Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica

Transcript

1 Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica Parte VII: Reti d accesso ottiche passive (PON) e commutazione di pacchetti ottici 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 Reti di accesso Quanto visto finora si applica sostanzialmente a reti metropolitane e di trasporto. Per arrivare all utenza residenziale ( ultimo miglio ), l ultima tratta viene detta rete d accesso. NIU hub nodo remoto nodo remoto NIU NIU NIU = Network Interface Unit Reti di accesso Tecnologie nelle reti di accesso: Plain Old Telephone Service (POTS) Asymmetric Digital Subscriber Loop (ADSL) cable-modems su reti con tecnologia Cable-TV (CATV) reti via radio (wireless); esempio: Local Multipoint Distribution Service (LMDS) reti via radio cellulare reti di accesso ottiche

3 Reti di accesso HFC Le reti CATV si chiamano anche Hybrid Fiber Coax (HFC). tap headend fiber remote node coax amplifier Sono pensate per funzionamento unidirezionale Fiber To The X (FTTx) Service Node Internet Leased Line Frame/Cell Relay Telephone Interactive Video SNI (VB5) Operation System Q3 OLT Passive Optical Splitter ATM-PON Optical Fiber xdsl ONT Twisted Pair ONT NT NT FTTx FTTH FTTB FTTC FTTCab FTTH :Fiber To The Home FTTB :Fiber To The Building FTTC:Fiber To The Curb FTTCab :Fiber To The Cabinet

4 Reti di accesso ottiche λ 1 λ 2 λ 3 λ N λ 1 laser : Optical Network Unit WDM laser splitter/ combiner λ i laser central office remote node λ N λ 1 λ 2 λ 3 λ N laser Reti di accesso ottiche Sono sovente basate su ATM. Nella tratta downstream si affronta un problema di multiplazione. Nella tratta upstream si ha un problema di accesso multiplo (serve un MAC) Si mira soprattutto alla semplicità e alla facilità di gestione, per cui si implementano normalmente strutture passive con componenti di basso costo. Esempi: trasmissione con LED modulazione alle di portanti non modulate inviate dal central office

5 Architetture di PON: LARNET 1.5 µm laser 1.3 µm AWG λ 1 λ i λ 1 λ 1 1.3mm LED 1.3mm LED : Optical Network Unit central office remote node λ N λ 1 1.3mm LED Segnali di ritorno a larga banda affettati (sliced) dall AWG Architetture di PON: RITENET λ 1 modulator : Optical Network Unit WDM laser WDM AWG λ i modulator central office remote node λ N modulator Modulazione di portante per la tratta upstream

6 Broadband Passive Optical Networks (BPON) Sono in corso di definizione standard per reti d accesso ottiche: ITU-T G strato fisico ITU-T G gestione e controllo ITU-T G estensioni WDM ITU-T G.983.dba allocazioni dinamiche di banda ITU-T G.983.sur affidabilità E attivo un gruppo di lavoro IEEE 802.3ah per Ethernet in the First Mile : 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

7 Commutazione ottica di pacchetto Finora abbiamo visto: reti di prima generazione reti di seconda generazione reti ottiche a commutazione (veloce) di circuito (es. reti wavelength routing) reti ottiche a commutazione di pacchetto (es. reti broadcast-and-select) reti con commutazione di pacchetti ottici? Commutazione ottica di pacchetto Una rete con commutazione ottica di pacchetti (Optical Packet Switching Network) è in grado di commutare pacchetti nel dominio fotonico, quindi è in grado di configurare i suoi elementi di commutazione nella scala temporale di singole unità dati La tecnologia per questo tipo di reti è ancora in fase molto preliminare. Servono commutatori molto veloci Si può anche parlare di multiplazione di tempo ottica (Optical Time Division Multiplexing - OTDM)

8 Optical Burst Switching (OBS) Proposta intermedia tra commutazione di pacchetto e commutazione di circuito, che sfrutta la separazione tra piano di controllo e piano di trasporto, o tra header e payload dei pacchetti Il burst è un insieme di bit di informazione (un pacchettone ), assemblato ai bordi (edge) della rete e instradato in modo trasparente nel piano di trasporto. Viene preceduto di un tempo di offset, tipicamente inferiore ad un ritardo di propagazione, da una richiesta di allocazione (Control Header Packet CHP) inviata nel piano di controllo burst CHP controllo trasporto Optical Burst Switching (OBS) Tale richiesta viene elaborata e instradata prima dell arrivo del burst, preparando con debito anticipo gli apparati di commutazione. In caso di conflitti non risolubili vengono bloccati sia la richiesta (prima) sia il burst (dopo), evitando l utilizzo di memorie per la risoluzione di contese La parte di controllo dei commutatori riserva con anticipo le risorse necessarie allo smaltimento del burst, implementando strategie di scheduling tra le richieste di burst non ancora transitati E possibile supportare diverse classi di servizio sia ritardando burst di classe inferiore, sia assegnando offset maggiori alle classi di servizio più pregiate, in modo che vengano schedulate nei nodi prima di altre classi di servizio

