Integrazione fra la rete IP e la rete di trasporto ottica

L’integrazione della rete IP con la rete ottica non è un tema nuovo, se ne parla dalla fine degli anni ’90. Oggi però lo sviluppo dei concetti di Transport Software Defined Network offre nuovi strumenti che consentono di studiare questo tipo di integrazione da una prospettiva diversa.

L’articolo confronta le diverse opzioni disponibili per l’integrazione fra rete IP e rete ottica e fornisce una proposta di evoluzione della rete basata su Transport SDN.

 

La rete IP e la rete di trasporto ottica oggi

Nel corso degli ultimi anni si sono verificati due fenomeni che stanno portando ad una trasformazione della rete. Da un lato, il protocollo IP si sta affermando come l’unico protocollo utilizzato sia per la rete fissa che per quella mobile, per tutti i tipi di servizio (voce, video, dati, ecc.) e per tutti i tipi di clientela (residenziale business e wholesale). Dall’altro, la continua crescita del traffico richiede una rete in grado di fornire sempre più capacità a costi contenuti.
La rete geografica (Wide Area Network, WAN) che costituisce l’infrastruttura di connessione della rete multi-servizio, ha una struttura gerarchica e risulta composta da due segmenti distinti:

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

La progressiva convergenza di tutti i servizi su IP sta portando ad una semplificazione della WAN che, a tendere, sarà costituita essenzialmente da due livelli:

  • Ÿuno strato a pacchetto, con lo scopo di effettuare una aggregazione efficiente del traffico;
  • Ÿuno 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).

Infatti, già oggi la rete backbone di TIM è costituita da uno strato IP/MPLS, chiamato OPB, che si appoggia sulla rete ottica Kaleidon. Analogamente, nelle zone metropolitane a più alta densità di traffico, esiste uno strato IP/MPLS, chiamato OPM, che si appoggia, almeno in parte, su reti Metro WDM.
La decisa crescita del traffico prevista nei prossimi anni richiede che la capacità della rete OPB e delle MAN  OPM riesca a scalare progressivamente con un livello di investimenti sostenibile.
Per quanto riguarda OPM si è avviato un processo di semplificazione che porterà alla progressiva eliminazione di un livello di rete, quello dei Remote Feeder, con la connessione diretta dei nodi di accesso ai Feeder connessi, a loro volta, ai nodi Metro con collegamenti ottici a 10 Gbit/s.
Su OPB è invece stato avviato un processo di rinnovamento, denominato Next Generation Core Network, che porterà a un’architettura gerarchica costituita da PoP Principali e PoP Secondari. I PoP Principali, scelti fra quelli che generano più traffico, saranno equipaggiati con una nuova generazione di router e collegati fra loro con canali ottici a 100 Gbit/s, mentre i PoP Secondari subiranno una semplificazione architetturale.
Questa trasformazione del livello IP è accompagnata da cambiamenti anche nel livello ottico: l’introduzione di lunghezze d’onda a 100 Gbit/s su Kaleidon per supportare le interconnessioni fra i PoP primari di NGCN e una progressiva introduzione di apparati ROADM, analoghi a quelli già presenti su Kaleidon, anche sulle reti Metro WDM per aumentarne la flessibilità.
Allo stato attuale nella rete di TIM, come in quelle dei principali operatori, lo strato IP e quello Ottico sono separati fra loro nel senso che fra essi esiste una relazione di tipo client/server, ma non esiste alcuna interazione a livello di controllo e gestione, come mostrato nello schema di principio di figura 1.

 

Figura 1 - Relazione fra lo strato IP e lo strato ottico

I router dello strato IP sono connessi fra loro da link secondo una certa topologia logica, che dipende essenzialmente dalle principali direttrici di traffico e dalla necessità di avere percorsi alternativi che consentano la sopravvivenza in caso di guasto. Ciascun link è ottenuto mediante un canale ottico fornito dalla rete WDM sottostante.
La topologia della rete WDM è invece di tipo fisico, perché dipende strettamente dalla disposizione dei cavi. Essa è quindi diversa dalla topologia dello strato IP.
Ciascuno dei due strati dispone di un proprio piano di controllo e di propri sistemi OSS per la gestione di rete, ma non c’è comunicazione fra i piani di controllo e gli OSS dei due strati.
La separazione fra i due strati di rete esiste anche a livello di processi aziendali. Infatti, la pianificazione delle due reti avviene in modo separato e l’unico legame è costituito dal fatto che i link della rete IP sono un input alla pianificazione della rete ottica.
Analogamente, l’esercizio delle due reti avviene in modo indipendente e con metodologie diverse. Per lo strato IP è fondamentale la presenza del piano di controllo che automatizza le funzioni di instradamento.
Per lo strato ottico, invece è fondamentale l’uso del sistema di gestione centralizzato per svolgere tutte le attività di creation, provisioning ed assurance, mentre il piano di controllo GMPLS ha un ruolo meno importante.

