Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino neri@polito.it

1. Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino neri@polito.it www.tlc-networks.polito.it 011 564 4076

2. 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

3. 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).

4. Reti wavelength routing ADM=Add-Drop Multiplexer DCS=Digital Cross-Connect

5. Reti wavelength routing • La matrice di traffico normalizzata è la seguente: • A B C D • A -- 0.25 0.25 0.5 • B 0.25 -- 0.25 0.5 • C 0.25 0.25 -- 0.5 • D 0.5 0.5 0.5 -- • Se il traffico aumenta: • A B C D • A -- 1 2 1 • B 1 -- 1 2 • C 2 1 -- 1 • D 1 2 1 -- • possiamo passare a WDM.

6. Reti wavelength routing

7. Reti wavelength routing • 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.

8. Reti wavelength routing Abbiamo costruito una topologia logica su una topologia fisica, costruendo dei lighpath ottici.

9. Reti wavelength routing Per gestire cambi di traffico e per offrire protezione, possono utilizzare commutatore ottici.

10. B C E 1 1 lightpath 2 A D WDM cross-connect Reti wavelength routing • 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. • Bisogna decidere accuratamente l’allocazione delle frequenze in modo da massimizzare il riuso spaziale.

11. Strato 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)

12. B C 3 E 1 1 2 A D 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.

13. Conversione di 

14. fibra 1 fibra 1 fibra 1 fibra 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 1 1 4 4 2 2 5 5 3 3 6 6 fibra 2 fibra 2 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. switch -converter

15. network element manager porte di dorsale porte di dorsale WDM cross-connect porte locali Wavelength Cross-Connect • 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

16. wavelength demux wavelength mux l1l2 ...lW l1l2 ...lW electronic cross connect … … 1 … … 1 l1l2 ...lW l1l2 ...lW … … 2 … … 2 … … l1l2 ...lW l1l2 ...lW … … M … … M receivers transmitters Wavelength Cross-Connect

17. wavelength demux wavelength mux l1l2 ...lW l1l2 ...lW optical switch 1 … … … 1 l1l2 ...lW l1l2 ...lW 2 … … … 2 … … l1l2 ...lW l1l2 ...lW M … … … M wavelength converters Wavelength Cross-Connect

18. l1 l1l2 ...lW l1l2 ...lW 1 1 l2 l1l2 ...lW l1l2 ...lW 2 2 … … … lW l1l2 ...lW l1l2 ...lW M M demux switch mux Wavelength Cross-Connect

19. Wavelength Cross-Connect • Tecnologia realizzativa Ottica Elettronica • Trasparenza sì difficile • Conversione di  difficile più facile • Bit rate > 10 Gb/s  10 Gb/s • Dimensione crossconnect 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  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).

20. Wavelength 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 Corporationhttp://www.corvis.com • ilotron Ltd.http://www.ilotron.uk • Lucent Technologieshttp://www.lucent.com • Siemens AGhttp://www.siemens.com • Alcatel SAhttp://www.alcatel.com

21. 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

22. Riconfigurabilità • 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.

23. mux 1 demux 1 1 2 2 2 1 1 3 3 2 3 1 1 1 2 2 3 2 2 3 3 2 1 3 3 1 1 2 2 2 3 3 3 3 2 coupler coupler Reti WR statiche WXC statico grafo bipartito

24. Reti 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.

25. Reti 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)

26. 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).

27. 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 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.

28. Routing and Wavelength Assignment t1 r1 • 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. t2 r2 t3 r3 t4 r4 t5 r5

29. WA e colorazione di grafi 1 • Grafo dei lightpath: ogni nodo è un lightpath e gli archi specificano condivisione di canali nella rete. 1-0-2 1 0 2 3 3 2 2-0-3 1-0-3 Grafo della rete Grafo dei lightpath

30. 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.

31. 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 Lcon 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.

32. WA su anelli taglio su un nodo con numero minimo di lightpath in transito taglio 3 2 1 insieme dei lighpath assegnazione “greedy” delle  più una  per ogni lighpath tagliato

33. 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

34. 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.

35. Logical 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. 1 2 lightpath lightpath canale in fibra 1 3 4 2 WXC ottico topologia logica switch ATM 4 3 topologia fisica

36. 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).

37. 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.

38. Euristiche di LTD e RWA Vedi “Progetto di Topologia Logica in una Rete WDM con Topologia Fisica Arbitraria”

39. Wavelength Routing Testbeds