Standard nelle fibre ottiche
Il protocollo ethernet ottico
Ethernet è una suite di protocolli originariamente sviluppati per
realizzare LAN (Local Area Networks):
Ethernet ha avuto molto successo ed è uno dei protocolli
maggiormente utilizzati nelle LAN
È ufficialmente standardizzata da IEEE, con la serie di specifiche
denominate IEEE 802.3
Il protocollo ethernet ottico
Il data rate originale era di 10 Mbit/s su cavi coassiali.
Il protocollo Ethernet ha avuto una enorme diffusione, che
continua a crescere
La stragrande maggioranza dei PC è dotata di schede di rete
Ethernet.
Il protocollo ethernet ottico
Varie standardizzazioni successive hanno introdotto:
Ethernet a 100 Mbit/s (denominato “Fast Ethernet”)
Ethernet a 1 Gbit/s (denominato “Gigabit Ethernet”)
Ethernet a 10 Gbit/s (nel 2003).
Il protocollo ethernet ottico
Per i diversi bit rate, il protocollo Ethernet ha standardizzato
soluzioni sia in rame (cavi UTP di varia categoria) che in fibra:
Tuttavia, per Gigabit Ethernet la soluzione in fibra è di gran lunga
la più utilizzata;
Per 10 Gbit Ethernet, la fibra è l’unica soluzione praticabile (esiste
una soluzione in rame solo per brevissime distanze).
Il protocollo ethernet ottico
Ethernet, a qualunque bit rate, è sempre stata standardizzata in
modo da permettere soluzioni a basso costo.
La fascia di costo è quella delle schede di rete da PC.
Oggi (2003) sono disponibili schede di rete Gigabit Ethernet da
PC.
Un consorzio di grandi produttori sta per lanciare sul mercato
schede 10 Gbit Ethernet.
Rthernet e componenti ottici
Per ragioni di riduzione di costi, gli standard Ethernet “ottici”
prevedono di utilizzare LED a 850nm o Laser (modulati
direttamente) a 1300 nm;
Fibre multimodo;
Solo per le distanze più lunghe, fibre SMF.
Tutte le soluzioni commerciali usano topologia a stella e
collegamenti full-duplex su coppie di fibre L’accesso multiplo
CSMA-CD non è utilizzato nelle soluzioni ottiche.
Ethernet e componenti ottici
Per Fast Ethernet in fibra ottica (100 Mbit/s) il protocollo
prevede:
100 Base-FX (IEEE 802.3u)
Fibra multimodo 62.5/125 (cavo con due fibre, una
per direzione);
uso di LED a 1300 nm;
Link loss massima: 11 dB (fibre+connettori);
Distanze fino a 400 m circa, determinata non da requisiti di livello
fisico, ma da massimo round-trip time.
Fast-Ethernet ottico
Esistono schede di rete “proprietarie” che permettono di
estendere il collegamento ben al di là dei 412 metri dello
standard, sino tipicamente a 2 Km
Si tratta spesso di “media converter” da rame (100-BaseTX) a
fibra, per le situazioni in cui si devono coprire distanze superiori a
quelle previste per la soluzione in rame;
Esistono anche soluzioni per arrivare a decine di km, usando laser
modulati direttamente.
I costi sono tipicamente (nel 2003) inferiori a 100 Euro per
apparato.
Cenni alla codifica di linea
Tutta la “famiglia” di protocolli Ethernet in fibra ottica utilizza una
codifica di linea.
Per codifica di linea si intende una “trasformazione” dei bit di
“payload” in ingresso in una nuova serie di bit.
Cenni alla codifica di linea
In una codifica di linea (k,n) k bit in ingresso vengono trasformati
in n bit di uscita, con n>k, secondo delle tabelle di conversione
(look up table) predeterminate (e ovviamente note al ricevitore).
Le codifiche di linea sono molto usate nelle trasmissioni ad alta
velocità per ottenere particolari funzionalità utili a livello fisico.
Codifica 8B/10B
Nel caso di Ethernet “ottico”, si usa la codifica 8B/10B
8 bit in ingresso (1 byte) vengono “mappati” in 10 bit in uscita.
La “mappatura” è studiata in modo da ottenere, per qualunque
dei 256 possibili byte in ingresso:
Flusso in uscita con un numero sufficiente di transizioni 0/1, in
modo da poter recuperare facilmente il clock in ricezione
Flusso in uscita con un numero bilanciato di “0” e “1).
Codifica 8B/10B
La “mappatura” è studiata in modo da ottenere, per qualunque
dei 256 possibili byte in ingresso:
Possibilità di aggiungere parole di controllo
Notare infatti che le possibili “parole” di 10 bit sono 1024, mentre
le possibile “parole” in ingresso sono solo 256;
Alcune delle “parole” non corrispondenti a nessun ingresso
possono essere usate per controllo (parole di start, stop, dummy,
etc).
