L’evoluzione delle reti ottiche Introduzione, Scenario, stato dell'arte e Prospettive prof. G. Russo

Presentazione sul tema: "L’evoluzione delle reti ottiche Introduzione, Scenario, stato dell'arte e Prospettive prof. G. Russo"— Transcript della presentazione:

1 L’evoluzione delle reti ottiche Introduzione, Scenario, stato dell'arte e Prospettive prof. G. Russo (grusso@unina.it)©2012

2 2 Sommario La trasmissione ottica – problematiche e stato dell’arte Le reti ottiche –Concetti fondamentali –Struttura –Problematiche Il piano di controllo su reti ottiche di nuova generazione Conclusioni

3 3 Le origini – “Fiat Lux!” Le fibre ottiche, "vedono la luce" nei lontani (e favolosi) anni settanta, a seguito di un'intensa ricerca scientifica che si svolse in particolare negli USA e nell'URSS contemporaneamente, anche se separatamente, e spesso in concorrenza per motivi politici e militari. Vengono inventati in quello stesso periodo e negli anni precedenti, oltre alle fibre ottiche, tutta una serie di dispositivi optoelettronici di interesse sia industriale che politico e, sopratutto, militare come il laser, i fotomoltiplicatori, i fotodiodi, ecc. Le prime fibre ottiche avevano la dimensione di una lenza da pesca ed erano poco flessibili essendo composte esclusivamente di vetro! Ф 1 = Ф 3 sen Ф 1 n 2 ________ = ____ sen Ф 2 n 1

4 4 Punti di forza +banda (alcune decine di THz) +immunità ai disturbi +leggerezza e flessibilità +meno pericolosa dei mezzi metallici +meno costosa dei mezzi metallici +sicurezza e protezione da intrusioni Caratteristiche: i pro e i contro Debolezze –difficoltà di connettorizzazione e interfacciamento –dispersioni –effetti non lineari

5 5 Core in fibra di vetro Cladding Copertura polimerica interna Copertura polimerica esterna 8.3 micron* 125 micron 250 micron Fibra singola Struttura di un cavo multifibra Schermi di protezione Prottegge il “core” FA da “guida d’onda” per la luce * Per una fibra Single Mode; la Multi-Mode ha un core da 50 Micron Attenuazione: 0.2 – 0.25 dB/km + perdita di sezionamento Struttura di una fibra ottica

6 6 Wavelength (nm) 8001000120014001600 Attenuation (dB/km) 0.01 0.1 1.0 10 Assorbimento Infrarossi 1800 Rayleigh scattering Assorbimento UV Fibra Ottica Prima finestra 850 nm a=1.2 dB/Km Seconda finestra 1300 nm a=0.4 dB/Km Terza finestra 1550 nm a=0.2 dB/Km Attenuazione tipica di una fibra

7 7 Bande trasmissive Le fibre ottiche sono utilizzate per scopi di telecomunicazioni per distanze superiori a qualche chilometro e velocità di trasmissione superiori ai 100 Mbit/s nelle bande attorno a: –1300 nm (II finestra) –1550 nm (III finestra, minimo assoluto dell’attenuazione) La banda trasmissiva nelle due finestre è circa 25000 GHz

8 8 Tipi di fibre Le fibre più utilizzate sono Fibra standard ITU-T G.652 (ottimizzata per l’uso in II finestra) Fibra standard ITU-T G.653 (Dispersion Shifted, ottimizzata per l’uso in III finestra) Fibra a dispersione non nulla ITU-T G.655 (ottimizzata per DWDM in III finestra) Nel caso di fibra G.652, i sistemi WDM Nx2.5-Gbit/s sono limitati dalla dispersione cromatica e di polarizzazione Nel caso di fibra G.653, i sistemi WDM Nx2.5-Gbit/s sono limitati dal FWM

9 9 Wavelenght Division Multiplexing Consente di veicolare più lunghezze d’onda λ (oggi fino a 320) all’interno del medesimo portante fisico, ciascuna con capacità trasmissiva fino a 40 Gbps (OC768), dipendentemente dalla qualità della fibra e degli apparati di trasmissione Segnale ottico composito Wavelength (nm)   WDM MUX Tx Rx Tx Rx Tx Rx Tx Rx 153015501565 I segnali sono multiplexati nel dominio delle lunghezze d’onda

10 10 Multiplazione WDM Le tecniche WDM sono più naturali nel dominio fotonico. La divisione della banda disponibile in canali è comunque necessaria in quanto il canale ottico, anche se attraversa solo punti di commutazione operanti nel dominio fotonico, è attestato nel dominio elettronico. Nel caso di puro WDM, è possibile offrire agli utenti canali trasparenti end-to- end, chiamati lightpath. Se le distanze coperte sono grandi, può essere necessario Rigenerare i segnali, operazione cui è sovente associata una Risincronizzazione e una Risagomatura (si parla di 3R) nel caso di segnali numerici. Possiamo avere lightpath trasparenti (tutto ottici) o opachi (che ammettono 3R, 2R, o 1R, in ottica o in elettronica).

