Levoluzione delle reti ottiche Introduzione Scenario stato dellarte

L’evoluzione delle reti ottiche Introduzione, Scenario, stato dell'arte e Prospettive prof. G. Russo (grusso@unina. it) © 2012

Sommario • La trasmissione ottica – problematiche e stato dell’arte • Le reti ottiche – Concetti fondamentali – Struttura – Problematiche • Il piano di controllo su reti ottiche di nuova generazione • Conclusioni 2

Le origini – “Fiat Lux!” • • • Le fibre ottiche, "vedono la luce" nei lontani (e favolosi) anni settanta, a seguito di un'intensa ricerca scientifica che si svolse in particolare negli USA e nell'URSS contemporaneamente, anche se separatamente, e spesso in concorrenza per motivi politici e militari. Vengono inventati in quello stesso periodo e negli anni precedenti, oltre alle fibre ottiche, tutta una serie di dispositivi optoelettronici di interesse sia industriale che politico e, sopratutto, militare come il laser, i fotomoltiplicatori, i fotodiodi, ecc. Le prime fibre ottiche avevano la dimensione di una lenza da pesca ed erano poco flessibili essendo composte esclusivamente di vetro! Ф 1 = Ф 3 sen Ф 1 n 2 ____ = ____ sen Ф 2 n 1 3

Caratteristiche: i pro e i contro • Punti di forza • Debolezze + + – difficoltà di connettorizzazione e interfacciamento – dispersioni – effetti non lineari 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 4

Struttura di una fibra ottica Core in fibra di vetro Struttura di un cavo multifibra 8. 3 micron* Cladding Prottegge il “core” FA da “guida d’onda” per la luce 125 micron Copertura polimerica interna Copertura polimerica esterna Schermi di protezione 250 micron Fibra singola Attenuazione: 0. 2 – 0. 25 d. B/km + perdita di sezionamento * Per una fibra Single Mode; la Multi-Mode ha un core da 50 Micron 5

Attenuazione tipica di una fibra Attenuation (d. B/km) 10 Fibra Ottica 1. 0 Assorbimento Infrarossi Rayleigh scattering 0. 1 0. 01 Assorbimento UV 800 1000 1200 Wavelength (nm) Prima finestra 850 nm a=1. 2 d. B/Km 1400 Seconda finestra 1300 nm a=0. 4 d. B/Km 1600 Terza finestra 1550 nm a=0. 2 d. B/Km 6 1800

Bande trasmissive • Le fibre ottiche sono utilizzate per scopi di telecomunicazioni per distanze superiori a qualche chilometro e velocità di trasmissione superiori ai 100 Mbit/s nelle bande attorno a: – 1300 nm (II finestra) – 1550 nm (III finestra, minimo assoluto dell’attenuazione) • La banda trasmissiva nelle due finestre è circa 25000 GHz 7

Tipi di fibre Le fibre più utilizzate sono • Fibra standard ITU-T G. 652 (ottimizzata per l’uso in II finestra) • Fibra standard ITU-T G. 653 (Dispersion Shifted, ottimizzata per l’uso in III finestra) • Fibra a dispersione non nulla ITU-T G. 655 (ottimizzata per DWDM in III finestra) • Nel caso di fibra G. 652, i sistemi WDM Nx 2. 5 -Gbit/s sono limitati dalla dispersione cromatica e di polarizzazione • Nel caso di fibra G. 653, i sistemi WDM Nx 2. 5 -Gbit/s sono limitati dal FWM 8

Wavelenght Division Multiplexing • Consente di veicolare più lunghezze d’onda λ (oggi fino a 320) all’interno del medesimo portante fisico, ciascuna con capacità trasmissiva fino a 40 Gbps (OC 768), dipendentemente dalla qualità della fibra e degli apparati di trasmissione I segnali sono multiplexati nel dominio delle lunghezze d’onda Segnale ottico composito Rx Tx WDM MUX 1530 1550 Wavelength (nm) 9 1565

Multiplazione WDM • 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-toend, 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 3 R) nel caso di segnali numerici. • Possiamo avere lightpath trasparenti (tutto ottici) o opachi (che ammettono 3 R, 2 R, o 1 R, in ottica o in elettronica). 10

