Test bed per la valutazione della Qualità del Servizio in reti ottiche integrate IP

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1 Test bed per la valutazione della Qualità del Servizio in reti ottiche integrate IP Francesco Matera, Vittorio Baroncini, Luca Rea, Alessandro Tarantino, Paolo Pasquali, Francesca Matteotti Fondazione Ugo Bordoni Giancarlo Gaudino, Domenico Ciavatta, Giuseppe Del Prete ISCOM

2 SOMMARIO...6 INTRODUZIONE...8 CAPITOLO STATO ATTUALE DELLE RETI E PROSPETTIVE DI EVOLUZIONE FUTURE ARCHITETTURA DELLA RETE FISSA Infrastrutture di Trasmissione La rete di accesso...14 Accesso commutato su doppino telefonico...14 Accesso su doppino: la tecnologia xdsl...14 Accesso dedicato in fibra ottica La rete di giunzione La rete dorsale Numerizzazione delle centrali di Commutazione nella rete pubblica TECNOLOGIE DI COMMUTAZIONE I Sistemi SDH La tecnologia ATM La tecnologia IP LE RETI NAZIONALI E PROSSIMI SVILUPPI Le reti di raccolta e le reti dorsali...21 Collegamento tra nodi...22 Piano di Controllo...22 Trattamento del traffico da parte dei nodi SVILUPPO DEL CONTROL-PLANE ED EVOLUZIONE DELLE RETI DI TELECOMUNICAZIONI IN AREA METRO E CORE Nuovi servizi e vantaggi economici dall adozione di reti ASON/GMPLS CONCLUSIONI...31 CAPITOLO EVOLUZIONE DELLO STANDARD ETHERNET NELLE RETI MAN INTRODUZIONE LO STANDARD ETHERNET IL MECCANISMO DI ACCESSO CSMA/CD IL DOMINIO DI COLLISIONE DALLE LAN ALLE MAN: SWITCHING ETHERNET SERVIZI DI CONNETTIVITA ETHERNET PUNTO-PUNTO LA GIGABIT ETHERNET LA STANDARDIZZAZIONE DEI SERVIZI ETHERNET SDH/SONET, OTH ED ETHERNET NELLE RETI DI TRASPORTO:VISIONE DEGLI STANDARD INTERNAZIONALI E PROSPETTIVE PER IL FUTURO Un modello semplificato per una rete di trasporto Descrizione funzionale del modello SDH ED OTH ETHERNET: STANDARD FUTURI ETHERNET SU MPLS (MPLS ED OAM) ETHERNET PROVIDER BRIDGE ETHERNET PROVIDER BACKBONE BRIDGE ETHERNET OAM CONSIDRAZIONI FINALI...56 CAPITOLO QUALITA DEL SERVIZIO: CARATTERIZZAZIONE ED IMPLEMENTAZIONE QUALITA DEL SERVIZIO

3 3.1.1 SLA: Service Level Agreement LA GESTIONE DELLA QUALITA DEL SERVIZIO IntServ: Integrated Service Il Protocollo RSVP Il protocollo RTP DiffServ (Differentiated Services) Il campo DSCP PHB: Per-Hop Behaviour SCHEDULING E ALGORITMI WRR: Weighted Round Robin Priority queuing Controllo della Congestione Coesistenza IntServ, DiffServ DIFFSERV OVER MPLS L architettura MPLS MPLS e ingegneria del traffico Implementazione della QoS DiffServ su MPLS ARCHITETTURA GMPLS...94 CAPITOLO STRUTTURA ED ELEMENTI DEL...97 TEST- BED TEST-BED MPLS PER LE MISURE OGGETTIVE DELLA QUALITA DEL SERVIZIO Struttura del test-bed Presentazione del Test-bed ELEMENTI DELLA RETE Router Juniper M Architettura generale dei router Router Juniper M10: architettura Software JUNOS Generatore/analizzatore di traffico Chariot: Server e Client U.S.Robotics Wireless AP US Anrtitsu MN9610B PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA Switch Ottico La Porta parallela Amplificatore di corrente CAPITOLO CONFIGURAZIONE DELLA RETE E PROVE OGGETTIVE TIPOLOGIE DI PROVE E NORMATIVE DI RIFERIMENTO Settaggio delle schede di rete CONFIGURAZIONE DEI ROUTER Misure per il dimensionamento dell Expedited Forwarding Misure per il dimensionamento dell Assured Forwarding Configurazione definitiva TEST SUI SERVIZI Test sui servizi di video conferenza Test su servizio VoIP (Voice over IP) Servizio di trasferimento dati Servizi audio-video non real time CAPITOLO PROVE SOGGETTIVE E QUALITA PERCEPITA DALL UTENTE FINALE

