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

Reti ottiche di prima generazione Nelle reti di prima generazione le fibre sostituiscono il rame come mezzo trasmissivo (strato fisico). Esempi: sistemi sottomarini SONET/SDH: evoluzione delle gerarchie TDM plesiocrone (PDH) dei sistemi telefonici. Offre flessibilità nella multiplazione dei flussi e funzionalità di gestione, protezione, interoperabilità, networking ESCON, FibreChannel, HIPPI: standard per interconnettere elaboratori e periferiche ad alta velocità FDDI, Gbit Ethernet e reti locali (LAN) veloci RPR - Resilient Packet Ring (IEEE 802.17)

Reti ottiche di prima generazione EXC = cross-connect elettronico ADM = add-drop multiplexer interfaccia O/E nodo della rete nodo della rete nodo della rete interfaccia O/E EXC o ADM interfaccia O/E collegamenti in fibra collegamenti in fibra interfaccia O/E La topologia è in generale complessa, ma viene sovente gestita come anelli o bus interconnessi. interfaccia O/E EXC o ADM interfaccia O/E nodo della rete

Sistemi sottomarini I sistemi sottomarini trans-oceanici raggiungono attualmente i massimi valori di prodotto banda-distanza, e sono un ottimo esempio delle enormi potenzialità delle comunicazioni ottiche. TAT 12/13: (Transatlantic link) operativo dal 1995, distanza massima 6200 Km, capacità (originale) 5 Gb/s per fibra TPC 5: (Transpacific link) operativo dal 1996, distanza massima 8200 Km, capacità 5 Gb/s per fibra TAT 14: operativo dal dicembre 2000, 16 canali WDM a 2.5 Gb/s TPC 6: in fase di sviluppo, progettato per supportare 640 Gb/s con tecnologia WDM

SONET/SDH L’attuale infrastruttura della rete telefonica, su cui vengono sovente veicolati i canali di altre tipologie di reti, è in larga misura basata sulle gerarchie sincrone, evoluzioni delle gerarchie plesiocrone (PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy): SONET - Synchronous Optical NETwork (segnali ottici multipli della velocità base di segnale di 51.84 Mbit/s) SDH - Synchronous Digital Hierarchy (equivalente europeo ed internazionale di SONET) STS - Synchronous Transport Signal (standard corrispondente per i segnali elettrici) La topologia è sovente ad anelli per motivi di affidabilità.

Plesiochronous Digital Hierarchy Prima dell’introduzione di SONET/SDH, Plesiouchonous Digital Hierarchy (PDH) era lo standard per reti telefoniche digitali Espressamente pensata per il trasferimento di canali vocali digitali a 64Kb/s NON si usa Store-and-Forward: occorre una stretta sincronizzazione tra TX e RX. Tale esigenza è soddisfatta con un sistema quasi-sincrono (plesio-synchronous) Standard diversi in USA/Europa/Giappone Complessità di interfacciamento

T-1 carrier system: standard americano 24- canali vocali sono campionati, quantizzati e codificati in un canale TDM PCM Canale di segnalazione di 1 bit Un carrierT-1 ha quindi una velocità di (24*8+1)*8000=1.544Mb/s CH1 CH2 . MUX CH1 CH2 CH3 . . . CH22 CH23 CH24 . . CH23 frame CH24 x x x x x x x x Campione MSB LSB Un campione ogni 125sec Una trama ogni 125sec Posso multiplare più trame in canali di velocità superiore

T- and DS- hierarchy DS1 DS1 DS1 DS1 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS3 . . . CH22 CH23 CH24 E’ difficile identificare un singolo canale dentro uno stream: ogni volta occorre demultiplare tutti i livelli per estrarre/inserire altri canali 64 × 24 = 1.544 Mb/s T1 Frame trasmessi in un canale DS1 DS1 DS1 DS1 DS1 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 4 DS1 = 1 DS2 4 × 1.544 = 6.312 Mb/s E’ difficile mantenere due canali in perfetta sincronia: si usa un bit stuffing per avere un sistema quasi sincrono DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 7 DS2 = 1 DS3 7 × 6.312 = 44.736 Mb/s 6 DS3 = 1 DS4 6 × 44.736 = 274.176 Mb/s DS4

Gerarchie T- ed E- Livello America (T-) Europe (E-) Japan 0.064 Mb/s 1 0.064 Mb/s 1 1.544 Mb/s 2.048 Mb/s 2 6.312 Mb/s 8.488 Mb/s 3 44.736 Mb/s 34.368 Mb/s 32.064 Mb/s 4 274.176 Mb/s 139.264 Mb/s 97.928 Mb/s

PDH Sistema di trasmissione digitale (T-carrier, E-carrier) che multipla flussi di velocità più bassa in flussi a velocità maggiore Ogni apparato ha un suo orologio (non c’è sincronizzazione globale) Orologi locali hanno derive che portano a errori di sincronizzazione Problema risolto avendo la possibilità di inserire e rimuovere bit di riempimento (bit-stuffing)

PDH - Sincronizzazione Trama Sorgente 1 2 3 1 2 Bit Stuffing Nodo Nodo più veloce Dest 1 2

PDH - Sincronizzazione Per risolvere il problema si adotta il meccanismo del Positive Stuffing: I dati vengono scritti in un buffer temporaneo Tale buffer viene letto a velocità superiore per trasmettere sul canale (a bitrate maggiore) Ogni volta che il buffer si sta per svuotare, inibisco la trasmissione di dati, che vengono sostituiti da bit di riempimento Segnalo al ricevitore la presenza di bit di stuffing tramite un canale di segnalazione punto-punto ricavato in TDM. Si usa quindi una trama trasmissiva diversa da quella logica PCM. Complica le funzionalità di mux/demux.

