Reti Ottiche:

PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Reti Ottiche:
dalla trasmissione su fibra
alla commutazione fotonica
Parte VII: Reti d’accesso ottiche passive (PON)
e commutazione di pacchetti ottici
Fabio Neri e Marco Mellia
Gruppo Reti – Dipartimento di Elettronica
e-mail: [email protected]
http://www.tlc-networks.polito .it/
[email protected] - tel 011 564 4076
Programma di massima
Introduzione e motivazioni
Cenni alla propagazione in fibra ottica
Componenti per sistemi ottici
Cenni a reti ottiche di prima generazione
Reti ottiche WDM di tipo broadcast-and-select
Reti ottiche WDM di tipo multi-hop
Reti wavelength routing
Reti d'accesso
Commutazione ottica di pacchetti
Architetture di protocolli nelle reti ottiche
Cenni a gestione e affidabilità
Pag. 1
PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Reti di accesso
Quanto visto finora si applica sostanzialmente a reti
metropolitane e di trasporto. Per arrivare all’utenza
residenziale (“ultimo miglio”), l’ultima tratta viene detta
rete d’accesso.
NIU
nodo
remoto
hub
NIU
...
NIU
...
nodo
remoto
NIU = Network Interface Unit
Reti di accesso
Tecnologie nelle reti di accesso:
•
•
•
•
Plain Old Telephone Service (POTS)
Asymmetric Digital Subscriber Loop (ADSL)
cable-modems su reti con tecnologia Cable-TV (CATV)
reti via radio (wireless); esempio: Local Multipoint
Distribution Service (LMDS)
• reti via radio cellulare
• reti di accesso ottiche
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Reti di accesso HFC
Le reti CATV si chiamano anche
Hybrid Fiber Coax (HFC).
tap
headend
fiber
remote
node
amplifier
coax
Sono pensate per funzionamento
unidirezionale
Fiber To The X (FTTx)
Operation
System
Service Node
FTTx
Q3
Passive Optical Splitter
Internet
ONT
FTTH
Optical Fiber
Leased Line
FTTB
ONT
Frame/Cell
Relay
OLT
ONU
NT
FTTC
NT
FTTCab
Telephone
Twisted Pair
Interactive
Video
ONU
SNI
(VB5)
ATM-PON
xDSL
FTTH :Fiber To The Home
FTTB :Fiber To The Building
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FTTC:Fiber To The Curb
FTTCab :Fiber To The Cabinet
PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Reti di accesso ottiche
ONU
λ1 receiver
λ1λ2λ3 ... λN
...
WDM
laser
splitter/
combiner
receiver
central
office
laser
ONU:
Optical
Network
Unit
ONU
λi receiver
...
...
...
remote
node
laser
ONU
λN receiver
λ1λ2λ3 ... λN
laser
Reti di accesso ottiche
Sono sovente basate su ATM. Nella tratta
“downstream” si affronta un problema di
multiplazione. Nella tratta “upstream” si ha un
problema di accesso multiplo (serve un MAC)
Si mira soprattutto alla semplicità e alla facilità di
gestione, per cui si implementano normalmente
strutture passive con componenti di basso costo.
Esempi:
n trasmissione con LED
n modulazione alle ONU di portanti non
modulate inviate dal central office
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Architetture di PON: LARNET
λ1
λ1
ONU:
Optical
Network
Unit
ONU
receiver
1.3µm LED
...
1.5 µm
laser
1.3 µm
receiver
central
office
AWG
λ1
... λi
...
ONU
receiver
1.3µm LED
...
remote
node
λ1
λN
ONU
receiver
1.3µm LED
Segnali di ritorno a larga banda “affettati” (sliced) dall’AWG
Architetture di PON: RITENET
receiver
λ1
modulator
ONU
ONU:
Optical
Network
Unit
...
WDM
laser
AWG
WDM
receiver
central
office
...
