Reti Fotoniche (Optical Networks)

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Reti Fotoniche(Optical Networks)

• Fabio Neri Marco Mellia
• 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
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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

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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

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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 connettorizzazione e
  interfacciamento
• dispersioni
• effetti non lineari

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Attenuazione delle fibre
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Optical fiber
Infrared absorption
Attenuation (dB/km)
1.0
Rayleigh scattering
0.1
UV absorption
0.01
800
1000
1200
1400
1600
1800
Wavelength (nm)
Prima finestra 850 nm a1.2 dB/Km
Seconda finestra 1300 nm a0.4 dB/Km
Terza finestra 1550 nm a0.2 dB/Km
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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 nellaccesso e nei
  collegamenti metropolitani.

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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 in parte o totalmente 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 linformazione dal dominio fotonico
  al dominio elettronico.

8
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 reti a
  commutazione di circuito
• 3a generazione instradamento e commutazione di
  pacchetti ottici?

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Il fascino del prisma
?g(1)
?bianco
?v(1)
?g(2)
?verde
?v(2)
?g(1)
?rosso
?v(2)
?v(1)
?g(2)
?giallo
E un commutatore interamente ottico molto
economico operante su una banda enorme!
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Perché le reti ottiche?

• richiesta e disponibilità di banda raddoppiano
  ogni 9 mesi

• la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi
  (legge di Moore)

?
I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere
sempre più nella commutazione e sempre meno nella
banda trasmissiva.
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La banda non è più un limite
12
Perché le reti ottiche?
traffico dati pari a 23 volte il traffico voce
traffico dati pari a 5 volte il traffico voce
Il traffico Internet stimato negli USA per il
2001/2002 è di 35 Tb/s.
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Limiti delle reti ottiche

• I problemi principali delle reti ottiche
  derivano
• dallassenza 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
  dellinformazione nel dominio fotonico
• dal costo (in tutti i sensi) dellinterfacciamento
  verso il mondo fotonico
• da limiti a livello trasmissivo nel caso di
  collegamenti ottici riconfigurabili (tecnologia
  giovane)

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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

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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

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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 donda
• 128 2.5 Gbit/s
• 32 10 Gbit/s
• SDM divisione di spazio (più fibre nello stesso
  
• cavo, o cammini diversi nella stessa rete)
• CDM/OCDM divisione di codice

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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, 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).

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Evoluzione delle trasmissioni
rigeneratore
MMF
RX
da 50 a 100 Mb/s
LED
1960 1970 1980 1990
10 km
P
SMF
1.3 mm MM laser
RX
da 100 Mb/s
50 km
a 1 Gb/s
l
SMF
1.55 mm SM laser
RX
da 2.5 Gb/s
100 km
a 10 Gb/s
SM DFB laser l1
RX
EDFA
SMF
SM DFB laser l2
MUX
DeMUX
RX
100s km
SM DFB laser l3
RX
19
Evoluzione delle trasmissioni

• nuvola di vetro

2000 ?
20
Tipologie di reti ottiche

• Si possono identificare due categorie di reti
  ottiche
• conversione di
• lunghezza donda?
• reti single-hop reti multi-hop
• (es. reti broadcast-and-select) (es. reti
  wavelength routing)

?1
?2
?3
TX/RX
WDM crossconnect
?1 ?2 ?3
?1 ?2 ?3
lightpath
?2
?1
?1 ?2 ?3
TX/RX
TX/RX
?1
?2
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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 daccesso (Passive Optical Networks - PON)

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Stato dellarte 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)

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Commutazione di circuito

• La rete usa le risorse disponibili per allocare
  un circuito a ogni richiesta di servizio
• Il circuito è di uso esclusivo dei due utenti per
  tutta la durata della comunicazione
• Le risorse sono rilasciate solo al termine della
  comunicazione, su indicazione degli utenti

• Vantaggi
• ritardi di trasferimento costanti e limitati
• Svantaggi
• risorse dedicate a una comunicazione
• tariffazione in base al tempo di esistenza del
  circuito

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Commutazione di circuito

• Esempio rete telefonica
• Un circuito costituisce un collegamento fisico
  tra i due terminali di utente

6. Riceve dati
5. Trasmette dati
4. Chiamata accettata
3. Accetta chiamata
1. Inizia chiamata
2. Chiamata in ingresso
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Commutazione di pacchetto

• La commutazione di circuito prevede di allocare
  rigidamente delle risorse ad una comunicazione su
  base richiesta lefficienza può essere bassa
• Idea
• Spezzo linformazione in più segmenti
• Trasmetto un segmento, impegnando le risorse,
  solo quando questo è pieno
• Le risorse vengono allocate dinamicamente a
  diverse comunicazioni

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Commutazione di pacchetto

• Non si allocano risorse per luso esclusivo di
  due o più utenti
• Studiata espressamente per sorgenti intermittenti
• Funzionamento analogo al sistema postale

P.T.
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Commutazione di pacchetto

• Linformazione da trasferire è organizzata in
  unità dati (PDU) che comprendono informazione di
  utente (SDU) e di controllo (PCI)

• Vantaggi
• utilizzazione efficiente delle risorse anche in
  presenza di traffico intermittente
• controllo di correttezza lungo il percorso
• tariffazione in funzione del traffico trasmesso
• possibilità di conversioni di velocità, formati,
  protocolli
• Svantaggi
• elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo
• ritardo di trasferimento variabile

PDU
PCI SDU
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Commutazione di pacchetto

• Nascono delle contese
• Si risolvono tramite memorizzazione

• Sistema postale
• Se il furgone è pieno, il pacco rimane in ufficio
  (e parte con il prossimo furgone)

Commutatore
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Commutazione di pacchetto

• In caso di congestione la rete scarta pacchetti
• Occorre prevedere dei meccanismi di
  ritrasmissione per offrire servizi affidabili

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Commutazione in Internet

• longest-prefix-matching sullindirizzo 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

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Circuiti o pacchetti?

• Commutazione di circuito
• allocazione totale e preventiva di risorse
• commutazione posizionale
• Commutazione di pacchetto
• allocazione parziale di risorse
• commutazione di etichetta

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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
• cè ampia disponibilità di banda
• grazie al WDM la topologia è ricca e flessibile

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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