Reti Fotoniche (Optical Networks)

1
Reti Fotoniche(Optical Networks)

• Gruppo Reti
• e-mail nome.cognome_at_polito.it
• http//www.tlc-networks.polito.it/

Sito del corso http//www.tlc-networks.polito.it/
mellia/corsi/
Politecnico di Torino - Dipartimento di
Elettronica
2
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 daccesso e commutazione ottica di
  pacchetti
• Architetture di protocolli per reti ottiche
• Cenni a gestione e affidabilità

3
Reti ottiche di prima generazione

• Nelle reti di prima generazione le fibre
  sostituiscono il rame come mezzo trasmissivo
  (strato fisico).
• Esempi
• sistemi sottomarini
• SONET/SDH evoluzione delle gerarchie TDM
  plesiocrone (PDH) dei sistemi telefonici. Offre
  flessibilità nella multiplazione dei flussi e
  funzionalità di gestione, protezione,
  interoperabilità, networking
• ESCON, FibreChannel, HIPPI standard per
  interconnettere elaboratori e periferiche ad alta
  velocità
• FDDI, Gbit Ethernet e reti locali (LAN) veloci
• RPR - Resilient Packet Ring (IEEE 802.17)

4
Reti ottiche di prima generazione
EXC cross-connect elettronico ADM add-drop
multiplexer
interfaccia O/E
nodo della rete
nodo della rete
nodo della rete
EXC o ADM
interfaccia O/E
interfaccia O/E
collegamenti in fibra
collegamenti in fibra
interfaccia O/E

• La topologia è in generale complessa, ma viene
  sovente gestita come anelli o bus interconnessi.

EXC o ADM
interfaccia O/E
interfaccia O/E
nodo della rete
5
Sistemi sottomarini

• I sistemi sottomarini trans-oceanici raggiungono
  attualmente i massimi valori di prodotto
  banda-distanza, e sono un ottimo esempio delle
  enormi potenzialità delle comunicazioni ottiche.
• TAT 12/13 (Transatlantic link) operativo dal
  1995, distanza massima 6200 Km, capacità
  (originale) 5 Gb/s per fibra
• TPC 5 (Transpacific link) operativo dal 1996,
  distanza massima 8200 Km, capacità 5 Gb/s per
  fibra
• TAT 14 operativo dal dicembre 2000, 16 canali
  WDM a 2.5 Gb/s
• TPC 6 in fase di sviluppo, progettato per
  supportare 640 Gb/s con tecnologia WDM

6
SONET/SDH

• Lattuale infrastruttura della rete telefonica,
  su cui vengono sovente veicolati i canali di
  altre tipologie di reti, è in larga misura basata
  sulle gerarchie sincrone, evoluzioni delle
  gerarchie plesiocrone (PDH - Plesiochronous
  Digital Hierarchy)
• SONET - Synchronous Optical NETwork (segnali
  ottici multipli della velocità base di segnale di
  51.84 Mbit/s)
• SDH - Synchronous Digital Hierarchy (equivalente
  europeo ed internazionale di SONET)
• STS - Synchronous Transport Signal (standard
  corrispondente per i segnali elettrici)
• La topologia è sovente ad anelli per motivi di
  affidabilità.

7
Plesiochronous Digital Hierarchy

• Prima dellintroduzione di SONET/SDH,
  Plesiouchonous Digital Hierarchy (PDH) era lo
  standard per reti telefoniche digitali
• Espressamente pensata per il trasferimento di
  canali vocali digitali a 64Kb/s
• NON si usa Store-and-Forward occorre una stretta
  sincronizzazione tra TX e RX. Tale esigenza è
  soddisfatta con un sistema quasi-sincrono
  (plesio-synchronous)
• Standard diversi in USA/Europa/Giappone
• Complessità di interfacciamento

8
T-1 carrier system standard americano

• 24- canali vocali sono campionati, quantizzati e
  codificati in un canale TDM PCM
• Canale di segnalazione di 1 bit
• Un carrierT-1 ha quindi una velocità di
  (2481)80001.544Mb/s

CH1
CH2
.
MUX
CH1
CH2
CH23
CH24
CH3
CH22
. . .
.
.
CH23
frame
CH24
x x x x x x x x
Campione
MSB
LSB

• Un campione ogni 125?sec
• Una trama ogni 125?sec
• Posso multiplare più trame in canali di velocità
  superiore

9
T- and DS- hierarchy
CH1
CH2
CH23
CH24
CH3
CH22
. . .
E difficile identificare un singolo canale
dentro uno stream ogni volta occorre
demultiplare tutti i livelli per
estrarre/inserire altri canali
64 24 1.544 Mb/s T1 Frame trasmessi in un
canale DS1
DS1
DS1
DS1
DS1
4 DS1 1 DS2 4 1.544 6.312 Mb/s
DS2
DS2
DS2
DS2
DS2
DS2
DS2
E difficile mantenere due canali in perfetta
sincronia si usa un bit stuffing per avere un
sistema quasi sincrono
7 DS2 1 DS3 7 6.312 44.736 Mb/s
DS3
DS3
DS3
DS3
DS3
DS3
6 DS3 1 DS4 6 44.736 274.176 Mb/s
DS4
10
Gerarchie T- ed E-
Livello America (T-) Europe (E-) Japan
0 0.064 Mb/s 0.064 Mb/s 0.064 Mb/s
1 1.544 Mb/s 2.048 Mb/s 1.544 Mb/s
2 6.312 Mb/s 8.488 Mb/s 6.312 Mb/s
3 44.736 Mb/s 34.368 Mb/s 32.064 Mb/s
4 274.176 Mb/s 139.264 Mb/s 97.928 Mb/s
11
PDH

