Evoluzione delle Tecniche di Commutazione e Architettura dei Nodi in Tecnologia Fotonica

1. Evoluzione delle Tecniche di Commutazione e Architettura dei Nodi in Tecnologia Fotonica Marco Listanti INFOCOM Dept Università di Roma “La Sapienza” e-mail: marco@infocom. uniroma1.it

2. Sommario • Principi architetturali • Tecniche di commutazione ottica di pacchetto • Optical Packet Switching (OPS) • Optical Burst Switching (OBS) • Architetture di nodi ottici a commutazione di pacchetto in tecnica WDM • Argomenti allo studio

3. Perchè la commutazione di pacchetto ottica ? • Maggiore capacità di commutazione • Aumento del traffico Internet • raddoppio ogni 6-8 mesi • Incremento del “bit rate” nelle reti di trasporto • 2, 10, 40 Gbit/s • Prevedibile (?) bottleneck nella commutazione elettronica • Trasparenza al bit rate • Indipendenza, almeno parziale, dalla rete di trasporto • bit-rate • protocolli

4. WDM Transport Network Core Router Optical Packet Network Core Router Core Router Rete d’accesso IP Rete d’accesso IP Edge Router Edge Router Architettura di una rete ottica a pacchetto Forwarding ottico Disaggregazione dei pacchetti ottici • Routing • Aggregazione di • pacchetti IP

5. 1 1 1, 2 Space Switching Fabric D E M U X M U X Optical Fiber 2 2 1 1 1, 2 D E M U X M U X Optical Fiber 2 2 Optical Fiber Optical Fiber Controllo Architettura di un nodo ottico a pacchetto Contesa

6. 0 x T l0 l0 0 x T . . . l0 n x T Risoluzione delle contese • Buffer ottici • linee di ritardo in fibra • lunghezza multipla (n) della durata di un pacchetto (T) • grande complessità • Esempio: T=1.6s, n=30  lunghezza fibra = 150 km

7. 0 x T l0 l0 0 x T . . . l0 n x T Risoluzione delle contese • Conversione di lunghezza d’onda • convertitori di lunghezza d’onda sintonizzabili • eliminazione o riduzione della dimensione dei buffer • costo elevato TOWC l0 l0 l1 l0 ln l0

8. 1,00E+01 1,00E-01 Traffico offerto geometrico N=16 p=0.8 1,00E-03 No Converter 1,00E-05 packet loss probability 1,00E-07 M=4 1,00E-09 M=8 1,00E-11 1,00E-13 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 number of delay lines per output fiber Tecnica di conversione in lunghezza d’onda

9. Classificazione Tecniche • Commutazione sincrona (Optical Packet Switching - OPS) • payload di durata (in tempo) costante • lunghezza del payload (in bit) dipendente dal bit-rate • header di durata costante trasportato serialmente al payload con bit rate fissato • header elaborato elettronicamente • necessità di funzioni di allineamento di pacchetto • Commutazione asincrona (Optical Burst Switching - OPB) • payload di dimensione variabile • header trasportato su un canale separato • header elaborato elettronicamente

10. T = 1646 ns (128 byte a 622 Mbits) Tempo di Guardia Header Tempo di Guardia Payload Tempo di Guardia 64.5 ns 180 ns 26 ns 1311 ns 64.5 ns Optical Packet Switching • Formato del pacchetto (progetto KEOPS- ACTS)

11. Parte Ottica Switching Fabric Synch Regen. & Synch O/E Switch Control Unit Packet Delineation Header delineation Packet position Header recovery Header swapping Clock Optical Fiber Optical Fiber Parte Elettronica Nodo OPS

12. Optical Burst Switching • L’header del pacchetto (Burst Header Packet - BHP) è inviato su una lunghezza d’onda dedicata • È necessario un Offset Time tra il BHP ed il burst per compensare i tempi di elaborazione del BHP • Initial Offset Time > SBHP_node_delay Offset Time burst Nodo di ingresso time Tempo di elaborazione del BHP BHP burst Nodo di transito Nuovo Offset Time burst Nodo di transito burst Nodo d’uscita

13. Il BHP contiene • address • burst wavelength • offset • length • Processamento del BHP: • instradamento • riservazione delle risorse Burst Burst Cut Through Una lunghezza d’onda riservata per il trasporto dell’informazione di controllo (BHP) Struttura della rete OBS Edge Node Aggregazione Transit Node Edge Node Edge Node Transit Node • Edge node • formazione del burst (aggregazione e • delimitazione dei datagrammi entranti) • e diretti verso lo stesso Edge node d’uscita • inoltro del BHP e del burst Transit Node Disaggregazione • Transit node • trattamento del BHP • riservazione delle risorse • configurarazione della matrice • ottica Transit Node Edge Node

