Le reti ottiche e la loro evoluzione negli standard

In questo articolo viene messo in evidenza come i diversi segmenti di rete fissa abbiano requisiti molto diversi e si dà anche un quadro di quali standard presiedano alla definizione delle soluzioni tecnologiche. In molti casi anche per un solo segmento esistono diverse soluzioni alternative, che vanno valutate a seconda dello scenario di applicazione e dei requisiti che ne derivano, con specifiche standard diverse per ciascuna. Per questa ragione non è facile dare un quadro omogeneo di tutte le attività di standardizzazione per le reti ottiche e in questo lavoro si è cercato di evidenziare per ciascun segmento i fattori di maggiore interesse che le guidano.

 

1 - La rete ottica d’accesso

1.1 - L’evoluzione dei sistemi PON

NG-PON2, il più innovativo sistema PON attualmente in fase di standardizzazione da parte di ITU-T, è il risultato di numerosi anni di sviluppo e standardizzazione, iniziati già alla fine degli anni ’90, dei sistemi trasmissivi in tecnologia PON per la rete di accesso a larga banda. L’ultimo passo, nel percorso evolutivo che ha preceduto l’attuale fase di standardizzazione della NG-PON2, è stato quello relativo alla standardizzazione della tecnologia XG-PON (2010), che ha consentito di ottenere un forte incremento di capacità trasmissiva rispetto alla precedente generazione dei sistemi GPON (da 2,5/1,25 Gbit/s a 10/2,5 Gbit/s). I sistemi XG-PON, sebbene disponibili già da qualche anno, non sono ancora diffusi in rete se non a livello di sperimentazione o in forma molto limitata (p.es. Verizon negli USA e BT in Cornovaglia).
Si noti che le nuove generazioni di sistemi PON possono funzionare sulla stessa infrastruttura di rete ottica ad albero, basata su diramatori ottici passivi (power splitter), sviluppata per le precedenti generazioni; questo è sempre stato un requisito fondamentale imposto dagli Operatori per evitare costosi interventi di adeguamento della infrastruttura di rete. Inoltre, i nuovi sistemi XG-PON possono coesistere sulla stessa fibra ottica con i sistemi GPON, grazie all’utilizzo di una differente allocazione di lunghezze d’onda; questo consente all’Operatore di introdurre gradualmente in rete il nuovo sistema XG-PON per offrire il servizio a maggior capacità solo dove necessario, senza arrecare disservizio ad altri utenti che condividono la stessa infrastruttura in fibra.
Va ricordato che un percorso parallelo di standardizzazione in IEEE ha condotto alla specifica dei sistemi GEPON/10GEPON (802.3ah/802.3av), diffusi principalmente nel sud-est asiatico. Rispetto ai sistemi PON a standard ITU-T, quelli a standard IEEE hanno una gestione della qualità del servizio meno sviluppata e non prevedono funzionalità di crittografia, autenticazione e protezione di rete; per contro supportano la modalità dual-rate, che consente di utilizzare una sola porta ottica della OLT (Optical Line Termination, in centrale) per comunicare sia con ONT (Optical Network Termination, terminazione di rete vicina all’utente) 10/1G che con ONT 10/10G.

1.2 - I sistemi NG-PON2

Dopo un’attenta valutazione delle possibili alternative tecnologiche (2012), Operatori e Costruttori di apparati concordarono, nell’ambito del gruppo di interesse FSAN, di indirizzare l’ulteriore sviluppo dei sistemi PON verso sistemi a capacità ancora più elevata, evitando però significativi salti tecnologici per contenere il costo dei nuovi sistemi, scegliendo una soluzione che per quanto possibile fosse ancora fondata sulla tecnologia esistente, evitando ad esempio tecniche trasmissive per lunga distanza basate su ottica coerente, troppo costose, ma con l’aggiunta di nuove funzionalità e prestazioni.
In un sistema NG-PON2, l’incremento di capacità trasmissiva rispetto ai sistemi XG-PON è ottenuto mediante la sovrapposizione di più sistemi operanti a lunghezze d’onda differenti, realizzando cioè un sistema di trasmissione ottica multi-canale. In linea di principio, questa sovrapposizione appare semplice da realizzare, in realtà bisogna tener conto di alcuni fenomeni. Un requisito fondamentale che si è voluto naturalmente mantenere è  quello che il nuovo sistema potesse funzionare sulle infrastrutture di rete ottica esistenti, usate per sistemi PON di generazione precedente. Inoltre, onde evitare di dover specializzare le ONU in base alla lunghezza d’onda del canale di lavoro, si è concordato che le ONU fossero colorless, cioè basate su ricetrasmettitori ottici sintonizzabili. Questa è sicuramente la maggior innovazione introdotta poiché dispositivi ottici sintonizzabili e a basso costo, proponibili per un utilizzo in rete di accesso, non sono ancora disponibili e richiedono un certo sforzo di sviluppo tecnologico.
Lo standard NG-PON2 (serie di raccomandazioni ITU-T G.989.x) prevede due possibili opzioni, denominate TWDM PON e PtP WDM PON. La prima specifica un sistema in cui ciascun canale ottico è condiviso tra più utenti; la seconda un sistema in cui ciascun canale ottico è dedicato al singolo utente (punto-punto logico su rete punto-multipunto). Entrambi i sistemi possono coesistere sulla stessa fibra ottica grazie all’utilizzo di un’opportuna allocazione spettrale, definita per consentire la coesistenza con i sistemi PON di generazione precedente, oltre a quello utilizzato per la distribuzione di segnali CATV  [nota 1]. Si può quindi facilmente comprendere come non sia stato banale individuare nello spettro ottico utilizzabile (1260-1675 nm per trasmissione su fibra ottica monomodale) lo spazio sufficiente ad accogliere il nuovo sistema, considerato anche che i sistemi di più vecchia generazione occupano finestre spettrali abbastanza ampie. La spaziatura tra i canali del sistema NG-PON2 è di tipo DWDM, cioè molto stretta, pari a 100 GHz (in upstream sono previste opzioni con spaziatura da 50 a 200 GHz). Inoltre sono previsti varie classi di attenuazione della ODN, con requisiti diversi di sistema per ognuna, e l’impiego o meno di amplificatori ottici in upstream. Tutto questo ai fini di poter adattare alla topologia ed architettura scelte le caratteristiche degli apparati, con fattori di ripartizione fino a 1:256 per la ODN [nota 2].  La trasmissione nei due versi downstream e upstream avviene sulla medesima fibra ottica, tramite multiplazione di lunghezza d’onda (come nelle precedenti generazioni di sistemi PON). Le specifiche prevedono infine due opzioni di distanza massima in fibra: 20 km e 40 km.

