Μάθημα Ευρυζωνικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα κορμού και πρόσβασης

Μάθημα Ευρυζωνικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα κορμού και πρόσβασης Ευρυζωνικά δίκτυα οπτικών ινών στον κορμό. Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Μάθημα 6 ο ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών 1

Περιεχόμενα Δίκτυα δίκτυα κορμού. Ανασκόπηση Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Οπτικα δίκτυα μεταγωγής πακέτου Βασικές αρχές σχεδίασης οπτικών συστημάτων κορμού Ισολογισμός ισχύος Ισολογισμός διασποράς 2

Οπτικά δίκτυα 1 ης γενιας I 3 optoelectronic conversion (O-E-O) needed

Οπτικά δίκτυα 1 ης γενιας II Η οπτική τεχνολογία χρησιμοποιείται μόνο στη μετάδοση, ως μέσο για την παροχή μεγάλου εύρους ζώνης με μικρούς ρυθμούς εμφάνισης σφαλμάτων Οι υπόλοιπες λειτουργίες του δικτύου (π.χ. μεταγωγή, δρομολόγηση, έλεγχος, διαχείριση δικτύου) γίνονται ηλεκτρονικά 4

Μειονεκτήματα 5

Οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς (δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος) του overhead Μέρος των διαδικασιών δρομολόγησης, μεταγωγής, ελέγχου και διαχείρισης λαμβάνουν χώρα στο οπτικό επίπεδο Σε αυτό συμβάλουν οι ακόλουθες οπτικές διατάξεις: OLTs, OADMs και OXCs 6

Δομικά στοιχεία2 ης γενιας WDM Τερματικά οπτικής γραμμής (optical line terminals-olts) Χρησιμοποιούνται στα άκρα μιας WDM σύνδεσης για να πολυπλέκουν πολλά μήκη κύματος σε μία οπτική ίνα στο άκροαφετηρία Αντιστρόφως αποπολυπλέκουν τα μήκη κύματος σε πολλές ίνες στο άκρο-προορισμό Οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/απομάστευσης (optical add/drop multiplexers-oadms) Χρησιμοποιούνται από ενδιάμεσους κόμβους για να απομαστεύσουν κάποια από τα μήκη κύματος μιας ενδιάμεσης ζεύξης και να προσθέσουν νέα μήκη κύματος που προέρχονται από τον ενδιάμεσο κόμβο Συνήθως έχουν δύο θύρες που συνδέονται στο οπτικό δίκτυο και αριθμό τοπικών θυρών στις οποίες προστίθενται ή απομαστεύονται μήκη κύματος optical cross connects-oxcs Επιτελούν λειτουργίες μεταγωγής η παρόμοια λειτουργία με τους OADMs, αλλά συνήθως έχουν κατά πολύ μεγαλύτερο αριθμό θυρών που συνδέονται στο οπτικό δίκτυο 7

Optical Cross Connects (OXCs) Σε δίκτυα με μεγάλο αριθμό από μήκη κύματος και με πολύπλοκες τοπολογίες οι OADMs αντικαθίστανται από optical XC Λειτουργίες OXC Υποστήριξη πολλών ινών και πολλαπλών τοπικών θυρών Παροχή οπτικών μονοπατιών με αυτοματοποιημένο τρόπο Προστασία από βλάβες στον εξοπλισμό και τις οπτικές ίνες Εποπτεία της ποιότητας σήματος των διακινούμενων μηκών κύματος cross connects (OXCs) 8

Δομή οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς Τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς παρέχουν ζεύξεις που καλούνται οπτικά μονοπάτια (light paths) στους χρήστες τους Περισσότερα του ενός οπτικά μονοπάτια πολυπλέκονται πάνω από μία οπτική ίνα με την τεχνολογία πολυπλεξίας WDM οπτικό μονοπάτι = λ Το πρόβλημα: εύρεση λ κατά μήκος ενός lightpath (Routing and Wavelength Assignment-RWA) για δεδομενη κατάσταση δικτύου 9

