Client dello strato ottico

Corso di Sistemi di Telecomunicazione Ottici Client dello strato ottico Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni A.A. 2009/2010

Client dello strato ottico (1) Client dello strato ottico Sonet/SDH ATM IP MPLS Storage-Area Networks Gigabit Ethernet RPR

Client dello strato ottico (2) Reti che usano la fibra ottica come mezzo trasmissivo Lo strato ottico fornisce lightpaths ai client Equivalenti a link fisici punto-punto Gli strati ti client elaborano i dati in formato elettronico, aggregando flussi a basso bitrate Multiplexing fisso o statistico Strati client dominanti per backbone Sonet/SDH, IP, ATM IP/ATM over Sonet, oppure IP/ATM over optical Strati client dominanti per MAN e SAN Gigabit Ethernet, RPR, Fibre Channel

Client dello strato ottico Client dello strato ottico Sonet/SDH ATM IP MPLS Storage-Area Networks Gigabit Ethernet RPR

Sonet/SDH vs. PDH (1) Sonet (Synchronous Optical Network) Standard per multiplexing e trasmissione di segnali ad alto bitrate per infrastrutture di rete in Nord America SDH (Synchronous Digital Hierarchy) Standard analogo adottato in Europa, Giappone e collegamenti sottomarini i Prima di Sonet e SDH PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), 1960 In Nord America gerarchia asincrona digitale Obiettivo: multiplexing di segnali vocali Caratteristiche del segnale vocale Banda 4 khz Campionamento 8 khz (Shannon) Quantizzazione 8 bit per campione Bitrate totale 64 kbit/s (PCM) Standard ampiamente accettato

Sonet/SDH vs. PDH (2) PCM 64 kbit/s come segnale base Flussi a bitrate superiore come multipli di 64 kbit/s Standard diversi in Nord America, Europa, Giappone Nord America PCM 64 kbit/s: segnale DS0 (Digital Signal 0) Segnali DS1 (1.544 Mbps), DS3 (44.736 Mbps) I relativi canali di trasmissione si chiamano T1, T3 Europa Unità base segnale DS0 Formati definiti E0, E1, E2, E3, E4

Sonet/SDH vs. PDH (3) I bitrate definiti sono ancora oggi largamente usati dagli operatori per reti e per linee in affitto a clienti PDH soffriva invece di enormi problemi 1980 1990: operatori cercano nuovi standard Standard Sonet/SDH Risolve molti dei problemi relativi a PDH Vantaggi di Sonet/SDH rispetto a PDH 1) Semplificazione del processo di multiplexing Segnali plesiocroni (PDH): segnali caratterizzati da un rate nominale che varia entro limiti precisi Multiplexing asincrono: ogni terminale ha un suo clock Clock nominale unico specificato ma Significative differenze nei valori reali Es. segnali DS3, variazioni clock 20 ppm (realistico), differenze nei bitrate pari a 1.8 kbit/s!

Sonet/SDH vs. PDH (4) Necessità di bit stuffing Quando flussi a basso rate sono multiplexati, si aggiungono bit extra che tengono conto dei clock non allineati I bitrate definiti non sono multipli di DS0, ma leggermente superiori Es. DS1 = 1.544 Mbps, ma 24 x 64 kbit/s = 1.5 Mbps Difficoltà di estrarre flussi a basso bitrate da flussi ad elevato bitrate Necessità àdi demultiplexare l completamente il lflusso Uso di stack di multiplexer/demultiplexer Poco affidabile, costoso, molta elettronica Sonet/SDH è sincrono Tutti i clock sincronizzati a un master clock I bitrate sono multipli di DS0, non serve bit stuffing Riduzione del costo di mux/demux Estrazione di un flusso a basso bitrate dal flusso Sonet/SDH in un colpo solo!! Progetto di Sonet ADM è molto semplice

Sonet/SDH vs. PDH (5) Es. Estrazione di un segnale DS1 da un segnale DS4 (a) Demultiplazione nel caso PDH (b) Demultiplazione in Sonet/SDH

Sonet/SDH vs. PDH (6) 2) Management Gestione semplificata della rete Monitoraggio delle prestazioni Identificazione del tipo di traffico e di connessione Identificazione dei guasti Canale dedicato per trasmissione informazioni di gestione della rete Tutte caratteristiche di Sonet/SDH, PDH molto carente 3) Interoperabilità PDH non definiva un formato standard di trasmissione Difficile collegare dispositivi di diverse case Diverse codifiche, interfacce ottiche Sonet/SDH definiscono interfacce ottiche standard Interoperabilità tra dispositivi di diversi costruttori 4) Affidabilità della rete Sonet/SDH: topologie, protocolli e tecniche di protezione per reti ad elevata affidabilità (ripristino entro 60 ms) PDH: tempi di ripristino da secondi a minuti

Sonet/SDH Multiplexing (1) Sistema di multiplexing sofisticato Implementazione in circuiti integrati VLSI Sonet e SDH simili, ma terminologia diversa Spieghiamo Sonet, evidenziando le differenze in SDH Sonet: bitrate di base 51.84 Mbps Synchronous Transport Signal level-1 (STS-1) STS-N: segnale a bitrate N volte superiore Interleaving dei byte di N STS-1, frame per frame

Sonet/SDH Multiplexing (2) I clock di tutti i segnali sono sincronizzati Bit stuffing non necessario Estrazione dei flussi a basso rate senza totale demux STS è un segnale elettrico E molto spesso esiste solo nei dispositivi Sonet Interfaccia ottica con gli altri dispositivi Segnale ottico trasmesso è STS con scrambling Eliminazione lunghe sequenze di 1 e 0 Il ricevitore applica descrambling e demodula Al segnale elettrico STS-N corrisponde l interfaccia ottica OC-N (Optical Carrier-N) Es. ad STS-3 corrisponde OC-3, ad STS-12 OC-12 SDH: bitrate di base 155 Mbps Synchronous Transport Module-1 (STM-1) Termine usato per segnale sia ottico che elettrico

