Corso di Reti di Telecomunicazione alle... · 2016. 3. 11. · Sistemi di comunicazione ottici (2)...

Corso di Reti di

Telecomunicazione

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.

Evoluzione delle reti di TLC (1)

Richiesta di banda per TLC semprecrescente

Il traffico Internet raddoppia ogni 4-6mesi

Reti di accesso a larga banda (DSL)

Reti private aziendali a larga banda

Costi ridotti crescita domanda

Evoluzione delle reti di TLC (2)

Privatizzazione dei service provider

Deregulation

Startup service providers

Riduzione dei costi

Nuove tecnologie

Traffico dati supera traffico voce

Nuovo modello di business

Nuove architetture di rete





Reti di TLC ottiche





Evoluzione delle reti ottiche.

Architettura delle reti di TLC (1)

Reti pubbliche

Service providers, carriers, operatori

Diverse tipologie di operatori

LEC: servizi locali

IXC: servizi long-haul

Metro carriers vs. long-haul carriers

Spesso coincidono ma…

Diverse le architetture di rete!


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 iltraffico locale

In Italia:

Concorrenza dopo la liberalizzazione

Telecom, Fastweb, Wind, Tiscali …


Classificazione

LAN: alcuni km

MAN: decine - centinaia di km

WAN: centinaia - migliaia di km


Reti pubbliche in fibra ottica

Reti sottomarine

Reti terrestri

Access, metro, long-haul networks


Servizi… Connection-oriented vs. connectionless

Commutazione di… circuito: telefonia

Banda garantita

Consegna ordinata

Multiplexing fisso

pacchetto: traffico “bursty” Banda media, banda di picco

Consegna disordinata

Multiplexing statistico


Multiplexing statistico

Miglior sfruttamento della banda

Buffering dei pacchetti

Ritardo di consegna variabile


Reti IP: servizio a datagramma

Servizio connectionless

Pacchetti instradati come entitàindipendenti

TCP assicura il riordino dei pacchetti

Rete “best effort” (come frame relay)

Reti ATM: circuiti virtuali

Gestione della QoS


Moderno modello di servizio Cresce la banda per connessione

Fornitura veloce della banda necessariaWhen needed where needed…

Affidabilità 99.999%

Oggi: servizi multipli offerti su reti multiple

Domani: migrazione verso un’unicaarchitettura in gradi di fornire servizimultipli





Reti di TLC ottiche





Evoluzione delle reti ottiche

Reti di TLC ottiche

Enorme capacità trasmissiva

Infrastruttura comune per servizimultipli

Gestione flessibile della banda When needed where needed…

Collegamenti dalla corta alla lungadistanza ad elevato bitrate

Fibre ottiche installate in tutte le reti…a parte quelle di accesso



TDM, richiede elettronicaveloce o fotonica

WDM: fibre virtuali

Reti metro e long-haul

TDM+WDM consente disuperare 1 Tb/s.

64 x 2.5 Gbit/s oppure 16x 10 Gbit/s ?

Reti ottiche di prima generazione

Reti ottiche di prima generazione

Sonet/SDH (USA/Europa)

Strato ottico come mezzo trasmissivo adalta capacità e basso BER

Elaborazione elettronica dei segnali

Reti ottiche di seconda generazione

Parte delle operazioni intelligenti a livelloottico

Routing, switching…

Reti ottiche di seconda generazione (1)

Reti ottiche di seconda generazione Difficoltà dell’elettronica ad elaborare datiad elevati bitrate Elaborazione di un blocco Ethernet di 70 bytes

Bitrate 100 Mb/s: 5.6 μs per l’operazione

Bitrate 10 Gb/s: 56 ns per l’operazione

Switching/routing a livello ottico

Reti wavelength-routing La rete ottica fornisce lightpath tra mittente edestinazione


Lightpath: connessione ottica end-to-end su una lunghezza d’onda per ognitratta

Ad ogni nodo, routing/switching deilightpaths

Elementi per l’optical networking

Optical line terminals (OLT)

Optical add/drop multiplexers (OADM)

Optical cross-connects (OXC)


Reti wavelength-routing

Esempio di rete realmente installabile

Modello a strati (1)

Modello a strati delle reti di TLC

Ogni strato fornisce servizi allo stratosuperiore

Ogni strato riceve servizi dallo stratoinferiore

SAP (Service Access Point)

Ogni strato multiplexa dati dal livellosuperiore aggiungendo overhead

Ogni elemento di rete implementa solo unaparte dello stack


Importante definire funzioni edinterfacce di ogni strato

Standardizzazione per interoperabilità


Diversi standard ed implementazioniper ogni strato

Ogni tipo di rete ottica chevedremo costituisce uno strato

Ogni strato può essere suddiviso insottostrati


Modello a strati ISO/OSI

Livelli Fisico

Data-link

Rete

Trasporto

Sessione

Presentazione

Applicazione


Livello fisico: mezzo trasmissivo chefornisce banda

Livello data-link: gestisce framing,multiplexing, demultiplexing, MAC

Livello di rete: fornisce datagrammi ocircuiti virtuali (VC)