Problematiche di PDH Mancanza di flessibilità: è impossibile identificare un flusso a velocità più bassa in un aggregato superiore Mancanza di efficienza: Non esistono standard per il monitoring delle prestazioni del canale Non c’è un canale di management Mancanza di “mid-fiber meet” Non esiste standard a livello fisico – ogni produttore ha suo standard (NNI non standard)

Da PDH a SONET/SDH SONET: Synchronous Optical Network: sistema di trasmissione e multiplazione in America SDH: Synchronous Digital Hierarchy: sistema di trasmissione e multiplazione in Europa e Giappone Standardizzazione di SONET e SDH avvenuta alla fine degli anni 80 I gestori di rete realizzarono che Il sistema PDH non era scalabile abbastanza per supportare le aspettative di crescita di traffico Le tecnologie ottiche iniziano a essere appetibili, e incominciano a capirsi le loro potenzialità I sistemi di trasmissione ottica, tutti proprietari, non possono interoperare tra loro

Che cosa è SONET/SDH Insieme di Raccomandazioni ITU-T (le prime sono del 1989) che coprono: la definizione di una gerarchia di multiplazione molto strutturata la definizione di tecniche di gestione di rete e di protezione dai guasti le modalità di interfacciamento verso il mezzo fisico (fibre e componenti ottici) la definizione di interfacce verso altri protocolli che possono lavorare sopra SONET/SDH

Obbiettivi di SONET/SDH I principali obbiettivi degli standard sono: Affidabilità della rete, compatibile con i requisiti di carrier nazionali e internazionali (99.999% - five nines - availability) Interoperabilità tra apparati di diversi costruttori Flessibilità dei formati per supportare diverse architetture di rete e possibili migrazioni Articolate funzioni di controllo e monitoraggio (monitoring) delle prestazioni e del traffico (recupero di guasti singoli in 50 ms)

Gerarchia SONET/SDH OC level STS level SDH level Mbit /s OC-1 51.84 STM-1 STM-4 STM-8 STM-16 STM-64 STM-256 STM-1024 51.84 155.52 622.08 1244.16 2488.32 9953.28 39813.12 159252.48

Stratificazione SONET/SDH Path layer (simile al livello 3 - Network - di OSI) Responsabile di connessioni end-to-end Controlla e gestisce lo stato delle connessioni Line Layer Multiplazione di più connessioni di path-layer tra due nodi Protezione e recupero guasti Section Layer Definisce lungo la tratta le operazioni svolte dai rigeneratori e tra i rigeneratori I livelli Line e Section in SONET corrispondono al livello 2 (Data Link) OSI Physical Layer (identico al livello 1 OSI) Definisce come i bit vengono trasmessi sulle fibre

Stratificazione SONET/SDH standard ITU-T G.78x terminale SDH physical layer section line path ADM rigeneratore connessione add/drop mux

SONET Physical Layer Il livello fisico SONET è completamente di tipo ottico Le più importanti raccomandazioni sono: ITU-T G.957: Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy Single span, single channel link without optical amplifiers ITU-T G.691: Optical interfaces for single-channel STM-64, STM-256 and other SDH systems with optical amplifiers Single channel, single or multi span, optically amplified links at 622 Mbit/s, 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s ITU-T G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers Multi channel, single or multi span, optically amplified Definition of the ITU frequency grid Le raccomandazioni coprono diversi tipi di canali, da very short-haul interoffice links fino a ultra-long haul, WDM backbone links Tutti i parametri di trasmettitori e ricevitori sono completamente specificati

Framing SONET SONET/SDH transmettono un sequenza continua di bit ad una certa velocità La multiplazione dei diversi flussi di informazione è ottenuta con un complesso schema a divisione di tempo (TDM) Anche se complessa, l’architettura di multiplazione è stata progettata in modo da consentire efficienti implementazioni VLSI Una trama (frame) SONET è una sequenza organizzata di bit Per un certo livello di multiplazione, ogni flusso tributario di ingresso diventa un Synchronous Payload Envelope (SPE) Un insieme di bit, chiamato Path Overhead, viene aggiunto al SPE, realizzando funzioni di controllo, di monitoring, ecc. SPE + Path Overhead formano un Virtual Tributary (VT)

Struttura delle trama STS-1 1 frame = 810 Byte in 125ms 1 2 3 4 5 6 7 8 9 STS-1 OC-1 rappresentazione in righe e colonne 0 µs (1st bit) 3 Bytes 87 Bytes SPE Path Overhead: resta con il payload finchè non viene demultiplata SOH 3 rows 9 rows 6 rows LOH 125 µs (last bit) Transport Overhead Payload

Struttura delle trama STS-1 3 Bytes 87 Bytes SPE dalla trama precedente può estendersi attraverso frontiere di trama) SOH SPE Frame #1 SPE LOH SOH SPE 810 Bytes/trama 8 bit/campione 810 campioni/trama o 9x90 Bytes/trama 8000 trame/secondo 8 bit/Byte 51,840 Mb/s Frame #2 SP LOH SOH SPE Frame #3 SPE LOH SOH LOH

Multiplazione di ordine superiore STS-1 #1 STS-1 #2 STS-1 #3 9 MUX Byte interleaver 3x3 3x87 9

Virtual Tributary (VT) I VT sono posizionati nelle trame con puntatori contenuti nei bit di overhead della trama Un puntatore dice quale è la posizione di inizio di un dato VT all’interno della trama La struttura è ricorsiva: un VT può contenere diversi VT più piccoli Questo approccio consente di multiplare flussi a velocità anche molto differenti in una trama molto ben strutturata Pointer Pointer VT VT VT

