Reti Fotoniche(Optical Networks)

Gruppo Reti

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Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica

Sito del corso

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Argomenti del corsoArgomenti del corso

Che cosa sono le reti ottiche?Perché le reti ottiche?Tipologie di reti otticheReti 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 pacchettiArchitetture di protocolli per reti otticheCenni a gestione e affidabilità

Network General Guide to Network General Guide to Communication ProtocolsCommunication Protocols

Total Network Visibility™Courtesy Network General Corporation

OSI Layers

Application 7

Presentation 6

Session 5

Transport 4

Network 3

Logical Link 2

Physical 1

Ridurre la complessitàRidurre la complessità

Ethernet

Token Bus

Token Ring

FDDIDQDB ATM

ISDN

Frame Relay

Modems

PPPSMDSSONET

Layer 2Logical Link

Ridurre la complessitàRidurre la complessità

DLSw

IP

IPX

COFPDRP

IDP

DDP

Layer 3Network

VIP

CLNP

VIP

Convergenza == SemplicitàConvergenza == Semplicità

Resolving Network Complexityfrom the Bottom Up

Application 7Presentation 6

Session 5

Transport 4

Network 3

Logical Link 2

Physical 1

StandardizzazioneStandardizzazione

ITU-T (International Telecommunications Union - ITU - Telecommunications Standardization Sector) e ANSI

G.872 “Architecture of optical transport networks” G.ASON, “Architecture for the Automatic Switched Optical

Network”, in fase di sviluppo G.893 “Broadband Passive Optical Network”

IETF (Internet Engineering Task Force) MPLS, MPS, G-MPLS, IPO (IP over Optical)

OIF (Optical Internetworking Forum) OIF UNI (User-Network Interface) 1.0 Host Interoperability Demo (@Supercomm 2001)

ODSI (Optical Domain Service Interconnect)

ITU-T G.681 e G.872 OTN ITU-T G.681 e G.872 OTN (Optical Transport Network)(Optical Transport Network)

Livello del canale ottico (optical channel - OC), comprendente i sottolivelli di canale (lightpath), sezione di multiplazione (mux/demux su un link) e sezione di amplificazione.

WDMnode

amplifiersection

multiplexsection

channel

amplifiersection

amplifiersection

multiplexsection

WDMnode

amplifiersection

multiplexsection

WDMnode

amplificatore

channelconnessione

Architetture di protocolliArchitetture di protocolli

Visto l’enorme successo di Internet, i protocolli dominanti negli strati alti delle architetture di rete sono applicativi Internet (WWW, e-mail, file transfer, ecc.) di tipo client-server, TCP o UDP a livello trasporto, per controllare e multiplare end-to-end i flussi di informazione, e IP come protocollo di rete.

Tra router IP Internet prevede sottoreti (LIS) a pacchetto, che possono essere realizzate con tecnologie diverse. All’interno di una sottorete possiamo avere funzionalità di commutazione (p. es. switch Ethernet, commutatori ATM, commutatori Frame Relay, ecc.).

Pile di pilePile di pile

Oggi spesso si usano molti protocolli in modo stratificato Per esempio, in una rete di backbone, IP è trasportato da ATM,

che è a sua volta trasportato da SONET

Ogni tecnologia ha una sua pila protocollare, che può essere mappata su un livello dello standard OSI

Concetto importante: la stratificazione OSI viene applicata ricursivamente

Network

Data Link

Physical

Network

Data Link

SO

NE

TAT

M

IP

NetworkData Link

Pile di pilePile di pile

Ogni livello di ogni protocollo offre un servizio a un livello superiore, secondo le specifiche del livello stesso.

Le interfacce e procedure tra i vari livelli devono essere definite in dettaglio Alle interfacce tra due livelli di un protocollo l’informazione è

modificata Passando da una pila ad un altra, l’informazione può essere

completamente modificata e riorganizzata: Packet encapsulation Packet fragmentation

Garatire l’interoperabilità tra prodotti di diversi produttori è molto importante e complesso

Architetture di protocolliArchitetture di protocolli

TCPIP

subnet

Internetapplicat.

Internet Protocol

Suite

physicaldata linknetworktransportsessionpresent.applicat.7

654321

OSIBasic

ReferenceModel

TCPIP

WDM

Internetapplicat.

data link

IPover

WDM

TCPIP

ATMSDHWDM

Internetapplicat.

