Reti Fotoniche
(Optical Networks)
Fabio Neri
Politecnico di Torino
[email protected]
www.tlc-networks.polito.it
011 564 4076
Indice (II)
Esempi di reti ottiche di seconda generazione:
 reti broadcast-and-select
 anelli WDM
 reti wavelength routing
Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici
Cenni a reti d’accesso
Commutazione ottica di pacchetti
Architetture di protocolli per reti ottiche
Cenni a gestione e affidabilità
Reti broadcast-and-select
Non c’è instradamento, ma piena connettività:
l’informazione generata da un trasmettitore viene
recapitata a tutti i ricevitori, che possono
eventualmente scartare quanto non interessa.
Tutti i nodi devono elaborare tutto il traffico della rete,
trovando il giusto compromesso tra tecnologia fotonica
e tecnologia elettronica.
Simile alle reti locali (LAN).
Reti broadcast-and-select
Le topologie più usate sono la stella, il bus e l’anello.
1
8
2
star
coupler
7
6
3
4
5
Si possono costruire stelle di stelle o altre interconnessioni
di stelle.
Reti broadcast-and-select
Le topologie a stella utilizzano lo star coupler,
tipicamente realizzato con n/2 log2n blocchetti 22
(si attraversano log2 n accoppiatori 22).
Reti broadcast-and-select
La topologia a bus richiede invece 2n accoppiatori 22.
Le perdite sono maggiori (lineari con n) perché si
attraversano più accoppiatori.
Reti broadcast-and-select
Ogni nodo ha normalmente una fibra per trasmettere e
una fibra per ricevere. Sono disponibili W canali in
WDM (o in divisione di spazio).
Ci possono essere collisioni e contese.
Collisioni: due trasmettitori si accordano sulla stessa
frequenza e trasmettono.
Contese: uno stesso ricevitore deve ricevere
simultaneamente da più canali.
Serve un protocollo d’accesso (Medium Access Control MAC).
Reti broadcast-and-select
I nodi possono avere una o più coppie
trasmettitore/recevitore, accordabili o meno.
Ricevitori e trasmettitori accordabili costano molto di più
di quelli fissi (specie i ricevitori).
La connettività può essere limitata per effetto della
limitata accordabilità di trasmettitori e ricevitori.
Per esempio su di un anello possiamo avere al nodo i il
trasmettitore fisso su i e il ricevitore fisso su |i-1|N.
In tali casi occorre passare a un funzionamento multihop, con conversioni ottica/elettronica/ottica ai nodi
intermedi.
Reti broadcast-and-select
Quando la connettività è limitata costruiamo quindi una
topologia logica sulla topologia fisica broadcast.
Altro esempio: con 2 tx/rx fissi possiamo costruire una
topologia di tipo shuffle.
1
1 
2
5

2 3
9
5  13
10
6 11
3  6 4
7
4 
8
7 14
15
8 
16
1
2
12
3
4
Reti broadcast-and-select
Occorre distinguere tra allocazione di flussi relativamente
stabili (durata » ritardo di propagazione) e allocazione
dinamica pacchetto per pacchetto.
Sovente il tempo sui canali è suddiviso in time slot e la
condivisione avviene in divisione di tempo statistica.
Talvolta occorre tenere in conto un tempo non trascurabile
nell’accordare i trasmettitori e i ricevitori.
Alcuni dei canali disponibili possono essere utilizzati per
funzionalità di controllo.
La sincronizzazione di slot è delicata nelle topologie a stella.
Comunque c’è il problema della sincronizzazione di bit.
Sincronizzazione
di slot
Slotted Aloha / Slotted Aloha
Rete broadcast-and-select a stella, con N nodi, W<<N
canali WDM e un canale a lunghezza d’onda c
dedicato al controllo.
L’asse dei tempi è diviso in slot e minislot, con L minislot
per slot.
dato
dato
L=5
t
I pacchetti di informazione possono iniziare in un
minislot arbitrario.
Slotted Aloha / Slotted Aloha
Il nodo x che deve trasmettere un pacchetto seleziona
con qualche criterio (di solito a caso) un canale dati
(a lunghezza d’onda T).
Poi manda un pacchetto di controllo (contenente
l’identità del destinatario e della lunghezza d’onda T)
su c, seguito dal pacchetto di informazione su T.
Ogni nodo riceve continuamente dal canale di controllo.
Il nodo avvisato dell’inizio nel prossimo minislot di un
pacchetto a lui destinato accorda il proprio ricevitore
sul canale T.
Può ricevere se non ci sono state collisioni e contese.
Si parla di “tell-and-go”.
Slotted Aloha / Slotted Aloha
Slotted Aloha / Slotted Aloha
Il protocollo richiede una coppia tx/rx fissa per il
canale di controllo più una coppia tx/rx
accordabile per i dati.
