Introduzione alle reti ottiche

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1 Corso di Sistemi di Telecomunicazione Ottici Introduzione alle reti ottiche Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni A.A. 2009/2010

2 Introduzione alle reti ottiche Introduzione alle reti ottiche Evoluzione delle reti di TLC Architettura delle reti di TLC Reti di TLC ottiche Tecniche di multiplazione Reti di prima generazione Reti di seconda generazione Reti completamente ottiche Evoluzione delle reti ottiche.

3 Evoluzione delle reti di TLC (1) Richiesta di banda per TLC sempre crescente Il traffico Internet raddoppia ogni 4-6 mesi Reti di accesso a larga banda (DSL) Reti private aziendali a larga banda Costi ridotti crescita domanda

4 Evoluzione delle reti di TLC (2) Privatizzazione dei service provider Deregulation Startup service providers Riduzione i dei costi Nuove tecnologie Traffico dati supera traffico voce Nuovo modello di business Nuove architetture di rete

5 Introduzione alle reti ottiche Introduzione alle reti ottiche Evoluzione delle reti di TLC Architettura delle reti di TLC Reti di TLC ottiche Tecniche di multiplazione Reti di prima generazione Reti di seconda generazione Reti completamente ottiche Evoluzione delle reti ottiche.

6 Architettura delle reti di TLC (1) Reti pubbliche Service providers, carriers, operatori Diverse tipologie di operatori LEC: servizi i locali li IXC: servizi long-haul Metro carriers vs. long-haul carriers Spesso coincidono ma Diverse le architetture di rete!

7 Architettura delle reti di TLC (2) Il caso USA Prima del 1984: monopolio AT&T 1984: TLC deregulation act AT&T in concorrenza con altri operatori (MCI, Sprint) nel long-haul Baby Bells (ILECs) e concorrenti (CLECs) per il traffico locale In Italia: Concorrenza dopo la liberalizzazione Telecom, Fastweb, Wind, Tiscali

8 Architettura delle reti di TLC (3) Classificazione LAN: alcuni km MAN: decine - centinaia di km WAN: centinaia - migliaia di km

9 Architettura delle reti di TLC (4) Reti pubbliche in fibra ottica Reti sottomarine Reti terrestri Access, metro, long-haul networks

10 Architettura delle reti di TLC (5) Servizi Connection-oriented oriented vs. connectionless Commutazione di circuito: telefonia Banda garantita Consegna ordinata Multiplexing fisso pacchetto: traffico bursty Banda media, banda di picco Consegna disordinata Multiplexing l i statistico ti ti

11 Architettura delle reti di TLC (6) Multiplexing statistico Miglior sfruttamento della banda Buffering dei pacchetti Ritardo di consegna variabile

12 Architettura delle reti di TLC (7) Reti IP: servizio a datagramma Servizio connectionless Pacchetti instradati come entità indipendenti TCP assicura il riordino dei pacchetti Rete best effort (come frame relay) Reti ATM: circuiti virtuali Gestione della QoS

13 Architettura delle reti di TLC (8) Moderno modello di servizio Cresce la banda per connessione Fornitura veloce della banda necessaria When needed where needed Affidabilità % Oggi: servizi multipli offerti su reti multiple Domani: migrazione verso un unica architettura in gradi di fornire servizi multipli

14 Introduzione alle reti ottiche Introduzione alle reti ottiche Evoluzione delle reti di TLC Architettura delle reti di TLC Reti di TLC ottiche Tecniche di multiplazione Reti di prima generazione Reti di seconda generazione Reti completamente ottiche Evoluzione delle reti ottiche

15 Reti di TLC ottiche (1) Enorme capacità trasmissiva Infrastruttura comune per servizi multipli Gestione flessibile della banda When needed where needed Collegamenti dalla corta alla lunga distanza ad elevato bitrate Fibre ottiche installate t in tutte tt le reti a parte quelle di accesso

16 Reti di TLC ottiche (2) Crescita della banda negli ultimi 20 anni Favorita dalle tecnologie DSL

17 Tecniche di multiplazione Tecniche di multiplazione TDM, richiede elettronica veloce o fotonica WDM: fibre virtuali Reti metro e long-haul TDM+WDM consente di superare 1 Tb/s. 32 x 2.5 Gbit/s oppure 10 x 8 Gbit/s?