1.2.1 - Il sistema TWDM PON

Come accennato in precedenza, un sistema NG-PON2 TWDM PON offre un incremento di capacità trasmissiva rispetto al sistema XG-PON grazie all’utilizzo di più canali trasmissivi (fino a 8). Il principio di funzionamento di un sistema NG-PON2 TWDM PON a quattro canali è illustrato nella Figura 1. Quattro lunghezze d’onda (nell’intervallo 1596-1603 nm) sono utilizzate per la trasmissione in downstream (da OLT a ONU) e ulteriori quattro lunghezze d’onda (nell’intervallo 1524-1544 nm) sono utilizzate per la trasmissione in upstream (da ONU a OLT), in entrambi i casi con tecnica a divisione di tempo . La OLT è dotata di quattro ricetrasmettitori ottici, ciascuno in grado di trasmettere su una diversa coppia di lunghezze d’onda  dowstream/upstream e di un multiplatore di lunghezza d’onda per combinare tra loro i differenti canali. La rete ottica è una rete di distribuzione completamente passiva, realizzata con diramatori ottici con fattore di ripartizione tipicamente 1:32 o 1:64. Le ONU sono dotate di ricetrasmettitori ottici sintonizzabili per poter selezionare il canale di lavoro tra i quattro possibili. Le velocità di trasmissione downstream/upstream ammesse per canale sono 2,5/2,5, 10/2,5 e 10/10 Gbit/s, potendo differenti canali funzionare anche a diverse velocità. La capacità massima del sistema TWDM è perciò di 80/80 Gbit/s (8 canali a 10/10 Gbit/s).

 

Figura 1 - Schema di funzionamento di un sistema NG-PON2 TWDM PON a quattro canali upstream/downstream

L’applicazione principale del sistema TWDM PON è quella di incremento di capacità trasmissiva di sistemi PON di generazione precedente, soprattutto laddove l’Operatore vuole offrire nuovi servizi ad altissima velocità ad utenza pregiata.

1.2.2 - Il sistema PtP WDM PON

Il sistema PtP WDM PON offre la possibilità di realizzare collegamenti virtuali punto-punto su una rete ottica passiva punto-multipunto, assegnando a ciascuna ONU un canale trasmissivo dedicato (coppia di lunghezze d’onda per la trasmissione downstream/upstream); può inoltre operare in sovrapposizione, sulla stessa fibra ottica, al sistema TWDM PON, come illustrato nella Figura 2. Lo standard G.989.2 prevede due diverse opzioni di allocazione spettrale: Shared (1603-1625 nm) ed Expanded (1524-1625 nm). La prima è prevista in caso di coesistenza con altri sistemi PON sulla stessa fibra ottica; la seconda opzione prevede invece il riuso di finestre spettrali non utilizzate da altri sistemi PON. Ciascun canale può lavorare a velocità comprese tra circa 1 Gbit/s e circa 10 Gbit/s e consente il trasporto trasparente di flussi clienti di vario tipo (SDH, OTN, Ethernet, CPRI, …).
Un’applicazione tipica del sistema PtP WDM PON è per offrire servizio a clienti affari che necessitano di elevata capacità trasmissiva dedicata. Un’altra applicazione, che potrebbe trovare larga diffusione nel prossimo futuro, è quella cosiddetta di “fronthauling”, cioè di interconnessione tra antenne e stazioni radiobase del sistema radiomobile, negli scenari (p.es. C-RAN) in cui varie stazioni radiobase sono concentrate in un sito che coordina molte antenne.

 

Figura 2 - Principio di funzionamento di un sistema PtP WDM in sovrapposizione al sistemam TWDM