• Sistema di trasmissione digitale (T-carrier,
  E-carrier) che multipla flussi di velocità più
  bassa in flussi a velocità maggiore
• Ogni apparato ha un suo orologio (non cè
  sincronizzazione globale)
• Orologi locali hanno derive che portano a errori
  di sincronizzazione
• Problema risolto avendo la possibilità di
  inserire e rimuovere bit di riempimento
  (bit-stuffing)

12
PDH - Sincronizzazione
Trama
Sorgente
1
2
3
Nodo
Nodo più veloce
Dest
1
2
13
PDH - Sincronizzazione

• Per risolvere il problema si adotta il meccanismo
  del Positive Stuffing
• I dati vengono scritti in un buffer temporaneo
• Tale buffer viene letto a velocità superiore per
  trasmettere sul canale (a bitrate maggiore)
• Ogni volta che il buffer si sta per svuotare,
  inibisco la trasmissione di dati, che vengono
  sostituiti da bit di riempimento
• Segnalo al ricevitore la presenza di bit di
  stuffing tramite un canale di segnalazione
  punto-punto ricavato in TDM.
• Si usa quindi una trama trasmissiva diversa da
  quella logica PCM. Complica le funzionalità di
  mux/demux.

14
Problematiche di PDH

• Mancanza di flessibilità è impossibile
  identificare un flusso a velocità più bassa in un
  aggregato superiore
• Mancanza di efficienza
• Non esistono standard per il monitoring delle
  prestazioni del canale
• Non cè un canale di management
• Mancanza di mid-fiber meet
• Non esiste standard a livello fisico ogni
  produttore ha suo standard (NNI non standard)

15
Da PDH a SONET/SDH

• SONET Synchronous Optical Network sistema di
  trasmissione e multiplazione in America
• SDH Synchronous Digital Hierarchy sistema di
  trasmissione e multiplazione in Europa e Giappone
• Standardizzazione di SONET e SDH avvenuta alla
  fine degli anni 80
• I gestori di rete realizzarono che
• Il sistema PDH non era scalabile abbastanza per
  supportare le aspettative di crescita di traffico
• Le tecnologie ottiche iniziano a essere
  appetibili, e incominciano a capirsi le loro
  potenzialità
• I sistemi di trasmissione ottica, tutti
  proprietari, non possono interoperare tra loro

16
Che cosa è SONET/SDH

• Insieme di Raccomandazioni ITU-T (le prime sono
  del 1989) che coprono
• la definizione di una gerarchia di multiplazione
  molto strutturata
• la definizione di tecniche di gestione di rete e
  di protezione dai guasti
• le modalità di interfacciamento verso il mezzo
  fisico (fibre e componenti ottici)
• la definizione di interfacce verso altri
  protocolli che possono lavorare sopra SONET/SDH

17
Obbiettivi di SONET/SDH

• I principali obbiettivi degli standard sono
• Affidabilità della rete, compatibile con i
  requisiti di carrier nazionali e internazionali
  (99.999 - five nines - availability)
• Interoperabilità tra apparati di diversi
  costruttori
• Flessibilità dei formati per supportare diverse
  architetture di rete e possibili migrazioni
• Articolate funzioni di controllo e monitoraggio
  (monitoring) delle prestazioni e del traffico
  (recupero di guasti singoli in 50 ms)

18
Gerarchia SONET/SDH
OC level STS level SDH level Mbit /s
51.84 155.52 622.08 1244.16 2488.32 9953.28
39813.12 159252.48
OC-1 OC-3 OC-12 OC-24 OC-48 OC-192 OC-768 OC-3072
STS-1 STS-3 STS-12 STS-24 STS-48 STS-192 STS-768 S
TS-3072
STM-1 STM-4 STM-8 STM-16 STM-64 STM-256 STM-1024
19
Stratificazione SONET/SDH

• Path layer (simile al livello 3 - Network - di
  OSI)
• Responsabile di connessioni end-to-end
• Controlla e gestisce lo stato delle connessioni
• Line Layer
• Multiplazione di più connessioni di path-layer
  tra due nodi
• Protezione e recupero guasti
• Section Layer
• Definisce lungo la tratta le operazioni svolte
  dai rigeneratori e tra i rigeneratori
• I livelli Line e Section in SONET corrispondono
  al livello 2 (Data Link) OSI
• Physical Layer (identico al livello 1 OSI)
• Definisce come i bit vengono trasmessi sulle fibre

20
Stratificazione SONET/SDHstandard ITU-T G.78x
21
SONET Physical Layer

• Il livello fisico SONET è completamente di tipo
  ottico
• Le più importanti raccomandazioni sono
• ITU-T G.957 Optical interfaces for equipments
  and systems relating to the synchronous digital
  hierarchy
• Single span, single channel link without optical
  amplifiers
• ITU-T G.691 Optical interfaces for
  single-channel STM-64, STM-256 and other SDH
  systems with optical amplifiers
• Single channel, single or multi span, optically
  amplified links at 622 Mbit/s, 2.5 Gbit/s, 10
  Gbit/s
• ITU-T G.692 Optical interfaces for multichannel
  systems with optical amplifiers
• Multi channel, single or multi span, optically
  amplified
• Definition of the ITU frequency grid
• Le raccomandazioni coprono diversi tipi di
  canali, da very short-haul interoffice links fino
  a ultra-long haul, WDM backbone links
• Tutti i parametri di trasmettitori e ricevitori
  sono completamente specificati

22
Framing SONET

• SONET/SDH transmettono un sequenza continua di
  bit ad una certa velocità
• La multiplazione dei diversi flussi di
  informazione è ottenuta con un complesso schema a
  divisione di tempo (TDM)
• Anche se complessa, larchitettura di
  multiplazione è stata progettata in modo da
  consentire efficienti implementazioni VLSI
• Una trama (frame) SONET è una sequenza
  organizzata di bit
• Per un certo livello di multiplazione, ogni
  flusso tributario di ingresso diventa un
  Synchronous Payload Envelope (SPE)
• Un insieme di bit, chiamato Path Overhead, viene
  aggiunto al SPE, realizzando funzioni di
  controllo, di monitoring, ecc.
• SPE Path Overhead formano un Virtual Tributary
  (VT)