WDM - separazione fra bande • • • BLUE BAND: regione 1529 -1536 nm – (8 canali 100 Ghz spaced/16 canali 50 Ghz spaced multiplexabili) RED BAND: regione 1542 -1561 nm – (24 canali 100 Ghz spaced/48 canali 50 Ghz spaced multiplexabili) INFRARED BAND: regione 1575 -1602 nm – (32 canali 100 Ghz spaced/64 canali 50 Ghz spaced multiplexabili) 11

Le componenti dell’architettura WDM Terminazione B Terminazione A Transponder Interfaces M U X Post. Amplificatori di linea Pre. Amp D E M U X Direct Connections Transponder Interfaces Direct Connections Componenti di base • Amplificatori ottici • Multiplexers ottici • Sorgenti ottiche stabili 12

Capacità di banda per singola fibra Banda (Bits / Capacità = * (Banda / Legge di Moore (la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi) 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. Fonte: K. Coffman & A. Odlyzko, “Internet Growth: Is There A Moore’s Law For Data Traffic? ” (research. att. com/~amo) 13

Sfatato il paradosso di Tanembaum Consideriamo una singola fibra ottica: • La tecnologia corrente consente 320 �in una delle bande di frequenza • Ogni ha una banda di 40 Gbit/s • La capacità di trasporto è : 320 * 40*109 / 8 = 1600 GByte/sec Consideriamo un camion da 10 tonnellate: • Una tape contiene 50 Gbyte, e pesa 100 g • L’intero camion contiene ( 10000 / 0. 1 ) * 50 Gbyte = 5 PByte Camion / fibra = 5 PByte / 1600 GByte/sec = 3125 s ≈ 1 ora Per distanze superiori a quelle che un camion può percorrere in 1 ora (50 km) oltre al tempo di carico/scarico di 100000 tapes LA FIBRA E’ VINCENTE!!! 14

Reti Ottiche di prima generazione • Nelle reti di prima generazione le fibre si limitano a sostituire il rame come mezzo trasmissivo (strato fisico) per superarne i limiti nelle grandi distanze • Esempi: – sistemi sottomarini di trasporto – Infrastrutture gerarchiche SONET/SDH: evoluzione delle gerarchie TDM plesiocrone (PDH) dei sistemi telefonici. Offre flessibilità nella multiplazione dei flussi e funzionalità di gestione, protezione, interoperabilità, networking 15

I portanti 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 16

SDH/SONET • 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. 17

Tramatura SDH • Section Trace Struttura dei frame SDH STM-1 – 9 colonne di SDH overhead SDH (x righe di 9 bytes) = 81 bytes – 261 colonne di payload “administrative units group (AUG)” (x righe di 9 bytes) = 2349 bytes – 125 microseconds per frame = 155, 52 (150, 34) mbps STM-1 AUG (261 Byte/Columns) APS Signaling Regenerator Sec. Overhead (3 Byte/Rows, 9 Columns) A 1 A 1 A 2 A 2 J 0 x x J 1 B 1 x x E 1 x x F 1 x x B 3 Order of Transmission D 1 x x D 2 x x D 3 D 2 x C 2 1 G 1 AU Pointers Multiplex Sec. Overhead (5 Byte/Rows, 9 Columns) Bit Errors B 2 B 2 K 1 x x K 2 x x F 2 D 4 x x D 5 x x D 6 x x H 4 D 7 x x D 8 x x D 9 x x F 3 D 10 x x D 11 x x D 12 x x K 3 S 1 x x M 1 E 2 x x N 1 Total STM-1 Transmission Overhead 9 Rows x 9 Columns 2 Path Overhead 1 Row x 9 Columns Path Signal Label 18

