Architetture multistadio di commutazione ottica basate su dispositivi WRS

Introduzione 
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supporto fisico, dalle prime fibre multi modo si è passati a quelle  
singolo modo. Per quanto riguarda i sistemi numerici, la gerarchia 
numerica plesiocrona (PDH) è stata progressivamente sostituita dalla 
gerarchia sincrona (SDH). I sistemi appartenenti a quest’ultima classe 
permettono di realizzare particolari architetture di rete, basate su maglie 
ed anelli, che costituiscono il punto di partenza per la definizione di una 
rete di trasporto evoluta. 
 
 
 
Figura 1.1 : Evoluzione dell’utilizzazione delle tecnologie ottiche nella rete di 
trasporto. 
 
In particolare, la gerarchia numerica plesiocrona è stata 
progressivamente sostituita da quella sincrona, sia allo scopo di 
espandere la capacità dei collegamenti (si passa da ritmi binari variabili 
da 2 a 565 Mbit/s a ritmi binari SDH che vanno da 155.52 Mbit/s a circa 
10 Gbit/s), sia soprattutto per introdurre nella rete di trasporto la 
flessibilità offerta dall’SDH. Con quest’ultimo punto s’intende alludere 
alle funzionalità di instradamento, permutazione, aggiunta/estrazione 
(add/drop), controllo e gestione definite nello standard SDH e 
adeguatamente supportate dall’overhead previsto nei vari moduli SDH. 
Queste funzioni permettono di creare non solo un insieme di 
collegamenti punto-punto che costituisca la rete di trasmissione, ma una 
Introduzione 
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vera e propria rete “gestibile”, ovvero controllabile e modificabile 
secondo esigenze di traffico, di esercizio e di manutenzione. 
L’introduzione degli amplificatori ottici ha costituito il primo passo 
per la realizzazione di una rete di trasporto ottica che sfrutti a fondo la 
trasparenza (il concetto di trasparenza ottica sara’ chiarito 
successivamente). Tra le tecniche aperte al networking ottico quella che 
ha già raggiunto uno stato di consolidata maturità commerciale è la ben 
nota WDM, che e’ stata utilizzata inizialmente come alternativa alla 
multiplazione elettronica per aumentare la capacita’ di trasporto in fibra. 
Tuttavia essa, rendendo possibile l’instradamento su base lunghezza 
d’onda (wavelength routing), ha aperto la strada alla realizzazione con 
metodi ottici di funzionalità di rete ulteriori rispetto alla semplice 
trasmissione punto-punto, come evidenziato in figura 1.2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.2: Evoluzione delle reti in tecnologia WDM: (a) WDM come upgrade dei 
link ottici punto-punto;  (b) rete WDM ad anello;  (c) rete WDM 
magliata. 
 
Le attuali reti di trasporto ottiche (OTN - Optical Transport Network) 
sono essenzialmente delle reti a commutazione di circuito, in cui le 
Wavelength 
mux/demux 
Optical WDM 
add/drop multiplexer 
Optical WDM 
cross-connect 
(a) 
(b)
(c)
Introduzione 
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funzioni di swtching sono effettuate ricorrendo a tradizionali dispositivi 
elettronici che, richiedendo una doppia conversione (opto-elettrica ed 
elettro-ottica) della natura fisica dei segnali, costituiscono un vero collo 
di bottiglia ai nodi della rete.  
Per questo motivo, negli ultimi anni, si e’ assistito ad una notevole 
ricerca per la realizzazione di tecnologie all-optical in grado di superare 
gli attuali limiti imposti dall’elettronica. Oltre al gia’ citato wavelength 
routing, particolare interesse e’ stato posto sulle tecniche di 
commutazione ottica di pacchetto e di burst (Optical Packet Switching e 
Optical Burst Switching), anche in considerazione delle scelte fatte a 
livello internazionale sull’adozione dell’ATM (Asynchronous Transfer 
Mode) come standard trasmissivo per le reti larga banda e sullo sviluppo 
futuro di Internet. Sulla base di questo scenario, l’obbiettivo di questa 
tesi sarà quello di discutere alcuni dei problemi critici coinvolti nella 
implementazione di reti completamente ottiche, prestando specifica 
attenzione alle funzionalita’ di commutazione.  
In particolare, ci occuperemo di un nuovo tipo di switch 
completamente ottico denominato WRS (Wavelength Recognizing 
Switch) [1,2]: tale dispositivo consente l’instradamento di pacchetti ottici 
in maniera flessibile, mantenendo l’elaborazione degli headers nel 
dominio ottico, e puo’ essere impiegato entro reti di interconnessione 
multistadio (OMINs – Optical Multistage Interconnection Networks) 
consentendo la costruzione di architetture di commutazione modulari.  
Proporremo ed analizzeremo una struttura di interconnessione basata 
su una topologia Omega, in cui gli stadi sono formati da moduli WRS, 
focalizzando l’attenzione sia sulle procedure interne di routing, sia sulla 
gestione delle lunghezze d’onda di controllo utilizzate dai WRS per 
l’instradamento all’interno della rete di commutazione.  
Capitolo 2 
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2. RETI OTTICHE 
 