23
Struttura delle trama STS-1
1 frame 810 Byte in 125ms
STS-1 OC-1
1
2
8
3
4
5
7
6
9
rappresentazione in righe e colonne
0 µs (1st bit)
3 Bytes
87 Bytes
Path Overhead resta con il payload finchè non
viene demultiplata
SOH
3 rows
9 rows
6 rows
LOH
125 µs (last bit)
Transport Overhead
Payload
24
Struttura delle trama STS-1
3 Bytes
87 Bytes
SPE dalla trama precedente può estendersi
attraverso frontiere di trama)
SOH
SPE
SPE
Frame 1
LOH
SOH
SPE
810 Bytes/trama 8 bit/campione 810
campioni/trama o 9x90 Bytes/trama 8000
trame/secondo 8 bit/Byte o 51,840 Mb/s
Frame 2
SP
LOH
SOH
SPE
Frame 3
SPE
LOH
SOH
LOH
25
Multiplazione di ordine superiore
STS-1 1
STS-1 2
STS-1 3
9
MUX
Byte interleaver
3x3
3x87
9
26
Virtual Tributary (VT)

• I VT sono posizionati nelle trame con puntatori
  contenuti nei bit di overhead della trama
• Un puntatore dice quale è la posizione di inizio
  di un dato VT allinterno della trama
• La struttura è ricorsiva un VT può contenere
  diversi VT più piccoli
• Questo approccio consente di multiplare flussi a
  velocità anche molto differenti in una trama
  molto ben strutturata

Pointer
Pointer
VT
VT
VT
27
Gerarchia SONET

• Un esempio di multiplazione SONET
• SONET è stato sviluppato per essere compatibile
  con il trasporto di formati diversi, quali ad
  esempio ATM (Asynchronous Transfer Mode)

28
SONET Overheads
Path
Line
Line
Section
Section
Section
Section

• Differenti tipi di overhead
• Sezione usato per la comunicazione tra due
  apparati adiacenti
• Linea per segnalazione di STS-N tra multiplatori
• Path end-to-end, aggiunto al flusso SPE quando
  viene mappato in un VT
• Funzioni differenti
• Multiplazione
• Gestione e mantenimento
• Allocazione di canali

Section overhead
Line overhead
Path overhead
Transport Overhead
29
Intestazioni (overheads) SONET

• Section Overhead
• Usato, elaborato e generato da Section Terminal
  Equipments (STE)
• Monitoraggio delle prestazioni sulla trama
• Canale di comunicazione dati per operation,
  administration and maintenance (OAM)
• Framing

30
SONET overhead - SOH
31
Overheads SONET

• Line Overhead
• Usato, elaborato e generato da Line Terminal
  Equipment (LTE)
• Localizzazione dei VT nella trama
• Multiplexing/instradamento
• Monitoraggio delle prestazioni
• Commutazione per protezione
• Gestione della tratta
• STS Path Overhead
• Usato, elaborato e generato da Path Terminal
  Equipment (PTE)
• Monitoraggio end-to-end delle prestazioni dei VT
  SPE
• Stato e gestione della connessione

32
SONET overhead - LOH
33
Puntatori in SONET

• Uno dei problemi della multiplazione è gestire
  flussi tributari a velocità leggermente
  differenti
• Si usano puntatori per compensare variazione di
  frequenza e fase dei clock
• I puntatori consentono un allineamento di fase
  dinamico e flessibile
• Evitano buffer di compensazione per la
  sincronizzazione

Section overhead
SPE
Separate clocks with almost same timing
(plesiochronous)
SPE
Line overhead
H1
H2

• Bit Stuffing per la sincronizzazione in PDH
• quando la velocità della trama del SPE è lenta
  rispetto a STS-1, si inserisce un byte extra
• quando la velocità della trama del SPE è veloce
  rispetto a STS-1, si rimuove un byte che viene
  posto nelloverhead

125 µs
34
Positive stuffing

• Velocità di una SPE più piccola
• Periodicamente, quando lo SPE è un byte in
  ritardo, i bit dispari nella parola del puntatore
  sono invertiti, per segnalare un positive
  stuffing
• Un byte aggiuntivo è inserito nel VT, permettendo
  uno slittamento dellallineamento del VT stesso
• Il byte aggiuntivo viene sempre messo a lato del
  byte H3 (nello SPE stesso)
• Il puntatore è incrementato di uno nel frame
  successivo, e i frame seguenti conterranno il
  nuovo valore.

35
Negative stuffing

• Velocità di una SPE più alta
• Periodicamente, quando il frame dello SPE è un
  byte in anticipo, i bit pari del puntatore sono
  invertiti, indicando un negative stuffing
• Linizio del contenitore virtuale viene
  anticipato, e il byte sovrascritto viene
  spostato in H3
• Il puntatore è quindi decrementato di uno nel
  prossimo frame
• Devono esserci almeno 3 frame nei quali il
  puntatore rimane costante prima di poter operare
  unaltra operazione di stuffing

36
Trama SDH

• SDH usa una terminologia differente, ma i
  principi sono identici a quelli di SONET
• Elemento base in SDH è la trama STM-1, con
  periodo di ripetizione 125 ?s
• La trama è costituita da 19440 bit,
  corrispondenti a una velocità di 155.520 Mbit/s
• Linformazione è organizzata in byte su 9 righe
  da 270 byte ciascuna
• Il virtual container (VC) è la sezione utile al
  trasporto dati (261 x 9 2349 byte)
• Ladministrative unit (AU) è linsieme di VC e
  dei relativi puntatori

