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. Reti broadcast-and-select • Non c’è instradamento, ma piena connettività: l’informazione generata da un trasmettitore viene recapitata a tutti i ricevitori, che possono eventualmente scartare quanto non interessa. • Tutti i nodi devono elaborare tutto il traffico della rete, trovando il giusto compromesso tra tecnologia fotonica e tecnologia elettronica. • Simile alle reti locali (LAN).

4. 1 8 2 star coupler 7 3 6 4 5 Reti broadcast-and-select • Le topologie più usate sono la stella, il bus e l’anello. Si possono costruire stelle di stelle o altre interconnessioni di stelle.

5. 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 Reti broadcast-and-select Le topologie a stella utilizzano lo star coupler, tipicamente realizzato con n/2 log2n blocchetti 22 (si attraversano log2 n accoppiatori 22). 3-dB coupler

6. 1 2 3 4 5 6 7 8 Reti broadcast-and-select • La topologia a bus richiede invece 2n accoppiatori 22. Le perdite sono maggiori (lineari con n) perché si attraversano più accoppiatori. 3-dB coupler

7. Reti broadcast-and-select • Ogni nodo ha normalmente una fibra per trasmettere e una fibra per ricevere. Sono disponibili W canali in WDM (o in divisione di spazio). • Ci possono essere collisioni e contese. • Collisioni: due trasmettitori si accordano sulla stessa frequenza e trasmettono. • Contese: uno stesso ricevitore deve ricevere simultaneamente da più canali. • Serve un protocollo d’accesso (Medium Access Control - MAC).

8. Reti broadcast-and-select • I nodi possono avere una o più coppie trasmettitore/recevitore, accordabili o meno. • Ricevitori e trasmettitori accordabili costano molto di più di quelli fissi (specie i ricevitori). • La connettività può essere limitata per effetto della limitata accordabilità di trasmettitori e ricevitori. • Per esempio su di un anello possiamo avere al nodo i il trasmettitore fisso su i e il ricevitore fisso su |i-1|N. • In tali casi occorre passare a un funzionamento multi-hop, con conversioni ottica/elettronica/ottica ai nodi intermedi.

9. Reti broadcast-and-select • Quando la connettività è limitata costruiamo quindi una topologia logica sulla topologia fisica broadcast. • Altro esempio: con 2 tx/rx fissi possiamo costruire una topologia di tipo shuffle. 1 9 1 1 5 1 13 2 10 2 5 5 11 3 3 2 6 2 3 4 7 14 3 4 6 6 15 12 7 7 4 8 4 8 16 8

10. Reti broadcast-and-select • Occorre distinguere tra allocazione di flussi relativamente stabili (durata >> ritardo di propagazione) e allocazione dinamica pacchetto per pacchetto. • Sovente il tempo sui canali è suddiviso in time slot e la condivisione avviene in divisione di tempo statistica. • Talvolta occorre tenere in conto un tempo non trascurabile nell’accordare i trasmettitori e i ricevitori. • Alcuni dei canali disponibili possono essere utilizzati per funzionalità di controllo. • La sincronizzazione di slot è delicata nelle topologie a stella. Comunque c’è il problema della sincronizzazione di bit.

11. Sincronizzazione di slot

12. Slotted Aloha / Slotted Aloha • Rete broadcast-and-select a stella, con N nodi, W<<N canali WDM e un canale a lunghezza d’onda c dedicato al controllo. • L’asse dei tempi è diviso in slot e minislot, con L minislot per slot. L=5 dato dato t • I pacchetti di informazione possono iniziare in un minislot arbitrario.

13. Slotted Aloha / Slotted Aloha • Il nodo x che deve trasmettere un pacchetto seleziona con qualche criterio (di solito a caso) un canale dati (a lunghezza d’onda T). • Poi manda un pacchetto di controllo (contenente l’identità del destinatario e della lunghezza d’onda T) su c, seguito dal pacchetto di informazione su T. • Ogni nodo riceve continuamente dal canale di controllo. • Il nodo avvisato dell’inizio nel prossimo minislot di un pacchetto a lui destinato accorda il proprio ricevitore sul canale T. • Può ricevere se non ci sono state collisioni e contese. • Si parla di “tell-and-go”.

14. Slotted Aloha / Slotted Aloha

15. Slotted Aloha / Slotted Aloha • Il protocollo richiede una coppia tx/rx fissa per il canale di controllo più una coppia tx/rx accordabile per i dati. • Si può modificare il comportamento “tell-and-go” in “wait-and-see”: non si trasmettono dati finché non si rivede il proprio pacchetto di controllo. • Aumenta il throughput, ma anche il ritardo d’accesso.

