Le attuali reti di trasporto realizzano l'intero stack IP, Atm, SONET, DWDM. Chiaramente ciascun layer ha la sua funzione ma così tanti livelli non fanno altro che incrementare la complessità sia di gestione che di realizzazione. In aggiunta, si ha una inevitabile perdita di efficienza, che porta ad un utilizzo della banda totale disponibile soltanto al 50% per l'effettivo trasporto di informazione. L'obiettivo, attualmente, è semplificare questa struttura grazie all'utilizzo di generalized MPLS (GMPLS) per il trasporto IP e di un sottile strato protocollare di adattamento fra SONET e GMPLS.
WDM è una sigla che indica wavelenght division multiplexing, sostanzialmente corrisponde alla stessa operazione che si fa in TDM, ma anziché considerare il tempo si fa il multiplexing delle lunghezze d'onda. Questo comporta che diversi segnali occupino contemporaneamente la stessa fibra. Appositi ADM (add/drop multiplexer) e XC (cross-connect) provvedono poi a fare le operazioni di switching come avviene per il tempo nelle reti SONET.
Il WDM si applica in due varianti:
Coarse WDM: adopera solo 2 o 4 lunghezze d'onda distanti fra loro, per il trasporto dei dati;
Dense WDM: adopera una distanza minima fra le lunghezze d'onda, permettendone un gran numero sulla stessa fibra. In laboratorio si è riusciti ad introdurre fino a 1000 diverse lunghezze su di una singola fibra.
Esaminiamo i componenti di questa rete, che corrispondono sostanzialmente a quelli SONET:
Optical amplifier: sono amplificatori che amplificano interamente il segnale passante sulla fibra. In questo modo le varie lunghezze d'onda sono tutte amplificate. Per quanto questo amplificatore analogico tenti un'amplificazione lineare, in realtà questo comportamento ideale è difficilmente ottenibile, vengono infatti introdotti disturbi, inoltre, il rumore che accompagna il segnale viene anch'esso amplificato;
Regenerators: i rigeneratori risolvono i problemi degli OA estraendo le lunghezze d'onda, riconvertendole in digitale e rimodulando il segnale per trasmetterlo nuovamente in uscita del tutto rigenerato. Oltre a queste operazioni, anche il clock del segnale viene recuperato.
L'uso di OA e R assieme garantisce che mediamente i R siano a distanze 3 volte maggiori fra loro rispetto a quanto accade in SONET;
Optical Add/Drop Multiplexer: gli OADM sono funzionalmente equivalenti alle loro controparti SONET. Possono effettuare l'individuazione dei payload elettronicamente, add/drop elettronico, rimodulazione o semplice attraversamento e aggiunta dei segnali nelle nuove lunghezze d'onda d'uscita.
Per quanto ci siano tutte queste funzionalità è preferibile garantire che il semplice attraversamento avvenga interamente in dominio ottico, poiché le conversioni ottico-elettronico ed elettronico-ottico comportano un consistente incremento dei tempi. Tipicamente gli OADM vengono fatti con un numero di lunghezze d'onda destinate all'add/drop ed altre che passano in modo trasparente. E' possibile realizzare anche OADM in cui le lunghezze d'onda che vengono elaborate siano configurabili.
Figure 50: Optical Add/Drop multiplexer
Optical Cross-Connect(OXC): come nelle reti SONET, questi sono switch non bloccanti del traffico, che hanno il compito di commutare ogni fibra di ingresso verso ogni fibra di uscita, eseguendo la commutazione anche a livello di lunghezza d'onda singola che viaggia su di una fibra. Il problema critico è ancora una volta l'elaborazione dinamica di un segnale ottico. Allo stato attuale le conversioni di lunghezza d'onda non sono fattibili nel campo dell'ottico, quindi, è necessario riconvertire il segnale in elettrico, elaborarlo e successivamente ritornare all'ottico.
A seconda dei tipi di OXC adoperati, le reti ottiche vengono classificate in:
Nelle reti ottiche trasparenti gli OXC operano interamente in tecnologia ottica. Questo significa che i segnali subiscono un ritardo dato soltanto dal tempo di propagazione, fornendo di fatto un valore deterministico del delay e dei parametri di trasmissione in genere. Il problema è che al giorno d'oggi non è possibile fare l'elaborazione del segnale nel dominio ottico, è quindi impossibile cambiare la lunghezza d'onda dei flussi, che possono al massimo essere sottoposti ad uno switch da fibra a fibra. Attualmente, dunque, gli OXC nelle reti transparent non fanno altro che passare in blocco da una fibra di ingresso ad una fibra di uscita i segnali che viaggiano tutti su quella stessa fibra d'ingresso. Questa poca flessibilità nella gestione delle lunghezze d'onda comporta una accresciuta complessità nella risoluzione del problema dell'assegnazione delle lunghezze d'onda (RWA). E' necessario infatti stabilire a priori, fra tutti gli OXC interessati dalla comunicazione, quali lunghezze d'onda assegnare ai flussi. Questo problema, oltre ad essere NP-completo, comporta la necessità di uno spazio di indirizzamento di molto maggiore rispetto ad una analoga versione del problema che permette la riassegnazione delle lunghezze d'onda. Quest'ultima necessità non sorprende perché sostanzialmente i due casi corrispondono ad un indirizzamento globale l'uno e locale l'altro. In aggiunta, gli OXC totalmente in tecnologia ottica comportano che il segnale non venga rigenerato nel loro attraversamento, è dunque necessario prevedere un numero opportuno di regenerator lungo il percorso.
