Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri & Marco Mellia 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

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 connettorizzazione e interfacciamento dispersioni effetti non lineari

Attenuazione delle fibre 10 Optical fiber Infrared absorption Attenuation (dB/km) 1.0 Rayleigh scattering 0.1 UV absorption 0.01 800 1000 1200 1400 1600 1800 Wavelength (nm) 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 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 nell’accesso 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 in parte o totalmente 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 l’informazione dal dominio fotonico al dominio elettronico.

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

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

Perché le reti ottiche? richiesta e disponibilità di banda raddoppiano ogni 9 mesi la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi (legge di Moore) ? I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere sempre più nella commutazione e sempre meno nella banda trasmissiva.

La banda non è più un limite …

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

Limiti delle reti ottiche I problemi principali delle reti ottiche derivano: dall’assenza 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 dell’informazione nel dominio fotonico dal costo (in tutti i sensi) dell’interfacciamento verso il mondo fotonico da limiti a livello trasmissivo nel caso di collegamenti ottici riconfigurabili (tecnologia “giovane”)

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. e-mail, 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

Tecniche di multiplazione TDM divisione di tempo; fino a 40 Gbit/s OTDM divisione di tempo ottica; multiplazione ottica di flussi TDM p.es. 16 × 10 Gbit/s = 160 Gbit/s WDM divisione di lunghezza d’onda 128 × 2.5 Gbit/s 32 × 10 Gbit/s SDM divisione di spazio (più fibre nello stesso cavo, o cammini diversi nella stessa rete) CDM/OCDM divisione 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, 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 P l rigeneratore MMF LED RX da 50 a 100 Mb/s 1960 1970 1980 1990 10 km P SMF 1.3 mm MM laser RX da 100 Mb/s 50 km a 1 Gb/s l P l SMF 1.55 mm SM laser RX da 2.5 Gb/s 100 km a 10 Gb/s P l SM DFB laser l1 EDFA RX SMF SM DFB laser l2 MUX DeMUX RX 100’s km SM DFB laser l3 RX

Evoluzione delle trasmissioni TX/RX TX/RX nuvola di vetro TX/RX TX/RX 2000 ?

Tipologie di reti ottiche Si possono identificare due categorie di reti ottiche: conversione di lunghezza d’onda? reti single-hop reti multi-hop (es. reti broadcast-and-select) (es. reti wavelength routing) 1 2 3 TX/RX WDM crossconnect star coupler 1 2 3 1 2 3 lightpath 2 1 TX/RX 1 2 3 TX/RX 1 2

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 d’accesso (Passive Optical Networks - PON)

Stato dell’arte 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)

Commutazione di circuito La rete usa le risorse disponibili per allocare un circuito a ogni richiesta di servizio Il circuito è di uso esclusivo dei due utenti per tutta la durata della comunicazione Le risorse sono rilasciate solo al termine della comunicazione, su indicazione degli utenti Vantaggi: ritardi di trasferimento costanti e limitati Svantaggi: risorse dedicate a una comunicazione tariffazione in base al tempo di esistenza del circuito

Commutazione di circuito Esempio: rete telefonica Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente 5. Trasmette dati 6. Riceve dati 4. Chiamata accettata 3. Accetta chiamata 1. Inizia chiamata 2. Chiamata in ingresso

Commutazione di pacchetto La commutazione di circuito prevede di allocare rigidamente delle risorse ad una comunicazione su base richiesta: l’efficienza può essere bassa Idea: Spezzo l’informazione in più segmenti Trasmetto un segmento, impegnando le risorse, solo quando questo è “pieno” Le risorse vengono allocate dinamicamente a diverse comunicazioni

Commutazione di pacchetto Non si allocano risorse per l’uso esclusivo di due o più utenti Studiata espressamente per sorgenti intermittenti Funzionamento analogo al sistema postale INDIRIZZO P.T. P.T. P.T.

Commutazione di pacchetto L’informazione da trasferire è organizzata in unità dati (PDU) che comprendono informazione di utente (SDU) e di controllo (PCI) Vantaggi: utilizzazione efficiente delle risorse anche in presenza di traffico intermittente controllo di correttezza lungo il percorso tariffazione in funzione del traffico trasmesso possibilità di conversioni di velocità, formati, protocolli Svantaggi: elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo ritardo di trasferimento variabile PDU PCI SDU

Commutazione di pacchetto Nascono delle contese Si risolvono tramite memorizzazione Sistema postale Se il furgone è pieno, il pacco rimane in ufficio (e parte con il prossimo furgone) Commutatore

Commutazione di pacchetto In caso di congestione la rete scarta pacchetti Occorre prevedere dei meccanismi di ritrasmissione per offrire servizi affidabili

Commutazione in Internet longest-prefix-matching sull’indirizzo 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

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 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 c’è 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