Gerarchia SONET Un esempio di multiplazione SONET SONET è stato sviluppato per essere compatibile con il trasporto di formati diversi, quali ad esempio ATM (Asynchronous Transfer Mode) DS1 (1.544 Mb/s) E1 (2.048 Mb/s) DSIC (3.152 Mb/s) DS2 (6.3122 Mb/s) Flussi PDH a velocità inferiore VT1.5 VT2 VT3 VT6 VT group x4 x3 x2 x1 SPE STS-1 x7 DS3 (44.736 Mb/s) ATM (48.384 Mb/s) E4 (139.264 Mb/s) ATM (149.760 Mb/s) SPE STS-3c STS-1 STS-3c xN xN/3 STS-N Ogni VT group porta un solo tipo di VT e occupa 12 colonne del SPE Si possono combinare VT group diversi in uno stesso SPE STS-1 Byte interleaved multiplexing

SONET Overheads Differenti tipi di overhead Path Line Line Section Section Section Section Path Terminating Element Regenerator Digital Crossconnect o Add/Drop Multiplexer Section overhead Differenti tipi di overhead Sezione: usato per la comunicazione tra due apparati adiacenti Linea: per segnalazione di STS-N tra multiplatori Path: end-to-end, aggiunto al flusso SPE quando viene mappato in un VT Funzioni differenti Multiplazione Gestione e mantenimento Allocazione di canali Line overhead Path overhead Transport Overhead

Intestazioni (overheads) SONET Section Overhead: Usato, elaborato e generato da Section Terminal Equipments (STE) Monitoraggio delle prestazioni sulla trama Canale di comunicazione dati per operation, administration and maintenance (OAM) Framing

SONET overhead - SOH B1 section bit-interleaved parity code (BIP–8) byte—Codice a controllo di parità (even parity), usato per rilevare errori di trasmissione su una sezione. E’ definito su tutti i bit della trama STS-N precedente dopo l’operazione di scrambling e quindi inserito in B1 prima dello scrambling. E1 section orderwire byte—Fornisce un canale vocale a 64Kbit/s per la comunicazione di operatori. F1 section user channel byte— Non definito il suo scopo. Può essere letto e scritto da ogni apparato di sezione. D1, D2, D3 section data communications channel (DCC) bytes—Insieme formano un canale a 192Kbit/s usato per messaggi di OAM&P tra i due apparati di sezione. Il canale è usato per segnali, controllo, monitoraggio, gestione e altri tipi di segnalazione. E’ possibile avere messaggi generati dagli apparati, manualmente, oppure specificati da formato proprietario del costruttore. A1 A2 framing bytes—Indicano l’inizio di una trama STS-1. Usati per sincronizzazione. J0 section trace (J0)/section growth (Z0)—Questi byte, presenti in ogni N STS-1 in un flusso N-STS sono usatii o come section trace byte (nel primo STS–1 del STS–N), o come section growth byte (dal secondo fino all’ultimo STS–1s).

Overheads SONET Line Overhead: Usato, elaborato e generato da Line Terminal Equipment (LTE) Localizzazione dei VT nella trama Multiplexing/instradamento Monitoraggio delle prestazioni Commutazione per protezione Gestione della tratta STS Path Overhead: Usato, elaborato e generato da Path Terminal Equipment (PTE) Monitoraggio end-to-end delle prestazioni dei VT SPE Stato e gestione della connessione

SONET overhead - LOH H1H2 STS payload pointer (H1 and H2)—Questi due byte contengono il puntatore che indica l’offset in byte tra il puntatore stesso e il primo byte dello SPE in questo STS. H3 pointer action byte (H3)—Questo pointer action byte è usato nelle fasi di risincronizzazione. H3 trasporta il byte extra nel caso di aggiustaementi negativi del puntatore. B2 line bit-interleaved parity code (BIP–8) byte—Codice di parità usato per identificare errori di trasmissione sulla linea. Usa codice di parità even ed è calcolato su tutti i bit del line ooverhead e del SPE della trama precedente. K1 K2 automatic protection switching (APS channel) bytes—Questi due byte sono usati per la trasmissione di segnalazione in caso di attivazione di procedure di protezione da malfunzionamenti. D4 D12 line data communications channel (DCC) bytes—9 byte che formano un canale a 576Kbit/s per trasferimento di segnalazione OAM&P tra entità di livello linea. S1 synchronization status (S1)— S1 è presente nel primo STS–1 di un STS–N, e i bit da 5 a 8 sono allocati per trasportare elementi di sincronizzazione tra gli apparati di rete a livello STS-N. Z1 growth (Z1)— Libero, per futuri usi. M0 STS–1 REI–L (M0)—M0 è definito solo per un STS–1 trasportato in un OC–1. Bit da 5 a 8 sono allocati per funzioni di segnalazione di errore remoto. M1 STS–N REI–L (M1)— Usato per funzionalità REI–L (restoration) Z2 growth (Z2)—Libero, per futuri usi. E2 orderwire byte—Fornisce un canale vocale a 64Kbit/s per la comunicazione di operatori.

Separate clocks with almost same timing (plesiochronous) Puntatori in SONET Uno dei problemi della multiplazione è gestire flussi tributari a velocità leggermente differenti Si usano puntatori per compensare variazione di frequenza e fase dei clock I puntatori consentono un allineamento di fase dinamico e flessibile Evitano buffer di compensazione per la sincronizzazione Section overhead SPE Separate clocks with almost same timing (plesiochronous) SPE Line overhead H1 H2 Bit Stuffing per la sincronizzazione in PDH: quando la velocità della trama del SPE è lenta rispetto a STS-1, si inserisce un byte extra quando la velocità della trama del SPE è veloce rispetto a STS-1, si rimuove un byte che viene posto nell’overhead 125 µs

Positive stuffing Velocità di una SPE più piccola Periodicamente, quando lo SPE è un byte in ritardo, i bit dispari nella parola del puntatore sono invertiti, per segnalare un positive stuffing Un byte aggiuntivo è inserito nel VT, permettendo uno slittamento dell’allineamento del VT stesso Il byte aggiuntivo viene sempre messo a lato del byte H3 (nello SPE stesso) Il puntatore è incrementato di uno nel frame successivo, e i frame seguenti conterranno il nuovo valore.