1.2.3 - Le principali sfide tecnologiche

Una novità introdotta nei sistemi NG-PON2 è, come detto in precedenza, l’utilizzo di più canali trasmissivi separati in base alla lunghezza d’onda ottica e ciò richiede, per la massima facilità e flessibilità operativa, l’utilizzo di ricetrasmettitori ottici sintonizzabili nelle ONU. La prima sfida tecnologica è proprio quella di realizzare filtri ottici e laser sintonizzabili, su un intervallo di lunghezze d’onda sufficientemente ampio da coprire tutti i canali di funzionamento del sistema TWDM o PtP WDM, con le dovute precisione e stabilità e soprattutto a basso costo. Al momento la soluzione migliore sembra essere quella di utilizzare, nella ONU, dispositivi ottici sintonizzabili non pre-calibrati in lunghezza d’onda in fabbrica, perché la procedura di calibrazione è particolarmente costosa. Questo significa che tali dispositivi (ricevitori e trasmettitori) devono subire una sorta di processo di calibrazione all’atto della loro messa in funzione sulla rete. Mentre ciò può essere facilmente raggiungibile in downstream (il ricevitore della ONU è in grado di stabilire il punto di sintonizzazione ottimale su ciascun canale downstream), altrettanto non può dirsi per la parte upstream: essendo non calibrato, il trasmettitore potrebbe emettere inizialmente su uno qualsiasi dei canali e bisogna evitare che ciò accada per non disturbare  la comunicazione delle altre ONU. La soluzione più diretta è quella che prevede l’interruzione momentanea del traffico contemporaneamente su tutti i canali durante questa fase di calibrazione; altre soluzioni, basate sull’uso di tecniche low-level low-frequency, sono tuttora in fase di studio.
Una caratteristica importante dei dispositivi ottici sintonizzabili è la velocità di sintonizzazione, cioè il tempo massimo necessario per passare da un canale di lavoro ad uno diverso. La raccomandazione G.989.2 definisce tre classi di velocità con tempi massimi di sintonizzazione di 10 μs, 25 ms, 1 s; con i dispositivi più veloci sono per esempio realizzabili funzionalità di protezione di rete entro i 50 ms, di bilanciamento/trasferimento del carico tra i canali (anche ai fini di risparmio di energetico) fino ad arrivare a un’allocazione dinamica della banda che sfrutta anche la dimensione della lunghezza d’onda ottica oltre a quella temporale tipica della tecnica TDMA.
Sempre allo scopo di contenere il costo e il consumo elettrico della ONU, difficilmente si può pensare di ricorrere a laser con elevata stabilità o stabilizzati termicamente in lunghezza d’onda, come è invece tipico nei sistemi trasmissivi per la rete a lunga distanza. La stabilizzazione della lunghezza d’onda di trasmissione viene perciò più facilmente ottenuta tramite un controllo ad anello chiuso che include la OLT (tecnica di dithering): la OLT comanda la ONU a trasmettere alternativamente su due lunghezze d’onda a cavallo di quella nominale e, grazie ad una misura di potenza ottica ricevuta o di BER, riconosce se il trasmettitore della ONU è sintonizzato in maniera ottimale o necessita di una correzione. Il principio di funzionamento di questo meccanismo di aggancio e stabilizzazione della lunghezza d’onda di trasmissione della ONU è illustrato in Figura 3.

 

Figura 3 - Tecnica di dithering per la stabilizzazione in lunghezza d’onda del segnale

A causa dell’elevata potenza ottica di trasmissione (la OLT può arrivare a trasmettere fino a circa 20dBm per un sistema TWDM a 8 canali), è stato necessario considerare, nella definizione delle specifiche del livello ottico, anche l’eventuale effetto di fenomeni non lineari in fibra e in particolare l’effetto Raman che, in certe condizioni, può divenire rilevante, per esempio quando il sistema NG-PON2 condivide la rete in fibra con un sistema GPON, poiché causa un’attenuazione apparente del segnale ottico alla lunghezza d’onda da questo utilizzata in downstream. Un altro aspetto legato all’effetto Raman, di cui si è tenuto conto nello standard NG-PON2, è l’attenuazione apparente causata dai canali TWDM downstream su quelli upstream (intorno a 1530 nm).
Un altro effetto che è stato necessario considerare è quello del crosstalk tra i vari canali e tra le varie bande ottiche utilizzate e in particolare quello del crosstalk di tipo interferometrico [nota 3] causato dalle emissioni spurie dei trasmettitori ottici (a lunghezze d’onda diverse da quella di picco), che hanno livello molto basso, ma non nullo. Quando molti trasmettitori (ONU) lavorano su canali molto vicini tra loro, tali emissioni si sommano e invadono i canali adiacenti, causando interferenza reciproca tra i vari canali. La raccomandazione G.989.2 specifica per questo motivo i livelli massimi di emissione spuria (fuori canale e fuori banda) per i trasmettitori ottici e la tolleranza al crosstalk del ricevitore, cioè il livello di crosstalk al quale deve essere garantita la sensibilità del ricevitore stesso (potenza di ricezione minima per il BER specificato).

1.2.4 - Evoluzione

Mentre lo standard per i sistemi NG-PON2 è in fase di completamento, alcuni Costruttori hanno già sviluppato dei dimostratori di fattibilità e prevedono di poter offrire i primi prodotti, con funzionalità base, entro la fine del 2015. Sarà però presumibilmente a partire dal 2016 che si vedranno prodotti sufficientemente maturi per un dispiegamento in campo di questa nuova tecnologia, sempre a patto che la richiesta da parte degli Operatori sarà confermata.
Si prevede che alcune migliorie potranno ancora essere introdotte negli standard che definiscono i sistemi NG-PON2, principalmente per incrementarne ulteriormente la capacità di trasmissione ed eventualmente anche il budget di potenza ottica. L’incremento di capacità trasmissiva può essere ottenuto incrementando il numero dei canali di lavoro, soprattutto nel caso del sistema PtP WDM PON, che può utilizzare uno spettro anche molto ampio, quando non è richiesta la coesistenza con altri sistemi, oppure incrementando la velocità trasmissiva downstream/upstream di ciascun canale, considerando che la tecnologia dei ricetrasmettitori ottici è in rapido sviluppo, grazie all’introduzione dei sistemi trasmissivi per l’Ethernet a 40 e 100 Gbit/s. Per un incremento significativo del budget di potenza ottica bisognerà invece probabilmente ricorrere a tecnologie ottiche coerenti, che potrebbero essere alla base di una futura generazione di sistemi PON.

 

2 - Gli standard per la rete di trasporto ottica e le reti dati

La rete di trasporto ha lo scopo di trasportare informazioni in modo efficiente ed affidabile fra i diversi nodi che costituiscono la rete.
In particolare, essa collega i nodi della rete di accesso ai nodi che forniscono i servizi ed è costituita da due segmenti distinti:

  • il segmento metro/regionale, aggrega il traffico proveniente dalla rete di accesso verso PoP nei quali sono presenti i nodi di servizio;
  • la rete di lunga distanza (backbone) che collega i PoP fra loro e ai gateway internazionali verso Internet.

Si tratta di una rete convergente che trasporta insieme sia il traffico fisso che quello mobile, per tutte le tipologie  di clientela (retail, business, top, wholesale).
La progressiva convergenza di tutti i servizi su IP sta portando ad una semplificazione della rete di trasporto che oggi è essenzialmente basata su due livelli:

  • uno strato a pacchetto, con lo scopo di effettuare una aggregazione efficiente del traffico;
  • uno strato ottico che ottimizza l’uso della fibra ottica, fornendo una serie di connessioni a banda molto elevata mediante la multiplazione a divisione di lunghezza d’onda (WDM).