IP/ATM/SDH/WDM

Duplicazione di funzionalitàDuplicazione di funzionalità

IP, ATM, Frame Relay, SONET/SDH, WDM possono essere considerate tecnologie di commutazione che coesistono nelle reti attuali, pur introducendo significative sovrapposizioni di funzionalità, in quanto ciascuna tecnologia offre alcune caratteristiche specifiche:• IP: compatibilià con il mondo Internet - efficiente utilizzo delle risorse• ATM (o Frame Relay): ingegnerizzazione della rete - controllo del traffico - qualità del servizio• SONET/SDH: framing e sincronizzazione - gestione della rete - protezione da guasti - ampia disponibilità dispositivi• WDM: larga banda - insensibilità al bit-rate• switched Ethernet: alta velocità a basso costo in ambito locale

SONET & WDMSONET & WDM

È possibile combinare SONET con WDM semplicemente considerando ogni come un canale fisico diverso

Ovvero, una fibra con N lunghezze d’onda è del tutto equivalente a N canali paralleli composti da N fibre

PTE PTEREG REGADM REG REGADMPTE PTEREG REGADM REG REGADM

PTE PTEREG REGADM REG REGADMPTE PTEREG REGADM REG REGADM

PTE PTEN lung. d’onda N lung. d’onda N lung. d’onda

Topologia fisica

Topologia logica: N canali lineari ADM SONET in parallello12

N

SONET & WDMSONET & WDM

Un Add-Drop che riceve 40-80 canali a 10Gbit/s deve manipolare nel dominio elettronico un throughput dell’ordine del Terabit/s

Scenario ancora più complesso per un digital cross-connect

Il costo degli apparati SONET risulta Troppo costoso Problematico per dissipazione di potenza Di dimensioni non trascurabili

Ma in un ADM o DCS, la maggior parte del traffico è in transito e non deve essere necessariamente decodificato

La seconda generazione di reti ottiche tenta di limitare costi mantenendo l’informazione nel domino ottico

Classical IP over ATMClassical IP over ATM

Approccio classico definito dall’ IETF, RFC 1577: usare ATM per trasporto dati

È possibile mappare altri protocolli per trasporto in ATM oltre IP LAN emulation: permette il trasporto LAN (LAN traffic over WAN)

ATM viene poi trasportato da SONET

SONET

ATM

IP Token Ring Ethernet

Protocol Interfaces

IP over ATM over SONETIP over ATM over SONET

OADM switchATM

routerIP

ATM introduce notevoli overhead (> 20%)e impone un paradigma a circuiti virtuali che mal si combina con IP

IP over SONETIP over SONET

Altri approcci più semplici vedono l’uso di SONET da parte di IP usando un protocollo Point-to-Point (PPP), standard IETF - RFC 1661

PPP permette di trasportare IP su altri protocolli di livello trasporto

Funzioni: Incapsulamento e multiplexing da diversi strati di livello rete su uno stesso

canale Instaurazione, configurazione e controllo del livello collegamento

sottostante

IP Packet

Point-to-Point Protocol (PPP) Packet

SONET SPE

IP+SONET vs IP+ATM+SONETIP+SONET vs IP+ATM+SONET

Efficienza di incapsulamento Ipotesi

Pacchetti IP di 576 byte Velocità SONET di 155 Mbit/s

La banda netta è 125.918 Mbit/s per IP+ATM+SONET (efficienza 80%) 147.150 Mbit/s per IP+SONET (efficienza 95%)

Considerazione di Qualità di servizio ATM garantisce una flessibilità che PPP direttamente non

può permettere Indirizzamento, instradamento, controllo di flusso,

reazione ai guasti sono implementati da ATM, non da PPPConsiderazioni di costo

IP su SONET costa meno di IP su ATM su SONET

Modelli Peer e OverlayModelli Peer e Overlay

Modello “overlay”:• router IP e OXC appartengono a due domini amministrativi

diversi; si definiscono delle UNI (User-Network Interface)• la topologia della OTN non è nota all’esterno• i protocolli di segnalazione e instradamento sono diversi• i router IP possono richiedere la creazione di connessioni ottiche

Modello “peer-to-peer”:• stesso dominio amministrativo; router IP e OXC direttamente

connessi• piena conoscenza della topologia• stessi protocolli di segnalazione e instradamento• i router IP possono richiedere connessioni ottiche con altri router

Modello “augmented”:• simile a overlay, ma con lo scambio sulle UNI di informazioni di

routing

Modelli Peer-to-peer e OverlayModelli Peer-to-peer e Overlay

overlay model

peer-to-peer model

UNI

UNI

UNI

UNI

UNIOXC

OXCOXC

(IP)OXC

(IP)OXC

(IP)OXC

IP

IP

IP

IP

IPIP

IP

IP

SonetSonet

Architetture di protocolliArchitetture di protocolli

Anche se alcune delle funzionalità viste possono essere inglobate in IP e lo strato ottico WDM è necessario per affrontare l’aumento di banda, serve comunque un livello 2 (data link) tra IP e WDM per delimitare le unità dati, garantire la sincronizzazione e fornire un controllo degli errori. Possibilità:

• Gbit Ethernet• SONET/SDH e light-SONET• Optical Channel Digital Wrapper, attualmente draft per

lo standard ITU-T G.709• PPP over Simple Data Link (SDL), adattamento del

Point-to-Point Protocol (PPP) a sistemi WDM• IEEE 802.17 Resilient Packet Ring• …

Protocolli di livello collegamentoProtocolli di livello collegamento

• Gbit Ethernet: compatibile con le reti locali; codifica 8B/10B poco efficiente; bassi costi; supporto alla gestione assente; 10 GbE?

