Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino neri@polito.it

1. Reti Fotoniche (Optical Networks) Fabio Neri Politecnico di Torino neri@polito.it www.tlc-networks.polito.it 011 564 4076

2. Indice (I) • Che cosa sono le reti ottiche? • Perché le reti ottiche? • Tipologie di reti ottiche: • reti di trasporto • reti metropolitane • reti d’accesso • Commutazione di pacchetto o di circuito? • Cenni a reti ottiche di prima generazione

3. 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 d’accesso • Commutazione ottica di pacchetti • Architetture di protocolli per reti ottiche • Cenni a gestione e affidabilità

4. 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

5. 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

6. 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 a=1.2 dB/Km Seconda finestra 1300 nm a=0.4 dB/Km Terza finestra 1550 nm a=0.2 dB/Km

7. 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 nell’accesso e nei collegamenti metropolitani.

9. 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 l’informazione 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.

15. 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

16. 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

17. Limiti delle reti ottiche • I problemi principali delle reti ottiche derivano: • dall’assenza 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 dell’informazione nel dominio fotonico • dal costo (in tutti i sensi) dell’interfacciamento verso il mondo fotonico • da limiti a livello trasmissivo nel caso di collegamenti ottici riconfigurabili (tecnologia “giovane”)

18. 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 d’onda • 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

19. 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. TX/RX TX/RX TX/RX TX/RX Evoluzione delle trasmissioni • nuvola di vetro 2000 ?

22. Fattori limitanti nelle reti ottiche • dispersione modale  fibre monomodo • dispersione cromatica  fibre compensate e/o • riduzione dell’ampiezza • di banda delle sorgenti • effetti non lineari • accumulo del rumore di emissione spontanea (ASE) • distorsione degli amplificatori • effetti legati alla polarizzazione

23. star coupler Tipologie di reti ottiche • Si possono identificare due categorie di reti ottiche: • conversione di • lunghezza d’onda? • 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

24. 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 d’accesso (Passive Optical Networks - PON)

25. Stato dell’arte 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)

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

27. Commutazione in Internet • longest-prefix-matching sull’indirizzo 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

28. 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 • c’è ampia disponibilità di banda • grazie al WDM la topologia è ricca e “flessibile”

29. 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