11 11 WDM - separazione fra bande BLUE BAND: regione 1529-1536nm –(8 canali 100Ghz spaced/16 canali 50Ghz spaced multiplexabili) RED BAND: regione 1542-1561nm –(24 canali 100Ghz spaced/48 canali 50Ghz spaced multiplexabili) INFRARED BAND: regione 1575-1602nm –(32 canali 100Ghz spaced/64 canali 50Ghz spaced multiplexabili)

12 12 Le componenti dell’architettura WDM Terminazione A Post- Amp Pre- Amp Amplificatori di linea MUXMUX DEMUXDEMUX Transponder Interfaces Transponder Interfaces Direct Connections Direct Connections Componenti di base Amplificatori ottici Multiplexers ottici Sorgenti ottiche stabili Terminazione B

13 13 Capacità di banda per singola fibra Fonte: K. Coffman & A. Odlyzko, “Internet Growth: Is There A Moore’s Law For Data Traffic?” (research.att.com/~amo) Capacità = (Bits /  * Banda (Banda /  Legge di Moore (la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi) Una singola fibra può trasportare tutto il traffico telefonico degli Stati Uniti in ora di punta. Il traffico trasportato dalle fibre attualmente installate è inferiore di diversi ordini di grandezza rispetto alla capacità disponibile.

14 14 Sfatato il paradosso di Tanembaum Consideriamo una singola fibra ottica: La tecnologia corrente consente 320  in una delle bande di frequenza Ogni ha una banda di 40 Gbit/s La capacità di trasporto è : 320 * 40*10 9 / 8 = 1600 GByte/sec Consideriamo un camion da 10 tonnellate: Una tape contiene 50 Gbyte, e pesa 100 g L’intero camion contiene ( 10000 / 0.1 ) * 50 Gbyte = 5 PByte Camion / fibra = 5 PByte / 1600 GByte/sec = 3125 s ≈ 1 ora Per distanze superiori a quelle che un camion può percorrere in 1 ora (50 km) oltre al tempo di carico/scarico di 100000 tapes LA FIBRA E’ VINCENTE!!!

15 15 Nelle reti di prima generazione le fibre si limitano a sostituire il rame come mezzo trasmissivo (strato fisico) per superarne i limiti nelle grandi distanze Esempi: –sistemi sottomarini di trasporto –Infrastrutture gerarchiche SONET/SDH: evoluzione delle gerarchie TDM plesiocrone (PDH) dei sistemi telefonici. Offre flessibilità nella multiplazione dei flussi e funzionalità di gestione, protezione, interoperabilità, networking Reti Ottiche di prima generazione

16 16 I sistemi sottomarini trans-oceanici raggiungono attualmente i massimi valori di prodotto banda-distanza, e sono un ottimo esempio delle enormi potenzialità delle comunicazioni ottiche. –TAT 12/13: (Transatlantic link) operativo dal 1995, distanza massima 6200 Km, capacità (originale) 5 Gb/s per fibra –TPC 5: (Transpacific link) operativo dal 1996, distanza massima 8200 Km, capacità 5 Gb/s per fibra –TAT 14: operativo dal dicembre 2000, 16 canali WDM a 2.5 Gb/s –TPC 6: in fase di sviluppo, progettato per supportare 640 Gb/s con tecnologia WDM I portanti sottomarini

17 17 L’attuale infrastruttura della rete telefonica, su cui vengono sovente veicolati i canali di altre tipologie di reti, è in larga misura basata sulle gerarchie sincrone, evoluzioni delle gerarchie plesiocrone (PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy): SONET - Synchronous Optical NETwork (segnali ottici multipli della velocità base di segnale di 51.84 Mbit/s) SDH - Synchronous Digital Hierarchy (equivalente europeo ed internazionale di SONET) STS - Synchronous Transport Signal (standard corrispondente per i segnali elettrici) La topologia è sovente ad anelli per motivi di affidabilità. SDH/SONET

18 18 Tramatura SDH Struttura dei frame SDH STM-1 –9 colonne di SDH overhead SDH (x righe di 9 bytes) = 81 bytes –261 colonne di payload “administrative units group (AUG)” (x righe di 9 bytes) = 2349 bytes –125 microseconds per frame = 155,52 (150,34) mbps Total STM-1 Transmission Overhead 9 Rows x 9 Columns STM-1 AUG (261 Byte/Columns) A1 x x B2 x x x x x B1 D1 B2 x x x D7 D10 S1 xxD4 1 2 Order of Transmission A2 x x x x x M1 x x E1 D2 x x x x K1 D8 D11 x xxD5 J0xx x x x x x x x D2 F1 D3 x x x x K2 D9 D12 E2 xxD6 AU Pointers J1 B3 C2 F2 F3 K3 N1 H4 G1 Path Overhead 1 Row x 9 Columns APS Signaling Section Trace Bit Errors Path Signal Label Regenerator Sec. Overhead (3 Byte/Rows, 9 Columns) Multiplex Sec. Overhead (5 Byte/Rows, 9 Columns)

