Riconfigurabilità nelle reti di accesso e metro-access

Il concetto di “riconfigurabilità” si coniuga molto bene con un altro trend rilevante nell’evoluzione delle reti di accesso, ovvero l’integrazione tra i sistemi propriamente di accesso e quelli metro in un’unica architettura metro-access, che soddisfi quindi i requisiti di trasparenza e flessibilità richiesti dalle peculiarità emergenti delle nuove tipologie di traffico. In questo articolo vediamo come.

 

L’evoluzione del traffico nelle reti di accesso

Le reti di telecomunicazioni si trovano oggi di fronte ad una sfida epocale dettata dalla necessità di disporre di maggiore  configurabilità, flessibilità e dinamicità. Questo approccio rivoluzionerà sia il modo di pensare alle reti (non più semplici dumb pipes), che il posizionamento degli operatori sul mercato dell’ICT e le loro prospettive di business. Aprire le reti significherà probabilmente favorire la generazione di un ecosistema di soggetti che graviteranno attorno all’operatore di telecomunicazioni e coopereranno per ottimizzare l’utilizzo delle risorse di rete e per offrire al cliente finale servizi sempre più customer-tailored.
Con il termine “riconfigurabile”, nel contesto di questo articolo, si intende la possibilità per una rete di adattarsi dinamicamente, anche in tempo reale, alle variazioni delle condizioni nelle quali la rete stessa si trova ad operare, rispondendo in modo efficace ed efficiente a mutevoli requisiti di capacità, sicurezza e di QoS/QoE.
L’esigenza di rendere riconfigurabili le reti è avvertita prevalentemente a livello di reti core e  reti di data center. In tali contesti si è affacciata negli ultimi anni la proposta di un nuovo paradigma, il SDN (Software Defined Networking), che in estrema sintesi realizza un disaccoppiamento tra il Control Plane, cioè il sistema che stabilisce il routing del traffico coordinato da un controller centralizzato, ed il Data Plane, ovvero il sistema sottostante che effettua il forwarding del traffico. Il controller SDN definisce la routing table di ciascuno switch/router mediante la sua interfaccia “south-bound” che tipicamente utilizza il protocollo standard OpenFlow [1].
Nella recente letteratura scientifica al modello SDN è stata dedicata una grande attenzione e, nel contesto mondiale delle telecomunicazioni, sono già stati effettuati i primi test e le prime proof of concept. Meno esplorata, fino ad ora, è stata invece la possibilità di applicare il concetto di riconfigurabilità all’estremità della rete più vicina agli utenti, ovvero nei segmenti di accesso e metropolitano. Scaturiscono quindi un paio di domande:

  1. ha senso applicare questo nuovo approccio anche alle reti di accesso?
  2. si può estendere il concetto di riconfigurabilità alle reti di accesso PON che gli operatori stanno realizzando in questi anni?

Sembra che la riposta ai due quesiti sia affermativa, almeno secondo quanto riportano alcune recenti proposte di ricerca in cui tale scenario viene denominato SDAN (Software Defined Access Networking) [2] o SDEN (Software Defined Edge Networking) [3], ma che, più in generale, potrebbe essere sintetizzato come “reti di accesso riconfigurabili”, data l’eterogeneità delle soluzioni esplorate non sempre assimilabili al paradigma SDN.
Per comprendere l’opportunità dell’utilizzo del concetto di riconfigurabilità al segmento di accesso, è necessario rispondere ad un’altra domanda: come si stanno modificando la tipologia e la distribuzione del traffico sulle reti di accesso?
Da un lato è evidente che l’emergere dei servizi bandwidth hungry raccolti dalle nuove reti d’accesso ottiche sta portando ad una crescita del traffico secondo la legge di Nielsen (aumento del 50% all’anno).
D’altro canto è altrettanto palese che il cloud computing e l’impiego sempre maggiore di tecnologie mobili stanno modificando radicalmente sia le caratteristiche del traffic pattern, sempre più dinamico e difficilmente predicibile, che le necessità per gestirlo al meglio [4]: le capacità richieste dal cloud variano significativamente nel tempo, mentre le peculiarità del traffico raccolto sulla rete mobile sono principalmente la migratorietà e la volatilità [5]. Si pensi, ad esempio, alla distribuzione del traffico nell’arco di una giornata in una grande città: al mattino si potrebbe ipotizzare un picco di traffico nel quartiere d’affari o nelle zone industriali; progressivamente potrebbe spostarsi nelle zone commerciali o in zone dedicate al tempo libero (parchi, impianti sportivi, ecc.); nel corso della serata si potrebbe registrare una forte domanda di banda nelle aree residenziali.
Per gestire in modo efficiente le risorse di rete destinate a servire le diverse aree urbane, è opportuno che le piattaforme di rete siano dotate di capacità di riconfigurabilità dinamica in real-time in accordo alle diverse tipologie di traffico (browsing, mailing, file sharing, mobile backhauling, audio streaming, video on demand, servizi cloud), per soddisfare i diversi requisiti di prestazioni, principalmente in termini di banda disponibile (in downstream ed in upstream) e di latenza.
Ciò è valido anche e soprattutto per il segmento di accesso in cui l’infrastruttura di rete deve essere ammortizzata su un numero inferiore di utenti. Tale requisito di  riconfigurabilità è necessario anche per abilitare la crescita graduale delle applicazioni legate all’IoT: una gestione flessibile del traffico consentirebbe di evitare congestioni sulle reti a causa del traffico generato dal numero enorme di dispositivi che pervadono sempre più le nostre case e le nostre città.