Il problema RWA, come precedentemente detto è molto complesso, si adottano due approcci per la sua risoluzione:
Off-line: si assume che tutti i percorsi da realizzare sulla rete siano conosciuti a priori. Utilizzando opportune ipotesi sul funzionamento della rete si calcola la soluzione al problema. Da notare che in questo modo, poiché la computazione è eseguita off-line ed una sola volta, è possibile utilizzare anche un algoritmo molto complesso con tempi di calcolo lunghi;
On-line: gli algoritmi on-line assegnano una lunghezza d'onda quando viene richiesta. Questo potrebbe anche portare ad una attesa perché tutte le lunghezza d'onda sono già assegnate. L'assegnazione di una nuova lunghezza d'onda avviene soltanto se non c'è nessun link lungo il percorso in cui quella lunghezza d'onda è già occupata. Chiaramente, questi algoritmi devono essere sufficientemente veloci, poiché sono eseguiti dinamicamente.
Le reti opache permettono il cambio di lunghezza d'onda in un percorso ricorrendo ad una conversione ottico-elettronico per l'elaborazione del segnale e la successiva conversione elettronico-ottico per la trasmissione. Il percorso composto dalle diverse lunghezze d'onda, fra due end point è detto virtual wavelength path (VWP). Questo approccio garantisce che non si verifichino più i problemi derivanti dal blocco delle lunghezze d'onda, inoltre, l'elaborazione elettronica permette di ottenere informazioni sui dati trasferiti e di allungare le distanza senza necessità di rigeneratori.
Chiaramente il passaggio all'elettronico per l'elaborazione del segnale comporta anche svantaggi, primo fra tutti il rallentamento del segnale, poiché al tempo di propagazione si aggiunge quello di elaborazione, inoltre, i dispositivi per la conversione ottico-elettronico sono molto costosi.
Le reti translucent sono reti che provano a trovare una via di mezzo fra i due precedenti approcci. L'idea di base è avere un numero relativamente piccolo i OXC opachi, per permettere la conversione delle lunghezze d'onda in punti strategici, con gli altri nodi tutti trasparenti. In particolare, è necessario almeno un nodo opaco su tre trasparenti per garantire che sia praticamente risolto il problema del blocco delle lunghezze d'onda.
GFP fornisce un modo per trasmettere su di un sistema di comunicazione tipo SONET segnali dati di tipo frame o comunque byte-oriented come sono quelli IP. Questo si ottiene aggiungendo alcune ulteriori informazioni ai dati trasferiti. In particolare è necessario fornire informazioni per la rigenerazione della tempificazione, un certo numero di transizioni nei bit per garantire che si recuperino piccole variazioni di jitter nel clock, informazioni per identificare correttamente i pacchetti all'interno del flusso dati seriale.
GbE consente di raggiungere la capacità di trasmissione di 1 Gbit in una connessione punto-punto, tramite 4 paia di cavi Cat.5 UTP. Rispetto alla tradizionale Ethernet viene abbandonato il concetto di condivisione del media, tramite CSMA/CD per passare ad un approccio totalmente switched. GbE è chiaramente poco costosa rispetto alle altre tecnologie, ma non garantisce l'affidabilità e precisione delle tecnologie su fibra ottica.
Tecnologia ancora più veloce è 10GbE che, anch'essa totalmente switched, può essere utilizzata, a differenza di GbE, anche per reti WAN. Per quanto ne condivida il nome, questa tecnologia non è compatibile con Ethernet, di cui condivide soltante il framing. 10GbE adopera infatti gli stessi protocolli di accesso dei livelli più alti di SONET, della quale, fra l'altro può riadoperare gran parte dello stesso hardware.
