Reti Fotoniche (Optical Networks)

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1 (Optical Networks) Gruppo Reti Sito del corso Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica Argomenti del corso Che cosa sono le reti ottiche? Perché le reti ottiche? Tipologie di reti ottiche Reti ottiche di prima generazione: Commutazione di circuito: Sonet/SDH Commutazione di pacchetto: Gigabit Ethernet Storage area networks: Fibre Channel Reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing Cenni a reti d accesso e commutazione ottica di pacchetti Architetture di protocolli per reti ottiche Cenni a gestione e affidabilità Pag. 1

2 Reti ottiche di prima generazione Nelle reti di prima generazione le fibre sostituiscono il rame come mezzo trasmissivo (strato fisico). Esempi: sistemi sottomarini SONET/SDH: evoluzione delle gerarchie TDM plesiocrone (PDH) dei sistemi telefonici. Offre flessibilità nella multiplazione dei flussi e funzionalità di gestione, protezione, interoperabilità, networking ESCON, FibreChannel, HIPPI: standard per interconnettere elaboratori e periferiche ad alta velocità FDDI, Gbit Ethernet e reti locali (LAN) veloci RPR Resilient Packet Ring (IEEE ) nodo della rete collegamenti in fibra Reti ottiche di prima generazione nodo della rete interfaccia O/E interfaccia O/E EXC o ADM interfaccia O/E EXC = cross-connect elettronico ADM = add-drop multiplexer collegamenti in fibra nodo della rete interfaccia O/E La topologia è in generale complessa, ma viene sovente gestita come anelli o bus interconnessi. interfaccia O/E EXC o ADM nodo della rete interfaccia O/E Pag. 2

3 Sistemi sottomarini I sistemi sottomarini trans-oceanici raggiungono attualmente i massimi valori di prodotto banda-distanza, e sono un ottimo esempio delle enormi potenzialità delle comunicazioni ottiche. TAT 12/13: (Transatlantic link) operativo dal 1995, distanza massima 6200 Km, capacità (originale) 5 Gb/s per fibra TPC 5: (Transpacific link) operativo dal 1996, distanza massima 8200 Km, capacità 5 Gb/s per fibra TAT 14: operativo dal dicembre 2000, 16 canali WDM a 2.5 Gb/s TPC 6: in fase di sviluppo, progettato per supportare 640 Gb/s con tecnologia WDM SONET-SDH SDH Gruppo Reti nome.cognome@polito.it Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica Pag. 3

4 Fibre Channel Tecnologia pensata per l interconnessione ad alta velocità di periferiche e tra mainframe nei centri di calcolo Velocità fino al Gb/s con codifica di linea 8B/10B su fibre monomodali a 1300 nm Distanze fino a 10 km Mezzi trasmissivi: doppini, cavi coassiali, fibre ottiche Interlavoro con SCSI, Internet Protocol (IP), e altri protocolli Standard ANSI X Scenario di uso Pag. 4

5 Channels Modello di riferimento Fibre Channel Networks ISO/OSI IPI SCSI HIPPI IP ATM FC-4 Transport Common Services FC-3 Framing Protocol/Flow Control FC-2 Data Link Encode/Decode FC-1 Physical 133 Mb/s 266 Mb/s 531 Mb/s 1062 Mb/s FC-0 FC-0 0 layer Livello fisico del sistema Mezzi fisici: Fibre (errore voluto per dire sia fiber, sia copper) Connettori, potenze, modulazioni. Equivalente OSI-1 Richisto BER minore di Pag. 5

6 FC-1 1 layer Definisce la codifica di linea secondo lo schema 8B/10B transmission encoding Importante schema (ereditato in Gigabit Ethernet) Parole di 8 bits sono trasmesse usando 10 bits Error detection (disparity control) Recupero e mantenimento di sincronizzazione 100% D.C. voltage balance Alcune sequenze ammissibili e non corripondenti a parole di codice sono usate per segnalazione (delimitazione frame, controllo di sequenza) FC-2 2 Layer Livello che si occupa di specificare Formato di trama Gestisce la risequenzializzazione Flow Control Gestisce diverse classi di servizio Login/Logout di apparati Costruzione di topologia Segmentation and Reassembly Pag. 6

