WDM

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WDM all optical networks
Seminar neue Übertragungstechniken und
Protokolle im Internet

• Von Christian Lageman

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Grundlagen

• WDM Wavelength Division Multiplexing
• Frequenzmultiplex auf Glasfaserkabel

• statt einer Wellenlänge werden mehrere zur
  Übertragung verwendet ( mehrere Farben)

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Grundlagen 2

• Meist 200nm Bereich um 1300nm und 1550nm nutzbar
  (von Faser abhängig)
• Gesamtkapazität von Glasfaser liegt im 50 Terabit
  Bereich
• Mindestabstand zwischen Wellenlängen, abhängig
  von eingesetzten Komponenten und physikalischen
  Effekten
• Einzelne Kanäle (Wellenlängen) meist im Bereich
  2,5 Gbps bis 10 Gbps

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Grundlagen 3

• Heute mehrere Hundert Wellenlängen möglich (laut
  Lucent)
• DWDM dense WDM, viele, dicht liegende
  Wellenlängen (Abstand lt 1nm )
• Standards zum Teil noch in Arbeit (ITU-T u.s.w.)
• Funktionale Anforderung an rein optisches Netz
  schon standardisiert, ITU-T G.872

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Direkte Vorteile

• Einzelne Kanäle niedrigere Bandbreite als gesamte
  Faser billigere Komponenten
• Ausnutzung der Gesamtbandbreite technisch
  einfacher
• Einfache Kapazitätserhöhung bestehender Strecken

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Elemente eines WDM Systems

• Sender
• Laser fester oder einstellbarer Wellenlänge
• Empfänger
• feste oder einstellbare Wellenlänge
• Verstärker
• verstärken ganzen Wellenlängenbereich, Bandbreite
  von Typ abhängig
• Nur Signalenergie wird erhöht, keine Regeneration
• Wellenlängenmultiplexer / -demultiplexer
• Multiplexer fassen Signale verschiedener
  Wellenlängen zu einen Signal zusammen
• Demultiplexer trennt Signal nach Signalen
  verschiedener Wellenlängen auf

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Elemente 2

• Wellenlängenkonverter
• Ändert die Wellenlänge eines Signals
• Filter
• Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen
• Auch einstellbare Filter möglich
• Verzögerungsleitungen
• Verzögern Signal
• wirken wie optischer Puffer
• 2x2 Schaltelemente
• Schalten Signale (alle Wellenlängen !) gerade
  oder quer durch

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Wellenlängen Switch

• Schaltet Wellenlängen von Eingangsfasern auf
  (andere) Wellenlängen von Ausgangsfasern durch
• Primitiv passiver Stern (passive star)
• Nicht konfigurierbare, implementiert durch WGR
  (waveguide grating router)
• Konfigurierbare OXC (optical crossconnect), WRS
  (wavelength routing switch)

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Add-/Drop Multiplexer

• OADM (optical add/drop multiplexer), WADM
  (wavelength add/drop multiplexer)
• Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen von
  Faser und ersetzt sie durch andere Signale

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Paket Switching

• Zur Zeit nur rein herkömmlich elektronisch
• Ziel rein optisches Paket Switching
• Zwischenschritt Kombination von elektronischer
  Steuerung und rein optischen Datenpfad
• Mit heutigen Techniken langsam unnötiges Paket
  Switching vermeiden

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Optisches Routing Lichtpfade

• Wie stellt man in einen WDM Netz Verbindungen her
  ?
• Gedanke Lichtpfade
• Reserviere entlang eines Pfads in Netz von Quelle
  zu Ziel eine Folge von Wellenlängen, auf jeder
  Punkt zu Punkt Verbindung genau eine
• Routet man Signale von Quelle zum Ziel über diese
  Wellenlängen, so erhält man eine Punkt zu Punkt
  Verbindung von der Quelle zum Ziel
• Dies entspricht einer Durchschaltevermittlung !

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Lichtpfade 2

• Da Wellenlängen reserviert, keine Benutzung durch
  andere Verbindungen
• Damit kein Paket Switching innerhalb dieses
  Pfades nötig !
• Routing über direktes Durchschalten der
  Wellenlängen auf andere Fasern/Wellenlängen
  mittels OXCs
• Empfangen/Einspeisen der Signale über OADMs

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Beispiel
3 Wellenlängen
Gelbe Knoten Sollen mit allen anderen verbunden
werden
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Lichtpfade 3

• Manchmal keine Wellenlängenumwandelung
  (wavelength continuity constraint)
• Lichtpfade legen über die physikalische Topologie
  des Netzes eine virtuelle Topologie
• Nicht alle Knoten müssen direkt per Lichtpfade
  verbunden sein, dann teilweise Paket Switching /
  TDM in Knoten

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Wieder Beispiel
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Konstruktion von Lichtpfaden

• Ziel Konstruktion einer virtuellen Topologie (
  Lichtpfade) und Zuweisung von Wellenlängen an die
  Lichtpfade im physikalischen Netz
• Vollständige Vermaschung als virtuelle Topologie
  meist nicht nötig/möglich
• Paket Switching also nötig, möglichst selten
  Hopzahl der Pakete gering halten
• Wellenlängen pro physikalische Verbindung
  beschränkt
• Verkehrsmatrix ( Matrix der Verkehrsrate von
  Knoten zu Knoten) gegeben

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Konstruktion 2

• Konstruktion als Optimierungsproblem
• Gegeben Verkehrsmatrix, physikalische
  Verbindungen,Verzögerung pro Verbindung,
  Wellenlängen pro Verbindung
• Kostenfunktion Verzögerung des Verkehrs
• Ziel virtuelle Topologie mit minimalen Kosten
  aufstellen
• Problem NP-hart !