 

L’integrazione della rete IP con la rete ottica

In passato la rete di trasporto ottica aveva il compito di fornire connettività a più reti client diverse e ciascuna di esse richiedeva connessioni a velocità nettamente inferiori rispetto a quelle delle lunghezze d’onda presenti sui sistemi WDM. L’adattamento fra la velocità delle connessioni richieste dalle reti client (ad esempio 1 o 2.5 Gbit/s) su lunghezze d’onda a più alta velocità (ad es. 40 o 100 Gbit/s) veniva ottenuto mediante multiplazione TDM.
La veloce crescita del traffico IP ha cambiato radicalmente questa situazione. Oggi, infatti, la rete IP è il client principale della rete ottica e le porte dei router operano a velocità comprese fra 10 e 100 Gbit/s, le stesse delle lunghezze d’onda presenti sulla rete ottica. Si tende quindi ad avere sempre più una corrispondenza uno a uno fra i link dello strato IP e le lunghezze d’onda dello strato ottico.
Diventa, quindi, sempre più importante progettare la rete ottica in modo da ottimizzare il suo client principale che è la rete IP. Questa tendenza ha portato allo studio dei possibili benefici derivanti da una progressiva integrazione fra questi due strati che, in generale, può essere ottenuta in modi diversi: a livello di piano dati, di piano di controllo e/o di piano di gestione.
I principali benefici attesi da questa integrazione rientrano nelle seguenti categorie:

  • riduzione dei costi complessivi derivante da una ottimizzazione congiunta delle risorse di rete sui due strati;
  • automazione del set-up di nuove lunghezze d’onda fra i router;
  • Ÿmiglioramento delle prestazioni per alcune categorie di servizi attraverso una scelta ottimizzata dell’instradamento;
  • miglioramento dell’affidabilità per i servizi basati su IP attraverso instradamenti che tengono conto della topologia fisica dello strato ottico e tecniche di multi-layer resilience.
 

Impiego di interfacce ottiche colorate sui router

Le reti ottiche si basano sulla multiplazione WDM, cioè sul concetto di trasmettere più canali su di una stessa fibra, associandoli a diverse lunghezza d’onda.
Le prestazioni trasmissive di un sistema WDM vengono sinteticamente indicate da tre parametri: il numero di canali utilizzabili, la massima velocità (bit rate) di ciascun canale e la massima distanza raggiungibile senza necessità di rigenerazione (per un certo bit rate e per una certa tipologia di fibra).
Attualmente gli standard relativi alle reti ottiche regolano il tipo di interfacce disponibili fra il sistema WDM e gli apparati client, ad esempio router, in modo da garantire un’interoperabilità fra costruttori diversi. Il segnale ottico su questa interfaccia è detto “grigio”, poiché lo standard non specifica un particolare “colore”, cioè una lunghezza d’onda precisa.
Per garantire questa interoperabilità, ciascun canale di un sistema WDM è dotato di un dispositivo, detto trasponder, che esegue una conversione ottico/elettrico/ottica (OEO).
Lo schema di principio di un trasponder è mostrato in figura 2. Esso riceve in ingresso il segnale grigio dell’apparato client, lo riporta in formato elettrico e poi genera un nuovo segnale ottico colorato, avente la lunghezza d’onda, il formato di modulazione e tutte le altre caratteristiche necessarie per essere multiplato e trasmesso con le prestazioni volute lungo la linea.