Gerarchie digitali DS-1 (1. 544 Mb/s) 1 DS-3 28 VT 1. 5 STS-1 (1. 7 Mb/s) (52 Mb/s) VC-11 VC-3 Trasmissione Asincrona ("Plesiocronismo") [Non-Standardizzati] (45 Mb/s) 84 336 1344 5376 Capacity (DS-1 Equiv) STS-3 STS-12 STS-48 STS-192 (156 Mb/s) (622 Mb/s) (2500 Mb/s) (10000 Mb/s) SONET STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 SDH DS: Digital Signal SONET: Synchronous Optical NETwork (US) SDH: Synchronous Digital Hierarchy (ITU) STS: Synchronous Transport Signal STM: Synchronous Transfer Mode VC: Virtual Container VT: Virtual Tributary 19

Il paradigma SONET/SDH Rigeneratore (clock derivato) Multiplexer Or Other PTE Cross. Connect Multiplexer Or Other PTE SONET Path SDH Virtual Container (VC) Line Multiplex Section (MS) Section Regenerator Section (RS) Caratteristiche Fondamentali: • Resilienza: Fault Management & Restoration rapido • Ottima manutenibilità 20

La multiplazione gerarchica 64 kb/s 1 O O O D S 1 POTS & VG PL 1. 5 Mb/s 24 45 - 622 Mb/s 1 2. 5 - 10 Gb/s o o D S 3 o W D M 28 O C 192 1. 5 Mb/s PL o Backbone Fiber Network 45 - 2500 Mb/s PL 1 Gb Ethernet 1 - 10 Gb/s PL, 10 Gb WAN Ethernet * 10 Gb WAN Ethernet • SONET - 9. 953 Gb/s • Asynchronous POTS: "Plain Old Telephone Service" VG: Voice Grade PL: Private Line 21

Network Elements SDH/SONET • Multiplexer and demultiplexer: Il Path Terminating Element (PTE) • Versione minima di multiplexer pathterminating 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 c DS-1 VT DS-3 STS-1 OC-N • Rigeneratore – È il più semplice elemento. Opera una rigenerazione 3 R – 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 22 Tx Rx OC-N

Network Elements SDH/SONET • Add-Drop multiplexer (ADM) 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 • Digital cross-connect (DXC): multiplexing e instradamento in topologie magliate – – – Accetta diverse velocità di linea Accede ai segnali STS-1 Commuta tutto a questo livello Usato per interconnettere accessi STS-1 Cross-connect a larga banda sono usati per aggregare traffico efficientemente Transparent Switch Matrix (DS 1 Switch Matrix) OC-N STS-N BUS OC-N STS-N VT STS-1 OCN OC-N STS-N (VT 1. 5) STS-1 (DS 1) OC-N DS-1 DS-3 STS-N STS-1 (STS-N) (DS 3) OC-N DS-1 DS-3 STS-N STS-1 ATM DS 1 (DS 1) 23 DS 1 DS 3 (DS 1) DS 3 (DS 3) DS 3

IP over ATM • • • Approccio classico definito dall’ IETF, RFC 1577: usare ATM per trasporto dati È possibile mappare altri protocolli per trasporto in ATM oltre IP – LAN emulation: permette il trasporto LAN (LAN traffic over WAN) ATM viene poi trasportato da SONET IP Token Ring Ethernet Protocol Interfaces ATM SONET 24

IP over ATM over SONET OADMswitchrouter ATM IP ATM introduce notevoli overhead (> 20%) e impone un paradigma a circuiti virtuali che mal si combina con IP 25

IP over SONET • • • Altri approcci più semplici vedono l’uso di SONET da parte di IP usando un protocollo Point-to-Point (PPP), standard IETF - RFC 1661 PPP permette di trasportare IP su altri protocolli di livello trasporto Funzioni: – Incapsulamento e multiplexing da diversi strati di livello rete su uno stesso canale – Instaurazione, configurazione e controllo del livello collegamento sottostante IP Packet Point-to-Point Protocol (PPP) Packet SONET SPE 26

IP+SONET vs IP+ATM+SONET • Efficienza di incapsulamento – Ipotesi • Pacchetti IP di 576 byte • Velocità SONET di 155 Mbit/s – La banda netta è • 125. 918 Mbit/s per IP+ATM+SONET (efficienza 80%) • 147. 150 Mbit/s per IP+SONET (efficienza 95%) • Considerazione di Qualità di servizio – ATM garantisce una flessibilità che PPP direttamente non può permettere – Indirizzamento, instradamento, controllo di flusso, reazione ai guasti sono implementati da ATM, non da PPP • Considerazioni di costo – IP su SONET costa meno di IP su ATM su SONET 27

