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

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

Reti broadcast-and-select Non cè instradamento, ma piena connettività: linformazione generata da un trasmettitore viene recapitata a tutti i ricevitori, che possono eventualmente scartare quanto non interessa. Tutti i nodi devono elaborare tutto il traffico della rete, trovando il giusto compromesso tra tecnologia fotonica e tecnologia elettronica. Simile alle reti locali (LAN).

Reti broadcast-and-select Le topologie più usate sono la stella, il bus e lanello. Si possono costruire stelle di stelle o altre interconnessioni di stelle. star coupler

Reti broadcast-and-select Le topologie a stella utilizzano lo star coupler, tipicamente realizzato con n/2 log 2 n blocchetti 2 2 (si attraversano log 2 n accoppiatori 2 2) dB coupler

Reti broadcast-and-select La topologia a bus richiede invece 2n accoppiatori 2 2. Le perdite sono maggiori (lineari con n) perché si attraversano più accoppiatori dB coupler

Reti broadcast-and-select Ogni nodo ha normalmente una fibra per trasmettere e una fibra per ricevere. Sono disponibili W canali in WDM (o in divisione di spazio). Ci possono essere collisioni e contese. Collisioni: due trasmettitori si accordano sulla stessa frequenza e trasmettono. Contese: uno stesso ricevitore deve ricevere simultaneamente da più canali. Serve un protocollo daccesso (Medium Access Control - MAC).

Reti broadcast-and-select 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. Per esempio su di un anello possiamo avere al nodo i il trasmettitore fisso su i e il ricevitore fisso su |i-1| N. In tali casi occorre passare a un funzionamento multi- hop, con conversioni ottica/elettronica/ottica ai nodi intermedi.

Reti broadcast-and-select Quando la connettività è limitata costruiamo quindi una topologia logica sulla topologia fisica broadcast. Altro esempio: con 2 tx/rx fissi possiamo costruire una topologia di tipo shuffle

Reti broadcast-and-select Occorre distinguere tra allocazione di flussi relativamente stabili (durata >> ritardo di propagazione) e allocazione dinamica pacchetto per pacchetto. Sovente il tempo sui canali è suddiviso in time slot e la condivisione avviene in divisione di tempo statistica. Talvolta occorre tenere in conto un tempo non trascurabile nellaccordare i trasmettitori e i ricevitori. Alcuni dei canali disponibili possono essere utilizzati per funzionalità di controllo. La sincronizzazione di slot è delicata nelle topologie a stella. Comunque cè il problema della sincronizzazione di bit.

Sincronizzazione di slot

Slotted Aloha / Slotted Aloha Rete broadcast-and-select a stella, con N nodi, W<<N canali WDM e un canale a lunghezza donda c dedicato al controllo. Lasse dei tempi è diviso in slot e minislot, con L minislot per slot. t dato L=5 I pacchetti di informazione possono iniziare in un minislot arbitrario.

Slotted Aloha / Slotted Aloha Il nodo x che deve trasmettere un pacchetto seleziona con qualche criterio (di solito a caso) un canale dati (a lunghezza donda T ). Poi manda un pacchetto di controllo (contenente lidentità del destinatario e della lunghezza donda T ) su c, seguito dal pacchetto di informazione su T. Ogni nodo riceve continuamente dal canale di controllo. Il nodo avvisato dellinizio nel prossimo minislot di un pacchetto a lui destinato accorda il proprio ricevitore sul canale T. Può ricevere se non ci sono state collisioni e contese. Si parla di tell-and-go.

Slotted Aloha / Slotted Aloha

Il protocollo richiede una coppia tx/rx fissa per il canale di controllo più una coppia tx/rx accordabile per i dati. Si può modificare il comportamento tell-and-go in wait-and-see: non si trasmettono dati finché non si rivede il proprio pacchetto di controllo. Aumenta il throughput, ma anche il ritardo daccesso.

