Reti Fotoniche (Optical Networks) - PowerPoint PPT Presentation

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Reti Fotoniche (Optical Networks)

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Title: Teach-Ottica-intro Author: FN Last modified by: mellia Created Date: 5/24/1999 11:10:48 PM Document presentation format: Presentazione su schermo – PowerPoint PPT presentation

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Title: Reti Fotoniche (Optical Networks)


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Reti Fotoniche(Optical Networks)
  • Fabio Neri Marco Mellia
  • Gruppo Reti
  • e-mail nome.cognome_at_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 daccesso e commutazione ottica di
    pacchetti
  • Architetture di protocolli per reti ottiche
  • Cenni a gestione e affidabilità

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Testi di riferimento
  • Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan
  • Optical networks a practical perspective
  • Morgan Kaufmann, San Francisco, 1998
  • Biswanath Mukherjee
  • Optical communication networks
  • McGraw- Hill, New York 1997
  • Thomas E. Stern, Krishna Bala
  • Multiwavelength Optical Networks - A Layered
    Approach
  • Addison Wesley, Reading, 1999
  • Leonid Kazovsky, Sergio Benedetto, Alan Willner
  • Optical fiber communication systems
  • Archeh House, Boston, 1996

4
Fibre ottiche
  • Caratteristiche principali
  • banda (alcune decine di THz)
  • immunità ai disturbi
  • leggerezza e flessibilità
  • meno pericolosa dei mezzi metallici
  • meno costosa dei mezzi metallici
  • sicurezza e protezione da intrusioni
  • difficoltà di connettorizzazione e
    interfacciamento
  • dispersioni
  • effetti non lineari

5
Attenuazione delle fibre
10
Optical fiber
Infrared absorption
Attenuation (dB/km)
1.0
Rayleigh scattering
0.1
UV absorption
0.01
800
1000
1200
1400
1600
1800
Wavelength (nm)
Prima finestra 850 nm a1.2 dB/Km
Seconda finestra 1300 nm a0.4 dB/Km
Terza finestra 1550 nm a0.2 dB/Km
6
Fibre ottiche
  • Una singola fibra può trasportare tutto il
    traffico telefonico degli Stati Uniti in ora di
    punta.
  • Il traffico trasportato dalle fibre attualmente
    installate è inferiore di diversi ordini di
    grandezza rispetto alla capacità disponibile.
  • Oggi abbiamo disponibilità di banda in ambito
    privato (es. Ethernet) e sulle dorsali (es.
    SONET/ SDH), ma non nellaccesso e nei
    collegamenti metropolitani.

7
Reti ottiche
  • Le fibre ottiche sono il mezzo trasmissivo più
    utilizzato per distanze superiori a qualche
    chilometro e velocità di trasmissione superiori
    alle centinaia di Mbit/s.
  • Le reti ottiche non utilizzano il dominio
    fotonico solo per migliorare le caratteristiche
    del mezzo trasmissivo, ma realizzano in ottica
    anche in parte o totalmente le funzioni di
    commutazione, e talvolta anche alcune
    funzionalità di controllo.
  • Così facendo esse cercano di evitare il collo di
    bottiglia elettronico, cioè la diminuizione di
    prestazioni che inevitabilmente si incontra
    riconvertendo linformazione dal dominio fotonico
    al dominio elettronico.

8
Reti ottiche
  • 1a generazione le fibre sostituiscono il rame
    come mezzi trasmissivi (SONET/SDH, FDDI,
    GbEthernet)
  • 2a generazione instradamento e commutazione
    realizzati nel dominio ottico reti a
    commutazione di circuito
  • 3a generazione instradamento e commutazione di
    pacchetti ottici?