“Packet” 1/0 DCS Core ATM/IP Layers DACS III LA DS 3 (45 Mb/s) PHNX ADM OC 48+ (2. 5+ Gb/s) Hard. Wired LA OTS OTS 3/1 DCS ADM 3/1 DCS 3/3 DCS Layer (DACS III) ADM SONET ADM Layer CHCG ADM OTS PHNX Wavelength Path Crossconnect OTS (OTS: Optical Transport CHCG System) CHCG PHNX CHCG 3/1 DCS Layer CHCG DACS III Proprietary (20 -400 Gb/s) LA 4 E Service Layers DS 1 (1. 5 Mb/s) 3/1 DCS ADM 4 E CHCG LA 3/1 DCS DACS III 4 E LA 1/0 DCS DS 3 (45 Mb/s) ATM/IP LA 4 E 1/0 DCS ATM/IP 1/0 DCS “Packet” Wavelength Mux Section Crossconnect Media Layer Fiber Conduit/ Sheath Il modello di trasporto 28

Reti ottiche di seconda generazione • Si possono identificare due categorie di reti ottiche di seconda generazione: 1 TX/RX 3 1 2 3 2 TX/RX 2 WDM crossconnect star coupler 1 2 3 1 1 2 3 TX/RX reti single-hop (es. reti broadcast-and-select) lightpath conversione di 2 lunghezza d’onda? reti multi-hop (es. reti wavelength routed) 29 1

Reti wavelength routed • • • Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili e con o senza conversione di lunghezza d’onda (wavelength continuity constraint). 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 C E 1 lightpath A • 1 2 D WDM cross-connect Bisogna decidere accuratamente l’allocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale. 31

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 C E 1 A • • 2 3 1 D cambiare aggiunge flessibilità alle strutture WDM di tipo wavelength routing i dati possono essere generati ad una non compatibile con la rete 32

Wavelength converter • Convertitori opto-elettronici (O/E/O) 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. • Convertitori ottici nativi – Basati su tecniche interferometriche e laser – Effettuano riamplificazione – Introducono disturbi/distorsione 33

Amplificatori ottici WDM • Trasmettitori 1 Gli amplificatori ottici sono dispositivi che consentono di incrementare la potenza del segnale ottico accoppiato in ingresso per compensare Ricevitori l’attenuazione. Amplificazione ottica simultanea su R multiple longhezze d’onda!!! R N • • • OA 3 WDM Mux OA 2 WDM De. Mux 40 - 120 km (di solito 80 km) Fino a 10, 000 km (600 km nei prodotti commerciali disponibili) R R – comportano l’accumulo degli effetti dispersivi (dispersione cromatica, CD, e di polarizzazione, PMD ) – causano l’insorgenza di effetti ottici non lineari nella fibra ottica – possono operare solo in intervalli di lunghezza d’onda limitati 34

Tipi di amplificatori ottici • Dal punto di vista costruttivo gli amplificatori ottici si possono distinguere in tre grandi classi: – – – • • Amplificatori a nonlinearità in fibra; Amplificatori a semiconduttore; Amplificatori a fibra drogata. Gli AO a nonlinearità in fibra si basano sugli effetti nonlineari Brillouin e Raman, a causa dei quali parte della potenza di un segnale esterno di pompa, ad un'opportuna lunghezza d'onda λp, viene trasferita al segnale utile a lunghezza d'onda λ 0. La diffusione viene opportunamente stimolata dal segnale pompa in un tronco di fibra a nucleo stretto Nei AO a semiconduttore il meccanismo che autosostiene l'oscillazione viene inibito, facendo, ad esempio, in modo che le facce esterne della cavità di un LASER a semiconduttore ad iniezione siano rivestite di materiale antiriflettente; il fenomeno che è alla base dell'amplificazione ottica resta l'emissione stimolata all'interno della zona attiva del mezzo. Piccolo o compatto. Non opera su lunghezze d’onda multiple! 35