...
receiver
λi
modulator
ONU
...
remote
node
receiver
λN
modulator
ONU
Modulazione di portante per la tratta upstream
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Broadband Passive
Optical Networks (BPON)
Sono in corso di definizione standard per reti d’accesso
ottiche:
n ITU-T G.983.1
strato fisico
n ITU-T G.983.2
gestione e controllo
n ITU-T G.983.3
estensioni WDM
n ITU-T G.983.dba
allocazioni dinamiche di banda
n ITU-T G.983.sur
affidabilità
http://www.fsanet.net/
E’ attivo un gruppo di lavoro IEEE 802.3ah per “Ethernet
in the First Mile”:
http://grouper.ieee.org/groups/802/3/efm/
Programma di massima
Introduzione e motivazioni
Cenni alla propagazione in fibra ottica
Componenti per sistemi ottici
Cenni a reti ottiche di prima generazione
Reti ottiche WDM di tipo broadcast-and-select
Reti ottiche WDM di tipo multi-hop
Reti wavelength routing
Reti d'accesso
Commutazione ottica di pacchetti
Architetture di protocolli nelle reti ottiche
Cenni a gestione e affidabilità
Pag. 6
PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Commutazione ottica di
pacchetto
Finora abbiamo visto:
• reti di prima generazione
• reti di seconda generazione
n reti ottiche a commutazione (veloce) di
circuito (es. reti wavelength routing)
n reti ottiche a commutazione di pacchetto
(es. reti broadcast-and-select)
n reti con commutazione di pacchetti ottici?
Commutazione ottica di
pacchetto
Una rete con commutazione ottica di pacchetti
(Optical Packet Switching Network) è in grado di
commutare pacchetti nel dominio fotonico, quindi è
in grado di configurare i suoi elementi di
commutazione nella scala temporale di singole
unità dati
La tecnologia per questo tipo di reti è ancora in fase
molto preliminare. Servono commutatori molto
veloci
Si può anche parlare di multiplazione di tempo ottica
(Optical Time Division Multiplexing - OTDM)
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Optical Burst Switching (OBS)
Proposta intermedia tra commutazione di pacchetto e
commutazione di circuito, che sfrutta la separazione tra piano
di controllo e piano di trasporto, o tra header e payload dei
pacchetti
Il “burst” è un insieme di bit di informazione (un “pacchettone”),
assemblato ai bordi (edge) della rete e instradato in modo
trasparente nel piano di trasporto. Viene preceduto di un
tempo ∆ di offset, tipicamente inferiore ad un ritardo di
propagazione, da una richiesta di allocazione (Control Header
Packet − CHP) inviata nel piano di controllo
CHP
burst
controllo
trasporto
Optical Burst Switching (OBS)
Tale richiesta viene elaborata e instradata prima dell’arrivo del
burst, preparando con debito anticipo gli apparati di
commutazione. In caso di conflitti non risolubili vengono
bloccati sia la richiesta (prima) sia il burst (dopo), evitando
l’utilizzo di memorie per la risoluzione di contese
La parte di controllo dei commutatori riserva con anticipo le
risorse necessarie allo smaltimento del burst, implementando
strategie di scheduling tra le richieste di burst non ancora
transitati
E’ possibile supportare diverse classi di servizio sia ritardando
burst di classe inferiore, sia assegnando offset ∆ maggiori
alle classi di servizio più pregiate, in modo che vengano
schedulate nei nodi prima di altre classi di servizio
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Commutazione ottica di
pacchetto
Problemi generali:
• multiplazione e demultiplazione temporale nel
dominio fotonico
• sincronizzazione
• realizzazione di ritardi nel dominio fotonico
• rigenerazione (2R o 3R) ottica
Sovente in OTDM si usano solitoni per evitare gli
effetti negativi della dispersione
Sono stati proposti componenti ottici in grado di
implementare porte logiche operanti a velocità
estremamente elevate (pochi fs)
Sincronizzazione
La sincronizzazione è il processo di riallineamento nel
tempo di due segnali (impulsi). Occorre quindi poter
realizzare ritardi, fissi o variabili
ritardo
T/2
c1
flusso di
ingresso
switch
2×2
stadio 1
c2
ritardo
T/4
...
