Reti Fotoniche(Optical Networks)

Fabio Neri & Marco Mellia

Gruppo Reti

e-mail: nome.cognome@polito.it

http://www.tlc-networks.polito.it/

Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica

Sito del corso

http://www.tlc-networks.polito.it/mellia/corsi/

Argomenti del corsoArgomenti del corso

Che cosa sono le reti ottiche?Perché le reti ottiche?Tipologie di reti otticheReti 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 pacchettiArchitetture di protocolli per reti otticheCenni a gestione e affidabilità

Testi di riferimentoTesti di riferimento

Rajiv Ramaswami, Kumar N. SivarajanOptical networks: a practical perspective Morgan Kaufmann, San Francisco, 1998

Biswanath MukherjeeOptical communication networksMcGraw- Hill, New York 1997

Thomas E. Stern, Krishna BalaMultiwavelength Optical Networks - A Layered ApproachAddison Wesley, Reading, 1999

Leonid Kazovsky, Sergio Benedetto, Alan WillnerOptical fiber communication systemsArcheh House, Boston, 1996

Fibre otticheFibre 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 fibreAttenuazione delle fibre

Wavelength (nm)800 1000 1200 1400 1600

Att

enua

tion

(dB

/km

)

0.01

0.1

1.0

10

Infrared absorption

1800

Rayleigh scattering

UV absorption

Optical fiber

Primafinestra850 nm

a=1.2 dB/Km

Seconda finestra

1300 nma=0.4 dB/Km

Terzafinestra

1550 nma=0.2 dB/Km

Fibre otticheFibre 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 otticheReti 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 otticheReti 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 prismaIl fascino del prisma

biancog

(1)

v(1)

g(2)

v(2)

g(2)

v(2) g

(1)

v(1)

E’ un commutatore interamente ottico molto economico operante su una banda enorme!

verde

rosso

giallo

Perché le reti ottiche?Perché le reti ottiche?

I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere sempre più nella commutazione e sempre meno nella banda trasmissiva.

0

200

400

600

800

1000

1200

1995 2000 2005 2010

richiesta e disponibilità di banda raddoppiano ogni 9 mesi

la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi (legge di Moore)

?

La banda non è più un limite … La banda non è più un limite …

Perché le reti ottiche?Perché le reti ottiche?

0

50

100

150

200

250

300

350

1990 1995 2000 2005

cari

co r

elat

ivo

vocedati

traffico dati pari a 23volte il traffico voce

traffico dati pari a 5volte il traffico voce

Il traffico Internet stimato negli USA per il 2001/2002 è di 35 Tb/s.

Limiti delle reti otticheLimiti 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 InternetApplicazioni 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 InternetTraffico 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 multiplazioneTecniche 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 multiplazioneTecniche 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 trasmissioniEvoluzione delle trasmissioni

1960

1970

1980

1990

50 km

RX da 50 a 100 Mb/s10 km

RX da 100 Mb/sa 1 Gb/s

100 kmRX da 2.5 Gb/s

a 10 Gb/s

SM DFB laser 1

MMF

SMF

SMF

MU

X

100’s km

SMF

rigeneratore

EDFA

LED

DeM

UX

1.3 m MM laser

1.55 m SM laser

SM DFB laser 2

SM DFB laser 3

P

P

P

P

RX

RX

RX

Evoluzione delle trasmissioniEvoluzione delle trasmissioni

TX/RX

TX/RXTX/RX

TX/RX

2000 ?

nuvola di vetro

Tipologie di reti otticheTipologie 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)

starcoupler

TX/RX TX/RX

1

3

2

1 2 3

1 2 3

1 2 3

2

21

1

lightpath

WDM crossconnec

t

TX/RX

Tipologie di reti otticheTipologie 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 Stato dell’arte nelle reti ottiche di trasportonelle 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 circuitoCommutazione 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 circuitoCommutazione di circuito

Esempio: rete telefonica

Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente

1. Inizia chiamata 2. Chiamata in ingresso

3. Accetta chiamata4. Chiamata accettata5. Trasmette dati 6. Riceve dati

Commutazione di pacchettoCommutazione 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 pacchettoCommutazione 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

P.T.P.T.P.T.

P.T.

INDIRIZZO

Commutazione di pacchettoCommutazione 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

PCI SDUPCI SDU

PDU

Commutazione di pacchettoCommutazione 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 pacchettoCommutazione di pacchetto

In caso di congestione la rete scarta pacchetti

Occorre prevedere dei meccanismi di ritrasmissione per offrire servizi affidabili

Commutazione in InternetCommutazione 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?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 otticheCommutazione 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?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