 
Una rete di telecomunicazioni può essere definita come un sistema che 
permette la trasmissione di informazioni da un capo all’altro della rete 
stessa, consentendo un indirizzamento universale. Quindi una rete deve 
implementare al proprio interno sia delle funzionalità per il trasporto 
dell’informazione, sia delle funzionalità per l’indirizzamento e per la 
commutazione (switching). A partite da tale modello concettuale, il 
modello fisico per una rete di trasporto ottica è costituito da nodi di 
commutazione, il cui compito è quello di riconoscere le richieste per 
l’apertura di una connessione e fare in modo che i dati relativi a tale 
connessione arrivino al nodo di destinazione, interconnessi tramite link 
in fibra ottica (tipicamente punto-punto), che trasportano segnali WDM. 
L’architettura della rete di trasporto comprende tre strati: 
™ Strato di circuito (Circuit Layer) 
™ Strato di cammino (Path Layer) 
™ Strato dei mezzi trasmissivi (Transmission Media Layer) 
Lo strato di circuito fornisce connessioni (circuiti) da estremo ad 
estremo instaurati e rilasciati per mezzo di comandi inviati a sistemi di 
commutazione. Le connessioni dello strato di circuito possono essere 
usate per diversi tipi di trasferimento e di servizio. 
La rete a livello dello strato dei mezzi trasmissivi costituisce la rete 
fisica di interconnessione tra i nodi e tra nodi e postazione degli utenti. 
Essa è realizzata secondo esigenze di interconnessione di lungo termine, 
stabilite cioè su una scala temporale di ordini di grandezza più estesa di 
quella tipica dello strato di circuito, e deve tenere conto della 
dislocazione geografica dei nodi e degli utenti.  
Lo strato di cammino crea un ponte tra i due strati estremi 
dell’architettura di trasporto ed è caratterizzato da elementi nodali che 
Capitolo 2 
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permettono di associare in modo variabile i cammini di rete. Esso gioca 
un ruolo importante nel rendere flessibile ed affidabile la rete di 
trasporto. 
Un importante aspetto dello strato di cammino ottico e’ la cosiddetta 
“trasparenza” al formato dei dati trasferiti; lo strato di cammino ottico 
fornisce cioe’ una piattaforma sulla quale i diversi formati di 
trasmissione (PDH, SDH, ATM, segnali analogici o altro) possono essere 
contemporaneamente supportati. Questo significa che un’unica 
infrastruttura di rete di trasporto basata sullo strato di cammino ottico 
puo’ essere presa come piattaforma trasmissiva per una molteplicita’ di 
reti coesistenti e indipendenti. Il problema cruciale per le reti di trasporto 
ottiche risiede evidentemente nei nodi della rete dove devono essere 
realizzate le funzioni di commutazione ed instradamento.  
La maggior parte delle reti attuali impiegano una elaborazione 
elettronica, ed usano la fibra ottica solo come mezzo trasmissivo. Le 
operazioni di commutazione sono cioe’ effettuate convertendo un 
segnale ottico alla sua forma elettronica “nativa”. Tali reti si basano su 
commutatori elettronici che forniscono un alto grado di funzionalita’ e 
flessibilita’ in termini di funzioni di commutazione ed instradamento; 
tuttavia, la velocita’ dei dispositivi elettronici non e’ in grado di 
competere con l’ampiezza di banda della fibra ottica. Inoltre, la 
conversione elettro-ottica e viceversa in un nodo intermedio della rete 
introduce un elemento di complessita’ e degrado prestazionale tanto 
maggiore quanto maggiore e’ il rate del segnale ottico da trattare.  
Questi fattori stanno quindi motivando lo studio e lo sviluppo di 
apparati di commutazione che siano in grado di trattare i segnali senza 
ricorrere ad alcuna conversione opto-elettronica. La disponibilità di 
dispositivi affidabili e relativamente economici per realizzare sistemi 
WDM ha oggi raggiunto un sufficiente livello di maturità per divenire il 
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fattore abilitante decisivo per lo sviluppo di uno strato di cammino ottico 
basato su questa tecnica. In un futuro a più lungo termine, lo strato di 
cammino ottico potrebbe essere il supporto per l’adozione di modalità di 
trasferimento a pacchetto, portando alla realizzazione di reti all-optical.  
 
