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1 G.M. Tosi Beleffi, D. Del Buono, S. Di Bartolo, G. Incerti Istituto Superiore delle Comunicazioni e Tecnologie dell Informazione, viale America 201, Roma A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera Fondazione Ugo Bordoni, viale del Policlinico 147, Roma NOTE TECNOLOGIE E SERVIZI PER LE RETI DI NUOVA GENERAZIONE (TECHNOLOGIES AND SERVICES FOR NEXT GENERATION NETWORKS) S ommario: in questo lavoro riportiamo i risultati riguardanti le tecnologie ed i servizi per le reti di nuova generazione. In particolare gli autori si sono focalizzati sui metodi per ottenere e per misurare la Qualità del Servizio. Si mostra come la QoS possa essere gestita con alta affidabilità introducendo percorsi logici ottenuti con la tecnica VPLS. Si considerano inoltre accessi basati su reti passive ottiche (PON) e si riportano alcuni risultati su nuovi processamenti multi cast a livello 2 (Carrier Ethernet per mezzo del PBB-TE) e a livello 1 (conversione di lunghezza d onda tutta ottica). Abstract: in this work the authors reports on the experiments regarding the technologies and the services for next generation networks. In particular the results are addressed on methods to achieve and to measure Quality of Service (QoS). The methods to achieve the QoS are mainly based on the implementation of logical paths achieved by means of the Virtual Private LAN Service (VPLS) in GbE networks. We consider access network infrastructures based on passive optical networks (PON) and we investigate about some forwarding processes by adopting novel approach based on Layer 2 (carrier ethernet by means of PBB-TE) and Layer 1 (optical wavelength conversion) multicasts. 1. Introduzione La richiesta di banda sempre più crescente da parte dei servizi di nuova generazione, come ad esempio i servizi Triple Play, sta portando a una continua crescita del traffico dati sulle reti di telecomunicazione, con un ruolo predominante giocato dai servizi video. Infatti, grazie alla disponibilità di bande sempre più elevate, gli utenti possono fruire oggi di contenuti televisivi in Standard Definition (SD), High Definition (HD) e 3D, sia in modalità on-demand che live. Questa evoluzione del traffico sta portando a profondi cambiamenti nelle reti di telecomunicazione, da una parte con accessi che mettono a disposizione capacità sempre più elevate sia in modalità fissa che mobile, dall altra con modifiche nella rete core per effettuare instradamenti del traffico sempre più efficienti. In questo documento riportiamo alcuni esperimenti che hanno fornito delle chiare indicazioni sulla QoS nelle reti di nuova generazione. Gli esperimenti che vengono riportati in questo contributo toccano tutti i principali temi che riguardano le reti NGN, dalle reti di accesso in fibra ottica alle reti core [1-3]. In particolare mostriamo i risultati riguardanti i seguenti argomenti: Gestione della QoS e dell unbundling in reti PON Misure della QoS in reti PON con la finalità di vedere come meglio sfruttare la banda da parte dell utenza senza incorrere nelle limitazioni dovute ai sistemi operativi dei PC Realizzazione di una completa rete TV basata su protocollo IP e con l utilizzo di una infrastruttura basata su CDN Instradamento di segnali basati su nuovi 19

2 NOTE G.M. Tosi Beleffi, D. Del Buono, S. Di Bartolo, G. Incerti, A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera processi multicast a livello 2 (carrier ethernet) e livello 1 (conversione tutta ottica di lunghezza d onda). Vengono inoltre accennati altri esperimenti che riguardano le tecniche xdsl e Wi-Fi, i ponti radio e i ponti ottici e maggiori dettagli possono essere trovati nei riferimenti bibliografici indicati. 2. Le reti di nuova generazione Nella fig. 1 è riportato lo schema attuale del laboratorio di reti NGN dell ISCOM. Il collegamento all anello ottico Roma-Pomezia è lungo 25 km one way ed è costituito da 80 fibre monomodali, delle quali 30 DS (dispersion shifted, G.653), 20 nzd (non zero dispersion, G.655) e 30 SF (standard fibe G.652r). A questo link ottico sono connessi tre apparati Alcatel (Fig.1). Il cuore è formato da sette routers, quattro Juniper (due M10 e due M10i) e tre Alcatel 7750, mentre la parte periferica è costituita dai 3 router Cisco 3845 e un Alcatel I routers della serie M di Juniper sono di fascia alta, pensati ed equipaggiati per far parte di una core network, mentre i routers della serie 3800 della Cisco sono di fascia media, tipicamente utilizzati come routers di accesso. Proprio per le caratteristiche degli apparati, la rete è stata progettata in modo che i quattro routers Juniper fungano da core network completamente magliata con connessioni di 50 km, e i tre routers Cisco siano utilizzati come nodi della rete di accesso. Un discorso a parte riguarda i router Alcatel 7750 che sono utilizzati per realizzare funzioni avanzate di instradamento come ad esempio quelle di tipo Carrier Ethernet (PBB-TE) [4-5]. Occorre precisare che la rete è stata anche sperimentata con collegamenti più lunghi