Negative stuffing Velocità di una SPE più alta Periodicamente, quando il frame dello SPE è un byte in anticipo, i bit pari del puntatore sono invertiti, indicando un negative stuffing L’inizio del contenitore virtuale viene anticipato, e il byte “sovrascritto” viene spostato in H3 Il puntatore è quindi decrementato di uno nel prossimo frame Devono esserci almeno 3 frame nei quali il puntatore rimane costante prima di poter operare un’altra operazione di stuffing

Trama SDH SDH usa una terminologia differente, ma i principi sono identici a quelli di SONET Elemento base in SDH è la trama STM-1, con periodo di ripetizione 125 s La trama è costituita da 19440 bit, corrispondenti a una velocità di 155.520 Mbit/s L’informazione è organizzata in byte su 9 righe da 270 byte ciascuna Il virtual container (VC) è la sezione utile al trasporto dati (261 x 9 = 2349 byte) L’administrative unit (AU) è l’insieme di VC e dei relativi puntatori

Trama STM-1 in SDH administrative unit 270 byte 9 byte 261 byte 0 ms Puntatori Framing 9 byte 261 byte overhead virtual container administrative unit 125 ms tempo 0 ms

SONET Network Elements Lo standard Sonet definisce diversi apparati di rete, differenziati per le loro funzionalità Multiplexer and demultiplexer Rigeneratori Add-Drop multiplexers Digital cross-connects Sono tutti apparati di rete “elettronici”, nessuna operazione viene realizzata direttamente in ottica

SONET/SDH layering Riprendiamo la pila di riferimento, indicando espressamente gli apparati terminale physical layer section line path ADM rigeneratore connessione add/drop mux

SONET Network Elements: PTE Multiplexer and demultiplexer: si occupano di aggregare traffico da tributari differenti Il Path Terminating Element (PTE) Versione minima di multiplexer path-terminating terminal Funzionalità di concentratore di DS–1, e di generazione dei segnali del tributario Due terminal multiplexer connessi da una fibra sono il più semplice collegamento SONET (section, line, path sullo stesso link) STS-3 DS-1 DS-3 STS-3c VT STS-1 OC-N

SONET Network Elements: Regen Rigeneratore È il più semplice elemento. Opera una rigenerazione 3R Usato per superare vincoli di distanza Si sincronizza sul segnale in ingresso, e rigenera il section overhead prima di trasmettere il segnale. Non altera il Line e Path overhead (diverso da repeater in ethernet) OC-N Tx Rx

SONET Network Elements: ADM Add-Drop multiplexer: si occupa di multiplexing e instradamento in topologie ad anello Multipla diversi tributari in un segnale OC–N In un nodo add/drop, solo i segnali che devono essere estratti sono processati e estratti/inseriti Il traffico in transito viene trasmesso attraverso l’apparato senza particolari trattamenti. Ha funzionalità di instradamento alternativo in caso di guasti STS-N BUS OC-N OC-N OC-N OC-N STS-N VT STS-1 OC-N DS-1 DS-3 OC-N DS-1 DS-3

SONET Network Elements: DCS Digital cross-connect: si occupa di multiplexing e instradamento in topologie magliate Accetta diverse velocità di linea Accede ai segnali STS-1 Commuta tutto a questo livello Usato per interconnettere tanti accessi STS-1 Cross-connect a larga banda sono usati per aggregare traffico efficientemente Transparent Switch Matrix (DS1 Switch Matrix) STS-N (VT1.5) STS-1 (DS1) DS1 DS3 (STS-N) (DS3) ATM

SONET Network Configurations Configurazione punto-punto È la più semplice topologia Il link punto punto parte e termina da un Path Terminal Equipments, che si occupa di multiplazione e demultiplazione dei tributari Non si usa instradamento e demultiplazione lungo il sistema Si usano rigeneratori per superare problemi trasmissivi REG PTE

SONET Network Configurations Configurazione Punto-Multipunto (linear add-drop) Ancora una topologia lineare ADM (e rigeneratori) sono usati lungo la linea Gli ADM inseriscono ed estraggono canali lungo il percorso Gli ADM sono specificatamente pensati per questo scopo, e hanno una struttura significativamente più semplice di un generico cross-connect (non occorre demultiplare per poi rimultiplare) PTE REG ADM

SONET Network Configurations Configurazione “Hub network” Per concentrare traffico, tipicamente alla centrale operativa principale È una configurazione che fa uso di Digital Cross connect (DCS) a alta velocità DCS sono molto più complessi di un ADM: devono essere in grado di multiplare connessioni arbitarie tra differenti tributari, sia livello SONET che dei singoli tributari DCS REG Mux

SONET Network Configurations SONET Rings È la configurazione più usata, che usa due o quattro fibre e un ADM in ogni nodo. Bidirezionale Realizza funzionalità di protezione (sempre due percorsi) SONET Ring Architecture ADM

Survivability in SONET

Network Survivability/Fault Management Survivability: la possibilità della rete di continuare a fornire un servizio usando capacità in eccesso in caso di guasti È una necessità sulle reti di backbone, il cui malfunzionamento deve essere minimo Restoration: approccio più complicato, tipico di reti genericamente magliate. Per reagire a guasti, la rete è in grado di auto-riconfigurarsi lentamente. Survivability Protection Restoration Protection Switching Self-healing Reconfiguration Mesh Network Architectures Linear Architectures Ring Architectures Protection: Risposta “immediata” (automatica) della rete dopo un guasto, per instradare il traffico su percordo alternativo

