WDM – all optical networks

1. Seminar: neue Übertragungstechniken und Protokolle im Internet WDM – all optical networks Von Christian Lageman

2. Glasfaser l2 l1 l3 Grundlagen • WDM – Wavelength Division Multiplexing • Frequenzmultiplex auf Glasfaserkabel • statt einer Wellenlänge werden mehrere zur Übertragung verwendet (~ mehrere „Farben“)

3. Grundlagen 2 • Meist 200nm Bereich um 1300nm und 1550nm nutzbar (von Faser abhängig) • Gesamtkapazität von Glasfaser liegt im 50 Terabit Bereich • Mindestabstand zwischen Wellenlängen, abhängig von eingesetzten Komponenten und physikalischen Effekten • Einzelne Kanäle (=Wellenlängen) meist im Bereich 2,5 Gbps bis 10 Gbps

4. Grundlagen 3 • Heute mehrere Hundert Wellenlängen möglich (laut Lucent) • DWDM = dense WDM, viele, dicht liegende Wellenlängen (Abstand < 1nm ) • Standards zum Teil noch in Arbeit (ITU-T u.s.w.) • Funktionale Anforderung an rein optisches Netz schon standardisiert, ITU-T: G.872

5. l2 STM-16 STM-16 l1 STM-16 l3 Direkte Vorteile • Einzelne Kanäle niedrigere Bandbreite als gesamte Faser ® billigere Komponenten • Ausnutzung der Gesamtbandbreite technisch einfacher • Einfache Kapazitätserhöhung bestehender Strecken

6. Elemente eines WDM Systems • Sender • Laser fester oder einstellbarer Wellenlänge • Empfänger • feste oder einstellbare Wellenlänge • Verstärker • verstärken ganzen Wellenlängenbereich, Bandbreite von Typ abhängig • Nur Signalenergie wird erhöht, keine Regeneration • Wellenlängenmultiplexer / -demultiplexer • Multiplexer fassen Signale verschiedener Wellenlängen zu einen Signal zusammen • Demultiplexer trennt Signal nach Signalen verschiedener Wellenlängen auf

7. Elemente 2 • Wellenlängenkonverter • Ändert die Wellenlänge eines Signals • Filter • Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen • Auch einstellbare Filter möglich • Verzögerungsleitungen • Verzögern Signal • wirken wie optischer Puffer • 2x2 Schaltelemente • Schalten Signale (alle Wellenlängen !) gerade oder quer durch

8. Wellenlängen-Demux Wellenlängen-Mux Switch l1 Faser 1 Faser 1 l-Konv. Switch Switch ln Faser M Faser K Wellenlängen Switch • Schaltet Wellenlängen von Eingangsfasern auf (andere) Wellenlängen von Ausgangsfasern durch • Primitiv: passiver Stern (passive star) • Nicht konfigurierbare, implementiert durch WGR (waveguide grating router) • Konfigurierbare: OXC (optical crossconnect), WRS (wavelength routing switch)

9. 2x2 Crossconnects Eingang Ausgang l Demux l Mux Add Drop Add-/Drop Multiplexer • OADM (optical add/drop multiplexer), WADM (wavelength add/drop multiplexer) • Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen von Faser und ersetzt sie durch andere Signale

10. Paket Switching • Zur Zeit nur rein herkömmlich elektronisch • Ziel: rein optisches Paket Switching • Zwischenschritt: Kombination von elektronischer Steuerung und rein optischen Datenpfad • Mit heutigen Techniken langsam ® unnötiges Paket Switching vermeiden

11. Optisches Routing: Lichtpfade • Wie stellt man in einen WDM Netz Verbindungen her ? • Gedanke: Lichtpfade • Reserviere entlang eines Pfads in Netz von Quelle zu Ziel eine Folge von Wellenlängen, auf jeder Punkt zu Punkt Verbindung genau eine • Routet man Signale von Quelle zum Ziel über diese Wellenlängen, so erhält man eine Punkt zu Punkt Verbindung von der Quelle zum Ziel • Dies entspricht einer Durchschaltevermittlung !

12. Lichtpfade 2 • Da Wellenlängen reserviert, keine Benutzung durch andere Verbindungen • Damit kein Paket Switching innerhalb dieses Pfades nötig ! • Routing über direktes Durchschalten der Wellenlängen auf andere Fasern/Wellenlängen mittels OXCs • Empfangen/Einspeisen der Signale über OADMs

13. Beispiel 3 Wellenlängen Gelbe Knoten Sollen mit allen anderen verbunden werden

14. Ausgehende Lichtpfade Eingehende Lichtpfade Verarbeitung im Knoten Lichtpfade 3 • Manchmal keine Wellenlängenumwandelung (wavelength continuity constraint) • Lichtpfade legen über die physikalische Topologie des Netzes eine virtuelle Topologie • Nicht alle Knoten müssen direkt per Lichtpfade verbunden sein, dann teilweise Paket Switching / TDM in Knoten

15. Virtuelle Topologie Wieder Beispiel

16. Konstruktion von Lichtpfaden • Ziel: Konstruktion einer virtuellen Topologie (= Lichtpfade) und Zuweisung von Wellenlängen an die Lichtpfade im physikalischen Netz • Vollständige Vermaschung als virtuelle Topologie meist nicht nötig/möglich • Paket Switching also nötig, möglichst selten ® Hopzahl der Pakete gering halten • Wellenlängen pro physikalische Verbindung beschränkt • Verkehrsmatrix (= Matrix der Verkehrsrate von Knoten zu Knoten) gegeben

17. Konstruktion 2 • Konstruktion als Optimierungsproblem: • Gegeben: Verkehrsmatrix, physikalische Verbindungen,Verzögerung pro Verbindung, Wellenlängen pro Verbindung • Kostenfunktion: Verzögerung des Verkehrs • Ziel: virtuelle Topologie mit minimalen Kosten aufstellen • Problem NP-hart !