7 FC-2 2 Layer Diverse PDU sono identificate a livello 2: Ordered Set: trasmissione di 4 byte a scopo di segnalazione (SOF, EOF, R_RDY, ) Frame: unità dati base, più piccola di 2148 byte (36B+2112B) Sequence: composta da 1 o più frame (equivalente di una frase) Exchange: composta da 1 o più sequenze (equivalente di una conversazione) FC-2: Formato di trama 4 bytes Start of Frame 24 bytes Frame header 64 bytes Optional header 2112 bytes Data Field 2048 bytes Payload 4 bytes CRC Error Check 4 bytes End of Frame CTL Source Address Destination Address Type Seq_Cnt Seq_ID Exchange_ID Pag. 7

8 TEACH FC-3 3 and FC-4 4 Layer FC-3: non ben definito. Implementato solo in apparati con più porte (es. gestione multicast) FC-4: specifica come trasportare protocolli di livello superiore Small Computer System Interface (SCSI) Internet Protocol (IP) High Performance Parallel Interface (HIPPI) Asynchronous Transfer Mode - (ATM-AAL5) Intelligent Peripheral Interface - 3 (IPI-3) (disk and tape) Topologie Fibre Channel Topologie supportate: Point-to-point Arbitrated loop Fabric Si distinguono diversi tipi di porte: Node port: N_Port Loop port: L_Port Switch port: F_Port e loro combinazioni (FL_Port, ) Pag. 8

9 Topologia punto-punto Due e solo due N_ports connesse direttamente Bidirezionale Disponibilità di tutta la capacità Richiede comunque una fase di inizializzazione del link prima di essere operativa Topologia Arbitrated Loop Topologia dominante: semplice a mezzo trasmissivo condiviso Fino a 127 porte (che devono tutte essere L_port) Utilizza uno schema distribuito per regolare l accesso Non ci sono limiti su quanto un dispositivo mantiene il controllo del loop Algoritmi di equità opzionali Pag. 9

10 Schema di arbitraggio Ogni dispositivo ottiene un indirizzo dinamico che prende il nome di Arbitrated Loop Physical Address (AL_PA) Quando deve trasmettere dei dati Trasmette un messaggio di prenotazione ARBx (x= AL_PA) lungo l anello Se riceve il messaggio Ha il diritto di usare l anello, e può iniziare le procedure di apertura verso un altra L_Port Dopo avere aperto la comunicazione, si ha un canale punto punto. Se più di un dispositivo richiede il possesso del canale Il messaggio a priorità più alta è inoltrato (ARBy si propaga se y<x) Quando il canale è di nuovo libero, x può ritentare Inizializzazione degli indirizzi dinamici! #"$ &%' )(&%*+, All acccensione (o dopo un evento di guasto) Una primitiva Link Initialization Primitive (LIP) è trasmessa lungo l anello Questo forza tutti i dispositivi a mandare un LIP In questa fase, l anello non è usabile Pag. 10

11 TEACH Address initialization 2 Si seleziona un loop master Ogni dispositivo manda un messaggio di Loop Initialization Master Select (LIMS) contenente il proporio Port Number Viene inoltrato solo il LIMS con valore minore Il dispositivo che riceve il proporio LIMS è eletto master Ogni dispositivo deve scegliere il proprio AL_PA Il master genera messaggi con una bitmap di 127 bit Ogni dispositivo tenta di riottenere il suo vecchio AL_PA Se già assegnato, chiede un altro AL_PA Il master manda un messaggio di CLoSe (CLS) e l anello è di nuovo operativo Indirizzamento L indirizzo completo è di 3 byte In configurazione con fabric, viene assegnato dinamicamente durante la fase di login Prima del login di una Fabric, l N_Port S_ID è non definito (0x000000) La fabric espressamente assegna gli indirizzi In Arbitrated Loop, esistono anche gli indirizzi AL_PA. Dopo la fase di inizializzazione degli AL_PA, ogni N_port tenta un login (F_Login) verso una F_port per ottenere il proprio S_ID, per completare i tre byte dell indirizzo. Altrimenti, si lascia indefinito (0x0000) Nella configurazione Point-to-Point, le N_Port scelgono gli indirizzi da sole Pag. 11

