Reti Fotoniche (Optical Networks)

1. Reti Fotoniche(Optical Networks) Gruppo Reti e-mail: nome.cognome@polito.it http://www.tlc-networks.polito.it/ Sito del corso http://www.tlc-networks.polito.it/mellia/corsi/ Politecnico di Torino- Dipartimento di Elettronica

2. Argomenti del corso • Che cosa sono le reti ottiche? • Perché le reti ottiche? • Tipologie di reti ottiche • Reti 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 pacchetti • Architetture di protocolli per reti ottiche • Cenni a gestione e affidabilità

3. NIU nodo remoto NIU ... hub NIU ... nodo remoto NIU = Network Interface Unit Reti 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.

4. Reti 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

5. tap remote node headend amplifier fiber coax Reti di accesso HFC • Le reti CATV si chiamano anche Hybrid Fiber Coax (HFC). • Sono pensate per funzionamento unidirezionale.

6. Fiber To The X (FTTx) Operation System FTTx Q3 Service Node Passive Optical Splitter Internet FTTH ONT Optical Fiber Leased Line FTTB ONT Frame/Cell Relay OLT ONU NT FTTC Telephone Twisted Pair ONU Interactive Video FTTCab NT SNI (VB5) ATM-PON xDSL FTTH :Fiber To The Home FTTB :Fiber To The Building FTTC:Fiber To The Curb FTTCab :Fiber To The Cabinet

7. ONU: Optical Network Unit l1l2l3 ...lN ... WDM laser ... splitter/ combiner ... receiver ... central office remote node ONU ONU ONU l1 li lN l1l2l3 ...lN receiver receiver receiver laser laser laser Reti di accesso ottiche

8. Reti 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

9. ONU ONU ONU l1 l1 l1 receiver receiver receiver 1.3m LED 1.3m LED 1.3m LED Architetture di PON: LARNET ONU: Optical Network Unit l1 ... li 1.5 m laser ... AWG ... 1.3 m receiver ... central office remote node lN Segnali di ritorno a larga banda “affettati” (sliced) dall’AWG.

10. ONU: Optical Network Unit l1 receiver ONU modulator ... WDM laser ... li receiver AWG ... WDM receiver ONU ... modulator central office remote node lN receiver ONU modulator Architetture di PON: RITENET Modulazione di portante per la tratta upstream.

11. Broadband Passive 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/

12. Passive 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

13. Commutazione ottica di pacchetto • 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?

14. Commutazione ottica di pacchetto • 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).

15. CHP controllo trasporto burst 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 D di offset, tipicamente inferiore ad un ritardo di propagazione, da una richiesta di allocazione (Control Header Packet - CHP) inviata nel piano di controllo.

16. 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 D maggiori alle classi di servizio più pregiate, in modo che vengano schedulate nei nodi prima di altre classi di servizio.

17. Commutazione ottica di pacchetto • 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).

18. Sincronizzazione • La sincronizzazione è il processo di riallineamento nel tempo di due segnali (impulsi). Occorre quindi poter realizzare ritardi, fissi o variabili. ritardo T/2 ritardo T/4 ritardo T/2k-1 c2 Ck-1 ck c1 ... switch 22 switch 22 switch 22 switch 22 flusso di ingresso flusso ritardato ... stadio 1 stadio 2 stadio k-1 • Sono state proposte realizzazioni ottiche di funzionalità di Phase Lock Loop (PLL) per riallineare la fase dei segnali.

19. Commutatori ottici input buffers output buffers switch header processor header processor control input Problemi: sincronizzazione in ingresso, elaborazione delle intestazioni, risoluzione delle contese, memorizzazione dei pacchetti …

20. Sincronizzazione 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.

21. Elaborazione 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

22. Risoluzione 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).

23. ... 3R 3R ingresso 0 synch uscita 0 3R 1 1 3R 2 2 3R ingresso 1 synch uscita 1 m m 3R 1 1 n-1 n-1 n n 3R 3R ingresso N synch uscita N unità di controllo (elettronica) 3R Una possibile architettura