 
2.1 COMMUTAZIONE OTTICA 
 
 
La commutazione e’, come gia’ detto, una funzione che ha sede nei 
nodi della rete e le cui caratteristiche dipendono dal protocollo che si usa 
per la trasmissione dell’informazione. Lo scopo della commutazione e’ 
quello di attuare il trasferimento dell’informazione tra il nodo sorgente 
ed il nodo di destinazione. In ambito elettronico le due tecniche di 
commutazione utilizzate sono il circuit switching ed il packet switching. 
Nelle reti a commutazione di circuito la funzione di swtching e’ 
generalmente collocata ad un livello molto basso dell’architettura 
protocollare (quasi sempre al livello fisico), in quanto in questo tipo di 
reti le risorse vengono pre-allocate all’instaurazione della connessione 
(in una fase detta di set-up del circuito) e quindi anche le risorse di 
commutazione vengono fisicamente assegnate ad un circuito per tutta la 
durata della comunicazione. In pratica, se la fase di set-up va a buon 
fine, la rete “scompare”, nel senso che i nodi e’ come se fossero collegati 
tramite un link (virtuale) esteso punto-punto tra sorgente e destinazione. 
Al contrario, nelle reti a commutazione di pacchetto le risorse fisiche 
non vengono pre-assegnate ad una singola connessione, ma vengono 
allocate nel momento in cui il pacchetto si presenta al nodo per la 
commutazione. Ogni pacchetto viene cioe’ trattato in modo autonomo, in 
base alle informazioni contenute nel suo header, e le risorse di 
commutazione del nodo vengono utilizzate solo per il tempo necessario 
al trasferimento del pacchetto. Entrambe queste due tecniche di 
Capitolo 2 
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commutazione trovano una corrispondente trasposizione nell’ambito del 
networking ottico (si parla rispettivamente di  wavelength routing e di 
optical packet switching), anche se i problemi tecnologici posti sono 
ancora, per certi versi, lontani dall’essere risolti. Il wavelength routing e’ 
sostanzialmente una forma di commutazione di circuito espletata nel 
dominio della lunghezza d’onda e sembra essere attualmente la 
tecnologia piu’ promettente per sfruttare le potenzialita’ offerte dalla 
trasmissione WDM, non richiedendo infatti alcuna conversione opto-
elettronica ai nodi della rete.  
Al contrario, l’optical packet switching resta invece ancora confinato 
in una fase di ricerca sperimentale: il problema piu’ significativo in tal 
senso e’ costituito dalla mancanza di tecnologie per l’implementazione 
di memorie ottiche, necessarie nel contesto della commutazione a 
pacchetto. Una interessante tecnologia alternativa alle due precedenti 
sembra oggi essere l’optical burst switching: questa tecnica cerca di 
combinare le migliori caratteristiche del circuit e del packet switching 
superando al tempo stesso i limiti tecnologici da essi imposti. Nel corso 
delle sezioni seguenti queste tre tecniche di commutazione verranno 
discusse approfonditamente. 
Capitolo 2 
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2.2 WAVELENGTH ROUTING 
 