Λειτουργίες του οπτικού επιπέδου στα WDM δίκτυα Το οπτικό επίπεδο αποτελεί επίπεδο παροχής υπηρεσιών σε ανώτερα επίπεδα, όπως για παράδειγμα το IP, ΑΤΜ, SDH, ακόμα και Gigabit Ethernet Στην παρούσα φάση, το οπτικό επίπεδο παρέχει οπτικά μονοπάτια (μόνιμα ή κατ απαίτηση), ενώ μελλοντικά αναμένεται ότι θα παρέχει ιδεατά κυκλώματα για μεταγωγή πακέτου ή υπηρεσίες αυτοδύναμων πακέτων Επιπλέον, το οπτικό επίπεδο πολυπλέκει τα οπτικά μονοπάτια σε μία ίνα και επιτρέπει την απομάστευση οπτικών μονοπατιών στους κόμβους του δικτύου. Η κίνηση που μεταφέρεται από τα οπτικά μονοπάτια μπορεί να είναι λοιπόν: packet based, e.g., IP datagrams circuit oriented, e.g., telephone streams The optical network is not aware of traffic formats 10

Το WDM Hub The hub (in the transmit direction) receives a variety of traffic types (TCP/IP, ATM, Ethernet, STM, etc.). Each type is launched into the fiber on a separate wavelength 11

Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Τα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος χρησιμοποιούνται σήμερα κατά κύριο λόγο στα δίκτυα κορμού, και έχουν πλέον παγιωθεί στα δίκτυα εθνικής και παγκόσμιας κάλυψης Οι πελάτες ενός τέτοιου δικτύου συνδέονται στο δίκτυο μέσω των συσκευών μεταγωγής και της εγκατάστασης εικονικών συνδέσεων, ή lightpaths Ένα lightpath μπορεί να διατρέχει ένα μεγάλο αριθμό οπτικών ινών ή «συνδέσμων» παρέχοντας ένα εικονικό κύκλωμα ανάμεσα στους κόμβους πηγής και προορισμού Σε ένα δίκτυο, λόγω διαφόρων περιορισμών (π.χ. στον αριθμό μηκών κύματος σε κάθε οπτική ίνα, καθώς και στον αριθμό των transceivers που διαθέτουν οι κόμβοι) δεν είναι εφικτό να διασυνδεθούν με lightpaths όλα τα ζεύγη κόμβων 12

Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Η τεχνολογία της δρομολόγησης μήκους κύματος έχει το σημαντικό πλεονέκτημα ότι απαλλάσσει τους κόμβους κορμού του δικτύου από την επιβάρυνση που προκαλεί ο τερματισμός και η επεξεργασία της διερχόμενης κίνησης Τα WDM δίκτυα που βασίζονται σε αυτή την τεχνολογία, αποτελούνται από (OXCs & OADMs) που βρίσκονται σε κάθε κόμβο του δικτύου, και μετάγουν την κίνηση στο οπτικό πεδίο από την πηγή μέχρι τον προορισμό. Τα OXCs καθώς και το σύνολο των οπτικών ινών που τα διασυνδέουν, αποτελούν τη φυσική τοπολογία του δικτύου 13

Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Ρυθμίζοντας κατάλληλα τα ΟΧCs, μπορούν να δημιουργη θούν σε ένα δίκτυο πλήρως οπτικά μονοπάτια (lightpaths) ανάμεσα σε ζεύγη κόμβων του δικτύου, των οποίων το οπτικό σήμα δεν υφίσταται καμία μετατροπή στο ηλεκτρονικό πεδίο στους ενδιάμεσους κόμβους Το σύνολο των οπτικών μονοπατιών που εγκαθίστανται πάνω στη φυσική τοπολογία του δικτύου σχηματίζει την «ιδεατή τοπολογία» Αυτή μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα οπτικό επίπεδο ανάμεσα στο φυσικό επίπεδο και τα ανώτερα επίπεδα του δικτύου Μάλιστα, στην ίδια φυσική τοπολογία ενός δικτύου μπορούν να δημιουργηθούν ένα σύνολο από διαφορετικές ιδεατές τοπολογίες 14

