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 wavelength routing (WR) Sono architetture di rete WDM che instradano e commutano informazione nel dominio ottico sulla base delle lunghezze d’onda. Iniziamo con un esempio, modificando progressivamente una rete a circuito di prima generazione (con trasmissioni punto-punto su fibra ottica). Queste comprendono tipicamente anelli in tecnologia SONET/SDH, oggi operanti tipicamente a 2.5 Gb/s (OC48-STM16). I dispositivi di interconnessione sono add-drop multiplexer (ADM) e digital cross-connect (DCS).

Reti wavelength routing ADM=Add-Drop Multiplexer DCS=Digital Cross-Connect

Reti wavelength routing La matrice di traffico normalizzata è la seguente: A B C D A -- 0.25 0.25 0.5 B 0.25 -- 0.25 0.5 C 0.25 0.25 -- 0.5 D 0.5 0.5 0.5 -- Se il traffico aumenta: A B C D A -- 1 2 1 B 1 -- 1 2 C 2 1 -- 1 D 1 2 1 -- possiamo passare a WDM.

Reti wavelength routing

Reti wavelength routing L’instradamento diventa: flusso lungh. d’onda # di OC-48 AB 1 1 BD 1 1 AD 1 1 AC 2 2 BC 3 1 BD 3 1 CD 3 1 con 3 lunghezze d’onda.

Reti wavelength routing Abbiamo costruito una topologia logica su una topologia fisica, costruendo dei lighpath ottici.

Reti wavelength routing Per gestire cambi di traffico e per offrire protezione, possono utilizzare commutatore ottici.

Altro esempio Topologia fisica Soluzione con 3 l Topologia logica

Reti wavelength routing Si usano cross-connect ottici (Optical Cross-Connect - OXC o Wavelength Cross-Connect - WXC) con collegamenti in fibra. La rete fornisce “cammini di luce” (lightpath - bandwidth pipe) tra coppie di nodi. Fino a un centinaio di lightpath per fibra. B A E C D 1 2 lightpath WDM cross-connect Bisogna decidere accuratamente l’allocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale.

Strato ottico Una rete wavelength routing costituisce uno strato ottico che offre lightpath agli strati superiori. Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili. Caratteristiche: trasparenza riutilizzo spaziale delle frequenze affidabilità (riconfigurazione in caso di guasto)

Conversione di  Possiamo utilizzare convertitori di lunghezza d’onda, che consentono di utilizzare meglio le risorse di rete e agevolare l’interconnessione di reti diverse. B A E C D 1 2 3

Wavelength converter Ragioni per utilizzare convertitori di lunghezza d’onda: cambiare  aggiunge flessibilità alle strutture WDM di tipo wavelength routing i dati possono essere generati ad una  non compatibile con la rete interconnettendo reti diverse possono essere necessarie conversioni Quattro tipologie: Input  Output  variabile fissa fissa fissa fissa variabile variabile variabile

Wavelength converter Convertitori opto-elettronici (OEO): RX rigeneratore TX Svolgono naturalmente anche funzione di rigeneratore. Permettono l’inserimento di ritardi (anche variabili) per risincronizzare. Non implicano commutazione nel dominio elettronico. Comunque i singoli canali sono attestati nel dominio elettronico.

Diversità spaziale Sovente abbiamo diverse fibre nello stesso cavo. Questa diversità spaziale è equivalente a diversità di lunghezza d’onda, scambiando commutatori con convertitori di lunghezza d’onda. 1 2 3 fibra 1 fibra 2 1 2 3 4 5 6 fibra 1 switch -converter

Wavelength Cross-Connect WDM cross-connect network element manager porte locali porte di dorsale I cross-connect ottici possono offrire diversi livelli di trasparenza (= rigenerazione): 1R: solo ricezione e ritrasmissione dei segnali ottici 2R: con risagomatura dei segnali 3R: con ritemporizzazione e risagomatura dei segnali

Wavelength Cross-Connect 1 2 M … wavelength demux mux l1l2 ... lW electronic cross connect transmitters receivers

Wavelength Cross-Connect 1 2 M … wavelength demux mux l1l2 ... lW optical switch converters (varfixed)

Wavelength Cross-Connect 1 2 M … demux switch (no wavelength conversion) mux l1l2 ... lW l1 l2 lW

Wavelength Cross-Connect Tecnologia realizzativa Ottica Elettronica Trasparenza sì difficile Conversione di  difficile più facile Bit rate > 10 Gb/s  10 Gb/s Dimensione crossconnect piccola grande Potenza di alimentazione piccola grande Progetto strato fisico difficile più facile Monitoraggio limitato completo Componenti richiesti: mux/demux sì sì commutatori ottici sì no commutatori elettronici no sì trasmettitori/ricevitori no sì convertitori di  forse no Le realizzazioni ottiche sono in prima istanza insensibili al bit rate, ma richiedono 3R nel dominio fotonico. Le realizzazioni elettroniche costano meno (per ora).

Reti WR riconfigurabili Agilità in frequenza e commutazione spaziale (cioè numero di lunghezze d’onda e numero di stadi di commutazione) sono equivalenti. Si possono affrontare due problemi: Logical (Virtual) Topology Design (LTD) Routing and Wavelength Assignment (RWA)

Problemi di progetto in reti WR Problema di Routing and Wavelength Assignment (RWA): Data una topologia di rete e un insieme di richieste di lightpath (end-to-end), trovare l’instradamento e la/e lunghezza/e d’onda per ogni lightpath minimizzando il numero di lunghezze d’onda utilizzate. Problema di Logical Topology Design (LTD): Data una matrice di richieste di traffico tra nodi di una rete, trovare un insieme di lightpath “ottimale” (in termini di costi e/o prestazioni).