Sonet/SDH Multiplexing (3) Sonet Bitrate scelti per la trasmissione dei più comuni segnali asincroni i (DS1 e DS3) SDH Bitrate scelti per la trasmissione dei più comuni segnali PDH (E1, E3, E4) Struttura del frame Sonet Transport Overhead Payload Contenuto nel Synchronous Payload Envelope (SPE) SPE contiene byte di Path Overhead, inseriti alla sorgente ed estratti solo dal destinatario Es. bytes di path trace, identificano l SPE e sono usati per verificare la connessione

Sonet/SDH Multiplexing (4) Uso di puntatori per indicare il payload nel frame SPE non ha un punto di partenza fisso nel frame Tutti i clock derivati da un unica nica sorgente Piccole variazioni transitorie di frequenza sono possibili Piccole differenze di fase tra il segnale entrante e quello uscente Soluzione: si permette al payload di shiftare avanti o indietro nel frame Niente bit stuffing o buffering, ma molta elettronica per gestire i puntatori Puntatore nel Transport Overhead (Line Overhead) indica il byte di partenza del SPE

Sonet/SDH Tributari virtuali (1) Necessità di mappare in frame STS-1 flussi non Sonet a bitrate minore (es. DS1) Uso di tributari virtuali (VT) Ogni VT progettato con banda sufficiente per trasmettere un payload diverso Sonet, 4 VT di dimensioni diverse VT1.5: 1.5 Mbps, segnali DS1 VT2: 2 Mbps, segnali E1 VT3: 3 Mbps, segnali DS1C VT6: 6 Mbps, segnali DS2 VT composto da VT SPE: VT Synchronous Payload Envelope VT Path ho Overhead e VT pointer

Sonet/SDH Tributari virtuali (2) VT group Aggregazione di VT in gruppi, 4 possibilità 4 x VT1.5 3 x VT2 2 x VT3 1 x VT6 Sonet STS-1 SPE Interleaving di 7 VT group e byte di Path Overhead VT SPE può fluttuare all interno dell STS-1 SPE VT pointer (2 bytes), indica l inizio del VT SPE

Sonet/SDH Tributari virtuali (3) Necessità di mappare flussi non Sonet ad alto bitrate in STS-1 SPE per trasporto Sonet Flussi da router IP o switch ATM trasportati con Sonet STS-Nc (c sta per concatenated ) Segnale con payload locked, cioé non può essere demultiplexato in flussi a bassa velocità Es. segnale ATM a 150 Mbps trasmesso su Sonet Utilizzo di segnale STS-3c Mapping definito per molte classi di segnali ATM, IP, FDDI SDH: stessa filosofia, terminologia diversa VC (virtual containers) invece di VT VC-11 (DS1), VC-12 (E1), VC-2 (E2), VC-3 (E3 e DS3), VC-4 (E4) VC-11, VC-12 e VC-2 multiplexati in VC-3 e VC-4 VC-3 e VC-4 multiplexati per formare STM-1

Sonet/SDH Schema multiplexing

Sonet/SDH Frame STS-1 (1) Frame STS-1 Durata 125 μs (8000 frames/s) Per analogia agli 8 khz del segnale PCM Indipendente dal bitrate del segnale Sonet 9 righe per 90 colonne, ogni cella 1 byte In tutto 810 bytes, payload + overhead (9 x 90 x 8) bit/frame x 8000 frames/s = 51.84 Mbps Trasmissione bytes riga per riga, da sinistra a destra, si trasmette per primo il MSB Prime 3 colonne per Transport Overhead Section Overhead e Line Overhead Le altre colonne per STS-1 SPE La cui prima colonna contiene il Path Overhead

Sonet/SDH Frame STS-1 (2) Struttura del frame STS-1

Sonet/SDH Frame STS-N (3) Frame STS-N Interleaving dei bytes degli N STS-1 frames Transport Overhead nelle prime 3N colonne N set di bytes di overhead, 1 per ogni STS-1 Allineamento con il frame Payload nelle restanti 87N colonne Non serve allineamento con il frame Frame STS-Nc Simile a STS-N, ma il payload nelle 87N colonne non può essere demultiplexato l da Sonet STS payload pointer indica frame concatenato 1 solo set di bytes di overhead Payload intatto dal mittente al destinatario

Sonet/SDH Frame STS-N (4) Struttura del frame STS-N

Sonet/SDH Strati (1) Strato Sonet suddiviso in 4 sottostrati (sublayers) Path layer Line layer Section layer Physical layer Ogni strato, eccetto quello fisico, aggiunge overhead Bytes di overhead aggiunti all introduzione dello strato e rimossi quando lo strato è terminato Significato di questo overhead spiegato in seguito Sonet (SDH) Path layer: connessione end-to-end tra nodi, visibile solo agli estremi del link Path overhead inserito dal mittente, estratto dal destinatario

Sonet/SDH Strati (2) Line layer (multiplex section layer): multiplexa un certo numero di connessioni a livello path su un singolo link tra 2 nodi Line overhead elaborato in ogni nodo intermedio con TM (Terminal Mux) o ADM (Add-Drop Mux) Responsabile dello switching per protezione (guasti) Section layer (regenerator-section layer): corrisponde ad ogni segmento tra rigeneratori Physical layer: trasmissione dei bit lungo la fibra

Sonet/SDH Overhead Forniscono funzioni di management avanzate Particolarmente gradite agli operatori Comprensione del funzionamento più che esatti localizzazione e formato Section e Line Overhead importanti per lo strato ottico Molti bytes sono controllati dallo strato ottico Altri non sono ancora definiti E sono candidati a trasportare t l overhead dello strato t ottico Abbiamo incontrato 3 tipi di overhead in Sonet/SDH Section Overhead Line Overhead Path Overhead