φυσική και ιδεατή τοπολογία δικτύου λ1 λ2 φυσική τοπολογία δικτύου ιδεατή τοπολογία δικτύου Μια ιδεατή τοπολογία λέγεται «hop boundlimited» αν υπάρχει περιορισμός στον μέγιστο αριθμό από hops που μπορεί να διανύσει κάθε lightpath. Επίσης, λέγεται «wavelength limited» αν υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των μηκών κύματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά την εγκατάσταση ιδεατών κυκλωμάτων 15

Προβλημα σχεδιασμού ιδεατής τοπολογίας Προκειμένου να επιτευχθεί βέλτιστη απόδοση σε ένα WDM δίκτυο, θα ήταν επιθυμητό να δημιουργηθούν lightpaths ανάμεσα σε όλα τα ζεύγη κόμβων του δικτύου Αυτό όμως δεν είναι πάντα εφικτό, λόγω περιορισμών στους πόρους του δικτύου. Τέτοιοι περιορισμοί αφορούν τον αριθμό των διαφορετικών μηκών κύματος που είναι διαθέσιμα σε κάθε οπτική ίνα, τον αριθμό των πομποδεκτών σε κάθε διεπαφή εισόδου/εξόδου, καθώς και την ικανότητα ηλεκτρονικής επεξεργασίας των κόμβων 16

Πρόβλημα σχεδιασμού ιδεατής τοπολογίας Για να ανταλλάξουν δεδομένα δύο κόμβοι που δεν συνδέονται με κάποιο απ ευθείας lightpath, εισάγεται σημαντική επιβάρυνση στη μεταξύ τους επικοινωνία Χρησιμοποιείται τότε κάποιος ενδιάμεσος κόμβος που συνδέεται απ ευθείας και με τους δύο και αναλαμβάνει την προώθηση των δεδομένων Αυτός αναλαμβάνει τη μετατροπή του οπτικού σήματος του κόμβου πηγής στο ηλεκτρονικό πεδίο, την (ηλεκτρονική) μεταγωγή της κίνησης και στη συνέχεια τη μετατροπή της εκ νέου στο οπτικό πεδίο προκειμένου να μεταδοθεί στον κόμβο προορισμό. Εξ αιτίας αυτής της διπλής μετατροπής εισάγεται πρόσθετη καθυστέρηση στη μετάδοση 17

Σχεδιασμός της ιδεατής τοπολογίας H σχεδίαση γίνεται με βήματα: (1) ο σχεδιασμός της τοπολογίας (2) η δρομολόγηση των lightpaths (Θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν περιορισμοί στον μέγιστο αριθμό hops, ή στη μέγιστη επιτρεπόμενη καθυστέρηση διάδοσης) (3) η ανάθεση ενός μηκους κύματος σε κάθε lightpath (4) η δρομολόγηση της κίνησης στα lightpaths (Τέλος, η κίνηση του δικτύου θα πρέπει να δρομολογηθεί πάνω από την ιδεατή τοπολογία, ή αλλιώς πάνω από τα εγκατεστημένα lightpaths) πρέπει να ληφθούν υπ όψιν οι συνθήκες κίνησης του δικτύου και οι περιορισμοί στους πόρους του δικτύου, π.χ. ο διαθέσιμος αριθμός μηκών κύματος και ο αριθμός των πομποδεκτών σε κάθε κόμβο Τονίζεται ότι δεν υπάρχει μοναδική ή βέλτιστη λύση! 18

παράδειγμα λ 1 λ 1 λ 1 λ 1 λ 2 λ 2 φυσική τοπολογία δικτύου ιδεατή τοπολογία δικτύου δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος Χρήση ζεύγους Οπτικών ινών 19

