Reti ottiche - Politecnico di Torino

Reti Fotoniche
(Optical Networks)
Fabio Neri
Politecnico di Torino
[email protected]
www.tlc-networks.polito.it
011 564 4076
Indice (I)
Che cosa sono le reti ottiche?
Perché le reti ottiche?
Tipologie di reti ottiche:
 reti di trasporto
 reti metropolitane
 reti d’accesso
Commutazione di pacchetto o di circuito?
Cenni a reti ottiche di prima generazione
Indice (II)
Esempi di reti ottiche di seconda generazione:
 reti broadcast-and-select
 anelli WDM
 reti wavelength routing
Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici
Cenni a reti d’accesso
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 interfacciamento
– dispersioni
– effetti non lineari
Attenuation (dB/km)
Attenuazione delle fibre
10
Optical fiber
Infrared
absorption
1.0
Rayleigh
scattering
0.1
0.01
UV
absorption
800
1000
1200
Wavelength (nm)
Prima
finestra
850 nm
a=1.2 dB/Km
1400
Seconda
finestra
1300 nm
a=0.4 dB/Km
1600
Terza
finestra
1550 nm
a=0.2 dB/Km
1800
Fibre ottiche
Negli anni ‘60 le fibre ottiche si aggiunsero ai
tradizionali mezzi trasmissivi su cavo metallico e
via radio.
Nel 1996 negli USA erano installati più di 500000
km di cavi in fibra, per un totale di oltre 20 milioni
di km di fibra ottica (fonte: Federal
Communications Commission - FCC).
Nelle aree metropolitane esistono migliaia di fibre
posate.
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 totalmente o in parte 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
3a generazione: instradamento e commutazione
di pacchetti ottici?
Il fascino del prisma
bianco
g(1)
verde
rosso
giallo
v(1)
g(2)
v(2) g(1)
(2)

v
(2)
g
v(1)
E’ un commutatore interamente ottico molto
economico operante su una banda enorme!
Perché le reti ottiche?
1200
richiesta e disponibilità
di banda raddoppiano
ogni 6 mesi
1000
800
600
400
la potenza di calcolo
raddoppia ogni 18 mesi
(legge di Moore)
?
200
0
1995
2000
2005
2010
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?
350
traffico dati pari a 23
volte il traffico voce
carico relativo
300
250
200
150
100
voce
dati
traffico dati pari a 5
volte il traffico voce
50
0
1990
1995
2000
2005
Il traffico Internet previsto negli USA per il 2001/2002 è di 35 Tb/s.
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
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”)
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
divisione di spazio (più fibre nello stesso
cavo, o cammini diversi nella stessa rete)
divisione di codice
SDM
CDM/OCDM
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, sovente 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
1960
1970
1980
1990
Evoluzione delle trasmissioni
TX/RX
TX/RX
nuvola di vetro
TX/RX
TX/RX
2000 ?
Fattori limitanti nelle reti ottiche
• dispersione modale  fibre monomodo
• dispersione cromatica  fibre compensate e/o
riduzione dell’ampiezza
di banda delle sorgenti
• effetti non lineari
• accumulo del rumore di emissione spontanea (ASE)
• distorsione degli amplificatori
• effetti legati alla polarizzazione
Tipologie di reti ottiche
Si possono identificare due categorie di reti ottiche:
1
3
TX/RX
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
2
1
conversione di
lunghezza d’onda?
reti multi-hop
(es. reti wavelength routing)
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)
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 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
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