Sonet/SDH Section Overhead (1) Framing (A1/A2) Usati dagli elementi di rete per delimitare il frame, in ogni STS-1 all interno di un STS-N Section Trace (J0)/Section Growth (Z0) J0 nel primo STS-1 S all interno di un STS-N, S,byte identificativo per monitorare la connessione tra nodi Z0 nei rimanenti STS-1, ancora non usato Section BIP-8 (B1) Nel primo STS-1 all interno di un STS-N Monitoraggio del BER tra nodi adiacenti Orderwire (E1) Nel primo STS-1 all interno di un STS-N Canale vocale per personale addetto alla manutenzione

Sonet/SDH Section Overhead (2) Section User Channel (F1) Nel primo STS-1 all interno di un STS-N Inserimento di informazioni specifiche per l utente Section Data Communication Channel (D1-D3) D3) Nel primo STS-1 all interno di un STS-N Data Communication Channel (DCC) per controllo Section Overhead Path Overhead Line Overhead

Sonet/SDH Line Overhead STS Payload Pointer (H1, H2) Puntatore a 2 bytes che punta all STS SPE Offset in bytes tra il puntatore e il primo byte del SPE Line BIP-8 (B2) Controllo di parità per ogni STS-1 all interno di un STS-N, usato solo da TM e ADM I rigeneratori agiscono su B1, ma non su B2 APS channel (K1, K2) Canale di segnalazione per APS (Automatic Protection Switching) Uso in generale per manutenzione Line Data Communication Channel (D4-D12) D12) Nel primo STS-1 all interno di un STS-N Line DCC per manutenzione e controllo

Sonet/SDH Path Overhead STS Path Trace (J1) Identificatore del path per monitoraggio connessione STS Path BIP-8 (B3) Controllo o o del BER a livello path (end-to-end) e d) STS Path Signal Label (C2) Indica il contenuto del SPE Label univoca per ogni tipo di segnale mappato in STS Path Status (G1) Il destinatario lo usa per informare il mittente delle prestazioni del path Il destinatario inserisce il numero di errori corrente

Sonet/SDH Livello fisico (1) Molte interfacce standard definite per Sonet/SDH Variano a seconda di bitrate e distanza Lo standard ITU per SDH è il più usato (vedi tabelle) Classificazione connessioni SDH (Sonet) Intra-office I (short reach) Distanze minori di 2 km Inter-office Short-haul haul S (intermediate reach) 15 km a 1310 nm e 40 km a 1550 nm Inter-office Long-haul (L) (long reach) 40 km a 1310 nm e 80 km a 1550 nm Inter-office Very-long-haul (V) 60 km a 1310 nm e 120 km a 1550 nm Inter-office Ultra-long long-haul (U) Circa 160 km

Sonet/SDH Livello fisico (2) Tipi di fibra G.652 fibra SMF standard G.653 fibra Dispersion i Shifted (DSF) G.655 fibra Non Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) Tipi di sorgente LED a 1310 nm MLM Fabry Perot laser a 1310 nm SLM DFB laser a 1550 nm: elevati bitrate e distanze Il livello fisico usa la tecnica dello scrambling per evitare lunghe sequenze di 1 e 0 Lo standard specifica Massime perdite ammesse (fibra, giunti, connettori ) Elevate in connessioni intra-office Massima dispersione cromatica ammessa

Sonet/SDH Livello fisico (3) Specifiche sulle perdite si traducono in limitazioni sulle distanze Connessioni intra-office: 3.5 db/km Elevate a causa delle molte interconnessioni Connessioni short-haul: 0.8 db/km Connessioni i a lunga distanza: 0.5 db/km a 1310 nm e 0.3 db/km a 1550 nm Stesso discorso per la dispersione Lo standard prevede l uso di preamplificazione e amplificazione di potenza Ma non l amplificazione di linea Amplificazione di linea prevede l uso di soluzioni spesso proprietarie, quindi niente standard C lifi i di li ibili i t i WDM Con amplificazione di linea possibili sistemi WDM con distanza tra rigeneratori tra 400 e 600 km

Sonet/SDH Livello fisico (4) Interfacce fisiche standardizzate per SDH Codici standard ITU G.957, ITU G.691 Lettera (I, S, L, V, U) Tipo di connessione Numero (1, 4, 16, 64) Bitrate Numero (1, 2, 3, 5) Es. V-16.3 Fibra e lunghezza d onda 1: G.652 a 1310 nm 2: G.652 a 1550 nm 3: G.653 a 1550 nm 5: G.655 a 1550 nm Very-long-haul, STM-16 Fibra DSF a 1550 nm

Sonet/SDH Livello fisico (5) Continua Due valori di D corrispondono alle due diverse sorgenti ffs: specifica in fase di definizione i i NA: limite non applicabile (link limitato dalle perdite)

Sonet/SDH Infrastruttura (1) 3 tipi di configurazioni per reti Sonet Punto-punto Usata nelle prime reti installate, ancora utile per talune applicazioni I nodi sono chiamati Terminal Mux (TM TM), o Line Terminating Equipment (LTE) Lineare con ADM Add/Drop di flussi a basso bitrate Anello Multiplexer add/drop (ADM) Es. OC-48 ADM, add/drop flussi OC-12 e OC-3 ADM inseriti tra TM creano configurazione lineare Sempre più usata: elevata affidabilità Semplice, link alternativo in caso di guasto

Sonet/SDH Infrastruttura (2)

Sonet/SDH Reti ad anello Dispositivi Sonet ADM configurabili come Ring ADM, linear ADM, TM Anelli Sonet composti da ADM Multiplexing, demultiplexing, protezione da guasti Anelli di backbone OC-12/OC-48/OC-192 (ma si va verso i 40 Gbps) Overlay di anelli, ognuno a diversa lunghezza d onda Architettura BLSR (Bidirectional Line-Switched Ring) 2 fibre (BLSR/2) o 4 fibre (BLSR/4) per anello Connessioni tra multipli central office (CO) Anelli di accesso OC-3/OC-12 Architettura UPSR (Unidirectional Path-Switched Ring) 1 fibra per anello Connessioni tra utenti e nodo hub nel CO

