Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino

Indice (I) Che cosa sono le reti ottiche? Perché le reti ottiche? Tipologie di reti ottiche: reti di trasporto reti metropolitane reti daccesso Commutazione di pacchetto o di circuito? Cenni a reti ottiche di prima generazione

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

Testi di riferimento Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan Optical networks: a practical perspective Morgan Kaufmann, San Francisco, 1998 Biswanath Mukherjee Optical communication networks McGraw- Hill, New York 1997 Thomas E. Stern, Krishna Bala Multiwavelength Optical Networks - A Layered Approach Addison Wesley, Reading, 1999 Leonid Kazovsky, Sergio Benedetto, Alan Willner Optical fiber communication systems Archeh House, Boston, 1996

Fibre ottiche Caratteristiche principali: +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 –difficoltà di interfacciamento –dispersioni –effetti non lineari

Attenuazione delle fibre Wavelength (nm) Attenuation (dB/km) Infrared absorption 1800 Rayleigh scattering UV absorption Optical fiber 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

Fibre ottiche Negli anni 60 le fibre ottiche si aggiunsero ai tradizionali mezzi trasmissivi su cavo metallico e via radio. Nel 1996 negli USA erano installati più di km di cavi in fibra, per un totale di oltre 20 milioni di km di fibra ottica (fonte: Federal Communications Commission - FCC). Nelle aree metropolitane esistono migliaia di fibre posate.

Fibre ottiche 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. Oggi abbiamo disponibilità di banda in ambito privato (es. Ethernet) e sulle dorsali (es. SONET/ SDH), ma non nellaccesso e nei collegamenti metropolitani.

Reti ottiche Le fibre ottiche sono il mezzo trasmissivo più utilizzato per distanze superiori a qualche chilometro e velocità di trasmissione superiori alle centinaia di Mbit/s. Le reti ottiche non utilizzano il dominio fotonico solo per migliorare le caratteristiche del mezzo trasmissivo, ma realizzano in ottica anche totalmente o in parte le funzioni di commutazione, e talvolta anche alcune funzionalità di controllo. Così facendo esse cercano di evitare il collo di bottiglia elettronico, cioè la diminuizione di prestazioni che inevitabilmente si incontra riconvertendo linformazione dal dominio fotonico al dominio elettronico.

Reti ottiche 1 a generazione: le fibre sostituiscono il rame come mezzi trasmissivi (SONET/SDH, FDDI, GbEthernet) 2 a generazione: instradamento e commutazione realizzati nel dominio ottico 3 a generazione: instradamento e commutazione di pacchetti ottici?

Il fascino del prisma bianco g (1) v (1) g (2) v (2) g (2) v (2) g (1) v (1) E un commutatore interamente ottico molto economico operante su una banda enorme! verde rosso giallo

Perché le reti ottiche? I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere sempre più nella commutazione e sempre meno nella banda trasmissiva. richiesta e disponibilità di banda raddoppiano ogni 6 mesi la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi (legge di Moore) ?

La banda non è più un limite …

Perché le reti ottiche? traffico dati pari a 23 volte il traffico voce traffico dati pari a 5 volte il traffico voce Il traffico Internet previsto negli USA per il 2001/2002 è di 35 Tb/s.

Applicazioni in Internet tra persona e persona : limitata capacità di memorizzazione (occhio, orecchio); limitata tolleranza ai ritardi e alle loro variazioni (jitter); es. telefonia, giochi, videoconferenza tra persona e calcolatore : possono essere veicolate in una rete di tipo best-effort, ma serve capacità di memorizzazione agli estremi della comunicazione per compensare le variazioni di ritardo causate dalla rete; es. accesso web, riproduzione di voce e video tra calcolatore e calcolatore : possono essere veicolate in una rete IP di tipo best-effort; es. , elaborazione batch, caching web distribuito

Traffico in Internet autosimilarità anche il traffico aggregato è molto intermittente asimmetria: il traffico downlink è molto maggiore del traffico uplink molta banda viene sprecata, visto che le reti sono progettate principalmente per traffico simmetrico (voce) staticità degli instradamenti

Limiti delle reti ottiche I problemi principali delle reti ottiche derivano: dallassenza 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 dellinformazione nel dominio fotonico dal costo (in tutti i sensi) dellinterfacciamento verso il mondo fotonico da limiti a livello trasmissivo nel caso di collegamenti ottici riconfigurabili (tecnologia giovane)

Tecniche di multiplazione TDMdivisione di tempo; fino a 40 Gbit/s OTDMdivisione di tempo ottica; multiplazione ottica di flussi TDM p.es. 16 × 10 Gbit/s = 160 Gbit/s WDMdivisione di lunghezza donda 128 × 2.5 Gbit/s 32 × 10 Gbit/s SDMdivisione di spazio (più fibre nello stesso cavo, o cammini diversi nella stessa rete) CDM/OCDMdivisione di codice

Tecniche di multiplazione 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, sovente 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).

Evoluzione delle trasmissioni

Evoluzione delle trasmissioni TX/RX 2000 ? nuvola di vetro

Fattori limitanti nelle reti ottiche dispersione modale fibre monomodo dispersione cromatica fibre compensate e/o riduzione dellampiezza di banda delle sorgenti effetti non lineari accumulo del rumore di emissione spontanea (ASE) distorsione degli amplificatori effetti legati alla polarizzazione

Tipologie di reti ottiche Si possono identificare due categorie di reti ottiche: conversione di lunghezza donda? reti single-hopreti multi-hop (es. reti broadcast-and-select)(es. reti wavelength routing) star coupler TX/RX lightpath WDM crossconnect TX/RX

Tipologie di reti ottiche Reti ottiche di trasporto (wavelength routing: optical-cross-connect e collegamenti WDM) Reti metropolitane (reti broadcast-and-select, anelli e stelle WDM) Reti daccesso (Passive Optical Networks - PON)

Stato dellarte nelle reti ottiche di trasporto Instradamento dei flussi di informazione a livello ottico (all-optical networks) Riconfigurazione veloce della rete a livello ottico (reconfigurable optical networks) Risoluzione a livello ottico di guasti (optical protection and restoration)

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

Commutazione in Internet longest-prefix-matching sullindirizzo 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

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 cè ampia disponibilità di banda grazie al WDM la topologia è ricca e flessibile

Il domani delle reti ottiche? Reti ottiche a commutazione di pacchetto: tendono ad emulare il funzionamento delle reti IP ed Ethernet sono ancora in uno stadio molto preliminare molti progressi negli ultimi anni