12 TEACH Topologia con Fabric Configurazione commutata I mezzi fisici non sono condivisi (tutti canali pointto-point) Fino a 2 24 dispositivi Funzionalità avanzate (multicast, QoS) Controllo di flusso Utilizza un approccio basato su crediti: Prima di scambiarsi dati, i dispositivi devono registrarsi tra di loro per concordare i crediti I crediti si riferiscono al numero di trame che un dispositivo può ricevere Ogni dispositivo sa quante trame gli altri dispositivi a lui collegati possono ricevere Dopo aver inviato un numero di trame tale da esaurire i crediti, la trasmissione deve essere interrotta, a meno che il dispositivo destinazione indichi di aver elaborato una o più trame e di essere pronto a riceverne di nuove Pag. 12

13 Due tipi di controllo di flusso Buffer-to-buffer Controllo di flusso da N_Port a N_Port o F_Port Ogni porta sa quanti crediti il ricevitore è disposto a ricevere (BB_Credit) Ogni frame ricevuto incrementa un contatore. Quando si raggiunge il valore BB_Credit, si interrompe la trasmissione Un segnale R_RDY decrementa il contatore (indica che un altro frame può essere inviato) End-to-end Tra N_port solamente Come per la modalità B-to-B si usano crediti Disponibilità di crediti viene comunicata tramite ACK (cumulativi) Classi di servizio possibili Fibre channel ha standardizzato diverse classi di servizio: Class 1,,6 Sono scelte durante la fase di login tra due porte Si differenziano per l uso di flow control diversi Affinché la comunicazione possa avvenire, due N_Ports devono supportare almeno una classe di servizio in comune Pag. 13

14 Class of services Class 1 Dedicated circuitswitched connection Full bandwidth available, no multiplexing End-to-end flow control Video, voice Class 2 Connectionless with notification Allow multiplexing; No guarantee (out of order) Both B-to-B and E-to-E flow control Like LAN Class 3 Datagram service (no notification) Allow multiplexing; No guarantee B-to-B flow control Used for SCSI service Class 4 Fractional bandwidth allocation Virtual Circuit like class of service Usable only if a fabric is present Class 5 Isochroous service Not yet defined Class 6 Multicast support Allow replication (RAID configuration) Usable only if a fabric is present HIPPI, ESCON, FICON, GeoPlex Diversi altri protocolli simili a Fibre Channel sono utilizzati nell interconnessione tra mainframe, supercalcolatori e periferiche: HIPPI (High Performance Parallel Interface): 800 Mbit/s; parallelo per trasmissione elettrica (25 m), seriale per distanze maggiori (su fibra) ESCON (Enterprise Serial Connection): fu introdotta da IBM; 200 Mbit/s, utilizzando LED e fibre multimodali FICON, GeoPlex, ecc: sono differenti evoluzioni di ESCON Pag. 14

15 Interconnessioni tra calcolatori E interessante notare che diversi costruttori propongono soluzioni dove questi protocolli, originariamente concepiti per l ambito locale (computer room o LAN), vengono estesi all ambito geografico (WAN), sfruttando o un trasporto SONET/SDH, o un trasporto proprietario I dati strategici in ambito aziendale sono ancora soventi gestiti su mainframe, utilizzando ESCON o Fibre Channel per trasferire dati tra i dispositivi di memorizzazione. Per backup e disaster recovery, i supporti per i dati ridondati vengono mantenuti in siti lontani FDDI: Fiber Distributed Data Interface E un token ring su fibra ottica a 100 Mb/s, con topologia a doppio anello controrotante. Caratteristiche: alta velocità e affidabilità ritardo poco dipendente dalle dimensioni della rete Ampiamente utilizzato negli anni 90 come backbone di reti LAN in ambito corporate o campus. Pag. 15

