Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino [email protected]
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Indice (II)Indice (II)
Esempi di reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing
Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici
Cenni a reti d’accesso
Commutazione ottica di pacchetti
Architetture di protocolli per reti ottiche
Cenni a gestione e affidabilità
Reti wavelength routing (WR)Reti wavelength routing (WR)
Sono architetture di rete WDM che instradano e commutano informazione nel dominio ottico sulla base delle lunghezze d’onda.
Iniziamo con un esempio, modificando progressivamente una rete a circuito di prima generazione (con trasmissioni punto-punto su fibra ottica).
Queste comprendono tipicamente anelli in tecnologia SONET/SDH, oggi operanti tipicamente a 2.5 Gb/s (OC48-STM16). I dispositivi di interconnessione sono add-drop multiplexer (ADM) e digital cross-connect (DCS).
ADM=Add-Drop MultiplexerDCS=Digital Cross-Connect
Reti wavelength routingReti wavelength routing
Se il traffico aumenta:A B C D
A -- 1 2 1B 1 -- 1 2C 2 1 -- 1D 1 2 1 --
possiamo passare a WDM.
Reti wavelength routingReti wavelength routing
La matrice di traffico normalizzata è la seguente:A B C D
A -- 0.25 0.25 0.5B 0.25 -- 0.25 0.5C 0.25 0.25 -- 0.5D 0.5 0.5 0.5 --
Reti wavelength routingReti wavelength routing
Reti wavelength routingReti wavelength routing
L’instradamento diventa:
flusso lungh. d’onda# di OC-48 AB 1 1 BD 1 1 AD 1 1 AC 2 2 BC 3 1 BD 3 1 CD 3 1
con 3 lunghezze d’onda.
Reti wavelength routingReti wavelength routing
Abbiamo costruito una topologia logica su una topologia fisica, costruendo dei lighpath ottici.
Reti wavelength routingReti wavelength routingPer gestire cambi di traffico e per offrire protezione, possono utilizzare commutatore ottici.
Reti wavelength routingReti wavelength routing
Si usano cross-connect ottici (Optical Cross-Connect - OXC o Wavelength Cross-Connect - WXC) con collegamenti in fibra.
La rete fornisce “cammini di luce” (lightpath - bandwidth pipe) tra coppie di nodi. Fino a un centinaio di lightpath per fibra.
B
A
E
C
D
1 1
2
lightpath
WDM cross-connect
Bisogna decidere accuratamente l’allocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale.
Strato otticoStrato ottico
Una rete wavelength routing costituisce uno strato ottico che offre lightpath agli strati superiori.
Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili.
Caratteristiche:• trasparenza• riutilizzo spaziale delle frequenze• affidabilità (riconfigurazione in caso di guasto)
Conversione di Conversione di Possiamo utilizzare convertitori di lunghezza d’onda, che
consentono di utilizzare meglio le risorse di rete e agevolare l’interconnessione di reti diverse.
B
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C
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11
2
3
Conversione di Conversione di
Diversità spazialeDiversità spaziale
Sovente abbiamo diverse fibre nello stesso cavo. Questa diversità spaziale è equivalente a diversità di lunghezza d’onda, scambiando commutatori con convertitori di lunghezza d’onda.
1
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fibra 1 fibra 1
fibra 2fibra 2
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fibra 1 fibra 1
switch -converter
Wavelength Cross-ConnectWavelength Cross-Connect
WDM cross-connect
network elementmanager
porte locali
porte di dorsaleporte di dorsale
I cross-connect ottici possono offrire diversi livelli di trasparenza (= rigenerazione):
• 1R: solo ricezione e ritrasmissione dei segnali ottici• 2R: con risagomatura dei segnali • 3R: con ritemporizzazione e risagomatura dei segnali
Wavelength Cross-ConnectWavelength Cross-Connect
1
2
M
…
wavelengthdemux
1
2
M
…
wavelengthmux
12 W
12 W
12 W
12 W
12 W
12 W
electroniccross
connect
…
…
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…
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transmitters
…
…
…
…
…
…
receivers
Wavelength Cross-ConnectWavelength Cross-Connect
1
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M
…
wavelengthdemux
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M
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wavelengthmux
12 W
12 W
12 W
12 W
12 W
12 W
opticalswitch
…
…
…
…
…
…
…
…
…
wavelengthconverters
Wavelength Cross-ConnectWavelength Cross-Connect
1
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M
…
demux switch
…
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M
…
mux
12 W
12 W
12 W
12 W
12 W
12 W
1
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W
Wavelength Cross-ConnectWavelength Cross-ConnectTecnologia realizzativa Ottica
Elettronica
Trasparenza sì difficileConversione di difficile più facileBit rate > 10 Gb/s 10 Gb/sDimensione crossconnect piccola grandeProgetto strato fisico difficile più facileMonitoraggio limitato completoComponenti richiesti:
mux/demux sì sìcommutatori ottici sì nocommutatori elettronici no sìtrasmettitori/ricevitori no sìconvertitori di forse no
Le realizzazioni ottiche sono in prima istanza insensibili al bit rate, ma richiedono 3R nel dominio fotonico.