9 Commutazione ottica di pacchetto Problemi generali: multiplazione e demultiplazione temporale nel dominio fotonico sincronizzazione realizzazione di ritardi nel dominio fotonico rigenerazione (2R o ) ottica Sovente in OTDM si usano solitoni per evitare gli effetti negativi della dispersione Sono stati proposti componenti ottici in grado di implementare porte logiche operanti a velocità estremamente elevate (pochi fs) flusso di ingresso Sincronizzazione La sincronizzazione è il processo di riallineamento nel tempo di due segnali (impulsi). Occorre quindi poter realizzare ritardi, fissi o variabili c ritardo ritardo ritardo T/2 c T/4 C 1 2 T/2 c k-1 k-1 k flusso ritardato stadio 1 stadio 2 stadio k-1 Sono state proposte realizzazioni ottiche di funzionalità di Phase Lock Loop (PLL) per riallineare la fase dei segnali

10 Commutazione in Internet longest-prefix-matching sull indirizzo IP di destinazione risoluzione delle contese nel dominio tempo, basata su multiplazione statistica, memorizzazione e perdite modifica dell intestazione nell operazione di forwarding Commutatori ottici input buffers header processor output buffers header processor control input Problemi: sincronizzazione in ingresso, elaborazione delle intestazioni, risoluzione delle contese, memorizzazione dei pacchetti

11 Sincronizzazione in ingresso Sovente la matrice di commutazione opera in modo sincrono (slotted) su pacchetti di dimensione fissa E opportuno che la matrice di commutazione si riconfiguri per tutti gli ingressi e le uscite simultaneamente mentre non sono in corso trasferimenti di pacchetti Linee di ritardo (possibilmente commutate lentamente) possono essere usate per l allineamento dei pacchetti in ingresso Elaborazione intestazioni I pacchetti contengono nella loro intestazione l informazione (indirizzo o etichetta) che guida la commutazione. Sovente tale intestazione (header) viene separata dai dati (payload) e rappresentata in formati che agevolano una veloce elaborazione, nel dominio elettronico o nel dominio ottico. Possibilità: header a velocità ridotta rispetto al payload subcarrier multiplexing codici ottici modulazioni miste ampiezze/fase

12 Risoluzione delle contese I commutatori elettronici risolvono le contese con memorizzazione (e possibilmente scarto) dei pacchetti. Operano quindi principalmente nel dominio tempo Nel dominio fotonico si possono usare linee di ritardo (normalmente configurate in ricircolo dalle uscite agli ingressi) per emulare le memorie elettroniche Si possono anche sfruttare i diversi canali WDM disponibili sulle fibre (anche se ciò richiede conversione di lunghezza d onda) Un altro approccio possibile è l utilizzo di instradamento a deflessione Si possono quindi combinare opportunamente tecniche di risoluzione delle contese nei domini tempo, lunghezza d onda e spazio Linee di ritardo commutate La non disponibilità di memorie ottiche suggerisce l utilizzo di linee di ritardo in fibra (FiberDelay Lines FDL) per risolvere contese nel dominio tempo Le FDL possono essere poste agli ingressi o in ricircolo attorno alle matrice di commutazione FDL FDL FDL FDL ottico FDL in ingresso: possono essere ritardi diversi in parallelo, o ritardi uguali in serie

13 FDL in ricircolo FDL FDL ottico Le FDL in ricircolo consumano porte del commutatore ottico, ma possono condivise tra tutti i pacchetti che attraversano il commutatore Le FDL possono avere tutte lo stesso ritardo o ritardi differenti Nel caso di pacchetti di dimensione variabile, si possono ottimizzare i valori di ritardo 640 Gbit/s Optical Switching Matrix regenerators multiplexing and amplification couplers + shuffle space and wavelength selection stage regenerators λ1 1: λ x8 λ1 1 8 λ x8

14 Una possibile architettura ingresso 0 synch uscita ingresso 1 synch 2 2 m m 1 1 uscita 1 n-1 n-1 n n ingresso N synch uscita N unità di controllo (elettronica) Reti a deflessione Invece di memorizzare i pacchetti, questi vengono deviati verso un uscita non preferenziale In pratica si utilizza la rete stessa con i suoi colleamenti in fibra come memoria distribuita Si ottengono migliori prestazioni da un funzionamento a slot sincrono, ma si può anche evitare la sincronizzazione in ingresso, con un costo in termini di prestazioni Non c è un limite superiore al ritardo di consegna e non si riesce a mantenere l ordine dei pacchetti C è rischio di livelock

15 Reti a deflessione ManhattanStreet Network la deflessione può essere combinata con FDL, migliorando le prestazioni