per raggiungere dimensioni nazionali ed in particolare sono state usate connessioni lunghe 350 km con tratte amplificate otticamente con EDFA [6]. Dalla figura 1 si può notare la presenza di ulteriori elementi quali un router Cisco 3640, utilizzato come Nas-Ras Radius per l autenticazione d utente, uno switch Cisco Lightstream per i percorsi ATM, un ASAM 1000 per l accesso ADSL, un ASAM 7300 per accessi VDSL ed SHDSL ed un ISAM 7324 per l accesso ADSL2/2+. Nel test plant sono presenti due sezioni di accesso, una in rame basata su xdsl e due in fibra costituite da tipiche architetture FTTx, in particolare una Ethernet PON ed una GPON. La rete EPON è formata da una OLT (Optical Line Termination) AN della FiberHome, da un certo numero di ONU (Optical Network Unit) AN anche esse della FiberHome e da uno splitter/accoppiatore passivo. La seconda invece è composta da una OLT Huawei, uno splitter passivo, da una serie di ONU in fibra e da una ONT DSLAM VDSL2 corredata da una serie di modem VDSL2 connessi tramite doppino telefonico al DSLAM. Figura 1: Test Plant reti NGN 20

3 TECNOLOGIE E SERVIZI PER LE RETI DI NUOVA GENERAZIONE (TECHNOLOGIES AND SERVICES FOR NEXT GENERATION NETWORKS) NOTE Figura 2 (a): Particolare del laboratorio Test Plant reti NgN 3. Tecniche di gestione della QoS e di unbundling in reti PON Tra le tecniche di accesso in fibra ottica le Passive Optical Networks (PONs) risultano essere le più semplici e le più economiche da implementare. Esistono differenti versioni di reti ottiche passive: attualmente le Ethernet PON (EPON) [7-9] sono principalmente impiegate in Asia, in particolare nel sud-est asiatico, mentre le Gigabit PON (GPON) sono implementate in Europa e Nord America. Uno dei limiti principali delle PON, nonostante l elevato bit-rate delle attuali versioni (tra 1 e 2.5 Gbit/s), è rappresentato dalla condivisione della capacità tra tutti gli utenti, che limita così l effettiva banda disponibile. Inoltre tali reti non permettono l unbundling fisico, se non ricorrendo ad un approccio WDM, e ciò pone dei chiari limiti alla libera competizione tra gli operatori. Per questi motivi risultano indispensabili nelle PONs tecniche che consentano il controllo della Qualità del Servizio (QoS) al fine di rispettare i requisiti richiesti dai diversi tipi di traffico e che permettano la configurazione di percorsi con precise garanzie in termini di banda e di affidabilità. A tal fine è necessario introdurre nella rete tecniche che permettano un controllo della QoS da estremo a estremo. In questo contributo proponiamo un approccio basato sul Virtual Private LAN Service (VPLS) perchè il VPLS permette di realizzare un servizio Ethernet [6-9] tramite il Multiprotocol Label Switching (MPLS), consentendo di ottenere eccellenti prestazioni in termini di gestione della rete e di controllo della QoS. In sostanza, il VPLS è una sorta di Layer 2 Virtual Private Network (L2VPN) dove gli utenti hanno la percezione di appartenere ad un unica rete locale (LAN) senza tener conto della loro effettiva dislocazione geografica.a differenza delle tradizionali VPN di strato 2 in cui i diversi customers sono connessi in modalità punto-punto, il VPLS realizza connessioni multipunto-multipunto, grazie alla sue intrinseche capacità di effettuare operazione di multicasting. Nella figura 3 riportiamo la configurazione di rete considerata che corrisponde a quella tipica di una rete core-access basata su accesso PON che si ha in caso di un servizio che parte da un server fino ad arrivare ad un certo numero di utenti. Al fine di garantire la QoS dei flussi transitanti nella rete mediante il VPLS, viene eseguita una operazione di marcamento del traffico ed è possibile definire fino a otto Classi di Servizio. Infatti, considerando la direzione downstream (stesso discorso vale in direzione upstream, cioè dalle ONUs verso CE1), ricordando che CE1 e PE1 sono connessi per mezzo di VLAN, il marcamento viene effettuato da CE1 sui tre bit User Priority del VLAN Tag, secondo lo standard IEEE 802.1p (contenuto nel IEEE 802.1Q [7]). Tra i PE il traffico invece viene trasportato per mezzo di MPLS Label Switched Paths (MPLS LSP) e pertanto il marcamento viene effettuato secondo la tecnica Diffserv over MPLS (RFC 3270) [9] andando ad impostare opportunamente i tre bit del campo EXP della label MPLS più esterna. In pratica, il PE effettua un mapping tra i tre bit di priorità del VLAN Tag e i tre bit del campo EXP. Le misure dei parametri prestazionali sono state effettuate per mezzo di un analizzatore di traffico che consente la valutazione di parametri prestazionali quali throughput, data loss, ritardo e jitter. Tuttavia, per motivi di brevità, in questo articolo sono riportate solo misure di throughput per dare comunque una chiara indicazione sulla bontà del funzionamento della tecnica proposta. Le prove sperimentali sono state effettuate 21

