Reti Fotoniche
(Optical Networks)
Fabio Neri & Marco Mellia
Gruppo Reti
e-mail: [email protected]
http://www.tlc-networks.polito.it/
Sito del corso
http://www.tlc-networks.polito.it/mellia/corsi/
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
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 connettorizzazione e 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
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 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 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 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 9 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 stimato negli USA per il 2001/2002 è di 35 Tb/s.
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”)
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
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, 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
P
LED
1960
RX
da 100 Mb/s
a 1 Gb/s
RX
da 2.5 Gb/s
a 10 Gb/s
50 km
P
da 50 a 100 Mb/s
SMF
1.3 mm
MM laser
1970
RX
10 km
P
1980
rigeneratore
MMF
SMF
1.55 mm
SM laser
100 km
P
SM DFB
laser 2
SM DFB
laser 3
MUX
1990
SMF
100’s km
RX
EDFA
DeMUX
SM DFB
laser 1
RX
RX
Evoluzione delle trasmissioni
TX/RX
TX/RX
nuvola di vetro
TX/RX
TX/RX
2000 ?
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)
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
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
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
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
P.T.
INDIRIZZO
P.T.
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
Commutazione 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 pacchetto
In caso di congestione la rete scarta pacchetti
Occorre prevedere dei meccanismi di
ritrasmissione per offrire servizi affidabili
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
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 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