Survivability in SONET Diverse tecniche sono usate in SONET per Survivability, Protection e Restoration Una degli approcci più comuni è basato su anelli bidirezionali, che sfruttano le loro capacità di protezione La formazione di due loopback nei nodi adiacenti il guasto permette di connettere tutti i nodi La topologia logica dopo la riconfigurazione è un anello monodirezionale, che attraversa ogni nodo due volte ADM ADM ADM Rottura della fibra

1:1 protection ADM ADM Funzionante Funzionante Backup Working ADM ADM ADM Fibra rotta Due nodi adiacenti al guasto sono responsabili della commutazione del traffico sull’anello di protezione

1+1 protection I segnali dati sono trasmessi su entrambi i percorsi. ADM ADM Funzionante Funzionante Working Idle Working Active ADM ADM ADM Fibra rotta I segnali dati sono trasmessi su entrambi i percorsi. Ogni ADM in ogni nodo decide quale segnale è corretto e lo seleziona.

Protection and Restoration Il recupero dei guasti in SONET è molto veloce: meno di 50ms Il restoration time Nelle reti PDH è spesso dell’ordine dei minuti Nelle reti IP è dell’ordine dei minuti Nelle reti ethernet è dell’ordine della decina di secondi (60 secondi per riconfigurare lo spanning tree)

Fibre Channel Tecnologia pensata per l’interconnessione ad alta velocità di periferiche e tra mainframe nei centri di calcolo Velocità fino al Gb/s con codifica di linea 8B/10B su fibre monomodali a 1300 nm Distanze fino a 10 km Mezzi trasmissivi: doppini, cavi coassiali, fibre ottiche Interlavoro con SCSI, Internet Protocol (IP), e altri protocolli Standard ANSI X3.230-1994

Scenario di uso

Modello di riferimento Fibre Channel Channels Networks ISO/OSI Transport IPI SCSI HIPPI 802.2 IP ATM FC-4 Common Services FC-3 Data Link Framing Protocol/Flow Control FC-2 Encode/Decode Physical FC-1 133 Mb/s 266 Mb/s 531 Mb/s 1062 Mb/s FC-0

FC-0 layer Livello fisico del sistema Mezzi fisici: “Fibre” (errore voluto per dire sia fiber, sia copper) Connettori, potenze, modulazioni. Equivalente OSI-1 Richisto BER minore di 10-12

FC-1 layer Definisce la codifica di linea secondo lo schema 8B/10B transmission encoding Importante schema (ereditato in Gigabit Ethernet) Parole di 8 bits sono trasmesse usando 10 bits Error detection (disparity control) Recupero e mantenimento di sincronizzazione 100% D.C. voltage balance Alcune sequenze ammissibili e non corripondenti a parole di codice sono usate per “segnalazione” (delimitazione frame, controllo di sequenza)

FC-2 Layer Livello che si occupa di specificare Formato di trama Gestisce la risequenzializzazione Flow Control Gestisce diverse classi di servizio Login/Logout di apparati Costruzione di topologia Segmentation and Reassembly

FC-2 Layer Diverse PDU sono identificate a livello 2: Ordered Set: trasmissione di 4 byte a scopo di segnalazione (SOF, EOF, R_RDY,…) Frame: unità dati base, più piccola di 2148 byte (36B+2112B) Sequence: composta da 1 o più frame (equivalente di una frase) Exchange: composta da 1 o più sequenze (equivalente di una conversazione)

FC-2: Formato di trama 4 bytes Start of Frame 24 bytes header End CRC Error Check 2112 bytes Data Field 64 bytes Optional 2048 bytes Payload CTL Source Address Destination Type Seq_Cnt Seq_ID Exchange_ID

FC-3 and FC-4 Layer FC-3: non ben definito. Implementato solo in apparati con più porte (es. gestione multicast) FC-4: specifica come trasportare protocolli di livello superiore Small Computer System Interface (SCSI) Internet Protocol (IP) High Performance Parallel Interface (HIPPI) Asynchronous Transfer Mode - (ATM-AAL5) Intelligent Peripheral Interface - 3 (IPI-3) (disk and tape)

Topologie Fibre Channel Topologie supportate: Point-to-point Arbitrated loop Fabric Si distinguono diversi tipi di porte: Node port: N_Port Loop port: L_Port Switch port: F_Port … e loro combinazioni (FL_Port, …)

Topologia punto-punto N_port N_port Due e solo due N_ports connesse direttamente Bidirezionale Disponibilità di tutta la capacità Richiede comunque una fase di inizializzazione del link prima di essere operativa

Topologia “Arbitrated Loop” L_port L_port L_port L_port Topologia dominante: semplice a mezzo trasmissivo condiviso Fino a 127 porte (che devono tutte essere L_port) Utilizza uno schema distribuito per regolare l’accesso Non ci sono limiti su quanto un dispositivo mantiene il controllo del loop Algoritmi di equità opzionali

Schema di arbitraggio Ogni dispositivo ottiene un indirizzo dinamico che prende il nome di Arbitrated Loop Physical Address (AL_PA) Quando deve trasmettere dei dati Trasmette un messaggio di prenotazione ARBx (x= AL_PA) lungo l’anello Se riceve il messaggio Ha il diritto di usare l’anello, e può iniziare le procedure di apertura verso un altra L_Port Dopo avere aperto la comunicazione, si ha un canale punto punto. Se più di un dispositivo richiede il possesso del canale Il messaggio a priorità più alta è inoltrato (ARBy si propaga se y<x) Quando il canale è di nuovo libero, x può ritentare

Inizializzazione degli indirizzi dinamici Gli AL_PA sono assegnati dinamicamente All’acccensione (o dopo un evento di guasto) Una primitiva Link Initialization Primitive (LIP) è trasmessa lungo l’anello Questo forza tutti i dispositivi a mandare un LIP In questa fase, l’anello non è usabile