19 19 Gerarchie digitali Capacity (DS-1 Equiv) DS: Digital Signal SONET: Synchronous Optical NETwork (US) SDH: Synchronous Digital Hierarchy (ITU) STS: Synchronous Transport Signal STM: Synchronous Transfer Mode VC: Virtual Container VT: Virtual Tributary 28843361344 DS-1 (1.544 Mb/s) Trasmissione Asincrona ("Plesiocronismo") [Non-Standardizzati] DS-3 (45 Mb/s) 5376 VC-11 SDH STM-4STM-16 VC-3 STM-1 STM-64 VT1.5 (1.7 Mb/s) SONET STS-3 (156 Mb/s) STS-12 (622 Mb/s) STS-48 (2500 Mb/s) STS-192 (10000 Mb/s) STS-1 (52 Mb/s) 1

20 20 Multiplexer Or Other PTE Multiplexer Or Other PTE Cross- Connect Cross- Connect Rigeneratore (clock derivato) SONET Path Line Section SDH Virtual Container (VC) Multiplex Section (MS) Regenerator Section (RS) Il paradigma SONET/SDH Caratteristiche Fondamentali: Resilienza: Fault Management & Restoration rapido Ottima manutenibilità

21 21 La multiplazione gerarchica 1 o 28 DS3DS3 O C 192 POTS POTS: "Plain Old Telephone Service" VG: Voice Grade PL: Private Line 1 DS1DS1 24 OOOOOOOO OOOO 64 kb/s1.5 Mb/s 45 - 622 Mb/s 2.5 - 10 Gb/s WDMWDM Backbone Fiber Network 10 Gb WAN Ethernet SONET - 9.953 Gb/s Asynchronous * 1.5 Mb/s PL 45 - 2500 Mb/s PL 1Gb Ethernet 1 - 10 Gb/s PL, 10 Gb WAN Ethernet & VG PL

22 22 Multiplexer and demultiplexer: Il Path Terminating Element (PTE) Versione minima di multiplexer path-terminating terminal Funzionalità di concentratore di DS– 1, e di generazione dei segnali del tributario Due terminal multiplexer connessi da una fibra sono il più semplice collegamento SONET (section, line, path sullo stesso link) STS-3 DS-1 DS-3 STS-3c VT STS-1 OC-N STS-3 DS-3 DS-1 OC-N Rigeneratore –È il più semplice elemento. Opera una rigenerazione 3R –Usato per superare vincoli di distanza –Si sincronizza sul segnale in ingresso, e rigenera il section overhead prima di trasmettere il segnale. Non altera il Line e Path overhead (diverso da repeater in ethernet) Network Elements SDH/SONET OC-N TxRxTxRx TxRxTxRx

23 23 Add-Drop multiplexer (ADM) multiplexing e instradamento in topologie ad anello –Multipla diversi tributari in un segnale OC–N –In un nodo add/drop, solo i segnali che devono essere estratti sono processati e estratti/inseriti –Il traffico in transito viene trasmesso attraverso l’apparato senza particolari trattamenti. Ha funzionalità di instradamento alternativo in caso di guasti OC-N STS-N BUS OC- N STS-1STS-NVT OC-N DS-1DS-3 OC-NDS-1DS-3 Network Elements SDH/SONET Digital cross-connect (DXC): multiplexing e instradamento in topologie magliate –Accetta diverse velocità di linea –Accede ai segnali STS-1 –Commuta tutto a questo livello –Usato per interconnettere accessi STS-1 –Cross-connect a larga banda sono usati per aggregare traffico efficientemente Transparent Switch Matrix (DS1 Switch Matrix) STS-N (VT1.5) STS-1 (DS1) DS1 (DS1) DS3 (DS1) STS-N (STS-N) STS-1 (DS3) DS1 (DS1) DS3 (DS3) STS-NSTS-1ATMDS1DS3

24 24 IP over ATM Approccio classico definito dall’ IETF, RFC 1577: usare ATM per trasporto dati È possibile mappare altri protocolli per trasporto in ATM oltre IP –LAN emulation: permette il trasporto LAN (LAN traffic over WAN) ATM viene poi trasportato da SONET SONET ATM IPToken RingEthernet Protocol Interfaces

25 25 IP over ATM over SONET OADMswitch ATM router IP ATM introduce notevoli overhead (> 20%) e impone un paradigma a circuiti virtuali che mal si combina con IP

26 26 IP over SONET Altri approcci più semplici vedono l’uso di SONET da parte di IP usando un protocollo Point-to-Point (PPP), standard IETF - RFC 1661 PPP permette di trasportare IP su altri protocolli di livello trasporto Funzioni: –Incapsulamento e multiplexing da diversi strati di livello rete su uno stesso canale –Instaurazione, configurazione e controllo del livello collegamento sottostante IP Packet Point-to-Point Protocol (PPP) Packet SONET SPE

