Reti Fotoniche (Optical Networks) Gruppo Reti e-mail: nome.cognome@polito.it http://www.tlc-networks.polito.it/ Sito del corso http://www.tlc-networks.polito.it/mellia/corsi/ Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica

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 d’accesso e commutazione ottica di pacchetti Architetture di protocolli per reti ottiche Cenni a gestione e affidabilità

Network General Guide to Communication Protocols OSI Layers Application 7 Presentation 6 Session 5 Transport 4 Network 3 Logical Link 2 Physical 1 Total Network Visibility™ Courtesy Network General Corporation

Ridurre la complessità Layer 2 Logical Link Ethernet Frame Relay PPP SMDS Token Bus Token Ring FDDI DQDB ATM SONET ISDN Modems

Ridurre la complessità Layer 3 Network IP IPX COFP CLNP DRP DLSw IDP DDP VIP VIP

Convergenza == Semplicità Application 7 Presentation 6 Session 5 Transport 4 Network 3 Logical Link 2 Physical 1 Resolving Network Complexity from the Bottom Up

Standardizzazione ITU-T (International Telecommunications Union - ITU - Telecommunications Standardization Sector) e ANSI G.872 “Architecture of optical transport networks” G.ASON, “Architecture for the Automatic Switched Optical Network”, in fase di sviluppo G.893 “Broadband Passive Optical Network” IETF (Internet Engineering Task Force) MPLS, MPlS, G-MPLS, IPO (IP over Optical) OIF (Optical Internetworking Forum) OIF UNI (User-Network Interface) 1.0 Host Interoperability Demo (@Supercomm 2001) ODSI (Optical Domain Service Interconnect)

ITU-T G.681 e G.872 OTN (Optical Transport Network) Livello del canale ottico (optical channel - OC), comprendente i sottolivelli di canale (lightpath), sezione di multiplazione (mux/demux su un link) e sezione di amplificazione. channel channel connessione multiplex section multiplex section multiplex section amplifier section amplifier section amplifier section amplifier section WDM node WDM node WDM node amplificatore

Architetture di protocolli Visto l’enorme successo di Internet, i protocolli dominanti negli strati alti delle architetture di rete sono applicativi Internet (WWW, e-mail, file transfer, ecc.) di tipo client-server, TCP o UDP a livello trasporto, per controllare e multiplare end-to-end i flussi di informazione, e IP come protocollo di rete. Tra router IP Internet prevede sottoreti (LIS) a pacchetto, che possono essere realizzate con tecnologie diverse. All’interno di una sottorete possiamo avere funzionalità di commutazione (p. es. switch Ethernet, commutatori ATM, commutatori Frame Relay, ecc.).

Pile di pile Oggi spesso si usano molti protocolli in modo stratificato Per esempio, in una rete di backbone, IP è trasportato da ATM, che è a sua volta trasportato da SONET Ogni tecnologia ha una sua pila protocollare, che può essere mappata su un livello dello standard OSI Concetto importante: la stratificazione OSI viene applicata ricursivamente Network Data Link Physical SONET ATM IP

Pile di pile Ogni livello di ogni protocollo offre un servizio a un livello superiore, secondo le specifiche del livello stesso. Le interfacce e procedure tra i vari livelli devono essere definite in dettaglio Alle interfacce tra due livelli di un protocollo l’informazione è modificata Passando da una pila ad un altra, l’informazione può essere completamente modificata e riorganizzata: Packet encapsulation Packet fragmentation Garatire l’interoperabilità tra prodotti di diversi produttori è molto importante e complesso

Architetture di protocolli physical data link network transport session present. applicat. 7 6 5 4 3 2 1 OSI Basic Reference Model TCP IP subnet Internet applicat. Protocol Suite TCP IP ATM SDH WDM Internet applicat. IP/ATM/SDH/WDM TCP IP WDM Internet applicat. data link over

Duplicazione di funzionalità IP, ATM, Frame Relay, SONET/SDH, WDM possono essere considerate tecnologie di commutazione che coesistono nelle reti attuali, pur introducendo significative sovrapposizioni di funzionalità, in quanto ciascuna tecnologia offre alcune caratteristiche specifiche: IP: compatibilià con il mondo Internet - efficiente utilizzo delle risorse ATM (o Frame Relay): ingegnerizzazione della rete - controllo del traffico - qualità del servizio SONET/SDH: framing e sincronizzazione - gestione della rete - protezione da guasti - ampia disponibilità dispositivi WDM: larga banda - insensibilità al bit-rate switched Ethernet: alta velocità a basso costo in ambito locale