Δρομολόγηση κίνησης 20

Η απαίτηση συνέχειας του μήκους κύματος Όταν εγκαθίσταται ένα μονοπάτι πάνω από ένα δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος, το ίδιο μήκος κύματος πρέπει να χρησιμοποιηθεί σε κάθε hop κατά μήκος του μονοπατιού Αν το απαιτούμενο μήκος κύματος δεν είναι διαθέσιμο στην ίνα εξόδου ενός OXC μέσω του οποίου το μονοπάτι δρομολογείται, η εγκατάσταση του lightpath μπλοκάρεται και ένα σήμα ειδοποίησης στέλνεται πίσω στο χρήστη Για τη μείωση της πιθανότητας μπλοκαρίσματος, ο OXC εξοπλίζεται με μετατροπείς μήκους κύματος (wavelength converters) 2 21

Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Δυναμική δρομολόγηση Με τη μετατροπή μήκους κύματος είναι εφικτή η δυναμική δρομολόγηση Στη δυναμική ανάθεση (Dynamic Lightpath Establishment DLA), η ανάθεση ενός lightpath πραγματοποιείται με την άφιξη μίας αίτησης σύνδεσης Σημαντική αύξηση του overhead, καθώς απαιτείται η συνεχής παρακολούθηση του δικτύου Η ελαχιστοποίηση της πιθανότητας απώλειας σύνδεσης και η μεγιστοποίηση του αριθμού του αριθμού των συνδέσεων καθορίζονται από τον τρόπο που έχει οριστεί το μέγεθος του δικτύου, αλλά και από τη μέθοδο ανάθεσης των lightpaths 22

Traffic grooming Ομαδοποίηση δεδομένων Ένα lightpath χρησιμοποιείται αποκλειστικά από ένα πελάτη Συχνά το εύρος ζώνης που ο πελάτης απαιτεί είναι πολύ μικρότερο από αυτό του wavelength. Αυτό σημαίνει ότι μέρος του lightpath bandwidth δεν χρησιμοποιείται. Επιπλέον ο χρήστης πληρώνει περισσότερο bandwidth από όσο απαιτεί. Το Traffic grooming επιτρέπει σε πολλούς χρήστες να κάνουν χρήση του ίδιου Lightpath 3 23

Sub rate units To εύρος ζώνης του lightpath χωρίζεται σε μονάδες subrate ώστε να μεταφέρει ροές που αντιστοιχούν σε μικρότερους ρυθμούς. Για παράδειγμα, τα 2.5 Gbps (STM 16) μπορούν να διατεθούν σε sub rate units των 50 Mbps (STM 0) Ένας πελάτης μπορεί να ζητήσει μία ή περισσότερες sub rate units. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η χρήση του μήκους κύματος και μειώνει τα κόστη των χρηστών. 3 24

Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος traffic grooming Εγκατεστημένα lightpaths: OXC 1 to OXC 3 OXC 3 to OXC 4 Χωρητικότητα ανά μήκος κύματος: 2.488 Gbps (OC 48/STM 16) 16 sub rate units of 155 Mbps (OC3/STM 1) 3 25 25

Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος traffic grooming Ένας χρήστης που συνδέεται στον OXC 1 και θέλει να μεταδώσει δεδομένα σε ένα χρήστη που συνδέεται στον OXC 3, μπορεί να ζητήσει οποιοδήποτε ακέραιο αριθμό OC 3/STM 1 μέχρι 16 το σύνολο. Επιπλέον lightpaths μπορούν να εγκατασταθούν μεταξύ των OXCs 1 και 3, αν η κίνηση μεταξύ τους ξεπεράσει τα 2.488 Gbps. Ας υποθέσουμε ένα χρήστη που συνδέεται στο OXC 1 που ζητάει μία σύνδεση με ένα χρήστη που συνδέεται στο OXC 4 για τέσσερα sub rate units. Σε αυτή την περίπτωση ένα νέο lightpath πρέπει να εγκατασταθεί μεταξύ OXCs 1 και 4, π.χ. πάνω από OXCs 6 και 5. 26

