Reti Fotoniche
(Optical Networks)
Gruppo Reti
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Sito del corso
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Politecnico di Torino- Dipartimento di Elettronica
Argomenti del corso
Che cosa sono le reti ottiche?
Perché le reti ottiche?
Tipologie di reti ottiche
Reti 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 pacchetti
Architetture di protocolli per 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
...
nodo
remoto
NIU
NIU
...
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
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
FTTH :Fiber To The Home
FTTB :Fiber To The Building
xDSL
FTTC:Fiber To The Curb
FTTCab :Fiber To The Cabinet
Reti di accesso ottiche
l1 ONU
l1l2l3 ... lN
receiver
...
WDM
laser
receiver
central
office
li ONU
splitter/ ...
combiner ...
receiver
...
remote
node
l1l2l3 ... lN
laser
laser
lN ONU
receiver
laser
ONU:
Optical
Network
Unit
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:
 trasmissione con LED
 modulazione alle ONU di portanti non
modulate inviate dal central office
Architetture di PON: LARNET
l1
l1
ONU
receiver
1.3m LED
ONU:
Optical
Network
Unit
...
1.5 m
laser
1.3 m
receiver
central
office
AWG
l1
... li
...
ONU
receiver
1.3m LED
...
remote
node
lN
l1
ONU
receiver
1.3m LED
Segnali di ritorno a larga banda “affettati” (sliced) dall’AWG.
Architetture di PON: RITENET
receiver
l1
modulator
ONU
ONU:
Optical
Network
Unit
...
WDM
laser
AWG
WDM
receiver
central
office
...
...
receiver
li
modulator
ONU
...
remote
node
lN
receiver
modulator
ONU
Modulazione di portante per la tratta upstream.
Broadband Passive
Optical Networks (BPON)
Sono in corso di definizione standard per reti d’accesso
ottiche:
 ITU-T G.983.1
strato fisico
 ITU-T G.983.2
gestione e controllo
 ITU-T G.983.3
estensioni WDM
 ITU-T G.983.dba
allocazioni dinamiche di banda
 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/
Passive Optical Networks: costruttori
•
•
•
•
•
•
•
Alcatel SA http://www.alcatel.com
Fujitsu Network Communications Inc. http://www.fujitsu.com
Lucent Technologies http://www.lucent.com
NEC Eluminant Technologies Inc. http://www.eluminant.com
Paceon Corporation http://www.Paceon.com
Quantum Bridge Commun. Inc. http://www.quantumbridge.com
Terawave Communications Inc. http://www.terawave.com
Fonte: Light Reading (marzo 2000) http://www.lightreading.com
Commutazione ottica di
pacchetto
Finora abbiamo visto:
• reti di prima generazione
• reti di seconda generazione
 reti ottiche a commutazione (veloce) di
circuito (es. reti wavelength routing)
 reti ottiche a commutazione di pacchetto
(es. reti broadcast-and-select)
 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.
Si può anche parlare di multiplazione di tempo ottica
(Optical Time Division Multiplexing - OTDM).
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 D 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 D maggiori
alle classi di servizio più pregiate, in modo che vengano
schedulate nei nodi prima di altre classi di servizio.
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
stadio 2
ritardo
T/2k-1
Ck-1
...
...
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.
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 …
Sincronizzazione in ingresso
Sovente la matrice di commutazione opera in modo
sincrono (slotted) su pacchetti di dimensione fissa.
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
Risoluzione delle contese
I commutatori elettronici risolvono le contese con
memorizzazione (e possibilmente scarto) dei pacchetti.
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).
Una possibile architettura
...
ingresso 0
ingresso 1
synch
1
1
2
2
synch
m
m
1
1
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)
3R
uscita N