IP è il tipo dominante di traffico su rete e le nuove tecniche di trasporto sono sviluppate per trasportare questo tipo di traffico su fibra, è chiaro dunque che IP ha influenzato il piano dei dati di queste tecniche. Oltre a questo, queste tecniche sono state sviluppate anche nell'ottica di garantire modi per effettuare la topology discovery, routing e per lo stabilimento di circuiti virtuali da parte del piano di controllo di Internet. Solitamente questo modo tipo di approccio, poiché considera le esigenze di IP sia sul piano dati che su quello controllo, è detto Ip-centric control.
Tradizionalmente le reti di trasporto erano fatte per subire pochi cambiamenti nella loro configurazione, fatti, quando necessario, in un modo semi-manuale. Le nuove prospettive prevedono però la possibilità di realizzare path di onde luce dinamicamente. Questo approccio deve chiaramente essere supportato da una cooperazione distribuita fra i nodi, ottenuta tramite la topology discovery ed i protocolli di routing di Internet.
Procedendo in quest'ottica, dobbiamo tener presente che non è possibile modificare interamente l'intera struttura che regola le attuali reti per introdurre i nuovi approcci. E' dunque necessario tenere in conto quanto è già presente attualmente.
In particolare, il mondo delle reti è partito con una fortissima presenza di ATM che è stato via via soppiantato da SONET/SDH per il trasporto dei dati. L'introduzione della tecnologia DWDM non può essere che graduale in questo contesto. Un possibile approccio è quello di una coesistenza fra il mondo SONET e quello DWDM come mostrato in Figure 51.
Figure 51: Coesistenza SONET e DWDM
Su ogni porta ottica si può introdurre una evoluzione fatta in 3 passi:
Si comincia con l'introdurre l'hardware relativo all'utilizzo delle diverse frequenze solo in un approccio punto-punto;
Successivamente, si provvede ad inserire nella rete i WDM ADM;
Infine, si introducono anche i WDM OXC, completando così l'infrastruttura per il supporto totale a WDM.
Si otterrebbe dunque una condizione del tipo:
Figure 52: IP/OTN architecture
In realtà le scelte architetturali in questo caso possono essere due:
IP-over-DWDM: i router IP sono connessi direttamente al sistema di trasporto DWDM.
Figure 53: IP over DWDM
Questo approccio ha la capacità di trattare moli di dati nell'ordine dei centinaia di Gbps. Le funzioni di trasporto come lo switching, la configurazione, ecc. sono fatte direttamente dal layer IP e realizzate tramite protocolli come MPLS, ottenendo così un framework unificato. Questo garantisce che i router IP possano controllare la selezione dei percorsi end-to-end tramite meccanismi di Traffic Engineering ed appositi protocolli di signaling. Infine, questo modello garantisce la possibilità che i router interagiscano con i loro pari per lo scambio di informazioni di routing.
Il problema principale di questo approccio è che non si è certi che i router IP riescano a gestire un traffico nell'ordine dei terabit senza compromettere prestazioni, affidabilità, velocità di recupero e stabilità del software.
IP-over-OTN: l'alternativa è adoperare una backbone OXC riconfigurabileper collegare fra loro i router.
Figure 54: IP over OTN
Chiaramente ci sono degli svantaggi legati all'utilizzo degli OXC, primo fra tutti, l'aggiunta di un layer protocollare fra IP e DWDM che aumenta la complessità ed introduce un certo overhead. Fra l'altro questo approccio non consente di operare il traffic engineering in una visione globale, il che potrebbe causare inefficienze nella gestione del routing.
Per la gestione da parte dei router IP delle connessioni su fibra, si sono introdotti vari sistemi:
OSPF-TE: è un'estensione di OSPF che tiene conto della conoscenza degli attributi di link e nodi necessari alla realizzazione di meccanismi di traffic engineering;
MpλS: è una semplice modifica di MPLS per gestire i canali di luce come fossero LSP, che invece sostituisce le etichette con gli insiemi di lunghezze d'onda su quel link. L'unica differenza è nel tipo di switching fabric utilizzata (questo sistema non è più usato);
Generalized MPLS (GMPLS): è una generalizzazione del concetto di etichetta fornito da MPLS. Ogni risorsa di un canale di trasmissione può essere vista come una etichetta generalizzata. GMPLS, dunque, non fa altro che estendere MPLS fornendo il piano di controllo per la gestione di dispositivi che adoperano sistemi di switching basati sui seguenti domini: pacchetti, tempo, lunghezze d'onda, fibre. Il piano di controllo condiviso garantisce una maggior semplicità nella gestione delle operazioni di rete e nella gestione dinamica automatica delle connessioni, delle risorse e per la realizzazione della QoS.
In aggiunta, GMPLS supporta interamente le capacità di stack delle etichette per la gestione dell'aggregazione dei flussi o per la realizzazione di instradamenti in varie regioni o domini dove non si conoscono i dettagli interni di routing ma solo i punti di ingresso/uscita.