(Optical Networks) Argomenti del corso. Testi di riferimento. Fibre ottiche. Attenuazione delle fibre. Fibre ottiche

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1 Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri & Marco Mellia Gruppo Reti -networks.polito.it/ Sito del corso -networks.polito.it/ mellia/corsi/ Argomenti del corso Che cosa sono le reti ottiche? erché le reti ottiche? Tipologie di reti ottiche Reti ottiche di prima generazione: Commutazione di circuito: Sonet/SDH : Gigabit Ethernet Storage area networks: Fibre Channel Reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing Cenni a reti d accesso e commutazione ottica di pacchetti Architetture di protocolli per reti ottiche Cenni a gestione e affidabilità olitecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica Testi di riferimento Fibre ottiche 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 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 Attenuazione delle fibre Fibre ottiche Attenuation (db/km) Rayleigh scattering Optical fiber Infrared absorption 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 UV absorption Oggi abbiamo disponibilità di banda in ambito privato (es. Ethernet) e sulle dorsali (es. SONET/ SDH), ma non nell accesso e nei collegamenti metropolitani. rima finestra 850 nm a=1.2 db/km Wavelength (nm) Seconda finestra 1300 nm a=0.4 db/km Terza finestra 1550 nm a=0.2 db/km

2 Reti ottiche Reti ottiche Le fibre ottiche sono il mezzo trasmissivo più utilizzato per distanze superiori a qualche chilometro e velocità di trasmissione superi ori alle centinaia di Mbit/s. 1 a generazione: le fibre sostituiscono il rame come mezzi trasmissivi (SONET/SDH, FDDI, GbEthernet) 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. 2 a generazione: instradamento e commutazione realizzati nel dominio ottico reti a commutazione di circuito Così facendo esse cercano di evitare il collo di bottiglia elettronico, cioè la diminuizione di prestazioni che inevitabilmente si incontra riconvertendo l informazione dal dominio fotonico al dominio elettronico. 3 a generazione: instradamento e commutazione di pacchetti ottici? Il fascino del prisma erché le reti ottiche? λ bianco λ verde λ rosso iallo λ v (2) λ v (2) (2) λ v (2) λ v richiesta e disponibilità di banda raddoppiano ogni 9 mesi la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi (legge di Moore)? 200 E un commutatore interamente ottico molto economico operante su una banda enorme! I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere sempre più nella commutazione e sempre meno nella banda trasmissiva. La banda non è più un limite erché le reti ottiche? carico relativo traffico dati pari a 23 volte il traffico voce traffico dati pari a 5 volte il traffico voce voce dati Il traffico Internet stimato negli USA per il 2001/2002 è di 35 Tb/s.

3 Limiti delle reti ottiche Applicazioni in Internet I problemi principali delle reti ottiche derivano: dall assenza 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 dell informazione nel dominio fotonico dal costo (in tutti i sensi) dell interfacciamento verso il mondo fotonico da limiti a livellotrasmissivo nel caso di collegamenti ottici riconfigurabili (tecnologia giovane ) 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 I di tipo best -effort ; es. , elaborazione batch, caching web distribuito Traffico in Internet Tecniche di multiplazione 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 TDM OTDM WDM SDM CDM/OCDM divisione di tempo; fino a 40 Gbit/s divisione di tempo ottica; multiplazione ottica di flussi TDM p.es Gbit/s = 160 Gbit/s divisione di lunghezza d onda Gbit/s Gbit /s divisione di spazio (più fibre nello stesso cavo, o cammini diversi nella stessa rete) divisione di codice Tecniche di multiplazione Evoluzione delle trasmissioni Le tecniche WDM sono più naturali nel dominio fotonico. MMF rigeneratore 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. ossiamo avere lightpath trasparenti (tutto ottici) o opachi (che ammettono 3R, 2R, o 1R, in ottica o in elettronica) LED l 1.3 µ m MM laser l 1.55 µ m SM laser l SM DFB laser λ 1 l SM DFB laser λ 2 SM DFB laser λ 3 MUX 10 km SMF 50 km SMF 100 s km SMF 100 km EDFA RX da 50 a 100 Mb/s RX da 100 Mb /s a 1 Gb/s RX da 2.5 Gb/s a 10 Gb/s RX DeMUX RX RX

4 Evoluzione delle trasmissioni Tipologie di reti ottiche Si possono identificare due categorie di reti ottiche: nuvoladi vetro λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 λ 2 star coupler λ 1 λ 1 λ 2 λ 3 λ 1 WDM crossconnect lightpath λ ? λ 1 λ 2 λ 3 reti single-hop λ 2 reti multi-hop conversione di lunghezza d onda? λ 1 (es. reti broadcast-and-select) (es. reti wavelength routing) Tipologie di reti ottiche Reti ottiche di trasporto ( wavelength routing: opticalcross-connect e collegamenti WDM) Stato dell arte nelle reti ottiche di trasporto Instradamento dei flussi di informazione a livello ottico (all -optical networks) Reti metropolitane (reti broadcast-and-select, anelli e stelle WDM) Riconfigurazione veloce della rete a livello ottico (reconfigurable optical networks) Reti d accesso (assive Optical Networks - ON) Risoluzione a livello ottico di guasti ( optical protection and restoration) Commutazione di circuito 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 Svantaggi: costanti e limitati risorse dedicate a una comunicazione tariffazione in base al tempo di esistenza del circuito Esempio: rete telefonica Un circuito costituisce un collegamento fisico tra i due terminali di utente 5. Trasmette dati 6. Riceve dati 4. Chiamata accettata 3. Accetta chiamata 1. Iniziachiamata 2. Chiamata in ingresso

5 La commutazione di circuito prevede di allocare rigidamente delle risorse ad una comunicazione su base richiesta: l efficienza può essere bassa Idea: Spezzo l informazione in più segmenti Trasmetto un segmento, impegnando le risorse, Non si allocano risorse per l uso esclusivo di due o più utenti Studiata espressamente per sorgenti intermittenti Funzionamento analogo al sistema postale INDIRIZZO.T..T. solo quando questo è pieno Le risorse vengono allocate dinamicamente a diverse comunicazioni.t. L informazione da trasferire è organizzata in unità dati (DU) che comprendono informazione di utente (SDU) e di controllo (CI) CI DU SDU 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 Nascono delle contese Sistema postale Si risolvono tramite Se il furgone è pieno, il memorizzazione pacco rimane in ufficio (e parte con il prossimo furgone) Commutatore Commutazione in Internet In caso di congestione la rete scarta pacchetti Occorre prevedere dei meccanismi di ritrasmissione per offrire servizi affidabili longest-prefix-matching sull indirizzo I 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

6 Circuiti o pacchetti? Commutazione in reti ottiche Commutazione di circuito allocazione totale e preventiva di risorse commutazione posizionale allocazione parziale di risorse commutazione di etichetta 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 c è ampia disponibilità di banda grazie al WDM la topologia è ricca e flessibile Il domani delle reti ottiche? Reti ottiche a commutazione di pacchetto: tendono ad emulare il funzionamento delle reti I ed Ethernet sono ancora in uno stadio molto preliminare molti progressi negli ultimi anni