Le realizzazioni elettroniche costano meno (per ora).
Wavelength Cross-Connect: costruttoriWavelength Cross-Connect: costruttori
• Brightlink Networks Inc. http://www.corvia.com• Ciena Corporation http://www.ciena.com• Cisco Systems Inc. http://www.cisco.com• Nortel Networks http://www.nortelnetworks.com• Tellium Inc. http://www.tellium.com• Sycamore Networks http://www.sycamorenet.com
• Astarté Fiber Networks Inc. http://www.starswitch.com• Corvis Corporation http://www.corvis.com• ilotron Ltd. http://www.ilotron.uk• Lucent Technologies http://www.lucent.com• Siemens AG http://www.siemens.com• Alcatel SA http://www.alcatel.com
Indice (II)Indice (II)
Esempi di reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing
Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici
Cenni a reti d’accesso
Commutazione ottica di pacchetti
Architetture di protocolli per reti ottiche
Cenni a gestione e affidabilità
RiconfigurabilitàRiconfigurabilità
Le reti wavelength routing possono essere:• statiche: minori costi, minor flessibilità, minor
affidabilità• riconfigurabili: maggiori costi, maggior flessibilità,
maggiore affidabilità
Una rete statica è descrivibile con una matrice di connettività o con un (multi)grafo bipartito.
Reti WR staticheReti WR statiche
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mux demux
coupler coupler
WXC statico grafo bipartito
Reti WR staticheReti WR statiche
Un nodo non può ricevere (trasmettere) simultaneamente sulla stessa lunghezza d’onda da (a) più nodi.
Si può mostrare che, in presenza di una sola coppia trasmettitore/ricevitore per nodo, occorrono non più di
(n!)1/2n n/e lunghezze d’onda, dove n è il numero di nodi, supponendo che sia possibile completa conversione di lunghezza d’onda nella rete.
Per esempio, con 1000 nodi, possono bastare 1000/e=20 lunghezze d’onda.
Reti WR riconfigurabiliReti WR riconfigurabili
Agilità in frequenza e commutazione spaziale (cioè numero di lunghezze d’onda e numero di stadi di commutazione) sono equivalenti.
Si possono affrontare due problemi:• Logical (Virtual) Topology Design (LTD)• Routing and Wavelength Assignment (RWA)
Problemi di progetto Problemi di progetto in reti WRin reti WR
Problema di Routing and Wavelength Assignment (RWA): Data una topologia di rete e un insieme di richieste di lightpath (end-to-end), trovare l’instradamento e la/e lunghezza/e d’onda per ogni lightpath minimizzando il numero di lunghezze d’onda utilizzate.
Problema di Logical Topology Design (LTD): Data una matrice di richieste di traffico tra nodi di una rete, trovare un insieme di lightpath “ottimale” (in termini di costi e/o prestazioni).
Wavelength AssignmentWavelength Assignment
Il problema di Wavelength Assignment è simile al problema RWA, ma gli instradamenti sono definiti.
Dato un insieme di richieste di lightpath e di instradamenti, se li è il numero di lightpath sul canale i della topologia, il carico (load) della rete è definito come L=maxi li.
Il problema diventa banale in presenza di conversione di lunghezza d’onda: L lunghezza d’onda sono sufficienti. Altrimenti ne occorrono di più.