SONET & WDM È possibile combinare SONET con WDM semplicemente considerando ogni l come un canale fisico diverso Ovvero, una fibra con N lunghezze d’onda è del tutto equivalente a N canali paralleli composti da N fibre Topologia fisica PTE N lung. d’onda Topologia logica: N canali lineari ADM SONET in parallello l1 PTE REG ADM l2 PTE REG ADM PTE REG ADM PTE REG ADM lN

SONET & WDM Un Add-Drop che riceve 40-80 canali a 10Gbit/s deve manipolare nel dominio elettronico un throughput dell’ordine del Terabit/s Scenario ancora più complesso per un digital cross-connect Il costo degli apparati SONET risulta Troppo costoso Problematico per dissipazione di potenza Di dimensioni non trascurabili Ma in un ADM o DCS, la maggior parte del traffico è in transito e non deve essere necessariamente decodificato La seconda generazione di reti ottiche tenta di limitare costi mantenendo l’informazione nel domino ottico

Classical IP over ATM ATM SONET IP Token Ring Ethernet 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 IP Token Ring Ethernet Protocol Interfaces

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

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

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

Modelli Peer e Overlay Modello “overlay”: 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 Modello “peer-to-peer”: 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 Modello “augmented”: simile a overlay, ma con lo scambio sulle UNI di informazioni di routing

Modelli Peer-to-peer e Overlay Sonet UNI Sonet IP OXC overlay model UNI UNI OXC IP OXC UNI UNI IP (IP)OXC IP IP (IP)OXC IP IP (IP)OXC peer-to-peer model IP

Architetture di protocolli Anche se alcune delle funzionalità viste possono essere inglobate in IP e lo strato ottico WDM è necessario per affrontare l’aumento di banda, serve comunque un livello 2 (data link) tra IP e WDM per delimitare le unità dati, garantire la sincronizzazione e fornire un controllo degli errori. Possibilità: Gbit Ethernet SONET/SDH e light-SONET Optical Channel Digital Wrapper, attualmente draft per lo standard ITU-T G.709 PPP over Simple Data Link (SDL), adattamento del Point-to-Point Protocol (PPP) a sistemi WDM IEEE 802.17 Resilient Packet Ring …

Protocolli di livello collegamento Gbit Ethernet: compatibile con le reti locali; codifica 8B/10B poco efficiente; bassi costi; supporto alla gestione assente; 10 GbE? PPP+HDLC: incapsulamento multiprotocollo; Link Control Protocol per gestire il collegamento; Network Control Protocol per gestire diversi livelli rete; controllo d’errore; delimitazione con flag e stuffing SONET/SDH: controllo del jitter; gestione allarmi; protezione guasti; costi (ancora) elevati; dispositivi consolidati

Digital Wrapper: ITU-T G.709 IP SDH FDDI Eth. SDL ATM PDH OCh OAM OCh payload FEC Funzionalità: delimitazione delle unità dati controllo delle prestazioni dello strato ottico Forward Error Correction protezione dell’anello e ripristino lunghezza d’onda per lunghezza d’onda

Qualità del servizio Protocolli: Parametri: Integrated Services (IS) con Resource Reservation Protocol (RSVP) Differentiated Services (DiffServ) Constraint-Based Routing Multi-Protocol Label/Lambda Switching (MPLS / MPlS) Parametri: banda (throughput) probabilità di perdita ritardio medio variabilità del ritardo (jitter) ritardo massimo

MPLS / 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. tabella rete MPLS rimuovi etichetta MPLS edge tabella edge tabella MPLS aggiungi etichetta MPLS

MPLS / MPlS 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 MPlS le etichette sono delle lunghezze d’onda.

G-MPLS G-MPLS è una proposta IETF per estendere MPlS in modo da costituire un piano di controllo in grado di supportare diverse tecnologie di commutazione: tempo, spazio, l, pacchetti. Si prevedono 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

Architetture di protocolli 7 applicat. Internet applicat. Internet applicat. 6 present. 5 session 4 transport TCP TCP 3 network IP IP 2 data link MPLS subnet 1 physical OChDW WDM OSI BRM Internet Protocol Suite IP over WDM

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

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