...
switch
2×2
ritardo
T/2 k-1
Ck-1
stadio 2
switch
2×2
ck
switch
2×2
flusso
ritardato
stadio k-1
Sono state proposte realizzazioni ottiche di funzionalità
di Phase Lock Loop (PLL) per riallineare la fase dei
segnali
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Commutazione in Internet
longest-prefix-matching sull’indirizzo IP di destinazione
risoluzione delle contese nel dominio tempo, basata su
multiplazione statistica, memorizzazione e perdite
modifica dell’intestazione nell’operazione di forwarding
Commutatori ottici
input
buffers
header
processor
header
processor
switch
output
buffers
control
input
Problemi: sincronizzazione in ingresso, elaborazione delle
intestazioni, risoluzione delle contese, memorizzazione dei
pacchetti …
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Sincronizzazione in ingresso
Sovente la matrice di commutazione opera in modo
sincrono (slotted) su pacchetti di dimensione fissa
E’ opportuno che la matrice di commutazione si riconfiguri
per tutti gli ingressi e le uscite simultaneamente mentre
non sono in corso trasferimenti di pacchetti
Linee di ritardo (possibilmente commutate lentamente)
possono essere usate per l’allineamento dei pacchetti in
ingresso
Elaborazione intestazioni
I pacchetti contengono nella loro intestazione
l’informazione (indirizzo o etichetta) che guida la
commutazione.
Sovente tale intestazione (header) viene separata dai dati
(payload) e rappresentata in formati che agevolano una
veloce elaborazione, nel dominio elettronico o nel
dominio ottico.
Possibilità:
• header a velocità ridotta rispetto al payload
• subcarrier multiplexing
• codici ottici
• modulazioni miste ampiezze/fase
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PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Risoluzione delle contese
I commutatori elettronici risolvono le contese con
memorizzazione (e possibilmente scarto) dei pacchetti.
Operano quindi principalmente nel dominio tempo
Nel dominio fotonico si possono usare linee di ritardo
(normalmente configurate in ricircolo dalle uscite agli
ingressi) per emulare le memorie elettroniche
Si possono anche sfruttare i diversi canali WDM disponibili
sulle fibre (anche se ciò richiede conversione di
lunghezza d’onda)
Un altro approccio possibile è l’utilizzo di instradamento a
deflessione
Si possono quindi combinare opportunamente tecniche di
risoluzione delle contese nei domini tempo, lunghezza
d’onda e spazio
Linee di ritardo commutate
La non disponibilità di memorie ottiche suggerisce
l’utilizzo di linee di ritardo in fibra (Fiber Delay
Lines – FDL) per risolvere contese nel dominio
tempo
Le FDL possono essere poste agli ingressi o in
ricircolo attorno alle matrice di commutazione
FDL
FDL
FDL
FDL
switch
ottico
Pag. 12
FDL in ingresso:
possono essere ritardi
diversi in parallelo, o
ritardi uguali in serie
PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
FDL in ricircolo
FDL
FDL
switch
ottico
Le FDL in ricircolo consumano
porte del commutatore ottico, ma
possono condivise tra tutti i
pacchetti che attraversano il
commutatore
Le FDL possono avere tutte lo
stesso ritardo o ritardi differenti
Nel caso di pacchetti di
dimensione variabile, si possono
ottimizzare i valori di ritardo
640 Gbit
Gbit/s
/s Optical Switching Matrix
multiplexing and
3R
regenerators amplification
λ1
1
couplers +
shuffle
3R
space and wavelength
selection stage
regenerators
1
1: 64
λ8
8
1
8x8
λ1
8
1
λ8
8
8x8
Pag. 13
8
PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Una possibile architettura
...
ingresso 0
ingresso 1
synch
1
1
2
2
m
m
1
1
synch
n-1
n
ingresso N
3R
3R
uscita 0
3R
3R
3R
uscita 1
3R
n-1
n
3R
3R
synch
unità di
controllo
(elettronica)
uscita N
3R
Reti a deflessione
Invece di memorizzare i pacchetti, questi vengono
deviati verso un’uscita non preferenziale
In pratica si utilizza la rete stessa con i suoi
colleamenti in fibra come memoria distribuita
Si ottengono migliori prestazioni da un funzionamento
a slot sincrono, ma si può anche evitare la
sincronizzazione in ingresso, con un costo in termini
di prestazioni
Non c’è un limite superiore al ritardo di consegna e
non si riesce a mantenere l’ordine dei pacchetti
C’è rischio di livelock
Pag. 14
PON e commutazione di pacchetto
Reti Ottiche
Reti a deflessione
switch
2×2
switch
2×2
switch
2×2
switch
4×4
Manhattan Street Network
la deflessione può essere
combinata con FDL,
migliorando le prestazioni
Pag. 15