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Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino 011 564 4076.

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Presentazione sul tema: "Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino 011 564 4076."— Transcript della presentazione:

1 Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino

2 Indice (II) Esempi di reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici Cenni a reti daccesso Commutazione ottica di pacchetti Architetture di protocolli per reti ottiche Cenni a gestione e affidabilità

3 Reti wavelength routing (WR) Sono architetture di rete WDM che instradano e commutano informazione nel dominio ottico sulla base delle lunghezze donda. Iniziamo con un esempio, modificando progressivamente una rete a circuito di prima generazione (con trasmissioni punto-punto su fibra ottica). Queste comprendono tipicamente anelli in tecnologia SONET/SDH, oggi operanti tipicamente a 2.5 Gb/s (OC48-STM16). I dispositivi di interconnessione sono add-drop multiplexer (ADM) e digital cross-connect (DCS).

4 ADM=Add-Drop Multiplexer DCS=Digital Cross-Connect Reti wavelength routing

5 Se il traffico aumenta: ABCD A--121 B1--12 C21--1 D121-- possiamo passare a WDM. Reti wavelength routing La matrice di traffico normalizzata è la seguente: ABCD A B C D

6 Reti wavelength routing

7 Linstradamento diventa: flussolungh. donda# di OC-48 AB 1 1 BD 1 1 AD 1 1 AC 2 2 BC 3 1 BD 3 1 CD 3 1 con 3 lunghezze donda.

8 Reti wavelength routing Abbiamo costruito una topologia logica su una topologia fisica, costruendo dei lighpath ottici.

9 Reti wavelength routing Per gestire cambi di traffico e per offrire protezione, possono utilizzare commutatore ottici.

10 Reti wavelength routing 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 lightpath WDM cross-connect Bisogna decidere accuratamente lallocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale.

11 Strato ottico Una rete wavelength routing costituisce uno strato ottico che offre lightpath agli strati superiori. Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili. Caratteristiche: trasparenza riutilizzo spaziale delle frequenze affidabilità (riconfigurazione in caso di guasto)

12 Conversione di Conversione di Possiamo utilizzare convertitori di lunghezza donda, che consentono di utilizzare meglio le risorse di rete e agevolare linterconnessione di reti diverse. B A E C D

13 Conversione di Conversione di

14 Diversità spaziale Sovente abbiamo diverse fibre nello stesso cavo. Questa diversità spaziale è equivalente a diversità di lunghezza donda, scambiando commutatori con convertitori di lunghezza donda fibra 1 fibra fibra 1 switch -converter

15 Wavelength Cross-Connect WDM cross-connect network element manager porte locali porte di dorsale I cross-connect ottici possono offrire diversi livelli di trasparenza (= rigenerazione): 1R: solo ricezione e ritrasmissione dei segnali ottici 2R: con risagomatura dei segnali 3R: con ritemporizzazione e risagomatura dei segnali

16 Wavelength Cross-Connect 1 2 M … wavelength demux 1 2 M … wavelength mux 1 2 W electronic cross connect … … … … … … transmitters … … … … … … receivers

17 Wavelength Cross-Connect 1 2 M … wavelength demux 1 2 M … wavelength mux 1 2 W optical switch … … … … … … … … … wavelength converters

18 Wavelength Cross-Connect 1 2 M … demuxswitch … 1 2 M … mux 1 2 W 1 2 W

19 Wavelength Cross-Connect Tecnologia realizzativaOtticaElettronica Trasparenzasìdifficile Conversione di difficilepiù facile Bit rate> 10 Gb/s 10 Gb/s Dimensione crossconnectpiccolagrande Progetto strato fisicodifficilepiù facile Monitoraggiolimitatocompleto Componenti richiesti: mux/demux sì sì commutatori ottici sìno commutatori elettronicino sì trasmettitori/ricevitorino sì convertitori di forseno Le realizzazioni ottiche sono in prima istanza insensibili al bit rate, ma richiedono 3R nel dominio fotonico. Le realizzazioni elettroniche costano meno (per ora).

20 Wavelength Cross-Connect: costruttori Brightlink Networks Inc. Ciena Corporation Cisco Systems Inc. Nortel Networks Tellium Inc. Sycamore Networks Astarté Fiber Networks Inc. Corvis Corporation ilotron Ltd. Lucent Technologies Siemens AG Alcatel SA

21 Indice (II) Esempi di reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici Cenni a reti daccesso Commutazione ottica di pacchetti Architetture di protocolli per reti ottiche Cenni a gestione e affidabilità

22 Riconfigurabilità Le reti wavelength routing possono essere: statiche: minori costi, minor flessibilità, minor affidabilità riconfigurabili: maggiori costi, maggior flessibilità, maggiore affidabilità Una rete statica è descrivibile con una matrice di connettività o con un (multi)grafo bipartito.

