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Seminar: neue Übertragungstechniken und Protokolle im Internet . WDM – all optical networks. Von Christian Lageman. Glasfaser. l 2. l 1. l 3. Grundlagen. WDM – Wavelength Division Multiplexing Frequenzmultiplex auf Glasfaserkabel.

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Presentation Transcript
grundlagen

Glasfaser

l2

l1

l3

Grundlagen
  • WDM – Wavelength Division Multiplexing
  • Frequenzmultiplex auf Glasfaserkabel
  • statt einer Wellenlänge werden mehrere zur Übertragung verwendet (~ mehrere „Farben“)
grundlagen 2
Grundlagen 2
  • Meist 200nm Bereich um 1300nm und 1550nm nutzbar (von Faser abhängig)
  • Gesamtkapazität von Glasfaser liegt im 50 Terabit Bereich
  • Mindestabstand zwischen Wellenlängen, abhängig von eingesetzten Komponenten und physikalischen Effekten
  • Einzelne Kanäle (=Wellenlängen) meist im Bereich 2,5 Gbps bis 10 Gbps
grundlagen 3
Grundlagen 3
  • Heute mehrere Hundert Wellenlängen möglich (laut Lucent)
  • DWDM = dense WDM, viele, dicht liegende Wellenlängen (Abstand < 1nm )
  • Standards zum Teil noch in Arbeit (ITU-T u.s.w.)
  • Funktionale Anforderung an rein optisches Netz schon standardisiert, ITU-T: G.872
direkte vorteile

l2

STM-16

STM-16

l1

STM-16

l3

Direkte Vorteile
  • Einzelne Kanäle niedrigere Bandbreite als gesamte Faser ® billigere Komponenten
  • Ausnutzung der Gesamtbandbreite technisch einfacher
  • Einfache Kapazitätserhöhung bestehender Strecken
elemente eines wdm systems
Elemente eines WDM Systems
  • Sender
    • Laser fester oder einstellbarer Wellenlänge
  • Empfänger
    • feste oder einstellbare Wellenlänge
  • Verstärker
    • verstärken ganzen Wellenlängenbereich, Bandbreite von Typ abhängig
    • Nur Signalenergie wird erhöht, keine Regeneration
  • Wellenlängenmultiplexer / -demultiplexer
    • Multiplexer fassen Signale verschiedener Wellenlängen zu einen Signal zusammen
    • Demultiplexer trennt Signal nach Signalen verschiedener Wellenlängen auf
elemente 2
Elemente 2
  • Wellenlängenkonverter
    • Ändert die Wellenlänge eines Signals
  • Filter
    • Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen
    • Auch einstellbare Filter möglich
  • Verzögerungsleitungen
    • Verzögern Signal
    • wirken wie optischer Puffer
  • 2x2 Schaltelemente
    • Schalten Signale (alle Wellenlängen !) gerade oder quer durch
wellenl ngen switch

Wellenlängen-Demux

Wellenlängen-Mux

Switch l1

Faser 1

Faser 1

l-Konv.

Switch

Switch ln

Faser M

Faser K

Wellenlängen Switch
  • Schaltet Wellenlängen von Eingangsfasern auf (andere) Wellenlängen von Ausgangsfasern durch
  • Primitiv: passiver Stern (passive star)
  • Nicht konfigurierbare, implementiert durch WGR (waveguide grating router)
  • Konfigurierbare: OXC (optical crossconnect), WRS (wavelength routing switch)
add drop multiplexer