4 6.1 TEST-BED SPERIMENTALE PER LA VALUTAZIONE SOGGETTIVA DELLA QUALITA DEL SERVIZIO PROVE SOGGETTIVE Scelta delle immagini televisive Registrazione delle sequenze Scelta del metodo di valutazione e preparazione della camera afonica LA SESSIONE DI TEST Preparazione delle sequenze Fase di elaborazione dei dati RISULTATI OTTENUTI Analisi globale delle sequenze via cavo ANALISI DELLE SEQUENZE VIA CAVO Automobilismo Tennis Nuoto Sincronizzato Ciclismo Musica ANALISI DELLE SEQUENZE WI-FI CAPITOLO MISURE OGETTIVE DEL TEMPO DI RIPRISTINO INTRODUZIONE TEMPO DI INTERRUZIONE DEL COLLEGAMENTO TEMPO DI REAZIONE DEL ROUTER AL GUASTO TEST SUI SERVIZI TEST BED UTILIZZATO PER LE MISURE CON IL SOFTWARE CHARIOT Test sui servizi simulati Test di ripristino su servizi di video conferenza Commutazione volontaria del mezzo trasmissivo Test di ripristino su servizio VoIP (Voice over IP) Test di ripristino su servizi audio-video non real time Test di ripristino su servizio di trasferimento dati RISPRISTINO DEL SERVIZIO MEDIANTE PROTOCOLLO OSPF CAPITOLO PROVE SOGGETTIVE E QUALITA PERCEPITA DALL UTENTE FINALE ELEMENTI NORMATIVI PER LA VALUTAZIONE SOGGETTIVA DELLA QUALITA DEL SERVIZIO NORMATIVE ITU-T ED ITU-R Enti per la valutazione delle QoS QoS della rete QoS del contenuto e QoS percepita dall utente TEST BED SPERIMENTALE (CON BACK_UP) PER LA VALUTAZIONE SOGGETTIVA DELLA QUALITA DEL SERVIZIO SVOLGIMENTO DELLE PROVE SOGGETTIVE Scelta delle immagini televisive Registrazione delle sequenze Scelta del metodo di valutazione e preparazione della camera afonica LA SESSIONE DEI TEST Preparazione delle sequenze Fase di elaborazione dei dati RISULTATI OTTENUTI Analisi globale delle sequenze via cavo ANALISI DELLE SEQUENZE SINGOLE Automobilismo Tennis Musica

5 APPENDICE TECNICHE DI PROTEZIONE INTRODUZIONE MECCANISMI DI PROTEZIONE Protezione lineare Protezione lineare 1: La topologia ad anello Unidirectional Path Switched Ring (UPSR) Bidirectional Line Switched Ring (BLSR) TECNICHE DI PROTEZIONE PROPIETARIE BASATE SUL PROTOCOLLO MPLS L architettura MPLS MPLS e ingegneria del traffico Resilience in MPLS Tecniche di ripristino MPLS su JUNIPER M ALGORITMO DI ROUTING OSPF Analisi del tempo di attivazione di adiacenza tra router APPENDICE IL SOFTWARE DI MANAGEMENT PER IL RIPRISTINO LE SOCKET Dichiarazione Dichiarazione delle librerie utilizzate Dichiarazione delle costanti definite Dichiarazione delle funzioni utilizzate Dichiarazione e semantica delle variabili utilizzate nel main Verifica della correttezza dell input Creazione della socket strutture dati delle socket Inizializzazione delle strutture d interesse Inizializzazione della struttura controllore Richiesta di una porta al SO Sdoppiamento dei processi La funzione fork() Ricezione del messaggio inviato dal router Processamento del pacchetto ricevuto Gestione dei segnali Cattura dei segnali e gestione della porta parallela La funzione close( ) FUNZIONI DI UTILITA CHARIOT: SESRVER E CLIENT APPENDICE ELEMENTI NORMATIVI PER LA VALUTAZIONE SOGGETTIVA DELLA QUALITA DEL SERVIZIO NORMATIVE ITU-T E ITU-R Enti per la valutazione delle QoS QoS della rete QoS del contenuto e QoS percepita dall utente NORMATIVA DI RIFERIMENTO PER I TEST Normativa ITU-R BT

