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Giorgio Ventre » 14.Reti Ottiche


Reti Ottiche

  • Introduzione
  • WDM denso
  • Reti ottiche
  • GdE / 10GbE
  • GMPLS

Reti di trasporto esistenti

  • Le reti di trasporto esistenti implementano lo stack pieno dei livelli IP, ATM, SONET e DWDM
  • Ogni livello è progettato per particolari finzioni

Reti di trasporto esistenti

  • Tanti livelli incrementano la complessità totale:
    • Interfacce interlivello
    • Dettagli di configurazione
    • Gestione di aspetti di ogni livello
    • Spazio totale, potenza e strumentazione di scorta
    • Costo di riparazione

Reti di trasporto esistenti

  • Per di più, c’è una inevitabile perdita di efficienza:
    • Con link IP logici tra router su VC (Virtual Circuit) o VP (Virtual Path) ATM l’utilizzo della banda risulta tipicamente pari all’80% di quella allocata
  • L’utilizzo netto è 0,8 x 0,8 x 0,8 ~ 51% !

Reti di trasporto esistenti

  • L’obiettivo è quello di avere un modello a due livelli senza perdere le funzionalità dello stack completo

WDM

Wavelenght Diviion Multiplexing

WDM

  • In linea di principio, WDM è uguale ad FDM con eccezione sul fatto che tiene conto delle frquenze ottiche con lunghezza d’onda compresa nel range 1310 – 1550 nm
  • Diversi segnali di trasporto ottici occupano la stessa fibra al centro della lunghezza d’onda non sovrapposta (_s)
  • Sistemi con oltre 1000 _s sono stati dimostrati in laboratorio
  • ADM (OADM) ottici e cross-connect ottiche consentono di instradare e switchare lunghezze d’onda come i timeslots nelle reti SONET

Attenuazione della fibra


Amplificatori ottici

  • Un amplificatore ottico reagisce all’attenuazione della fibra su una completa banda di canali di lightwave
  • I canali ottici non sono ne demodulati ne processati individualmente
  • Il più comune tipo di OA (Optical Amplifier) è un EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
  • EDAF funziona bene ed è molto efficiente come amplificatore nel rangge di 1500 nm

EDFA

  • Senza questa tecnologia chiave, potrebbero esserci poco impeto per reti ottiche basate su DWDM
    • Ogni canale dovrebbe essere individualmente rilevato e registrato oppure amplificato ogni volta che la perdita della fibra supera una soglia prestabilita

Chiave di sviluppo per amplificatori di fibra ottica DWDM


Rigeneratori

  • Un OA è un dispositivo analogico che amplifica linearmente la potenza luminosa in ingresso in una banda larga
  • In pratica non sono ne linearmente perfetti ne liberi da rumore
    • Aggiungono rumore
    • Aumentano ogni rumore in ingresso col segnale
  • Questo ed altri indebolimenti (dispersione, …) aggiungono si aggiungono in un punto in cui è necessaria la registrazione

Rigeneratori

  • In rigenerazione (in opposizione all’amplificazione)
    • Ogni canale è demodulato in maniera individuale dal suo canale ottico e convertito in forma elettrica
    • Il suo bit-timing è estratto e utilizzato per campionare lo stato binario di ogni simbolo
    • Il jitter è rimosso dal recovered clock
    • Nuovi simboli 1/0 vengono generati e rimodulati su un nuovo canale wavelenght di uscita
    • Il termine “3R” è spesso utilizzato per fare riferimento a retiming, regenerating e retransmitting

Multiplexer ottici add/drop (OADM)

  • Gli AODM seguono (e completano) i predecessori SONET ADM
  • In linea di principio un AODM può essere basato su
    • Rilevamento elettronico dei payload
    • add/drop elettronico
    • Rimodulazione e aggiunta di segnali su nuove wavelenght di uscita
  • Un AODM è in grado di eseguire la completa conversione di una wavelenght e di eseguire funzioni di add/drop

Multiplexer ottici add/drop (OADM)

  • Molti modelli OADM sono basati su filtri di canale passivi e puramente ottici senza alcuna conversione di wavelenght
  • OADV può essere basato su un principio waveband add/drop
  • ROADM: AODM riconfigurabili

Multiplexer ottici add/drop (OADM)

  • Un AODM dove N di K canali possono essere aggiunti o cancellati
  • Se il demultiplexer di ingresso è programmabile, l’AODM è riconfigurabile