• Amplificatori ottici EDFA Negli amplificatori a fibra drogata (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifiers) si implementa, invece, un sistema a tre livelli tra alcuni stati energetici degli atomi di Erbio dispersi nel reticolo amorfo della fibra e il pompaggio è ottico con un LASER ad un'opportuna lunghezza d'onda (generalmente 0. 98 m, nel caso di un preamplificatore, o 1. 48 m, nel caso di un booster) accoppiata al tronco di fibra attivo, come si vede rappresentato di seguito. Il tronco di fibra per gli EDFA è, generalmente, lungo qualche decina di metri. Laser di pompa EDF Input Output Isolatore ottico • λ-MUX Isolatore ottico Negli amplificatori a fibra drogata gli atomi di drogante (elementi delle terre rare come l'Erbio) nella concentrazione di qualche decina di parti per milione costituiscono l'elemento attivo per l'emissione stimolata. 36

Filtri ottici Mach Zender • Il più semplice meccanismo di filtraggio delle λ è la guida d'onda integrata a cascata di interferometri Mach-Zender. Come è indicato nella figura seguente, lo stadio di combinazione elementare è un interferometro realizzato in modo che il percorso aggiuntivo relativo ad uno dei due rami provochi un opportuno sfasamento del segnale alla lunghezza d'onda relativa; in tal modo si può variare il grado di "accoppiamento" tra i rami stessi in modo che all'uscita A si trova la somma dei due segnali alle due lunghezze d'onda prescelte, mentre il segnale alla porta B viene ad annullarsi. 37

Filtri ottici sintonizzabili • La selezione dei vari canali sulla base del valore della frequenza (lunghezza d'onda) di trasmissione può essere effettuata tramite ricevitori coerenti con LASER locale sintonizzabile, o con ricevitori a rivelazione diretta preceduti da un filtro ottico passivo sintonizzabile. Un tipico esempio di questi componenti è il filtro a cavità (Fabry. Pérot), che basa la propria selettività sul fenomeno di risonanza (interferenza costruttiva) del segnale luminoso nella cavità a facce riflettenti. 38

La commutazione ottica nativa • Le reti ottiche non utilizzano le tecnologie fotoniche solo per migliorare le caratteristiche del mezzo trasmissivo, ma realizzano in ottica parte o tutte le funzioni di commutazione, e alcune funzionalità di controllo. bianco (1) (2) v g verde g(1) v(2) g(1) rosso (2) v v(1) g(2) giallo • Ciò è necessario, in condizioni di bassa attenuazione e capacità praticamente illimitata per abbattere l’ultimo vero limite rimasto, il tempo necessario per realizzare commutazione e supervisione. L’obiettivo è evitare il “collo di bottiglia elettronico”, cioè la diminuizione di prestazioni che inevitabilmente si incontra riconvertendo dal dominio fotonico a quello elettronico e quindi risparmiare tempo. 39 •

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 40

Commutazione di circuito • Esempio: rete telefonica Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente 5. Trasmette dati 4. Chiamata accettata 1. Inizia chiamata 6. Riceve dati 3. Accetta chiamata 2. Chiamata in ingresso 41

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 42

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. 43

Commutazione di pacchetto • L’informazione da trasferire è organizzata in unità dati (PDU) che comprendono informazione di utente (SDU) e di controllo (PCI) PDU PCI SDU • 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 44

Commutazione di pacchetto • Nascono delle contese • Sistema postale – Si risolvono tramite memorizzazione – Se il furgone è pieno, il pacco rimane in ufficio (e parte con il prossimo furgone) Commutatore 45

Commutazione di pacchetto • In caso di congestione la rete scarta pacchetti • Occorre prevedere dei meccanismi di ritrasmissione per offrire servizi affidabili 46

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 47

Circuiti o pacchetti? • Commutazione di circuito – allocazione totale e preventiva di risorse – commutazione posizionale • Commutazione di pacchetto – allocazione parziale di risorse – commutazione di etichetta 48