6 SOMMARIO In questo rapporto riportiamo i risultati sperimentali che sono stati ottenuti sul test bed di rete che è stato realizzato presso i laboratori ISCOM nell ambito della collaborazione tra FUB e ISCOM nel progetto FUB QoSIP. Scopo di tale progetto sono lo studio e la sperimentazione di modalità per la diffusione di servizi multimediali interattivi su reti IP con alta Qualità del Servizio, anche in condizioni di alta congestione della rete, con particolare interesse verso la IP-TV. Per queste ragioni è stato costituito un test bed di rete ottica integrata multiservizio che rappresenta un esempio di rete regionale con diversi tipi di accesso. In particolare essa è costituita da una parte core realizzata con core router ad alta capacità connessi con lunghi collegamenti in fibra ottica (multipli di 25 km) che rappresenta una rete regionale, a cui sono collegati diversi dispositivi di accesso per valutare le prestazioni dell utenza. In particolare sono disponibili connessioni del tipo Fibre-to-the-Building (FTTB) e Fibre-to-the Curb (FTTC), WI-FI e VDSL. In questo rapporto faremo riferimento ai soli collegamenti FTTB, FTTC e WI-FI, mentre le prestazioni VDSL saranno riportate in un successivo rapporto. Per garantire la QoS abbiamo introdotto nella rete la metodologia denominata DiffServ-MPLS che permette una particolare etichettatura dei pacchetti che garantisce un trattamento differenziato della informazione. In particolare abbiamo utilizzato una mappatura innovativa proposta da noi e basata sull etichettatura del campo DSCP, che si è rivelata particolarmente efficace. Su tale rete sono state inoltre studiato, proposto e introdotte anche tecniche di ripristino molto innovative e che si sono rivelate molto efficienti e poco costose. Inoltre sono state studiate metodologie per l instradamento del traffico in presenza di nuovi dispositivi di commutazione ottici come OXC e convertitori di frequenza. 6

7 Tale metologie permettono di effettuare commutazioni di cammini fisici in rete senza introdurre alterare la qualità percepita da parte degli utenti. Una svariata serie di misure oggettive (di rete) e soggettive (percepite) su diversi tipi di servizi ci ha permesso di concludere che la tecniche da noi proposte per reti IP permettono la fruizione di tali servizi con alta QoS anche in condizioni di forte congestione della rete. In particolare la tecnica denominata Expedited Forwarding del DiffServ-MPLS è quella che permette un altissima percezione di servizi IP- TV anche in condizioni di estrema congestione della rete nel caso dell architettura FTTB e FTTC (ma si prevede che analoghe prestazioni saranno ottenute con accessi VDSL). Resta invece da sottolineare i limiti in termini di QoS per la tecnica WI-FI anche quando le condizioni di traffico della rete core garantirebbero alte prestazioni per l accesso. 7

8 INTRODUZIONE Il sensazionale sviluppo di Internet ha avuto un impatto forte sull industria delle telecomunicazioni determinando progressivamente l affermazione dei concetti e dei paradigmi connessi con la tecnologia Internet e in particolare con il protocollo IP. La crescita delle applicazioni ha fatto sì che in molte direttrici di telecomunicazioni internazionali e in reti nazionali dei paesi più avanzati il volume del traffico dati superasse quello relativo ai servizi di telecomunicazione tradizionali (fonia, fax, ecc). Tuttavia, nonostante il grande volume di traffico determinato da Internet, i margini di profitto connessi sono piuttosto modesti ed in ogni caso molto inferiori a quelli relativi ai servizi di fonia. A tale riguardo alcune studi dimostrano che in una prospettiva di medio termine il rapporto fra i volumi dei traffici IP e dei servizi tradizionali è stimato circa uguale a dieci, mentre il rapporto dei relativi introiti è stimato circa uguale ad un decimo. La necessità di ripagare gli investimenti sulle reti IP, insieme alla prospettiva di sviluppo di una rete integrata (capace cioè di trasportare tutti i tipi di servizi con un unica piattaforma di rete), spinge gli operatori di reti IP a fornire su queste reti anche i servizi di telecomunicazione tradizionali. Lo sviluppo di una rete integrata multiservizio è stato da sempre perseguito dai principali operatori di rete, e ciò ha portato a sviluppi importanti delle reti come ad esempio l ISDN e successivamente l ATM. Oggi la prospettiva di una rete integrata multiservizio basata su tecnologia IP comincia a concretizzarsi con reti di operatori, sia emergenti che storici, in grado di offrire anche servizi fonici e video. L integrazione dei servizi di fonia e dati assume attualmente una valenza anche più forte che nel passato, in quanto apre la possibilità di sviluppo di nuovi servizi e di nuovi modi di comunicazione. Oltre ai servizi multimediali già considerati nel passato, come ad esempio la videocomunicazione e la multivideoconferenza, è possibile fornire servizi come la 8