 

Figura 2 - Schema di principio di un trasponder

A livello di linea, invece, ciascun costruttore è libero di agire come meglio crede sui parametri fisici dei segnali ottici:

  • Ÿformato di modulazione;
  • Ÿlivello di potenza;
  • Ÿcodice correttore di errori (FEC),

in modo da ottimizzarne le prestazioni. Questo impedisce l’interoperabilità fra sistemi WDM forniti da costruttori diversi.
In ITU si sta lavorando ad un nuovo standard che consenta l’interoperabilità anche a livello di linea, ma questo può comportare una riduzione delle prestazioni del sistema, perché si riducono i gradi di libertà a disposizione del costruttore per ottimizzare le prestazioni complessive. Quindi è ragionevole che questo tipo di interoperabilità sarà possibile solo per i sistemi Metro WDM, per i quali la massima distanza raggiungibile senza rigenerazione non è un parametro troppo importante, mentre l’interoperabilità non verrà garantita per i sistemi long haul, che devono proprio essere ottimizzati per raggiungere grandi distanze.

 

Figura 3 - Schema di interconnessione dei router alla rete ottica con trasponder (a) e senza trasponder (b)

In figura 3 è visibile uno schema semplificato dell’interconnessione fra una coppia di router ottenuta attraverso un sistema WDM. La figura 3a mostra la situazione attuale, che prevede l’utilizzo del trasponder per adattare ogni segnale ottico che entra nel sistema WDM: per ogni link fra due router sono necessari due trasponder.
Il tipo di integrazione IP/Ottico concettualmente più semplice consiste nell’inserire l’interfaccia colorata direttamente sulle porte dei router, eliminando la necessità di usare i trasponder sul sistema WDM, come mostrato in figura 3b. Il vantaggio di questa soluzione è il risparmio di una coppia di trasponder, che si traduce sia in un minore investimento per l’acquisto di hardware sia in un risparmio di consumi elettrici e di spazi.
Questa soluzione presenta però alcuni problemi:

  • Ÿl’interoperabilità fra le interfacce colorate di router forniti da costruttori diversi non è garantita per l’assenza di standard a livello di linea;
  • Ÿla rete ottica perde le funzionalità di performance monitoring su questa lunghezza d’onda perché queste funzioni sono localizzate all’interno dei ricevitori che ora si trovano nei router, al di fuori della rete ottica; per questo motivo una lunghezza d’onda di questo tipo viene anche detta “alien wavelenght”.

Il problema del performance monitoring è stato affrontato da alcuni costruttori con l’introduzione di tecniche analogiche, basate sulla misura del rapporto segnale rumore, oppure con l’inserimento di una modulazione aggiuntiva del segnale ottico introdotta da un’apposita scheda all’ingresso del sistema WDM.
Altri costruttori hanno proposto soluzioni a livello gestionale per fare in modo che il Network Manager della rete ottica possa leggere le informazioni di performance ricavate dai ricevitori presenti nelle porte dei router.
In generale, oggi la soluzione di integrazione IP/Ottico mediante interfacce colorate sul router funziona bene in un ambiente mono-vendor, nel quale tutti i router e gli apparati ottici sono forniti dallo stesso costruttore. La sua applicazione ad un ambiente multi-vendor verrà favorita dai nuovi standard ITU sull’interoperabilità a livello di linea di un sistema WDM, almeno nel caso di reti ottiche di piccole dimensioni come quelle Metro WDM.
La disponibilità delle informazioni di performance trasmissive sulla porta del router consente, d’altra parte, di mettere in atto strategie di proactive protection nelle quali lo strato IP/MPLS re-instradi rapidamente il traffico non appena rilevi un degrado delle prestazioni del link, in modo da minimizzare l’impatto sui servizi.
L’efficacia delle tecniche di proactive protection è stata dimostrata in laboratorio, ma non esiste ancora una evidenza della sua reale utilità in un ambiente di rete complesso.