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” 49

Optical Cross-Connect (OXC) network element manager porte di dorsale WDM cross-connect porte di dorsale porte locali • I cross-connect ottici possono offrire diversi livelli di trasparenza (definita dal livello di rigenerazione): – – 1 R: solo ricezione e ritrasmissione dei segnali ottici 2 R: con risagomatura dei segnali 3 R: con ritemporizzazione e risagomatura dei segnali Totalmente trasparenti – nessuna rigenerazione 50

OXC Opaco • Prevede l’uso di una matrice di commutazione elettro-ottica che commuta in elettrico (O/E/O) wavelength demux 1 2 W … … M 1 2 W … … electronic … cross connect … receivers … wavelength mux 1 2 W … 1 1 2 W … 2 … 1 2 W … transmitters 51 M

OXC conversione di λ wavelength demux 1 2 W … … … M 1 2 W … wavelength mux … optical switch … … … 1 2 W 1 2 … … … 1 2 W M wavelength converters • L’uso di convertitori di λ aumenta la flessibilità (e il costo) ma riduce il 52 fattore di blocco per indisponibilità di λ

OXC puro – continuità di λ • Economico e introduce il minimo degrado ma è soggetto al vincolo di continuità nell’uso della stessa λ 1 2 W … M 1 2 W 1 2 … W 1 2 W 1 2 … 1 2 W demux switch mux (senza wavelength conversion) 53 M

Matrici di commutazione ottica FS-MOS tpu t Free-Space Micromachined Optical Switch (FS-MOS) Fib re d i O u Basati su MEMS Switching Time < 1 ms (500 ms) Un array 8 x 8 misura 1 cm x 1 cm 3 -D MEMS (2 gradi di libertà) è attualmente l’architettura di elezione per realizzare matrici di commutazione ottiche Array di Dispositivi Microspeculari liberi di ruotare Micro lenti Strato di silicio Si substrate Fibre di Input La riconfigurazzione è microcontrollata da attuatori che agiscono sugli specchi 54

Switch 8 x 8 Taglia di 1 Chip: 1 cm x 1 cm Source: L-Y. Lin 55

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) 56

Problemi aperti 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). 57

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. 58

RWA Sorgente Destinazioni 59

RWA Fibre occupate 60

Reti di accesso ottiche Nella tratta “downstream” si affronta un problema di multiplazione. Nella tratta “upstream” si ha un problema di accesso multiplo (serve un MAC). Si mira soprattutto alla semplicità e alla facilità di gestione, per cui si implementano normalmente strutture passive con componenti di basso costo 1 2 3 N WDM laser receiver central office splitter/. . . combiner. . . remote node 1 2 3 . . . ONU: Optical Network Unit ONU 1 receiver laser ONU ireceiver . . . laser ONU Nreceiver laser 61

Fiber To The X (FTTx) Operation System Service Node Q 3 Internet FTTx Passive Optical Splitter Optical Fiber Leased Line Frame/Cell Relay Telephone Interactive Video SNI ONT FTTH FTTB OLT ONU NT Twisted Pair ONU NT FTTCab x. DSL (VB 5) ATM-PON FTTH : Fiber To The Home FTTC: Fiber To The Curb FTTB : Fiber To The Building FTTCab : Fiber To The Cabinet 62

I nuovi canali: la rivoluzione del WDM Trasmissione Convenzionale- 20 Gb/s 40 km 40 km 40 km 1310 1310 1310 1310 LTE LTE RPTR RPTR RPTR RPTR 1310 1310 LTE RPTR RPTR 1310 1310 LTE DS 3 LTE RPTR RPTR 1310 1310 LTE 1310 1310 RPTR RPTR LTE LTE RPTR RPTR RPTR RPTR 1310 1310 1310 1310 LTE DS 3 LTE RPTR RPTR RPTR RPTR 1310 1310 1310 1310 LTE LTE 1310 1310 RPTR RPTR LTE RPTR RPTR 1310 1310 LTE RPTR RPTR OC-48 OC-48 DS 3 OC-48 OC 3/12 OC-48 DS 3 120 km OA 12 fibre 120 km OA 1 fibra; 36 rigeneratori 1 EDFA In Each Direction: • 12 èFibers Il vantagio economico funzione della distanza • WAN: vitale • 36 Regenerators • Metro: WDM: Wavelength Division Multiplex OA: Optical Amplifier dipende dalla disponibiltà di fibra dark 63 OC-48 DS 3 OC-48 OC 3/12 OC-48 OC-48