9 messaggistica unificata (unified messaging con , fax e casella vocale), conferenze multimediali, accessi contemporanei a pagine WWW e a servizi informativi, computing e progettazione collaborative, home working, teleshopping, giochi interattivi, e cosi via. La crescita del volume dei dati da trasportare e la fornitura di servizi con requisiti di tempo reale pongono, insieme alle esigenze di affidabilità e di sicurezza, una serie di nuovi requisiti per le reti e gli apparati IP. Lo scopo di questo lavoro è appunto quello di analizzare i trend di sviluppo delle architetture di rete, i requisiti emergenti per i router e le loro tendenze strutturali in un ottica di rete integrata multiservizio. A partire da un analisi dei servizi da supportare, si concentra in prima istanza l attenzione sulle caratteristiche richieste alle nuove reti ottiche metropolitane (MAN; Metropolitan Area Network) che costituiscono i nuclei di base delle nuove reti IP. Si analizza in particolare il ruolo della tecnologia Ethernet sia sulla rete di accesso, dove essa si va affermando come la soluzione più favorevole per l insieme dei benefici che comporta, sia come livello di trasporto nella MAN stessa. Le tecnologie Internet ed in particolare l architettura protocollare IP, da un lato soddisfano in pieno i requisiti di flessibilità e scalabilità richieste, dall altro però necessitano di significativi adeguamenti architetturali che consentano alle prossime reti di essere in grado di assicurare adatte prestazioni in termini di QoS e robustezza ai guasti. Per raggiungere questi obiettivi occorre lavorare su due aspetti chiave: l Ingegneria del Traffico e la differenziazione dei servizi. Le reti di trasporto ad alta velocità cui si fa riferimento comprendono le reti di giunzione e le reti dorsali. Queste ultime in particolare hanno sperimentato in tempi recenti un notevole potenziamento in Italia: migliaia di Km di fibra sono stati stesi su tutto il territorio nazionale con grande impegno economico dovuto agli alti costi del cablaggio. Le fibre ottiche, oltre a rappresentare un vero e proprio patrimonio infrastrutturale, costituiscono il mezzo trasmissivo più veloce. Ne consegue che gli eventuali cambiamenti necessari per rispondere alle nuove esigenze di traffico riguarderanno soprattutto gli apparati di rete. Si prevede a questo proposito un impiego sempre più elevato di dispositivi ottici e di router più flessibili. 9

10 La gestione della rete deve essere accompagnata da un adeguato piano di controllo che tenga conto dei problemi di disponibilità di risorse e di tipologia di traffico offerto. Lo scenario che si prospetta è quello di una rete ottica, eterogenea, multiservizio, basata sul protocollo IP e gestita in modo distribuito. Gli apparati di rete devono avere la capacità di instradare il traffico in modo veloce ed efficiente, e soprattutto devono essere in grado di gestire in modo opportuno le politiche di QoS (Quality of Service). In questo contesto si colloca questo Progetto svolto dalla Fondazione Ugo Bordoni in collaborazione con l ISCOM (Istituto Superiore per le Comunicazioni e delle Tecnologie dell Informazione). La principale finalità è stata lo studio di reti ottiche dinamiche in presenza di diverse condizioni di traffico e di politiche di QoS; a tal scopo è stato realizzato un test-bed sperimentale di rete ottica utilizzando come modalità di accesso la soluzione nota come FTTB (Fiber To The Bilding). Le architetture di rete basate sul protocollo Ethernet per il trasporto di pacchetti IP/MPLS direttamente su fibra ottica (1 e 10 Gigabit Ethernet) costituisono una soluzione efficiente per il superamento delle congestioni che da sempre limitano la velocità di trasmissione dati fra reti locali e reti geografiche. Sistemi basati su connessioni GbE ottiche trovano oggi impiego non solo per il collegamento fra switch di livello 2 in reti locali, ma anche per il collegamento diretto fra router che operano a livello 3 in reti metropolitane. Tuttavia la completa diffusione di GbE è inficiata dalla mancanza di alcune importanti funzioni per la gestione e manutenzione della rete (OAM), come la protezione delle connessioni in caso di guasto. Lo schema di protezione di tipo 1+1, estremamente semplice e veloce, è quello più usato, per contro richiede la duplicazione delle risorse quali costose interfacce sui router e fibre ottiche. Soluzioni più avanzate basate su tecnologia WDM riducono le necessità di fibre aumentano però il costo complessivo dell infrastruttura di rete. In questo lavoro viene dapprima implementato un test-bed per la riservazione della qualità del servizi secondo l approccio DiffServ over MPLS, poi vengono valutati sperimentalmente i principali limiti che caratterizzano la protezione di 10