VC: connessione end-to-end con QoSfissata e consegna ordinata (ATM)

datagrammi: servizio connectionless conmultiplexing statistico (IP)


Livello di trasporto: assicura laconsegna end-to-end, ordinata, senzaerrori

Livelli superiori: non di interesse inquesto corso

Reti moderne: stack multipli unosopra l’altro

IP over Sonet, IP over ATM over Sonet


IP over Sonet

La rete Sonet fornisce ai router IPconnessioni punto-punto

Ogni stack incorpora diversi sottostrati

Sonet / SDH


Sonet/SDH come strato trasmissivo

Connessioni end-to-end a commutazione dicircuito

Multiplexing di flussi a basso bitrate

Demultiplexing dei singoli flussi ai nodi

Alta affidabilità (99.999%)

Efficiente monitoraggio e management dellarete

Elementi della rete: line terminals, ADM, DCS,rigeneratori

Strato ottico (1)


Strato ottico: strato server, fornisceservizi a livello ottico a strati client

Reti wavelength-routing: lo strato otticofornisce lightpath agli strati superiori

In futuro: fornirà anche VC e datagrammi

Strato ottico (2)

Strati client: IP, ATM, Sonet, GigabitEthernet, Fibre Channel

Esempio: Sonet over optical

Lo strato ottico fornisce lightpath

Per i terminali Sonet, sono come fibre

Lightpath

Permanenti

Commutazione di circuito

Attualmente lo strato ottico agisce ingran parte a livello fisico

Strato ottico (3)

IP over optical e Sonet over optical

Sonet e IP usano i lightpath come mezzotrasmissivo

Multiplexing nello strato ottico:

Lightpath, bande, fibre, insiemi di fibre

Strato ottico (4)

Perché usare strati multipli con funzionisimili?

Riduzione dei costi

Strati diversi operano in modo efficiente abitrate diversi

Strato ottico: elaborazione di elevate quantitàdi banda wavelength-by-wavelength

Sonet: elaborazione di piccole quantità dibanda con flussi a basso bitrate

Gestione dei fault

Reti completamente ottiche (1)

Trasparenza dei lightpath rispetto abitrate e protocolli

In generale, trasparenza rispetto a

Servizi, bitrate, protocolli

es. rete telefonica (voce, dati, fax)


Dal mittente al destinatario a livello ottico

Rete completamente trasparente


Rete non trasparente (opaca)

Singolo bitrate e protocollo

es. 10 Gb/s, servizio Sonet

Rete “pratica” (reale)

Gestisce un range di bitrate e un insieme diprotocolli

es. massimo 10 Gb/s, servizi Sonet e IP

Elettronica non totalmente eliminabile

Rigenerazione del segnale

Conversione di lunghezza d’onda


Rigenerazione

1R: amplificazione (amplificatori ottici)

2R: 1R + reshaping

3R: 2R + retiming

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

Commutazione di pacchetto ottica (1)

Reti wavelength-routing Lightpath commutazione di circuito

Evoluzione futura Fornitura di datagrammi o VC (IP, MPLS)

TDM a livello ottico (OTDM) Lightpath condiviso tra più connessioni

OTDM Fisso

Statistico: commutazione di pacchetto a livelloottico

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 alivello elettronico Buffering, elaborazioni complesse

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


Griglia ITU-T

Standard per sistemi DWDM a 1550 nm

Griglia equispaziata in frequenza ancorata a193.1 THz (1552.524 nm)

Channel spacing 50 o 100 GHz

Evoluzione verso sistemi a 25 GHz


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 unafibra con perdite di 0.25 dB/km perde 30 dB

30 dB equivale ad attenuazione di fattore 1000





Reti di TLC ottiche





Evoluzione delle reti ottiche

Evoluzione delle reti ottiche (1)

Obiettivo: la più alta capacità sulla piùlunga distanza possibile

La capacità continua a crescere

Il costo per bit al km decresce

Mezzo trasmissivo

Fibra ottica


1960: prime guide d’onda

1970: fibre ottiche a basse perdite

1970-1980 (a)

Fibre multimodali

Sorgenti LED a 800 o 1300 nm

Ampia banda

Bassa potenza

Forte dispersione intermodale

32 - 140 Mb/s con rigeneratori ogni 10 km

Usati ancora oggi per connessioni low cost


1984 (b)

Fibre monomodali

Laser Fabry Perot MLM a 1300 nm

Rigenerazione ogni 40 km

Bitrate > 100 Mb/s

Fine 1980

Laser Fabry Perot MLM a 1550 nm

Dispersione cromatica fattore limitante

Fibre Dispersion-shifted


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 dikm

Bitrate > 1 Tb/s (40 Gb/s per canale)


Compensazione della dispersione

Effetti non lineari

Bande disponibili per il WDM

C, L con EDFA

S, U con amplificazione Raman


Negli ultimi anni…

1980-1990: reti di prima generazione

FDDI: rete MAN a 100 Mb/s

ESCON: rete SAN a 200 Mb/s

Sonet (America), SDH (Europa, Giappone)

1990-2000: reti di seconda generazione

LAN ottiche

Reti wavelength-routing

OADM e OXC commerciali

FTTC, FTTH

Commutazione di pacchetto ottica

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