Limiti di Lunghezza ADM o o o D W D M Optical Transport System (OTS) 80 km OA 80 km OA OA OA 560 Km D W D M “ 7 x 25 d. B Spacing” • Variabili fondamentali: • Distanza fra amplificatori • Numero di tratte 64 ADM o o o ADM

Distanza fra rigeneratori O/E/O Potenza di rilancio (PL) Nonlinearities PMD Constraint ~ (B * DPMD)-2 Regione di Operatività Altri parametri di sistema ASE Constraint ~ PL/SNRmin • Each Vendor Trades Off The Design Parameters Differently • This Makes Routing In Multi-Vendor Networks Difficult To Standardize Lunghezza del path ottico Refs: A. Chiu, J. Strand, R. Tkach, "Issues for Routing In The Optical Layer", IEEE Communications (2001) J. Strand (ed. ), IETF I-D "Impairments And Other Constraints On Optical Layer Routing", draft-ietf-ipo-impairments-01. txt PL Launch Power SNRmin Min SNR PMD Polarization Mode Dispersion B Bandwidth of DPMD Parameter (fiber dependent) ASE Amplified Spontaneous Emission 65

Ottico=Analogico: Ritorno al passato • La rete ottica è per sua natura analogica • Ogni nodo ottico induce degrado del segnale: – Interferenza – Limitazioni in banda – Perdite differenziali • La degradazione del segnale si accumula e si propaga da estremo • La trasparenza da estremo limita l’estensione massima della rete • Per superare tale problema è richiesta la rigenerazione elettronica 66

Nascono ulteriori limiti • 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”) 67

L’evoluzione del control plane: MPLS RSVP IP Multicast IP Co. S Garanzie di Banda Classi di servizio Traffic Engineering Reliability VPN 68

Gerarchie di trasporto basate su MPLS IP X s Sistema di trasmissione fisico • SONET (STS-N) • OCh • Etc. LSP X LSP s LSP t LSP u LSP Y LSP a LSP s LSP t • MPLS Deriva dalle esperienze ATM e di IP su ATM, introducendo una nozione di circuito virtuale. • L’operazione base di commutazione, invece del “longest prefix match”, è una commutazione di etichetta (label). • Le etichette di ingresso e di uscita sono memorizzate in una opportuna tabella al momento della creazione del circuito virtuale 69

Paradigma di routing/forwarding • • Gli instradamenti (LSP: Label-Switched Path) sono decisi alla sorgente. Esiste un protocollo di segnalazione (LDP: Label Distribution Protocol) per allocare le etichette. Implica un passaggio da un paradigma “soft-state” ad un paradigma “hard -state”. Permette l’ingegnerizzazione del traffico e la costruzione di reti private virtuali (VPN: Virtual Private Network) Forza una separazione tra piano di controllo e piano di utente. Sono previste funzionalità di aggregazione delle etichette (grooming) e gerarchie di etichette. Nel caso MPλS le etichette sono delle lunghezze d’onda. 70

MPLS Tunneling PUSH 7 42 11 7 LSP 7 POP 3 88 11 SWAP 7=>11 PUSH 42 3 POP 88 SWAP 11=>3 SWAP 42 => 88 LSP 11 LSP 42 LSP 88 • Mix “virtuale” – senza degrado prestazionale • Elemento chiave per sostituire TDM 71 LSP 3

TDM Multiplexing DS 1 Il Tunneling realizzato con MPLS LSPs è analogo al TDM Multiplexing DS 3 STS-48 DS 3 72

Da MPLS a GMPLS • G-MPLS è una proposta IETF per estendere MPλS in modo da costituire un piano di controllo in grado di supportare diverse tecnologie di commutazione: tempo, spazio, lunghezze d’onda, pacchetti. Implicit Label POP 3 PUSH 7 ( 1) 42 11 7 LSP 7 ( 2) SWAP 7=>11 PUSH 42 88 11 3 POP 88 SWAP 11=>3 SWAP 42 => 88 LSP 11 LSP 42( 1) STS-192 LSP 88( 2) STS-192 GMPLS: Generalized MPLS 73 LSP 3