11 connessione punto-punto GbE su fibra ottica fra router commerciali di ultima generazione destinati ad un utilizzo in ambito metropolitano. Si evidenzia, in particolare, il tempo impiegato dai router per rilevare e gestire il guasto della connessione, valutando la tempistica richiesta dal protocollo di instradamento Open Shortest Path First (OSPF) per il ripristino del corretto scambio di pacchetti dopo che è stata riattivata fisicamente la connessione. Al fine di migliorare il comportamente dei router nelle situazioni considerate, vengono proposte delle linee di riferimento. Lo studio presenta infine l implementazione di uno schema di protezione potenzialmente condivisibile, veloce ed economico che evita i problemi e le inefficienze evidenziate sperimentalmente dai router. Lo schema si basa sull impiego di dispositivi di commutazione ottica (PXC) controllati da segnalazione fuori-banda. L implementazione mostra la possibilità di sfruttare le potenzialità del sistema di protezione per ridurre l impiego di risorse pregiate dell infrastruttura di rete (interfacce sui router e fibre ottiche) pur garantendo tempi di ripristino della connessione di pochi millisecondi. 11

12 Capitolo 1 STATO ATTUALE DELLE RETI E PROSPETTIVE DI EVOLUZIONE FUTURE 1.1 ARCHITETTURA DELLA RETE FISSA In generale quando si parla di reti bisogna distinguere tra: Infrastrutture di trasmissione (portanti e tecniche di trasferimento) Infrastrutture di commutazione (nodi e procedure di smistamento e instradamento) Una rete di telecomunicazione è costituita da un insieme di apparecchiature e risorse per la trasmissione e la commutazione dei segnali. Dal punto di vista dell architettura, una rete fissa può essere suddivisa in tre parti principali: accesso, giunzione (o raccolta), dorsale. In letteratura è molto spesso utilizzato il concetto di rete di trasporto, come l insieme di portanti e apparati trasmissivi che permette di collegare tra loro i nodi di una rete di TLC. La rete di accesso permette la connessione dell utente alla centrale, in particolare si può dividere in rete primaria, che riguarda la connessione dalla centrale all armadio di distribuzione, e in rete secondaria, che riguarda la connessione dall armadio all utente. Va precisato che per la struttura utilizzata da Telecom Italia gli armadi in realtà sono due: il primo è connesso alla centrale ed è chiamato armadio di permutazione ed il secondo che connette l armadio di permutazione con l utente; quest ultimo è detto armadio di distribuzione.

13 La rete di raccolta o rete di giunzione è quella che connette le centrali in ambito cittadino. La rete dorsale connette le città o i grandi centri abitati. Tutto ciò rappresenta una schematizzazione di principio della rete di TLC, è molto probabile, infatti, che nel futuro questa schematizzazione sarà sempre meno realistica, nel senso che saranno più comuni connessioni tra domini che oggi sembrano profondamente distinti. Figura 0.1 : Architettura di rete fissa Infrastrutture di Trasmissione L avvento della fibra, quale mezzo trasmissivo principale nelle reti geograficamente estese, ha condotto, sin dai primi anni Novanta, ad un abbandono dei portanti coassiali in rame. L uso delle fibre ha inizialmente interessato solo la rete dorsale, sin dalla metà degli anni Novanta però si è assistito ad un lento ma inesorabile affermarsi di questo mezzo anche nella rete di giunzione, come conseguenza dell introduzione dei sistemi SDH (Syncronous Digital Hierarchy). Sempre nei primi anni Novanta la rete ha subito una profonda ristrutturazione che ha consentito la posa di alcuni milioni di nuovi rilevamenti d utente in coppia simmetrica (doppini telefonici), che hanno consentito al gestore, allora 13