Nel seguito dell’articolo si utilizza per semplicità il termine rete di trasporto per indicare insieme questi due strati.
Questo processo di semplificazione, ancora in corso, dovrebbe portare con il tempo ad una analoga semplificazione degli standard.
Come per la rete di accesso, anche le  attività di standardizzazione per la rete di trasporto sono  svolte in più enti. I principali sono ITU-T, IETF e IEEE. Fra essi esistono accordi per evitare sovrapposizioni sugli stessi temi, ma in alcuni casi tali accordi non riescono ad evitare duplicazioni di attività e conflitti.

2.1 - Le Reti dati

Gli standard relativi alle reti dati sono sviluppati principalmente da IETF (Internet Engineering Task Force), una grande Comunità internazionale aperta ai progettisti di reti, agli Operatori, ai fornitori e ai ricercatori interessati allo sviluppo dell'architettura di Internet e al regolare funzionamento di Internet, anche come semplici individui e non rappresentanti di specifici membri dell’industry.
Le attività in IETF sono svolte in Working Group organizzati in Aree a seconda dei temi.
Per gli aspetti di trasporto e dello strato IP, Telecom Italia segue in particolare i Working Group della RTG (Routing Area), che ha la responsabilità di assicurare la continuità operativa del sistema di routing di Internet, garantendo le caratteristiche di scalabilità e stabilità dei protocolli esistenti e definendo loro estensioni oppure nuovi protocolli quando occorre rendere disponibili nuove funzionalità.
Sono di interesse anche alcune attività svolte all’interno della TSV (Transport and Services Area), che si occupa dei meccanismi di trasporto end-to-end delle informazioni, e le tematiche relative alla Transport SDN, trattate all’interno della  OPS (Operations and Management Area).
Una delle tematiche di grande interesse per Telecom Italia è quella del performance monitoring della rete e del  traffico, trattata principalmente nell’ambito della Routing Area. La disponibilità di funzionalità di performance monitoring è essenziale per due applicazioni: verificare il corretto funzionamento della rete e misurare la qualità del traffico di un certo cliente, allo scopo di verificare il raggiungimento di specifici SLA (Service Level Agreement).
Telecom Italia ha sviluppato e brevettato una metodologia di performance monitoring, denominata PNPM (Packet Network Performance Monitoring) che, basandosi su una marcatura del traffico e su meccanismi di time-stamping, consente di effettuare misure di performance in servizio e direttamente sul traffico reale. Si hanno quindi i due vantaggi  di non dover interrompere il servizio per fare delle misure e allo stesso tempo di ottenere i risultati più realistici possibili.
Per la verifica di SLA, PNPM risulta più vantaggioso rispetto ad altre procedure che effettuano le misure in servizio mediante l’aggiunta di traffico artificiale perché può essere utilizzata per misurare le prestazioni sul traffico reale del singolo cliente. La descrizione dettagliata del metodo è data nel box di approfondimento ‘PNPM: dal brevetto allo standard’. La metodologia brevettata per le misure passive di packet loss, delay e jitter su traffico IP reale è stata inclusa nel documento draft-tempia-ippm-p3m-00, a firma tutta Telecom Italia, presentato nel Working Group IPPM (IP Performance Metrics). Altri due documenti nell’ambito dello stesso Working Group definiscono l’applicazione pratica della metodologia (draft-chen-ippm-coloring-based-ipfpm-framework-03, in collaborazione con Ericsson e Huawei) e la classificazione dei metodi di misura attivi e passivi mettendo in risalto i pregi del PNPM. (draft-morton-ippm-active-passive-01). L’obiettivo per il futuro è quello di ampliare la metodologia PNPM anche per le misure attive, con un nuovo draft che estenda la portata di questi metodi rispetto ai documenti sopra descritti.
Oltre che per il traffico IP, la metodologia PNPM può essere utilizzata anche a livello di MPLS (Multi-Protocol Label Switching), la tecnologia usata in rete principalmente per funzionalità di Traffic Engineering e per la realizzazione di VPN. In pratica, essa si basa sulla creazione di canali di comunicazione a un livello intermedio (MPLS appunto), sotto l’IP, semplificando le operazioni di routing per flussi di traffico affini per requisiti di servizio o destinazione. Infatti alcuni draft ne propongono l’uso per migliorare l’RFC6374, standard di riferimento per le misure di packet loss, delay e jitter per reti MPLS (draft-bryant-mpls-flow-ident-01, draft-bryant-mpls-synonymous-flow-labels-00, draft-bryant-mpls-sfl-control-00, draft-bryant-mpls-rfc6374-over-udp-00).
Oltre al performance monitoring sono di notevole interesse diverse altre attività per l’evoluzione della tecnologia MPLS, in particolare l’uso di MPLS su topologie di rete ad anello ed alcune estensioni del protocollo RSVP, anche queste oggetto di Internet Draft in fase di sviluppo nei gruppi IETF.
Sempre all’interno della Routing Area di IETF, partendo da requisiti elaborati in ITU-T, è stato recentemente standardizzato il MPLS-TP (Transport Profile di MPLS) con funzionalità di OAM e protezione potenziate rispetto alla versione base di MPLS.  Questa tecnologia è una variante del MPLS, adatta ad una rete di trasporto senza piano di controllo, ma dotata di un sistema di gestione centralizzato.
Telecom Italia attualmente utilizza tale tecnologia nella rete di backhaul di TIM Brasil (circa 5000 apparati di trasporto in tecnologia MPLS-TP sono stati installati in Brasile negli ultimi 5 anni) e nelle parti regionali della rete  domestica.
L’insieme di standard relativi a questa tecnologia è ormai quasi completo. Rimangono in ambito IETF alcuni argomenti riguardo a meccanismi di protezione evoluti: ad esempio dual-homing protection (draft Telecomitalia :“draft-ietf-pals-mpls-tp-dual-homing-protection-00”) e multi- segment pseudowire protection (draft Telecomitalia: “draft-ietf-pals-ms-pw-protection-01”).
In relazione al routing MPLS è di notevole interesse la nuova tecnologia del Segment Routing, definita nel Working Group SPRING (Source Packet Routing in Networking). Il meccanismo alla base del Segment Routing (draft-ietf-spring-segment-routing-02) prevede che il nodo sorgente scelga un path e lo codifichi nell’header del pacchetto come una lista ordinata di "segment" e ogni nodo scelga poi la rotta in base alle informazioni attaccate dal nodo sorgente nel pacchetto. Per l’MPLS ciascun segment è codificato come una label MPLS aggiuntiva; per l’IPv6 un segment è codificato come un indirizzo IPv6 ed esistono altri use case.
Questa tecnologia sta trovando molti campi di applicazione e i benefici sono molteplici soprattutto in termini di packet forwarding, uso efficiente delle risorse di rete, automatic traffic protection (Fast Re-Route).
Altra tematica di grande interesse è il path-computation in reti multi-domain, multi-region o multi-layer. A tale scopo è in fase di standardizzazione l’architettura PCE, che consiste in elementi di rete (PCE) in grado di calcolare l’instradamento attraverso un determinato dominio e comunicarlo al nodo che ne fa richiesta (PCC) attraverso uno specifico protocollo (PCEP). Il PCC, nel caso debba instradare un servizio attraverso domini differenti, farà richiesta di path computation ai diversi PCE che gestiscono i singoli domini.
Un contributo significativo alla standardizzazione delle reti di trasporto viene fornito anche da di IEEE per tutti i temi che riguardano Ethernet. In particolare, lo sviluppo degli standard riguardanti Ethernet è di responsabilità del comitato IEEE 802 LMSC (LAN/MAN Standards Committee) che è una commissione dell'IEEE preposta a sviluppare standard per le reti locali (LAN) e per le reti metropolitane (MAN).