DT-WDMA Rete broadcast-and-select a stella, con N nodi, W=N canali WDM e un canale a lunghezza donda c dedicato al controllo. Lasse dei tempi è diviso in slot e minislot, con N minislot per slot. t datiN=6 I nodi hanno un trasmettitore fisso e un ricevitore accordabile per i dati, oltre a una coppia tx/rx fissa per il canale di controllo. t controllo dati t

DT-WDMA Per i canali dedicati ai trasmettitori non ci sono collisioni sui dati. Per il TDM di controllo non ci sono collisioni sul canale di controllo. Ci possono essere contese, ma il modo di risoluzione delle contese è lo stesso per tutti i nodi e noto, per cui ogni trasmettitore sa se il suo pacchetto è stato ricevuto o meno. Nel pacchetto di controllo serve solo lidentità del destinatario, in quanto il canale di trasmissione è univocamente determinato dalla posizione del minislot nello slot.

Protocolli di scheduling Mantenendo lo stesso schema di DT-WDMA, ma rinunciando alla trasmissione immediata, possiamo migliorare le prestazioni. dati controllo ritardo end-to-end prenotazioni per lo slot X slot X Sul canale di controllo possiamo avere un accesso in TDM o a contesa.

Prestazioni protocolli daccesso

Protocolli di scheduling In questo modo tutti i nodi conoscono le esigenze (richieste di trasmissione) in uno slot (o trama di tanti tanti slot) e possono eseguire un algoritmo di scheduling (o allocazione) di risorse, in base ad una matrice di richieste: R[i,j]

Equivalenza con commutatori Si noti che una rete broadcast-and-select è funzionalmente simile ad un commutatore a pacchetto: i nodi della rete sono equivalenti alle interfacce di ingresso/uscita (line card) e la rete è equivalente alla switching fabric del commutatore. Molti dei protocolli proposti per reti ottiche single-hop sono simili agli schemi di funzionamento di architetture di commutazione. Possiamo per esempio parlare di input buffering, output buffering e speed-up.

Commutatori con memorie alle uscite Matrice di commutazione Uscita 1 Uscita P Ingresso 1a1a1 Ingresso P aNaN xPxP x1x1

Commutatori con memorie agli ingressi Ingresso 1a1a1 Ingresso P aNaN... Uscita 1 Uscita P... Scheduler xPxP x1x1 D Matrice di commutazione

Input Buffer Switch with VOQ aPaP Ingresso P a1a1 Ingresso 1 Scheduler Uscita 1 Uscita P x 1,1 x 1,P a 1,1 a 1,P 1 P x P,1 x P,P a P,1 a P,P 1 P D Matrice di commutazione

Problema di Matching Ingressi Uscite Ingressi Uscite

Protocolli di scheduling Si usano algoritmi di matching su grafi bipartiti. Rmaximum matching maximal matching Lalgoritmo di maximum matching ha complessità O(N 2.5 ). Le richieste in R possono essere pesate (priorità, lunghezza della coda, ecc.). In presenza di pesi si parla di weighted matching.

Scheduling Aumentando ulteriormente i ritardi è possibile effettuare una schedulazione tempo/frequenza centralizzata. Si suppone data una matrice di richieste di traffico (persistenti o semi-persistenti) per ogni coppia sorgente/destinazione. Mantenendo il vincolo di un trasmettitore e un ricevitore per nodo, sovente considerando tempi di accordo (tuning time) non trascurabili, si calcola la minima durata del periodo di schedulazione, o si minimizzano le perdite data una durata F della trama temporale. Si possono affrontare situazioni off-line o on-line, single-hop o multi-hop.

Realizzazioni sperimentali su topologia a stella Lambdanet [Bellcore 1990]: Gb/s spaziati di 2 nm. Testbed NTT [NTT 1993]: Mb/s spaziati di 10 GHz. Rainbow I [IBM 1990]: Mb/s spaziati di 1 nm. Rainbow II [IBM 1996]: 32 1 Gb/s spaziati di 1 nm. SONATA [E.C. ACTS 1999]: Mb/s spaziati di 6.25 GHz (0.05 nm).

Reti su topologia ad anello Concettualmente simili a reti broadcast-and-select a stella sono diverse proposte di reti WDM single hop su topologia ad anello per applicazioni in ambito metropolitano. Rispetto alla stella, lanello agevola la sincronizzazione e permette il riuso spaziale e il recupero di guasti, ma aumenta le perdite. Tipicamente si considerano N utenti e W N canali WDM, con trasmettitori accordabili e ricevitori fissi. Esempi: CORD, Daisy+SR 3, Hornet, RingO Alcune recenti proposte (p.es. progetto IST DAVID) considerano architetture ad anelli WDM interconnessi.