Reti Fotoniche(Optical Networks)

Gruppo Reti

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Politecnico di Torino- Dipartimento di Elettronica

Sito del corso

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Argomenti del corsoArgomenti del corso

Che cosa sono le reti ottiche?Perché le reti ottiche?Tipologie di reti otticheReti ottiche di prima generazione:

Commutazione di circuito: Sonet/SDH Commutazione di pacchetto: Gigabit Ethernet Storage area networks: Fibre Channel

Reti ottiche di seconda generazione: reti broadcast-and-select anelli WDM reti wavelength routing

Cenni a reti d’accesso e commutazione ottica di pacchettiArchitetture di protocolli per reti otticheCenni a gestione e affidabilità

Reti di accessoReti di accesso

Quanto visto finora si applica sostanzialmente a reti metropolitane e di trasporto. Per arrivare all’utenza residenziale (“ultimo miglio”), l’ultima tratta viene detta rete d’accesso.

hub

nodo remoto

nodo remoto

...NIU

NIU

NIU

NIU = Network Interface Unit...

Reti di accessoReti di accesso

Tecnologie nelle reti di accesso:

• Plain Old Telephone Service (POTS)• Asymmetric Digital Subscriber Loop (ADSL)• cable-modems su reti con tecnologia Cable-TV (CATV)• reti via radio (wireless); esempio: Local Multipoint

Distribution Service (LMDS)• reti via radio cellulare• reti di accesso ottiche

Reti di accesso HFCReti di accesso HFC

Le reti CATV si chiamano anche Hybrid Fiber Coax (HFC).

headend remotenodefiber

coax

amplifier

tap

Sono pensate per funzionamento unidirezionale.

Service Node

SNI (VB5)

ONU

FTTH

FTTB

FTTC

FTTCab

Optical Fiber

ATM-PON xDSL

OLT

ONU NT

NT

Passive Optical Splitter

FTTx

FTTC:Fiber To The CurbFTTCab :Fiber To The Cabinet

FTTH :Fiber To The HomeFTTB :Fiber To The Building

Q3

Operation System

Internet

Leased Line

Frame/CellRelay

Telephone

Interactive Video

Fiber To The X (FTTx)

Twisted Pair

ONT

ONT

Reti di accesso otticheReti di accesso ottiche

WDMlaser

receiver

centraloffice

remotenode

splitter/combiner

receiver

laser

1ONU

123 N

123 N

...

...

...

...

ONU: Optical Network Unit

receiver

laser

iONU

receiver

laser

NONU

Reti di accesso otticheReti di accesso ottiche

Sono sovente basate su ATM. Nella tratta “downstream” si affronta un problema di multiplazione. Nella tratta “upstream” si ha un problema di accesso multiplo (serve un MAC).

Si mira soprattutto alla semplicità e alla facilità di gestione, per cui si implementano normalmente strutture passive con componenti di basso costo. Esempi: trasmissione con LED modulazione alle ONU di portanti non

modulate inviate dal central office

Architetture di PON: LARNETArchitetture di PON: LARNET

Segnali di ritorno a larga banda “affettati” (sliced) dall’AWG.

1.5 mlaser

1.3 mreceiver

centraloffice

remotenode

AWG

1

N

...

...

...

...

ONU: Optical Network Unit

i

receiver

1.3m LED

1ONU

receiver

1.3m LED

1ONU

receiver

1.3m LED

1ONU

Architetture di PON: RITENETArchitetture di PON: RITENET

WDMlaser

WDMreceiver

centraloffice

remotenode

AWG

1

...

...

...

...

ONU: Optical Network Unit

receiver

modulatorONU

N

receiver

modulatorONU

i

receiver

modulatorONU

Modulazione di portante per la tratta upstream.

Broadband Passive Broadband Passive Optical Networks (BPON)Optical Networks (BPON)

Sono in corso di definizione standard per reti d’accesso ottiche:

ITU-T G.983.1 strato fisico ITU-T G.983.2 gestione e controllo ITU-T G.983.3 estensioni WDM ITU-T G.983.dba allocazioni dinamiche di banda ITU-T G.983.sur affidabilità

http://www.fsanet.net/

E’ attivo un gruppo di lavoro IEEE 802.3ah per “Ethernet in the First Mile”:http://grouper.ieee.org/groups/802/3/efm/

Passive Optical Networks: costruttoriPassive Optical Networks: costruttori

• Alcatel SA http://www.alcatel.com• Fujitsu Network Communications Inc. http://www.fujitsu.com• Lucent Technologies http://www.lucent.com• NEC Eluminant Technologies Inc. http://www.eluminant.com• Paceon Corporation http://www.Paceon.com • Quantum Bridge Commun. Inc. http://www.quantumbridge.com• Terawave Communications Inc. http://www.terawave.com

Fonte: Light Reading (marzo 2000) http://www.lightreading.com

Commutazione ottica di Commutazione ottica di pacchettopacchetto

Finora abbiamo visto:• reti di prima generazione• reti di seconda generazione

reti ottiche a commutazione (veloce) di circuito (es. reti wavelength routing)

reti ottiche a commutazione di pacchetto (es. reti broadcast-and-select)

reti con commutazione di pacchetti ottici?