18 Reti ottiche di prima generazione Reti ottiche di prima generazione Sonet/SDH (USA/Europa) Strato ottico come mezzo trasmissivo ad alta capacità e basso BER Elaborazione elettronica dei segnali Reti ottiche di seconda generazione Parte delle operazioni intelligenti a livello ottico Routing, switching

19 Reti ottiche di seconda generazione (1) Reti ottiche di seconda generazione Difficoltà dell elettronica elettronica ad elaborare dati ad elevati bitrate Elaborazione di un blocco ATM di 53 bytes Bitrate 100 Mb/s: 4.24 μs per l operazione Bitrate 10 Gb/s: 42.4 ns per l operazione Switching/routing a livello ottico Reti wavelength-routing La rete ottica fornisce lightpath tra mittente e destinazione

20 Reti ottiche di seconda generazione (2) Lightpath: connessione ottica end-to- end su una lunghezza d onda per ogni tratta Ad ogni nodo, routing/switching it dei lightpaths Elementi per l optical networking Optical line terminals (OLT) Optical add/drop multiplexers (OADM) Optical cross-connects connects (OXC)

21 Reti ottiche di seconda generazione (3) Reti wavelength-routing Esempio di rete realmente installabile

22 Modello a strati (1) Modello a strati delle reti di TLC Ogni strato fornisce servizi allo strato superiore Ogni strato riceve servizi dallo strato inferiore SAP (Service Access Point) Ogni strato multiplexa dati dal livello superiore aggiungendo overhead Ogni elemento di rete implementa solo una parte dello stack

23 Modello a strati (2) Importante definire funzioni ed interfacce di ogni strato Standardizzazione per interoperabilità

24 Modello a strati (3) Diversi standard ed implementazioni per ogni strato Ogni tipo di rete ottica che vedremo costituisce uno strato Ogni strato può essere suddiviso in Ogni strato può essere suddiviso in sottostrati

25 Modello a strati (4) Modello a strati ISO/OSI Livelli Fisico Data-link Rete Trasporto Sessione Presentazione Applicazione

26 Modello a strati (5) Livello fisico: mezzo trasmissivo che fornisce banda Livello data-link: gestisce framing, multiplexing, l i demultiplexing, l i MAC Livello di rete: fornisce datagrammi o circuiti virtuali (VC) VC: connessione end-to-end con QoS fissata e consegna ordinata (ATM) datagrammi: servizio connectionless con multiplexing statistico (IP)

27 Modello a strati (6) Livello di trasporto: assicura la consegna end-to-end, ordinata, senza errori Livelli superiori: i non di interesse in questo corso Reti moderne: stack multipli uno sopra l altro IP over Sonet, IP over ATM over Sonet

28 Modello a strati (7) IP over Sonet La rete Sonet fornisce ai router IP connessioni punto-punto Ogni stack incorpora diversi sottostrati

29 Modello a strati (8) IP over ATM over Sonet Infrastruttura Sonet, su cui si crea una rete ATM che fornisce servizi a utenti IP La rete IP vede la rete ATM come livello data- link La rete ATM usa Sonet come livello data-link

30 Sonet / SDH Reti di prima generazione Sonet/SDH come strato trasmissivo Connessioni end-to-end a commutazione di circuito Multiplexing di flussi a basso bitrate Demultiplexing dei singoli flussi ai nodi Alta affidabilità (99.999%) Efficiente monitoraggio e management della rete Elementi della rete: line terminals, ADM, DCS, rigeneratori

31 Strato ottico (1) Reti di seconda generazione Strato ottico: strato server, fornisce servizi a livello ottico a strati client Reti wavelength-routing: lo strato ottico fornisce lightpath agli strati superiori In futuro: fornirà anche VC e datagrammi

32 Strato ottico (2) Strati client: IP, ATM, Sonet, Gigabit Ethernet, ESCON, Fibre Channel Esempio: Sonet over optical Lo strato t ottico fornisce lightpath th Per i terminali Sonet, sono come fibre Lightpath Permanenti Commutazione di circuito Attualmente lo strato ottico agisce in gran parte a livello fisico

33 Strato ottico (3) IP over optical e Sonet over optical Sonet e IP usano i lightpath come mezzo trasmissivo i Multiplexing nello strato ottico: Lightpath, h bande, fibre, insiemi i i di fibre

34 Strato ottico (4) Perché usare strati multipli con funzioni simili? Riduzione dei costi Strati diversi operano in modo efficiente a bitrate diversi Strato ottico: elaborazione di elevate quantità di banda wavelength-by-wavelength Sonet: elaborazione di piccole quantità di banda con flussi a basso bitrate Gestione dei fault

35 Reti completamente ottiche (1) Trasparenza dei lightpath rispetto a bitrate e protocolli In generale, trasparenza rispetto a Servizi, bitrate, protocolli es. rete telefonica (voce, dati, fax) Reti completamente ottiche Dal mittente al destinatario a livello ottico Rete completamente trasparente

