Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica

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1 Reti Ottiche: dalla trasmissione su fibra alla commutazione fotonica Parte VI: Reti a instradamento di lunghezza d onda (wavelength routing) 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 Architetture di protocolli nelle reti ottiche Cenni a gestione e affidabilità Cenni a commutazione ottica di pacchetti

2 Reti wavelength routing (WR) Sono architetture di rete WDM che instradano e commutano informazione nel dominio ottico sulla base delle lunghezze d onda Vengono creati circuiti ottici trasparenti o opachi detti lightpath (cammini di luce) tra nodi della rete ottica. I lighpath sono circuiti ottici, che possono essere single-hop nella topologia fisica, o multi-hop, cioè attraversare punti di commutazione nella rete ottica Il traffico veicolato sui lightpath può essere a pacchetto, per esempio per interconnessione tra router IP, ma la rete ottica non ha nozione dei pacchetti Dispositivi in reti WR I dispositivi delle reti wavelength routing sono Optical Line Terminal (OLT): terminatore di linea, con funzioni di adattamento di lunghezza d onda, amplificazione, multiplexing/demultiplexing Optical Add-Drop Multiplexers (OADM): consente di derivare/inserire il traffico trasportato da una o più lunghezze d onda su un collegamento WDM Optical Cross Connect (OXC): commutatore di lunghezza d onda tra più ingressi e uscite Questi dispositivi sono equivalenti ad analoghi dispositivi di prima generazione delle reti SONET/SDH

3 Architettura reti WR OLT OLT OXC OXC router IP OADM OADM OADM OADM SONET terminal Esempio di rete WR Per motivare l utilizzo delle reti WR, consideriamo un esempio, modificando progressivamente una rete di tipo telefonica di prima generazione (con trasmissioni punto-punto su fibra ottica) Queste comprendono sovente anelli in tecnologia SONET/SDH operanti tipicamente a 2.5 Gb/s (OC48-STM16) I dispositivi di interconnessione per reti SONET/SDH sono adddrop multiplexer (ADM) e digital cross-connect (DCS)

4 Esempio di rete WR ADM=Add-Drop Multiplexer DCS=Digital Cross-Connect Esempio di rete WR La matrice di traffico normalizzata è la seguente: A B C D A B C D Se il traffico aumenta: A B C D A B C D possiamo passare a WDM

5 Esempio di rete WR L instradamento diventa: Esempio di rete WR flusso lungh. d onda # di OC-48 AB 1 BD 1 AD 1 AC 2 BC 1 BD 1 CD 1 con 3 lunghezze d onda

6 Esempio di rete WR Abbiamo costruito una topologia logica su una topologia fisica, costruendo dei lighpath ottici Esempio di rete WR Per gestire cambi di traffico e per offrire protezione, possono utilizzare commutatore ottici

7 Secondo esempio A B C Topologia fisica Tre router IP A, B e C, con interfacce a 10 Gb/s 50 Gb/s tra ogni coppia di router router router router progetto senza OADM router router OADM router progetto con OADM Secondo esempio Servono 10 lunghezze d onda su entrambe le fibre Senza OADM, la topologia logica (o topologia dei lightpath) è a bus (coincide con la topologia fisica); il router B ha bisogno di 20 porte Con OADM, la topologia logica è ad anello; il router B ha bisogno di 10 porte La convenienza tra le due alternative dipende dal costo relativo tra OADM e porte di router 5 B 5 A B C A C 5

8 Terzo esempio Topologia fisica Soluzione con 3 λ Topologia logica Quarto esempio: : anello bidir. Confrontiamo tre topologie logiche ottenute su anelli bidirezionali in termini di numero di porte dei router, numero di lunghezze d onda e distanza percorsa (in termini di hop). Il traffico è uniforme: ogni router invia t% della banda di un canale WDM a tutti gli altri N router (t/n-1 da router a router) WDM punto-punto (PWDM) hub (single hub) full-mesh (fully optical) hub si aggiunge un router di hub