37
Trama STM-1 in SDH
38
SONET Network Elements

• Lo standard Sonet definisce diversi apparati di
  rete, differenziati per le loro funzionalità
• Multiplexer and demultiplexer
• Rigeneratori
• Add-Drop multiplexers
• Digital cross-connects
• Sono tutti apparati di rete elettronici,
  nessuna operazione viene realizzata direttamente
  in ottica

39
SONET/SDH layering

• Riprendiamo la pila di riferimento, indicando
  espressamente gli apparati

40
SONET Network Elements PTE

• Multiplexer and demultiplexer si occupano di
  aggregare traffico da tributari differenti
• Il Path Terminating Element (PTE)
• Versione minima di multiplexer path-terminating
  terminal
• Funzionalità di concentratore di DS1, e di
  generazione dei segnali del tributario
• Due terminal multiplexer connessi da una fibra
  sono il più semplice collegamento SONET (section,
  line, path sullo stesso link)

41
SONET Network Elements Regen

• Rigeneratore
• È il più semplice elemento. Opera una
  rigenerazione 3R
• Usato per superare vincoli di distanza
• Si sincronizza sul segnale in ingresso, e
  rigenera il section overhead prima di trasmettere
  il segnale. Non altera il Line e Path overhead
  (diverso da repeater in ethernet)

42
SONET Network Elements ADM

• Add-Drop multiplexer si occupa di multiplexing e
  instradamento in topologie ad anello
• Multipla diversi tributari in un segnale OCN
• In un nodo add/drop, solo i segnali che devono
  essere estratti sono processati e
  estratti/inseriti
• Il traffico in transito viene trasmesso
  attraverso lapparato senza particolari
  trattamenti. Ha funzionalità di instradamento
  alternativo in caso di guasti

STS-N BUS
OC-N
OC-N
OC-N
OC-N
STS-1
STS-N
VT
OC-N
DS-1
DS-3
OC-N
DS-1
DS-3
43
SONET Network Elements DCS

• Digital cross-connect si occupa di multiplexing
  e instradamento in topologie magliate
• Accetta diverse velocità di linea
• Accede ai segnali STS-1
• Commuta tutto a questo livello
• Usato per interconnettere tanti accessi STS-1
• Cross-connect a larga banda sono usati per
  aggregare traffico efficientemente

44
SONET Network Configurations

• Configurazione punto-punto
• È la più semplice topologia
• Il link punto punto parte e termina da un Path
  Terminal Equipments, che si occupa di
  multiplazione e demultiplazione dei tributari
• Non si usa instradamento e demultiplazione lungo
  il sistema
• Si usano rigeneratori per superare problemi
  trasmissivi

45
SONET Network Configurations

• Configurazione Punto-Multipunto (linear add-drop)
• Ancora una topologia lineare
• ADM (e rigeneratori) sono usati lungo la linea
• Gli ADM inseriscono ed estraggono canali lungo il
  percorso
• Gli ADM sono specificatamente pensati per questo
  scopo, e hanno una struttura significativamente
  più semplice di un generico cross-connect (non
  occorre demultiplare per poi rimultiplare)

46
SONET Network Configurations

• Configurazione Hub network
• Per concentrare traffico, tipicamente alla
  centrale operativa principale
• È una configurazione che fa uso di Digital Cross
  connect (DCS) a alta velocità
• DCS sono molto più complessi di un ADM devono
  essere in grado di multiplare connessioni
  arbitarie tra differenti tributari, sia livello
  SONET che dei singoli tributari

47
SONET Network Configurations

• SONET Rings
• È la configurazione più usata, che usa due o
  quattro fibre e un ADM in ogni nodo.
  Bidirezionale
• Realizza funzionalità di protezione (sempre due
  percorsi)

48
Survivability in SONET
49
Network Survivability/Fault Management

• Survivability la possibilità della rete di
  continuare a fornire un servizio usando capacità
  in eccesso in caso di guasti
• È una necessità sulle reti di backbone, il cui
  malfunzionamento deve essere minimo

Restoration approccio più complicato, tipico di
reti genericamente magliate. Per reagire a
guasti, la rete è in grado di auto-riconfigurarsi
lentamente.
Protection Risposta immediata (automatica)
della rete dopo un guasto, per instradare il
traffico su percordo alternativo
50
Survivability in SONET

• Diverse tecniche sono usate in SONET per
  Survivability, Protection e Restoration
• Una degli approcci più comuni è basato su anelli
  bidirezionali, che sfruttano le loro capacità di
  protezione

La formazione di due loopback nei nodi adiacenti
il guasto permette di connettere tutti i nodi La
topologia logica dopo la riconfigurazione è un
anello monodirezionale, che attraversa ogni nodo
due volte
Rottura della fibra
51
11 protection
Funzionante
Funzionante
Backup
Working
Fibra rotta
Due nodi adiacenti al guasto sono responsabili
della commutazione del traffico sullanello di
protezione
52
11 protection
Funzionante
Funzionante
Working Idle
Working Active
Fibra rotta
I segnali dati sono trasmessi su entrambi i
percorsi. Ogni ADM in ogni nodo decide quale
segnale è corretto e lo seleziona.
53
Protection and Restoration

• Il recupero dei guasti in SONET è molto veloce
• meno di 50ms
• Il restoration time
• Nelle reti PDH è spesso dellordine dei minuti
• Nelle reti IP è dellordine dei minuti
• Nelle reti ethernet è dellordine della decina di
  secondi (60 secondi per riconfigurare lo spanning
  tree)