• PPP+HDLC: incapsulamento multiprotocollo; Link Control Protocol per gestire il collegamento; Network Control Protocol per gestire diversi livelli rete; controllo d’errore; delimitazione con flag e stuffing

• SONET/SDH: controllo del jitter; gestione allarmi; protezione guasti; costi (ancora) elevati; dispositivi consolidati

Digital Wrapper: ITU-T G.709Digital Wrapper: ITU-T G.709

Funzionalità:• delimitazione delle unità dati• controllo delle prestazioni dello strato ottico• Forward Error Correction• protezione dell’anello e ripristino lunghezza d’onda

per lunghezza d’onda

OCh OAM OCh payload FEC

SDH

IP

FDDI Eth. SDL ATM PDH

Qualità del servizioQualità del servizio

Protocolli:• Integrated Services (IS) con Resource Reservation Protocol (RSVP)• Differentiated Services (DiffServ)• Constraint-Based Routing• Multi-Protocol Label/Lambda Switching (MPLS / MPS)

Parametri:• banda (throughput)• probabilità di perdita• ritardio medio• variabilità del ritardo (jitter)• ritardo massimo

MPLS / MPMPLS / MPSSDeriva dalle esperienze ATM e di IP su ATM, introducendo

una nozione di circuito virtuale.

L’operazione base di commutazione, invece del “longest prefix match”, è una commutazione di etichetta (label).

Le etichette di ingresso e di uscita sono memorizzate in una opportuna tabella al momento della creazione del circuito virtuale.

edge tabella

aggiungietichetta

rimuovietichetta

tabella

tabella

edge

MPLS

MPLS

MPLS

rete MPLS

MPLS / MPMPLS / MPSS

Gli instradamenti (LSP: Label-Switched Path) sono decisi alla sorgente.

Esiste un protocollo di segnalazione (LDP: Label Distribution Protocol) per allocare le etichette.

Implica un passaggio da un paradigma “soft-state” ad un paradigma “hard-state”.

Permette l’ingegnerizzazione del traffico e la costruzione di reti private virtuali (VPN: Virtual Private Network)

Forza una separazione tra piano di controllo e piano di utente.

Sono previste funzionalità di aggregazione delle etichette (grooming) e gerarchie di etichette.

Nel caso MPS le etichette sono delle lunghezze d’onda.

G-MPLSG-MPLS

G-MPLS è una proposta IETF per estendere MPS in modo da costituire un piano di controllo in grado di supportare diverse tecnologie di commutazione: tempo, spazio, , pacchetti.

Si prevedono tre piani: piano di trasporto, piano di controllo, piano di gestione.

Sono stati recentemente stilati diversi draft IETF su G-MPLS.

E’ previsto un Link Management Protocol (LMP): Control Channel Maintenance Link Property Correlation Link Connectivity Verification Fault Management

Architetture di protocolliArchitetture di protocolli

physicaldata linknetworktransportsessionpresent.applicat.7

654321

TCPIP

subnet

Internetapplicat.

Internet Protocol

Suite

OSIBRM

TCPIP

MPLSOChDW

WDM

Internetapplicat.

IP over WDM

ITU-T G.ASON: Automatically ITU-T G.ASON: Automatically Switched Optical NetworkSwitched Optical Network

Clientse.g. IP,ATM,TDM

Clientse.g. IP,ATM,TDM

OCCOCC OCC

CCI

NNI

UNI

Usersignaling

IrDI_NNI

IrDI

OCCASON control plane

Optical Transport Network

Management

NMI-A

NMI-T

OXC OXC OXC

OCC: Optical Connection ControllerUNI: User Network InterfaceCCI: Connection Control InterfaceNNI: ASON control Node Node InterfaceIrDI: Inter Domain InterfaceNMI: Network Management Interface

ITU-T G.ASONITU-T G.ASON

L’architettura prevede tre piani: trasporto, controllo e gestione. I canali di controllo e gestione possono essere “in-band” o “out-of-band”.

Sono previste connessioni: permanenti, semi-permanenti e commutate

Sono previste tecniche di protezione a livello ottico.

Nel piano di controllo si gestiscono procedure di controllo di ammissione delle chiamate, di “policing”, di instradamento dinamico