Address initialization – 2 Si seleziona un loop master Ogni dispositivo manda un messaggio di Loop Initialization Master Select (LIMS) contenente il proporio Port Number Viene inoltrato solo il LIMS con valore minore Il dispositivo che riceve il proporio LIMS è eletto master Ogni dispositivo deve scegliere il proprio AL_PA Il master genera messaggi con una bitmap di 127 bit Ogni dispositivo tenta di riottenere il suo vecchio AL_PA Se già assegnato, chiede un altro AL_PA Il master manda un messaggio di CLoSe (CLS) e l’anello è di nuovo operativo

Indirizzamento L’indirizzo completo è di 3 byte In configurazione con fabric, viene assegnato dinamicamente durante la fase di login Prima del login di una Fabric, l’N_Port S_ID è non definito (0x000000) La fabric espressamente assegna gli indirizzi In Arbitrated Loop, esistono anche gli indirizzi AL_PA. Dopo la fase di inizializzazione degli AL_PA, ogni N_port tenta un login (F_Login) verso una F_port per ottenere il proprio S_ID, per completare i tre byte dell’indirizzo. Altrimenti, si lascia indefinito (0x0000) Nella configurazione Point-to-Point, le N_Port scelgono gli indirizzi da sole

Topologia con Fabric Configurazione commutata N_port N_port F_port F_port F_port F_port N_port N_port Configurazione commutata I mezzi fisici non sono condivisi (tutti canali point-to-point) Fino a 224 dispositivi Funzionalità avanzate (multicast, QoS)

Controllo di flusso Utilizza un approccio basato su crediti: Prima di scambiarsi dati, i dispositivi devono registrarsi tra di loro per concordare i crediti I crediti si riferiscono al numero di trame che un dispositivo può ricevere Ogni dispositivo sa quante trame gli altri dispositivi a lui collegati possono ricevere Dopo aver inviato un numero di trame tale da esaurire i crediti, la trasmissione deve essere interrotta, a meno che il dispositivo destinazione indichi di aver elaborato una o più trame e di essere pronto a riceverne di nuove

Controllo di flusso Due tipi di controllo di flusso Buffer-to-buffer da N_Port a N_Port o F_Port Ogni porta sa quanti crediti il ricevitore è disposto a ricevere (BB_Credit) Ogni frame ricevuto incrementa un contatore. Quando si raggiunge il valore BB_Credit, si interrompe la trasmissione Un segnale R_RDY decrementa il contatore (indica che un altro frame può essere inviato) End-to-end Tra N_port solamente Come per la modalità B-to-B si usano crediti Disponibilità di crediti viene comunicata tramite ACK (cumulativi)

Classi di servizio possibili Fibre channel ha standardizzato diverse classi di servizio: Class 1,…,6 Sono scelte durante la fase di login tra due porte Si differenziano per l’uso di flow control diversi Affinché la comunicazione possa avvenire, due N_Ports devono supportare almeno una classe di servizio in comune

Class of services Class 1 Dedicated circuit-switched connection Full bandwidth available, no multiplexing End-to-end flow control Video, voice Class 2 Connectionless with notification Allow multiplexing; No guarantee (out of order) Both B-to-B and E-to-E flow control Like LAN Class 3 Datagram service (no notification) No guarantee B-to-B flow control Used for SCSI service Class 4 Fractional bandwidth allocation Virtual Circuit like class of service Usable only if a fabric is present Class 5 Isochroous service Not yet defined Class 6 Multicast support Allow replication (RAID configuration)

HIPPI, ESCON, FICON, GeoPlex Diversi altri protocolli simili a Fibre Channel sono utilizzati nell’interconnessione tra mainframe, supercalcolatori e periferiche: HIPPI (High Performance Parallel Interface): 800 Mbit/s; parallelo per trasmissione elettrica (25 m), seriale per distanze maggiori (su fibra) ESCON (Enterprise Serial Connection): fu introdotta da IBM; 200 Mbit/s, utilizzando LED e fibre multimodali FICON, GeoPlex, ecc: sono differenti evoluzioni di ESCON

Interconnessioni tra calcolatori E’ interessante notare che diversi costruttori propongono soluzioni dove questi protocolli, originariamente concepiti per l’ambito locale (computer room o LAN), vengono estesi all’ambito geografico (WAN), sfruttando o un trasporto SONET/SDH, o un trasporto proprietario I dati strategici in ambito aziendale sono ancora soventi gestiti su mainframe, utilizzando ESCON o Fibre Channel per trasferire dati tra i dispositivi di memorizzazione. Per backup e disaster recovery, i supporti per i dati ridondati vengono mantenuti in siti lontani

FDDI: Fiber Distributed Data Interface E’ un token ring su fibra ottica a 100 Mb/s, con topologia a doppio anello controrotante. Caratteristiche: alta velocità e affidabilità ritardo poco dipendente dalle dimensioni della rete Ampiamente utilizzato negli anni ’90 come backbone di reti LAN in ambito corporate o campus.