Sonet/SDH DCS (1) DCS (Digital CrossConnect) Componente base della rete Sonet Gestisce tutte le risorse di trasmissione DCS sostituisce patch panels manuali nei CO Centinaia/migliaia di porte Migliaia di flussi DS1/DS3 ingestibili a mano Interconnessione automatizzata sotto controllo software, più mux/demux e controllo prestazioni Gestione di flussi PDH, Sonet e SDH Grooming del traffico Aggregazione del traffico con simile tipologia, QoS, destinazione Include mux/demux di flussi a basso bitrate

Sonet/SDH DCS (2) Tipologie di DCS Classificati in base alla granularità del groomingg Narrowband DCS Grooming a livello di flussi DS0 Wideband DCS Grooming a livello di flussi DS1 Broadband DCS Grooming a livello di flussi DS3 (STS-1) Optical DCS (OXC) Grooming a livello di STS-48, lunghezza d onda DCS completamente ottico Interfacce dal bitrate di grooming fino a bitrate superiori Es. broadband DCS interfacce da DS3 a OC-48

Client dello strato ottico Client dello strato ottico Sonet/SDH ATM IP MPLS Storage-Area Networks Gigabit Ethernet RPR

ATM (1) ATM (Asynchronous Transfer Mode) Obiettivo: integrazione tra voce e dati Tradizionalmente reti voce e dati separate Reti ATM in LAN, MAN, WAN Pacchetti (celle) con dimensione fissa 53 bytes 48 bytes di payload e 5 di overhead Compromesso tra requisiti per voce e dati Voce preferisce pacchetti piccoli Basso ritardo di consegna Dati preferiscono pacchetti grossi Minore overhead Multiplexing statistico delle celle Uso efficiente della banda Possibilità di garantire QoS Banda minima, massimo ritardo

ATM (2) Garanzia QoS punto chiave di ATM Uso di circuiti virtuali (VC) Conoscenza di banda media e di picco per ogni VC Controllo di ammissione per nuove connessioni Utilizzo di switching anche in LAN A differenza di Ethernet, token ring e FDDI Più semplice garantire QoS in ATM LAN Dimensione fissa della cella Switch ad elevata velocità semplici e poco costosi Livelli fisici standard per ATM 25.6 Mbps su rame 622.08 Mbps su fibra monomodale Alcune interfacce ottiche standard 100 Mbps, con parametri identici a FDDI 155.52 Mbps con LED su fibra MMF a 1310 nm

ATM (3) Private user-network interfaces Interfacce per interconnessione tra utenti ATM e switch gestiti ii da enti privati i Es. le due interfacce nella slide precedente Public user-network interfaces Interfacce per interconnessione tra utenti ATM e switch di reti pubbliche Uso di PDH o Sonet/SDH come strato inferiore DS3, STS-3c, STS-12c, STS-48c Terminologia ATM Il suo strato inferiore è il livello fisico (es. Sonet) Interfaccia ATM/Sonet: interfaccia con il livello fisico Modello a strati ISO/OSI Sonet è il livello data-link di ATM

Funzioni di ATM UNI (User-to-Network Interface) Dati trasmessi da utente alla rete ATM attraverso una UNI NNI (Network-to-Network Interface) Dati trasmessi tra switch ATM attraverso una NNI Header (5 bytes) diverso per UNI e NNI GFC (Generic Flow Control): 4 (0) bit UNI (NNI) VPI (Virtual Path Identifier): 8 (12) bit UNI (NNI) VCI (Virtual Circuit Identifier): 16 bit PT (Payload Type): 3 bit CLP (Cell Loss Priority): 1 bit HEC (Header Error Control): 8 bit CRC sui 5 bytes dell header

Connessioni ATM Concetto di connessione end-to-end ATM servizio connection-oriented In opposizione a IP, che è connectionless Connessione ATM: virtual channel (VC) Con identificativo VCI Unico per ogni link che la connessione attraversa, ma può variare da link a link Es. la connessione sopra ha VCI a1, a2 e b sui 3 link VCI determinati al setup della connessione E rilasciati a connessione terminata Ogni switch gestisce una tabella di VCI 3 colonne: VCI entrante, t VCI uscente, link di uscita

Virtual Paths (1) Milioni di VC condividono lo stesso link Tabelle VCI più grandi di 65.000 elementi ingestibili Aggregazione di VC per instradamento Migliaia VC con cammini in parte sovrapposti Utilizzo di virtual paths (VP), con identificativo VPI Es. i due VC condividono il cammino 0 1 2 Assegnazione di un VPI comune per ogni link Es. x tra 0 e 1, y tra 1 e 2 Virtual path composto dai 2 link 0 nodo di partenza, 2 nodo destinazione Nei due link, instradamento usando VPI Dal nodo 2 in poi, si usano i VCI

Virtual Paths (2) Vantaggi dell instradamento a 2 livelli Semplificazione dell instradamento delle celle Sviluppo di switch ATM a basso costo Creazione di link logici tra nodi Virtual path tra nodi è trattato come link logico dai virtual channels Es. VP tra nodi 0 e 2 è un link logico per i VC Usando solo VCI VCI 24 bit per UNI, 28 bit per NNI Instradamento complesso e costoso

Strati di adattamento Applicazioni sopra ATM generano Flussi di dati continui (video, voce) Pacchetti di dimensioni elevate e variabili (IP) ATM usa celle a dimensione fissa 53 bytes Necessità di mappare i dati utente in celle Compito degli AAL (ATM Adaptation Layers) Segmentation ti and reassembly (SAR) ITU I.363 AAL segmenta i dati utente in celle ATM Li riassembla al destinatario AAL standard: AAL-1, AAL-2, AAL-3/4, AAL-5 AAL-3 e AAL-4 sono degeneri