16 FDDI Velocità di trasmissione 125 Mb/s a livello fisico 100 Mb/s a livello Data Link Numero massimo di stazioni: 500 Lunghezza massima della rete: 100 km Distanza massima tra due stazioni 100 m su rame 2 km su fibra multimodale > 20 km su fibra monomodale FDDI Topologia Logica: anello monodirezionale Topologia fisica: doppio anello controrotante albero doppio anello di alberi Protocollo d accesso (MAC) a token temporizzato; è sostanzialmente un estensione del Token Ring IEEE Dopo aver acquisito il token una stazione trasmette: traffico sincrono traffico asincrono (se rimane tempo) Per la protezione FDDI adotta la tecnica di ripiegamento di un anello a due fibre utilizzata anche da SONET/SDH Pag. 16

17 FDDI La massima distanza tra due stazioni è 2 km per i LED e 40 km per i laser R x T x T x /R x PLL Local 100 MHz clock Elastic store Medium Access Control Queue T x /R x topologia a doppio anello T x /R x T x /R x FDDI Ogni nodo FDDI lungo l anello converte il signale dal dominio fotonico a quello elettronico, lo elabora e lo riconverte al dominio fotonico Le specifiche del livello fisico sono pensate per permettere implementazioni di basso costo: trasmettitori con LED a bassa potenza e MMF graded index il bilancio di potenza lascia un ampio margine per perdite di inserzione e splicing Pag. 17

18 Formato del pacchetto FDDI Data Frame PA SD FC DA SA Data FCS ED FS Token Frame PA SD FC ED PA (preamble): 16 simboli in codifica 4B/5B per agevolare la sincronizzazione (tale ridondanza richiede 125 Mbit/s al livello fisico) SD/ED (starting/end delimiter): due simboli riservati per delimitare il pacchetto FC (frame control): due simboli che definiscono il tipo di pacchetto DA (destination address) SA (source address) FCS (frame checking sequence): per rilevare gli errori FS (frame status) Codifica di linea codific. decodif. di linea canale di linea k bits (k,n) n bits n bits (k,n) k bits La codifica di linea per FDDI (e altre simili codifiche di linea) è basata su una tabella di corrispondenza tra blocchi di k bit di ingresso e n bit di uscita, n>k Gli obbiettivi sono: bilanciamento della continua (10% for 4B/5B, introducendo una penalizzazione inferiore a 1 db) sincronizzazione dei clock (si garantisce un numero sufficiente di transizioni nei simboli di canale) delimitazione pacchetti (simboli riservati di start e stop) La velocità sulla linea cresce di un fattore n/k rispetto ai bit di utente Pag. 18

19 Gigabit Ethernet Ethernet è un insieme di protocolli che ha dominato il mercato delle LAN La velocità di trasmissione originariamente era 10 Mbit/s su cavo coassiale Ethernet è evoluta su diversi mezzi trasmissivi (coassiale, doppino, fibra) fino a 1 Gbit/s (Gigabit Ethernet), passando da trasmissioni nel dominio elettrico a trasmissioni su fibra E in fase di standardizzazione Ethernet a 10 Gbit/s Ethernet, alle diverse velocità e per i diversi mezzi trasmissivi, è sempre stata standardizzata per permettere schede di interfaccia a basso costo, pensate per essere utilizzate in un PC Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s Banda confrontabile con la velocità interna dei terminali Cavo coassiale condiviso Distanza limitata (~ 1 km) da attenuazione e ritardi di propagazione Bassi costi dovuti a semplicità ed economia di scala Hub o switch: banda e cavi condivisi o dedicati ai terminali Pag. 19