Cross-connect ottiche (OXC)

  • Le OXC giocano un ruolo nel networking basato si DWDM, così come le B-DCS nelle reti mesh SONET
  • Entrambe sono switch non-blocking space che possono connettere una qualsiasi fibra di input ad una qualsiasi fibra di output ed eseguire lo switching in una dimensione secondaria

Cross-connect ottiche (OXC)

  • Al momento, non è possibile convertire una wavelenght della fibra in ingresso in una differente wavelenght della fibra in uscita rimanendo nel dominio dell’ottica
  • La conversione della wavelenght tecnicamente implica una conversione da ottico ad elettrico ed una rimodulazione su un nuovo laser (es.: processo o-e-o)
  • In futuro, innovazione della tecnologia consentiranno una conversione all-optical
  • In funzione del tipo di cross-connect, distinguiamo tre tipi di rete ottica:
    • Reti ottiche trasparenti
    • Reti ottiche opache

Reti ottiche trasparenti

  • Ogni lightpath è instradato dalla sua sorgente alla destinazione senza alcun processo elettronico sui nodi intermedi
  • Vengono utilizzate solo cross-connect all-optical (o-o-o)
    • Con la tecnologia attuale non possono eseguire conversione di wavelenght
  • Un percorso all-optical che non cambia wavelenght viene anche chiamato un wavelenght path (WP) puro
  • Oggi, in pratica, la trasparenza richiede un assegnazione di wavelenght che deve essere unicamente riservata per il percorso su ogni fibra

Reti ottiche trasparenti

  • Le OXC impiegate in una rete ottica trasparente, richiedono solo la redirezione di ogni wavelenght dalle fibre di ingresso a quelle di uscita
  • Gli switch ottici centrali possono essere essenzialmente degli specchi

Reti ottiche trasparenti


Reti ottiche trasparenti

  • Se la conversione di wavelenght non viene eseguita, non è possibile utilizzare la wavelenght λ1 tra i nodi 1 e 2

Reti ottiche trasparenti

  • Se la conversione di wavelenght viene eseguita, è possibile utilizzare la wavelenght λ1 tra i nodi 1 e 2

Reti ottiche trasparenti

  • Un blocco può verificarsi se la capacità è insufficiente oppure se avviene un mismatch sulla wavelenght
    • Non esiste un evento equivalente a quest’ultimo nelle reti mesh SONET DCS-based
  • Le scelte di rotta e assegnazione di wavelenht devono essere decisioni combinate
    • Problemi di routing e di assegnazione di wavelenght (RWA)

Problemi RWA

  • Problemi RWA off-line
    • Si assume che tutti i requisiti lightpath siano noti
    • Si cerca una singola soluzione completa per l’assegnazione di rotte e wavelenght per soddisfare i requisiti di lightpath
  • Sia il routing che l’assegnazione di wavelenght sono semplici problemi polynomial-time
  • La soluzione combinata globale per un set di richieste ha una complessità esponenziale per la soluzione esatta

Problemi RWA

  • Problemi RWA on-line
    • Agganciano una richesta alla volta in un ambiente di richeiste dinamiche in arrivi ed in partenza
    • Una richiesta lightpath è bloccata solo se nessun path utilizza la stessa wavelenght su tutti gli hop possibili da trovare
    • Gli algoritmi RWA on-line per mesh network sono molto più semplici dei problemi RWA off-line

Reti ottiche opache

  • Un virtual wavelenght path (VWP) è definito come un percorso ottico end-to-end che può usare più di una wavelenght ottica lungo la sua rotta
  • Le assegnazioni di wavelength possono essere modificate durante la conversione di wavelength sui nodi cross-connect
  • In futuro, sarà possibile eseguire tutte le conversioni wavelenth all-optical, in tal caso un VWP può rimanere all-optical end-to-end
  • Al momento, è necessario eseguire il processing o-e-o

Reti ottiche opache

  • Le OXC impiegate in una rete ottica opaca sono in grado di eseguire la rigenerazione completa e la conversione di wavelength
  • Due architetture tipiche:
    • Una utilizza un core optical space-swich, seguendo il quale ogni lightpath può cambiare la sua wavelenght durante il processing o-e-o prima di entrare nella fibra successiva
    • L’altra utilizza un core switch puramente elettronico, che è essenzialmente lo stesso utilizzato nelle SONET B-DCS