36 Reti completamente ottiche (2) Rete non trasparente (opaca) Singolo bitrate e protocollo es. 2.5 Gb/s, servizio Sonet Rete pratica (reale) Gestisce un range di bitrate e un insieme di protocolli es. massimo 10 Gb/s, servizi Sonet e IP Elettronica non totalmente eliminabile Rigenerazione del segnale Conversione di lunghezza d onda

37 Reti completamente ottiche (3) Rigenerazione 1R: amplificazione (amplificatori ottici) 2R: 1R + reshaping 3R: 2R + retiming i Richiede estrazione del clock Perdita della trasparenza 3R trasparente: ottica, oppure elettronica programmabile Reti moderne Rigenerazione 2R o 3R Conversione O-E-O dove necessario

38 Reti completamente ottiche (4)

39 Commutazione di pacchetto ottica (1) Reti wavelength-routing Lightpath commutazione di circuito Evoluzione futura Fornitura di datagrammi o VC (IP, ATM) TDM a livello ottico (OTDM) Lightpath condiviso tra più connessioni OTDM Fisso Statistico: commutazione di pacchetto a livello ottico

40 Commutazione di pacchetto ottica (2) Nodi di commutazione ottica Bitrate superiori rispetto all elettronica Idealmente, tutte le funzioni a livello ottico In pratica, alcune operazioni rimangono a livello elettronico Buffering, elaborazioni complesse

41 Sistemi di comunicazione ottici (1) Lunghezza d onda, frequenza Tre finestre: 800, 1300 e 1550 nm Channel spacing in sistemi WDM 0.8 nm equivale a 100 GHz Bitrate [Gb/s] Spettro Banda [GHz] Efficienza spettrale [bitrate/banda] Circa 0.4 bit/s/hz in sistemi ottici

42 Sistemi di comunicazione ottici (2) Griglia ITU-T Standard per sistemi DWDM a 1550 nm Griglia equispaziata in frequenza ancorata a THz ( nm) Channel spacing 50 o 100 GHz Evoluzione verso sistemi a 25 GHz

43 Sistemi di comunicazione ottici (3) Potenza ottica, perdite dbw: potenza assoluta riferita a 1W dbm: potenza assoluta riferita a 1 mw 1 mw equivale a -30 dbw e 0 dbm Perdite in fibra [db/km] Un segnale che si propaga per 120 km in una fibra con perdite di 0.25 db/km perde 30 db 30 db equivale ad attenuazione di fattore 1000

44 Introduzione alle reti ottiche Introduzione alle reti ottiche Evoluzione delle reti di TLC Architettura delle reti di TLC Reti di TLC ottiche Tecniche di multiplazione Reti di prima generazione Reti di seconda generazione Reti completamente ottiche Evoluzione delle reti ottiche

45 Evoluzione delle reti ottiche (1) Obiettivo: la più alta capacità sulla più lunga distanza possibile La capacità continua a crescere Il costo per bit al km decresceesce Mezzo trasmissivo Fibra ottica

46 Evoluzione delle reti ottiche (2)

47 Evoluzione delle reti ottiche (3) 1960: prime guide d onda 1970: fibre ottiche a basse perdite (a) Fibre multimodali Sorgenti LED a 800 o 1300 nm Ampia banda Bassa potenza Forte dispersione intermodale Mb/s con rigeneratori ogni 10 km Usati ancora oggi per connessioni low cost

48 Evoluzione delle reti ottiche (4) 1984 (b) Fibre monomodali Laser Fabry Perot MLM a 1300 nm Rigenerazione i ogni 40 km Bitrate > 100 Mb/s Fine 1980 Laser Fabry Perot MLM a 1550 nm Dispersione cromatica fattore limitante Fibre Dispersion-shifted

49 Evoluzione delle reti ottiche (5) 1990 (c) Laser a singolo modo DFB Bitrate > 1 Gb/s Oggi (d) Amplificatori ottici EDFA Amplificazione ottica a banda larga Sistemi WDM con centinaia di canali Rigenerazione dopo centinaia - migliaia di km Bitrate > 1 Tb/s (40 Gb/s per canale)

50 Evoluzione delle reti ottiche (6) Compensazione della dispersione Effetti non lineari Bande disponibili per il WDM C, L con EDFA S, U con amplificazione Raman

51 Evoluzione delle reti ottiche (7) Negli ultimi anni : 1990: reti di prima generazione FDDI: rete MAN a 100 Mb/s ESCON: rete SAN a 200 Mb/s Sonet (America), SDH (Europa, Giappone) : reti di seconda generazione LAN ottiche Reti wavelength-routing OADM e OXC commerciali FTTC, FTTH Commutazione di pacchetto ottica