4 NOTE G.M. Tosi Beleffi, D. Del Buono, S. Di Bartolo, G. Incerti, A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera Figura 3: Test Plant nella configurazione per la implementazione del VPLS su reti PON. considerando scenari di downstream/upstream, inviando un flusso da/verso PC1 verso/da un client (PC2) all uscita della ONU2.Al VPLS viene associata una CoS, detta Gold Class, in grado di garantire le prestazioni; in pratica tutto il traffico trasportato mediante il VPLS viene etichettato con Gold Class, mentre quello trasportato senza VPLS non riceve alcuna classe o, meglio, viene etichettato con classe Best Effort. Al fine di testare la QoS, sono state effettuate due tipologie di prove: nella prima, il traffico esaminato è stata inviato al di fuori del VPLS quindi con classe Best Effort. Nella seconda tipologia, il traffico è trasportato per mezzo del VPLS e quindi etichettato con classe Gold. La rete è stata congestionata per mezzo di un generatore di traffico, andando a saturare il link tra i PE mediante un traffico di background pari a 1 Gbit/s con classe Best Effort. I vantaggi del metodo proposto sono riportati in Fig. 4, dove è riportato il throughput ottenuto all uscita di ONU2 per un flusso di 40 Mbit/s proveniente da CE1, sia con VPLS che senza. Si può notare come il traffico con VPLS tagging mostri un throughput costante anche in caso di congestione della rete; al contrario, senza VPLS una congestione della rete va ad impattare in maniera diretta e significativa degradando fortemente il traffico. La validità del metodo proposto è stata confermata anche da prove soggettive effettuate sottoponendo a un gruppo di valutatori streaming video in Alta Definizione. In conclusione con questo contributo abbiamo dimostrato come sia possibile ottenere, con un architettura basata su Virtual Private LAN Service in reti Gigabit Ethernet, un efficiente controllo della Qualità del Servizio fin nella sezione di accesso, permettendo di soddisfare pienamente i requisiti richiesti sia dagli operatori che dai customers. Inoltre i risultati ottenuti mostrano che è possibile realizzare, con un tale approccio, percorsi Figura 4: Misura del throughput in downstream 22

5 TECNOLOGIE E SERVIZI PER LE RETI DI NUOVA GENERAZIONE (TECHNOLOGIES AND SERVICES FOR NEXT GENERATION NETWORKS) NOTE affidabili e ben definiti (in termini di QoS) in reti ottiche passive; da ciò lo spunto di un possibile impiego del VPLS (e quindi delle VLAN) come tecnica per superare il problema dell unbundling nelle reti ottiche, in particolare nelle PON. Come già detto l unbundling a livello fisico potrà essere ottenuto quando saranno disponibili le tecniche WDM PON a basso costo. Nei laboratori ISCOM sono state fatte alcune sperimentazioni WDM [10], anche utilizzando la conversione tutta ottica delle lunghezze d onda e maggiori informazioni possono essere trovate in [9]. Concludiamo questo paragrafo dicendo che il controllo della QoS tramite la tecnica VPLS è molto importante anche per reti di accesso basate su xdsl e esperimenti che descrivono questo aspetto sono riportati in [11]. 4. Misure di Qos in reti PON L impiego di tecnologie ottiche nel segmento di rete ultimo miglio, rende possibile agli utenti finali di poter accedere a Internet e ai servizi di nuova generazione con bande sempre più elevate. Rimane però da chiarire in che modo e con quale efficienza le applicazioni e i servizi distribuiti all utente riescano a sfruttare gli alti bit rate offerti dalle soluzioni Fiber To The X (FTTx). Questa tematica, risulta particolarmente rilevante soprattutto considerando gli elevati investimenti necessari a portare la fibra ottica sempre più vicina all utente, in quest ottica è essenziale massimizzare l utilizzazione della banda da parte delle applicazioni d utente. In particolare si vuole analizzare quanta banda al livello 2 della pila protocollare OSI è realmente sfruttata dalle applicazioni di più alto livello, la cui qualità rappresenta sostanzialmente l effettiva percezione che l utente ha delle prestazioni di rete. Questo argomento è già stato analizzato in [12], dove si è condotta un approfondita analisi sperimentale sulle reti di accesso in rame xdsl che rappresenta attualmente la soluzione più diffusa per l accesso ad Internet. Entrando più nel dettaglio, l analisi sperimentale riportata in [12] mette in luce le forti differenze in termini di utilizzazione della banda per diversi ambienti software di utente, si sono considerati i Sistemi Operativi più diffusi sul mercato ossia Microsoft Windows XP, Microsoft Windows 7 e Linux. Dai risultati ottenuti inoltre, si evidenzia come le differenze in termini di prestazioni siano crescenti con l aumentare del bit-rate. Come conseguenza, le variazioni di performance diventeranno sempre più rilevanti con l introduzione della fibra ottica nel segmento di rete ultimo miglio, grazie all impiego delle reti FTTx. Nel presente lavoro si vuole analizzare il ruolo del Sistemi Operativi sulla Qualità del Servizio (Quality of Service-QoS) nelle Gigabit Passive Optical Networks (GPON), che rappresenta la soluzione verso cui la maggior parte degli operatori tendono. Per analizzare l utilizzazione di banda nella fase sperimentale ci si è riferiti alla