Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica

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1 Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica Parte VIII: Protocolli per reti ottiche Fabio Neri e Marco Mellia Gruppo Reti Dipartimento di Elettronica nome.cognome@polito.it fabio.neri@polito.it - tel Programma di massima Introduzione e motivazioni Cenni alla propagazione in fibra ottica Componenti per sistemi ottici Cenni a reti ottiche di prima generazione Reti ottiche WDM di tipo broadcast-and-select Reti ottiche WDM di tipo multi-hop Reti wavelength routing Reti d'accesso Commutazione ottica di pacchetti Architetture di protocolli nelle reti ottiche Cenni a gestione e affidabilità

2 OSI Layers Network General Guide to Communication Protocols Application 7 Presentation 6 Session 5 Transport 4 Network 3 Logical Link 2 Physical 1 Total Network Visibility Courtesy Network General Corporation Ridurre la complessità Layer 2 Logical Link Ethernet Token Bus Token Ring FDDI DQDB ISDN Modems SONET PPP SMDS ATM Frame Relay

3 Ridurre la complessità Layer 3 Network V X DDP DLSw COFP CLNP DRP IDP Convergenza = Semplicità Application 7 Presentation 6 Session 5 Transport 4 Network 3 Logical Link 2 Physical 1 Resolving Network Complexity from the Bottom Up

4 Piani funzionali Nelle attuali reti di dorsale c è una tendenza a separare le funzionalità di rete in piani funzionali: Piano di trasporto (o dati): trasporto dell informazione (d utente, ma anche di gestione e controllo) Piano di controllo: funzionalità di controllo di connessioni e chiamate Piano di gestione: gestione e configurazione delle risorse di rete e del loro corretto funzionamento Piani funzionali Piano di gestione Piano di controllo Piano di trasporto Rete Rete ottica

5 Standardizzazione ITU-T (International Telecommunications Union - ITU - Telecommunications StandardizationSector) e ANSI G.872 Architecture of optical transport networks, Nov G.ASON, Architecture for the Automatic Switched Optical Network, in fase di sviluppo G.983/984 Broadband Passive Optical Network IETF (Internet Engineering Task Force) MPLS, MPλS, G-MPLS, O ( over Optical) OIF (Optical Internetworking Forum) OIF UNI (User-Network Interface) 1.0 Host Interoperability Demo (@Supercomm 2001) ODSI (OpticalDomain Service Interconnect) Digital Wrapper: : ITU-T T G.709 SDH FDDI Eth. SDL ATM PDH OCh OAM OCh payload FEC Overhead dello strato ottico (Optical Channel) per controllare gli errori sul bit sui canali WDM. Funzionalità: delimitazione delle unità dati controllo delle prestazioni dello strato ottico Forward Error Correction protezione e ripristino per ogni lunghezza d onda

6 ITU-T T G.709 e G.872 OTN (Optical Transport Network) Evoluzione di Digital Wrapper. Definisce, in modo simile a SONET/ SDH, un livello di canale ottico (optical channel - OC), comprendente i sottolivelli di canale (lightpath), sezione di multiplazione (mux/demux su un link) e sezione di amplificazione. E stato concepito in alternativa a SONET/SDH, introducendo funzionalità specifiche per i canali ottici WDM. Di fatto OTN non ha avuto successo. ITU-T T G.709 e G.872 OTN (Optical Transport Network) channel multiplex section amplifier section Och-S/Och-P OMS OMS multiplex section OTS OTS OTS amplifier amplifier section section channel multiplex section amplifier section WDM node amplificatore WDM node WDM node

