Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino [email protected]

Reti Fotoniche(Optical Networks)

Fabio NeriPolitecnico di Torino

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Indice (II)Indice (II)

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

Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici

Cenni a reti d’accesso

Commutazione ottica di pacchetti

Architetture di protocolli per reti ottiche

Cenni a gestione e affidabilità

Reti wavelength routing (WR)Reti wavelength routing (WR)

Sono architetture di rete WDM che instradano e commutano informazione nel dominio ottico sulla base delle lunghezze d’onda.

Iniziamo con un esempio, modificando progressivamente una rete a circuito di prima generazione (con trasmissioni punto-punto su fibra ottica).

Queste comprendono tipicamente anelli in tecnologia SONET/SDH, oggi operanti tipicamente a 2.5 Gb/s (OC48-STM16). I dispositivi di interconnessione sono add-drop multiplexer (ADM) e digital cross-connect (DCS).

ADM=Add-Drop MultiplexerDCS=Digital Cross-Connect

Reti wavelength routingReti wavelength routing

Se il traffico aumenta:A B C D

A -- 1 2 1B 1 -- 1 2C 2 1 -- 1D 1 2 1 --

possiamo passare a WDM.


La matrice di traffico normalizzata è la seguente:A B C D

A -- 0.25 0.25 0.5B 0.25 -- 0.25 0.5C 0.25 0.25 -- 0.5D 0.5 0.5 0.5 --


L’instradamento diventa:

flusso lungh. d’onda# di OC-48 AB 1 1 BD 1 1 AD 1 1 AC 2 2 BC 3 1 BD 3 1 CD 3 1

con 3 lunghezze d’onda.


Abbiamo costruito una topologia logica su una topologia fisica, costruendo dei lighpath ottici.

Reti wavelength routingReti wavelength routingPer gestire cambi di traffico e per offrire protezione, possono utilizzare commutatore ottici.


Si usano cross-connect ottici (Optical Cross-Connect - OXC o Wavelength Cross-Connect - WXC) con collegamenti in fibra.

La rete fornisce “cammini di luce” (lightpath - bandwidth pipe) tra coppie di nodi. Fino a un centinaio di lightpath per fibra.

B

A

E

C

D

1 1

2

lightpath

WDM cross-connect

Bisogna decidere accuratamente l’allocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale.

Strato otticoStrato ottico

Una rete wavelength routing costituisce uno strato ottico che offre lightpath agli strati superiori.

Possiamo avere reti statiche o riconfigurabili.

Caratteristiche:• trasparenza• riutilizzo spaziale delle frequenze• affidabilità (riconfigurazione in caso di guasto)

Conversione di Conversione di Possiamo utilizzare convertitori di lunghezza d’onda, che

consentono di utilizzare meglio le risorse di rete e agevolare l’interconnessione di reti diverse.

B

A

E

C

D

11

2

3

Conversione di Conversione di

Diversità spazialeDiversità 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.

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

fibra 1 fibra 1

fibra 2fibra 2

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

fibra 1 fibra 1

switch -converter

Wavelength Cross-ConnectWavelength Cross-Connect

WDM cross-connect

network elementmanager

porte locali

porte di dorsaleporte di dorsale

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


1

2

M

…

wavelengthdemux

1

2

M

…

wavelengthmux

12 W

12 W

12 W

12 W

12 W

12 W

electroniccross

connect

…

…

…

…

…

…

transmitters

…

…

…

…

…

…

receivers


1

2

M

…

wavelengthdemux

1

2

M

…

wavelengthmux

12 W

12 W

12 W

12 W

12 W

12 W

opticalswitch

…

…

…

…

…

…

…

…

…

wavelengthconverters


1

2

M

…

demux switch

…

1

2

M

…

mux

12 W

12 W

12 W

12 W

12 W

12 W

1

2

W

Wavelength Cross-ConnectWavelength Cross-ConnectTecnologia realizzativa Ottica

Elettronica

Trasparenza sì difficileConversione di difficile più facileBit rate > 10 Gb/s 10 Gb/sDimensione crossconnect piccola grandeProgetto strato fisico difficile più facileMonitoraggio limitato completoComponenti richiesti:

mux/demux sì sìcommutatori ottici sì nocommutatori elettronici no sìtrasmettitori/ricevitori no sìconvertitori di 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).