valutazione della QoS secondo il metodo proposto da ETSI [12]. La scelta è dettata dal fatto che questa analisi sperimentale è stata realizzata nell ambito del progetto della Fondazione Ugo Bordoni misura internet (www.misurainternet.it), in ottemperanza alla Delibera 244 di AGCOM, progetto che ha realizzato un sistema di monitoraggio delle prestazioni di rete per l accesso ad Internet da postazione fissa. Per la misura della QoS il set-up assume la configurazione di fig. 5. La tecnica di stima di banda utilizzata nella fase sperimentale quantifica il throughput FTP di un flusso dati tra un Server e un Client, questi sono posizionati rispettivamente nel segmento di rete dell operatore e sul PC (terminale) di utente. Il tool sviluppato rende possibile stimare le velocità di download e upload tramite il trasferimento di opportuni file di test e, attraverso la misura del tempo necessario al trasferimento dei dati (mediati su 50 ripetizioni), si ottiene una stima di banda del collegamento. In Fig.6 sono riportati i risultati sperimentali rappresentati come throughput in funzione del ritardo in rete, in questo caso sono riportati i dati relativi a due differenti profili di rete. Il primo è relativo a una GPON con 128 utenti, in questo caso può essere fornita all utente una banda di circa 18 Mbit/s. Il secondo profilo invece, considera GPON che servono 32 utenti con una banda di 100 Mbit/s ciascuno. Premettendo che per i protocolli a finestra, come appunto il TCP, le performance dipendono dal RTT, i dati riportati sottolineano come il Sistema Operativo ha un impatto rilavante sulle performance del protocollo FTP. Risulta evidente come la riduzione delle per- 23

6 NOTE G.M. Tosi Beleffi, D. Del Buono, S. Di Bartolo, G. Incerti, A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera Figura 5: Schema del Test Plant sperimentale per la misura della QoS. formance, al crescere del ritardo di rete e del bit rate, sia devastante considerando l implementazione del protocollo TCP nel sistema operativo Ms Windows XP. In particolare si deve notare una riduzione delle performance fino al 50% per il profilo 18 Mbit/s e fino al 90% per un profilo a 100 Mbit/s. Risulta evidente la sostanziale differenza tra Windows XP e i sistemi operativi più avanzati come Win 7 e Linux dovuta all implementazione avanzata degli algoritmi relativi al TCP, in particolare all adattività di alcuni parametri alle condizioni di rete (Auto-tuning e la dimensione della finestra di ricezione). A conclusione va anche notato come una degradazione delle performance sia riscontrabile anche per i sistemi operativi più avanzati per valori rilevanti di ritardo di rete.ad esempio per profili di 100 Mbit/s solo 65 Mbit/s sono sfruttati realmente dall applicazioni di utente per un ritardo di rete di 65 ms 5. Realizzazione di una rete per IPTV Nella continua crescita del traffico dati sulle reti di telecomunicazione, un ruolo predominante lo stanno giocando i servizi video. Infatti, grazie alla disponibilità di bande sempre più elevate, gli utenti possono fruire oggi di contenuti televisivi in Standard Definition (SD) e High Definition (HD), e in un prossimo futuro anche 3D, sia in modalità ondemand che live. E certo che la fruizione della TV basata su piattaforma IP sarà sicuramente la sfida più importante per l evoluzione delle reti e proprio per questo ISCOM e FUB hanno fatto molti studi per analizzare il comportamento della QoS dei servizi video, anche in modalità HD, in diverse configurazioni di reti, sia con prove oggettive che soggettive [13-16]. Nel 2010 ISCOM e FUB hanno realizzato la rete IPTV che descriviamo nel seguito e basata su una infrastruttura costituita da un server centrale e su server surrogate secondo un ben noto schema basato su reti Content Delivery Networks (CDN) [17]. Nella figura 7 che segue riportiamo come compare la pagina HTML per l utente, residente sul server in cui vengono presentati tutti i contenuti A/V disponibili. Gli utenti che vogliono accedere ai contenuti si collegano al sito attraverso il proprio browser e Figura 6: Stima del Throughput per una banda di 18 Mb/s (sinistra) e 100 Mb/s (destra) 24

7 TECNOLOGIE E SERVIZI PER LE RETI DI NUOVA GENERAZIONE (TECHNOLOGIES AND SERVICES FOR NEXT GENERATION NETWORKS) NOTE selezionano il contenuto che intendono visualizzare. La figura 8 mostra le interazioni tra il server di origine e gli utenti. Il server di origine tiene traccia, per ogni contenuto, di quante volte è stato richiesto. Dopo un certo numero di richieste assumerà che tale video sia popolare, per cui sceglie di spostare il contenuto A/V nel server surrogate appartenente alla sottorete da cui ha ricevuto le ultime richieste. Lo spostamento dei contenuti viene fatto attraverso una connessione FTP tra i server, secondo un rapporto server-client. Terminato l upload, sul server surrogare viene creato il canale VoD gestito da VLC che permette lo streaming media. D ora in poi quando il server di origine riceve richieste per quello stesso contenuto dalla sottorete vicina al server surrogate su