7 Architetture di protocolli Visto l enorme successo di Internet, i protocolli dominanti negli strati alti delle architetture di rete sono applicativi Internet (WWW, , file transfer, ecc.) di tipo client-server, TCP o UDP a livello trasporto, per controllare e multiplare end-to-end i flussi di informazione, e come protocollo di rete per il piano di trasporto Tra router Internet prevede sottoreti (LIS) a pacchetto, che possono essere realizzate con tecnologie diverse. All interno di una sottorete possiamo avere funzionalità di commutazione (p. es. switch Ethernet, commutatori ATM, commutatori Frame Relay, ecc.) Protocolli del piano trasporto /MPLS Ethernet RPR ATM GFP SDH/SONET WDM/OTN /MPLS = Internet Protocol / Multiprotocol Label Switching RPR = Resilient Packet Ring GFP = Generic Framing Procedure OTN = Optical Transport Network

8 Pile di pile Oggi nel piano di trasporto spesso si usano molti protocolli in modo stratificato Per esempio, in una rete di backbone, è trasportato da ATM, che è a sua volta trasportato da SONET Ogni tecnologia ha una sua pila protocollare, che può essere mappata su un livello dello standard OSI La stratificazione OSI viene applicata ricorsivamente ATM SONET Network Data Link Network Data Link Network Data Link Physical Architetture di protocolli applicat. present. session transport network data link physical OSI Basic Reference Model Internet applicat. TCP subnet Internet Protocol Suite Internet applicat. TCP ATM SDH WDM /ATM/SDH/WDM Internet applicat. TCP data link WDM over WDM

9 Duplicazione di funzionalità, ATM, Frame Relay, SONET/SDH, WDM possono essere considerate tecnologie di commutazione che coesistono nelle reti attuali, pur introducendo significative sovrapposizioni di funzionalità, in quanto ciascuna tecnologia offre alcune caratteristiche specifiche: : compatibilià con il mondo Internet - efficiente utilizzo delle risorse ATM (o Frame Relay): ingegnerizzazione della rete - controllo del traffico - qualità del servizio SONET/SDH: framing e sincronizzazione - gestione della rete - protezione da guasti - ampia disponibilità dispositivi WDM: larga banda - insensibilità al bit-rate switched Ethernet: alta velocità a basso costo in ambito locale Architetture di protocolli Anche se alcune delle funzionalità viste possono essere inglobate in e lo strato ottico WDM è necessario per affrontare l aumento di banda, serve comunque un livello 2 (data link) tra e WDM per delimitare le unità dati, garantire la sincronizzazione e fornire un controllo degli errori. Possibilità: Point-to-Point Protocol (PPP) su SONET/SDH e light- SONET Generic Framing Procedure (GFP) Gbit e 10G Ethernet IEEE Resilient Packet Ring

10 Protocolli di livello collegamento Gbit Ethernet: compatibile con le reti locali; codifica 8B/10B poco efficiente; bassi costi; supporto alla gestione assente; 10 GbE? PPP+HDLC: incapsulamento multiprotocollo; Link Control Protocol per gestire il collegamento; Network Control Protocol per gestire diversi livelli rete; controllo d errore; delimitazione con flag e stuffing SONET/SDH: controllo del jitter; gestione allarmi; protezione guasti; costi (ancora) elevati; dispositivi consolidati SONET & WDM È possibile combinare SONET con WDM semplicemente considerando ogni λ come un canale fisico diverso Ovvero, una fibra con N lunghezze d onda è del tutto equivalente a N canali paralleli composti da N fibre Topologia fisica PTE N lung. d onda N lung. d onda N lung. d onda PTE Topologia logica: N canali lineari ADM SONET in parallello PTE REG PTE REG PTE REG PTE REG λ 1 λ 2 ADM REG REG ADM REG PTE ADM REG REG ADM REG PTE ADM REG REG ADM REG PTE ADM REG REG ADM REG PTE λ N

