Reti Fotoniche
(Optical Networks)
Fabio Neri
Politecnico di Torino
[email protected]
www.tlc-networks.polito.it
011 564 4076
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
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
B
1
-1
C
2
1
-D
1
2
1
possiamo passare a WDM.
1
2
1
--
Reti wavelength routing
Reti wavelength routing
L’instradamento diventa:
flusso
AB
BD
AD
AC
BC
BD
CD
lungh. d’onda
1
1
1
2
3
3
3
con 3 lunghezze d’onda.
# di OC-48
1
1
1
2
1
1
1
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.
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
C
1
E
1
D
WDM cross-connect
lightpath
A
2
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
C
1
A
E
2
D
3
1
Conversione di
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.
fibra 1
fibra 1
fibra 1
fibra 1
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
5
6
4
5
6
fibra 2
fibra 2
switch
-converter
Wavelength Cross-Connect
network element
manager
porte di dorsale
WDM cross-connect
porte di dorsale
porte locali
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
wavelength
demux
1
2
12 ... W
12 ... W
…
…
…
…
…
M
12 ... W
…
…
receivers
…
electronic …
cross
connect
…
wavelength
mux
12 ... W
…
1
…
12 ... W
2
…
…
transmitters
12 ... W
M
Wavelength Cross-Connect
wavelength
demux
1
2
12 ... W
12 ... W
…
…
…
M
12 ... W
…
…
optical
switch
…
wavelength
mux
12 ... W
…
1
…
12 ... W
2
…
…
…
wavelength
converters
12 ... W
M
Wavelength Cross-Connect
1
2
12 ... W
12 ... W
…
M
12 ... W
demux
1
2
…
W
switch
12 ... W
12 ... W
1
2
…
12 ... W
mux
M
Wavelength Cross-Connect
Tecnologia realizzativa
Ottica
Elettronica
Trasparenza
Conversione di
Bit rate
Dimensione crossconnect
Progetto strato fisico
Monitoraggio
Componenti richiesti:
mux/demux
commutatori ottici
commutatori elettronici
trasmettitori/ricevitori
convertitori di
sì
difficile
> 10 Gb/s
piccola
difficile
limitato
difficile
più facile
10 Gb/s
grande
più facile
completo
sì
sì
no
no
forse
sì
no
sì
sì
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).
Wavelength Cross-Connect: costruttori
•
•
•
•
•
•
Brightlink Networks Inc. http://www.corvia.com
Ciena Corporation http://www.ciena.com
Cisco Systems Inc. http://www.cisco.com
Nortel Networks http://www.nortelnetworks.com
Tellium Inc. http://www.tellium.com
Sycamore Networks http://www.sycamorenet.com
•
•
•
•
•
•
Astarté Fiber Networks Inc. http://www.starswitch.com
Corvis Corporation http://www.corvis.com
ilotron Ltd. http://www.ilotron.uk
Lucent Technologies http://www.lucent.com
Siemens AG http://www.siemens.com
Alcatel SA http://www.alcatel.com
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
Riconfigurabilità
Le reti wavelength routing possono essere:
• statiche: minori costi, minor flessibilità, minor
affidabilità
• riconfigurabili: maggiori costi, maggior flessibilità,
maggiore affidabilità
Una rete statica è descrivibile con una matrice di
connettività o con un (multi)grafo bipartito.
Reti WR statiche
mux 1
2
3
1 demux
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
coupler coupler
WXC statico
1
3
1
2
3
3
2
2
3
2
1
2
1
1
2
3
2
grafo bipartito
3
Reti WR statiche
Un nodo non può ricevere (trasmettere) simultaneamente
sulla stessa lunghezza d’onda da (a) più nodi.
Si può mostrare che, in presenza di una sola coppia
trasmettitore/ricevitore per nodo, occorrono non più di
(n!)1/2n n/e
lunghezze d’onda, dove n è il numero di nodi,
supponendo che sia possibile completa conversione di
lunghezza d’onda nella rete.
Per esempio, con 1000 nodi, possono bastare 1000/e=20
lunghezze d’onda.
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.
Routing and Wavelength
Assignment
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
0
1
2
3
2
Grafo della rete
1-0-3
3
2-0-3
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.
RWA su anelli
Gli anelli sono le più semplici topologie biconnesse e
sono stati adottati da diversi standard, quali FDDI e
SONET/SDH.
Ci sono solo due instradamenti possibili (orario e
antiorario) per ogni lightpath. E’ possibile ottenere
minimo carico L con un instradamento non a
distanza minima e carico 2 L con un instradamento
a distanza minima.
E’ facile trovare soluzioni al problema WA in un anello
con carico L utilizzando non più di 2L-1 lunghezze
d’onda.
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 lighpath tagliato
WA su diverse topologie
Topologia
Tipo di conversione
nessuna
fissa piena limitata
arbitraria
min[(L-1)D+1,
L
(2L-1)M-L+2]
2L-1
L+1
3L/2
L
3L/2
anello
stella
albero
L
L
L
L
L
RWA e conversione di
Abbiamo visto che la disponibilità anche limitata di
conversione di lunghezza d’onda può ridurre di
molto il numero di lunghezze d’onda se vogliamo
servire off-line un insieme di richieste senza perdite.
Nel caso di richieste on-line che variano
statisticamente, accettando una certa probabilità
di blocco delle richieste, il guadagno portato dalla
conversione di lunghezza d’onda appare invece
limitato nella maggior parte dei casi studiati
(principalmente con simulazione) in letteratura.
Logical Topology Design
Gli strati superiori dell’architettura (per esempio ATM 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
switch ATM
4
3
topologia fisica
topologia logica
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.
Euristiche di LTD e RWA
Vedi “Progetto di Topologia Logica in una Rete WDM
con Topologia Fisica Arbitraria”
Wavelength Routing Testbeds