9 Quarto esempio: anello bidir. Numero porte per router (Q) PWDM Q = 2W Hub Q = t Full-mesh Q = (N-1) t/(n-1) Numero lunghezze d onda (W) W = t/8 (N+1+1/(N-1)) W = t N/2 W = t / N-1 (N 2 /8+N/4) Diagrammiamo queste curve nel caso N=8 per diversi valori di t Quarto esempio: # di porte (traffico totale per distanza media diviso numero link)

10 Quarto esempio: # di l t Grooming Con il termine grooming si intende l impaccamento in una lnghezza d onda di circuiti (o flussi di informazione) a velocità inferiore. Questa funzione è svolta tipicamente dagli OXC Un solo canale può portare quindi più circuiti, multiplati con una tecnica opportuna Le commutazioni elettro ottiche consentono di effettuare grooming a livello elettronico. Nell esempio precedente la soluzione tutto ottica soffre di un basso livello di grooming (per bassi valori di t i lightpath sono sottoutilizzati); le curve di prestazioni risultano essere quantizzate in modo più grossolano

11 Reti wavelength routing Si usano cross-connect ottici (Optical Cross-Connect - OXC o Wavelength Cross-Connect - WXC) con collegamenti in fibra La rete fornisce lightpath (bandwidth pipe) tra coppie di nodi. Con la tecnologia attuale, sono possibili fino a un centinaio di lightpath per fibra B lightpath A E D λ1 C WDM cross-connect Bisogna decidere accuratamente l allocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale Strato ottico Una rete wavelength routing costituisce uno strato ottico (con capacità di commutazione) che offre lightpath agli strati superiori Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili Caratteristiche/potenzialità: Riutilizzo spaziale delle frequenze Possibilità di conversione di lunghezza d onda Trasparenza Commutazione di circuito Affidabilità (riconfigurazione in caso di guasto)

12 Conversione di l Possiamo utilizzare convertitori di lunghezza d onda, che consentono di utilizzare meglio le risorse di rete e agevolare l interconnessione di reti diverse B E C A D Wavelength converter Ragioni per utilizzare convertitori di lunghezza d onda: cambiare λ aggiunge flessibilità alle strutture WDM di tipo wavelength routing i dati possono essere generati ad una λ non compatibile con la rete interconnettendo reti diverse possono essere necessarie conversioni Quattro tipologie: Input λ variabile fissa fissa variabile Output λ fissa fissa variabile variabile

13 Conversione di l Convertitori opto-elettronici (OEO): Wavelength converter RX rigeneratore TX Svolgono naturalmente anche funzione di rigeneratore Permettono l inserimento di ritardi (anche variabili) per risincronizzare Non implicano commutazione nel dominio elettronico Comunque i singoli canali sono attestati nel dominio elettronico Si perde in trasparenza del lightpath

14 Diversità spaziale Sovente abbiamo diverse fibre nello stesso cavo. Questa diversità spaziale è equivalente a diversità di lunghezza d onda, scambiando commutatori con convertitori di lunghezza d onda fibra 1 fibra 1 fibra 1 fibra 1 λ 4 λ 5 λ 6 λ 4 λ 5 λ 6 fibra 2 fibra 2 switch λ-converter Wavelength Cross-Connect Connect network element manager porte di dorsale WDM cross-connect porte di dorsale porte locali I cross-connect ottici possono offrire diversi livelli di trasparenza (= rigenerazione): 1R: solo ricezione e ritrasmissione dei segnali ottici 2R: con risagomatura dei segnali 3R: con ritemporizzazione e risagomatura dei segnali

15 Wavelength Cross-Connect Connect wavelength demux wavelength mux... λ W 1... λ W 1... λ W 2 electronic cross connect... λ W 2... λ W M... λ W M receivers transmitters... λ W 1 wavelength demux Wavelength Cross-Connect Connect wavelength mux... λ W 1... λ W 2 optical switch... λ W 2... λ W M... λ W M wavelength converters (var fixed)