AAL-1 Trasporto di dati a bitrate costante Voce, video Flusso di dati continuo nel tempo Segmentazione in 47 bytes di payload AAL, 1 byte di header AAL Header contiene un numero di sequenza Numero di sequenza protetto tt da CRC Passaggio al livello ATM ATM aggiunge il suo header di 5 bytes I 47 bytes di payload non sono protetti Adeguato per trasmissione voce/video

AAL-5 Trasporto pacchetti a dimensione variabile Fino a 2 16 = 65536 bytes di lunghezza Trasporto di pacchetti IP su ATM AAL-5 segmenta i pacchetti IP in celle ATM senza aggiungere overhead in ogni cella Uso del campo PT nell header ATM per indicare l ultima cella che forma il pacchetto Nell ultima cella, ultimi 2 bytes sono header AAL Lunghezza del pacchetto IP e CRC del pacchetto In tutte le celle meno una Il payload AAL coincide con quello ATM Minore overhead rispetto a AAL-1 Codice CRC sul payload

Quality of Service QoS (1) ATM QoS Limiti su celle perse, ritardo e jitter Traffic shaping Contratto con utente per caratteristiche del traffico Rate di cella medio e massimo, dimensione dei burst che si possono trasferire attraverso una UNI Si eliminano le celle che non rispettano il contratto Oppure si setta il loro bit CLP Prime ad essere eliminate in caso di congestione Controllo accurato del traffico dalla connessione In cambio, ATM garantisce elevata QoS Controllo di ammissione In base ai parametri di traffic shaping Connessioni accettate solo se compatibili con la QoS delle connessioni già esistenti

Quality of Service QoS (2) Classi di servizio Scelte in base ai parametri di traffico e della QoS Ogni connessione appartiene a una classe Esempi CBR (Constant t Bit Rate) Connessione specifica rate di cella di picco, garanzia su perdite di celle, ritardo e jitter AAL-1 UBR (Unspecified Bit Rate) Connessione specifica rate di cella di picco, ma senza garanzia di QoS AAL-5 Sofisticate tecniche di gestione delle code Garanzia di QoS per connessioni di classi diverse

Controllo di flusso Routing (1) Controllo di flusso Controllo del traffico utente non in base al contratto, ma in base alla congestione della rete Applicazione per traffico dati non CBR controllabile Es. FTP Controllo attraverso i bytes GFC nell header UNI Routing Segnalano se trasmettere o bloccare la trasmissione Protocolli di routing permettono di costruire le tabelle per VCI e VPI ad ogni switch Protocolli standardizzati dall ATM forum PNNI (Private Network-to-Network Interface) B-ICI (Broadband Inter Carrier Interface)

Compito Protocollo PNNI Determinare un percorso attraverso la rete dal mittente al destinatario Necessario garantire la QoS richiesta Stato del link Banda disponibile, celle perse, massimo ritardo Costo amministrativo, o peso Ogni switch fa flooding con lo stato di tutti i link in uscita a cui è collegato Ogni switch conosce lo stato di tutti i nodi In caso di richiesta nuova connessione Switch all ingresso calcolano il percorso che garantisca la QoS con costo minimo Gli switch sul percorso vengono informati della nuova connessione e della QoS richiesta

Client dello strato ottico Client dello strato ottico Sonet/SDH ATM IP MPLS Storage-Area Networks Gigabit Ethernet RPR

IP (Internet Protocol) IP (1) La più usata tecnologia per reti WAN ad oggi Protocollo di rete per Internet e Intranet Servizio connectionless Può lavorare su molti livelli data-link diversi Ethernet, token ring, PPP, HDLC È uno dei motivi del successo di IP Protocolli di trasporto TCP (Transmission Control Protocol) Connection oriented FTP, Telnet, HTTP UDP (User Datagram Protocol) Connectionless o ess Trasporto di semplici messaggi Streaming, NFS, SNMP

IP over WDM IP (2) Mappatura di IP sullo strato ottico IP over ATM over Sonet (a) Pacchetti IP mappati in celle ATM, codificati in frame Sonet trasmessi su un canale WDM Packet over Sonet, POS (b) Pacchetti IP mappati in frame PPP, codificati in frame Sonet trasmessi su un canale WDM IP over Gigabit Ethernet (c) 10 GE come MAC, Pacchetti IP codificati in frame 10 GE trasmessi su un canale WDM

Instradamento (1) Pacchetti IP hanno lunghezza variabile Ma dimensione massima 65535 bytes Router IP elemento chiave della rete Internet Meccanismo di routing Ogni router ha una tabella di routing Una o più voci per ogni router destinazione i Indica il nodo adiacente a cui passare il pacchetto Il router cerca nell header del pacchetto l indirizzo della destinazione, quindi instrada in base alla tabella Gestione delle tabelle di routing cruciale per la rete Protocolli di routing

Instradamento (2) Protocolli di routing intra-domain Es. protocollo OSPF (Open Shortest Path First) Ogni router campiona lo stato dei nodi adiacenti In caso si rilevi una variazione di stato Flooding del link state a tutti i nodi della rete Modifica di tutte le tabelle di routing in base alle nuove informazioni Tutti i nodi conoscono la topologia corrente Il flooding deve essere intelligente Link state vecchio può arrivare dopo uno nuovo Numero di sequenza per ogni link state Si scartano link state con numero di sequenza vecchio Link state generati periodicamente Alcuni potrebbero infatti andare persi

Instradamento (3) Pacchetti link state danno ad ogni router una visione globale della rete Il router calcola quindi il cammino ottimo tra sé e gli altri router e memorizza il nodo successivo per ogni destinazione Algoritmo di Dijkstra Impossibile che ogni router mantenga la topologia dell intera Internet Divisione di Internet in Autonomous Systems (AS) Protocollo intra-domain (es. OSPF) all interno dell AS Protocollo inter-domain per routing tra AS Es. protocollo BGP (Border Gateway Protocol)

