejor balance de carga del tráfico de ráfagas [25].

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Capítulo 3

METODOLOGÍA

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3.1. Fundamentos y diseño de un nodo de borde y un nodo de núcleo para una red OBS El componente fundamental de una red OBS es el nodo, su función principal es proveer una ruta con características definidas y dentro de un período de tiempo especificado, además, las peticiones de conexión de estas rutas pueden ser por demanda o por reserva de recursos. Por este motivo es necesario que los recursos del nodo utilizados para el establecimiento de dichas rutas aseguren de manera flexible la provisión de rutas para esas peticiones. En una red OBS existen dos tipos de nodos: el nodo de borde y el nodo de núcleo, el primero se encarga de ensamblar y desensamblar los paquetes IP para formar las ráfagas de datos, de igual manera genera un paquete de control por cada ráfaga de datos que ensambla, el cual es enviado a un nodo de núcleo con antelación con el fin de reservar recursos de red para el posterior envío de la ráfaga de datos. Los nodos de borde son los únicos que pueden introducir y extraer tráfico de la red OBS. El nodo de núcleo se encarga de la conmutación y asignación de longitudes de onda a lo largo de toda la ruta.

3.2. Partes de un nodo de borde 3.2.1. Unidad de adaptación Unidad encargada de recibir la información por las diferentes entradas del nodo (eléctricas u ópticas) y convertirlas al dominio eléctrico, para que puedan ser procesadas posteriormente por el nodo.

3.2.2. Buffer de línea Unidad de almacenamiento de los paquetes IP, recibidos por un puerto del nodo de borde determinado y que posteriormente serán procesados por la unidad de ensamblado de ráfagas de datos.

3.2.3. Ensamblador La unidad de ensamblado de ráfagas consta de: ● Clasificador: unidad encargada de separar los paquetes IP, según su destino y prioridad. ● Generador de ráfaga de datos: unidad encargada de unir los paquetes IP y conformar la ráfaga de datos, esta cuenta con un buffer de almacenamiento. ● Generador de paquete de control: unidad encargada de generar el paquete de control para cada ráfaga de datos, este paquete de control contiene la ruta de origen a destino, el

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tamaño de la ráfaga de datos, el tiempo de retraso entre la transmisión de la ráfaga y el paquete de control.

Figura 3-1. Diagrama de bloques nodo de borde. Fuente de la imagen: propia.

3.2.4. Desensamblador El módulo de desensamblado se encarga de hacer el proceso inverso del ensamblador, este recibe la ráfaga de datos, la convierte al dominio eléctrico la almacena y la procesa separando la ráfaga 40

de datos en paquetes IP que posteriormente son enviados al destino correspondiente de cada paquete.

3.2.5. Interfaz de salida Está compuesta por dos partes: 1. Interfaz de salida para los paquetes de control, transmisor óptico encargado de transformar el paquete de control del dominio eléctrico al dominio óptico, para ser enviado por un hilo de fibra al siguiente nodo. 2. Interfaz de salida para ráfagas ópticas: puerto óptico conectado directamente desde una salida del conmutador óptico a una salida óptica del nodo de núcleo.

3.3. Partes de un nodo de núcleo 3.3.1. Interfaz de entrada Está compuesta por dos partes: 1. Interfaz de entrada para los paquetes de control la cual consta de: ● Demultiplexor óptico: utilizado para separar las longitudes de onda utilizadas para transmitir los paquetes de control. ● Receptor óptico: encargados de transformar las señales ópticas en señales eléctricas (conversor OE), en concreto es un fotodetector el encargado de esta transformación. El receptor óptico consta de: − Un filtro óptico, encargado de eliminar ruido y de seleccionar el canal adecuado. − Un fotodetector, elemento encargado de generar una corriente eléctrica proporcional al a partir de una potencia óptica. − Un amplificador front-end, que amplifica la señal eléctrica. − Un decisor, que decide cuando se está recibiendo un "1" o un "0". ● Buffer de almacenamiento de paquete de control: es utilizado para almacenar el paquete de control una vez ha sido convertido de dominio óptico al dominio eléctrico, para posteriormente ser procesado, por la unidad de control.

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2. Interfaz de entrada para ráfagas ópticas: puerto óptico conectado directamente a un conmutador óptico.

Figura 3-2. Diagrama de bloques nodo de núcleo. Fuente de la imagen: propia.

