SEMINARIO WIND 2 GIORNI

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Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio
Neri Politecnico di Torino neri_at_polito.it www.tlc-
networks.polito.it 011 564 4076
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Indice (I)

• Che cosa sono le reti ottiche?
• Perché le reti ottiche?
• Tipologie di reti ottiche
• reti di trasporto
• reti metropolitane
• reti daccesso
• Commutazione di pacchetto o di circuito?
• Cenni a reti ottiche di prima generazione

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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 daccesso
• 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

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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 interfacciamento
• dispersioni
• effetti non lineari

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Attenuazione delle fibre
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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
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Fibre ottiche

• Negli anni 60 le fibre ottiche si aggiunsero ai
  tradizionali mezzi trasmissivi su cavo metallico
  e via radio.
• Nel 1996 negli USA erano installati più di 500000
  km di cavi in fibra, per un totale di oltre 20
  milioni di km di fibra ottica (fonte Federal
  Communications Commission - FCC).
• Nelle aree metropolitane esistono migliaia di
  fibre posate.

8
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.

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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 totalmente o in parte 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.

10
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
• 3a generazione instradamento e commutazione di
  pacchetti ottici?

11
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!
12
Perché le reti ottiche?

• richiesta e disponibilità di banda raddoppiano
  ogni 6 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.
13
La banda non è più un limite
14
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 previsto negli USA per il
2001/2002 è di 35 Tb/s.
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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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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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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, sovente
  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).

20
Evoluzione delle trasmissioni
1960 1970 1980 1990
21
Evoluzione delle trasmissioni

• nuvola di vetro

2000 ?
22
Fattori limitanti nelle reti ottiche

• dispersione modale ? fibre monomodo
• dispersione cromatica ? fibre compensate e/o
• riduzione dellampiezza
• di banda delle sorgenti
• effetti non lineari
• accumulo del rumore di emissione spontanea (ASE)
• distorsione degli amplificatori
• effetti legati alla polarizzazione

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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
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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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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 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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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