Rivelazione di singoli errori sul bit (tramite codice a controllo di
parità).
Codifica 8B/10B
Il “costo” per ottenere i vantaggi precedentemente elencati è un
aumento del bit rate in linea.
La codifica 8B/10B aumenta infatti la velocità di trasmissione del
25%.
Il bit rate in linea di Fast Ethernet è dunque pari a 125 Mbit/s.
Gigabit Ethernet ottico
Per Gigabit Ethernet in fibra ottica (1 Gbit/s, IEEE 802.3z) il
protocollo prevede le seguenti tipologie di link di livello fisico:
Gigabit-Ethernet ottico
Anche in questo caso, esistono soluzioni “proprietarie” che
permettono di andare ben al di là della distanza massima di 5 Km
prevista dallo standard.
Ad esempio, esistono soluzioni proprietarie per arrivare, usando
laser a 1550 nm su fibra SMF, fino a circa 150 Km (senza
amplificazione ottica nè compensazione di dispersione).
Anche Gigabit Ethernet si basa sulla codifica 8B/10B, e dunque in
linea trasmette a 1.25 Gbit/s.
Gigabit-Ethernet power budget
Tabelle tratte da apparati commerciali
SDH
SDH e SONET
SDH: Synchronous Digital Hierarchy
Principale (e sostanzialmente unico) standard europeo (ITU-T) per trasmissioni
ad alta capacità su reti geografiche.
SONET: Synchronous Optical NETwork
Analogo standard americano (ANSI).
Le differenze tra le due soluzioni sono legate
soprattutto alla terminologia e ai dettagli tecnici
In questo corso, si utilizzerà la terminologia SDH,
europea.
SDH e SONET
Le prime standardizzazioni SDH/SONET furono introdotte a partire
dagli anni 80, con i seguenti obiettivi:
Upgrade dei precedenti sistemi di trasporto (detti PDH, da
Plesiocronous Digital Hierarchy)
Uso esteso delle fibre ottiche
Interoperabilità tra apparati ottici di fornitori diversi
Requisiti di altissima affidabilità
Spesso i gestori richiedono:
Affidabilità dei singoli apparati: 1 guasto ogni 25 anni
Affidabilità di sistemi completi: pochi secondi di fuori servizio all’anno.
Cosa è l’SDH?
Insieme di standard ITU-T (alcune migliaia di pagine!) che
coprono i seguenti principali aspetti:
•Struttura di multiplexing TDM (Time Division Multiplexing) e dei
relativi sistemi di sincronizzazione;
•Definizione di tecniche di gestione e protezione della rete;
•Definizione delle interfacce verso i protocolli di livello;
•superiore (ATM, IP) e i flussi a bit rate inferiore (tributari);
•Definizione delle interfacce di livello fisico.
Nelle slide seguenti, analizzeremo principalmente le
caratteristiche del livello fisico.
SDH
Un dettaglio sul termine SDH - Synchronous Digital Hierarchy
“Digital Hierarchy” si riferisce alla precisa strutturazione della
multiplazione TDM (a divisione di tempo) in una “gerarchia” di bit
rates;
“Synchronous” si riferisce al fatto che le reti SDH sono altamente
“sincrone”
Grande attenzione è stata posta in tecniche che permettono ai
vari nodi di una rete SDH di avere “clock” interni molto precisi e
sincronizzati a livello globale.
commenti
I costi degli apparati SDH sono molto maggiori, ad esempio, di
quelli per Ethernet, anche a parità di bit rate.
Gli apparati SDH hanno infatti un ambito di utilizzo specifico per le
reti dei gestori di TLC, dove sono richiesti elevatissimi livelli di
affidabilità (“99.999% availability”);
Funzioni di controllo e gestione complesse.
Gerarchia di multiplazione SDH-SONET
Gerarchia di multiplazione SDH-SONET
In sostanza, relativamente alla struttura di
multiplazione:
SDH
STM-n corrisponde a n flussi a 155.52 Mbit/s
multiplati in TDM in un’unico flusso a 155.52·n Mbit/s.
SONET
OC-n (o STS-n) corrisponde a n flussi a 51.84 Mbit/s
multiplati in TDM in un’unico flusso a 51.84·n Mbit/s.
Gerarchia di multiplazione SDH-SONET
SDH è stato originalmente sviluppato per gestire traffico
telefonico
Per questo, i bit rates sono strettamente legati al PCM
telefonico
8000 campioni al secondo (1 campione ogni 125 μs) su 8 bit
per un totale di 64Kbit/s
Il “frame” SDH dura 125 μs e può “portare” un numero intero
di flussi PCM.
Oggi SDH può in realtà supportare tutti i principali protocolli
dati (Ethernet, Fiber Channel, etc) con opportune conversioni.