9
Il fascino del prisma
?g(1)
?bianco
?v(1)
?g(2)
?verde
?v(2)
?g(1)
?rosso
?v(2)
?v(1)
?g(2)
?giallo
E un commutatore interamente ottico molto
economico operante su una banda enorme!
10
Perché le reti ottiche?
  • richiesta e disponibilità di banda raddoppiano
    ogni 9 mesi
  • la potenza di calcolo raddoppia ogni 18 mesi
    (legge di Moore)

?
I limiti di costi e prestazioni tendono ad essere
sempre più nella commutazione e sempre meno nella
banda trasmissiva.
11
La banda non è più un limite
12
Perché le reti ottiche?
traffico dati pari a 23 volte il traffico voce
traffico dati pari a 5 volte il traffico voce
Il traffico Internet stimato negli USA per il
2001/2002 è di 35 Tb/s.
13
Limiti delle reti ottiche
  • I problemi principali delle reti ottiche
    derivano
  • dallassenza nel dominio fotonico di un
    equivalente delle memorie elettroniche, su cui si
    basano pesantemente le realizzazioni di funzioni
    di rete nel dominio elettronico
  • dalla limitata capacità di elaborazione
    dellinformazione nel dominio fotonico
  • dal costo (in tutti i sensi) dellinterfacciamento
    verso il mondo fotonico
  • da limiti a livello trasmissivo nel caso di
    collegamenti ottici riconfigurabili (tecnologia
    giovane)

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Applicazioni in Internet
  • tra persona e persona limitata capacità di
    memorizzazione (occhio, orecchio) limitata
    tolleranza ai ritardi e alle loro variazioni
    (jitter) es. telefonia, giochi,
    videoconferenza
  • tra persona e calcolatore possono essere
    veicolate in una rete di tipo best-effort, ma
    serve capacità di memorizzazione agli estremi
    della comunicazione per compensare le variazioni
    di ritardo causate dalla rete es. accesso web,
    riproduzione di voce e video
  • tra calcolatore e calcolatore possono essere
    veicolate in una rete IP di tipo best-effort
    es. e-mail, elaborazione batch, caching web
    distribuito

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Traffico in Internet
  • autosimilarità ? anche il traffico aggregato è
    molto intermittente
  • asimmetria il traffico downlink è molto
    maggiore del traffico uplink ? molta banda
    viene sprecata, visto che le reti sono progettate
    principalmente per traffico simmetrico (voce)
  • staticità degli instradamenti

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Tecniche di multiplazione
  • TDM divisione di tempo fino a 40 Gbit/s
  • OTDM divisione di tempo ottica
  • multiplazione ottica di flussi TDM
  • p.es. 16 10 Gbit/s 160 Gbit/s
  • WDM divisione di lunghezza donda
  • 128 2.5 Gbit/s
  • 32 10 Gbit/s
  • SDM divisione di spazio (più fibre nello stesso
  • cavo, o cammini diversi nella stessa rete)
  • CDM/OCDM divisione di codice

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Tecniche di multiplazione
  • Le tecniche WDM sono più naturali nel dominio
    fotonico.
  • La divisione della banda disponibile in canali è
    comunque necessaria in quanto il canale ottico,
    anche se attraversa solo punti di commutazione
    operanti nel dominio fotonico, è attestato nel
    dominio elettronico.
  • Nel caso di puro WDM, è possibile offrire agli
    utenti canali trasparenti end-to-end, chiamati
    lightpath. Se le distanze coperte sono grandi,
    può essere necessario Rigenerare i segnali,
    operazione cui è sovente associata una
    Risincronizzazione e una Risagomatura (si parla
    di 3R) nel caso di segnali numerici.
  • Possiamo avere lightpath trasparenti (tutto
    ottici) o opachi (che ammettono 3R, 2R, o 1R, in
    ottica o in elettronica).

18
Evoluzione delle trasmissioni
rigeneratore
MMF
RX
da 50 a 100 Mb/s
LED
1960 1970 1980 1990
10 km
P
SMF
1.3 mm MM laser
RX
da 100 Mb/s
50 km
a 1 Gb/s
l
SMF
1.55 mm SM laser
RX
da 2.5 Gb/s
100 km
a 10 Gb/s
SM DFB laser l1
RX
EDFA
SMF
SM DFB laser l2
MUX
DeMUX
RX
100s km
SM DFB laser l3
RX
19
Evoluzione delle trasmissioni
  • nuvola di vetro

2000 ?
20
Tipologie di reti ottiche
  • Si possono identificare due categorie di reti
    ottiche
  • conversione di
  • lunghezza donda?
  • reti single-hop reti multi-hop
  • (es. reti broadcast-and-select) (es. reti
    wavelength routing)