14. MANAGEMENT UNIT BHP ROUTER ICC 1 OCC 1 IM Scheduler OM BHP OCC N ICC N OM FDL opzionali per compensare la riduzione di offset Matrice di commuatzione ottica a controllo elettronico eventualmente equipaggiata di convertitori di lunghezza d’onda e di linee di ritardo interne (buffer ottico) Scheduler IM Possiede un calendario degli eventi che regola nel tempo lo stato optical cross connect Gestisce la riservazione delle risorse Separa le lunghezze d’onda di controllo da quelli dati Esegue l’instradamento (BHP Router) Tratta i messaggi di gestione della rete (Management Unit), per es. instaurazione mantenimento ed abbattimento di label switched path (MPLS) Multiplazione delle lunghezze d’onda di controllo e di quelle dati Control bus Output fiber 1 Input fiber 1 OPTICAL CROSS CONNECT ODC 1 FDL MUX DEMUX IDC 1 Input fiber N Output fiber N FDL ODC N DEMUX MUX IDC N OCC: output control channel IDC: input data channel ODC: output data channel FDL: fiber delay line IM: input module OM: output module ICC: input control channel Schema logico dei nodi OBS

15. 60 50 40 (Erl) 30 S 20 OBS 10 CS 0 50 100 150 200 250 300 T A (Erl) Prestazioni OBS • Instabilità ad alto carico • Necessita di un controllo di accesso • Gestione dell’offset time • Strategie di aggregazione dei pacchetti • Impatto sui protocolli di alto livello (es. TCP)

16. Architetture di nodi di commutazione • Nodi a pacchetto in tecnica WDM • Risoluzione delle contese nel dominio della lunghezza d’onda • Obiettivo: • minimizzare il numero di convertitori di lunghezza d’onda • Architetture possibili • Architetture con convertitori indivisi (SPC) • Architetture con convertitori condivisi per terminazione d’uscita (SPL) • Architetture con convertitori condivisi per nodo (SPN)

17. 1 D M U X M U X 1 M 1 1,... M Tuneable filter 1 1 N D M U X M U X 2 M Optical fiber 1 Tuneable filter Splitter 1 D M U X M U X M M Passive coupler Tuneable filter Tuneable wavelength converter (TOWC) M: number of wavelengths 1 Gate optical Amplifier (SOA) D M U X M U X 1 M Tuneable filter 1 D M U X M U X 2 Optical fiber M N 1,... M 1 Tuneable filter N N 1 D M U X M U X M M Tuneable filter Nodo con convertitori indivisi (SPC) N: number of input/output fibers

18. 1 D M U X M U X 1 M 1 1,... M Tuneable filter 1 1 N D M U X M U X M Optical fiber 1 Tuneable filter Splitter 1 D M U X M U X M Passive coupler Tuneable filter N: number of input/output fibers Tuneable wavelength converter (TOWC) M: number of wavelengths 1 Gate optical Amplifier (SOA) D M U X M U X 1 M Tuneable filter 1 D M U X M U X Optical fiber M N 1,... M 1 Tuneable filter N N 1 D M U X M U X M Tuneable filter Nodo con convertitori condivisi per terminazione d’uscita (SPL)

19. 1 D M U X M U X M Tuneable filter 1 1,... M 1 D M U X M U X M 1 1 Optical fiber N Tuneable filter 1 D M U X M U X M Splitter Tuneable filter 1 Passive coupler D M U X M U X 1 M Tuneable filter Tuneable wavelength converter (TOWC) 1 D M U X r M U X M Gate optical Amplifier (SOA) Tuneable filter 1 D M U X M U X M Tuneable filter 1,... M 1 N D M U X M U X N M Optical fiber Tuneable filter 1 D M U X M U X M Tuneable filter Nodo con convertitori condivisi per nodo (SPN)

20. Numero di convertitori Architettura con convertitori condivisi per terminazione d’uscita (SPL) Architettura con convertitori condivisi per nodo (SPN)

21. Argomenti allo studio • Architetture di nodo per traffico multicast • dimensionamento del numero di convertitori • confronto tra architetture • Uso di convertitori con range di conversione limitato • costo inferiore • criteri di dimensionamento • algoritmi di controllo • Strategie di aggregazione di pacchetti per la formazione del pacchetto ottico • Impatto sui protocolli di strato superiore • eventuali strategie di controllo nel dominio ottico