Reti Fotoniche
Argomenti del corso
Reti Fotoniche
(Optical Networks)
Che cosa sono le reti ottiche?
Perché le reti ottiche?
Tipologie di reti ottiche
Reti ottiche di prima generazione:
Gruppo Reti
n Commutazione di circuito: Sonet/SDH
e-mail: nome.cognome @polito.it
n Commutazione di pacchetto: Gigabit Ethernet
http://www. tlc-networks.polito.it/
n Storage area networks: Fibre Channel
Reti ottiche di seconda generazione:
n reti broadcast -a n d-select
n anelli WDM
Sito del corso
n reti wavelength routing
http://www. tlc-networks.polito.it/mellia/corsi/
Cenni a reti d’accesso e commutazione ottica di pacchetti
Architetture di protocolli per reti ottiche
Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica
Cenni a gestione e affidabilità
Reti wavelength routing (WR)
Reti wavelength routing
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).
ADM=Add-Drop
Multiplexer
DCS=Digital
Cross -Connect
Reti wavelength routing
Reti wavelength routing
La matrice di traffico normalizzata è la seguente:
A
B
C
D
A
B
-0.25
0.25
--
0.25
0.25
0.5
0.5
C
D
0.25
0.5
0.25
0.5
-0.5
0.5
--
Se il traffico aumenta:
A
B
C
D
A
B
-1
1
--
2
1
1
2
C
D
2
1
1
2
-1
1
--
possiamo passare a WDM.
Pag. 1
Reti Fotoniche
Reti wavelength routing
Reti wavelength routing
L’instradamento diventa:
flusso
lungh. d’onda # di OC -4 8
λ1
λ1
λ1
λ2
λ3
λ3
λ3
AB
BD
AD
AC
BC
BD
CD
1
1
1
2
1
1
1
con 3 lunghezze d’onda.
Abbiamo costruito una topologia logica su una topologia fisica,
costruendo dei lighpath ottici.
Reti wavelength routing
Altro esempio
Per gestire cambi di traffico e per offrire protezione, possono
Topologia fisica
utilizzare commutatore ottici.
Soluzione con 3 λ
Topologia logica
Reti wavelength routing
Strato ottico
Si usano cross -connect ottici ( Optical Cross-Connect - OXC o
Wavelength Cross-Connect - WXC) con collegamenti in fibra.
Una rete wavelength routing costituisce uno strato ottico che
offre lightpath agli strati superiori.
La rete fornisce “cammini di luce” (lightpath - bandwidth pipe) tra
coppie di nodi. Fino a un centinaio di lightpath per fibra.
Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili.
B
C
λ1
lightpath
A
E
Caratteristiche:
λ1
• trasparenza
λ2
• riutilizzo spaziale delle frequenze
D
WDM cross -connect
• affidabilità (riconfigurazione in caso di guasto)
Bisogna decidere accuratamente l’allocazione delle frequenze in
modo da massimizzare il riuso spaziale.
Pag. 2
Reti Fotoniche
Conversione di λ
Wavelength converter
Ragioni per utilizzare convertitori di lunghezza d’onda:
Possiamo utilizzare convertitori di lunghezza d’onda, che
consentono di utilizzare meglio le risorse di rete e agevolare
l’interconnessione di reti diverse.
• cambiare λ aggiunge flessibilità alle strutture WDM di tipo
wavelength routing
• i dati possono essere generati ad una
la rete
B
• interconnettendo reti diverse possono essere necessarie
conversioni
C
λ1
A
E
λ3
λ2
λ non compatibile con
Quattro tipologie:
λ1
Input λ
variabile
D
Output λ
fissa
fissa
fissa
fissa
variabile
variabile variabile
Wavelength converter
Diversità spaziale
Convertitori opto -elettronici (OEO):
RX
rigeneratore
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.
TX
fibra 1
λ1
λ2
λ3
Svolgono naturalmente anche funzione di rigeneratore.
Permettono l’inserimento di ritardi (anche variabili) per
risincronizzare.
fibra 1
λ1
λ2
λ3
fibra 2
Non implicano commutazione nel dominio elettronico.
Comunque i singoli canali sono attestati nel dominio elettronico.