 

Integrazione a livello di piano di controllo con GMPLS UNI

Un altro tipo di integrazione fra strato IP e strato ottico è quello a livello di piano di controllo ottenuto mediante l’interfaccia GMPLS UNI.
Lo strato IP ha un proprio piano di controllo basato sull’impiego di un insieme di protocolli di instradamento e segnalazione definiti da IETF ed indicati sinteticamente come  piano di controllo IP/MPLS.
IETF ha generalizzato i protocolli del piano di controllo IP/MPLS per renderli adatti anche a reti di trasporto basate su multiplazione di tipo TDM e WDM. È nato così il piano di controllo GMPLS.
È poi stata definita un’interfaccia di segnalazione fra i due piani di controllo che consente allo strato IP/MPLS di richiedere l’attivazione automatica di una nuova connessione (lunghezza d’onda) fra le porte di due router. Questa interfaccia è detta User Network Interface, perché consente allo uno strato client (user) di chiedere alla rete ottica (network) una funzione di provisioning automatico.
L’interfaccia UNI è limitata perché non consente di specificare caratteristiche importanti della nuova connessione. Ad esempio, non è possibile richiedere che la nuova connessione abbia un percorso fisicamente separato da quello di un’altra connessione già esistente, requisito molto importante per garantire che i meccanismi di recovery del livello IP/MPLS funzionino correttamente quando si verifica un guasto a livello di rete ottica.
Per colmare questo vuoto, vari costruttori hanno sviluppato estensioni proprietarie dell’interfaccia UNI che non sono mai state standardizzate. In particolare, quelle più interessanti dal punto di vista dell’integrazione IP/Ottico sono:

  • Ÿestensioni che consentono alla rete ottica di comunicare al piano IP/MPLS la topologia fisica dei collegamenti e la presenza di SRLG cioè di punti nei quali un unico guasto fisico interrompe più connessioni (ad esempio, perché due cavi diversi si trovano per un certo tratto nella stessa tubazione);
  • Ÿestensioni che consentono allo strato IP/MPLS di richiedere connessioni con vincoli sull’instradamento.

L’impiego della GMPLS UNI standard consente l’interoperabilità fra router di un costruttore e rete ottica di un costruttore diverso, ma non offre grandi vantaggi a causa delle sue funzioni limitate. D’altra parte, le estensioni proprietarie alla UNI rendono le possibilità di integrazione fra i due strati di rete più interessanti, ma funzionano solo in un ambiente mono-vendor.

 

Integrazione mediante Transport SDN

Il concetto di Software Defined Network trova applicazione in diverse parti della rete di un operatore:

  • Ÿper la gestione del networking all’interno dei Data Center utilizzati per il Cloud Computing e per ospitare funzioni di rete virtualizzate;
  • Ÿper il Flexible Service Chainig all’interno dei PoP, che consente la creazione di servizi attraverso la concatenazione di una serie di blocchi elementari da utilizzare su richiesta del cliente;
  • Ÿper il controllo della WAN.

Con il termine Transport SDN si intende l’applicazione dei concetti SDN ad una WAN, in particolare, all’insieme della rete IP e della rete ottica che costituiscono l’infrastruttura di connessione di una rete multiservizio.
L’impiego di T-SDN consente un’integrazione fra i due strati di rete a livello di piano di controllo, questa volta centralizzato, che supera le limitazioni della GMPLS UNI. Infatti, un controllore T-SDN che implementi la funzione di multi-layer PCE è in grado di vedere sia la topologia della rete IP che quella della rete ottica e, quindi, di gestire i percorsi in modo ottimizzato in entrambi gli strati di rete.
Le applicazioni di un multi-layer PCE sono molteplici. Quella probabilmente più semplice è la creazione automatica delle lunghezze d’onda che collegano fra loro i router, come con la GMPLS UNI. La conoscenza della topologia dello strato ottico, inclusi gli SRLG, può inoltre consentire di calcolare percorsi di traffic engineering per lo strato IP che siano ottimizzati sulla base di criteri come la minima latenza o l’affidabilità. L’integrazione dei piani di controllo abilita anche soluzioni di multi-layer resilience, nelle quali lo strato IP e lo strato ottico collaborano per la protezione contro i guasti.
Anche nel caso della T-SDN la sfida principale consiste nel realizzare un controllore che sia in grado di operare su entrambi gli strati di rete in un ambiente multi-vendor.
Al momento iniziano ad essere disponibili controllori SDN sia per lo strato ottico che per lo strato IP, ma non esistono ancora controllori in grado di operare su di una rete multi-layer. Per lo strato IP, grazie all’attività di standardizzazione svolta da IETF, alcuni controllori SDN hanno già dimostrato in "prove di laboratorio" di essere in grado di interoperare con router di costruttori diversi.
Per lo strato ottico esistono due tipi di problemi che rendono più difficile l’interoperabilità:

  • Ÿi lavori di standardizzazione dell’interfaccia southbound del controllore T-SDN sono in uno stadio meno avanzato;
  • Ÿil PCE dello strato ottico deve conoscere le caratteristiche fisiche della rete per poter calcolare gli instradamenti delle lunghezze d’onda (deve tenere conto dei cosiddetti physical impairments) e queste non sono standard.