Traffic grooming 27

Συνεπώς Η δεύτερη γενιά οπτικών δικτύων είναι σχεδόν διαφανής Οπτοηλεκτρονική μετατροπή μόνο σε δεδομένα που ξεκινούν ή τερματίζουν στον κόμβο Προσφέρεται η δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος Μείωση του overhead, Ωστόσο: H σύνδεση διατηρείται ακόμα και όταν δεν υπάρχει μετάδοση δεδομένων 28

Οπτικός ή ηλεκτρονικός έλεγχος Η οπτική επικεφαλίδα περιέχει πληροφορίες για τη δροµολόγηση των πακέτων στο οπτικό δίκτυο. Όµως µέχρι σήµερα λόγω της έλλειψης γρήγορων και αξιόπιστων λύσεων στην οπτική επεξεργασία στο επίπεδο του bit, η χρήση ηλεκτρονικών για την επεξεργασία της επικεφαλίδας είναι επιβεβληµένη Στην καθαρά οπτική επεξεργασία έχει γίνει µεγάλη πρόοδος τα τελευταία χρόνια σε πολλούς τοµείς (η οπτική εναλλαγή επικεφαλίδων) Δυο τάσεις για την υλοποίηση της οπτικής επικεφαλίδας του πακέτου: Σειριακή και πολυπλεξία υποφερουσών συχνοτήτων 29

Οπτική επικεφαλίδα Στη Σειριακή µετάδοση η επικεφαλίδα µεταδίδεται σειριακά στο ίδιο µήκος κύµατος µε το ωφέλιµο φορτίο και αναγνωρίζεται και διαχωρίζεται από αυτό, µέσω του ειδικού χρόνου ασφαλείας (guard band) που υπάρχει ανάµεσά τους Στην περίπτωση της πολυπλεξίας υποφερουσών συχνοτήτων (subcarrier multiplexing) η επικεφαλίδα τοποθετείται φασµατικά λίγο υψηλότερα από το φασµατικό περιεχόµενο του ωφέλιµου φορτίου και πολυπλέκεται σε κάποια υποφέρουσα συχνότητα Αυτή η µέθοδος καθιστά πιο εύκολη διαδικασία την αναγνώριση της επικεφαλίδας από το ωφέλιµο φορτίο, εποµένως και το διαχωρισµό τους (ο διαχωρισµός επιτυγχάνεται και µε παθητικά µέσα) 30

Στρατηγικές αποφυγής σύγκρουσης πακέτων Τα πακέτα που αδυνατούν να μεταδοθούν από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος σε μία συγκεκριμένη χρονοθυρίδα, χρησιμοποιούν ένα άλλο ελεύθερο μήκος κύματος Τα πακέτα που αδυνατούν να μεταδοθούν από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος σε μία συγκεκριμένη χρονοθυρίδα, τοποθετούνται σε γραμμή καθυστέρησης Τα πακέτα που αδυνατούν να μεταδοθούν από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος σε μία συγκεκριμένη χρονοθυρίδα, μεταδίδονται μέσω άλλης οπτικής ίνας στο ίδιο μήκος κύματος και στην ίδια χρονοθυρίδα 31

Διαφανή δίκτυα Η διαφάνεια (ως προς π.χ. πρωτόκολλα και ρυθμούς μετάδοσης) αποτελεί ιδιαιτέρως επιθυμητό χαρακτηριστικό του τηλεπικοινωνιακού δικτύου καθώς Οι υπηρεσίες παρέχονται πάνω από κοινή τηλεπικοινωνιακή υποδομή Παρέχει τη δυνατότητα της μελλοντικής λειτουργίας του δικτύου ακόμα και αν αλλάξουν τα πρωτόκολλα ή οι ρυθμοί μετάδοσης, χωρίς να είναι αναγκαία η ριζική αναβάθμιση του Τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς είναι διαφανή ως προς τα μεταφερόμενα δεδομένα (σε κάθε οπτικό μονοπάτι καθορίζεται ο μέγιστος και ελάχιστος ρυθμός μετάδοσης, και η μεταφορά δεδομένων γίνεται ανεξάρτητα από τα επιλεγόμενα πρωτόκολλα) Αμιγώς οπτικά δίκτυα: τα δεδομένα μεταφέρονται χωρίς να υπόκεινται σε ηλεκτρο-οπτικές μετατροπές Η ηλεκτρο-οπτική μετατροπή απαιτείται για την αναγέννηση του οπτικού σήματος τον έλεγχο και την διαχείριση του δικτύου ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ 3 ης ΓΕΝΙΑΣ 32