20 Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s 50% 25% 25% Collegamento, in cavo metallico o fibra ottica, tra scatole. Se le scatole sono switch, aumenta la banda, migliora la gestibilità, ma abbiamo una rete a commutazione di pacchetto non controllata. Protocollo Spanning Tree per eliminazione cicli e recupero guasti. Ethernet a 10, 100, 1000, Mb/s Le porte dello switch possono operare in half-duplex o full-duplex (un trasmettitore parla sempre con lo stesso ricevitore). Nel caso di full-duplex: non serve un protocollo d accesso (Ethernet diventa una tecnica di framing e trasmissiva) i limiti di distanza sono puramente di tipo trasmissivo (possiamo raggiungere decine di chilometri) Pag. 20

21 Evoluzione di Ethernet Capacità [Mb/s] ,000 10, Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet Fast Ethernet Ethernet Distanza [km] Gigabit Ethernet Uso formato di trama Uso protocollo MAC CSMA-CD (trasmissione punto punto con switch) Operazioni half duplex e full duplex Backward compatibility con mezzi fisici già installati (fibre mono e multimodali, doppino) Aumenta di un fattore 10 dimensione minima di pacchetto con padding di simboli speciali Codifica 8B10B Pag. 21

22 Gigabit Ethernet IEEE 802.3z specifica tre tipi di interfaccie fisiche: 1000Base LX: fibra multimodale 1000Base SX: fibra monomodale 1000Base CX: cavo di rame schermato 1000Base T: cavo STP o UTP (doppino in rame con 4 coppie schermato o non) Utilizza la codifica di livello fisico di Fibre Channel, con le seguenti opzioni: SX significa short-wavelength (850 nm) LX significa long-wavelength (1300 nm) standard 1000BASE-SX (850 nm) 1000BASE-LX (1300 nm) tipo di fibra MM MM MM MM MM MM MM SM diametro (µm) BW modale (MHz km) NA distanza minima (m) 2 to to to to to to to to 5000 Livelli Gigabit Ethernet Media Access Control (MAC) MAC Layer Gigabit Media Independent Interface (GMII) (optional) Physical Layer FibreChannel Encoder/Decoder (8B10B) 1000BASE-T Encoder/decoder Lo standard Gigabit Ethernet specifica anche altri livelli fisici per trasmissioni a corta distanza, come doppini e cavi coassiali 1000BASE-LX LWL Fiber Optic 1000BASE-SX SWL Fiber Optic SMF - 5km 50µ MMF - 550m 50µ MMF - 550m 62.5µ MMF m 62.5µ MMF - 500m 1000BASE-CX Shielded Balanced Copper 1000BASE-T UTP Category 5 25 m 100 m 802.3z physical layer 802.3ab physical layer Pag. 22

23 Modifiche al protocollo In modalità half duplex, slot minimo portato da 64 a 512 bytes (se ho pacchetti piccoli le prestazioni sono basse) Collision domain di 200 m Solo topologie a stella Consente la tecnica frame bursting per mantenere il controllo del canale fino ad un massimo di 8192 bytes (l estensione della lunghezza minima del pacchetto è necessaria solo per il primo pacchetto) Buffered Distributor Dispositivo che remotizza (rispetto al PC) il sottolivello MAC Opera sempre in full duplex Implementa un controllo di flusso tra il PC e il concentratore e memorizza localmente le trame fino a quando non riesce a trasmetterle Rende la massima distanza delle stazioni indipendente dal protocollo Pag. 23

24 Tipici 1 Gigabit Optical XCVRs Pin in Hole 1x9 GBIC SFP Pluggable SFF 10 Gigabit Ethernet Un comitato IEEE è attivo nella standardizzazione di 10 Gbit/s Ethernet Solo la modalità full duplex, senza CSMA-CD Soluzioni proposte: Seriale, con framing Ethernet, su distanze da LAN fino a 40 Km 650 m su fibra multimodo (MMF) 300 m su MMF installata 2 km su fibra monomodo (SMF) 10 km su SMF 40 km su SMF Seriale, su SONET, per distanze maggiori di 40 Km Per maggiori informazioni: Pag. 24