27 27 IP+SONET vs IP+ATM+SONET Efficienza di incapsulamento –Ipotesi Pacchetti IP di 576 byte Velocità SONET di 155 Mbit/s –La banda netta è 125.918 Mbit/s per IP+ATM+SONET (efficienza 80%) 147.150 Mbit/s per IP+SONET (efficienza 95%) Considerazione di Qualità di servizio –ATM garantisce una flessibilità che PPP direttamente non può permettere –Indirizzamento, instradamento, controllo di flusso, reazione ai guasti sono implementati da ATM, non da PPP Considerazioni di costo –IP su SONET costa meno di IP su ATM su SONET

28 28 Proprietary (20-400 Gb/s) OTS (OTS: Optical Transport System) Il modello di trasporto “Packet” 1/0 DCS 4E 3/1 DCS 3/3 DCS Layer (DACS III) DACS III ATM/IP DS1 (1.5 Mb/s) DS3 (45 Mb/s) DS3 (45 Mb/s) OC48+ (2.5+ Gb/s) ADM Fiber Conduit/ Sheath 3/1 DCS Layer SONET ADM Layer Core ATM/IP Layers Service Layers Media Layer LA CHCG LA PHNX CHCG Wavelength Path Crossconnect Wavelength Mux Section Crossconnect Hard- Wired

29 29 Si possono identificare due categorie di reti ottiche di seconda generazione: conversione di lunghezza d’onda? reti single-hop reti multi-hop ( es. reti broadcast-and-select) (es. reti wavelength routed) star coupler TX/RX 1 3 2 1 2 3 2 2 1 1 lightpath WDM crossconnect TX/RX Reti ottiche di seconda generazione

30 30 Le topologie a stella utilizzano star coupler, tipicamente realizzati con n/2 log 2 n blocchetti 2x2 (si attraversano log 2 n accoppiatori 2x2). I nodi possono avere una o più coppie trasmettitore/recevitore, accordabili o meno. Ricevitori e trasmettitori accordabili costano molto di più di quelli fissi (specie i ricevitori). La connettività può essere limitata per effetto della limitata accordabilità di trasmettitori e ricevitori. 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 3-dB coupler Reti single-hop

31 31 Reti wavelength routed Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili e con o senza conversione di lunghezza d’onda (wavelength continuity constraint). Si usano cross-connect ottici (Optical Cross-Connect - OXC o Wavelength Cross- Connect - WXC) con collegamenti in fibra. La rete fornisce “cammini di luce” (lightpath - bandwidth pipe) tra coppie di nodi. Fino a un centinaio di lightpath per fibra. B A E C D 1 1 2 lightpath WDM cross-connect Bisogna decidere accuratamente l’allocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale.

32 32 Possiamo utilizzare convertitori di lunghezza d’onda, che consentono di utilizzare meglio le risorse di rete e agevolare l’interconnessione di reti diverse. cambiare aggiunge flessibilità alle strutture WDM di tipo wavelength routing i dati possono essere generati ad una non compatibile con la rete Conversione di B A E C D 1 1 2 3

33 33 Wavelength converter Convertitori opto-elettronici (O/E/O) TXRX rigeneratore –Svolgono naturalmente anche funzione di rigeneratore. –Permettono l’inserimento di ritardi (anche variabili) per risincronizzare. –Non implicano commutazione nel dominio elettronico. –Comunque i singoli canali sono attestati nel dominio elettronico. Convertitori ottici nativi –Basati su tecniche interferometriche e laser –Effettuano riamplificazione –Introducono disturbi/distorsione

34 34 40 - 120 km (di solito 80 km) Fino a 10,000 km (600 km nei prodotti commerciali disponibili) OA 1 2 3 N WDM Mux R R R R WDM DeMux Trasmettitori Ricevitori Amplificazione ottica simultanea su multiple longhezze d’onda!!! Amplificatori ottici WDM Gli amplificatori ottici sono dispositivi che consentono di incrementare la potenza del segnale ottico accoppiato in ingresso per compensare l’attenuazione. – comportano l’accumulo degli effetti dispersivi (dispersione cromatica, CD, e di polarizzazione, PMD ) – causano l’insorgenza di effetti ottici non lineari nella fibra ottica – possono operare solo in intervalli di lunghezza d’onda limitati

35 35 Tipi di amplificatori ottici Dal punto di vista costruttivo gli amplificatori ottici si possono distinguere in tre grandi classi: –Amplificatori a nonlinearità in fibra; –Amplificatori a semiconduttore; –Amplificatori a fibra drogata. Gli AO a nonlinearità in fibra si basano sugli effetti nonlineari Brillouin e Raman, a causa dei quali parte della potenza di un segnale esterno di pompa, ad un'opportuna lunghezza d'onda λ p, viene trasferita al segnale utile a lunghezza d'onda λ 0. La diffusione viene opportunamente stimolata dal segnale pompa in un tronco di fibra a nucleo stretto Nei AO a semiconduttore il meccanismo che autosostiene l'oscillazione viene inibito, facendo, ad esempio, in modo che le facce esterne della cavità di un LASER a semiconduttore ad iniezione siano rivestite di materiale antiriflettente; il fenomeno che è alla base dell'amplificazione ottica resta l'emissione stimolata all'interno della zona attiva del mezzo. Piccolo o compatto. Non opera su lunghezze d’onda multiple!

