Reti Fotoniche(Optical Networks)

Fabio NeriPolitecnico di Torino

neri@polito.itwww.tlc-networks.polito.it

011 564 4076

Indice (II)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

Reti broadcast-and-selectReti 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).

Reti broadcast-and-selectReti 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.

starcoupler

1

7 3

8 2

5

6 4

Reti broadcast-and-selectReti broadcast-and-select

Le topologie a stella utilizzano lo star coupler, tipicamente realizzato con n/2 log2n blocchetti 22 (si attraversano log2 n accoppiatori 22).

Reti broadcast-and-selectReti broadcast-and-select

La topologia a bus richiede invece 2n accoppiatori 22. Le perdite sono maggiori (lineari con n) perché si attraversano più accoppiatori.

Reti broadcast-and-selectReti 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).

Reti broadcast-and-selectReti 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.

Reti broadcast-and-selectReti 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

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

1

2

3

4

5

7

8

6

9

1011

12

13

15

16

14

Reti broadcast-and-selectReti 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.

Sincronizzazione Sincronizzazione di slotdi slot

Slotted Aloha / Slotted AlohaSlotted 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.

tdato

dato L=5

I pacchetti di informazione possono iniziare in un minislot arbitrario.

Slotted Aloha / Slotted AlohaSlotted 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”.

Slotted Aloha / Slotted AlohaSlotted Aloha / Slotted Aloha

Slotted Aloha / Slotted AlohaSlotted 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.

DT-WDMADT-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 N=6

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.

t

controllo

dati t

DT-WDMADT-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.

Protocolli di schedulingProtocolli di scheduling

Mantenendo lo stesso schema di DT-WDMA, ma rinunciando alla trasmissione immediata, possiamo migliorare le prestazioni.

dati

controllo

ritardo end-to-endprenotazioni per lo slot X

slot X

Sul canale di controllo possiamo avere un accesso in TDM o a contesa.

Prestazioni protocolli d’accessoPrestazioni protocolli d’accesso

Protocolli di schedulingProtocolli 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]

Protocolli di schedulingProtocolli di scheduling

Si usano algoritmi di matching su grafi bipartiti.

R maximummatching

maximalmatching

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.

SchedulingScheduling

Vedi “Scheduling in All-Optical Broadcast-and-Select Networks with Arbitrary Tuning Times”

Equivalenza con commutatoriEquivalenza 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.

SchedulingScheduling

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.

Realizzazioni sperimentaliRealizzazioni sperimentalisu topologia a stellasu 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).

SONATASONATA

Vedi “SONATA, a National-Scale Switchless Optical Network”

Reti su topologia ad anelloReti 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 WN 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.