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Reti Fotoniche (Optical Networks) Gruppo Reti Politecnico di Torino- Dipartimento di.

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Presentazione sul tema: "Reti Fotoniche (Optical Networks) Gruppo Reti Politecnico di Torino- Dipartimento di."— Transcript della presentazione:

1 Reti Fotoniche (Optical Networks) Gruppo Reti Politecnico di Torino- Dipartimento di Elettronica Sito del corso

2 Argomenti del corso Che cosa sono le reti ottiche? Perché le reti ottiche? Tipologie di reti ottiche Reti ottiche di prima generazione: Commutazione di circuito: Sonet/SDH Commutazione di pacchetto: Gigabit Ethernet Storage area networks: Fibre Channel Reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing Cenni a reti daccesso e 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 Altro esempio Topologia fisica Topologia logica Soluzione con 3

11 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.

12 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)

13 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

14 Wavelength converter Ragioni per utilizzare convertitori di lunghezza donda: cambiare aggiunge flessibilità alle strutture WDM di tipo wavelength routing i dati possono essere generati ad una non compatibile con la rete interconnettendo reti diverse possono essere necessarie conversioni Quattro tipologie: Input Output variabile fissa fissa fissavariabilevariabile

15 Wavelength converter Convertitori opto-elettronici (OEO): TXRX rigeneratore Svolgono naturalmente anche funzione di rigeneratore. Permettono linserimento di ritardi (anche variabili) per risincronizzare. Non implicano commutazione nel dominio elettronico. Comunque i singoli canali sono attestati nel dominio elettronico.

16 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

17 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

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

19 Wavelength Cross-Connect 1 2 M … wavelength demux 1 2 M … wavelength mux 1 2 W optical switch … … … … … … … … … wavelength converters (var fixed)

20 Wavelength Cross-Connect 1 2 M … demuxswitch (no wavelength conversion) … 1 2 M … mux 1 2 W 1 2 W

21 Wavelength Cross-Connect Tecnologia realizzativaOtticaElettronica Trasparenzasìdifficile Conversione di difficilepiù facile Bit rate> 10 Gb/s 10 Gb/s Dimensione crossconnectpiccolagrande Potenza di alimentazionepiccolagrande 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).

22 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)

23 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).

24 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.

25 RWA: esempio Sorgente Destinazioni

26 RWA: esempio Fibre occupate

27 RWA: altro esempio 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

28 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

29 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.

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

31 RWA su topologie a maglia Si usano euristiche risolutive Esempio: Strategia First Fit Dato un Lightpath da s a d Instradalo sul percorso fisico piu breve Coloralo con la prima lunghezza donda disponibile su tutte le fibre del percorso Strategia Max Fill Data una lunghezza donda Dato un Lightpath da s a d Instradalo sul percorso piu breve usando, se possibile

32 Logical Topology Design Gli strati superiori dellarchitettura (per esempio IP 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 SDH 1342 topologia logica lightpath topologia fisica

33 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).

34 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.

35 Vincoli e obiettivi del LTD Numero limitato di trasmettitori/ricevitori per nodo Numero limitato di lunghezze donda per fibra Numero di hop fisici limitato da problemi trasmissivi Minimizzare la lunghezza dei percorsi multihop Minimizzare il ritardo end- to-end Minimizzare la massima congestione su un lightpath Altro Problema NP-HARD

36 Formulazione del problema Data: Una rete WDM fisica dove ogni nodo i è dotato di tx/rx Una matrice di traffico T sd Dato un algoritmo di routing per traffico multi-hop Trovare Linsieme di lightpath che soddisfa la richesta di traffico e che minimizza il massimo livello di congestione sui canali logici f max, dato dalla somma del traffico che attraversa ogni lightpath

37 Approcci di ottimizzazione Euristiche greedy Considerando i dati di ingresso, si cotruisce una solutione Massimizzare traffico single hop Aggiungi lightpath corrispondenti alle più grosse relazioni tsd Considera il traffico multihop Rimuovi gli archi meno usati, e reinstrada il traffico Uso di topologie logiche regolari Occorre ottimizzare la disposizione dei nodi Metaeuristiche Espora più soluzioni in modo intelligente Simulated annealing Data una topologia, costruisci una alterazione. Se fmax è minore, tieni la nuova topologia. Se è peggiore, tienila con una probabilità non nulla Tabu search Data una topologia, considera tutte quelle che ottieni applicando una alterazione, e scegli la migliore. Evita cicli con lista di mosse proibite

38 Esempio su una rete 24 nodi

39 Esempi di evoluzione soluzione

40 Wavelength Routing Testbeds


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