25 Obiettivi IEEE P802.3ae Mantenere il formato di trama di Ethernet Mantenere le dimensioni min/max del frame Funzionamento solo Full duplex Supportare solo cavi in fibra ottica 10.0 Gbps all interfaccia MAC-PHY Capacità in ambiente LAN PHY di 10 Gbps Capacità in ambiente WAN PHY di ~9.29 Gbps (compatibile con SONET) Modello di riferimento OSI Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Rete Collecamento Fisico Layer Model 64B/66B PCS PMA PMD MEDIUM XGMII MDI MDI = Medium Dependent Interface 10GBASE-R XGMII = 10 Gigabit Media Independent Interface PCS = Physical Coding Sublayer PMA = Physical Medium Attachment PMD = Physical Medium Dependent WIS = WAN Interface Sublayer Livelli P802.3ae Higher Layers LLC MAC Control MAC Reconciliation Sublayer (RS) 64B/66B PCS WIS PMA PMD MEDIUM XGMII MDI 10GBASE-W 8B/10B PCS PMA PMD MEDIUM XGMII MDI 10GBASE-X 10GBASE-R: collegamenti su fibra punto punto 10GBASE-W: compatibile con standard SONET 10GBASE-X: usa WDM, 4 λ a 2.5G in parallelo Pag. 25

26 Primi 10 Gigabit Optical XCVRS XENPACK FTRX XGXS RPR IEEE Tecnologia di livello 2 per reti metropolitane di trasporto Basata su anello condiviso con riuso spaziale Offre protezione di livello carrier class basata su anelli Servizio con QoS diversa su un unica infrastruttura fisica Ridotto costo di gestione Alta capacità MAC indipendente dal livello fisico: si adatta ai livelli fisici di Ethernet o SONET Pag. 26

27 Tecnologia convergente Data TDM Video Mantenere gli standard di RPR semplici e lasciare ai costruttori la possibilità di differenziare i prodotti Vendor Specific Specific PHY Specific Service Intelligence (Adaptation, QoS, protocols) Ring Operations (Forwarding, Topology, Fairness, Protection) Optical Transmission Choice (Ethernet, SONET, new ones) Bound Scope Mantenere le operazioni indipendenti dal livello fisico Resilient Packet Ring Doppio anello controrotante Entrambi gli anelli sono operativi in condizioni di normale funzionamento Procedure di Topology Discovery consentono ai nodi di conoscere l identità e la posizione lungo l anello degli altri nodi Sono previsti tre tipi di pacchetti: Data (di dimensione variabile fino a 9218 byte) Control (per Topology Discovery e Protection) Fairness (per comunicare le richieste di banda tra nodi) Pag. 27

28 Resilient Packet Ring Tre classi di servizio: Classe A: servizi garantiti in termini di banda e ritardo Classe B: servizi con garanzia di banda ma vincoli di ritardo meno stringenti Classe C: best-effort Recupero di guasti entro 50 ms (come SDH): Steering: si cambia l instradamento alla sorgente Wrapping: ripiegamento dell anello ai bordi del guasto (come 1:1) Resilient Packet Ring Accesso basato su buffer insertion multiclasse RX PTQ STQ TX logic local traffic A B C PTQ: primary transmission queue STQ: secondary transmission queue Pag. 28

29 Controllo di equità Prenotazione e controllo di accettazione delle richieste per il traffico garantito Priorità nell accesso e nel transito tra diverse classi di traffico Shaping mediante token bucket Scambio controrotante di messaggi di controllo tra i nodi per notificare la congestione e per concordare un utilizzo equo della banda per il traffico non garantito "!$#!&% ')(+*-,(.% /10+/ Accesso equo alle risorse Alta efficienza sui anelli bidirezionali Latenza e jitter controllati Protezione in 50 millisecondi Ottimizzato per trasporto dati Economicamente valido per trasporto dati Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Pag. 29

30 RPR Alliance Members Pag. 30