2x2 Crossconnects

Eingang

Ausgang

l Demux

l Mux

Add

Drop

Add-/Drop Multiplexer
  • OADM (optical add/drop multiplexer), WADM (wavelength add/drop multiplexer)
  • Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen von Faser und ersetzt sie durch andere Signale
paket switching
Paket Switching
  • Zur Zeit nur rein herkömmlich elektronisch
  • Ziel: rein optisches Paket Switching
  • Zwischenschritt: Kombination von elektronischer Steuerung und rein optischen Datenpfad
  • Mit heutigen Techniken langsam ® unnötiges Paket Switching vermeiden
optisches routing lichtpfade
Optisches Routing: Lichtpfade
  • Wie stellt man in einen WDM Netz Verbindungen her ?
  • Gedanke: Lichtpfade
  • Reserviere entlang eines Pfads in Netz von Quelle zu Ziel eine Folge von Wellenlängen, auf jeder Punkt zu Punkt Verbindung genau eine
  • Routet man Signale von Quelle zum Ziel über diese Wellenlängen, so erhält man eine Punkt zu Punkt Verbindung von der Quelle zum Ziel
  • Dies entspricht einer Durchschaltevermittlung !
lichtpfade 2
Lichtpfade 2
  • Da Wellenlängen reserviert, keine Benutzung durch andere Verbindungen
  • Damit kein Paket Switching innerhalb dieses Pfades nötig !
  • Routing über direktes Durchschalten der Wellenlängen auf andere Fasern/Wellenlängen mittels OXCs
  • Empfangen/Einspeisen der Signale über OADMs
beispiel
Beispiel

3 Wellenlängen

Gelbe Knoten

Sollen mit allen anderen verbunden werden

lichtpfade 3

Ausgehende

Lichtpfade

Eingehende Lichtpfade

Verarbeitung im Knoten

Lichtpfade 3
  • Manchmal keine Wellenlängenumwandelung (wavelength continuity constraint)
  • Lichtpfade legen über die physikalische Topologie des Netzes eine virtuelle Topologie
  • Nicht alle Knoten müssen direkt per Lichtpfade verbunden sein, dann teilweise Paket Switching / TDM in Knoten
konstruktion von lichtpfaden
Konstruktion von Lichtpfaden
  • Ziel: Konstruktion einer virtuellen Topologie (= Lichtpfade) und Zuweisung von Wellenlängen an die Lichtpfade im physikalischen Netz
  • Vollständige Vermaschung als virtuelle Topologie meist nicht nötig/möglich
  • Paket Switching also nötig, möglichst selten ® Hopzahl der Pakete gering halten
  • Wellenlängen pro physikalische Verbindung beschränkt
  • Verkehrsmatrix (= Matrix der Verkehrsrate von Knoten zu Knoten) gegeben
konstruktion 2
Konstruktion 2
  • Konstruktion als Optimierungsproblem:
    • Gegeben: Verkehrsmatrix, physikalische Verbindungen,Verzögerung pro Verbindung, Wellenlängen pro Verbindung
    • Kostenfunktion: Verzögerung des Verkehrs
    • Ziel: virtuelle Topologie mit minimalen Kosten aufstellen
  • Problem NP-hart !
konstruktion 3
Konstruktion 3
  • Zielfunktion nicht linear, kann aber durch Einschränkungen linear gemacht werden (nur Hopzahl minimieren)
  • Heuristiken für Optimierungsprobleme benutzbar (Simulated Annealing etc.)
  • Ansatz: Zerlegung in
    • Bestimmung geeigneter virtuellen Topologie
    • Optimales Routing der Lichtpfade und Wellenlängenzuweisung
pro contra
Pro- & Contra
  • Vorteile:
    • Direkte Verbindungen zwischen Knoten ohne Paket Switching ® schnell
    • Flexibilität durch virtuelle Topologie
  • Nachteile:
    • Optimale Lichtpfade schwierig zu berechnen, Probleme bei schneller Reaktion auf veränderte Verkehrsparameter
    • Bei hoch varianten Verkehr keine optimale Ausnutzung der Bandbreite ® Verschwendung und Überlastprobleme, vor allem bei paketorientierten Protokollen
    • Gegenmaßnahme: Paket Switching, macht Vorteile kaputt
mpls f r xxx over wdm
MPLS für „XXX over WDM“
  • Hier: Multiprotocol Lambda Switching
  • Protokoll XXX (=ATM, IP etc.) läuft über WDM mittels MPLS
  • Grundgedanke wie normales MPLS (multiprotocol label switching)
  • Wellenlängen als Label
  • Somit:
    • Kein direktes Stapeln von Labels
    • Laut Literatur kein Label Zusammenfassen
  • Lichtpfad entspricht Label Switched Path
mpls 2
MPLS 2
  • OXC entspricht label switching router
  • Labelstapel lassen sich durch Benutzung von Paket Switches implementieren:
    • Stapel wird Paket hinzugefügt
    • Wellenlänge oberstes Label
  • Traffic engineering wie bei normalen MPLS durch OXC mit geeigneter Steuerung
pro contra22
Pro & Contra
  • Vorteile:
    • Approximation des Optimierungsproblems bzw. Verschieben des Problems auf MPLS Ebene
    • Bessere Reaktion auf Lastveränderung (MPLS abhängig)
    • Allgemein Vorteile des Lichtpfadansatzes
  • Nachteile:
    • Bandbreitenverschwendung (Überlastprobleme) bei Konzentration auf Wellenlängenrouting
    • U.U. variable Paketlängen, macht optisches Paket Switching schwierig
optische wrapper
Optische Wrapper
  • Ziel: Übertragung auf WDM Ebene soll möglichst flexibel sein
  • Idee: Nimm Datenstrom beliebigen Protokolls (Netzwerkebene und tiefer) und lege einen Mantel (Wrapper) um sie, der Steuerinformationen für WDM Schicht enthält
  • Technologie von Lucent
  • Standardisierung im T1 Forum/ITU läuft noch
wrapper 2
Wrapper 2
  • Containergrösse: 4080 Bytes
  • Kanaloverhead: 16 Byte, Leitungsinformationen etc., kann über mehrere Rahmen hinweggehen
  • FEC = forward error correction, Fehlerkorrektur, 256 Byte