Routing and Wavelength Routing and Wavelength AssignmentAssignment
Abbiamo un lightpath da i a n-i+1 (n=5 nell’esempio).
Senza conversione occorrono comunque n lunghezza d’onda.
Con conversione e routing opportuno possiamo avere due lightpath per canale; quindi due lunghezze d’onda sono sufficienti.
t1
t2
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t5
r1
r2
r3
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r5
WA e colorazione di grafiWA e colorazione di grafi
Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete.
3 2
0
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1-0-2
1-0-3 2-0-3
Grafo della rete Grafo dei lightpath
Colorazione di grafiColorazione di grafi
Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete.
Problema della colorazione del grafo: ogni nodo deve avere un colore diverso dai suoi vicini. Il minimo numero di colori si chiama numero cromatico del grafo.
Il problema della colorazione dei grafi è NP-completo anche se esistono buoni algoritmi ottimi in casi particolari e diverse euristiche.
RWA su anelliRWA su anelli
Gli anelli sono le più semplici topologie biconnesse e sono stati adottati da diversi standard, quali FDDI e SONET/SDH.
Ci sono solo due instradamenti possibili (orario e antiorario) per ogni lightpath. E’ possibile ottenere minimo carico L con un instradamento non a distanza minima e carico 2 L con un instradamento a distanza minima.
E’ facile trovare soluzioni al problema WA in un anello con carico L utilizzando non più di 2L-1 lunghezze d’onda.
WA su anelliWA su anelli
taglio
1
32
insieme dei lighpath
assegnazione “greedy” delle più una per ogni lighpath tagliato
taglio su un nodo con numero minimo di lightpath in transito
WA su diverse topologieWA su diverse topologie
Topologia Tipo di conversione
nessuna fissa piena limitata
arbitraria min[(L-1)D+1, L L (2L-1)M-L+2]
anello 2L-1 L+1 L L
stella 3L/2 L L
albero 3L/2 L
RWA e conversione di RWA e conversione di
Abbiamo visto che la disponibilità anche limitata di conversione di lunghezza d’onda può ridurre di molto il numero di lunghezze d’onda se vogliamo servire off-line un insieme di richieste senza perdite.
Nel caso di richieste on-line che variano statisticamente, accettando una certa probabilità di blocco delle richieste, il guadagno portato dalla conversione di lunghezza d’onda appare invece limitato nella maggior parte dei casi studiati (principalmente con simulazione) in letteratura.
Logical Topology DesignLogical Topology Design
Gli strati superiori dell’architettura (per esempio ATM o SONET/SDH) vedono un lightpath come un collegamento “fisico” tra i loro nodi.
Chiamamo fisica la topologia vista dallo strato ottico e logica la topologia vista dagli strati (elettronici) superiori.
canale in fibra
lightpath
4 3
1 2
WXC ottico
switch ATM
1 3 4 2
topologia logica
lightpath
topologia fisica
Progetto della topologiaProgetto della topologia
I problemi di progetto della topologia logica e di progetto della topologia fisica sono tra di loro accoppiati.
Nella pratica di norma si risolve prima il problema del progetto della topologia logica (LTD), poi si progetta la topologia fisica (se non data) e infine si risolve il problema RWA.
Sovente si è nella situazione in cui l’infrastruttura di rete (topologia fisica) è posseduta e controllata da un fornitore di servizi (che affronta il problema RWA), che vende connessioni ATM o SONET/SDH ai propri clienti (che affrontano il problema LTD).
Logical Topology DesignLogical Topology Design
Obbiettivo nel progetto della topologia logica è la minimizzazione del costo, trovando il miglior compromesso tra costo dei lightpath (includendo il costo della loro commutazione) e costo di commutatori a livello SONET/SDH o ATM, sovente con vincoli sull’affidabilità della rete.
E’ possibile dare una formulazione in termini di problemi di programmazione lineare mista del problema LTD.
Vista la complessità della soluzione, sono state proposte e vengono utilizzate tecniche euristiche.
Euristiche di LTD e RWAEuristiche di LTD e RWA
Vedi “Progetto di Topologia Logica in una Rete WDM con Topologia Fisica Arbitraria”
Wavelength Routing TestbedsWavelength Routing Testbeds