Reti ottiche traslucenti

  • La rete ottica traslucente implementa il giusto compormesso tra trasparenza ed opacità e in una rete ottica
  • L’idea è quella di avere un numero relativamente basso di nodi opachi (dove è possibile eseguire conversione di wavelength e rigenerazione) opportunamente scelti, dove tutti gli altri nodi diventano OXC trasparenti
  • Alcuni studi hanno mostrato che con un nodo su tre diventa un nodo opaco, ed i blocchi dovuti a wavelength mismnatch possono essere essenzialmente eliminati dalla rete
  • Un altro approccio consiste nell’utilizzare nodi opachi ovunque con un insieme dimensionato di wavelength convertibili

Generalized Framing Procedure (GFP)

  • “IP on topics” non vuol dire che i pacchetti IP possono essere direttamente applicati ad un trasmettitore laser
  • Attualmente esistono requisiti alquanto stringenti
    • Alcuni bit o byte di sincronizzazione per la rigenerazione
    • Trasmissione di codici per il controllo della soglia sul ricevitore
    • Un transition density bit per il recupero di low-jitter clock
    • Allineamento di frame per identificare correttamente le frame o i pacchetti con lo stream di trasmissione seriale
  • La GFP è un importante complemento dello standard SONET che fornisce un significato universale per adattare ogni segnale dato frame-oriented o byte-oriented nel corrispondente SONET SPE

Gigabit Ethernet (GbE) e 10 Gb/s Ethernet (10GbE)

  • La GbE fornisce un link point-to-point da 1 Gb/s su quattro paia di UTP Cat.5 per un massimo di 100m
    • La GbE in pratica abbandona l’accesso CSMA/CD della sorgente
    • Ma non è un formato utilizzabile per il trasporto nelle WLAN
  • Le 10GbE sono in via di sviluppo e sono orientate al trasporto WLAN diretto
    • Una tecnologia full-duplex point-to-point

Controllo IP-centric di reti ottiche

  • IP è il traffico dominante, e nuove tecniche di trasporto (es.: 10GbE e GFP) sono in fase di sviluppo per trasportare il traffico IP su reti ottiche
  • Ma un’altra significativa influenza sulle reti di trasporto si è avuta dal trasferimento e l’espansione di idee e tecniche utilizzate per il topology discovery, il routing, e la creazione di circuiti virtuali
  • L’approccio complessivo è di solito riferito come “IP-centric control” della rete di trasporto

Controllo IP-centric delle reti ottiche

  • Il controllo sulle reti di trasporto è tradizionalmente centralizzato in termini di fornitura di percorsi di servizio
  • I requisiti per i percorsi di trasporto crescevano o cambiavano in maniera relativamente lenta e operazioni di controllo centralizzato, avvolte semi-manuali, erano adeguati
  • Una rete di trasporto operante in modo “self-organizing” può essere supportata da una cooperazione distribuita tra nodi forniti da topology discoveri esplicite e protocolli di routing utilizzati in Internet

Data SP


High Capacity Path Networking


Architettura di rete IP/SONET/WDM


L’evoluzione delle reti ottiche rispecchia quella delle reti SONET


Architettura IP/OTN


Architetture alternative

  • IP-over-DWDM: router IP connessi direttamente su sistemi di trasporto DWDM
  • IP-over-OTN: router interconnessi su una rete di trasporto ottica riconfigurabile (OTN) costituita da cross-connect incrociati connessi via DWDM

Architetture alternative


Configurazione ridondante quadrupla di router IP in PoP

  • Attualmente viene eseguita per aumentare la reliability e per implementare load-balancing
  • Due (o più) router sono router di servizio (service router) che aggiungono/eliminano traffico lato rete e lasciano transitare il traffico
  • Due router (o meno) sono drop router connessi a dispositivi utente
  • Due connessioni dal porto di rete sull’upper service router di ingresso verso due porti drop, uno in ognuno dei lower drop router. Il dispositivo utente inoltra il 50 % del traffico su una di tali interfacce drop e il 50 % sull’altra (è attaccata ad entrambi i router)
  • Non richiesto per OXC