23 Reti WR statiche muxdemux coupler WXC staticografo bipartito

24 Reti WR statiche Un nodo non può ricevere (trasmettere) simultaneamente sulla stessa lunghezza donda da (a) più nodi. Si può mostrare che, in presenza di una sola coppia trasmettitore/ricevitore per nodo, occorrono non più di (n!) 1/2n n/e lunghezze donda, dove n è il numero di nodi, supponendo che sia possibile completa conversione di lunghezza donda nella rete. Per esempio, con 1000 nodi, possono bastare 1000/e=20 lunghezze donda.

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

26 Problemi di progetto 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 linstradamento e la/e lunghezza/e donda per ogni lightpath minimizzando il numero di lunghezze donda 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).

27 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 donda: L lunghezza donda sono sufficienti. Altrimenti ne occorrono di più.

28 Routing and Wavelength Assignment Abbiamo un lightpath da i a n-i+1 (n=5 nellesempio). Senza conversione occorrono comunque n lunghezza donda. Con conversione e routing opportuno possiamo avere due lightpath per canale; quindi due lunghezze donda sono sufficienti. t1t1 t2t2 t3t3 t4t4 t5t5 r1r1 r2r2 r3r3 r4r4 r5r5

29 WA e colorazione di grafi Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete Grafo della reteGrafo dei lightpath

30 Colorazione di grafi Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete. Problema della colorazione del grafo: ogni nodo deve avere un colore diverso dai suoi vicini. Il minimo numero di colori si chiama numero cromatico del grafo. Il problema della colorazione dei grafi è NP-completo anche se esistono buoni algoritmi ottimi in casi particolari e diverse euristiche.

31 RWA su anelli Gli anelli sono le più semplici topologie biconnesse e sono stati adottati da diversi standard, quali FDDI e SONET/SDH. Ci sono solo due instradamenti possibili (orario e antiorario) per ogni lightpath. E possibile ottenere minimo carico L con un instradamento non a distanza minima e carico 2 L con un instradamento a distanza minima. E facile trovare soluzioni al problema WA in un anello con carico L utilizzando non più di 2L-1 lunghezze donda.

32 WA su anelli taglio insieme dei lighpath assegnazione greedy delle più una per ogni lighpath tagliato taglio su un nodo con numero minimo di lightpath in transito

33 WA su diverse topologie TopologiaTipo di conversione nessunafissapienalimitata arbitrariamin[(L-1)D+1, L L (2L-1) M-L+2] anello2L-1 L+1 L L stella3L/2 L L albero3L/2 L

34 RWA e conversione di RWA e conversione di Abbiamo visto che la disponibilità anche limitata di conversione di lunghezza donda può ridurre di molto il numero di lunghezze donda se vogliamo servire off-line un insieme di richieste senza perdite. Nel caso di richieste on-line che variano statisticamente, accettando una certa probabilità di blocco delle richieste, il guadagno portato dalla conversione di lunghezza donda appare invece limitato nella maggior parte dei casi studiati (principalmente con simulazione) in letteratura.

35 Logical Topology Design Gli strati superiori dellarchitettura (per esempio ATM o SONET/SDH) vedono un lightpath come un collegamento fisico tra i loro nodi. Chiamamo fisica la topologia vista dallo strato ottico e logica la topologia vista dagli strati (elettronici) superiori. canale in fibra lightpath WXC ottico switch ATM 1342 topologia logica lightpath topologia fisica

36 Progetto della topologia I problemi di progetto della topologia logica e di progetto della topologia fisica sono tra di loro accoppiati. Nella pratica di norma si risolve prima il problema del progetto della topologia logica (LTD), poi si progetta la topologia fisica (se non data) e infine si risolve il problema RWA. Sovente si è nella situazione in cui linfrastruttura di rete (topologia fisica) è posseduta e controllata da un fornitore di servizi (che affronta il problema RWA), che vende connessioni ATM o SONET/SDH ai propri clienti (che affrontano il problema LTD).

37 Logical Topology Design Obbiettivo nel progetto della topologia logica è la minimizzazione del costo, trovando il miglior compromesso tra costo dei lightpath (includendo il costo della loro commutazione) e costo di commutatori a livello SONET/SDH o ATM, sovente con vincoli sullaffidabilità della rete. E possibile dare una formulazione in termini di problemi di programmazione lineare mista del problema LTD. Vista la complessità della soluzione, sono state proposte e vengono utilizzate tecniche euristiche.

38 Euristiche di LTD e RWA Vedi Progetto di Topologia Logica in una Rete WDM con Topologia Fisica Arbitraria

39 Wavelength Routing Testbeds


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