?1
?2
?3
TX/RX
WDM crossconnect
?1 ?2 ?3
?1 ?2 ?3
lightpath
?2
?1
?1 ?2 ?3
TX/RX
TX/RX
?1
?2
21
Tipologie di reti ottiche
  • Reti ottiche di trasporto (wavelength routing
    optical-cross-connect e collegamenti WDM)
  • Reti metropolitane (reti broadcast-and-select,
    anelli e stelle WDM)
  • Reti daccesso (Passive Optical Networks - PON)

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Stato dellarte nelle reti ottiche di trasporto
  • Instradamento dei flussi di informazione a
    livello ottico (all-optical networks)
  • Riconfigurazione veloce della rete a livello
    ottico (reconfigurable optical networks)
  • Risoluzione a livello ottico di guasti (optical
    protection and restoration)

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Commutazione di circuito
  • La rete usa le risorse disponibili per allocare
    un circuito a ogni richiesta di servizio
  • Il circuito è di uso esclusivo dei due utenti per
    tutta la durata della comunicazione
  • Le risorse sono rilasciate solo al termine della
    comunicazione, su indicazione degli utenti
  • Vantaggi
  • ritardi di trasferimento costanti e limitati
  • Svantaggi
  • risorse dedicate a una comunicazione
  • tariffazione in base al tempo di esistenza del
    circuito

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Commutazione di circuito
  • Esempio rete telefonica
  • Un circuito costituisce un collegamento fisico
    tra i due terminali di utente

6. Riceve dati
5. Trasmette dati
4. Chiamata accettata
3. Accetta chiamata
1. Inizia chiamata
2. Chiamata in ingresso
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Commutazione di pacchetto
  • La commutazione di circuito prevede di allocare
    rigidamente delle risorse ad una comunicazione su
    base richiesta lefficienza può essere bassa
  • Idea
  • Spezzo linformazione in più segmenti
  • Trasmetto un segmento, impegnando le risorse,
    solo quando questo è pieno
  • Le risorse vengono allocate dinamicamente a
    diverse comunicazioni

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Commutazione di pacchetto
  • Non si allocano risorse per luso esclusivo di
    due o più utenti
  • Studiata espressamente per sorgenti intermittenti
  • Funzionamento analogo al sistema postale

P.T.
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Commutazione di pacchetto
  • Linformazione da trasferire è organizzata in
    unità dati (PDU) che comprendono informazione di
    utente (SDU) e di controllo (PCI)
  • Vantaggi
  • utilizzazione efficiente delle risorse anche in
    presenza di traffico intermittente
  • controllo di correttezza lungo il percorso
  • tariffazione in funzione del traffico trasmesso
  • possibilità di conversioni di velocità, formati,
    protocolli
  • Svantaggi
  • elaborazione di ogni pacchetto in ogni nodo
  • ritardo di trasferimento variabile

PDU
PCI SDU
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Commutazione di pacchetto
  • Nascono delle contese
  • Si risolvono tramite memorizzazione
  • Sistema postale
  • Se il furgone è pieno, il pacco rimane in ufficio
    (e parte con il prossimo furgone)

Commutatore
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Commutazione di pacchetto
  • In caso di congestione la rete scarta pacchetti
  • Occorre prevedere dei meccanismi di
    ritrasmissione per offrire servizi affidabili

30
Commutazione in Internet
  • longest-prefix-matching sullindirizzo IP di
    destinazione
  • risoluzione delle contese nel dominio tempo,
    basata su multiplazione statistica,
    memorizzazione e perdite
  • un pacchetto occupa (per intero) un solo canale
    per volta

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Circuiti o pacchetti?
  • Commutazione di circuito
  • allocazione totale e preventiva di risorse
  • commutazione posizionale
  • Commutazione di pacchetto
  • allocazione parziale di risorse
  • commutazione di etichetta

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Commutazione in reti ottiche
  • Le reti ottiche si prestano meglio alla
    commutazione (veloce) di circuito
  • non esiste un buon equivalente ottico delle
    memorie elettroniche
  • operazioni nel dominio tempo sono di difficile
    realizzazione
  • i commutatori ottici utilizzabili sono lenti
  • cè ampia disponibilità di banda
  • grazie al WDM la topologia è ricca e flessibile

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Il domani delle reti ottiche?
  • Reti ottiche a commutazione di pacchetto
  • tendono ad emulare il funzionamento delle reti IP
    ed Ethernet
  • sono ancora in uno stadio molto preliminare
  • molti progressi negli ultimi anni
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