cui ha caricato il media, re-indirizzerà l utente su tale server. Il re-indirizzamento viene fatto attraverso il protocollo HTTP, instradando l utente al canale VoD creato nel server di replicazione. In questo Figura 7: Portale del Video Server installato nei laboratori ISCOM. modo l utente riceve il contenuto A/V dal un Video Server che è molto vicino a lui. Questo permette di ridurre il traffico sulla rete core e nello stesso tempo di fruire di un servizio senza congestionamenti e dunque più lineare. Quanto detto sono sostanzialmente i concetti base delle CDN, riadattati nel servizio televisivo su protocollo IP. La novità della nostra architettura sta nella gestione della QoS tra i server mediante la tecnica VPLS, già descritta nella Sezione 2. L implementazione del VPLS tra i Video Server della CDN è riportato nella figura 9. Figura 8: schema della rete IPTV basata su CDN e interazioni tra server di origine e utenti. In questo modo è come se i Video Server appartenessero tutti alla stessa sottorete, anche se fisicamente sono disposti in differenti zone geografiche. In particolare, si è scelto di configurare il VPLS in modo tale che soltanto il traffico tra i server prenda parte al tunnel VPLS. Essendo il VPLS basato sul protocollo MPLS, possiamo affermare che eredita tutte le caratteristiche ed è naturale pensare ad un trattamento della QoS che rimandi ad esso. Con questa architettura la rete video realizzata risulta molto robusta anche in presenza di forti congestioni alla rete core. Ulteriori studi, non riportati in questo lavoro, hanno riguardato la degradazione dei segnali video, anche in modalità HD, che conseguono ai processi di ripristino nella rete [13][18-19]. In particolare abbiamo mostrato che anche le tecniche MPLS e VPLS possono avere dei tempi di ripristino in risposta ad un guasto inferiori ai 50 ms e ciò permette quindi di rendere trascurabili gli effetti di disturbo nei servizi video SD e HD. Altri studi hanno poi riguardato un confronto tra la modalità IPTV (cioè con rete gestita con QoS) e Open TV (cioè senza gestione della QoS) quando sono presenti congestioni nella rete [20]. 6. Evoluzione dei servizi Multicast in reti IP: il ruolo del Carrier Ethernet La necessità di liberare sempre più lo spettro UHF per essere dedicato a servizi mobile broadband farà si che vi sarà nei prossimi anni la piattaforma televisiva su IP, con tutte le sue architetture (IPTV, OPEN TV) e dispositivi di accesso (PC, 25

8 NOTE G.M. Tosi Beleffi, D. Del Buono, S. Di Bartolo, G. Incerti, A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera smartphone, set-top-box ibridi,tv con accesso alla rete), dovrà essere considerata come una valida alternativa a quella digitale terrestre e satellitare. E chiaro allora che la rete deve strutturarsi per far fronte a trasmissioni di tipo broadcast per cui inizialmente non era stata progettata, e quindi ecco la necessità di effettuare cambiamenti nelle infrastrutture per ottenere la replica dei pacchetti in maniera sempre più efficiente e con meno elaborazione da parte dei nodi. Questo si traduce nella introduzione di processi multicast sempre più snelli, in cui l elaborazione a livello 3 (IP) della pila OSI sia sempre più limitata ai bordi della rete, o addirittura eliminata, ed essere sostituita, all interno della rete, da elaborazioni a livello 2 (data link) o, ancora meglio, a livello 1 (fisico). Infatti, effettuando il forwarding non più su base indirizzo di rete IP, bensì su identificatori di livello più basso, si ottiene un netto miglioramento in termini di scalabilità, semplificazione degli apparati e riduzione dei costi. L ottica ci permette di pensare a processi multicast (e broadcast) ad altissima efficienza permettendo di realizzare architetture point-to-multipoint in abbinamento a processi di conversione di lunghezza d onda che aumentano la flessibilità e scalabilità [21-23]. Una fase di transizione verso questa evoluzione è rappresentata dall introduzione delle tecniche Carrier Ethernet che hanno proprio il vantaggio di effettuare le elaborazioni delle informazioni a livello 2. Negli ultimi anni si è molto dibattuto su alcune proposte di tecniche Carrier Ethernet e tra queste quelle che hanno suscitato i maggiori interessi sono state l MPLS-TP (MultiProtocol Label Switching Transport Profile) e il PBB-TE (Provider Backbone Bridging Traffic Engineering) [4]. Il multicast IP è una tecnologia che consente la trasmissione contemporanea di un singolo flusso a più utenti. I pacchetti multicast vengono replicati nella rete solamente dove i percorsi per raggiungere i client si ramificano, risultando la tecnica che consente la più efficiente consegna di dati verso ricevitori multipli. Il multicast IP utilizza come protocollo di segnalazione, per la registrazione e la cancellazione ai gruppi multicast da parte degli host di rete, il protocollo IGMP (Internet Group Management Protocol), mentre come protocollo di instradamento il PIM (Protocol Indipendent Multicast). Nell evoluzione della rete verso la commutazione tutta a pacchetto, la