14 monopolista, di rimediare ad una situazione di profonda carenza, soprattutto nelle grandi metropoli, per quello che riguarda il servizio telefonico di base. I grossi investimenti effettuati sulla rete d accesso in doppino negli anni Novanta consentono oggi di poter offrire un infrastruttura importante per la fornitura dei servizi a larga banda attraverso la tecnologie xdsl (Syncronous Subscriber Line). Tuttavia, per fare fronte all incremento di richiesta di banda sono necessarie altre soluzioni che vanno individuate nel portare una terminazione in una fibra ottica sempre più prossima a casa dell utente La rete di accesso Accesso commutato su doppino telefonico Il mezzo trasmissivo attualmente più utilizzato per la rete di accesso, nonché l unico che copra completamente il territorio, è la coppia simmetrica in rame denominata usualmente doppino telefonico. Un doppino è costituito da due fili in rame, twistati e non schermati, e costituisce il portante storicamente utilizzato per la telefonia analogica in area d accesso. Il doppino collega fisicamente la centrale locale dei servizi di telecomunicazioni (voce ed internet) con l abitazione dell utente per tratte che possono andare dalle centinaia di metri fino a qualche Km, da cui il nome di ultimo miglio. I collegamenti sono dedicati e permanenti, portando a reti con la tipica configurazione a stella. Attualmente per ragioni storiche la principale rete d accesso su doppino appartiene a Telecom Italia. La rete dispone di circa 50 milioni di doppini di cui poco più della metà sfruttati dalla clientela d accesso. In generale si tratta di una buona rete d accesso con una vita residua di qualche decina d anni. Accesso su doppino: la tecnologia xdsl Negli anni Ottanta, attraverso la ricerca sulla modulazione, è stato definito un modem di concezione innovativa, la cosiddetta tecnologia DSL (Digital Subscriber Loop) di cui l accesso base alla rete ISDN ( Integrated Service Digital Network ) costituisce un primo esempio. 14

15 Con il termine xdsl si intende una famiglia di tecniche trasmissive che consentono di fornire servizi a larga banda in area d utente utilizzando come mezzi di trasporto i portanti in rame già istallati. La realizzazione di un collegamento xdsl prevede l istallazione di un DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) in una sede centrale e di un NT (Network Termiation) in casa dell utente, comunemente chiamato modem. Si separa, tramite filtri, la banda fonica da quella dati, senza la necessità di intervenire sul collegamento fisico e riducendo così i costi di fornitura dei servizi. Va però osservato che, considerato lo stato di degrado di alcuni doppini, problemi di diafonia 1 rendono disponibili, per i servizi a banda larga, solo il 50% di quelli esistenti. Una caratteristica delle tecniche xdsl è la possibilità di commercializzare all utente finale un insieme di soluzioni molto variegate in termini di capacità da e verso la rete. L ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) è una tecnica trasmissiva asimmetrica che prevede una maggiore capacità dalla rete downlink ed una minore verso la rete uplink. Per utenze di tipo business sono dedicati accessi di tipo SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line), ed inoltre esiste una piattaforma xdsl che può essere resa disponibile anche per utenze domestiche e prende il nome di VDSL (Very Hight bit rate Digital Subscriber Line). Si tratta di un evoluzione dei sistemi asimmetrici ADSL verso capacità fino a 52 Mbit/s verso l utente e di alcuni Mbit/s verso la rete. E importante sottolineare che le prestazioni trasmissive delle tecniche xdsl dipendono fortemente dalla lunghezza del doppino telefonico, essendo l attenuazione proporzionale alla radice della frequenza, e dagli effetti della diafonia su sistemi trasmissivi utilizzanti lo stesso settore di cavo. Accesso dedicato in fibra ottica La fibra ottica costituisce la modalità d accesso più importante in termini di sviluppo futuro della rete, soprattutto considerando le esigenze dell industria e 1 Fenomeno di accoppiamento elettromagnetico tra i segnali che viaggiano su portanti affasciati nello stesso cavo. 15