SDH-strato fisico
SDH-strato fisico
Principali documenti ITU-T su livello fisico SDH
ITU-T G.957: Optical interfaces for equipments and systems relating to
the synchronous digital hierarchy
Singolo canale, singola tratta senza amplificatori ottici fino a 2.5 Gbit/s.
ITU-T G.691: Optical interfaces for single-channel STM-64, STM-256
and other SDH systems with optical amplifiers
Singolo canale, singola o multipla tratta con amplificatori ottici, fino a 40
Gbit/s.
ITU-T G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical
amplifiers
Multi canale (DWDM), singola o multipla tratta con amplificatori ottici,
fino a 10 Gbit /s.
ITU-T G.957 e G.961
I sistemi sono classificati con la seguente notazione
Type - Level . Suffix (esempio: L-64.2)
“Type” indica la lunghezza del sistema:
I – intra-office ( fino a 2 Km);
S- short-haul (20 Km);
L- long-haul (40 Km o 80 Km);
V- very long-haul (80 Km o 120 Km);
U- ultra long-haul (120 Km o 160 Km).
ITU-T G.957 e G.961
Type - Level . Suffix (esempio: V-64.2)
“Level” indica il bit rate in termini di STM-n
Ad esempio V-64 è un sistema very long haul STM-64, cioè a10
Gbit /s.
Il “Suffix” indica (contemporaneamente) la lunghezza d’onda della
sorgente e la fibra utilizzata
.1 - 1300 nm source, SMF fiber (ITU G.652);
.2 - 1550 nm source, SMF fiber (ITU G.652);
.3 - 1550 nm source, dispersion shifted fiber (DS, ITU G.653);
.5 - 1550 nm sources, on non-zero dispersion shifted
fiber (NZDSF, ITU G.655).
SDH interfaccia di tipo fisico
Ad esempio:
V-64.3 è un sistema:
Very long haul (120 Km) 10 Gbit/s
Operante a 1550 nm su DS dispersion shifted fiber
S-1.1 è un sistema:
Short -haul (20 Km) 155 Mbit/s
Operante a 1300 nm su SMF standard fiber.
Organizzazione standard SDH
Le specifiche G.957 e G.691 si occupano di definire,
separatamente, i parametri di:
Trasmettitore;
Link ottico (chiamato “Optical Path”);
Ricevitore.
DWDM
Setup di un sistema DWDM
Setup di un sistema DWDM
I componenti tipici costituenti un sistema DWDM sono:
Al trasmettitore:
Laser DFB, Modulatori esterni in Niobato di Litio
Multiplexer e Demultiplexer ottici
Filtri AWG
Amplificazione ottica in linea
EDFA
Al ricevitore:
Fotodiodi PINFET a larga banda.
Spaziatura tra canali
Scelta della spaziatura tra canali
Larga:
Riduce i requisiti sui componenti
Permette futuri sviluppi dei sisitemi con bit rate più alti.
Stretta:
Permette di avere un maggior numero di canali nella banda di
guadagno degli amplificatori ottici
Impone notevole precisione e stabilità dei componenti
ottici.
Separazione spettrale tra canali adiacenti
La spaziatura minima tra canali, oltre a considerazioni
tecnologiche, è fondamentalmente limitata dalla sovrapposizione
degli spettri dei canali adiacenti.
La situazione attuale è la seguente:
Oggi la spaziatura tra canali nei sistemi commerciali deve essere
almeno 5-10 volte il bit rate.
Negli esperimenti di laboratorio sono stati dimostrati sistemi con
spaziature prossime al bit rate. Per esempio, 25 GHz di spaziatura
con canali a 10 Gbit/s, corrispondente ad una efficienza spettrale
del 40%.
EDFA e massimo numero di canali
La banda ottica disponibile è limitata principalmente dalla banda
di guadagno degli EDFA.
Esempio: EDFA C-Band
1540 nm - 1565 nm
25 nm di banda disponibile, pari a 3.2 THz.
Utilizzando un sistema DWDM con spaziatura 100 GHz si possono
avere 32 canali.
L’uso di
Bande di amplificazione alternative (S, L e XL)
Spaziature minori: 50 GHz
permette già oggi di avere sistemi commerciali con più di 100
canali.
Architettura dei sistemi WDM
Nelle seguenti slide sono descritte le architetture tipiche dei
sistemi DWDM
I “tributari” di un sistema DWDM sono di solito dei canali SDH.
DWDM: trasmettitore
DWDM: collegamento
Il collegamento tipico nei sistemi DWDM, oltre alla fibra, è
composto da:
EDFA
Sistemi di monitoraggio ottico/elettrico
Dispersion compensating units (DCU)
Punti di add-drop ottico intermedi (opzionalmente, solo nei
sistemi più recenti).
DWDM: collegamento
DWDM: ricevitore