tecnologia Ethernet viene vista come una possibile soluzione per la sostituzione delle odierne tecnologie a circuito. Ovviamente, nella sua forma originale Ethernet non possiede tutte le caratteristiche necessarie per essere una tecnologia di tipo Carrier Class. Proprio a tal fine, in questi anni diverse evoluzioni hanno riguardato Ethernet, partendo dal PB (Provider Bridging) fino ad arrivare al PBB-TE e all MPLS-TP. In sostanza, quello che è stato fatto è modificare la trama Ethernet andando ad aggiungere nuovi campi nell intestazione e dotando Ethernet di caratteristiche di Traffic Engineering. Nel test bed ISCOM si è scelto di implementare la tecnica PBB-TE unitamente al VPLS (Virtual Private LAN Service), ottenendo così una sorta di PBB-TE dove le funzioni di ingegneria del traffico (e QoS) sono fornite dal VPLS. Si estende così il concetto di rete locale, da cui Ethernet parte per arrivare fin dentro le reti metro/core. Proprio grazie alle intrinseche caratteristiche broadcast, tali tecnologie ben si prestano per il trasporto di flussi video verso più destinazioni, garantendo anche il rispetto dei requisiti prestazionali proprie di una trasmissione di flussi televisivi su reti a pacchetto. In Figura 10, è riportato il set-up sperimentale La rete sperimentale è composta da sei nodi, di cui quattro sono router IP (Juniper M10, indicati come Ji, i=1,,4) e due sono router Carrier Ethernet (Alcatel SR7750, indicati come ALC1 e ALC2). Sono presenti poi un server video (Server Multicast) e tre client (Client i, i=1, 3). La rete è quindi ora composta di due sezioni ben distinte: ai bordi della rete, la rete continua a essere una normale rete IP, mentre nella sezione core la rete è di livello 2 e in particolare PBB-VPLS. Grazie a questa configurazione, i nodi IP hanno la percezione di appartenere alla stessa sottorete. In questo modo, la configurazione dei normali protocolli multicast, quali IGMP e PIM, è limitati ai soli router IP, mentre i nodi PBB-VPLS agiscono secondo i meccanismi propri del livello 2, ovvero effettuando flooding verso i nodi appartenenti al suo stesso dominio. In particolare, quando un client (CLIENT 1) richiede di vedere un particolare flusso, e quindi effettua una join al corrispondente gruppo multicast, il flusso (proveniente dal Server Multicast) viene inviato dal router J1 verso il nodo ALC1 che rilancia le trame verso ALC2. Tale nodo - che ricordiamo essere di livello 2, come ALC1- invia poi il traffico multicast in flooding verso i nodi J2, J3, J4.. A questo punto il traffico è effettivamente rilan- 26

9 TECNOLOGIE E SERVIZI PER LE RETI DI NUOVA GENERAZIONE (TECHNOLOGIES AND SERVICES FOR NEXT GENERATION NETWORKS) NOTE ciato verso tutti i nodi attestati su ALC2, anche se nella figura solo un nodo (J2) ha effettivamente un client richiedente il flusso. Si vede allora come in questa maniera, si è riusciti a realizzare una trasmissione di tipo broadcast, sfruttando quelle che sono le caratteristiche di livello All-optical Multicast Diverse sperimentazioni [21-23] hanno mostrato come in ottica sia possibile replicare i segnali cambiando solo la lunghezza d onda della portante e questo grazie in particolare ai convertitori ottici di lunghezza d onda.tali sperimentazioni hanno da subito fatto prospettare l utilità della fotonica per realizzare elaborazioni come il broadcast e il multicast direttamente a livello ottico (che possiamo definirlo come un processo a livello 1 della pila OSI). In effetti, diverse sono state le sperimentazioni multicast di tipo ottico, anche se si trattava in generale di sole repliche del segnale, senza che i segnali replicati potessero essere effettivamente utilizzati per applicazioni finali, in quanto mancava una architettura che fosse in grado di gestire una replica degli indirizzi in reti aventi una tipologia di tipo punto-multipunto. Da qui la necessità quindi di integrare il dominio ottico e il dominio IP, cercando di effettuare quante più operazioni possibili nel dominio ottico: ecco allora anche il bisogno di dotarsi di un piano di controllo per il coordinamento e l integrazione dei due domini. Pensando a una crescita del traffico in cui saranno presenti enormi flussi video di tipo live, abbiamo proposto uno schema di rete in cui, utilizzando una stessa infrastruttura in fibra ma lunghezze d onda diverse, alle architetture di reti IP convenzionali si affiancano architetture Pont-to- Multipoint dedicate ai flussi video. In Figura 11 si riporta lo schema sperimentato in cui il dominio IP è costituito da router (Juniper M10, indicati con Ji, i=1,,4), mentre il dominio ottico è costituito da una rete punto-multipunto Figura 9. Implementazione del VPLS nella rete CDN Figura 10. Set-up sperimentale rete Carrier Ethernet 27