54
Fibre Channel

• Tecnologia pensata per linterconnessione ad alta
  velocità di periferiche e tra mainframe nei
  centri di calcolo
• Velocità fino al Gb/s con codifica di linea
  8B/10B su fibre monomodali a 1300 nm
• Distanze fino a 10 km
• Mezzi trasmissivi doppini, cavi coassiali, fibre
  ottiche
• Interlavoro con SCSI, Internet Protocol (IP), e
  altri protocolli
• Standard ANSI X3.230-1994

55
Scenario di uso
56
Modello di riferimento Fibre Channel
Networks
Channels
ISO/OSI
Transport
IPI
SCSI
HIPPI
802.2
IP
ATM
FC-4
Common Services
FC-3
Data Link
Framing Protocol/Flow Control
FC-2
Encode/Decode
Physical
FC-1
FC-0
57
FC-0 layer

• Livello fisico del sistema
• Mezzi fisici Fibre (errore voluto per dire sia
  fiber, sia copper)
• Connettori, potenze, modulazioni. Equivalente
  OSI-1
• Richisto BER minore di 10-12

58
FC-1 layer

• Definisce la codifica di linea secondo lo schema
• 8B/10B transmission encoding
• Importante schema (ereditato in Gigabit
  Ethernet)
• Parole di 8 bits sono trasmesse usando 10 bits
• Error detection (disparity control)
• Recupero e mantenimento di sincronizzazione
• 100 D.C. voltage balance
• Alcune sequenze ammissibili e non corripondenti a
  parole di codice sono usate per segnalazione
  (delimitazione frame, controllo di sequenza)

59
FC-2 Layer

• Livello che si occupa di specificare
• Formato di trama
• Gestisce la risequenzializzazione
• Flow Control
• Gestisce diverse classi di servizio
• Login/Logout di apparati
• Costruzione di topologia
• Segmentation and Reassembly

60
FC-2 Layer

• Diverse PDU sono identificate a livello 2
• Ordered Set trasmissione di 4 byte a scopo di
  segnalazione (SOF, EOF, R_RDY,)
• Frame unità dati base, più piccola di 2148 byte
  (36B2112B)
• Sequence composta da 1 o più frame (equivalente
  di una frase)
• Exchange composta da 1 o più sequenze
  (equivalente di una conversazione)

61
FC-2 Formato di trama
62
FC-3 and FC-4 Layer

• FC-3 non ben definito. Implementato solo in
  apparati con più porte (es. gestione multicast)
• FC-4 specifica come trasportare protocolli di
  livello superiore
• Small Computer System Interface (SCSI)
• Internet Protocol (IP)
• High Performance Parallel Interface (HIPPI)
• Asynchronous Transfer Mode - (ATM-AAL5)
• Intelligent Peripheral Interface - 3 (IPI-3)
  (disk and tape)

63
Topologie Fibre Channel

• Topologie supportate
• Point-to-point
• Arbitrated loop
• Fabric
• Si distinguono diversi tipi di porte
• Node port N_Port
• Loop port L_Port
• Switch port F_Port
• e loro combinazioni (FL_Port, )

64
Topologia punto-punto
N_port
N_port

• Due e solo due N_ports connesse direttamente
• Bidirezionale
• Disponibilità di tutta la capacità
• Richiede comunque una fase di inizializzazione
  del link prima di essere operativa

65
Topologia Arbitrated Loop
L_port
L_port
L_port
L_port

• Topologia dominante
• semplice
• a mezzo trasmissivo condiviso
• Fino a 127 porte (che devono tutte essere L_port)

• Utilizza uno schema distribuito per regolare
  laccesso
• Non ci sono limiti su quanto un dispositivo
  mantiene il controllo del loop
• Algoritmi di equità opzionali

66
Schema di arbitraggio

• Ogni dispositivo ottiene un indirizzo dinamico
  che prende il nome di Arbitrated Loop Physical
  Address (AL_PA)
• Quando deve trasmettere dei dati
• Trasmette un messaggio di prenotazione ARBx (x
  AL_PA) lungo lanello
• Se riceve il messaggio
• Ha il diritto di usare lanello, e può iniziare
  le procedure di apertura verso un altra L_Port
• Dopo avere aperto la comunicazione, si ha un
  canale punto punto.
• Se più di un dispositivo richiede il possesso del
  canale
• Il messaggio a priorità più alta è inoltrato
  (ARBy si propaga se yltx)
• Quando il canale è di nuovo libero, x può
  ritentare

67
Inizializzazione degli indirizzi dinamici
Gli AL_PA sono assegnati dinamicamente

• Allacccensione (o dopo un evento di guasto)
• Una primitiva Link Initialization Primitive (LIP)
  è trasmessa lungo lanello
• Questo forza tutti i dispositivi a mandare un LIP
• In questa fase, lanello non è usabile

68
Address initialization 2

• Si seleziona un loop master
• Ogni dispositivo manda un messaggio di Loop
  Initialization Master Select (LIMS) contenente il
  proporio Port Number
• Viene inoltrato solo il LIMS con valore minore
• Il dispositivo che riceve il proporio LIMS è
  eletto master
• Ogni dispositivo deve scegliere il proprio AL_PA
• Il master genera messaggi con una bitmap di 127
  bit
• Ogni dispositivo tenta di riottenere il suo
  vecchio AL_PA
• Se già assegnato, chiede un altro AL_PA
• Il master manda un messaggio di CLoSe (CLS) e
  lanello è di nuovo operativo

69
Indirizzamento

• Lindirizzo completo è di 3 byte
• In configurazione con fabric, viene assegnato
  dinamicamente durante la fase di login
• Prima del login di una Fabric, lN_Port S_ID è
  non definito (0x000000)
• La fabric espressamente assegna gli indirizzi
• In Arbitrated Loop, esistono anche gli indirizzi
  AL_PA. Dopo la fase di inizializzazione degli
  AL_PA, ogni N_port tenta un login (F_Login) verso
  una F_port per ottenere il proprio S_ID, per
  completare i tre byte dellindirizzo. Altrimenti,
  si lascia indefinito (0x0000)
• Nella configurazione Point-to-Point, le N_Port
  scelgono gli indirizzi da sole