FDDI Velocità di trasmissione 125 Mb/s a livello fisico 100 Mb/s a livello Data Link Numero massimo di stazioni: 500 Lunghezza massima della rete: 100 km Distanza massima tra due stazioni 100 m su rame 2 km su fibra multimodale > 20 km su fibra monomodale

FDDI Topologia Logica: anello monodirezionale Topologia fisica: doppio anello controrotante albero doppio anello di alberi Protocollo d’accesso (MAC) a token temporizzato; è sostanzialmente un’estensione del Token Ring IEEE 802.5 Dopo aver acquisito il token una stazione trasmette: traffico sincrono traffico asincrono (se rimane tempo) Per la protezione FDDI adotta la tecnica di ripiegamento di un anello a due fibre utilizzata anche da SONET/SDH

topologia a doppio anello FDDI La massima distanza tra due stazioni è 2 km per i LED e 40 km per i laser Tx/Rx Rx Tx PLL Medium Access Control Elastic store Tx/Rx topologia a doppio anello Tx/Rx Local 100 MHz clock Queue Tx/Rx

FDDI Ogni nodo FDDI lungo l’anello converte il signale dal dominio fotonico a quello elettronico, lo elabora e lo riconverte al dominio fotonico Le specifiche del livello fisico sono pensate per permettere implementazioni di basso costo: trasmettitori con LED a bassa potenza e MMF graded index il bilancio di potenza lascia un ampio margine per perdite di inserzione e splicing ijoi

Formato del pacchetto FDDI Data Frame PA SD FC DA SA Data FCS ED FS Token Frame PA SD FC ED PA (preamble): 16 simboli in codifica 4B/5B per agevolare la sincronizzazione (tale ridondanza richiede 125 Mbit/s al livello fisico) SD/ED (starting/end delimiter): due simboli riservati per delimitare il pacchetto FC (frame control): due simboli che definiscono il tipo di pacchetto DA (destination address) SA (source address) FCS (frame checking sequence): per rilevare gli errori FS (frame status)

Codifica di linea codific. di linea (k,n) decodif. di linea (k,n) canale k bits n bits n bits k bits La codifica di linea per FDDI (e altre simili codifiche di linea) è basata su una tabella di corrispondenza tra blocchi di k bit di ingresso e n bit di uscita, n>k Gli obbiettivi sono: bilanciamento della continua (10% for 4B/5B, introducendo una penalizzazione inferiore a 1 dB) sincronizzazione dei clock (si garantisce un numero sufficiente di transizioni 0-1-0 nei simboli di canale) delimitazione pacchetti (simboli riservati di start e stop) La velocità sulla linea cresce di un fattore n/k rispetto ai bit di utente

Gigabit Ethernet Ethernet è un insieme di protocolli che ha dominato il mercato delle LAN La velocità di trasmissione originariamente era 10 Mbit/s su cavo coassiale Ethernet è evoluta su diversi mezzi trasmissivi (coassiale, doppino, fibra) fino a 1 Gbit/s (Gigabit Ethernet), passando da trasmissioni nel dominio elettrico a trasmissioni su fibra E’ in fase di standardizzazione Ethernet a 10 Gbit/s Ethernet, alle diverse velocità e per i diversi mezzi trasmissivi, è sempre stata standardizzata per permettere schede di interfaccia a basso costo, pensate per essere utilizzate in un PC

Ethernet a 10, 100, 1000, … Mb/s Banda confrontabile con la velocità interna dei terminali Cavo coassiale condiviso Distanza limitata (~ 1 km) da attenuazione e ritardi di propagazione Bassi costi dovuti a semplicità ed economia di scala Hub o switch: banda e cavi condivisi o dedicati ai terminali

Ethernet a 10, 100, 1000, … Mb/s 50% 25% Collegamento, in cavo metallico o fibra ottica, tra “scatole”. Se le “scatole” sono switch, aumenta la banda, migliora la gestibilità, ma abbiamo una rete a commutazione di pacchetto non controllata. Protocollo Spanning Tree per eliminazione cicli e recupero guasti.

Ethernet a 10, 100, 1000, … Mb/s Le porte dello switch possono operare in half-duplex o full-duplex (un trasmettitore parla sempre con lo stesso ricevitore). Nel caso di full-duplex: non serve un protocollo d’accesso (Ethernet diventa una tecnica di framing e trasmissiva) i limiti di distanza sono puramente di tipo trasmissivo (possiamo raggiungere decine di chilometri)

Evoluzione di Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet 10 Gigabit Ethernet 1 10 100 1,000 10,000 Capacità [Mb/s] 0.1 1 10 100 1000 Distanza [km]

Gigabit Ethernet Uso formato di trama 802.3 Uso protocollo MAC CSMA-CD (trasmissione punto punto con switch) Operazioni half duplex e full duplex Backward compatibility con mezzi fisici già installati (fibre mono e multimodali, doppino) Aumenta di un fattore 10 dimensione minima di pacchetto con padding di simboli speciali Codifica 8B10B

Gigabit Ethernet 1000Base LX: fibra multimodale IEEE 802.3z specifica tre tipi di interfaccie fisiche: 1000Base LX: fibra multimodale 1000Base SX: fibra monomodale 1000Base CX: cavo di rame schermato 1000Base T: cavo STP o UTP (doppino in rame con 4 coppie schermato o non) Utilizza la codifica di livello fisico di Fibre Channel, con le seguenti opzioni: standard tipo di fibra diametro BW modale distanza (µm) (MHzkm) minima (m) SX significa short-wavelength (850 nm) 1000BASE - SX MM 62.5 160 2 to 220 (850 nm) MM 62.5 200 2 to 275 MM 50 400 2 to 500 MM 50 500 2 to 550 LX significa long-wavelength (1300 nm) 1000BASE - LX MM 62.5 500 2 to 550 (1300 nm) MM 50 400 2 to 550 MM 50 500 2 t o 550 SM 9 NA 2 to 5000

Livelli Gigabit Ethernet Media Access Control (MAC) Gigabit Media Independent Interface (GMII) (optional) MAC Layer Physical Layer FibreChannel Encoder/Decoder (8B10B) 1000BASE-T Encoder/decoder 1000BASE-LX LWL Fiber Optic 1000BASE-SX SWL Fiber Optic 1000BASE-CX Shielded Balanced Copper 1000BASE-T UTP Category 5 Lo standard Gigabit Ethernet specifica anche altri livelli fisici per trasmissioni a corta distanza, come doppini e cavi coassiali SMF - 5km 50µ MMF - 550m 62.5µ MMF - 500m 50µ MMF - 550m 62.5µ MMF - 220-275m 25 m 100 m 802.3z physical layer 802.3ab physical layer