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Konstruktion 3

• Zielfunktion nicht linear, kann aber durch
  Einschränkungen linear gemacht werden (nur
  Hopzahl minimieren)
• Heuristiken für Optimierungsprobleme benutzbar
  (Simulated Annealing etc.)
• Ansatz Zerlegung in
• Bestimmung geeigneter virtuellen Topologie
• Optimales Routing der Lichtpfade und
  Wellenlängenzuweisung

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Pro- Contra

• Vorteile
• Direkte Verbindungen zwischen Knoten ohne Paket
  Switching schnell
• Flexibilität durch virtuelle Topologie
• Nachteile
• Optimale Lichtpfade schwierig zu berechnen,
  Probleme bei schneller Reaktion auf veränderte
  Verkehrsparameter
• Bei hoch varianten Verkehr keine optimale
  Ausnutzung der Bandbreite Verschwendung und
  Überlastprobleme, vor allem bei paketorientierten
  Protokollen
• Gegenmaßnahme Paket Switching, macht Vorteile
  kaputt

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MPLS für XXX over WDM

• Hier Multiprotocol Lambda Switching
• Protokoll XXX (ATM, IP etc.) läuft über WDM
  mittels MPLS
• Grundgedanke wie normales MPLS (multiprotocol
  label switching)
• Wellenlängen als Label
• Somit
• Kein direktes Stapeln von Labels
• Laut Literatur kein Label Zusammenfassen
• Lichtpfad entspricht Label Switched Path

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MPLS 2

• OXC entspricht label switching router
• Labelstapel lassen sich durch Benutzung von Paket
  Switches implementieren
• Stapel wird Paket hinzugefügt
• Wellenlänge oberstes Label
• Traffic engineering wie bei normalen MPLS durch
  OXC mit geeigneter Steuerung

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Pro Contra

• Vorteile
• Approximation des Optimierungsproblems bzw.
  Verschieben des Problems auf MPLS Ebene
• Bessere Reaktion auf Lastveränderung (MPLS
  abhängig)
• Allgemein Vorteile des Lichtpfadansatzes
• Nachteile
• Bandbreitenverschwendung (Überlastprobleme) bei
  Konzentration auf Wellenlängenrouting
• U.U. variable Paketlängen, macht optisches Paket
  Switching schwierig

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Optische Wrapper

• Ziel Übertragung auf WDM Ebene soll möglichst
  flexibel sein
• Idee Nimm Datenstrom beliebigen Protokolls
  (Netzwerkebene und tiefer) und lege einen Mantel
  (Wrapper) um sie, der Steuerinformationen für WDM
  Schicht enthält
• Technologie von Lucent
• Standardisierung im T1 Forum/ITU läuft noch

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Wrapper 2
Nutzdaten
Kanal- overhead
FEC

• Containergrösse 4080 Bytes
• Kanaloverhead 16 Byte, Leitungsinformationen
  etc., kann über mehrere Rahmen hinweggehen
• FEC forward error correction, Fehlerkorrektur,
  256 Byte

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Wrapper 3

• Trick Die Nutzdatenbytes dienen nur als
  Platzhalter
• An ihrer Stelle kann beliebiges digitales Signal
  konstanter Bitrate stehen
• Bitrate natürlich begrenzt
• Einfacher Transport verschiedener Protokolle über
  WDM Netz
• Auch Einspeisung ins Netz einfach !

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Wrapperaufbau
Übertragungsrichtung
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Wrapper MPLS

• Die Wrapper Technologie ist mit MPLS verträglich
  (lambda switching)
• Aber keine Label Stapel in Paketen mehr ! (auf
  WDM Ebene)
• Im T1 Forum gab es schon Vorschläge zu ASONs
  (automatically switched optical networks)

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Pro Contra

• Vorteile
• Extrem flexibel
• Kann Vorteile von MPLS/Lichtpfaden erben
• Gut geeignet für optisches Paket Switching
• Nachteile
• Mehr Overhead

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DTP

• Dynamic Paket Transport, SRP (Spatial Reuse
  Protokoll) Zugriffsprotokoll
• Von Cisco
• Nur Ringstrukturen, mehrere Ringe werden durch
  einzelne Router verbunden
• Nur für IP Verkehr, Paket Switching, rein
  elektronisch
• Für IP aufgebohrter SDH Nachfolger

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Entwicklung der optischen Übertragung
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Informationen

• Literatur
• Optical Communication Networks, Biswanath
  Mukherjee, McGraw-Hill
• Internet
• www.t1.org Optical Wrapper Vorschläge
• www.ietf.org Multiprotocol Lambda Switching
  (nach optical suchen, Draft von Awduche)
• http//www.lucent.com/ideas/perspectives/bltj/
  Bell Labs Technical Journal
• http//www.cis.ohio-state.edu/jain/ Raj Jain
  Homepage
• http//www.cisco.com/warp/public/cc/cisco/mkt/serv
  prod/opt/dpt/index.shtml Ciscos DTP