16 degli enti che necessitano di capacità ben più elevate di quelle disponibili con l ADSL. Il costo delle tecnologie per l accesso ottico risulta meno elevato, per questo motivo, ad oggi, le fibre ottiche sono arrivate sino alla connessione degli armadi e non mancano soluzioni che tendono a portare la fibra, quindi l alta capacità, sempre più in prossimità dell utente. In questa maniera si tende a diffondere la fibra sia a livello d accesso primario che secondario. In letteratura sono presenti tre soluzioni d accesso per le fibre: la FTTH (Fiber To The Home), che consiste nel raggiungere i singoli utenti finali direttamente con la fibra ottica; la FTTB (Fiber To The Building), che consiste nell effettuare il cablaggio ottico fino agli edifici, adottando nell ultimo tratto il doppino con sistemi xdsl, o un cavo UTP Fast ethernet; la FTTC (Fibre To The Curb), che consiste nell effettuare il cablaggio fino al marciapiede, cioè in prossimità degli edifici, con una soluzione intermedia che è molto vicina a quella alla FTTB. Esistono al momento molti esempi di applicazione in Italia della FTTB soprattutto per grandi aziende, banche, università etc. Allo stato attuale Telecom Italia possiede una rete d accesso in fibra stimabile intorno a km, con una lunghezza media dei collegamenti tra centrale ed utilizzatore di circa 2 Km. Su questa rete sono forniti direttamente accessi SDH e, cosa che riguarda più da vicino questo lavoro, accessi di tipo GbE (Gigabit Ethernet) La rete di giunzione Il traffico generato dai singoli utenti o da piccoli gruppi nella rete d accesso, prima di andare sulla dorsale, viene aggregato nella rete, secondo modalità opportune, nella rete di giunzione o raccolta. Caratteristica tipica delle reti di raccolta è la presenza di architetture ad anello, che possono essere articolate su più livelli, in cui sono effettuate le operazioni di concentrazione del traffico. Si comincia da piccoli anelli di raccolta locali, in pratica le centrali di un quartiere, fino ad anelli più grandi, metropolitani, in cui 16

17 sono inglobati nel percorso dell anello i nodi di transito più importanti della zona urbana. Nel caso di accesso in fibra, che realizza la soluzione FTTB, il collegamento tra utente e centrale locale è realizzato mediante anelli in fibra ottica, dedicati e condivisi, secondo la tipologia degli utenti, che hanno lo scopo di convogliare il traffico sugli anelli metropolitani, sempre in fibra a più elevata capacità. La tecnologia più utilizzata è l SDH ma, per il trattamento del traffico Internet, si sta diffondendo quella della LAN estesa con interfacce GbE. Già da qualche anno le reti di raccolta usano sistemi e tecnologie più moderni basate sulla trasmissione in WDM (Wavelength Division Multiplexig), che consentono d incrementare notevolmente la capacità disponibile su ogni singola fibra ottica La rete dorsale Il panorama nazionale sulle reti dorsali evidenzia a breve termine una capacità ampiamente superiore alla domanda effettiva. Per motivi storici è opportuno trattare della rete dorsale di Telecom Italia, poiché data la condizione di ex monopolista è di fatto la più grande compagnia proprietaria di infrastrutture di telecomunicazione. La dorsale è oggi costituita, in prevalenza, da cavi in fibra ottica: circa Km di fibra in Km di cavo ottico. Una della caratteristiche della dorsale Telecom è aver opportunamente sfruttato la geografia del Paese installando la cosiddetta rete a festoni, che consiste nel collegamento delle città che si affacciano sul mare mediante cavi sottomarini: anziché effettuare onerosi scavi per collegare tutto il paese, si è preferito l installazione di cavi che costeggiano tutto il paese. Un cavo a festoni ha una lunghezza che si aggira tra i 100 ed i 200 Km. La rete dorsale è per la maggior parte cablata con fibre G.653 o dispersion shifted, fibre che hanno la particolarità di avere una dispersione cromatica prossima allo zero nelle lunghezze d onda degli amplificatori convenzionali ( nm). Sfortunatamente la regione con dispersione cromatica prossima allo zero ha una forte controindicazione per i sistemi WDM, poiché si generano forti effetti non 17