2.2- La Rete di trasporto ottica

Lo scopo principale della rete di trasporto ottica è fornire quantità sempre maggiori di banda ad un costo per bit trasportato sempre più basso, per poter fronteggiare in modo sostenibile il continuo aumento del traffico.
La tecnologia prevalente è la multiplazione a divisione di lunghezza d’onda, basata su concetti del tutto simili a quelli applicabili per la rete di accesso ottica definita nello standard NG-PON2. Nella rete di trasporto però la tecnologia WDM è utilizzata per multiplare e commutare lunghezze d’onda in reti magliate o ad anello e non vengono considerate  reti passive strutturate ad albero.
Il principale  ente di standardizzazione di riferimento per le reti di trasporto ottiche  è  l’ITU-T, ma anche l’IEEE e l’IETF contribuiscono alla standardizzazione di alcuni aspetti particolari [nota 4].
Nella rete di lunga distanza prevale l’esigenza di trasportare flussi con un bit rate sempre più elevato, mentre nelle reti metro l’esigenza principale è di trasportare flussi con un bit rate medio a costi sempre più bassi.
In una moderna rete di trasporto ottica i segnali client da trasportare subiscono una serie di elaborazioni digitali (in forma elettronica): incapsulamento in una trama che contiene funzioni di OAM, multiplazione secondo una gerarchia di segnali a bit rate crescente, commutazione. Il segnale digitale multiplato viene poi convertito in ottico, ad una lunghezza d’onda prefissata e successivamente subisce ancora delle elaborazioni ottiche analogiche: multiplazione a divisione di lunghezza d’onda, amplificazione, commutazione di lunghezza d’onda.
Gli standard relativi alle OTN (Optical Transport Network) si riferiscono principalmente alle funzioni digitali (svolte con tecnologia elettronica) delle reti ottiche. Le funzionalità più propriamente ottiche sono meno regolate da standard sia per la loro natura analogica, sia perché sono proprio queste che determinano le prestazioni trasmissive e quindi sono considerate un elemento competitivo dai costruttori.
Le interfacce ethernet stanno ormai diventando il principale standard di trasmissione per gli apparati cliente delle reti di trasporto ottiche: oltre alle già standardizzate interfacce a 1, 10, 40 e 100 GbE, le previsioni di crescita del traffico (soprattutto per servizi mobili e cloud) suggeriscono l’esigenza di standardizzare nuovi bit rate sia in ambito metro che in ambito backbone. L’ IEEE sta progredendo rapidamente nel definire i requisiti per un’interfaccia 400 GbE per il backbone (IEEE P802.3bs 400 Gb/s Ethernet Task Force, standard previsto per marzo 2017), ed ha iniziato i lavori per la standardizzazione di un’interfaccia 25 GbE  a basso costo da utilizzare prevalentemente in ambito metro/regionale (IEEE P802.3by 25 Gb/s Ethernet Task Force, standard previsto per settembre 2016). Pertanto è necessario aggiornare gli standard delle reti OTN per rendere queste reti in grado di trasportare in modo efficiente questi nuovi segnali, assicurando una maggiore flessibilità di commutazione e multiplazione, ed una capacità di scalare a velocità di trasmissione sempre maggiori.
Attualmente per gli apparati e le architetture di rete OTN, descritti principalmente nelle Raccomandazioni ITU-T G.709, G.798 e G.872, non sono previsti bit rate (sia lato cliente, sia lato rete) superiori a 100 Gbit/s. La definizione di un’interfaccia ethernet a 400 GbE richiede di modificare  la gerarchia OTN e di introdurre nuove soluzioni trasmissive.
Dal punto di vista trasmissivo, l’aumento di capacità del singolo canale può essere ottenuto in tre modi diversi:

  • aumentando il numero di simboli trasmessi nell’unità di tempo;
  • utilizzando un formato di modulazione più complesso, che associa un numero maggiore di bit a ciascun simbolo;
  • creando dei “superchannel” ottenuti affiancando un certo numero di sotto-portanti ottiche, ciascuna modulata a 100 Gbit/s.