IP-over-DWDM: vantaggi e svantaggi

  • Vantaggi
    • Router IP con interfacce OC-48c/OC-192c e throughput aggregato tendente ai 100s di Gbps
    • Funzioni di trasporto tipo switching, configuratione restoration sono spostate al livello IP e completate da protocolli tipo MPLS, che forniscono un framework unificato
    • I router IP controllano la selezione di percorsi end-to-end utilizzando routing con supporto all’ingegneria del traffico e protocolli di segnalazione
    • Supporta modelli peer-to-peer dove i router IP interagiscono tra loro come peer per scambiarsi infirmazioni sul routeing
  • Svantaggi
    • La tecnologia dei router è scalabile in funzione del numero di porti con una capacità milti-terabit e senza compromettere le performance, la reliability, la velocità di restoration e la stabilità del software?

IP-over-OTN: Vantaggi e Svantaggi

  • Vantaggi
    • Il backbone ottico riconfigurabile fornisce una infrastruttura per il trasporto flessibile
    • Il core delle reti OXC può essere condiviso con altri servizi di rete tipo ATM, Frame Relay, SONET/SDH
    • Consente le interconnessioni di router IP in una topologia mesh arbitraria.
  • Svantaggi
    • Aggiungere un backbone ottico riconfigurabile introduce un livello aggiuntivo tra IP e DWDM ed il relativo overhead

OSPF-TE [RFC3630]

  • Con OSPF-TE ci si riferisce all’estensione di OSPF realizzata per ottenere conoscenza degli attributi di link e nodi, utilizzabili per obiettivi legati al Traffic Enginnering
    • Capacità dei link e banda residua
    • Assegnazione del costo di utilizzo dei link
    • LER/LSR capability
    • Cross-connection dei canali wavelength
    • Cross connection STS
    • Cross connection livello fibra
    • Packet switching capability

MPλS

  • Ciò che viene chiamato MPλS è basato sull’analogia tra un LSP ed un lightpat
    • Entrambi sono percorsi switchati che fanno parte di una sequenza di azioni che dirigono ogni ingresso sull’uscita predeterminata in maniera completamente circuit-like
  • Quindi, MPλS non è altro che MPLS modificato, dove lo spazio di etichette di ogni link è semplicemente l’insieme di canali wavelength sul link
  • L’unica differenza riguarda i fabric switching coinvolti

MPLS generalizzato (GMPLS)

  • GMPLS generalizza il concetto i etichetta: ogni risorsa canale di trasmissione può essere vista come una etichetta generalizzata
  • GMPLS estende MPLS per fornire il piano di controllo (signaling e routing) per dispositivi che commutano in ognuno di tali domini: pachetto, tempo, wavelength e fibra
  • Tale piano di controllo comune promette la semplificazione delle operazioni di rete e del management automatizzando la fornitura di connessioni, gestendo le risorse di rete e fornendo il livello di QoS atteso nelle nuove e sofisticate applicazioni

MPLS generalizzato (GMPLS)

  • GMPLS erediterà inoltre le caratteristiche del label-stacking di MPLS
  • In GMPLS diversi lightpaths possono essere fusi tra loro in maniera efficiente in un unico percorso waveband sul segmento comune
  • Il label-staking rende inoltre possibile il routing su varie regioni o domini di rete dove i punti di ingresso e uscita sono noti ma i dettagli relativi al routing all’interno del dominio non lo sono

Network Resiliency

  • Network Reliability
  • Network Availability e Survivability
  • Classificazione dei servizi
  • Meccanismi di Recovery
  • Protection Topology
  • Protection Switching
  • Link & Path restoration

I materiali di supporto della lezione

H. Zang, J.P. Jue, B. Mukherjee, “A review of routing and wavelength assignment approaches for wavelength-routed optical WDM networks”, Optical Networks Magazine, vol.1, Jan. 2000, pp.47-60

C. Assi, A. Shami, M.A. Ali, R. Kurtz, D. Guo, “Optical networking and real-time provisioning: an integrated vision for the next-generation Internet”, IEEE Network Magazine, July/August 2001, pp.36-45

R. Ramaswami, K.N. Sivarajan, “Routing and Wavelength Assignment in All-Optical Networks”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.3, 1995, pp.489-500

G. Shen, S.K. Bose, T.H. Cheng, C. Lu, T.K. Chai, “Efficient wavelength assignments for lightpaths in WDM optical networks with/without wavelength conversion”, Photonic Network Communications, vol.2, no.4, pp.349-360, November 2000

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