10 NOTE G.M. Tosi Beleffi, D. Del Buono, S. Di Bartolo, G. Incerti, A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera (Ethernet PON). In questo scenario, la OLT e le ONU sono i nodi di bordo che gestiscono l interfacciamento con il dominio IP, mentre la replicazione è effettuata dallo splitter ottico. In questo modo, i flussi video emessi dal server multicast sono replicati e inviati ai router J1, J2, J3 tramite la rete ottica. E stata inoltre effettuata anche un operazione di conversione di lunghezza d onda mediante il dispositivo realizzato con amplificatori a semiconduttore e descritto in [22]. In questo modo è possibile replicare e inviare il segnale su un altra lunghezza d onda nel caso in cui quella iniziale sia già occupata in un segmento di rete. A livello IP, il multicast è gestito dai router Ji con i normali protocolli PIM e IGMP. Le prove sperimentali hanno riguardato la trasmissione, con il software VLC, da parte di un server di un flusso video avente indirizzo multicast I PC Client interessati a tale flusso, in questo caso quelli attestati ai router Juniper collegati alle ONU, dovevano inserire questo indirizzo nell apposito campo del VLC. In questo modo a nostro avviso abbiamo per la prima volta realizzato un processo completo di tipo multi cast tutto a livello ottico. 8. Ulteriori sperimentazioni e sviluppi futuri I risultati presentati in questo lavoro hanno riguardato una serie di sperimentazioni per architetture di rete NGN, sia a livello core che accesso di tipo in fibra ottica. Sono comunque stati accennati anche esperimenti fatti su accessi di tipo xdsl. Per quanto riguarda le tecnologie radio, sia per il backhaul che per l accesso e per il broadband mobile sono stati fatti studi basati principalmente su simulazioni. In particolare mediante il codice OPNET sono state simulate reti WIMAX [24] e LTE, mostrando ad esempio come gestire la QoS con modalità analoghe a quelle descritte nella sezione 2. Esperimenti su accessi Wi-Fi hanno mostrato i limiti nell utilizzo di questa tecnologia per la distribuzione di servizi che richiedono alta qualità. Altri esperimenti su sistemi radio hanno invece riguardato la realizzazione di backhaul con ponti radio a 60 GHz [25]. Infine vanno ricordati molti test per i sistemi di tipo optical wireless, che risulta essere una interessantissima tecnologia punto-punto ad alta capacità e a bassi costi. 9. Conclusioni Le sperimentazioni illustrate in questo lavoro ci permettono di riassumere i concetti espressi nel seguente modo: Le reti PON sono infrastrutture a basso costo che possono sfruttare pienamente i cavidotti già esistenti. Opportune procedure per la realizzazione logica di percorsi P2MP permettono sia la gestione della QoS che l unbundling in maniera efficace ed affidabile nell attesa di far evolvere le PON verso le reti P2P per una completa traslazione del POTS nel dominio ottico. La misura della QoS da postazione fissa è un tema fondamentale come mostrato dalla DEL AGCOM 244. Lo sarà ancora di più quando le connessioni avranno capacità superiori ai 20 Mb/s e sarà ancora più importante definire efficienti sistemi operativi per i dispositivi connessi alle reti. Figura 11. All-optical multicast: set-up sperimentale 28

11 TECNOLOGIE E SERVIZI PER LE RETI DI NUOVA GENERAZIONE (TECHNOLOGIES AND SERVICES FOR NEXT GENERATION NETWORKS) NOTE Un ruolo chiave sarà dato dalla realizzazione di reti per la TV su IP senza dimenticare però tecnologie alternative quali ad esempio l SCM- PDS. La crescita dei servizi video di tipo SD, HD e 3D, specialmente in modalità live, richiede instradamenti sempre più efficienti, specialmente a livello multi cast dove è possibile operare a livello 2 (carrier ethernet) o a livello 1 (conversione di lunghezza d onda tutta ottica). Ringraziamenti Le attività mostrate in questo articolo sono state realizzate congiuntamente dal personale altamente qualificato dell ISCOM e della FUB. In particolare gli autori vogliono menzionare il fatto che molte delle attività riportate in questo lavoro sono state ottenute nell ambito del progetto congiunto ISCOM-FUB Valutazione tecnico-economica sui servizi e sulle reti a larga banda di nuova generazione [VATE] e del progetto IST FP7 BONE. Bibliografia [1] A.Valenti, S. Pompei, F. Matera, G. Tosi Beleffi, and D. Forin, Quality of Service control in Ethernet Passive Optical Networks based on Virtual Private LAN Service, IET Electronics Letters, Vol. 45, Issue 19, pp , September [2] F. Matera, et al, Network Performance Investigation in a Wide Area Gigabit Ethernet Test Bed Adopting All-Optical Wavelength Conversion, IEEE Photonics Technology Letters,Vol. 20, Issue 24, pp , December 2008 [3] F. Matera, L. Rea, A.Valenti, S. Pompei, G.Tosi Beleffi, F. Curti, D. Forin, G. Incerti, S. Di Bartolo, M. Settembre, Sperimentazione di una rete regionale GbE che utilizza la conversione tutta ottica della frequenza, Fotonica 2009, Pisa, Maggio [4] A. Coiro, A. Valenti, S. Pompei, F. Matera, P. Testa, M. Settembre: Network Evolution Toward a Carrier-Grade Ethernet Transport Network, Fiber and Integrated Optics, November [5] A.Coiro, L. Rea, A. Valenti, F. Matera, P. Testa, A. Germoni, M. Settembre, Stato e prospettive del Carrier Ethernet per reti di trasporto a pacchetto Fotonica 2009, Pisa, Maggio [6] A.Valenti, P. Bolletta, S. Pompei, F. Matera Experimental investigations on