16 Wavelength Cross-Connect Connect... λ W 1... λ W 1... λ W 2... λ W 2... λ W M λ W... λ W M demux switch mux (no wavelength conversion) Wavelength Cross-Connect Connect Tecnologia realizzativa Ottica Elettronica Trasparenza sì difficile Conversione di λ difficile più facile Bit rate > 10 Gb/s 10 Gb/s Dimensione crossconnect piccola grande Potenza di alimentazione piccola grande Progetto strato fisico difficile più facile Monitoraggio limitato completo Componenti richiesti: mux/demux sì sì commutatori ottici sì no commutatori elettronici no sì trasmettitori/ricevitori no sì convertitori di λ forse no Le realizzazioni ottiche sono in prima istanza insensibili al bit rate, ma richiedono 3R nel dominio fotonico Le realizzazioni elettroniche costano meno (per ora)

17 Riconfigurabilità Le reti wavelength routing possono essere: statiche (senza OXC): minori costi, minor flessibilità, minor affidabilità riconfigurabili (con OXC): maggiori costi, maggior flessibilità, maggiore affidabilità Una rete statica è descrivibile con una matrice di connettività o con un (multi)grafo bipartito Reti WR statiche mux coupler coupler demux OXC statico grafo bipartito

18 Reti WR riconfigurabili Esistono equivalenze tra agilità in frequenza e commutazione spaziale (cioè tra numero di lunghezze d onda e numero di stadi di commutazione) Riconfigurabilità in tempi brevi trasformano un problema off-line (la matrice di traffico è completamente nota) in un problema on-line (variazione continue dei lightpath) Si possono affrontare due problemi: Logical (Virtual) TopologyDesign (LTD) Routing and Wavelength Assignment (RWA) Problemi di progetto in reti WR Problema di Routing and Wavelength Assignment (RWA): Data una topologia di rete e un insieme di richieste di lightpath (end-to-end), trovare l instradamento e la/e lunghezza/e d onda per ogni lightpath minimizzando il numero di lunghezze d onda utilizzate Problema di Logical Topology Design (LTD): Data una matrice di richieste di traffico tra nodi di una rete, trovare un insieme di lightpath ottimale (in termini di costi e/o prestazioni)

19 RWA: esempio Sorgente Destinazioni RWA: esempio l 3 Fibre occupate 13

20 RWA: altro esempio t 1 r 1 t 2 r 2 t 3 r 3 t 4 r 4 t 5 r 5 Abbiamo un lightpath da i a n-i+1 (n=5 nell esempio) Senza conversione occorrono comunque n lunghezza d onda Con conversione e routing opportuno possiamo avere due lightpath per canale; quindi due lunghezze d onda sono sufficienti Wavelength Assignment Il problema di Wavelength Assignment è simile al problema RWA, ma gli instradamenti sono definiti Dato un insieme di richieste di lightpath e di instradamenti, se l i è il numero di lightpath sul canale i della topologia, il carico (load) della rete è definito come L=max i l i Il problema WA diventa banale in presenza di conversione di lunghezza d onda: L lunghezza d onda sono sufficienti. Altrimenti ne occorrono in generale di più

21 WA e colorazione di grafi Grafo della rete Grafo dei lightpath Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete Obiettivi del problema RWA Obiettivi del problema RWA possono essere la minimizzazione del carico L, o la minimizzazione della probabilità di bloccare una futura richiesta di lightpath Si può dimostrare che l instradamento di un insieme di lightpath con carico L in una rete G con M archi, se il numero massimo di hop per i lightpath è D, richiede al più un numero di lunghezze d onda pari a: min [(L-1)D + 1, (2L-1) M L + 2]