 
Il wavelength routing e’ una tecnica che consente di effettuare 
l’instradamento su base lunghezza d’onda senza la necessita’ di 
conversioni opto-elettroniche. In tale scenario, i nodi di commutazione 
della rete di trasporto ottica sono costituiti da OXC (Optical Cross 
Connect) la cui funzione e’ quella di fornire dei cammini (lightpaths) tra 
i canali di ingresso ed uscita del nodo tramite operazioni eseguite 
esclusivamente nel dominio ottico. Ciascun canale e’ identificato dalla 
sua fibra di ingresso (uscita) e dalla sua lunghezza d’onda di ingresso 
(uscita). L’instradamento di un segnale verso una certa porta di output (e 
su una data lunghezza d’onda) viene determinato esclusivamente dalla 
porta e dalla lunghezza d’onda di ingresso che trasporta il segnale. 
I requisiti che un OXC deve soddisfare sono: 
™ modularita� in fibra: corrisponde alla possibilità di variare il 
numero di porte (aggiunta di fibre) di ingresso e di uscita senza 
modificare la struttura interna del nodo. 
™ modularita� in lunghezza d�onda: corrisponde alla possibilità di 
variare il numero di lunghezze d’onda del segnale  WDM senza 
modificare la struttura interna del nodo. 
™ flessibilita� di add-and-drop: il numero di canali terminati ed 
inseriti da un OXC può variare in dipendenza dalla variazione del 
traffico gestito dalla rete; un OXC deve poter supportare tale 
variazione senza modifiche strutturali. 
Nella maggior parte delle attuali implementazioni di OXC, 
l’operazione di switching avviene tramite matrici di commutazione 
spaziali: in pratica, ciascun segnale WDM in ingresso viene demultiplato 
e ad ogni lunghezza d’onda viene assegnato un percorso fisico distinto. 
A valle della matrice avviene poi la composizione del segnale WDM da 
Capitolo 2 
 10
trasmettere sulle porte di uscita. In figura 2.2.1 viene illustrato un 
possibile schema di optical cross connect.  
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.2.1: Schema funzionale di un OXC. (TF: Tunable filters). 
 
Come si puo’ osservare, l�OXC e’ costituito da N fibre di ingresso (e 
di uscita) ciascuna delle quali e’ di supporto ad un canale WDM 
composto da M lunghezze d’onda (λ
1
, λ
2
, ... λ
M
); lo schema prevede 
inoltre la terminazione (drop) e l’inserimento (add) di M lunghezze 
d’onda verso e da le interfacce locali. I segnali in ingresso sono 
dapprima replicati M volte attraverso l’utilizzazione di splitter ottici; 
successivamente ogni replica del segnale attraversa un filtro 
sintonizzabile (TF) che provvede ad isolare il canale (in lunghezza 
d’onda) desiderato. I canali così discriminati sono poi inviati verso un 
banco di M matrici di commutazione, una per ogni lunghezza d’onda, di 
dimensione (N+1) x (N+1). Si noti quindi che la i-esima matrice gestisce 
canali entranti tutti della stessa lunghezza d’onda λ
i
. 
Matrice  
Spaziale 
(N+1) x (N+1)
Matrice  
Spaziale 
(N+1) x (N+1)
Matrice  
Spaziale 
(N+1) x (N+1)
TF
1
2
N
Tx blocks Rx blocks 
1
2
N
λ
1 
λ
2 
λ
M