Questi problemi possono essere superati utilizzando, anziché un singolo controllore SDN per l’intera rete IP/Ottica, un’architettura gerarchica di controllori, come mostrato in figura 4.

 

Figura 4 - Architettura SDN gerarchica per il controllo di una rete IP/Ottico multi-vendor

In questa architettura, la rete è suddivisa in domini con caratteristiche diverse ciascuno dotato di un proprio controllore SDN. Ad esempio, si potrebbero avere diversi domini a livello ottico, uno per ciascun costruttore, ed un solo dominio multi-vendor a livello IP. L’interazione fra i diversi controllori di dominio è gestita da un livello di intelligenza superiore che svolge funzioni di orchestrazione di rete.
Un altro problema che inizia solo ora ad essere affrontato è il tema dell’interazione fra il controllo SDN e gli OSS, che risulta particolarmente rilevante nel caso della rete ottica.
Una spinta significativa per la soluzione dei problemi di interoperabilità potrebbe derivare dall’applicazione dei concetti di collaborazione tipici del mondo del software open source. Tali metodologie di lavoro hanno infatti dimostrato di essere più agili e di portare a risultati utilizzabili in applicazioni pratiche in tempi più veloci, rispetto al processo di standardizzazione tradizionale, tipico del mondo delle telecomunicazioni. Per quanto riguarda il mondo della T-SDN si segnalano in particolare le iniziative Open Daylight e Open Network Operating System che stanno sviluppando controllori SDN open source.

 

Conclusioni

L’integrazione della rete IP con la rete di trasporto ottica è un tema di estrema attualità a causa del ruolo sempre più importante della rete IP.
Transport SDN è attualmente lo strumento più promettente per ottenere questa integrazione, anche se esistono ancora alcuni problemi da risolvere per ottenere un buon livello di interoperabilità, che consenta un vero controllo congiunto dello strato IP e dello strato ottico in un ambiente multi-vendor.
L’approccio previsto in TIM per l’introduzione della T-SDN prevede di partire dal backbone e di procedere con un’integrazione a fasi successive.
In una prima fase, il controllore SDN dello strato IP potrà disporre in sola lettura delle informazioni topologiche dello strato ottico, per ottimizzare gli instradamenti. Successivamente, con l’evoluzione degli standard e dei prodotti disponibili commercialmente, si potrebbe raggiungere una completa integrazione del controllo dei due strati.

 

Acronimi

  • API - Application Programming Interface
  • BGP-LS - Border Gateway Protocol – Link State
  • FEC - Forward Error Correction
  • GMPLS - Generalized Multi-Protocol Label Switching
  • IETF - Internet Engineering Task Force
  • IP - Internet Protocol
  • ITU - International Telecommunications Union
  • MAN - Metropolitan Area Network
  • MPLS - Multi-Protocol Label Switching
  • NE - Network Element
  • NGCN - Next Generation Core Network
  • NMS - Network Management System
  • OAM - Operation Administration and Management
  • OEO - Optical/Electrical/Optical
  • ONF - Open Networking Forum
  • OPB - Optical Packet Backbone
  • OPM - Optical Packet Metro
  • OSS - Operation Support System
  • PCE - Path Computation Element
  • PCEP - Path Computation Element Protocol
  • PoP - Point of Presence
  • REST - REpresentational State Transfer
  • RFC - Request For Comments
  • ROADM - Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer
  • RSVP-TE - ReSerVation Protocol – Traffic Engineering
  • SDN - Software Defined Network
  • SRLG - Shared Risk Link Group
  • TDM - Time Division Multiplexing
  • TED - Traffic Engineering Database
  • T-SDN - Transport Software Defined Network
  • UNI - User to Network Interface
  • VNTP - Virtual Network Topology Manager
  • WAN - Wide Area Network
  • WDM - Wavelength Division Multiplexing
 

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