11 SONET & WDM Un Add-Drop che riceve canali a 10Gbit/s deve manipolare nel dominio elettronico un throughput dell ordine del Terabit/s Scenario ancora più complesso per un digital cross-connect Il costo degli apparati SONET risulta troppo costoso problematico per dissipazione di potenza di dimensioni non trascurabili Ma in un ADM o DCS, la maggior parte del traffico è in transito e non deve essere necessariamente decodificato La seconda generazione di reti ottiche tenta di limitare costi mantenendo l informazione nel domino ottico Estensioni a SONET/SDH Sono in fase di definizione e standardizzazione diverse estensioni e di SONET/SDH. Esempi: Virtual Concatenation: concatenazione logica di di payload SONET/SDH, anche di interfacce diverse Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS): consente di modificare dinamicamente la banda dei circuiti SONET/SDH; adatta a traffico dati, ma può anche essere usata in caso di guasto Generic Framing Procedure (GFP) Sono anche state definite versioni semplificate di SONET/SDH ( light-sonet ) per contenere complessità e costi

12 Generic Framing Procedure Standard ITU-T G.7041, Generic Framing Procedure (Dic. 2003) GFP è una evoluzione di ATM e Simple Data Link (SDL) Concepito per incapsulare pacchetti di vario formato in SONET/SDH, ma può anche essere utilizzato indipendentemente da SONET/SDH (per es. nelle PON) Due modi di trasporto: Frame Mapped (GFP-F): pensato per trasportare pacchetti Ethernet,, PPP, ecc. Transparent (GFP-T): pensato per flussi con codifica a blocco; applicabile Gigabit Ethernet, Fiber Channel, FICON, ESCON Classical over ATM Approccio classico definito dall IETF con RFC 1577: usare ATM per trasporto dati È possibile mappare altri protocolli per trasporto in ATM oltre LAN emulation: permette il trasporto LAN (LAN traffic over WAN) ATM viene poi trasportato da SONET/SDH Protocol Interfaces Token Ring Ethernet ATM SONET

13 over ATM over SONET OADM switch ATM router ATM introduce notevoli overhead (> 20%) e impone un paradigma a circuiti virtuali che mal si combina con over SONET (o packet over SONET ) RFC 2615 (ex RFC 1619) prevede l uso di SONET/SDH da parte di usando il protocollo Point-to-Point (PPP, definito da RFC 1661) PPP permette di trasportare su altri protocolli di livello trasporto, con funzionalità di: incapsulamento e multiplexing da diversi strati di livello rete su uno stesso canale instaurazione, configurazione e controllo del livello collegamento RFC 2615 prevede in aggiunta un operazione di scrambling dei byte PPP Packet Point-to-Point Protocol (PPP) Packet SONET SPE

14 +SONET vs +ATM+SONET Efficienza di incapsulamento: Ipotesi: pacchetti di 576 byte velocità SONET di 155 Mbit/s La banda netta è Mbit/s per +ATM+SONET (efficienza 80%) Mbit/s per +SONET (efficienza 95%) Considerazioni di Qualità di servizio: ATM garantisce una flessibilità che PPP direttamente non può permettere indirizzamento, instradamento, controllo di flusso, reazione ai guasti sono implementati da ATM, non da PPP Considerazioni di costo: su SONET costa meno di su ATM su SONET Qualità del servizio Protocolli: Integrated Services (IS) con Resource Reservation Protocol (RSVP) Differentiated Services (DiffServ) Constraint-Based Routing Multi-Protocol Label/Lambda Switching (MPLS / MPλS) Parametri: banda (throughput) probabilità di perdita ritardio medio variabilità del ritardo (jitter) ritardo massimo protezione da guasti

15 MPLS / MPlS Deriva dalle esperienze ATM e di su ATM, introducendo una nozione di circuito virtuale. L operazione base di commutazione, invece del longest prefix match, è una commutazione di etichetta (label). Le etichette di ingresso e di uscita sono memorizzate in una opportuna tabella al momento della creazione del circuito virtuale. aggiungi etichetta edge tabella MPLS rete MPLS tabella MPLS tabella MPLS rimuovi etichetta edge MPLS / MPlS Gli instradamenti (LSP: Label-Switched Path) sono decisi alla sorgente. Esiste un protocollo di segnalazione (LDP: LabelDistribution Protocol) per allocare le etichette. Implica un passaggio da un paradigma soft-state ad un paradigma hard-state. Permette l ingegnerizzazione del traffico e la costruzione di reti private virtuali (VPN: Virtual Private Network) Forza una separazione tra piano di controllo e piano di utente. Sono previste funzionalità di aggregazione delle etichette (grooming) e gerarchie di etichette. Nel caso MPλS le etichette sono delle lunghezze d onda.

