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Reti Fotoniche(Optical Networks)
Fabio Neri & Marco Mellia
Gruppo Reti
e-mail: nome.cognome@polito.it
http://www.tlc-networks.polito.it/
Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica
Sito del corso
http://www.tlc-networks.polito.it/mellia/corsi/
Argomenti del corsoArgomenti del corso
Che cosa sono le reti ottiche?Perché le reti ottiche?Tipologie di reti otticheReti 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 pacchettiArchitetture di protocolli per reti otticheCenni a gestione e affidabilità
Testi di riferimentoTesti di riferimento
Rajiv Ramaswami, Kumar N. SivarajanOptical networks: a practical perspective Morgan Kaufmann, San Francisco, 1998
Biswanath MukherjeeOptical communication networksMcGraw- Hill, New York 1997
Thomas E. Stern, Krishna BalaMultiwavelength Optical Networks - A Layered ApproachAddison Wesley, Reading, 1999
Leonid Kazovsky, Sergio Benedetto, Alan WillnerOptical fiber communication systemsArcheh House, Boston, 1996
Fibre otticheFibre 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
Attenuazione delle fibreAttenuazione delle fibre
Wavelength (nm)800 1000 1200 1400 1600
Att
enua
tion
(dB
/km
)
0.01
0.1
1.0
10
Infrared absorption
1800
Rayleigh scattering
UV absorption
Optical fiber
Primafinestra850 nm
a=1.2 dB/Km
Seconda finestra
1300 nma=0.4 dB/Km
Terzafinestra
1550 nma=0.2 dB/Km
Fibre otticheFibre 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 otticheReti 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 otticheReti 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 prismaIl fascino del prisma
biancog
(1)
v(1)
g(2)
v(2)
g(2)
v(2) g
(1)
v(1)
E’ un commutatore interamente ottico molto economico operante su una banda enorme!
verde
rosso
giallo
Perché le reti ottiche?Perché le reti ottiche?
I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere sempre più nella commutazione e sempre meno nella banda trasmissiva.
0
200
400
600
800
1000
1200
1995 2000 2005 2010
richiesta e disponibilità di banda raddoppiano ogni 9 mesi
la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi (legge di Moore)
?
La banda non è più un limite … La banda non è più un limite …
Perché le reti ottiche?Perché le reti ottiche?
0
50
100
150
200
250
300
350
1990 1995 2000 2005
cari
co r
elat
ivo
vocedati
traffico dati pari a 23volte il traffico voce
traffico dati pari a 5volte il traffico voce
Il traffico Internet stimato negli USA per il 2001/2002 è di 35 Tb/s.
Limiti delle reti otticheLimiti 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 InternetApplicazioni 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 InternetTraffico 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 multiplazioneTecniche 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
SDM divisione di spazio (più fibre nello stesso
cavo, o cammini diversi nella stessa rete)
CDM/OCDM divisione di codice
Tecniche di multiplazioneTecniche 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 trasmissioniEvoluzione delle trasmissioni
1960
1970
1980
1990
50 km
RX da 50 a 100 Mb/s10 km
RX da 100 Mb/sa 1 Gb/s
100 kmRX da 2.5 Gb/s
a 10 Gb/s
SM DFB laser 1
MMF
SMF
SMF
MU
X
100’s km
SMF
rigeneratore
EDFA
LED
DeM
UX
1.3 m MM laser
1.55 m SM laser
SM DFB laser 2
SM DFB laser 3
P
P
P
P
RX
RX
RX
Evoluzione delle trasmissioniEvoluzione delle trasmissioni
TX/RX
TX/RXTX/RX
TX/RX
2000 ?
nuvola di vetro
Tipologie di reti otticheTipologie di reti ottiche
Si possono identificare due categorie di reti ottiche:
conversione di lunghezza d’onda?
reti single-hop reti multi-hop
(es. reti broadcast-and-select) (es. reti wavelength routing)
starcoupler
TX/RX TX/RX
1
3
2
1 2 3
1 2 3
1 2 3
2
21
1
lightpath
WDM crossconnec
t
TX/RX
Tipologie di reti otticheTipologie 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 Stato dell’arte nelle reti ottiche di trasportonelle 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 circuitoCommutazione 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 circuitoCommutazione di circuito
Esempio: rete telefonica
Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente
1. Inizia chiamata 2. Chiamata in ingresso
3. Accetta chiamata4. Chiamata accettata5. Trasmette dati 6. Riceve dati
Commutazione di pacchettoCommutazione 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 pacchettoCommutazione 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.P.T.P.T.
P.T.
INDIRIZZO
Commutazione di pacchettoCommutazione di pacchetto
L’informazione da trasferire è organizzata in unità dati (PDU) che comprendono informazione di utente (SDU) e di controllo (PCI)
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
PCI SDUPCI SDU
PDU
Commutazione di pacchettoCommutazione 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 pacchettoCommutazione di pacchetto
In caso di congestione la rete scarta pacchetti
Occorre prevedere dei meccanismi di ritrasmissione per offrire servizi affidabili
Commutazione in InternetCommutazione 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?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 otticheCommutazione 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?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
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