18 lineari. Va però osservato che, negli ultimi anni, sono stati messi a punto nuovi amplificatori ottici che lavorano in una regione dello spettro ( nm) in cui il valore della dispersione cromatica riduce fortemente gli effetti non lineari. A partire dal 1999 la dorsale Telecom Italia è passata da una tradizionale struttura magliata ad una struttura ad anelli interconnessi, riducendo il numero dei nodi principali Numerizzazione delle centrali di Commutazione nella rete pubblica La progressiva sostituzione delle centrali analogiche con quelle numeriche nella rete di commutazione, e l utilizzo della segnalazione SSN7, hanno permesso l introduzione di nuovi servizi come l ISDN, l integrazione completa con la rete di trasporto numerica, inizialmente PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) e successivamente SDH. I vantaggi ottenuti con la numerizzazione delle centrali si possono elencare nei seguenti punti: Maggiore qualità del servizio telefonico in termini d intelleggibilità, affidabilità e disponibilità; Integrazione della voce con la trasmissione dati; Servizi di segnalazione automatica a tutti i livelli gerarchici della rete di commutazione; Ottimizzazione della rete; Introduzione della flessibilità nella rete e centralizzazione del controllo e della gestione; Maggiore efficacia nella gestione. La migrazione dalla tecnica analogica a quella numerica ha consentito al Paese di adeguarsi agli standard mondiali di qualità sul servizio telefonico, così come previsto dalle raccomandazioni ITU (International Telecomuncation Union) della serie G. 18

19 1.2 TECNOLOGIE DI COMMUTAZIONE I Sistemi SDH La tecnologia PDH, che aveva caratterizzato fino agli inizi degli anni Novanta le infrastrutture delle reti di trasporto numeriche, è stata affiancata e quasi completamente sostituita dai sistemi SDH anche detti sistemi sincroni. Gli apparati fondamentali dell SDH sono gli ADM (Add Drop Multiplexer) per l inserimento e il prelievo di flussi numerici e i DXC ( Digital Cross Connect ) per la permutazione del traffico a livello di flussi aggregati. Nella seconda parte degli anni Novanta questi sistemi sono stati inseriti in grande quantità sia nella rete dorsale con frequenze di cifra di 622 Mbit/s e 2,5 Gbit/s (STM-4 e 16, DXC 4/4 ), sia nella rete di giunzione con sistemi a frequenze di cifra di 155 Mbit/s e 622 Mbit/s (STM-1 e 4, DXC 4/3/1, ADM-1). Figura 0.2 : Blocchi funzionali di un DXC e di un ADM Allo stato attuale la massima penetrazione dei sistemi SDH si ha nella rete nazionale dorsale, in cui gli apparati raggiungono il 90% di presenza mentre i sistemi PDH vengono progressivamente dimessi. In area metropolitana sono presenti e molto diffusi anelli di raccolta SDH che aggregano il traffico nell area di accesso e lo canalizzano verso l area di giunzione. Gli apparati della rete SDH hanno favorito un netto miglioramento per quanto concerne la trasmissione numerica dei flussi: 19

20 Razionalizzazione nella gestione complessiva della rete, con un unica potenziale struttura di trasporto capace di supportare qualsiasi tipo di traffico (voce, dati, traffico ATM e IP, segnali video); Automatizzazione completa delle operazioni di permutazione a livello di flussi aggregati; Compatibilità con tutti i sistemi numerici precedenti; Introduzione di potenti strumenti per la gestione, il controllo, la protezione e la manutenzione della rete su base nazionale La tecnologia ATM Dal 94 Telecom ha avviato la realizzazione di una rete ATM (Asyncronous Transfer Mode), prima in ambito sperimentale all interno di un progetto con altri operatori europei e dal 1996 in ambito commerciale, sostenendo investimenti in infrastrutture di rete ATM in più di venti città italiane. Questa rete attualmente costituisce il supporto della larga banda ed è impiegata per gestire il traffico dati proveniente dalle reti ADSL La tecnologia IP L affermazione del protocollo IP (Internet Protocol ) e dei servizi di Internet ha fortemente condizionato lo sviluppo delle reti ATM che, di fatto, non costituiscono più la struttura di riferimento per le reti future. Attualmente il trasporto del traffico IP avviene con ATM per la trasmissione a livello di pacchetto ed SDH per il trasporto del segnale. Sia ATM che SDH assicurano la trasmissione del pacchetto IP, tuttavia questo doppio passaggio, IP over ATM over SDH, risulta oneroso in termini di banda in primo luogo per il notevole overhead, poi per tutta una serie di duplicazioni funzionali. Oggi sono in fase di sperimentazione avanzata tecniche di trasporto più semplici e meno costose come ad esempio IP over WDM; in queste tecniche si cerca di eliminare le ridondanze presenti tra IP ed SDH poiché il protocollo IP, 20

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