Redes de Edge (Agregação, Middle Mile), perspectivas e desafios de planejamento e projeto

De maneira simples, podemos descrever as redes de Edge como redes que conectam as redes de acesso ao “core” da rede metro, também conhecidas como redes de agregação pela perspectiva de consolidação de tráfego, ou Middle Mile, por possuírem distâncias intermediárias às observadas nas redes metro. Dependendo da metrópole e tamanho da operadora, sub-redes de pré-agregação podem fazer sentido para um transporte mais eficiente do tráfego, assim como sub-divisões nas redes de acesso e de Core também podem ocorrer. No entanto, o objetivo das redes de Edge é conectar o tomador de serviço (Residencial, Móvel ou Corporativo), localizado no acesso, ao serviço, que tradicionalmente está posicionado no Core da rede metro.

Conforme já vimos discutindo em artigos anteriores (https://optlight.com.br/?p=214/; https://optlight.com.br/?p=2750/) , o crescimento exponencial do tráfego pressiona as redes de transporte a evoluírem de maneira a promover o correto escoamento desse crescente volume de tráfego. Uma rede de Edge que até bem pouco tempo era projetada para transportar n x10Gb/s, já é obrigada a lidar com múltiplos de 100Gb/s. Esse novo cenário leva a questionamentos quanto a melhor arquitetura física e lógica a ser utilizada, seja no que toca a topologia ou quanto ao tratamento do tráfego nos domínios Óptico e IP (Anel, Hub e spoke, hop by hop, ponto – multiponto).

“Drivers” de aumento de tráfego …

Num painel recente promovido pela Light Reading, onde analistas, representantes da indústria e de operadoras debateram os desafios das redes de Edge, projetou-se que o número de usuários de comunicação móvel 5G deve saltar de 2 para 8 bilhões nos próximos 5 anos, impulsionado pelo avanço/evolução das redes 5G (“5G Advanced” e “SA Core”) e a introdução de outros casos de uso, além do acesso a rede em alta velocidade (eMBB)*.

Outro dado importante do mesmo levantamento é que a velocidade média de acesso a banda larga de alta velocidade por redes fixas será de 1Gb/s em 2028, graças ao crescimento das redes ópticas, que representarão 77% entre as modalidades de acesso disponíveis.

Somados a estes dois “drivers”, a tendência de grandes Data Centers virem para o Edge, de maneira a entregar serviços e conteúdos mais eficientemente e com baixíssima latência, requisito fundamental para certas aplicações 5G (URLLC e mMTC)*, por exemplo, fica clara a necessidade eminente de atualizar o planejamento/desenho das redes de agregação para atender aos requerimentos de tráfego que se prenunciam nos próximos anos.

Redes de Edge (Agregação) em topologias de anel/cadeia …

As redes de agregação hoje são majoritariamente construídas em anel, com grooming/agregação de tráfego nas camadas OTN* ou IP, mono-canal ou multi-canal (DWDM), utilizando-se, neste caso, de estruturas OADM’s* simples e de poucos canais

Admitindo-se que a velocidade mínima por interface/canal passa a ser de 100Gb/s, vale debruçar-se sobre algumas questões, no caso de topologias tradicionais:

– Em que camada agregar o tráfego? OTN ou IP? Dada a natureza majoritariamente estatística do tráfego e a evolução da tecnologia de emulação de circuitos, as soluções IP parecem se posicionar melhor.

– Do ponto de vista lógico, deve-se tratar o tráfego 100% hop by hop ou permitir o by-pass na camada óptica? O By-pass de estações, viabilizado por estruturas ópticas OADM’s ou R-OADM’s* (Programáveis), permite encaminhar o tráfego diretamente entre os nós originadores de tráfego, o que por sua vez permite a utilização de roteadores de menores capacidades, uma vez que o tráfego de trânsito mais pesado não precisa ser terminado em todos os nós do caminho. No entanto, estruturas de Switching Óptico (ROADM’s) precisam ser compactas, com amplificação óptica integrada e de baixo custo.

Uma arquitetuta de estrutura mista talvez fosse mais apropriada, com capacidade de agregação no domínio IP, o que promove otimização da ocupação de tráfego no canal óptico, e com funcionalidade de Switching óptico (ROADM) para permitir tráfego expresso quando necessário. É preciso, no entanto, considerar o custo dessa solução mais completa, assim como os desafios de consumo e espaço. Em se tratando de uma rede multi-serviços (Residencial, Mobile, Corporativo), a balança pode pender mais positivamente para a arquitetura, uma vez que a convergência traz volume e eliminação de redes dedicadas, o que pode viabilizar a estratégia.

Advento da topologia óptica Hub & Spoke (Ponto – Multi ponto) …

Recentemente o Open XR Forum (https://openxropticsforum.org/), liderado pela Infinera, tem se debruçado sobre a padronização de uma arquitetura Ponto – Multi ponto baseada em plugáveis coerentes e sub-lambdas (Digital Sub-carriers). A idéia é que um canal de 400Gb/s, composto por 16 sub-portadoras de 25Gb/s, por exemplo, permita estabelecer conexões ópticas privadas a diferentes nós da rede Edge, numa arquitetura Hub & Spoke óptica, conforme ilustrado na figura 4.