3.3.2. Unidad de control Unidad encargada de procesar el paquete de control en el dominio eléctrico, asigna recursos de red, especifica el siguiente salto en la ruta según su tabla de enrutamiento, genera un nuevo paquete de control y lo envía a la interfaz de salida del paquete de control.

3.3.3. Conmutador - conversor óptico Los amplificadores de semiconductor (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) que originalmente se desarrollaron para amplificación lineal han encontrado un mejor campo de acción en el procesamiento todo-óptico de señal, en concreto, como dispositivo conmutador y como dispositivo capaz de realizar conversión de longitud de onda. En este contexto, la conversión de longitud de onda en SOA se logra mediante la interacción de señales ópticas moduladas y los portadores internos del SOA. Existen dos métodos principales para realizar conversión de longitud de onda usando amplificadores ópticos de semiconductor: mediante modulación de ganancia cruzada (XGM, Cross Gain Modulation), modulación de fase cruzada (XPM). 42

3.3.3.1. Modulación de ganancia cruzada La modulación de ganancia cruzada en un SOA es un efecto que permite a una señal modulada en intensidad transferirse de una longitud de onda a otra. Esta técnica se puede implementar en todo el rango de longitudes de onda del amplificador (100 nm), es prácticamente insensible a la polarización pero introduce ruido debido al efecto de emisión espontánea propio de los SOA. Si la intensidad de la potencia de entrada es alta, el número de transiciones estimuladas en la zona activa del material semiconductor aumenta, y por lo tanto, la densidad de portadores disminuye, resultando en una reducción de la ganancia del amplificador. Este fenómeno se conoce como saturación de ganancia del amplificador y provoca una modulación en la ganancia invertida respecto a una señal de entrada inicialmente modulada. Si de forma simultánea, una señal continua (CW) que está en otra longitud de onda se inyecta al SOA de forma codireccional o contradireccional, ésta se amplifica con dicha ganancia, y por lo tanto, resultará modulada a la salida del SOA con un patrón inverso al original. Cuando el SOA se configura de forma codireccional se requiere un filtro a la salida del dispositivo para eliminar la señal en la longitud inicialmente modulada, dejando pasar únicamente la señal de datos a la nueva longitud de onda. Cuando el SOA se configura de forma contradireccional, no se requiere la utilización de dicho filtro y además se puede realizar conversión a la misma longitud de onda, aspecto que no es posible cuando el SOA se alimenta de forma codireccional. Un aspecto a tener en cuenta es que el ancho de banda en la configuración contradireccional se reduce ligeramente y se incrementa el nivel de ruido de emisión espontánea (ASE, Amplified Spontaneous Emission) [26]. En la figura 3-3 se muestra la configuración del SOA para efectuar la conversión de forma codireccional, figura 3-3(a) y contradireccional figura 3-3(b) respectivamente.

Figura 3-3. Esquema de conversión en XGM. (a) Codireccional. (b) Contradireccional. Fuente de la imagen: propia.

En la actualidad este dispositivo de forma comercial se puede encontrar con anchos de banda de hasta 40 GHz, no obstante introducen diafonía cuando varias señales con distintas longitudes de 43

onda atraviesan el SOA, por este motivo no es apropiado para amplificación de señales WDM. Otro aspecto relacionado con las prestaciones del dispositivo se refiere a la baja relación de extinción (getSenderModuleId()%2 == 0 && pkt->getSenderModuleId()>62) { badnode[pkt->getSenderModuleId()] = 1; badnode[pkt->getSenderModuleId()+1] = 1; } else if(pkt->getSenderModuleId()%2 != 0 && pkt->getSenderModuleId()>62) { badnode[pkt->getSenderModuleId()] = 1; badnode[pkt->getSenderModuleId()-1] = 1; } else if(pkt->getSenderModuleId()getSenderModuleId()-1] = 1; badnode[pkt->getSenderModuleId()] = 1; badnode[pkt->getSenderModuleId()+1] = 1; } } if(error == 2) //Falla de enlace { for(int i=0; igetSenderModuleId()][dst][i][j] = 2; table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][dst][tbl.GetNextNode(src, pkt>getSenderModuleId(), dst)][src][i][j] = 2;

89

}

}

} if(error == 3) //Falla de fibra { for(int j=0; jgetSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][rand.GetFiber()][j] = 2; } } if(error == 4) //Falla de canal { table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][rand.GetFiber()][rand.GetChannel()] = 2; }