36 36 Amplificatori ottici EDFA Negli amplificatori a fibra drogata (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifiers) si implementa, invece, un sistema a tre livelli tra alcuni stati energetici degli atomi di Erbio dispersi nel reticolo amorfo della fibra e il pompaggio è ottico con un LASER ad un'opportuna lunghezza d'onda (generalmente 0.98 m, nel caso di un preamplificatore, o 1.48 m, nel caso di un booster) accoppiata al tronco di fibra attivo, come si vede rappresentato di seguito. Il tronco di fibra per gli EDFA è, generalmente, lungo qualche decina di metri. Negli amplificatori a fibra drogata gli atomi di drogante (elementi delle terre rare come l'Erbio) nella concentrazione di qualche decina di parti per milione costituiscono l'elemento attivo per l'emissione stimolata. λ-MUX EDF Isolatore ottico Laser di pompa Input Output

37 37 Filtri ottici Mach Zender Il più semplice meccanismo di filtraggio delle λ è la guida d'onda integrata a cascata di interferometri Mach-Zender. Come è indicato nella figura seguente, lo stadio di combinazione elementare è un interferometro realizzato in modo che il percorso aggiuntivo relativo ad uno dei due rami provochi un opportuno sfasamento del segnale alla lunghezza d'onda relativa; in tal modo si può variare il grado di "accoppiamento" tra i rami stessi in modo che all'uscita A si trova la somma dei due segnali alle due lunghezze d'onda prescelte, mentre il segnale alla porta B viene ad annullarsi.

38 38 Filtri ottici sintonizzabili La selezione dei vari canali sulla base del valore della frequenza (lunghezza d'onda) di trasmissione può essere effettuata tramite ricevitori coerenti con LASER locale sintonizzabile, o con ricevitori a rivelazione diretta preceduti da un filtro ottico passivo sintonizzabile. Un tipico esempio di questi componenti è il filtro a cavità (Fabry- Pérot), che basa la propria selettività sul fenomeno di risonanza (interferenza costruttiva) del segnale luminoso nella cavità a facce riflettenti.

39 39 Le reti ottiche non utilizzano le tecnologie fotoniche solo per migliorare le caratteristiche del mezzo trasmissivo, ma realizzano in ottica parte o tutte le funzioni di commutazione, e alcune funzionalità di controllo. Ciò è necessario, in condizioni di bassa attenuazione e capacità praticamente illimitata per abbattere l’ultimo vero limite rimasto, il tempo necessario per realizzare commutazione e supervisione. L’obiettivo è evitare il “collo di bottiglia elettronico”, cioè la diminuizione di prestazioni che inevitabilmente si incontra riconvertendo dal dominio fotonico a quello elettronico e quindi risparmiare tempo. bianco g (1) v (1) g (2) v (2) g (2) v (2) g (1) v (1) verde rosso giallo La commutazione ottica nativa

40 40 Commutazione di circuito La rete usa le risorse disponibili per allocare un circuito a ogni richiesta di servizio Il circuito è di uso esclusivo dei due utenti per tutta la durata della comunicazione Le risorse sono rilasciate solo al termine della comunicazione, su indicazione degli utenti Vantaggi: –ritardi di trasferimento costanti e limitati Svantaggi: –risorse dedicate a una comunicazione –tariffazione in base al tempo di esistenza del circuito

41 41 Commutazione di circuito Esempio: rete telefonica Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente 1. Inizia chiamata 2. Chiamata in ingresso 3. Accetta chiamata 4. Chiamata accettata 5. Trasmette dati 6. Riceve dati

42 42 Commutazione di pacchetto La commutazione di circuito prevede di allocare rigidamente delle risorse ad una comunicazione su base richiesta: l’efficienza può essere bassa Idea: –Spezzo l’informazione in più segmenti –Trasmetto un segmento, impegnando le risorse, solo quando questo è “pieno” Le risorse vengono allocate dinamicamente a diverse comunicazioni

43 43 Commutazione di pacchetto Non si allocano risorse per l’uso esclusivo di due o più utenti Studiata espressamente per sorgenti intermittenti Funzionamento analogo al sistema postale P.T. P.T. INDIRIZZO

44 44 Commutazione di pacchetto L’informazione da trasferire è organizzata in unità dati (PDU) che comprendono informazione di utente (SDU) e di controllo (PCI) Vantaggi: –utilizzazione efficiente delle risorse anche in presenza di traffico intermittente –controllo di correttezza lungo il percorso –tariffazione in funzione del traffico trasmesso –possibilità di conversioni di velocità, formati, protocolli Svantaggi: –elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo –ritardo di trasferimento variabile PCI SDU PCI SDU PDU