λ1
λ2
λ3
fibra 1
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
fibra 1
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
fibra 2
λ-converter
switch
Wavelength Cross- Connect
Wavelength Cross- Connect
network element
manager
λ1λ2 ...λW
1
porte di dorsale
WDM cross -connect
porte di dorsale
λ1λ2 ...λW
2
wavelength
demux
wavelength
mux
…
…
…
…
…
• 1R: solo ricezione e ritrasmissione dei segnali ottici
λ1λ2 ...λW
M
• 2R: con risagomatura dei segnali
…
…
receivers
• 3R: con ritemporizzazione e risagomatura dei segnali
Pag. 3
…
…
…
1
λ1λ2 ...λW
electronic
cross
connect
porte locali
I cross-connect ottici possono offrire diversi livelli di trasparenza
(= rigenerazione ):
λ1λ2 ...λW
…
2
…
λ1λ2 ...λW
…
…
transmitters
M
Reti Fotoniche
Wavelength Cross- Connect
wavelength
demux
1
λ1λ2 ...λW
…
…
…
…
…
…
M
M
wavelength
converters
(var Õfixed)
Trasparenza
Conversione di λ
Bit rate
Dimensione crossconnect
Potenza di alimentazione
Progetto strato fisico
Monitoraggio
Componenti richiesti:
mux/demux
commutatori ottici
commutatori elettronici
trasmettitori/ricevitori
convertitori di λ
Ottica
λ1λ2 ...λW
…
λW
…
λ1λ2 ...λW
demux
switch
mux
(no wavelength conversion)
Wavelength Cross- Connect
Tecnologia realizzativa
λ1λ2 ...λW
2
…
λ1λ2 ...λW
…
λ2
2
2
λ1λ2 ...λW
λ1λ2 ...λW
1
λ1λ2 ...λW
…
optical
switch
λ1
1
1
λ1λ2 ...λW
…
…
M
λ1λ2 ...λW
λ1λ2 ...λW
…
λ1λ2 ...λW
2
Wavelength Cross- Connect
wavelength
mux
Reti WR riconfigurabili
Elettronica
sì
difficile
più facile
> 10 Gb/s
≤ 10 Gb/s
piccola
grande
piccola
grande
difficile
più facile
limitato
completo
difficile
sì
sì
no
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)
sì
no
• Routing and Wavelength Assignment (RWA)
sì
no
forse
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).
Problemi di progetto
in reti WR
Wavelength Assignment
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.
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
l i è il numero di lightpath sul canale i della topologia, il
carico (load ) della rete è definito come L=max i l i.
Il problema diventa banale in presenza di conversione di
lunghezza d’onda: L lunghezza d’onda sono sufficienti.
Altrimenti ne occorrono di più.
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).
Pag. 4
M
Reti Fotoniche
RWA: esempio
RWA: esempio
Sorgente
Destinazioni
λλ
Fibre occupate
3
13
RWA: altro esempio
t1
r1
t2
r2
t3
r3
t4
r4
WA e colorazione di grafi
1
t5
1-0-2
λ1
0
λ2
3
r5
2
Grafo della rete
Abbiamo un lightpath da i a n-i+1 (n=5 nell’esempio).
λ3
1-0-3
2-0-3
Grafo dei lightpath
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.
Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi
specificano condivisione di canali nella rete.
Colorazione di grafi
WA su anelli
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.
taglio su un nodo con numero
minimo di lightpath in transito
taglio
λ3
λ2
λ1
Il problema della colorazione dei grafi è NP -completo
anche se esistono buoni algoritmi ottimi in casi particolari
e diverse euristiche.
insieme dei lighpath
assegnazione “greedy” delle λ
più una λ per ogni lightpath tagliato
Pag. 5
Reti Fotoniche
RWA su topologie a maglia
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.
Si usano euristiche risolutive
Chiamamo fisica la topologia vista dallo strato ottico e logica la
topologia vista dagli strati (elettronici) superiori.
Esempio:
• Strategia First Fit
n Dato un Lightpath da s a d
1
n Instradalo sul percorso fisico piu breve
2
lightpath
n Coloralo con la prima lunghezza d’onda disponibile su tutte le fibre del
percorso
canale in fibra
• Strategia Max Fill
lightpath
1
3
4
2
WXC ottico
n Data una lunghezza d’onda λ
switch SDH
n Dato un Lightpath da s a d
n Instradalo sul percorso piu breve usando λ, se possibile
4
topologia logica
3
topologia fisica
Progetto della topologia
Logical Topology Design
I problemi di progetto della topologia logica e di progetto della
topologia fisica sono tra di loro accoppiati.
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.
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).
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
• Minimizzare la lunghezza dei
percorsi multihop
• Numero limitato di lunghezze
d’onda per fibra
• Minimizzare il ritardo end-t oend
• Numero di hop fisici limitato
da problemi trasmissivi
• Minimizzare la massima
congestione su un lightpath
Formulazione del problema
Data:
n Una rete WDM fisica dove ogni nodo i è dotato di
∆ tx/rx
n Una matrice di traffico Tsd
n Dato un algoritmo di routing per traffico multi -h o p
Trovare
n L’insieme di lightpath che soddisfa la richesta di traffico e che
minimizza il massimo livello di congestione sui canali logici fmax,
• Altro
dato dalla somma del traffico che attraversa ogni lightpath
Problema NP-HARD
Pag. 6
Reti Fotoniche
Esempio su una rete 24 nodi
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
Esempi di evoluzione
soluzione
Wavelength Routing Testbeds
Pag. 7