18. Konstruktion 3 • Zielfunktion nicht linear, kann aber durch Einschränkungen linear gemacht werden (nur Hopzahl minimieren) • Heuristiken für Optimierungsprobleme benutzbar (Simulated Annealing etc.) • Ansatz: Zerlegung in • Bestimmung geeigneter virtuellen Topologie • Optimales Routing der Lichtpfade und Wellenlängenzuweisung

19. Pro- & Contra • Vorteile: • Direkte Verbindungen zwischen Knoten ohne Paket Switching ® schnell • Flexibilität durch virtuelle Topologie • Nachteile: • Optimale Lichtpfade schwierig zu berechnen, Probleme bei schneller Reaktion auf veränderte Verkehrsparameter • Bei hoch varianten Verkehr keine optimale Ausnutzung der Bandbreite ® Verschwendung und Überlastprobleme, vor allem bei paketorientierten Protokollen • Gegenmaßnahme: Paket Switching, macht Vorteile kaputt

20. MPLS für „XXX over WDM“ • Hier: Multiprotocol Lambda Switching • Protokoll XXX (=ATM, IP etc.) läuft über WDM mittels MPLS • Grundgedanke wie normales MPLS (multiprotocol label switching) • Wellenlängen als Label • Somit: • Kein direktes Stapeln von Labels • Laut Literatur kein Label Zusammenfassen • Lichtpfad entspricht Label Switched Path

21. MPLS 2 • OXC entspricht label switching router • Labelstapel lassen sich durch Benutzung von Paket Switches implementieren: • Stapel wird Paket hinzugefügt • Wellenlänge oberstes Label • Traffic engineering wie bei normalen MPLS durch OXC mit geeigneter Steuerung

22. Pro & Contra • Vorteile: • Approximation des Optimierungsproblems bzw. Verschieben des Problems auf MPLS Ebene • Bessere Reaktion auf Lastveränderung (MPLS abhängig) • Allgemein Vorteile des Lichtpfadansatzes • Nachteile: • Bandbreitenverschwendung (Überlastprobleme) bei Konzentration auf Wellenlängenrouting • U.U. variable Paketlängen, macht optisches Paket Switching schwierig

23. Optische Wrapper • Ziel: Übertragung auf WDM Ebene soll möglichst flexibel sein • Idee: Nimm Datenstrom beliebigen Protokolls (Netzwerkebene und tiefer) und lege einen Mantel (Wrapper) um sie, der Steuerinformationen für WDM Schicht enthält • Technologie von Lucent • Standardisierung im T1 Forum/ITU läuft noch

24. Wrapper 2 • Containergrösse: 4080 Bytes • Kanaloverhead: 16 Byte, Leitungsinformationen etc., kann über mehrere Rahmen hinweggehen • FEC = forward error correction, Fehlerkorrektur, 256 Byte Nutzdaten Kanal- overhead FEC

25. Wrapper 3 • Trick: Die Nutzdatenbytes dienen nur als Platzhalter • An ihrer Stelle kann beliebiges digitales Signal konstanter Bitrate stehen • Bitrate natürlich begrenzt • Einfacher Transport verschiedener Protokolle über WDM Netz • Auch Einspeisung ins Netz einfach !

26. FEC 1 Kanaloverhead FEC Teilrahmen 1 Nutzdatenbereich Teilrahmen 16 Wrapperaufbau Übertragungsrichtung

27. Wrapper & MPLS • Die Wrapper Technologie ist mit MPLS verträglich (lambda switching) • Aber keine Label Stapel in Paketen mehr ! (auf WDM – Ebene) • Im T1 Forum gab es schon Vorschläge zu ASONs (automatically switched optical networks)

28. Pro & Contra • Vorteile: • Extrem flexibel • Kann Vorteile von MPLS/Lichtpfaden erben • Gut geeignet für optisches Paket Switching • Nachteile: • Mehr Overhead

29. DTP • Dynamic Paket Transport, SRP (Spatial Reuse Protokoll) Zugriffsprotokoll • Von Cisco • Nur Ringstrukturen, mehrere Ringe werden durch einzelne Router verbunden • Nur für IP Verkehr, Paket Switching, rein elektronisch • Für IP aufgebohrter SDH Nachfolger

30. IP WDM nur als virtuelle Kabel ! MPLS ATM ATM WDM optisch IP IP IP IP SDH SDH Wrapper optisch optisch WDM Entwicklung der optischen Übertragung

31. Informationen • Literatur • Optical Communication Networks, Biswanath Mukherjee, McGraw-Hill • Internet • www.t1.org : Optical Wrapper Vorschläge • www.ietf.org : Multiprotocol Lambda Switching (nach „optical“ suchen, Draft von Awduche) • http://www.lucent.com/ideas/perspectives/bltj/ : Bell Labs Technical Journal • http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/ : Raj Jain Homepage • http://www.cisco.com/warp/public/cc/cisco/mkt/servprod/opt/dpt/index.shtml : Cisco‘s DTP