Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica

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1 Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica Parte IX: Cenni a gestione e affidabilità 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 Controllo e gestione di reti ottiche I costi di gestione (Operational Expenditures OPEX) dominano sovente sui costi di infrastruttura (Capital Expenditures CAPEX) Il Network Management classicamente consiste di diverse funzioni: gestione della configurazione (ConfigurationManagement); include gestione di connessioni e adattamento di formati gestione delle prestazioni (Performance Management) gestione dei guasti (Fault Management) gestione della sicurezza (SecurityManagement) gestione della tariffazione (Accounting Management) Nelle reti ottiche occorre tenere in conto anche della: gestione del rischio (Safety Management) Modello funzionale della gestione I componenti di rete da gestire (fibre, OLT, OADM, OXC, ecc.) sono detti Network Elements (NE) Ogni elemento è gestito da un Element Management System (EMS), che in generale gestisce più elementi Internamente ad ogni elemento abbiamo un Agent che colloquia con il suo EMS Gli EMS sono controllati e comandati da un sistema (centralizzato) di gestione detto Network Management System (NMS) NMS, EMS e Agent comunicano tra di loro attraverso una rete (dati) di gestione (detta Data Communication Network DCN) e opportuni protocolli di segnalazione. DCN può essere realizzata su una instrastruttura separata, su lunghezze d onda apposite, o in campi di overhead sui canali di traffico

3 Gestione di reti Normalmente la gestione è realizzata in modo centralizzato Può essere opportuna una realizzazione distribuita sia per consentire la scalabilità del sistema, sia per avere buone prestazioni (p. es. SONET può recuperare situazioni di guasto in 50 ms) Il mondo Internet basa l ambiente di gestione sul protocollo Simple Network Management Protocol (SNMP) e utilizza basi di dati distribuite dette Management Information Base (MIB) Gestione di reti Il mondo dei gestori pubblici sta convergendo verso un contesto di gestione detto Telecommunications Management Network (TMN), che prevede i protocolli OSI di gestione (Common Management Information Protocol CMIP) e una visione object oriented del modello informativo La diffusione dei protocolli OSI di gestione è limitata, mentre si tende a standardizzare l interfaccia tra EMS propietari e NMS centralizzato usando il modello detto CORBA (Common Object Request Broker), standard industriale

4 Equipment Management Configuration Management gestione di un inventario dei dispositivi e componenti disponibili nella rete occorre sapere quali lunghezze d onda sono disponibili e utilizzabili Connection Management creazione e rilascio dei lightpath Adaptation Management (sovente con transponder O/E/O) conversione dei segnali (lunghezza d onda, livello di potenza, formato di modulazione) tra apparati di costruttori diversi aggiunta e rimozione dei campi di overhead di gestione policing dei segnali in accordo con i Sevice Level Agreement (SLA) Performance Management Obiettivo è controllare le prestazioni e la qualità di servizio offerte dalla rete: bit error rate livelli di potenza ottica rapporti segnale-rumore temperatura stabilità in frequenza banda disponibile... Strettamente legate alla gestione delle prestazioni sono la generazione di allarmi e la gestione dei guasti. Per quanto riguarda la generazione degli allarmi, è necessario introdurre meccansmi di aggregazione e selezione degli allarmi

5 Fault Management Fornire robustezza a situazioni di malfunzionamento è obbiettivo fondamentale di ogni rete ad alta velocità Un guasto in una rete di dorsale può interrompere il servizio a milioni di utenti e far perdere profitti per milioni di Euro Tipico requisito è una disponibilità ( availability ) del % (five 9 s), cioè 5 minuti di fuori-servizio all anno I guasti più tipici sono rotture della fibra, ma abbiamo anche guasti nei nodi (mancanza di tensione o rottura di componenti) o su singoli canali WDM (guasti di trasmettitori o ricevitori). Molti guasti sono dovuti a errori umani Fault Management Le tecniche di protezione (protection) prevedono l esistenza di ridondanza per poter continuare l offerta di servizio in presenza di guasti Il termine sopravvivibilità (survivability) si riferisce proprio alla capacità della rete di continuare ad erogare servizio anche in presenza di guasti. Gli strati ottici, SONET/SDH e ATM prevedono l allocazione di risorse aggiuntive e tecniche di re-instradamento del traffico in caso di guasto Si parla di protection se il ripristino avviene in decine di ms (50 ms per SONET/SDH), e di restoration se il ripristino avviene su scale temporali più lunghe (secondi) Normalmente di proteggono guasti singoli La protezione è normalmente realizzata in modo distribuito Le risorse di protezione possono essere utilizzate anche per operazioni di manutenzione

6 Diversi tipi di protezione: 1+1 Concetti generali di protezione 1:1 1:N Concetti generali di protezione 1+1 è più veloce perché non richiede segnalazione tra ricevitore e trasmettitore 1:1 consente di smaltire traffico non protetto (quindi a bassa priorità) sulle risorse di protezione 1:1 può facilmente essere esteso a 1:N o a N:M

7 Concetti generali di protezione Distinguiamo tra: Risorse operative ( working ) e risorse di protezione ( protection ) Risorse di protezione dedicate ( dedicated ) o condivise ( shared ) Schemi di protezione reversibili ( revertible ) o non reversibili Schemi di protezione unidirezionali o bidirezionali (un guasto, anche su una sola direzione del flusso di informazione, causa la stessa scelta di protezione in entrambe le direzioni). Normalmente la protezione bidirezionale richiede segnalazione (APS Automatic Protection Switching) Concetti generali di protezione Protezione di cammino e protezione di collegamento. funzionamento normale path protection span protection line protection