70
Topologia con Fabric
N_port
N_port
F_port
F_port
F_port
F_port
N_port
N_port

• Configurazione commutata
• I mezzi fisici non sono condivisi (tutti canali
  point-to-point)
• Fino a 224 dispositivi
• Funzionalità avanzate (multicast, QoS)

71
Controllo di flusso

• Utilizza un approccio basato su crediti
• Prima di scambiarsi dati, i dispositivi devono
  registrarsi tra di loro per concordare i crediti
• I crediti si riferiscono al numero di trame che
  un dispositivo può ricevere
• Ogni dispositivo sa quante trame gli altri
  dispositivi a lui collegati possono ricevere
• Dopo aver inviato un numero di trame tale da
  esaurire i crediti, la trasmissione deve essere
  interrotta, a meno che il dispositivo
  destinazione indichi di aver elaborato una o più
  trame e di essere pronto a riceverne di nuove

72
Controllo di flusso

• Due tipi di controllo di flusso
• Buffer-to-buffer
• da N_Port a N_Port o F_Port
• Ogni porta sa quanti crediti il ricevitore è
  disposto a ricevere (BB_Credit)
• Ogni frame ricevuto incrementa un contatore.
  Quando si raggiunge il valore BB_Credit, si
  interrompe la trasmissione
• Un segnale R_RDY decrementa il contatore (indica
  che un altro frame può essere inviato)
• End-to-end
• Tra N_port solamente
• Come per la modalità B-to-B si usano crediti
• Disponibilità di crediti viene comunicata tramite
  ACK (cumulativi)

73
Classi di servizio possibili

• Fibre channel ha standardizzato diverse classi di
  servizio Class 1,,6
• Sono scelte durante la fase di login tra due
  porte
• Si differenziano per luso di flow control
  diversi
• Affinché la comunicazione possa avvenire, due
  N_Ports devono supportare almeno una classe di
  servizio in comune

74
Class of services
Class 1 Dedicated circuit-switched connection Full bandwidth available, no multiplexing End-to-end flow control Video, voice
Class 2 Connectionless with notification Allow multiplexing No guarantee (out of order) Both B-to-B and E-to-E flow control Like LAN
Class 3 Datagram service (no notification) Allow multiplexing No guarantee B-to-B flow control Used for SCSI service
Class 4 Fractional bandwidth allocation Virtual Circuit like class of service Usable only if a fabric is present
Class 5 Isochroous service Not yet defined
Class 6 Multicast support Allow replication (RAID configuration) Usable only if a fabric is present
75
HIPPI, ESCON, FICON, GeoPlex

• Diversi altri protocolli simili a Fibre Channel
  sono utilizzati nellinterconnessione tra
  mainframe, supercalcolatori e periferiche
• HIPPI (High Performance Parallel Interface) 800
  Mbit/s parallelo per trasmissione elettrica (25
  m), seriale per distanze maggiori (su fibra)
• ESCON (Enterprise Serial Connection) fu
  introdotta da IBM 200 Mbit/s, utilizzando LED e
  fibre multimodali
• FICON, GeoPlex, ecc sono differenti evoluzioni
  di ESCON

76
Interconnessioni tra calcolatori

• E interessante notare che diversi costruttori
  propongono soluzioni dove questi protocolli,
  originariamente concepiti per lambito locale
  (computer room o LAN), vengono estesi allambito
  geografico (WAN), sfruttando o un trasporto
  SONET/SDH, o un trasporto proprietario
• I dati strategici in ambito aziendale sono ancora
  soventi gestiti su mainframe, utilizzando ESCON o
  Fibre Channel per trasferire dati tra i
  dispositivi di memorizzazione.
• Per backup e disaster recovery, i supporti per i
  dati ridondati vengono mantenuti in siti lontani

77
FDDI Fiber Distributed Data Interface

• E un token ring su fibra ottica a 100 Mb/s, con
  topologia a doppio anello controrotante.
• Caratteristiche
• alta velocità e affidabilità
• ritardo poco dipendente dalle dimensioni della
  rete
• Ampiamente utilizzato negli anni 90 come
  backbone di reti LAN in ambito corporate o campus.

78
FDDI

• Velocità di trasmissione
• 125 Mb/s a livello fisico
• 100 Mb/s a livello Data Link
• Numero massimo di stazioni 500
• Lunghezza massima della rete 100 km
• Distanza massima tra due stazioni
• 100 m su rame
• 2 km su fibra multimodale
• gt 20 km su fibra monomodale

79
FDDI

• Topologia Logica anello monodirezionale
• Topologia fisica
• doppio anello controrotante
• albero
• doppio anello di alberi
• Protocollo daccesso (MAC) a token temporizzato
  è sostanzialmente unestensione del Token Ring
  IEEE 802.5
• Dopo aver acquisito il token una stazione
  trasmette
• traffico sincrono
• traffico asincrono (se rimane tempo)
• Per la protezione FDDI adotta la tecnica di
  ripiegamento di un anello a due fibre utilizzata
  anche da SONET/SDH

80
FDDI
La massima distanza tra due stazioni è 2 km per i
LED e 40 km per i laser
Tx
Rx
PLL
Medium Access Control
Elastic store
topologia a doppio anello
Local 100 MHz clock
Queue
81
FDDI

• Ogni nodo FDDI lungo lanello converte il signale
  dal dominio fotonico a quello elettronico, lo
  elabora e lo riconverte al dominio fotonico
• Le specifiche del livello fisico sono pensate per
  permettere implementazioni di basso costo
• trasmettitori con LED a bassa potenza e MMF
  graded index
• il bilancio di potenza lascia un ampio margine
  per perdite di inserzione e splicing