Wavelength Cross-Connect: costruttoriWavelength Cross-Connect: costruttori

• Brightlink Networks Inc. http://www.corvia.com• Ciena Corporation http://www.ciena.com• Cisco Systems Inc. http://www.cisco.com• Nortel Networks http://www.nortelnetworks.com• Tellium Inc. http://www.tellium.com• Sycamore Networks http://www.sycamorenet.com

• Astarté Fiber Networks Inc. http://www.starswitch.com• Corvis Corporation http://www.corvis.com• ilotron Ltd. http://www.ilotron.uk• Lucent Technologies http://www.lucent.com• Siemens AG http://www.siemens.com• Alcatel SA http://www.alcatel.com

Indice (II)Indice (II)

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

Progetto di topologia logica e routing di cammini ottici

Cenni a reti d’accesso

Commutazione ottica di pacchetti

Architetture di protocolli per reti ottiche

Cenni a gestione e affidabilità

RiconfigurabilitàRiconfigurabilità

Le reti wavelength routing possono essere:• statiche: minori costi, minor flessibilità, minor

affidabilità• riconfigurabili: maggiori costi, maggior flessibilità,

maggiore affidabilità

Una rete statica è descrivibile con una matrice di connettività o con un (multi)grafo bipartito.

Reti WR staticheReti WR statiche

1

2

2

2

1

3

3

3

2

2

31

1 1

22

3 3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

mux demux

coupler coupler

WXC statico grafo bipartito

Reti WR staticheReti WR statiche

Un nodo non può ricevere (trasmettere) simultaneamente sulla stessa lunghezza d’onda da (a) più nodi.

Si può mostrare che, in presenza di una sola coppia trasmettitore/ricevitore per nodo, occorrono non più di

(n!)1/2n n/e lunghezze d’onda, dove n è il numero di nodi, supponendo che sia possibile completa conversione di lunghezza d’onda nella rete.

Per esempio, con 1000 nodi, possono bastare 1000/e=20 lunghezze d’onda.

Reti WR riconfigurabiliReti WR riconfigurabili

Agilità in frequenza e commutazione spaziale (cioè numero di lunghezze d’onda e numero di stadi di commutazione) sono equivalenti.

Si possono affrontare due problemi:• Logical (Virtual) Topology Design (LTD)• Routing and Wavelength Assignment (RWA)

Problemi di progetto Problemi di progetto in reti WRin 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).

Wavelength AssignmentWavelength 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 li è il numero di lightpath sul canale i della topologia, il carico (load) della rete è definito come L=maxi li.

Il problema diventa banale in presenza di conversione di lunghezza d’onda: L lunghezza d’onda sono sufficienti. Altrimenti ne occorrono di più.

Routing and Wavelength Routing and Wavelength AssignmentAssignment

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.

t1

t2

t3

t4

t5

r1

r2

r3

r4

r5

WA e colorazione di grafiWA e colorazione di grafi

Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete.

3 2

0

1

2

1

3

1-0-2

1-0-3 2-0-3

Grafo della rete Grafo dei lightpath

Colorazione di grafiColorazione 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 anelliRWA 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.

WA su anelliWA su anelli

taglio

1

32

insieme dei lighpath

assegnazione “greedy” delle più una per ogni lighpath tagliato

taglio su un nodo con numero minimo di lightpath in transito

WA su diverse topologieWA 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

RWA e conversione di RWA e conversione di

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.

Logical Topology DesignLogical Topology Design

Gli strati superiori dell’architettura (per esempio ATM 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.

canale in fibra

lightpath

4 3

1 2

WXC ottico

switch ATM

1 3 4 2

topologia logica

lightpath

topologia fisica

Progetto della topologiaProgetto 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).

Logical Topology DesignLogical 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.

Euristiche di LTD e RWAEuristiche di LTD e RWA

Vedi “Progetto di Topologia Logica in una Rete WDM con Topologia Fisica Arbitraria”

Wavelength Routing TestbedsWavelength Routing Testbeds

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