La prima soluzione non è attualmente percorribile per i limiti di velocità dell’elettronica utilizzata nel ricevitore.
Le altre due soluzioni hanno in comune un allargamento della porzione di spettro occupata dal singolo canale ottico rispetto ai 50 GHz richiesti da un canale a 100 Gbit/s con modulazione DP-QPSK, che costituisce la soluzione oggi più utilizzata.
Per consentire la multiplazione WDM di canali ottici con spettri più ampi di 50 GHz ITU-T ha introdotto la  cosiddetta griglia DWDM flessibile, standardizzata nella G.694.1, che consente di assegnare ad ogni canale uno slot identificato da una frequenza centrale, con larghezza spettrale multipla di 12.5 GHz. Un esempio di griglia flessibile è mostrato in Figura 4.

 

Figura 4 - Un esempio di griglia flessibile (ITU-T Rec. G.694.1)

Si supponga di dover trasportare un canale a 400 Gbit/s, con modulazione 16 QAM. Tale canale occupa 75 GHz di banda ottica. Con la precedente soluzione a griglia fissa, con slot da 50 GHz non si avrebbe avuto abbastanza banda a disposizione, mentre utilizzando una griglia fissa a 100 GHz, si sarebbero sprecati 25 GHz di banda. La griglia flessibile, come riportato in Figura 4 consente di allocare esattamente la banda necessaria.
La tecnologia “superchannel” non è ancora oggetto di standardizzazione in ITU-T, anche se esistono prototipi di interfacce già disponibili e quindi verosimilmente sarà oggetto di studio nel prossimo study period.
L’aumento delle velocità delle interfacce non è l’unico modo per aumentare la capacità complessiva di un sistema di trasporto WDM.  Un secondo strumento a disposizione è in effetti quello di rendere più efficiente l’uso delle risorse disponibili. Dato che, proprio per la natura stessa delle reti di trasporto, i flussi raccolti e trasportati sono di natura estremamente eterogenea, diventa necessario, per conseguire tale efficienza, migliorare le tecniche di multiplazione.
La crescente numerosità dei segnali cliente (sia in termini di formato, che di velocità di linea) ha portato ad un nuovo approccio seguito nella standardizzazione degli apparati OTN (ITU-T G.709 e G.798). In precedenza, si era definita una gerarchia di multiplazione rigida, ottimizzata per il trasporto dei client SDH, definendo dei contenitori ODU (Optical Data Unit) a diverso bit rate (2.5, 10, 40 e 100 Gbit/s). In questo modo il trasporto di altri segnali (ad esempio Ethernet o Fiber Channel) era fortemente dis-ottimizzato. L’ultima versione della Racc. G.709 introduce invece il concetto di ODUflex (Optical Data Unit Flexible), per il quale gli apparati OTN di nuova generazione possono allocare la banda necessaria a trasportare un segnale cliente (o una multiplazione di più clienti) in maniera flessibile, con una granularità definita.
Per segnali multiplati in un’interfaccia di linea fino a 100Gb/s, la granularità della banda assegnabile è pari a 1.25 Gbit/s, mentre per segnali multiplati in interfacce  a velocità superiore a 100 Gbit/s, la granularità sarà scelta tra 5 Gbit/s (maggior flessibilità ma anche complessità della matrice) e 10 Gbit/s (possibili disottimizzazioni per segnali a 25 GbE, ma matrici meno costose).
In Figura 5 è mostrata la nuova versione dello schema della gerarchia di multiplazione OTN che comprende sia il trasporto di segnali a velocità superiore a 100 Gbit/s, sia l’utilizzo delle ODUflex per l’uso più efficiente della banda. Questa modifica, ancora in discussione, verrà introdotta in una prossima revisione della raccomandazione G.709.
Le reti mobili di nuova generazione (LTE e in futuro 5G) richiederanno un trasporto sempre più capillare di interfacce a velocità maggiori e con stringenti requisiti di latenza, dalle stazioni radio alla core network. Il trasporto ottico DWDM è un buon candidato per soddisfare entrambi i requisiti, a patto che il costo delle soluzioni ottiche utilizzate sia contenuto ed adeguato al contesto di utilizzo (rete di accesso e metro). Un altro vantaggio delle soluzioni DWDM è quello di facilitare un’integrazione tra l’accesso fisso e mobile, come mostrato in figura, in quanto (per collegamenti di qualche decina di km) è possibile multiplare sulla stessa fibra segnali di formato e velocità diversa senza particolari restrizioni.

 

Figura 5 - Bozza di schema di mappaggio e multiplazione di segnali OTN, comprendente segnali B100G (output della Riunione Plenaria ITU-T SG15 di Novembre 2014)