82
Formato del pacchetto FDDI
Data Frame
PA
SD
FC
SA
Data
FCS
DA
ED
FS
Token Frame
PA
SD
FC
ED

• PA (preamble) 16 simboli in codifica 4B/5B per
  agevolare la sincronizzazione (tale ridondanza
  richiede 125 Mbit/s al livello fisico)
• SD/ED (starting/end delimiter) due simboli
  riservati per delimitare il pacchetto
• FC (frame control) due simboli che definiscono
  il tipo di pacchetto
• DA (destination address)
• SA (source address)
• FCS (frame checking sequence) per rilevare gli
  errori
• FS (frame status)

83
Codifica di linea
codific. di linea (k,n)
decodif. di linea (k,n)
canale
k bits
n bits
n bits
k bits

• La codifica di linea per FDDI (e altre simili
  codifiche di linea) è basata su una tabella di
  corrispondenza tra blocchi di k bit di ingresso e
  n bit di uscita, ngtk
• Gli obbiettivi sono
• bilanciamento della continua (10 for 4B/5B,
  introducendo una penalizzazione inferiore a 1 dB)
• sincronizzazione dei clock (si garantisce un
  numero sufficiente di transizioni 0-1-0 nei
  simboli di canale)
• delimitazione pacchetti (simboli riservati di
  start e stop)
• La velocità sulla linea cresce di un fattore n/k
  rispetto ai bit di utente

84
Gigabit Ethernet

• Ethernet è un insieme di protocolli che ha
  dominato il mercato delle LAN
• La velocità di trasmissione originariamente era
  10 Mbit/s su cavo coassiale
• Ethernet è evoluta su diversi mezzi trasmissivi
  (coassiale, doppino, fibra) fino a 1 Gbit/s
  (Gigabit Ethernet), passando da trasmissioni nel
  dominio elettrico a trasmissioni su fibra
• E in fase di standardizzazione Ethernet a 10
  Gbit/s
• Ethernet, alle diverse velocità e per i diversi
  mezzi trasmissivi, è sempre stata standardizzata
  per permettere schede di interfaccia a basso
  costo, pensate per essere utilizzate in un PC

85
Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s

• Banda confrontabile con la velocità interna dei
  terminali
• Cavo coassiale condiviso
• Distanza limitata ( 1 km) da attenuazione e
  ritardi di propagazione
• Bassi costi dovuti a semplicità ed economia di
  scala
• Hub o switch banda e cavi condivisi o dedicati
  ai terminali

86
Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s
Collegamento, in cavo metallico o fibra ottica,
tra scatole. Se le scatole sono switch,
aumenta la banda, migliora la gestibilità, ma
abbiamo una rete a commutazione di pacchetto non
controllata. Protocollo Spanning Tree per
eliminazione cicli e recupero guasti.
87
Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s

• Le porte dello switch possono operare in
  half-duplex o full-duplex (un trasmettitore parla
  sempre con lo stesso ricevitore).
• Nel caso di full-duplex
• non serve un protocollo daccesso (Ethernet
  diventa una tecnica di framing e trasmissiva)
• i limiti di distanza sono puramente di tipo
  trasmissivo (possiamo raggiungere decine di
  chilometri)

88
Evoluzione di Ethernet
Capacità Mb/s 1 10 100 1,000
10,000
0.1 1
10 100
1000 Distanza km
89
Gigabit Ethernet

• Uso formato di trama 802.3
• Uso protocollo MAC CSMA-CD (trasmissione punto
  punto con switch)
• Operazioni half duplex e full duplex
• Backward compatibility con mezzi fisici già
  installati (fibre mono e multimodali, doppino)
• Aumenta di un fattore 10 dimensione minima di
  pacchetto con padding di simboli speciali
• Codifica 8B10B

90
Gigabit Ethernet

• IEEE 802.3z specifica tre tipi di interfaccie
  fisiche
• 1000Base LX fibra multimodale
• 1000Base SX fibra monomodale
• 1000Base CX cavo di rame schermato
• 1000Base T cavo STP o UTP (doppino in rame con 4
  coppie schermato o non)
• Utilizza la codifica di livello fisico di Fibre
  Channel, con le seguenti opzioni

standard

tipo di fibra
diametro
BW modale
distanza

(µm)

(MHz?km)

minima (m)

SX significa short-wavelength (850 nm)
1000BASE
-
SX

MM

62.5

160

2 to 220

(850 nm)

MM

62.5

200

2 to 275

MM

50

400

2 to 500

MM

50

500

2 to 550

1000BASE
-
LX

MM

62.5

500

2 to 550

LX significa long-wavelength (1300 nm)
(1300 nm)

MM

50

400

2 to 550

MM

50

500

2 t
o 550

SM

9

NA

2 to 5000



91
Livelli Gigabit Ethernet
Media Access Control (MAC)
Gigabit Media Independent Interface (GMII)
(optional)
MAC Layer
1000BASE-T Encoder/decoder
FibreChannel Encoder/Decoder (8B10B)
Physical Layer
1000BASE-LX LWL Fiber Optic
1000BASE-SX SWL Fiber Optic
1000BASE-T UTP Category 5
1000BASE-CX Shielded Balanced Copper
Lo standard Gigabit Ethernet specifica anche
altri livelli fisici per trasmissioni a corta
distanza, come doppini e cavi coassiali
SMF - 5km 50µ MMF - 550m 62.5µ MMF - 500m
50µ MMF - 550m 62.5µ MMF - 220-275m
25 m
100 m
802.3z physical layer
802.3ab physical layer
92
Modifiche al protocollo