Quality of Service QoS IP offre servizio best effort Pacchetti percorrono cammini diversi, ritardi diversi, consegna non in sequenza, in caso di congestione pacchetti eliminati Forte domanda per QoS in reti IP Diff-Serv (Differentiated Services) Pacchetti raggruppati in classi, indicate nell header Classi diverse, trattamento diverso dai router Pacchetti EF (Expedited Forwarding) Code distinte, consegna rapida Assured Forwarding (AF AF) Indica la priorità di eliminazione del pacchetto Diff-Serv affronta il problema della QoS, ma non può dare garanzie end-to-end Es. non si può dire a priori se c è banda sufficiente per un nuovo flusso di traffico real time

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MPLS MPLS (Multi-Protocol Label Switching) Richiesta stringente di QoS end-to-end in reti IP Fornitura di servizi distinti per classi Distinzione tra diversi tipi di traffico MPLS strato tra IP e livello data-link (livello 2.5) Reti MPLS basate sul concetto di label switching Label indicano percorso e attributi dei servizi All ingresso della rete, processing dei pacchetti Selezione e applicazione della label opportuna I router interni leggono la label, applicano i servizi richiesti in modo appropriato e instradano Instradamento in base al contenuto della label Analisi e classificazione di pacchetti solo all ingresso Uscita della rete: eliminazione label e invio a destinazione

MPLS Label switching (1) Percorso di un pacchetto lungo la rete Step 1: classica costruzione tabelle di routing Algoritmo OSPF, partecipano anche i router MPLS Protocollo LDP (Label Distribution Protocol) Usa le tabelle di routing per determinare le label tra nodi adiacenti Creazione di LSP (Label Switching Paths) preconfigurati Step 2: un pacchetto arriva in ingresso alla rete Edge Label Switching Router (LSR) LSR determina servizio di livello 3 (QoS) LSR applica una label e instrada il pacchetto Step 3: ad ogni nodo, LSR legge la label, la sostituisce con una nuova (da tabella) e instrada Step 4: in uscita, Edge LSR elimina i la label l e instrada al destinatario

MPLS Label switching (2)

MPLS Vantaggi (1) Paradigmi rete MPLS Creazione LSP ed instradamento separati Creazione LSP come funzione di controllo della rete Hardware ottimizzato per l instradamento Entrambe le funzioni completamente hardware Label switching molto più semplice del routing IP Numero di pacchetti al secondo elaborabile maggiore Concetto di percorso in rete IP IP instrada senza conoscere connessione end-to-end MPLS permette di specificare percorsi per pacchetti Ottimizzazione banda, prevenzione congestione, QoS Concetto di QoS end-to-end in rete IP Possibilità di riservare banda per un LSP Distinzione tra LSP in base al tipo di traffico

MPLS Vantaggi (2) Maggiore affidabilità in caso di guasti Definizione di 2 LSP tra gli stessi nodi Commutazione rapida in caso di guasto Routing IP molto inefficiente e lento in casi simili Creazione di Reti Private Virtuali (VPN) MPLS-based IP VPN Reti IP connectionless in gradi di garantire sicurezza e QoS attraverso classi di servizio Metodo comodo ed efficiente per ridurre i costi per estendere una LAN da intranet a extranet Classificazione e instradamento del traffico per tipo Voce, video, e-mail Il traffico di ogni VPN è trasportato da un set di LSP Una sola infrastruttura supporta molte VPN, risulta semplice aggiungere o cancellare VPN Architettura per servizi IP di prossima generazione

MPLS - Applicazioni Classi di servizio (CoS) Fornitura QoS ad hoc per ogni CoS Es. garanzia massimo ritardo consegna per una CoS Streaming video Ingegnerizzazione del traffico Controllo dei percorsi per evitare congestione della rete Invio dati Houston Singapore OSPF sceglie il link diretto E lo congestiona alla lunga MPLS può usare il link secondario Ottimo utilizzo della banda

GMPLS cenni (1) Generalized MPLS Estensione di MPLS per switching a livello di pacchetto, TDM, lunghezza d onda, fibra Uso di etichette a tutti i livelli Problemi con reti ottiche e TDM Dispositivi non progettati per estrarre ed elaborare le etichette Allocazione della banda solo in unità discrete Enormi quantità di dati e risorse da gestire Configurare DCS e OXC è time-consuming Gestione dei fault (es. 50 ms Sonet)

GMPLS cenni (2) Esempio Router IP connessi a reti metro Sonet Reti metro connesse attraverso DWDM

GMPLS cenni (3) Etichetta generalizzata Riferita a pacchetto, time-slot, lunghezza Riferita a pacchetto, time slot, lunghezza d onda, oppure fibra

Client dello strato ottico Client dello strato ottico Sonet/SDH ATM IP MPLS Storage-Area Networks Gigabit Ethernet RPR

Storage-Area Networks (1) SAN (Storage Area Networks) Reti per connessione tra computer e periferiche Utili per enti con datacenter di grandi dimensioni Elemento chiave è uno switch elettronico Connessioni riconfigurabili tra i dispositivi Connessioni i a commutazione di circuito it In passato, SAN limitate a edifici o campus Oggi SAN estese a livello metro, o anche long haul Affidabilità contro guasti disastrosi (backup) Delocalizzazione dei datacenter (meno costi)

Storage-Area Networks (2) Bitrate tipicamente tra 200 Mbps e 1 Gbps su fibra Bitrate non molto elevati, punto chiave per lo strato ottico è il numero di connessioni Da centinaia a migliaia di link tra datacenter Principali tecnologie SAN ESCON (Enterprise Serial Connection) Fibre Channel HIPPI (High Performance Parallel Interface) Utilizzo di codifica di linea per trasmissione su fibra Data rate (Mbytes/s) vs. transmission rate (Mbaud/s)