22 Colorazione di grafi Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete Problema della colorazione del grafo: ogni nodo deve avere un colore diverso dai suoi vicini. Il minimo numero di colori si chiama numero cromatico del grafo Il problema della colorazione dei grafi è NP-completo anche se esistono buoni algoritmi ottimi in casi particolari e diverse euristiche RWA su anelli Gli anelli sono le più semplici topologie biconnesse e sono stati adottati da diversi standard, quali FDDI e SONET/SDH Ci sono solo due instradamenti possibili (orario e antiorario) per ogni lightpath. E possibile ottenere minimo carico L con un instradamento non a distanza minima e carico 2 L con un instradamento a distanza minima E facile trovare soluzioni al problema WA in un anello con carico L utilizzando non più di 2L-1 lunghezze d onda

23 WA su anelli taglio taglio su un nodo con numero minimo di lightpath in transito insieme dei lighpath assegnazione greedy delle λ più una λ per ogni lightpath tagliato (garantisce non più di 2L-1 λ) WA su diverse topologie Topologia Tipo di conversione nessuna fissa piena limitata arbitraria min[(l-1)d+1, L L (2L-1) M-L+2] anello 2L-1 L+1 L L stella 3L/2 L L albero 3L/2 L

24 RWA e conversione di l Abbiamo visto che la disponibilità anche limitata di conversione di lunghezza d onda può ridurre di molto il numero di lunghezze d onda se vogliamo servire off-line un insieme di richieste senza perdite Nel caso di richieste on-line che variano statisticamente, accettando una certa probabilità di blocco delle richieste, il guadagno portato dalla conversione di lunghezza d onda appare invece limitato nella maggior parte dei casi studiati (principalmente con simulazione) in letteratura RWA su topologie a maglia Si usano euristiche risolutive Esempio: Strategia First Fit Dato un lightpath da s a d Instradalo sul percorso fisico più breve Coloralo con la prima lunghezza d onda disponibile su tutte le fibre del percorso Strategia Max Fill Data una lunghezza d onda λ Dato un lightpath da s a d Instradalo sul percorso più breve usando λ, se possibile

25 Logical Topology Design Gli strati superiori dell architettura (per esempio IP o SONET/SDH) vedono un lightpath come un collegamento fisico tra i loro nodi Chiamamo fisica la topologia vista dallo strato ottico e logica la topologia vista dagli strati (elettronici) superiori topologia fisica lightpath canale in fibra WXC ottico switch SDH lightpath topologia logica Progetto della topologia I problemi di progetto della topologia logica e di progetto della topologia fisica sono tra di loro accoppiati Nella pratica di norma si risolve prima il problema del progetto della topologia logica (LTD), poi si progetta la topologia fisica (se non data) e infine si risolve il problema RWA Sovente si è nella situazione in cui l infrastruttura di rete (topologia fisica) è posseduta e controllata da un fornitore di servizi (che affronta il problema RWA), che vende connessioni ATM o SONET/SDH ai propri clienti (che affrontano il problema LTD)

26 Logical Topology Design Obbiettivo nel progetto della topologia logica è la minimizzazione del costo, trovando il miglior compromesso tra costo dei lightpath (includendo il costo della loro commutazione) e costo di commutatori a livello SONET/SDH o ATM, sovente con vincoli sull affidabilità della rete E possibile dare una formulazione in termini di problemi di programmazione lineare mista del problema LTD Vista la complessità della soluzione, sono state proposte e vengono utilizzate tecniche euristiche Vincoli e obiettivi del LTD Vincoli: Numero limitato di trasmettitori/ricevitori per nodo Numero limitato di lunghezze d onda per fibra Numero di hop fisici limitato da problemi trasmissivi Obiettivi: Minimizzare la lunghezza dei percorsi multihop Minimizzare il ritardo endto-end Minimizzare la massima congestione su un lightpath Altro Problema NP-HARD