90

Apéndice D

Código enrutador if(badnode[pkt->getSenderModuleId()] == 0) //Verificación de error de nodo (0: Nodo bueno, 1: Nodo malo) { if(strcmp(pkt->getFullName(),"header") == 0) //Verifica si es cabecera { for(int i=0; igetSenderModuleId()][dst][i][j] == 0) //Escoge un canal de control y pasa a escoger canal de datos { table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][j] = 1; node2[src][pkt->getSenderModuleId()+1][dst]=1; canal = j; j = 3; } else if(table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][j] == 1) { table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][j] = 0; canal++; } if(j == 2) { k = 9; node2[src][pkt->getSenderModuleId()+1][dst]=0; }

91

j++; } //Ciclo de canal de control while(kgetSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][k] == 0) { table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][k] = 1; if(ruta == 0) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto1(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); auxetetime = tbl.GetEtetime(pkt->getSenderModuleId()-2, tbl.GetPuerto1(src, pkt>getSenderModuleId()-2, dst)); etetime1 = etetime1 + auxetetime + rand.TimeInterval(auxetetime); } if(ruta == 1) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto2(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); auxetetime = tbl.GetEtetime(pkt->getSenderModuleId()-2, tbl.GetPuerto2(src, pkt>getSenderModuleId()-2, dst)); etetime1 = etetime1 + auxetetime + rand.TimeInterval(auxetetime); } //Sale de los ciclos si la asignación de canales es exitosa i = 6; j = 3; k = 9; } if(k == 8) //Si no hay canales de datos disponibles libera el canal de control reserbado { table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][canal] = 0; node2[src][pkt->getSenderModuleId()+1][dst]=0; } k++; } //Ciclo de canal de datos } //Ciclo de fibras } //Verifica si es cabecera if(node2[src][pkt->getSenderModuleId()][dst] == 1 && strcmp(pkt->getFullName(), "burst") == 0) //Si se pudieron asignar recursos { if(ruta == 0) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto1(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); } else if(ruta == 1 && routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()][dst] == 1) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto2(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); pathmark = 1; }

92

else if(ruta == 1 && pathmark == 1) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto2(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); } else if(ruta == 1) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto1(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); }

} else if(node2[src][pkt->getSenderModuleId()][dst] == 0 && strcmp(pkt->getFullName(), "burst") == 0) //No se pudieron asignar recursos { errorflag = 1; if(ruta == 0) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto1(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); } else if(ruta == 1 && routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()][dst] == 1) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto2(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); pathmark = 1; } else if(ruta == 1 && pathmark == 1) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto2(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); } else if(ruta == 1) { send(pkt, "out", tbl.GetPuerto1(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)); } } } //Verificación de error de nodo

93

Apéndice E

Código de algoritmo corrección de fallos

de

detección

y

if(strcmp(pkt->getFullName(),"header") == 0 && ruta == 0) { //---------Verificación sin algoritmo-------------int c = 0; for(int i=0; igetSenderModuleId()][dst][i][j] == 0) { c++; } } } //----------Verificación con algoritmo--------------------int c1 = 0; int d1 = 0; for(int i=0; igetSenderModuleId()][dst][i][j] == 2) { d1++;

94

} if(table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][j] == 0) { c1++; }

}

} if(d1 < 9) { i = 6; }

//------Verifica daño de enlace--------------------if(c == 0) { ruta = 1; routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()][dst] = 1; routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()+1][dst]=1; } //-------Verifica falla de nodo---------------processes1++; processes2++; if(badnode[tbl.GetNextNode(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)] == 1) //Verifica error de nodo { ruta = 1; routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()][dst] = 1; routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()+1][dst]=1; } } if(strcmp(pkt->getFullName(),"header") == 0 && ruta == 1) { //---------Verificación sin algoritmo-------------int c = 0; for(int i=0; igetSenderModuleId()][dst][i][j] == 0) { c++; } } } //----------Verificación con algoritmo--------------------int c1 = 0; int d1 = 0;

95

for(int i=0; igetSenderModuleId()][dst][i][j] == 2) { d1++; } if(table22[tbl.Puerto(ruta, src, pkt->getSenderModuleId(), dst)][src][pkt>getSenderModuleId()][dst][i][j] == 0) { c1++; } } if(d1 < 9) { i = 6; } } //-------Verifica falla de nodo---------------processes1++; processes2++; if(badnode[tbl.GetNextNode(src, pkt->getSenderModuleId(), dst)] == 1) //Verifica error de nodo { ruta = 1; routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()][dst] = 1; routeflag[src][pkt->getSenderModuleId()+1][dst]=1; } }

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