16. DT-WDMA • Rete broadcast-and-select a stella, con N nodi, W=N canali WDM e un canale a lunghezza d’onda c dedicato al controllo. • L’asse dei tempi è diviso in slot e minislot, con N minislot per slot. t dati t dati N=6 t controllo • I nodi hanno un trasmettitore fisso e un ricevitore accordabile per i dati, oltre a una coppia tx/rx fissa per il canale di controllo.

17. DT-WDMA • Per i canali dedicati ai trasmettitori non ci sono collisioni sui dati. • Per il TDM di controllo non ci sono collisioni sul canale di controllo. • Ci possono essere contese, ma il modo di risoluzione delle contese è lo stesso per tutti i nodi e noto, per cui ogni trasmettitore sa se il suo pacchetto è stato ricevuto o meno. • Nel pacchetto di controllo serve solo l’identità del destinatario, in quanto il canale di trasmissione è univocamente determinato dalla posizione del minislot nello slot.

18. Protocolli di scheduling • Mantenendo lo stesso schema di DT-WDMA, ma rinunciando alla trasmissione immediata, possiamo migliorare le prestazioni. dati slot X controllo ritardo end-to-end prenotazioni per lo slot X • Sul canale di controllo possiamo avere un accesso in TDM o a contesa.

19. Prestazioni protocolli d’accesso

20. Protocolli di scheduling • In questo modo tutti i nodi conoscono le esigenze (richieste di trasmissione) in uno slot (o trama di tanti tanti slot) e possono eseguire un algoritmo di scheduling (o allocazione) di risorse, in base ad una matrice di richieste: • R[i,j]

21. Equivalenza con commutatori • Si noti che una rete broadcast-and-select è funzionalmente simile ad un commutatore a pacchetto: i nodi della rete sono equivalenti alle interfacce di ingresso/uscita (line card) e la rete è equivalente alla switching fabric del commutatore. • Molti dei protocolli proposti per reti ottiche single-hop sono simili agli schemi di funzionamento di architetture di commutazione. Possiamo per esempio parlare di input buffering, output buffering e speed-up.

22. Matrice di commutazione Uscita P a1 Ingresso P Ingresso 1 Commutatori con memorie alle uscite x1 Uscita 1 . . . . . . xP aN

23. Matrice di commutazione a1 Uscita 1 Ingresso P Ingresso 1 . . . . . . Uscita P aN Commutatori con memorie agli ingressi x1 xP D Scheduler

24. Matrice di commutazione Input Buffer Switch with VOQ Ingresso1 1 a1,1 a1 Uscita1 x1,1 x1,P a1,P P . . . . . . IngressoP 1 aP,1 aP UscitaP xP,1 D xP,P aP,P P Scheduler

25. Uscite Ingressi Uscite Ingressi Problema di Matching

26. Protocolli di scheduling • Si usano algoritmi di matching su grafi bipartiti. R maximum matching maximal matching • L’algoritmo di maximum matching ha complessità O(N2.5). Le richieste in R possono essere pesate (priorità, lunghezza della coda, ecc.). In presenza di pesi si parla di weighted matching.

27. Scheduling • Aumentando ulteriormente i ritardi è possibile effettuare una schedulazione tempo/frequenza centralizzata. • Si suppone data una matrice di richieste di traffico (persistenti o semi-persistenti) per ogni coppia sorgente/destinazione. • Mantenendo il vincolo di un trasmettitore e un ricevitore per nodo, sovente considerando tempi di accordo (tuning time) non trascurabili, si calcola la minima durata del periodo di schedulazione, o si minimizzano le perdite data una durata F della trama temporale. • Si possono affrontare situazioni off-line o on-line, single-hop o multi-hop.

28. Realizzazioni sperimentalisu topologia a stella • Lambdanet [Bellcore 1990]: 18  1.5 Gb/s spaziati di 2 nm. • Testbed NTT [NTT 1993]: 100  622 Mb/s spaziati di 10 GHz. • Rainbow I [IBM 1990]: 32  300 Mb/s spaziati di 1 nm. • Rainbow II [IBM 1996]: 32  1 Gb/s spaziati di 1 nm. • SONATA [E.C. ACTS 1999]: 800  622 Mb/s spaziati di 6.25 GHz (0.05 nm).

29. Reti su topologia ad anello • Concettualmente simili a reti broadcast-and-select a stella sono diverse proposte di reti WDM single hop su topologia ad anello per applicazioni in ambito metropolitano. • Rispetto alla stella, l’anello agevola la sincronizzazione e permette il riuso spaziale e il recupero di guasti, ma aumenta le perdite. • Tipicamente si considerano N utenti e WN canali WDM, con trasmettitori accordabili e ricevitori fissi. • Esempi: CORD, Daisy+SR3, Hornet, RingO • Alcune recenti proposte (p.es. progetto IST DAVID) considerano architetture ad anelli WDM interconnessi.