27 Formulazione del problema Data: Una rete WDM fisica dove ogni nodo i è dotato di δ i O trasmettitori e δ i I ricevitori Una matrice di traffico T sd =[t sd ]; Σ d t sd = t s Dato un algoritmo di routing per traffico multi-hop Trovare L insieme di lightpath che soddisfa la richesta di traffico e che minimizza il massimo livello di congestione sui canali logici f max, dato dalla somma del traffico che attraversa ogni lightpath Formulazione del problema Obiettivo: min f max f ij f i, j max Conservazione di flusso ad ogni nodo j s s s t if s = i fij f ji = s, i si j t if s i s f ij = fij i, j s s s fij bijt i, j, s Vincoli di connettività i bij O i j j bij I j i b ij { 0,1} i, j b ij = 1 se esiste un arco (lightpath) tra il nodo i e il nodo j f s ij = quantità di informazione generata da s e instradata sul collegamento (i,j)

28 Instradamento traffico multi-hop La formulazione precedente permette un instradamento ottimo del traffico sulla topologia, ovvero di poter spezzare i flussi di traffico offerto t s attraverso tutti percorsi della rete senza vincoli aggiuntivi Purtroppo nelle reti IP esistono vincoli tecnologici che impediscono questo: il problema ottimo di instradamento è un classico problema multicommodity, anch esso in generale NP-Hard Occorre includere il vincolo di instradamento nella formulazione di cui sopra: i flussi saranno instradati sui percorsi a costo minimo Approcci di ottimizzazione Euristiche greedy Considerando i dati di ingresso, si costruisce una soluzione ad hoc per il problema Topologia casuale (BR): genera N topologie casuali e considera la migliore Massimizzare traffico single hop (Scom):aggiungi lightpath corrispondenti alle più grosse relazioni t sd Considera il traffico multihop (R&R): rimuovi gli archi meno usati, e reinstrada il traffico Uso di topologie logiche regolari: occorre ottimizzare la disposizione dei nodi

29 Metaeuristiche Approcci di ottimizzazione Espora più soluzioni in modo intelligente Simulated annealing Data una topologia, costruiscine una alterazione. Se f max è minore, tieni la nuova topologia. Se è peggiore, tienila con una probabilità non nulla (che si modifica col tempo) Tabu search Data una topologia, considera tutte quelle che ottieni applicando una alterazione, e scegli la migliore. Evita cicli con lista di mosse proibite Ricerca locale Partenza da una soluzione iniziale X Aggiornamento di soluzione corrente, e miglior soluzione ottenuta Esplorazione di soluzioni vicine (A,B,C,D) Spostamento verso La miglior soluzione del vicinato (steepest descent ) B x A F... Opt Il primo vicino migliorante (first improvement ) C D E Termine dopo un numero di iterazioni PROBLEMA: possibile intrappolamenti in minimi locali

30 Tabu e Simulated Annealing Per evitare intrappolamenti in minimi locali Uso di memoria per ricordare il percorso fatto: Tabu search Uso di casualità per interrompere il determinismo nella scelta: Simulated Annealing Tabu Search Memorizza lista di mosse vietate (non le soluzioni, ma le mosse) Esclude dal calcolo dei vicini quelli ottenuti tramite l applicazione di mosse vietate Nel nostro caso Mossa: scambio di due archi (per mantenere il vincolo di connettività) Vicinato: tutte le topologie che differiscono dalla corrente per lo scambio di due archi Scelta del vicino di tipo steepest descent

31 Simulated Annealing Data la soluzione corrente, genera un vicino a caso (tramite lo scambio di due archi a caso) Se migliore accetta soluzione con probabilità 1 Se non migliore accetta soluzione con probabilità p = e -(distanza)/kt T rappresenta la temperatura T diminuisce con il numero di soluzioni visitate Algoritmo che alla fine diviene una ricerca locale tipo first improvement Esempio su una rete 24 nodi

32 Esempi di evoluzione soluzione