Reti Fotoniche
(Optical Networks)
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Sito del corso
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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
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.
Altro esempio
Topologia fisica
Topologia logica
Soluzione con 3
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
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
variabile
fissa
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.
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
(varfixed)
12 ... W
M
Wavelength Cross-Connect
1
2
12 ... W
12 ... W
…
M
12 ... W
1
2
…
W
12 ... W
12 ... W
1
2
…
12 ... W
demux
switch
mux
(no wavelength conversion)
M
Wavelength Cross-Connect
Tecnologia realizzativa
Ottica
Elettronica
Trasparenza
Conversione di
Bit rate
Dimensione crossconnect
Potenza di alimentazione
Progetto strato fisico
Monitoraggio
Componenti richiesti:
mux/demux
commutatori ottici
commutatori elettronici
trasmettitori/ricevitori
convertitori di
sì
difficile
> 10 Gb/s
piccola
piccola
difficile
limitato
difficile
più facile
10 Gb/s
grande
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).
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
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
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.
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
Dato un Lightpath da s a d
Instradalo sul percorso piu breve usando , 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
switch SDH
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.
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 endto-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