La Questione 6 del SG 15 ITU-T ha pertanto individuato lo spazio per la definizione di una nuova Raccomandazione (provvisoriamente chiamata “G.metro”) che individui una soluzione a basso costo per le reti WDM metro, con prestazioni più performanti rispetto a quelli proposti nella attuale versione della G. 698.3 (bit rate limitato a 1 Gbit/s), ma ad un costo inferiore rispetto alle applicazioni definite nelle Raccomandazioni G.698.1 e G.698.2. In breve, la soluzione G.metro propone di standardizzare il trasporto di 40 canali in multiplazione DWDM bidirezionale (una sola fibra di linea), utilizzando interfacce sintonizzabili in lunghezza d’onda  con bit rate a 1 Gbit/s, 2.5 Gbit/s e 10 Gbit/s, su una distanza massima di 40 km. Il contenimento dei costi è portato da due fattori. Il primo è l’utilizzo di una sola fibra per la trasmissione e la ricezione del bundle dei canali DWDM, mentre il secondo è di tipo operativo, in quanto queste interfacce saranno in grado di sintonizzarsi automaticamente su un canale libero nello spettro ottico, una volta connesse ad una porta disponibile sui multiplatori ottici.
Attualmente è in fase di standardizzazione il meccanismo di auto-configurazione delle interfacce ottiche, mentre il rilascio della prima versione dello standard è previsto nel prossimo anno.
Una delle caratteristiche più importanti di una rete di trasporto è la sua resilienza cioè la sua capacità di garantire il trasporto delle informazioni anche in condizioni di guasto. Problema sempre più sentito sia perché le reti trasportano quantità di dati sempre più grandi, sia perché in esse transitano anche dati molto pregiati.  La resilienza della rete viene garantita introducendo dei meccanismi di protezione che effettuano il re-instradamento automatico del traffico quando un guasto viene rilevato.
Nello SG15 di ITU-T, la Questione 9 “Transport network protection/restoration” si occupa proprio di meccanismi di protezione e sta lavorando su un insieme di raccomandazioni specifiche per la tecnologia OTN.

  • la G.873.1 “Optical Transport Network (OTN): Linear protection” tratta semplici schemi di protezione lineari utilizzabili su sistemi WDM punto-punto;
  • la G.873.2 “OTN Shared Ring Protection” si riferisce alle topologie ad anello;
  • la G.odusmp “OTN Shared Mesh Protection” è una nuova raccomandazione che standardizza meccanismi di protezione condivisa nei quali le risorse di back-up, sebbene abbiano un percorso pre-calcolato e talvolta pre-allocato, sono condivise tra più flussi working;
  • la G.mdsp “Multi-domain shared protection” è anch’essa una nuova raccomandazione il cui ambito è la standardizzazione di meccanismi di protezione end-to-end su più domini di rete, ciascuno dei quali è dotato di un proprio meccanismo di protezione, anche diversi fra loro.
 

Figura 6 - Scenario di backhauling di apparati di raccolta traffico utente verso un punto di aggregazione

2.3 - SDN e le reti di trasporto

Il concetto di SDN (Software Defined Networking) è nato con l’obiettivo di consentire la realizzazione di una nuova architettura di rete nella quale il controllo è completamente disaccoppiato dall’instradamento dei pacchetti (forwarding). Questo consente di avere un piano di controllo completamente programmabile che mette a disposizione una visione astratta delle risorse di rete per lo sviluppo di applicazioni e nuovi servizi.
L’architettura di rete SDN definita da ONF (Open Networking Forum) è mostrata in Figura 7 ed è costituita da tre livelli distinti.

 

Figura 7 - Architettura di riferimento per una rete SDN

  • l’Infrastructure Layer è formato dai NE (Network Element) che svolgono le funzionalità di commutazione (switching) e instradamento (forwarding) dei pacchetti;
  • il Control Layer contiene l’intelligenza che controlla il comportamento di forwarding degli NE e comunica con loro attraverso interfacce standard;
  • l’Application Layer consiste in un insieme di applicazioni che servono per creare servizi, partendo dalle risorse della rete SDN. Il confine fra Application Layer e Control Layer è realizzato attraverso una interfaccia northbound basata sul concetto di API (Application Programming Interface).

Secondo questo modello, l’architettura di una rete SDN è caratterizzata da tre aspetti fondamentali.

  • Intelligenza centralizzata. In una architettura SDN il controllo di rete è separato dagli elementi che svolgono il forwarding e la comunicazione fra queste diverse entità avviene attraverso una interfaccia southbound standardizzata, basata sul protocollo OpenFlow. Centralizzando l’intelligenza di rete il processo di decisione sull’instradamento risulta semplificato perché si basa su una visione globale della rete a differenza di quanto avviene nelle reti attuali dove i singoli nodi non sono a conoscenza dello stato complessivo della rete stessa;
  • Programmabilità. Le reti SDN sono controllate da funzionalità software che possono essere sviluppate da fornitori diversi oppure direttamente dall’operatore di rete. La disponibilità di API che consentono alle applicazioni di interagire con la rete abilita la possibilità di innovazione e differenziazione nel campo dei servizi;
  • astrazione. In una rete SDN le applicazioni che usano le risorse operano su una visione astratta della rete sottostante. Questo garantisce la portabilità dei servizi e del software.

La versione di SDN sviluppata da ONF prevede che il Controllore utilizzi il protocollo Openflow per comunicare con gli apparati e che le funzioni di controllo siano completamente centralizzate. L’approccio completamente centralizzato può presentare problemi di scalabilità in reti con un elevato numero di nodi, per questo IETF sta lavorando ad una variante di questa architettura nella quale possono convivere funzioni di controllo centralizzate e distribuite, ma vengono mantenuti i concetti di programmabilità e di astrazione delle risorse di rete.
Nello sviluppare la sua versione di SDN, IETF riutilizza protocolli ed architetture che erano già stati definiti per altri scopi. È questo il caso del protocollo Netconf (Network Configuration Protocol), un protocollo di gestione (RFC6241) destinato a sostituire SNMP (Simple Network management Protocol) per la configurazione degli apparati, che ora costituisce una delle opzioni disponibili per la southbound interface del controllore SDN. Poiché una delle funzioni principali del controllore SDN è quella di path computation, all’interfaccia soutbound è anche possibile utilizzare PCEP per comunicare il path ai network element.
In questo contesto può trovare applicazione anche il Segment Routing, in uno scenario di applicazione dell’SDN,  nel quale un controllore centralizzato decide il percorso in rete sul quale instradare il traffico e lo comunica al solo nodo sorgente, il quale utilizza il Segment Routing per comunicare questo percorso agli altri nodi.
ONF ha recentemente iniziato una attività che ha come obiettivo l’estensione dei concetti SDN alle reti di trasporto ottiche, nota con il nome di T-SDN (Transport SDN). Questa estensione si scontra però con il fatto che nelle reti ottiche il calcolo del percorso di una lunghezza d’onda deve  tenere conto dei limiti trasmissivi legati alla propagazione della luce sul mezzo fisico che dipendono da aspetti non completamente standardizzati.
In prospettiva, la disponibilità di controllori SDN multi-layer in grado di controllare in modo congiunto sia lo strato a pacchetto sia quello ottico potrebbe consentire una reale integrazione IP/Ottico con vantaggi in termini di ottimizzazione dell’uso delle risorse e di prestazioni della rete.