45 45 Commutazione di pacchetto Nascono delle contese –Si risolvono tramite memorizzazione Sistema postale –Se il furgone è pieno, il pacco rimane in ufficio (e parte con il prossimo furgone) Commutatore

46 46 Commutazione di pacchetto In caso di congestione la rete scarta pacchetti Occorre prevedere dei meccanismi di ritrasmissione per offrire servizi affidabili

47 47 Commutazione in Internet longest-prefix-matching sull’indirizzo IP di destinazione risoluzione delle contese nel dominio tempo, basata su multiplazione statistica, memorizzazione e perdite un pacchetto occupa (per intero) un solo canale per volta

48 48 Circuiti o pacchetti? Commutazione di circuito –allocazione totale e preventiva di risorse –commutazione posizionale Commutazione di pacchetto –allocazione parziale di risorse –commutazione di etichetta

49 49 Commutazione in reti ottiche Le reti ottiche si prestano meglio alla commutazione (veloce) di circuito: –non esiste un buon equivalente ottico delle memorie elettroniche –operazioni nel dominio tempo sono di difficile realizzazione –i commutatori ottici utilizzabili sono lenti –c’è ampia disponibilità di banda –grazie al WDM la topologia è ricca e “flessibile”

50 50 Optical Cross-Connect (OXC) WDM cross-connect network element manager porte locali porte di dorsale I cross-connect ottici possono offrire diversi livelli di trasparenza (definita dal livello di rigenerazione): –1R: solo ricezione e ritrasmissione dei segnali ottici –2R: con risagomatura dei segnali –3R: con ritemporizzazione e risagomatura dei segnali –Totalmente trasparenti – nessuna rigenerazione

51 51 OXC Opaco 1 2 M … wavelength demux 1 2 M … wavelength mux 1 2  W electronic cross connect … … … … … … transmitters … … … … … … receivers Prevede l’uso di una matrice di commutazione elettro-ottica che commuta in elettrico (O/E/O)

52 52 OXC con conversione di λ 1 2 M … wavelength demux 1 2 M … wavelength mux 1 2  W optical switch … … … … … … … … … wavelength converters L’uso di convertitori di λ aumenta la flessibilità (e il costo) ma riduce il fattore di blocco per indisponibilità di λ

53 53 OXC puro – continuità di λ 1 2 M … demuxswitch (senza wavelength conversion) … 1 2 M … mux 1 2  W 1 2 W Economico e introduce il minimo degrado ma è soggetto al vincolo di continuità nell’uso della stessa λ

54 54 Si substrate Micro lenti Array di Dispositivi Microspeculari liberi di ruotare La riconfigurazzione è microcontrollata da attuatori che agiscono sugli specchi Fibre di Input Fibre di Output Strato di silicio Matrici di commutazione ottica FS-MOS Free-Space Micromachined Optical Switch (FS-MOS) Basati su MEMS Switching Time < 1 ms (500ms) Un array 8x8 misura 1 cm x 1 cm 3-D MEMS (2 gradi di libertà) è attualmente l’architettura di elezione per realizzare matrici di commutazione ottiche

55 55 Switch 8 x 8 Taglia di 1 Chip: 1 cm x 1 cm Source: L-Y. Lin

56 56 Reti WR riconfigurabili Agilità in frequenza e commutazione spaziale (cioè numero di lunghezze d’onda e numero di stadi di commutazione) sono equivalenti. Si possono affrontare due problemi: Logical (Virtual) Topology Design (LTD) Routing and Wavelength Assignment (RWA)

57 57 Problemi aperti in reti WR Problema di Routing and Wavelength Assignment (RWA): Data una topologia di rete e un insieme di richieste di lightpath (end-to-end), trovare l’instradamento e la/e lunghezza/e d’onda per ogni lightpath minimizzando il numero di lunghezze d’onda utilizzate. Problema di Logical Topology Design (LTD): Data una matrice di richieste di traffico tra nodi di una rete, trovare un insieme di lightpath “ottimale” (in termini di costi e/o prestazioni).

58 58 Wavelength Assignment Il problema di Wavelength Assignment è simile al problema RWA, ma gli instradamenti sono definiti. Dato un insieme di richieste di lightpath e di instradamenti, se l i è il numero di lightpath sul canale i della topologia, il carico (load) della rete è definito come L=max i l i. Il problema diventa banale in presenza di conversione di lunghezza d’onda: L lunghezza d’onda sono sufficienti. Altrimenti ne occorrono di più.