33

Tο μέλλον: all optical 34

Σχεδίαση Οπτικών δικτύων κορμού Ένα Optical WDM network απλοποιεί το sharing τηςfiber capacity από διαφορετικές υπηρεσίες Από Α σε Β σε Α Από Β A WDM network may be realized by solving: Physical topology design (PTD) problem Lightpath topology design (LTD) problem Routing and wavelength assignment (RWA) problem 35

Σχεδίαση Οπτικών δικτύων κορμού Optical layer (WDM network) design Realizing connections over physical fibers using WDM network elements (OADMs, OXCs, OLTs etc.) Physical topology Optical nodes and fiber topology supporting the creation of lightpaths Lightpath (logical or virtual) topology (Topology seen by the client layer equipment (e.g. IP routers)) 36

Physical Topology Design (PTD) PTD problem Optimal node placement algorithms Optimal fiber placement algorithms Node placement algorithms constraints Cost of nodes and connecting the nodes Proximity to significant customer Fiber placement algorithms constraints Cost of deploying or leasing fibers Length of link (fiber impairments increase, EDFAs/OEOs required etc.) Network availability or reliability 37

Lightpath Topology Design (LTD) LTD constraints Link capacity 38

Routing & Wavelength Assignment (RWA) RWA problem: Given a physical network topology and a set of end-to-end lightpath requests, determine route and wavelengths Routing sub-problem: how to route a lightpath through various intermediate nodes within a network Constraints: 1. Route (fiber) length (Accumulated fiber impairments (EDFAs, OEOs, FEC etc. required) 2. Hop number (nodes passed) (Accumulated crosstalk, insertion loss) Wavelength assignment sub-problem: how to assign wavelength channel to different lightpaths Constraints Number of wavelengths: Only 18 channels available on CWDM wavelength grid και <100 channels available on DWDM wavelength grid Wavelength continuity : Same wavelength channel must be used between end-point 39

Σχεδίαση του physical layer ενός οπτικού δικτύου Επιλογή δομικών στοιχείων Fibers, transmitters, amplifiers etc. Αντιμετώπιση διαφόρων προβλημάτων (performance degradations) Προσφιορισμός των περιθωρίων ασφαλείας (margins (for each impairment) Physical layer must ensure reliable transport of bits Quality measure: are bit error rate (BER) and additional power budget margin 40

Μοντέλο συστήματος -System Model 41

Ποινές ισχύος- Power Penalty The required increase in signal power (in db) to maintain a required BER performance regardless of a particular performance impairment effect Reduction in electrical signal to noise ratio attributed to a specific impairment Accounts for effects of various system impairments 42

Ποινές ισχύος- Power Penalty Στην ιδανική περίπτωση:ber = 10 12 γ =7 or 20log(γ) =17 db Λόγω της επίδρασης των παραγόντων υποβάθμισης πρέπει να ληφθούν υπόψη ποινές ισχύος Each penalty calculated assuming rest of system is ideal This is only an approximate method because some impairments are related to each other 43

Δομικά στοιχεία Πρέπει να ληφθούν υπόψη λειτουργικά στοιχεία για τους Πομπούς: οπτικούς ενισχυτές (boost transmitter) power up to 50 mw (17dBm) Δέκτες 44

Overall Design Considerations 45