• In modalità half duplex, slot minimo portato da
  64 a 512 bytes (se ho pacchetti piccoli le
  prestazioni sono basse)
• Collision domain di 200 m
• Solo topologie a stella
• Consente la tecnica frame bursting per
  mantenere il controllo del canale fino ad un
  massimo di 8192 bytes (lestensione della
  lunghezza minima del pacchetto è necessaria solo
  per il primo pacchetto)

93
Buffered Distributor

• Dispositivo che remotizza (rispetto al PC) il
  sottolivello MAC
• Opera sempre in full duplex
• Implementa un controllo di flusso tra il PC e il
  concentratore e memorizza localmente le trame
  fino a quando non riesce a trasmetterle
• Rende la massima distanza delle stazioni
  indipendente dal protocollo

94
Tipici 1 Gigabit Optical XCVRs
1x9
GBIC
Pluggable
SFP
Pin in Hole
SFF
95
10 Gigabit Ethernet

• Un comitato IEEE 802.3 è attivo nella
  standardizzazione di 10 Gbit/s Ethernet
• Solo la modalità full duplex, senza CSMA-CD
• Soluzioni proposte
• Seriale, con framing Ethernet, su distanze da LAN
  fino a 40 Km
• 650 m su fibra multimodo (MMF)
• 300 m su MMF installata
• 2 km su fibra monomodo (SMF)
• 10 km su SMF
• 40 km su SMF
• Seriale, su SONET, per distanze maggiori di 40 Km
• Per maggiori informazioni
• www.10gea.org
• www.ieee802-org

96
Obiettivi IEEE P802.3ae

• Mantenere il formato di trama di 802.3 Ethernet
• Mantenere le dimensioni min/max del frame 802.3
• Funzionamento solo Full duplex
• Supportare solo cavi in fibra ottica
• 10.0 Gbps allinterfaccia MAC-PHY
• Capacità in ambiente LAN PHY di 10 Gbps
• Capacità in ambiente WAN PHY di 9.29 Gbps
  (compatibile con SONET)

97
Layer Model
Livelli P802.3ae
Higher Layers
Modello di riferimento OSI
LLC
MAC Control
MAC
Applicazione
Reconciliation Sublayer (RS)
Presentazione
XGMII
XGMII
XGMII
Sessione
64B/66B PCS
Trasporto
64B/66B PCS
8B/10B PCS
WIS
Rete
PMA
PMA
PMA
Collecamento
PMD
PMD
PMD
Fisico
MDI
MDI
MDI
MEDIUM
MEDIUM
MEDIUM
MDI Medium Dependent Interface XGMII 10
Gigabit Media Independent Interface PCS
Physical Coding Sublayer PMA Physical Medium
Attachment PMD Physical Medium Dependent WIS
WAN Interface Sublayer
10GBASE-R
10GBASE-X
10GBASE-W
10GBASE-R collegamenti su fibra punto
punto 10GBASE-W compatibile con standard
SONET 10GBASE-X usa WDM, 4 l a 2.5G in parallelo
98
Primi 10 Gigabit Optical XCVRS
XENPACK
XGXS
FTRX
99
RPR IEEE 802.17

• Tecnologia di livello 2 per reti metropolitane di
  trasporto
• Basata su anello condiviso con riuso spaziale
• Offre protezione di livello carrier class
  basata su anelli
• Servizio con QoS diversa su un unica
  infrastruttura fisica
• Ridotto costo di gestione
• Alta capacità
• MAC indipendente dal livello fisico si adatta ai
  livelli fisici di Ethernet o SONET

100
Tecnologia convergente
Mantenere gli standard di RPR semplici e lasciare
ai costruttori la possibilità di differenziare i
prodotti
Data
TDM
Video
Service Intelligence (Adaptation, QoS, protocols)
Vendor Specific
Ring Operations (Forwarding, Topology, Fairness,
Protection)
802.17 Specific
Bound Scope
Optical Transmission Choice (Ethernet, SONET,new
ones)
PHY Specific
Mantenere le operazioni indipendenti dal livello
fisico
101
Resilient Packet Ring

• Doppio anello controrotante
• Entrambi gli anelli sono operativi in condizioni
  di normale funzionamento
• Procedure di Topology Discovery consentono ai
  nodi di conoscere lidentità e la posizione lungo
  lanello degli altri nodi
• Sono previsti tre tipi di pacchetti
• Data (di dimensione variabile fino a 9218 byte)
• Control (per Topology Discovery e Protection)
• Fairness (per comunicare le richieste di banda
  tra nodi)

102
Resilient Packet Ring

• Tre classi di servizio
• Classe A servizi garantiti in termini di banda e
  ritardo
• Classe B servizi con garanzia di banda ma
  vincoli di ritardo meno stringenti
• Classe C best-effort
• Recupero di guasti entro 50 ms (come SDH)
• Steering si cambia linstradamento alla sorgente
• Wrapping ripiegamento dellanello ai bordi del
  guasto (come 11)

103
Resilient Packet Ring

• Accesso basato su buffer insertion multiclasse

PTQ primary transmission queue STQ secondary
transmission queue
104
Controllo di equità

• Prenotazione e controllo di accettazione delle
  richieste per il traffico garantito
• Priorità nellaccesso e nel transito tra diverse
  classi di traffico
• Shaping mediante token bucket
• Scambio controrotante di messaggi di controllo
  tra i nodi per notificare la congestione e per
  concordare un utilizzo equo della banda per il
  traffico non garantito

105
RPR il meglio dai due mondi
SONET
Ethernet
RPR
Y

• Accesso equo alle risorse
• Alta efficienza sui anelli bidirezionali
• Latenza e jitter controllati
• Protezione in 50 millisecondi
• Ottimizzato per trasporto dati
• Economicamente valido per trasporto dati

Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
106
RPR Alliance Members