8 Self-Healing Rings Tre architetture comunemente utilizzate: two-fiber unidirectional path-switched ring (UPSR) four-fiber bidirectional line-switched ring (BLSR/4) two-fiber bidirectional line-switched ring (BLSR/2) Two-Fiber Unidirectional Path-Switched Ring (UPSR) A B working B A working E uno schema 1:1 con complessità da 1+1 B A protection A B protection

9 Four-FiberFiber Bidirectional Line-Switched Ring (BLSR/4) A-B working Caso di link (ring) protection A-B protection Bidirectional Line-Switched Rings (BLSRs) BLSR/2 è simile a BLSR/4, confondendo dibre operative e fibre di protezione La protezione dei guasti sui nodi (anziché sulle fibre) nei BLSR è più complicata. I nodi che fanno protection switching devono prima determinare la causa del guasto

10 Anelli interconnessi L interconnessione tra anelli normalmente avviene collegando due ADM back-to-back Per avere protezione occorre introdurre almeno due punti di collegamento tra gli anelli ( dual homing ) ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM Protezione in OTN In OTN si possono applicare tecniche simili a quelle appena viste, valide per SONET/SDH Visto l utilizzo di WDM, conviene operare a livello OMS/OTS (sulle fibre in WDM), anziché a livello OCh (sui singoli flussi) Si possono introdurre sia schemi di protezione dedicata, sia schemi di protezione condivisa

11 Protezione di reti a maglia Motivazioni: cresciuta capacità di calcolo nei nodi disponibilità di buoni protocolli di segnalazione e routing 50 ms non è più considerato un vincolo rigido Il problema è più difficile. Possibilità: cercare nella topologia due cammini disgiunti sui collegamenti (edge-disjoint) o sui nodi (node-disjoint) protezione di collegamento Nel caso di line protection, bisogna cercare di minimizzare l esigenza di coordinamento tra i nodi. Protezione di reti a maglia Sovente si impongono vincoli sulla topologia (per es. ci devono essere almeno due percorsi disgiunti tra ogni coppia di nodi). Tali topologie vengono partizionate in cicli (cioè anelli) su cui si applicano le tecniche di protezione viste prima. Decomposizione in cicli di una rete a maglia biconnessa con collegamenti bidirezionali.

12 Protezione di reti a maglia F E A D B C collegamenti di servizio collegamenti di protezione Protezione di reti a maglia F E A D B C Instradamento del lightpath A-D.

13 Protezione di reti a maglia F E A D B C Guasto sul collegamento B-C. Protezione di reti a maglia F E A D B C Line protection del lightpath A-D.

14 Fault Management Occorre prestare attenzione all interazione tra meccanismi di protezione presenti nei diversi strati dell architettura di rete In generale, guasti di diversa tipologia possono essere protetti meglio in strati architetturali diversi Purtroppo i meccanismi di protezione vengono progettati indipendentemente in ogni strato e normalmente uno stesso guasto può inutilmente far scattare allarmi e procedure di protezione in strati diversi Si può giocare sulle differenti scale temporali dei meccanismi di protezione per limitare le interazioni tra gli strati Velocità della protezione rerouting IP PNNI: ATM restoration minuti secondi Sonet/SDH restoration Optical restoration ATM protection (VP rings) Sonet/SDH protection Optical protection centinaia di millisecondi meno di 50 millisecondi

15 Safety Management I laser a semiconduttore usati nei sistemi di trasmissione ottica operano a potenze basse, ma possono causare danni all occhio umano. I sistemi vengono classificati in base ai livelli di potenza emessa Un sistema di classe I non emette radiazioni dannose. Il limite di potenza è 10 mw a 1.55 µm e 1 mw a 1.3 µm. Normalmente i sistemi installati in azienda sono di classe I. Un lettore di CD è un sistema di classe I Un sistema di classe IIIa emette potenze maggiori: fino a 50 mw (17 dbm) a 1.55 µm. Normalmente l accesso a tali sistemi è ristretto a personale di servizio, per cui essi vengono usati solo nelle reti degli operatori Safety Management Per essere conforme alle specifiche di classe I, un sistema tipicamente usa un protocollo di Open Fiber Control (OFC), che gestisce situazioni di taglio della fibra e le fasi di installazione Più in dettaglio il protocollo di OFC specifica come: rivelare tagli di fibra e spegnere gli amplificatori mantenere entro le specifiche di classe I le radiazioni di una fibra tagliata ripristinare il funzionamento quando il collegamento viene ripristinato In presenza di amplificatori ottici occorre anche evitare che le radiazioni dovute ad emissione spontanea degli amplificatori causino danni agli occhi

16 e per concludere... Che cosa ci aspettiamo? La tecnologia ottica è ancora giovane: costi elevati difficoltà a disaccoppiare aspetti di livello fisico da problematiche di sistema ma promette di: gestire quantità di informazione molto maggiori dell elettronica avere costi in larga misura indipendenti dal bit-rate probabilmente richiedendo soluzioni architetturali diverse da quelle naturali nel dominio elettronico