ESCON Sviluppato da IBM alla fine degli anni 80 Sostituisce gli scomodi, lenti collegamenti in rame Largamente usato per connettere mainframe Data rate 17 Mbytes/s Overhead e codifica di linea (8, 10), 200 Mbaud/s Livello fisico Fibra MMF a 1310 nm con sorgenti LED per L < 3 km Fibra SMF a 1310 nm con sorgenti MLM per L < 20 km Livello data-link stop-and and-wait Invio dati, quindi attesa di ACK prima di nuovo blocco Calo del throughput al crescere della lunghezza Pesante fattore limitante in ESCON Specifiche su massima distanza di interconnessione

Fibre Channel Standard sviluppato verso la fine degli anni 90 Stesse applicazioni di ESCON, porte di I/O su periferiche e computer, switch elettronico Ad oggi è largamente diffuso Standard prevede una grande varietà di bitrate A partire dalla versione full speed a 100 Mbytes/s Versione a ¼ di velocità (25 Mbytes/s) Versione a 400 Mbytes/s Codifica di linea (8, 10) come in ESCON Utilizzo di interfacce sia in rame che in fibra Rame fino a 100 Mbytes/s, fibra oltre

HIPPI Largamente usato per i link in supercomputer Interfaccia elettrica parallela a 100 Mbytes/s Clock skew limita la massima distanza a 25 m Oltre i 25 m HIPPI è serializzato e trasmesso su fibra Serial HIPPI, interfacce ottiche fino a 1.2 Gbaud Altre versioni Interfaccia seriale a 200 Mbytes/s con 2 fibre Interfaccia a 12 fibre, ognuna a 100 Mbytes/s HIPPI concorrente di Fibre Channel ed ESCON Rete HIPPI composta da host e periferiche connessi agli switch HIPPI da fibre ottiche

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10 Gigabit Ethernet (1) Quasi tutto il traffico Internet ha origine ed è destinato a reti Ethernet Basso costo, affidabilità, semplicità di installazione Evoluzione di Ethernet (nata 25 anni fa) verso le esigenze delle moderne reti a pacchetto Standard 10 Gigabit Ethernet Estensione dei protocolli IEEE 802.3 al bitrate 10 Gbps e ad applicazioni su link WAN (IEEE 802.3ae) Piena compatibilità con le versioni precedenti IEEE 802.3 10 GE mantiene l architettura Ethernet tradizionale E un protocollo di livello 1 e 2 Necessità di un MAC (Media Access Control) Formato e dimensioni dei frame Ma continua l evoluzione in termini di bitrate e distanza

10 Gigabit Ethernet (2) Una sola differenza tra Ethernet e 10 GE 10 GE tecnologia full-duplex Non serve il protocollo CSMA-CD Architettura del protocollo IEEE 802.3ae Livello data-link PCS Livello fisico (PHY) PMA + PMD

10 Gigabit Ethernet (3) MAC connesso al livello fisico (PHY) attraverso un interfaccia indipendente dal mezzo (XGMII) Livello fisico suddiviso in 3 sottolivelli PMD (Physical Media Dependent) Fornisce la connessione fisica al mezzo Es. i transceiver sono PMDs PMA (Physical Medium Attachment) PCS (Physical Coding Sublayer) Fornisce codifica (es. 64B/66B) e multiplexing Due tipi diversi di PHY LAN PHY WAN PHY Simile a LAN PHY ma il PCS permette la connessione con Simile a LAN PHY, ma il PCS permette la connessione con Sonet STS-192

10 Gigabit Ethernet - PMD IEEE 802.3ae definisce 4 PMD PMD seriale a 1310 nm, fibra monomodale su massima distanza 10 km PMD seriale a 1550 nm, fibra monomodale su massima distanza 40 km PMD seriale a 850 nm, fibra multimodale su massima distanza 300 m PMD WWDM (Wide-Wave W WDM) a 1310 nm, fibra monomodale su massima distanza 10 km o multimodale su massima distanza 300 m

10 Gigabit Ethernet - Vantaggi Ethernet base è la tecnologia più usata per LAN Richiesta di banda sempre crescente Convergenza di reti dati e voce su Ethernet 10 GE supporta bitrate fino a 10 Gbps su distanze fino a 40 km Fibre multimodali Fibre monomodali Distanza portata da 5 a 40 km Uso di sorgenti VCSEL In generale, possibilità di usare ottica a basso costo Scelta naturale per espansione delle Ethernet esistenti Ethernet facilmente interoperabile con 10 GE Conoscenza di base e gestione molto simili Disponibilità di prodotti standard da più venditori

10 Gigabit Ethernet Applicazioni (1) Pacchetto lascia il server attraverso una connessione 10 GE short-haul, si muove grazie a una rete DWDM e arriva ad un PC connesso a una porta GE Niente conversione di protocollo o re-framing Connessione tra server Soluzioni proprietarie Alti costi, difficile gestione e manutenzione Fibre Channel Standardizzato ma costoso, bassa interoperabilità, non molto conosciuto dal personale 10 Gigabit Ethernet t Ottima soluzione per interconnessione tra server Offre banda più che sufficiente (10 Gbps) Singolo server ha banda sufficiente per rimpiazzarne molti Basso tempo di latenza, cruciale per clustering

10 Gigabit Ethernet Applicazioni (2) LAN Garanzia di maggiore banda su distanze maggiori Supporto di fibre multimodali li e monomodali Possibilità di scegliere ad hoc la locazione di server e datacenter nel raggio di 40 km Backbone 10 GE short-haul su fibra multimodale per connessioni switch-switch e server-switch Costi molto bassi, elevate prestazioni Bassa congestione dei link, bassa latenza

10 Gigabit Ethernet Applicazioni (3) MAN/SAN Ottima soluzione per backbone di reti metro Uso di fibra SMF, link fino a 40 km che possono raggiungere tutti i clienti in città WAN Link ad elevate prestazioni i tra switch/router t collegati a reti Sonet/SDH Interfaccia WAN PHY LAN connesse da Sonet/SDH attraverso DWDM