59 59 Sorgente Destinazioni RWA

60 60 Fibre occupate  RWA

61 61 Reti di accesso ottiche WDM laser receiver central office remote node splitter/ combiner receiver laser 1 ONU 1 2 3  N... ONU: Optical Network Unit receiver laser i ONU receiver laser N ONU Nella tratta “downstream” si affronta un problema di multiplazione. Nella tratta “upstream” si ha un problema di accesso multiplo (serve un MAC). Si mira soprattutto alla semplicità e alla facilità di gestione, per cui si implementano normalmente strutture passive con componenti di basso costo

62 62 Service Node SNI (VB5) ONU FTTH FTTB FTTC FTTCab Optical Fiber ATM-PONxDSL OLT ONU NT Passive Optical Splitter FTTx FTTC:Fiber To The Curb FTTCab :Fiber To The Cabinet FTTH :Fiber To The Home FTTB :Fiber To The Building Q3Q3 Operation System Internet Leased Line Frame/Cell Relay Telephone Interactive Video Fiber To The X (FTTx) Twisted Pair ONT

63 63 In Each Direction: 12 Fibers 36 Regenerators 120 km OA 120 km OC-48 DS3 OC3/12 DS3 OC3/12 DS3 I nuovi canali: la rivoluzione del WDM 12 fibre 1 fibra; 36 rigeneratori 1 EDFA WDM: Wavelength Division Multiplex OA: Optical Amplifier Trasmissione Convenzionale- 20 Gb/s 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 40km 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE DS3 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR 1310 RPTR LTE Il vantagio economico è funzione della distanza WAN:vitale Metro: dipende dalla disponibiltà di fibra dark

64 64 Limiti di Lunghezza 560 Km 80 km OA ADM oooooo DWDMDWDM oooooo DWDMDWDM “7 x 25 dB Spacing” Optical Transport System (OTS) Variabili fondamentali: Distanza fra amplificatori Numero di tratte

65 65 Refs: A. Chiu, J. Strand, R. Tkach, "Issues for Routing In The Optical Layer", IEEE Communications (2001) J. Strand (ed.), IETF I-D " Impairments And Other Constraints On Optical Layer Routing", draft-ietf-ipo-impairments-01.txt Potenza di rilancio (P L ) Lunghezza del path ottico Altri parametri di sistema Regione di Operatività Distanza fra rigeneratori O/E/O P L Launch Power SNR min Min SNR PMD Polarization Mode Dispersion B Bandwidth of D PMD PMD Parameter (fiber dependent) ASE Amplified Spontaneous Emission ASE Constraint ~ P L /SNR min Nonlinearities PMD Constraint ~ (B * D PMD ) -2 Each Vendor Trades Off The Design Parameters Differently This Makes Routing In Multi-Vendor Networks Difficult To Standardize

66 66 Ottico=Analogico: Ritorno al passato La rete ottica è per sua natura analogica Ogni nodo ottico induce degrado del segnale: –Interferenza –Limitazioni in banda –Perdite differenziali La degradazione del segnale si accumula e si propaga da estremo a estremo La trasparenza da estremo a estremo limita l’estensione massima della rete Per superare tale problema è richiesta la rigenerazione elettronica

67 67 Nascono ulteriori limiti I problemi principali delle reti ottiche derivano: dall’assenza nel dominio fotonico di un equivalente delle memorie elettroniche, su cui si basano pesantemente le realizzazioni di funzioni di rete nel dominio elettronico dalla limitata capacità di elaborazione dell’informazione nel dominio fotonico dal costo (in tutti i sensi) dell’interfacciamento verso il mondo fotonico da limiti a livello trasmissivo nel caso di collegamenti ottici riconfigurabili (tecnologia “giovane”)

68 68 L’evoluzione del control plane: MPLS Garanzie di Banda Classi di servizio Traffic Engineering Reliability IP Multicast IP CoS RSVP VPN

69 69 Sistema di trasmissione fisico SONET (STS-N) OCh Etc. LSP X LSP Y LSP s LSP t LSP u LSP a LSP s LSP t Gerarchie di trasporto basate su MPLS IP MPLS Xs MPLS Deriva dalle esperienze ATM e di IP su ATM, introducendo una nozione di circuito virtuale. L’operazione base di commutazione, invece del “longest prefix match”, è una commutazione di etichetta (label). Le etichette di ingresso e di uscita sono memorizzate in una opportuna tabella al momento della creazione del circuito virtuale

70 70 Paradigma di routing/forwarding Gli instradamenti (LSP: Label-Switched Path) sono decisi alla sorgente. Esiste un protocollo di segnalazione (LDP: Label Distribution Protocol) per allocare le etichette. Implica un passaggio da un paradigma “soft-state” ad un paradigma “hard-state”. Permette l’ingegnerizzazione del traffico e la costruzione di reti private virtuali (VPN: Virtual Private Network) Forza una separazione tra piano di controllo e piano di utente. Sono previste funzionalità di aggregazione delle etichette (grooming) e gerarchie di etichette. Nel caso MPλS le etichette sono delle lunghezze d’onda.