Modifiche al protocollo In modalità half duplex, slot minimo portato da 64 a 512 bytes (se ho pacchetti piccoli le prestazioni sono basse) Collision domain di 200 m Solo topologie a stella Consente la tecnica ”frame bursting” per mantenere il controllo del canale fino ad un massimo di 8192 bytes (l’estensione della lunghezza minima del pacchetto è necessaria solo per il primo pacchetto) 74 83

“Buffered Distributor” Dispositivo che “remotizza” (rispetto al PC) il sottolivello MAC Opera sempre in full duplex Implementa un controllo di flusso tra il PC e il concentratore e memorizza localmente le trame fino a quando non riesce a trasmetterle Rende la massima distanza delle stazioni indipendente dal protocollo 74 83

Tipici 1 Gigabit Optical XCVRs GBIC Pluggable SFP Pin in Hole SFF

10 Gigabit Ethernet Un comitato IEEE 802.3 è attivo nella standardizzazione di 10 Gbit/s Ethernet Solo la modalità full duplex, senza CSMA-CD Soluzioni proposte: Seriale, con framing Ethernet, su distanze da LAN fino a 40 Km 650 m su fibra multimodo (MMF) 300 m su MMF installata 2 km su fibra monomodo (SMF) 10 km su SMF 40 km su SMF Seriale, su SONET, per distanze maggiori di 40 Km Per maggiori informazioni: www.10gea.org www.ieee802-org

Obiettivi IEEE P802.3ae Mantenere il formato di trama di 802.3 Ethernet Mantenere le dimensioni min/max del frame 802.3 Funzionamento solo Full duplex Supportare solo cavi in fibra ottica 10.0 Gbps all’interfaccia MAC-PHY Capacità in ambiente LAN PHY di 10 Gbps Capacità in ambiente WAN PHY di ~9.29 Gbps (compatibile con SONET)

Modello di riferimento OSI Reconciliation Sublayer (RS) Layer Model Livelli P802.3ae Modello di riferimento OSI Higher Layers LLC MAC Control MAC Applicazione Reconciliation Sublayer (RS) Presentazione XGMII XGMII XGMII Sessione 64B/66B PCS Trasporto 64B/66B PCS WIS 8B/10B PCS Rete PMA PMA PMA Collecamento PMD PMD PMD Fisico MDI MDI MDI MEDIUM MEDIUM MEDIUM MDI = Medium Dependent Interface XGMII = 10 Gigabit Media Independent Interface PCS = Physical Coding Sublayer PMA = Physical Medium Attachment PMD = Physical Medium Dependent WIS = WAN Interface Sublayer 10GBASE-R 10GBASE-W 10GBASE-X 10GBASE-R: collegamenti su fibra punto punto 10GBASE-W: compatibile con standard SONET 10GBASE-X: usa WDM, 4 l a 2.5G in parallelo

Primi 10 Gigabit Optical XCVRS XENPACK XGXS FTRX

RPR IEEE 802.17 Tecnologia di livello 2 per reti metropolitane di trasporto Basata su anello condiviso con riuso spaziale Offre protezione di livello “carrier class” basata su anelli Servizio con QoS diversa su un unica infrastruttura fisica Ridotto costo di gestione Alta capacità MAC indipendente dal livello fisico: si adatta ai livelli fisici di Ethernet o SONET

Tecnologia convergente Mantenere gli standard di RPR semplici e lasciare ai costruttori la possibilità di differenziare i prodotti Data TDM Video Service Intelligence (Adaptation, QoS, protocols) Vendor Specific Ring Operations (Forwarding, Topology, Fairness, Protection) 802.17 Specific Bound Scope Optical Transmission Choice (Ethernet, SONET,…new ones) PHY Specific Mantenere le operazioni indipendenti dal livello fisico

Resilient Packet Ring Doppio anello controrotante Entrambi gli anelli sono operativi in condizioni di normale funzionamento Procedure di Topology Discovery consentono ai nodi di conoscere l’identità e la posizione lungo l’anello degli altri nodi Sono previsti tre tipi di pacchetti: Data (di dimensione variabile fino a 9218 byte) Control (per Topology Discovery e Protection) Fairness (per comunicare le richieste di banda tra nodi) AGGIUNTA DA STANDARD LAN LONG

Resilient Packet Ring Tre classi di servizio: Classe A: servizi garantiti in termini di banda e ritardo Classe B: servizi con garanzia di banda ma vincoli di ritardo meno stringenti Classe C: best-effort Recupero di guasti entro 50 ms (come SDH): Steering: si cambia l’instradamento alla sorgente Wrapping: ripiegamento dell’anello ai bordi del guasto (come 1:1) AGGIUNTA DA STANDARD LAN LONG

Resilient Packet Ring Accesso basato su buffer insertion multiclasse RX PTQ STQ local traffic A B C TX logic AGGIUNTA DA STANDARD LAN LONG PTQ: primary transmission queue STQ: secondary transmission queue

Controllo di equità Prenotazione e controllo di accettazione delle richieste per il traffico garantito Priorità nell’accesso e nel transito tra diverse classi di traffico Shaping mediante token bucket Scambio controrotante di messaggi di controllo tra i nodi per notificare la congestione e per concordare un utilizzo equo della banda per il traffico non garantito AGGIUNTA DA STANDARD LAN LONG

RPR: il meglio dai due mondi SONET Ethernet RPR Y Accesso equo alle risorse Alta efficienza sui anelli bidirezionali Latenza e jitter controllati Protezione in 50 millisecondi Ottimizzato per trasporto dati Economicamente valido per trasporto dati Y Y Y Y Y Y Y Y Y

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