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RPR (1) RPR (Resilient Packet Ring) Migrazione delle reti packet-based da LAN a MAN Traffico dati sempre maggiore, difficoltà per trasporto su reti Sonet/SDH ottimizzate per voce Soluzione: reti a pacchetto anche in reti metro Ethernet gestisce in modo ottimo pacchetti IP 10 GE ha la velocità necessaria per reti metro Tuttavia Buona parte delle MAN installate sono ad anello Alta affidabilità, veloce restoration (< 60 ms) Ethernet non adatta a reti ad anello Manca il MAC adatto a gestire l anello! Ethernet sprovvista di meccanismi di protezione

RPR (2) Necessità di una nuova tecnologia che Sfrutti al meglio le caratteristiche degli anelli Mantenendo i vantaggi del trasporto a pacchetto RPR tecnologia emergente per trasporto in reti metropolitane Supporto efficiente degli anelli (come Sonet) Recovery veloce da guasti (come Sonet) Semplicità, efficienza (come Ethernet) Gestione equa delle risorse Gestione dei problemi di congestione della rete

Sonet Metro Ring Anello configurazione i naturale per Sonet/SDH Sonet nato per commutazione di circuito punto-punto Molti svantaggi nel trasporto di dati su Sonet Circuiti fissi Banda sprecata se il circuito non è utilizzato Spreco di banda per mesh logiche Difficile ed inefficiente creare mesh logiche Pessima gestione del traffico multicast Un circuito e un pacchetto per ogni destinatario Spreco di banda per protezione Tipicamente il 50%

Ethernet Metro Ring Ethernet usa in modo efficiente la banda disponibile Ma non usa in modo efficiente la topologia ad anello Nessun sistema di protezione efficiente dell anello Protezione Ethernet solo a livello di link, e molto lenta 500 ms contro i 50 ms di Sonet Gestione non equa del mezzo condiviso Equità solo a livello di link Che non si traduce in equità globale l Ethernet sta sull anello ma non lo sa Diagramma logico in figura

Filosofia RPR Resilient Packet Ring (1) Il problema della gestione del mezzo condiviso si risolve a livello MAC RPR (IEEE 802.17) Nuovo protocollo MAC per reti metro ad anello Architettura Packet ADM (Add/Drop Mux) Confronto tra Packet ADM e switch Ethernet Rete Ethernet composta da link punto punto Accodamento e instradamento ad ogni nodo Ogni nodo elabora il traffico entrante al rate di linea Oltre i 10 Gbps, l approccio non è più valido

Resilient Packet Ring (2) RPR ha la nozione di traffico di transito Il traffico non destinato al nodo passa senza essere accodato Il MAC ha 3 funzioni Add: inserimento di nuovo traffico Drop: prelievo di parte del traffico Pass: transito senza elaborazione Percorso di transito parte del mezzo trasmissivo L anello RPR è un mezzo continuo condiviso dai nodi Architettura Packet ADM non elabora il traffico in transito Elevata scalabilità a bitrate elevati

Resilient Packet Ring Vantaggi (1) Versatilità a livello fisico RPR definisce solo uno standard per il MAC Al livello 1 si può avere Ethernet, Sonet, DWDM Affidabilità Meccanismo di recovery efficiente: ring wrap In caso di guasto, si raggiunge la destinazione percorrendo l anello in senso opposto

Resilient Packet Ring Vantaggi (2) Gestione equa della banda Anello condiviso molto sensibile allo sfruttamento esagerato di alcuni utenti Necessario garantire divisione equa della banda A livello ll globale l di anello, non link per link! Impossibile sia in Sonet che in Ethernet Sonet sottoutilizza le risorse, Ethernet non equo Meccanismo di feedback in RPR Monitoraggio del traffico (compito del MAC) Dati sul traffico a tutti tti i nodi Le sorgenti modificano il traffico di conseguenza La non equità di Ethernet nella gestione della banda peggiora aumentando il numero di nodi!

Resilient Packet Ring Vantaggi (3) Gestione del traffico multicast Packet ring configurazione ideale Solo una copia del pacchetto circola per la rete Fornitura del servizio semplificata Tempi di attivazione elevati per reti Sonet Es. DS1, DS3 richiedono settimane Attivazione immediata in anelli RPR Anello mezzo condiviso, tutti i nodi hanno visione globale della capacità della rete

Resilient Packet Ring - Applicazioni RPR utile ogniqualvolta si trasportano dati su anelli in fibra Es. Metro Service Provider, rete di accesso DSL Un singolo anello RPR serve edifici multipli nell area Alta affidabilità (< 50 ms), facile drop ai nodi Banda suddivisa equamente tra gli utenti

RPR caso di studio (1) Sonet/SDH (1) vs. RPR (2) (1) (2)

RPR caso di studio (2) Scenario 1 100 utenti distribuiti in modo uniforme su 5 nodi 1.5 Mbps per utente

RPR caso di studio (3) Scenario 2 Upgrade del bitrate per tutti a 5 Mbps

Scenario 3 RPR caso di studio (4) Forte incremento del bitrate agli utenti 80 utenti a 40 Mbps, 10 a 100 Mbps, 10 a 1 Gbps

Scenario 4 RPR caso di studio (5) Incremento di 10 volte del numero degli utenti 80% a 40 Mbps, 10% a 10 Mbps, 10% a 1 Gbps

RPR caso di studio (6) Scenario 5 Stessi servizi richiesti nello scenario 4 Sistemi Sonet di nuova generazione Utilizzo di interfacce Ethernet mappate su rete Sonet/SDH VCAT (Virtual Concatenation) Risoluzione del problema della granularità TDM Ethernet 100 Mbps trasportata in 2 STS-1 (~ 2 x 52 Mbps = 104 Mbps) ) Ethernet 1 Gbps trasportata in 21 STS-1 (~ 21 x 52 Mbps = 1.092 Gbps)

RPR caso di studio (7)