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. Application7 Presentation 6 Session 5 Transport 4 Network 3 Logical Link 2 Physical 1 Network General Guide to Communication Protocols OSI Layers Total Network Visibility™ Courtesy Network General Corporation

4. Layer 2 Logical Link Ethernet Token Bus Modems Token Ring ISDN PPP SONET FDDI SMDS DQDB ATM Frame Relay Ridurre la complessità

5. Layer 3 Network VIP VIP IP IPX DDP IDP DLSw COFP CLNP DRP Ridurre la complessità

6. Application7 Presentation6 Session5 Transport4 Network3 LogicalLink2 Physical1 Convergenza == Semplicità Resolving Network Complexity from the Bottom Up

7. Standardizzazione • 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, MPlS, 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)

8. ITU-T G.681 e G.872 OTN (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. channel channel connessione multiplex section multiplex section multiplex section amplifier section amplifier section amplifier section amplifier section WDM node WDM node WDM node amplificatore

9. Architetture 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.).

10. Network Data Link Physical Network Data Link Network IP Data Link ATM SONET Pile 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

11. Pile 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

12. 7 applicat. Internet applicat. Internet applicat. Internet applicat. 6 present. 5 session 4 transport TCP TCP TCP 3 network IP IP IP 2 data link data link ATM subnet 1 physical SDH WDM WDM OSI Basic Reference Model Internet Protocol Suite IP over WDM IP/ATM/SDH/WDM Architetture di protocolli

13. Duplicazione 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

14. N lung. d’onda N lung. d’onda N lung. d’onda PTE ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM PTE PTE PTE PTE REG REG REG REG REG REG REG REG REG REG REG REG REG REG REG REG PTE PTE PTE PTE PTE SONET & WDM • È possibile combinare SONET con WDM semplicemente considerando ogni l 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 Topologia fisica Topologia logica: N canali lineari ADM SONET in parallello l1 l2 lN

15. SONET & 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

16. IP Token Ring Ethernet ATM SONET Classical 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 Protocol Interfaces

17. IP over ATM over SONET OADM switch ATM router IP ATM introduce notevoli overhead (> 20%) e impone un paradigma a circuiti virtuali che mal si combina con IP

18. IP 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

19. IP+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 PPP • Considerazioni di costo • IP su SONET costa meno di IP su ATM su SONET

20. Modelli 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

21. Modelli Peer-to-peer e Overlay Sonet UNI Sonet IP OXC overlay model UNI UNI OXC IP OXC UNI UNI IP (IP)OXC IP IP (IP)OXC IP IP (IP)OXC peer-to-peer model IP

22. Architetture 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 • …

23. Protocolli 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

24. OCh OAM OCh payload FEC Digital Wrapper: ITU-T G.709 IP SDH FDDI Eth. SDL ATM PDH • 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

25. Qualità del servizio • Protocolli: • Integrated Services (IS) con Resource Reservation Protocol (RSVP) • Differentiated Services (DiffServ) • Constraint-Based Routing • Multi-Protocol Label/Lambda Switching (MPLS / MPlS) • Parametri: • banda (throughput) • probabilità di perdita • ritardio medio • variabilità del ritardo (jitter) • ritardo massimo

26. tabella tabella tabella MPLS / MPlS • Deriva 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. rimuovi etichetta rete MPLS MPLS edge edge MPLS aggiungi etichetta MPLS

27. MPLS / MPlS • 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 MPlS le etichette sono delle lunghezze d’onda.

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

29. Architetture di protocolli 7 applicat. Internet applicat. Internet applicat. 6 present. 5 session 4 transport TCP TCP 3 network IP IP 2 data link MPLS subnet 1 physical OChDW WDM OSI BRM Internet Protocol Suite IP over WDM

30. ITU-T G.ASON: Automatically Switched Optical Network ASON control plane OCC NMI-A OCC OCC OCC Management NNI IrDI_NNI NMI-T UNI CCI User signaling Clients Clients e.g. IP, e.g. IP, OXC OXC OXC ATM, ATM, TDM IrDI TDM Optical Transport Network OCC: Optical Connection Controller UNI: User Network Interface CCI: Connection Control Interface NNI: ASON control Node Node Interface IrDI: Inter Domain Interface NMI: Network Management Interface

31. ITU-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