Nutzdaten

Kanal-

overhead

FEC

wrapper 3
Wrapper 3
  • Trick: Die Nutzdatenbytes dienen nur als Platzhalter
  • An ihrer Stelle kann beliebiges digitales Signal konstanter Bitrate stehen
  • Bitrate natürlich begrenzt
  • Einfacher Transport verschiedener Protokolle über WDM Netz
  • Auch Einspeisung ins Netz einfach !
wrapperaufbau

FEC 1

Kanaloverhead

FEC

Teilrahmen 1

Nutzdatenbereich

Teilrahmen 16

Wrapperaufbau

Übertragungsrichtung

wrapper mpls
Wrapper & MPLS
  • Die Wrapper Technologie ist mit MPLS verträglich (lambda switching)
  • Aber keine Label Stapel in Paketen mehr ! (auf WDM – Ebene)
  • Im T1 Forum gab es schon Vorschläge zu ASONs (automatically switched optical networks)
pro contra28
Pro & Contra
  • Vorteile:
    • Extrem flexibel
    • Kann Vorteile von MPLS/Lichtpfaden erben
    • Gut geeignet für optisches Paket Switching
  • Nachteile:
    • Mehr Overhead
slide29
DTP
  • Dynamic Paket Transport, SRP (Spatial Reuse Protokoll) Zugriffsprotokoll
  • Von Cisco
  • Nur Ringstrukturen, mehrere Ringe werden durch einzelne Router verbunden
  • Nur für IP Verkehr, Paket Switching, rein elektronisch
  • Für IP aufgebohrter SDH Nachfolger
entwicklung der optischen bertragung

IP

WDM nur als virtuelle Kabel !

MPLS

ATM

ATM

WDM

optisch

IP

IP

IP

IP

SDH

SDH

Wrapper

optisch

optisch

WDM

Entwicklung der optischen Übertragung
informationen
Informationen
  • Literatur
    • Optical Communication Networks, Biswanath Mukherjee, McGraw-Hill
  • Internet
    • www.t1.org : Optical Wrapper Vorschläge
    • www.ietf.org : Multiprotocol Lambda Switching (nach „optical“ suchen, Draft von Awduche)
    • http://www.lucent.com/ideas/perspectives/bltj/ : Bell Labs Technical Journal
    • http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/ : Raj Jain Homepage
    • http://www.cisco.com/warp/public/cc/cisco/mkt/servprod/opt/dpt/index.shtml : Cisco‘s DTP