71 71 MPLS Tunneling LSP 7 LSP 11 LSP 42 LSP 3 LSP 88 POP 3 PUSH 7 7 SWAP 7=>11 PUSH 42 11 42 SWAP 42 => 88 11 88 POP 88 SWAP 11=>3 3 Mix “virtuale” – senza degrado prestazionale Elemento chiave per sostituire TDM

72 72 TDM Multiplexing DS1 DS3 STS-48 DS3 STS-48 Il Tunneling realizzato con MPLS LSPs è analogo al TDM Multiplexing

73 73 Da MPLS a GMPLS LSP 7 LSP 11 LSP 42 LSP 3 LSP 88 POP 3 PUSH 7 7 SWAP 7=>11 PUSH 42 11 42 SWAP 42 => 88 11 88 POP 88 SWAP 11=>3 3 Implicit Label ( 1 ) Implicit Label ( 2 ) STS-192 ( 1 ) STS-192 ( 2 ) GMPLS: Generalized MPLS G-MPLS è una proposta IETF per estendere MPλS in modo da costituire un piano di controllo in grado di supportare diverse tecnologie di commutazione: tempo, spazio, lunghezze d’onda, pacchetti.

74 74 GMPLS: elementi architetturali L’architettura GMPLS prevede tre piani: piano di trasporto, piano di controllo, piano di gestione. Sono stati recentemente stilati diversi draft IETF su G-MPLS. E’ previsto un Link Management Protocol (LMP): –Control Channel Maintenance –Link Property Correlation –Link Connectivity Verification –Fault Management Un Label Switching Router (LSR) può avere le porte seguenti: –Packet-Switch Capable (PSC): commuta pacchetti IP o celle ATM –Time-Division Capable (TDC): commuta time-slots (per esempio un ADM o un DXC SDH) –Lambda-Switch capable (LSC): commuta canali ottici (per esempio un OADM o un OXC) –Fiber-Switch capable (FSC): commuta sezioni ottiche multiplate (per esempio un fiber-OXC)

75 75 1. La lambda determina sorgente destinazione e servizio Label Request Message Label Mapping Message 2. OSPF gestisce le problematiche di routing 3. RSVP-TE/CR-LDP sono usati per la segnalazione per stabilite i paths GMPLS in una rete totalmente ottica Vision: Provisioning Time: Da ore a Millisecondi Il processo diventa totalmente automatico

76 76 GMPLS Optical Switch Router.... Optical Cross-Connects In Ports Out Ports Label Swappers Demultiplexers N (add)N N Optical Amplifiers N (drop) N N

77 77 La Vision GMPLS convergenza di tecnologie su singolo strato di rete FS: Fiber Switched LS: Lambda Switched PS: Packet Switched FA: Forwarding Adjacency

78 78 GMPLS Overlay Network Model router IP e OXC appartengono a due domini amministrativi diversi; si definiscono delle UNI (User-Network Interface) la topologia della OTN non è nota all’esterno i protocolli di segnalazione e instradamento sono diversi i router IP possono richiedere la creazione di connessioni ottiche          Router Router       Connection Requests, etc. UNI Optical Network

79 79 GMPLS Peer Network Model stesso dominio amministrativo; router IP e OXC direttamente connessi piena conoscenza della topologia stessi protocolli di segnalazione e instradamento i router IP possono richiedere connessioni ottiche con altri router Router Router                Topology & Capacity Information Network Signalling Optical Network

80 80 ITU-T G.ASON L’architettura prevede tre piani: trasporto, controllo e gestione. I canali di controllo e gestione possono essere “in-band” o “out-of-band”. Sono previste connessioni: permanenti, semi-permanenti e commutate Sono previste tecniche di protezione a livello ottico. Nel piano di controllo si gestiscono procedure di controllo di ammissione delle chiamate, di “policing”, di instradamento dinamico

81 81 ITU-T G.ASON: Automatically Switched Optical Network Clients e.g. IP, ATM, TDM Clients e.g. IP, ATM, TDM OCC CCI NNI UNI User signaling IrDI_NNI IrDI OCC ASON control plane Optical Transport Network Management NMI-A NMI-T OXC OCC: Optical Connection Controller UNI: User Network Interface CCI: Connection Control Interface NNI: ASON control Node Node Interface IrDI: Inter Domain Interface NMI: Network Management Interface

82 82 Layer 3 IP Layer 2 ATM Layer 1 Voice/T V Intelligenza distribuita Routing/switching Intelligente Totalmente ottico Protezione Ottica Completa Scalabilità e Granularità nel trasporto da STM-1 a multi-λ su tutte le tecnologie Tutto insieme: il nuovo paradigma di rete

83 83 Che cosa ci aspetta? La tecnologia ottica è ancora giovane: –costi elevati –difficoltà a disaccoppiare aspetti di livello fisico da problematiche di sistema ma promette di: –gestire quantità di informazione molto maggiori dell’elettronica –avere costi in larga misura indipendenti dal bit-rate probabilmente richiedendo soluzioni architetturali diverse da quelle naturali nel dominio elettronico Ma comunque …. Il futuro sarà “luminoso”!