 

Conclusioni

La tecnologia per le reti ottiche, ben lungi dall’essere monolitica e universale, presenta una varietà di scelte implementative e di varianti che ne permettono l’ottimizzazione in funzione delle necessità di applicazione. Altrettanto complesso è l’insieme degli standard che la definiscono. La tendenza evolutiva tracciata da questi ultimi indica peraltro come sia fortemente sentita l’esigenza di una semplificazione che consenta una riduzione sia dei costi di implementazione (capex) che di quelli di gestione (opex). Questa deve permettere di andare sempre più verso l’integrazione dei segmenti di rete diversi sotto un’unica piattaforma, con efficienza più alta. L’obiettivo dell’unificazione della gestione è imposto anche dall’esigenza di controllare la qualità del servizio end-to-end.
Inoltre la necessità di abbattere i costi pur migliorando le caratteristiche fa si che si cerchi di adattare le tecnologie a costo inferiore anche all’applicazione in segmenti diversi da quelli abituali. Ad esempio il DWDM delle NG-PON2 usato in accesso comincia ad essere considerato anche per applicazione nei segmenti metro e trasporto, tradizionalmente equipaggiate con dispositivi specifici molto più costosi. La stessa tendenza deriva anche dalla necessità di supportare con una rete ottica capillare, oltre all’utenza fissa, anche le funzionalità di back- e fronthauling per la rete mobile.
In sostanza molti fattori concorrono a selezionare tecnologie che siano applicabili in modo esteso su reti aventi diverse finalità, fermo restando che dovranno continuare ad essere disponibili gli strumenti per ottimizzare l’uso in diversi contesti, permettendo un netto miglioramento in flessibilità. Uno di questi strumenti è sicuramente quello della virtualizzazione delle funzionalità di controllo (control plane) grazie alla separazione completa di queste dalle funzionalità legate allo user plane su cui viaggiano i dati utente veri e propri.

 

Acronimi

ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line
API - Application Programming Interface
CPE - Customer Premises Network
DPBO - Downstream Power Back Off
DSLAM - DSL Access Multiplexer
DP-QPSK - Dual Polarization – Quadrature Phase Shift Keying
DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing
FRAND - Friendly And Not Discriminatory
FTTB - Fiber To The Building
FTTCab - Fiber To The Cabinet
FTTdP - Fiber To The distribution Point
FTTH  - Fiber To The Home
G.fast - Fast Access to Subscriber Terminals
GPON  - Gigabit capable Passive Optical Network
GbE - Gigabit Ethernet
IP - Internet Protocol
ITU - International Telecommunications Union
ITU-T - International Telecommunications Union - Telecommunications Standardisation Sector
LAN - Local Area Network
LTE - Long Term Evolution
MAN - Metropolitan Area Network
MPLS - Multi-Protocol Label Switching
MPLS-TP - Multi-Protocol Label Switching-Transport Profile
NE -  Network Element
NGAN  - Next Generation Access Network
NG-PON2 - Next Generation – PON 2
OAM - Operation Administration and Management
ODF  - Optical Distribution Fra-me
ODN - Optical Distribution Network
OLI - Open Lambda Initiative
OLO - Other Licensed Operator
OLT  - Optical Line Termination
ONT  - Optical Network Termination
ONU - Optical Network Unit
PCC - Path Computation Client
PCE - Path Computation Element
PCEP - Path Computation Element Protocol
PNPM - Packet Network Performance Monitoring
PON  - Passive Optical Network
PoP - Point of Presence
ODU - Optical Digital Unit
ONF - Open Networking Forum
OUT - Optical Transport Unit
QAM - Quadrature Amplitude Modulation
RFC - Request For Comments
ROE - Ripartitore Ottico di Edificio
RSVP - Resource Reservation Protocol
SDN - Software Defined Network
SLA - Service Level Agreement
SME - Small Medium Enterprise
SOHO - Small Office Home Office
TDD - Time Division Duplexing
TDM/TDMA - Time Division Multiplexing/Time Division Multiple Access
TR - Technical Report
UI - Unità Immobiliare
UPBO - Upstream Power Back Off
VDSL2 - Very high speed Digital Subscriber Line 2
VPN - Virtual Private Network
WDM - Wavelength Division Multiplexing
WT - Working Text
XG-PON - 10Gigabit-capable PON

 

Note pie pagina

  1. In alcune aree geografiche (p.es. USA) è comune la soluzione che prevede la conversione in ottico, su lunghezza d’onda di 1550nm, della banda a radiofrequenza della TV analogica o digitale terrestre e la successiva distribuzione di tale segnale sulla rete ottica in sovrapposizione a quello del sistema GPON. In sede cliente, la ONT contiene anche il convertitore ottico-elettrico necessario per ripresentare sotto forma di segnale RF elettrico l’intera banda di diffusione televisiva.
  2. Raggiungibili soprattutto quando si utilizzano, almeno in parte, filtri WDM al posto degli splitter di potenza.
  3. Il crosstalk interferometrico è quello che si genera a causa del battimento tra due segnali ottici che distano nello spettro ottico di una quantità minore della banda elettrica del ricevitore; è particolarmente insidioso perché il battimento, rientrando nella banda elettrica del ricevitore, agisce come disturbo e produce una riduzione delle prestazioni del sistema trasmissivo
  4. In seno a ITU-T, il riferimento, come anche per le reti ottiche di accesso, è lo Study Group 15 “Networks, Technologies and Infrastructures for Transport, Access and Home"
 

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