Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino [email protected] www.tlc-networks.polito.it 011 564 4076 Indice (I) Che cosa sono le reti ottiche? Perché le reti ottiche? Tipologie di reti ottiche: reti di trasporto reti metropolitane reti d’accesso Commutazione di pacchetto o di circuito? Cenni a reti ottiche di prima generazione 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 Testi di riferimento Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan Optical networks: a practical perspective Morgan Kaufmann, San Francisco, 1998 Biswanath Mukherjee Optical communication networks McGraw- Hill, New York 1997 Thomas E. Stern, Krishna Bala Multiwavelength Optical Networks - A Layered Approach Addison Wesley, Reading, 1999 Leonid Kazovsky, Sergio Benedetto, Alan Willner Optical fiber communication systems Archeh House, Boston, 1996 Fibre 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 interfacciamento – dispersioni – effetti non lineari Attenuation (dB/km) Attenuazione delle fibre 10 Optical fiber Infrared absorption 1.0 Rayleigh scattering 0.1 0.01 UV absorption 800 1000 1200 Wavelength (nm) Prima finestra 850 nm a=1.2 dB/Km 1400 Seconda finestra 1300 nm a=0.4 dB/Km 1600 Terza finestra 1550 nm a=0.2 dB/Km 1800 Fibre ottiche Negli anni ‘60 le fibre ottiche si aggiunsero ai tradizionali mezzi trasmissivi su cavo metallico e via radio. Nel 1996 negli USA erano installati più di 500000 km di cavi in fibra, per un totale di oltre 20 milioni di km di fibra ottica (fonte: Federal Communications Commission - FCC). Nelle aree metropolitane esistono migliaia di fibre posate. Fibre 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 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 totalmente o in parte 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 ottiche 1a generazione: le fibre sostituiscono il rame come mezzi trasmissivi (SONET/SDH, FDDI, GbEthernet) 2a generazione: instradamento e commutazione realizzati nel dominio ottico 3a generazione: instradamento e commutazione di pacchetti ottici? Il fascino del prisma bianco g(1) verde rosso giallo v(1) g(2) v(2) g(1) (2) v (2) g v(1) E’ un commutatore interamente ottico molto economico operante su una banda enorme! Perché le reti ottiche? 1200 richiesta e disponibilità di banda raddoppiano ogni 6 mesi 1000 800 600 400 la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi (legge di Moore) ? 200 0 1995 2000 2005 2010 I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere sempre più nella commutazione e sempre meno nella banda trasmissiva. La banda non è più un limite … Perché le reti ottiche? 350 traffico dati pari a 23 volte il traffico voce carico relativo 300 250 200 150 100 voce dati traffico dati pari a 5 volte il traffico voce 50 0 1990 1995 2000 2005 Il traffico Internet previsto negli USA per il 2001/2002 è di 35 Tb/s. Applicazioni 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 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 Limiti 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”) Tecniche 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 divisione di spazio (più fibre nello stesso cavo, o cammini diversi nella stessa rete) divisione di codice SDM CDM/OCDM Tecniche 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, sovente 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 trasmissioni 1960 1970 1980 1990 Evoluzione delle trasmissioni TX/RX TX/RX nuvola di vetro TX/RX TX/RX 2000 ? Fattori limitanti nelle reti ottiche • dispersione modale fibre monomodo • dispersione cromatica fibre compensate e/o riduzione dell’ampiezza di banda delle sorgenti • effetti non lineari • accumulo del rumore di emissione spontanea (ASE) • distorsione degli amplificatori • effetti legati alla polarizzazione Tipologie di reti ottiche Si possono identificare due categorie di reti ottiche: 1 3 TX/RX 1 2 3 2 TX/RX 2 WDM crossconnect star coupler 1 2 3 1 1 2 3 TX/RX reti single-hop (es. reti broadcast-and-select) lightpath 2 1 conversione di lunghezza d’onda? reti multi-hop (es. reti wavelength routing) Tipologie 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 nelle 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) 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 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 Commutazione 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? 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