16 G-MPLS G-MPLS è una proposta IETF per estendere MPλS in modo da costituire un piano di controllo in grado di supportare diverse tecnologie di commutazione: tempo, spazio, λ, pacchetti Si prevedono i tre piani di trasporto, controllo e gestione Sono stati recentemente stilati diversi draft IETF su G-MPLS E previsto un Link Management Protocol (LMP): Control ChannelMaintenance Link Property Correlation Link ConnectivityVerification Fault Management Architetture di protocolli applicat. present. session transport network data link physical OSI BRM Internet applicat. TCP subnet Internet Protocol Suite Internet applicat. TCP MPLS PPP WDM over WDM

17 Modelli Peer e Overlay Per il piano di controllo, abbiamo diversi approcci. Modello overlay : router e OXC appartengono a due domini amministrativi diversi; si definiscono delle UNI (User-Network Interface) la topologia della OTN non è nota all esterno i protocolli di segnalazione e instradamento sono diversi i router possono richiedere la creazione di connessioni ottiche Modello peer-to-peer : stesso dominio amministrativo e stesso piano di controllo; router e OXC direttamente connessi piena conoscenza della topologia stessi protocolli di segnalazione e instradamento i router possono richiedere connessioni ottiche con altri router Modello augmented : simile a overlay, ma con scambio sulle UNI di informazioni di routing Modelli Peer-to to-peer e Overlay overlaymodel Sonet UNI UNI UNI OXC OXC OXC UNI UNI Sonet () OXC () OXC () OXC peer-to-peer model

18 ITU-T T G.ASON: Automatically Switched Optical Network Gestione in tempo reale nel piano di controllo di richieste di connessioni ottiche dinamiche L architettura prevede i tre piani di trasporto, controllo e gestione. I canali di controllo e gestione possono essere in-band o out-of-band. Sono previste connessioni: permanenti, semipermanenti e commutate Nel piano di controllo si gestiscono procedure di controllo di ammissione delle chiamate, di policing, di instradamento dinamico ASON eredita diversi concetti e approcci di. Probabilmente sarà implementato utilizzando i protocolli definiti nel contesto GMPLS. ITU-T T G.ASON NMI-A ASON control plane OCC Management NMI-T OCC I-NNI OCC OCC IrDI_NNI UNI CCI User signaling Clients e.g., ATM, TDM OXC OXC OXC Optical Transport Network IrDI Clients e.g., ATM, TDM OCC: Optical Connection Controller UNI: User Network Interface CCI: Connection Control Interface NNI: ASON control Node Node Interface IrDI: Inter Domain Interface NMI: Network Management Interface

19 ITU-T T G.ASON Esistono diversi standard ITU-T. Funzioni del piano di controllo: Discovery: configurazione automatica, con ricerca dei vicini, delle risorse e dei servizi disponibili Routing: tenendo conto anche di aspetti trasmissivi sui canali ottici Signaling: parte fondamentale della gestione delle connessioni Protection & restoration: reagisce ad allarmi generati nel piano di trasporto ed è configurata dal piano di gestione Evoluzione delle reti ottiche pacchetti ottici Optical Packet Switching Optical Burst Switching reti dinamiche Commutazione multilivello (ASTN) Commutazione di λ (ASON) Reti ad anello WDM punto-punto Reti a maglia (OTN) reti statiche