restoration techniques in a wide area Gigabit ethernet optical test-bed based on Virtual Private LAN Service in proc. of ICTON 09, Ponta Delgada (PO), June 29 July 2, 2009 [7] L. Rea, A.Valenti, F. Matera, S. Pompei, Qualità of Service Control in Access Networks Based on Virtual Private LAN Services in a Wide Area Gigabit Ethernet Optical Test Bed, ICTON 2008, Athens June ,Vol. 4,Th.P2.1, pp [8] A.Valenti, S. Pompei, F. Matera, L. Rea, G. M.Tosi Beleffi, D. Del Buono,A. Rufini Sperimentazione del Virtual Private LAN Service per il controllo della Qualità del Servizio in reti passive ottiche (PON) Fotonica 2009, Pisa, Maggio. [9] F. Matera, A.Valenti, S. Pompei, G.M. Tosi Beleffi, and D.Forin Unbundling and Quality of Service Control in Ethernet Passive Optical Networks based on Virtual Private LAN Service Technique The 10th International Conference on Telecommunications, Zagreb (Croazia) 8-10 giugno 2009 [10] S. Pompei, L. Rea, Luca; F. Matera, A.Valenti, Experimental investigation on optical gigabit Ethernet network reliability for high-definition IPTV services Journal of Optical Networking,Vol. 7, n. 5, pp ,

12 NOTE G.M. Tosi Beleffi, D. Del Buono, S. Di Bartolo, G. Incerti, A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera [11] L. Rea, S. Pompei,A.Valenti, F. Matera, C. Zema, M. Settembre, qualità of Service Control based on Virtual Private Network Services in a Wide Area Gigabit Ethernet Optical Test Bed Fiber and Integrated Optics, vol. 27, n. 4, 2008, pp [13] F. Matera, L. Rea, M.Venezia, L. Capanna, G. Del Prete, Fast Restoration based on alternative wavelength paths in a wide area optical IP network, Fiber and Integrated Optics,Vol. 26, No. 2, pp. 123, USA, February 2007 [14] F. Matera, F. Matteotti, P. Pasquali, L. Rea, G. Tosi-Beleffi, A.,V. Baroncini, G. Del Prete, G. Gaudino, Quality of Service Measurements over an Optical GMPLS Wide Area Access Network, Fiber & Integrated Optics,Volume 25, Number 3 / May-June 2006, pp [15] F. Matteotti,V. Baroncini, F. Matera, L. Rea,A.Tarantino, P. Poggini, L. Capanna, M.Venezia, G. Del Prete, G. Gaudino, M. Guglielmucci, Valutazione della qualita di servizio in una rete sperimentale ip multiaccesso multiservizio La comunicazione, Note,Recenzioni e Notizie,Vol. LIV, pp , [16] F. Matera, L. Rea, P. Pasquali, A. Tarantino, V. Baroncini, F. Matteotti, G. Del Prete, G. Gaudino, Comparison between objective and subjective measurements of quality of service over an Optical Wide Area network, European Transactions on Telecommunications vol. 19, 2008, pp [17] S. Pompei, M.Teodori, A.Valenti, S. Di Bartolo, G. Incerti, D. Del Buono Experimental implementation of an IPTV architecture based on Content Delivery Network managed by VPLS technique Proc. of IEEE Reliable Networks Design and Modelling, Moskow, Russia, October 19-20, 2010 [18] M. Giuntini, S. Pompei,A.Valenti, F. Matera, G. Pierri, D. Del Buono, Degradazione della IPTV in seguito a processi di ripristino in reti ottiche GbE, Fotonica 2009, Pisa, Maggio [19] M. Lucci, A.Valenti, S. Pompei, P. Bolletta, F. Matera, Analisi su tecniche di ripristino MPLS veloci su una rete dorsale interamente basata su trasmissione GbE, Pisa, Fotonica 2010, maggio [20] E. Mammi, S. Pompei, A.Valenti, G. Russo, D. Milanesio,V. Sardella, Valutazione Sperimentale delle prestazioni di servizi televisivi su reti ottiche GbE di tipo Unmanaged e Managed, Fotonica 2010, Maggio [21] A.Valenti, S. Pompei, L. Rea, F. Matera, G.Tosi-Beleffi, F. Curti, S. Di Bartolo, G. Incerti, and D. Forin Experimental Investigation of Quality of Service in an IP All-Optical Network Adopting Wavelength Conversion IEEE/OSA J. of Optical Communications and Networking, Vol. 1, Issue 2, pp. A170- A179, July 2009 [22] A. Valenti, S. Pompei, A. Rufini, F. Matera, Dimostrazione sperimentale della conversione di lunghezza d onda in una rete ottica passiva, Fotonica 2010, Maggio [23] A. Coiro,A.Valenti, S. Pompei, G.Tosi Beleffi, F. Curti, S. Di Bartolo,A. Rufini, Experimental demonstration of the All Optical Network Wavelength Conversion in a Passive Optical Network, proc of Photonics Switching 2009, Pisa, september [24] M. Giuntini, A. Valenti, F. Matera, Integrazione della rete di telecomunicazioni ottica con accessi radio che garantiscono la qualità del servizio, Fotonica Pisa, maggio [25] Luca Rea,A.Valenti, S. Pompei, L. Pulcini, M. Celidonio, D. Del Buono, Giorgio M.Tosi Beleffi, Quality of Service Control in a multi-access integrated network based on a Virtual Private LAN Service, European Workshop on Photonic solutions for wireless, access, and in house networks, IPHOBAC 2009, Duisburg, Germania, Maggio [26] A. Silvestri, A. Valenti, S. Pompei, F. Matera, A. Cianfrani Wavelength path optimization in optical transport networks for Energy saving in proc. of ICTON 09, Ponta Delgada (PO), June 29-July 2, [27] M.Tabacchiera, F. Matera, A. Mecozzi, M. Settembre Analisi della compensazione della disperzione cromatica per sistemi RZ DQPSK a 100 Gb/s Fotonica 2010, Pisa maggio

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