Commutazione ottica di Commutazione ottica di pacchettopacchetto

Una rete con commutazione ottica di pacchetti (Optical Packet Switching Network) è in grado di commutare pacchetti nel dominio fotonico, quindi è in grado di configurare i suoi elementi di commutazione nella scala temporale di singole unità dati.

La tecnologia per questo tipo di reti è ancora in fase molto preliminare.

Si può anche parlare di multiplazione di tempo ottica (Optical Time Division Multiplexing - OTDM).

Optical Burst Switching (OBS)Optical Burst Switching (OBS)

Proposta intermedia tra commutazione di pacchetto e commutazione di circuito, che sfrutta la separazione tra piano di controllo e piano di trasporto, o tra header e payload dei pacchetti.

Il “burst” è un insieme di bit di informazione (un “pacchettone”), assemblato ai bordi (edge) della rete e instradato in modo trasparente nel piano di trasporto. Viene preceduto di un tempo di offset, tipicamente inferiore ad un ritardo di propagazione, da una richiesta di allocazione (Control Header Packet CHP) inviata nel piano di controllo.

burst

CHP controllo

trasporto

Optical Burst Switching (OBS)Optical Burst Switching (OBS)

Tale richiesta viene elaborata e instradata prima dell’arrivo del burst, preparando con debito anticipo gli apparati di commutazione. In caso di conflitti non risolubili vengono bloccati sia la richiesta (prima) sia il burst (dopo), evitando l’utilizzo di memorie per la risoluzione di contese.

La parte di controllo dei commutatori riserva con anticipo le risorse necessarie allo smaltimento del burst, implementando strategie di scheduling tra le richieste di burst non ancora transitati.

E’ possibile supportare diverse classi di servizio sia ritardando burst di classe inferiore, sia assegnando offset maggiori alle classi di servizio più pregiate, in modo che vengano schedulate nei nodi prima di altre classi di servizio.

Commutazione ottica di Commutazione ottica di pacchettopacchetto

Problemi generali:• multiplazione e demultiplazione temporale nel

dominio fotonico• sincronizzazione • realizzazione di ritardi nel dominio fotonico• rigenerazione (2R o 3R) ottica

Sovente in OTDM si usano solitoni per evitare gli effetti negativi della dispersione.

Sono stati proposti componenti ottici in grado di implementare porte logiche operanti a velocità estremamente elevate (pochi fs).

SincronizzazioneSincronizzazioneLa sincronizzazione è il processo di riallineamento nel

tempo di due segnali (impulsi). Occorre quindi poter realizzare ritardi, fissi o variabili.

Sono state proposte realizzazioni ottiche di funzionalità di Phase Lock Loop (PLL) per riallineare la fase dei segnali.

switch22

switch22

switch22

switch22

flusso diingresso

flusso ritardato

stadio 1 stadio 2 stadio k-1

ritardo T/2

ritardo T/4

ritardo T/2k-1

c1 c2 Ck-1 ck

...

...

Commutatori otticiCommutatori ottici

headerprocessor

headerprocessor

switch

inputbuffers

outputbuffers

controlinput

Problemi: sincronizzazione in ingresso, elaborazione delle intestazioni, risoluzione delle contese, memorizzazione dei pacchetti …

Sincronizzazione in ingressoSincronizzazione in ingresso

Sovente la matrice di commutazione opera in modo sincrono (slotted) su pacchetti di dimensione fissa.

Linee di ritardo (possibilmente commutate lentamente) possono essere usate per l’allineamento dei pacchetti in ingresso.

Elaborazione intestazioniElaborazione intestazioni

I pacchetti contengono nella loro intestazione l’informazione (indirizzo o etichetta) che guida la commutazione.

Sovente tale intestazione (header) viene separata dai dati (payload) e rappresentata in formati che agevolano una veloce elaborazione, nel dominio elettronico o nel dominio ottico.

Possibilità:• header a velocità ridotta rispetto al payload• subcarrier multiplexing• codici ottici• modulazioni miste ampiezze/fase

Risoluzione delle conteseRisoluzione delle contese

I commutatori elettronici risolvono le contese con memorizzazione (e possibilmente scarto) dei pacchetti.

Nel dominio fotonico si possono usare linee di ritardo (normalmente configurate in ricircolo dalle uscite agli ingressi) per emulare le memorie elettroniche.

Si possono anche sfruttare i diversi canali WDM disponibili sulle fibre (anche se ciò richiede conversione di lunghezza d’onda).

Una possibile architetturaUna possibile architettura

n n

1 1

n-1 n-1

unità dicontrollo

(elettronica)

3R3R

3R

3R3R

3R

3R3R

3R

11

2 2

m m

ingresso 0

uscita 1

uscita 0synch

uscita N

ingresso 1 synch

ingresso N synch

...