Wavelength Assignment Il problema di Wavelength Assignment è simile al problema RWA, ma gli instradamenti sono definiti. Dato un insieme di richieste di lightpath e di instradamenti, se li è il numero di lightpath sul canale i della topologia, il carico (load) della rete è definito come L=maxi li. Il problema diventa banale in presenza di conversione di lunghezza d’onda: L lunghezza d’onda sono sufficienti. Altrimenti ne occorrono di più.

RWA: esempio Sorgente Destinazioni

RWA: esempio l Fibre occupate 3 13

RWA: altro esempio t1 r1 t2 r2 t3 r3 t4 r4 t5 r5 Abbiamo un lightpath da i a n-i+1 (n=5 nell’esempio). Senza conversione occorrono comunque n lunghezza d’onda. Con conversione e routing opportuno possiamo avere due lightpath per canale; quindi due lunghezze d’onda sono sufficienti.

WA e colorazione di grafi 1 1-0-2 1 2 3 3 2 1-0-3 2-0-3 Grafo della rete Grafo dei lightpath Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete.

Colorazione di grafi Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete. Problema della colorazione del grafo: ogni nodo deve avere un colore diverso dai suoi vicini. Il minimo numero di colori si chiama numero cromatico del grafo. Il problema della colorazione dei grafi è NP-completo anche se esistono buoni algoritmi ottimi in casi particolari e diverse euristiche.

WA su anelli taglio su un nodo con numero minimo di lightpath in transito taglio 3 2 1 insieme dei lighpath assegnazione “greedy” delle  più una  per ogni lightpath tagliato

RWA su topologie a maglia Si usano euristiche risolutive Esempio: Strategia First Fit Dato un Lightpath da s a d Instradalo sul percorso fisico piu breve Coloralo con la prima lunghezza d’onda disponibile su tutte le fibre del percorso Strategia Max Fill Data una lunghezza d’onda l Instradalo sul percorso piu breve usando l, se possibile

Logical Topology Design Gli strati superiori dell’architettura (per esempio IP o SONET/SDH) vedono un lightpath come un collegamento “fisico” tra i loro nodi. Chiamamo fisica la topologia vista dallo strato ottico e logica la topologia vista dagli strati (elettronici) superiori. 1 2 lightpath lightpath canale in fibra 1 3 4 2 WXC ottico topologia logica switch SDH 4 3 topologia fisica

Progetto della topologia I problemi di progetto della topologia logica e di progetto della topologia fisica sono tra di loro accoppiati. Nella pratica di norma si risolve prima il problema del progetto della topologia logica (LTD), poi si progetta la topologia fisica (se non data) e infine si risolve il problema RWA. Sovente si è nella situazione in cui l’infrastruttura di rete (topologia fisica) è posseduta e controllata da un fornitore di servizi (che affronta il problema RWA), che vende connessioni ATM o SONET/SDH ai propri clienti (che affrontano il problema LTD).

Logical Topology Design Obbiettivo nel progetto della topologia logica è la minimizzazione del costo, trovando il miglior compromesso tra costo dei lightpath (includendo il costo della loro commutazione) e costo di commutatori a livello SONET/SDH o ATM, sovente con vincoli sull’affidabilità della rete. E’ possibile dare una formulazione in termini di problemi di programmazione lineare mista del problema LTD. Vista la complessità della soluzione, sono state proposte e vengono utilizzate tecniche euristiche.

Vincoli e obiettivi del LTD Numero limitato di trasmettitori/ricevitori per nodo Numero limitato di lunghezze d’onda per fibra Numero di hop fisici limitato da problemi trasmissivi Minimizzare la lunghezza dei percorsi multihop Minimizzare il ritardo end-to-end Minimizzare la massima congestione su un lightpath Altro Problema NP-HARD

Formulazione del problema Data: Una rete WDM fisica dove ogni nodo i è dotato di D tx/rx Una matrice di traffico Tsd Dato un algoritmo di routing per traffico multi-hop Trovare L’insieme di lightpath che soddisfa la richesta di traffico e che minimizza il massimo livello di congestione sui canali logici fmax, dato dalla somma del traffico che attraversa ogni lightpath

Approcci di ottimizzazione Euristiche greedy Considerando i dati di ingresso, si cotruisce una solutione Massimizzare traffico single hop Aggiungi lightpath corrispondenti alle più grosse relazioni tsd Considera il traffico multihop Rimuovi gli archi meno usati, e reinstrada il traffico Uso di topologie logiche regolari Occorre ottimizzare la disposizione dei nodi Metaeuristiche Espora più soluzioni in modo intelligente Simulated annealing Data una topologia, costruisci una alterazione. Se fmax è minore, tieni la nuova topologia. Se è peggiore, tienila con una probabilità non nulla Tabu search Data una topologia, considera tutte quelle che ottieni applicando una alterazione, e scegli la migliore. Evita cicli con lista di mosse proibite

Esempio su una rete 24 nodi

Esempi di evoluzione soluzione

Wavelength Routing Testbeds