Si può modificare il comportamento “tell-and-go”
in “wait-and-see”: non si trasmettono dati finché
non si rivede il proprio pacchetto di controllo.
Aumenta il throughput, ma anche il ritardo
d’accesso.
DT-WDMA
Rete broadcast-and-select a stella, con N nodi, W=N
canali WDM e un canale a lunghezza d’onda c
dedicato al controllo.
L’asse dei tempi è diviso in slot e minislot, con N minislot
per slot.
t
dati
t
dati
N=6
t
controllo
I nodi hanno un trasmettitore fisso e un ricevitore
accordabile per i dati, oltre a una coppia tx/rx fissa per
il canale di controllo.
DT-WDMA
Per i canali dedicati ai trasmettitori non ci sono collisioni
sui dati.
Per il TDM di controllo non ci sono collisioni sul canale di
controllo.
Ci possono essere contese, ma il modo di risoluzione
delle contese è lo stesso per tutti i nodi e noto, per cui
ogni trasmettitore sa se il suo pacchetto è stato ricevuto
o meno.
Nel pacchetto di controllo serve solo l’identità del
destinatario, in quanto il canale di trasmissione è
univocamente determinato dalla posizione del minislot
nello slot.
Protocolli di scheduling
Mantenendo lo stesso schema di DT-WDMA, ma rinunciando alla
trasmissione immediata, possiamo migliorare le prestazioni.
dati
slot X
controllo
prenotazioni
per lo slot X
ritardo end-to-end
Sul canale di controllo possiamo avere un accesso in TDM o a
contesa.
Prestazioni protocolli d’accesso
Protocolli di scheduling
In questo modo tutti i nodi conoscono le esigenze
(richieste di trasmissione) in uno slot (o trama di
tanti tanti slot) e possono eseguire un algoritmo
di scheduling (o allocazione) di risorse, in base
ad una matrice di richieste:
R[i,j]
Protocolli di scheduling
Si usano algoritmi di matching su grafi bipartiti.
R
maximum
matching
maximal
matching
L’algoritmo di maximum matching ha complessità O(N2.5).
Le richieste in R possono essere pesate (priorità,
lunghezza della coda, ecc.). In presenza di pesi si parla
di weighted matching.
Scheduling
Vedi “Scheduling in All-Optical Broadcast-and-Select
Networks with Arbitrary Tuning Times”
Equivalenza con commutatori
Si noti che una rete broadcast-and-select è
funzionalmente simile ad un commutatore a
pacchetto: i nodi della rete sono equivalenti alle
interfacce di ingresso/uscita (line card) e la rete è
equivalente alla switching fabric del commutatore.
Molti dei protocolli proposti per reti ottiche single-hop
sono simili agli schemi di funzionamento di architetture
di commutazione. Possiamo per esempio parlare di
input buffering, output buffering e speed-up.
Scheduling
Aumentando ulteriormente i ritardi è possibile effettuare
una schedulazione tempo/frequenza centralizzata.
Si suppone data una matrice di richieste di traffico
(persistenti o semi-persistenti) per ogni coppia
sorgente/destinazione.
Mantenendo il vincolo di un trasmettitore e un ricevitore
per nodo, sovente considerando tempi di accordo
(tuning time) non trascurabili, si calcola la minima
durata del periodo di schedulazione, o si minimizzano
le perdite data una durata F della trama temporale.
Si possono affrontare situazioni off-line o on-line,
single-hop o multi-hop.
Realizzazioni sperimentali
su topologia a stella
Lambdanet [Bellcore 1990]: 18  1.5 Gb/s spaziati di 2 nm.
Testbed NTT [NTT 1993]: 100  622 Mb/s spaziati di 10 GHz.
Rainbow I [IBM 1990]: 32  300 Mb/s spaziati di 1 nm.
Rainbow II [IBM 1996]: 32  1 Gb/s spaziati di 1 nm.
SONATA [E.C. ACTS 1999]: 800  622 Mb/s spaziati di 6.25
GHz (0.05 nm).
SONATA
Vedi “SONATA, a National-Scale Switchless
Optical Network”
Reti su topologia ad anello
Concettualmente simili a reti broadcast-and-select a
stella sono diverse proposte di reti WDM single hop
su topologia ad anello per applicazioni in ambito
metropolitano.
Rispetto alla stella, l’anello agevola la sincronizzazione
e permette il riuso spaziale e il recupero di guasti, ma
aumenta le perdite.
Tipicamente si considerano N utenti e WN canali
WDM, con trasmettitori accordabili e ricevitori fissi.
Esempi: CORD, Daisy+SR3, Hornet, RingO
Alcune recenti proposte (p.es. progetto IST DAVID)
considerano architetture ad anelli WDM
interconnessi.