GMPLS: elementi architetturali • • • L’architettura GMPLS prevede tre piani: piano di trasporto, piano di controllo, piano di gestione. Sono stati recentemente stilati diversi draft IETF su G-MPLS. E’ previsto un Link Management Protocol (LMP): • Un Label Switching Router (LSR) può avere le porte seguenti: – – – – Control Channel Maintenance Link Property Correlation Link Connectivity Verification Fault Management Packet-Switch Capable (PSC): commuta pacchetti IP o celle ATM Time-Division Capable (TDC): commuta time-slots (per esempio un ADM o un DXC SDH) Lambda-Switch capable (LSC): commuta canali ottici (per esempio un OADM o un OXC) Fiber-Switch capable (FSC): commuta sezioni ottiche multiplate (per esempio un fiber-OXC) 74

GMPLS in una rete totalmente ottica 1. La lambda determina sorgente destinazione e servizio 2. OSPF gestisce le problematiche di routing 3. RSVP-TE/CR-LDP sono usati per la segnalazione per stabilite i paths Label Request Message Label Mapping Message Vision: • Provisioning Time: Da ore a Millisecondi • Il processo diventa totalmente automatico 75

GMPLS Optical Switch Router Optical Amplifiers Optical Cross-Connects N Label Swappers N . . N (drop) Demultiplexers Out Ports N N N (add) In Ports 76

La Vision GMPLS convergenza di tecnologie su singolo strato di rete LS: Lambda Switched FS: Fiber Switched PS: Packet Switched FA: Forwarding Adjacency 77

GMPLS Overlay Network Model Connection Requests, etc. Router Optical Network Router UNI • • router IP e OXC appartengono a due domini amministrativi diversi; si definiscono delle UNI (User-Network Interface) la topologia della OTN non è nota all’esterno i protocolli di segnalazione e instradamento sono diversi i router IP possono richiedere la creazione di connessioni ottiche 78

GMPLS Peer Network Model Topology & Capacity Information Router Network Signalling • • Optical Network Router stesso dominio amministrativo; router IP e OXC direttamente connessi piena conoscenza della topologia stessi protocolli di segnalazione e instradamento i router IP possono richiedere connessioni ottiche con altri router 79

ITU-T G. ASON • L’architettura prevede tre piani: trasporto, controllo e gestione. I canali di controllo e gestione possono essere “in -band” o “out-of-band”. • Sono previste connessioni: permanenti, semi-permanenti e commutate • Sono previste tecniche di protezione a livello ottico. • Nel piano di controllo si gestiscono procedure di controllo di ammissione delle chiamate, di “policing”, di instradamento dinamico 80

ITU-T G. ASON: Automatically Switched Optical Network ASON control plane NMI-A OCC Management NNI OCC OCC Ir. DI_NNI NMI-T UNI Clients e. g. IP, ATM, TDM CCI User signaling OXC OXC Clients e. g. IP, ATM, Ir. DI TDM Optical Transport Network OCC: Optical Connection Controller UNI: User Network Interface CCI: Connection Control Interface NNI: ASON control Node Interface Ir. DI: Inter Domain Interface NMI: Network Management Interface 81

Tutto insieme: il nuovo paradigma di rete Scalabilità e Granularità nel trasporto da STM-1 a multi-λ su tutte le tecnologie Intelligenza distribuita Layer 3 IP Layer 2 ATM Layer 1 Voice/ TV Routing/switching Intelligente Totalmente ottico 82 Protezione Ottica Completa

Che cosa ci aspetta? • • La tecnologia ottica è ancora giovane: – costi elevati – difficoltà a disaccoppiare aspetti di livello fisico da problematiche di sistema ma promette di: – gestire quantità di informazione molto maggiori dell’elettronica – avere costi in larga misura indipendenti dal bit-rate probabilmente richiedendo soluzioni architetturali diverse da quelle naturali nel dominio elettronico Ma comunque …. ! ” o s ino m u l “ à sar o r u t Il fu 83