Essa arquitetura permite a utilização de uma rede óptica passiva, como nas redes GPON de acesso, que elimina a necessidade de equipamentos ativos IP na porção de agregação da rede, mantendo-os apenas nos lados de acesso e core da rede metro.

Uma opção interessante, pois pode trazer ganhos significativos de CAPEX e OPEX, pela redução da quantidade de transceivers ópticos e eliminação de equipamentos na agregação.

Cenários que exijam aumento de capacidade dos links de rede, com baixo impacto na operação, no que toca reconfiguração ou adição de novos sites, comum em atendimento a Data Centers, podem ser mais facilmente implementados com a solução XR, quando comparado com as soluções tradicionais que oferecem menos flexibilidade. No entanto, o desenho da rede de fibras é diferente, devido a característica Ponto-Multi-ponto física, o que exige mudança na estratégia de implantação da planta de fibras, nessa porção da rede. Pode haver um consumo maior de fibras do que nas arquiteturas tradicionais, em especial para obtenção de resiliência de tráfego. Outro ponto a se destacar é que o ganho estatístico no tratamento do tráfego fica nas pontas, pois a rede de Edge é puramente óptica.  Tais considerações precisam ser levadas em consideração na análise de custo total.

Papel dos plugáveis coerentes na rede de Edge …

Os plugáveis coerentes 400G XR são a base da arquitetura Ponto – Multi ponto resumida acima, no entanto qualquer que seja a arquitetura a ser adotada e que pretenda ser a prova de futuro, precisa considerar a utilização de plugáveis coerentes. Pesquisa junto as principais operadoras mundiais já mostram o interesse pela solução 100G ZR, sob padronização do IEEE (IEEE 802.3ct^tm ), que segue o caminho do bem sucedido 400G ZR, já largamente aceito e implementado. A figura 5 traz o resultado de um levantamento da Heavy Reading quanto a expectativa de adoção desse padrão

Sem dúvida que redes de agregação tradicionais à fibra escura, cujas distâncias não excedam 40km, podem utilizar módulos de 100G de detecção direta, no entanto não são escaláveis pois não permitem adição de novos canais ( … não são redes DWDM). O upgrade passa pela substituição da interface de linha por outra de maior velocidade (de 100G à 400G, por exemplo), o que é mais doloroso em termos de custo e upgrade.

“Take aways” das considerações acima …

Sem dúvida que um operador de rede seja CSP^*, ICP^* ou MSO^*, possui especificidades de rede e tráfego que precisam ser analisadas com cuidado e certamente não é o caso de uma solução serve para todos.

Em resumo, apontamos alguns pontos que entendemos relevantes e merecem atenção no momento do planejamento/design de redes Edge:

–  Links de transporte passam a ser de 100G, pelo menos. Arquitetura e soluções a serem adotadas precisam comportar esta capacidade por conexão, com escalabilidade.

– Recomendável considerar a possibilidade da arquitetura Hub&Spoke óptica, que apesar de requerer uma estratégia diferente de “roll out” de fibras, traz significativa redução de investimento em equipamentos e prazos de upgrade/reconfiguração de rede.

– Na rede Edge o custo é crítico, portanto quanto menos equipamentos, melhor. Atualmente com a evolução da tecnologia de chips, tem-se soluções IP muito compactas capazes de processar vários Tb/s de tráfego, com baixo custo e consumo potência, mesmo que super dimensisonados.  Se na análise econômica, essas caixas se mostrarem competitivas, pode-se considerar a arquitetura hop by hop de tráfego, sem by-pass óptico (eliminando a necessidade de estruturas ROADM), mesmo que o volume de tráfego trânsito nos nós seja bastante significativo. Isso no caso de topologias mais tradicionais em anel.

– Escalabilidade de capacidade também é um requerimento importante, o que torna a solução DWDM necessária em boa parte dos casos, no entanto com o advento dos plugáveis coerentes (100G ZR, 400ZR, …), que oferecem performance mais do que suficiente nessa porção da rede, dispensa-se a utilização de transponders ópticos, em casos de redes tradicionais.

– Atenção ao atendimento aos standards e características abertas de gerenciamento das soluções de rede. É desejável que a operadora não esteja presa a um dado fabricante e sem possibilidade de desenvolvimento de aplicações de automação por conta própria.

–  Capacidade de upgrade e reconfiguração sem afetação aos demais serviços de rede é um requerimento cada vez mais necessário, tanto da perspectiva de agilidade de entrega de novos serviços, quanto no que concerne custos de implantação/operação, que no final afetam a saúde do negócio.

Pretendeu-se aqui neste artigo, chamar atenção para essa importante porção da rede metro, suas características e desafios, dado o cenário de crescimento de tráfego que se avizinha.

Ficamos à disposição para aprofundar a discussão e/ou fazer análises customizadas de cenários e projetos reais de redes que se apresentem.

*Legend:

OTN: Optical Transport Network

OADM: Optical Add Drop Multiplexer

ROADM: Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer

eMBB: enhanced Mobile BroadBand

URLLC: Ultra Reliable Low Latency Communication

mMTC: massive Machine Type Communication

CSP: Carrier Service Provider

ICP: Internet Content Providers

MSO: Multiple Service Operator