 

I vantaggi delle reti di accesso riconfigurabili

L’utilizzo di un approccio “flessibile” e “riconfigurabile” in rete di accesso può implicare la possibilità di virtualizzare ed automatizzare un insieme di operazioni che portano vantaggi agli operatori, ai vendor di apparati e agli utilizzatori finali: si ridurrebbero drasticamente i tempi di provisioning dei servizi end-to-end; gli OpEx per la gestione della rete sarebbero più bassi per gli operatori che potrebbero contare su “nuovi” ricavi derivanti da nuovi servizi; l’esistenza di un’interfaccia standard comune (sul modello, per esempio, di OpenFlow) semplificherebbe i requisiti per i vendor; gli utilizzatori finali potrebbero sperimentare nuovi servizi che potranno essere più facilmente e rapidamente sperimentati, implementati e configurati sulla base delle reali necessità dei clienti.
Una rete di accesso “programmabile”, infatti, abiliterebbe o semplificherebbe una serie di funzionalità di controllo, come la gestione del traffico (tunnel e VLAN), la configurazione degli access node, la diagnostica ed il troubleshooting. L’operatore potrebbe intervenire nella gestione dinamica dello spettro per minimizzare le interferenze tra sistemi trasmissivi VDSL, in aggiunta eventualmente ai meccanismi di vectoring. Si potrebbe anche operare una differenziazione dei servizi per garantire in maniera dinamica round-trip delay più bassi per applicazioni come il gaming online o la telemedicina [6].
Queste potenzialità, unite alla virtualizzazione del CPE nella cornice della cosiddetta NFV (Network Function Virtualization) [nota 1], consentirebbero di aprire tali funzionalità alla clientela e ciò potrebbe significare rispondere meglio alle esigenze dell’utente: tramite una semplice applicazione user-friendly installata nel CPE, per esempio, il cliente potrebbe scegliere un servizio e la qualità del servizio desiderata, essere informato della qualità del servizio e potrebbe bilanciare le sue scelte tramite un feedback che innescherebbe un circolo virtuoso a tutto vantaggio della QoE. Una rete d’accesso pienamente riconfigurabile consentirebbe agli utenti di richiedere banda in real-time in downstream o in upstream (BoD) o di controllare le priorità in base alla tipologia di traffico per gestire ad esempio i diversi device connessi in una stessa LAN [6].
In un contesto multioperatore, inoltre, una rete riconfigurabile (per esempio mediante i paradigmi SDN e NFV) potrebbe semplificare i rapporti tra operatore wholesale e retail provider rendendo più uniformi e facilmente implementabili le policy e i vincoli regolatori, poiché verrebbero gestiti logicamente da un unico sistema centralizzato: il controller SDN. Tale sistema centralizzato, peraltro, implementa un’astrazione della rete che potrebbe presentare un’interfaccia comune standard aperta anche ai retail provider o ad eventuali terzi che, in tal modo, acquisirebbero l’accesso a varie funzionalità configurative o di diagnostica che attualmente sono a carico esclusivo dell’operatore wholesale [6]. Si aprirebbero nuovi scenari e si potrebbero persino abilitare nuove value-chain e nuovi modelli di business basati sull’estensione alle reti di accesso del concetto cloud di IaaS [8]. Naturalmente tutto ciò implicherebbe la massima attenzione da parte del network provider agli aspetti di sicurezza, soprattutto nel controllare le autenticazioni in accesso, nell’arbitrare le richieste conflittuali e nel garantire comunque affidabilità all’infrastruttura fisica sottostante.
Una possibilità per raggiungere, nelle reti di accesso, l’obiettivo di riconfigurabilità dinamica per ridurre la probabilità di congestioni e limitare la latenza, è quella di estendere il paradigma SDN alle reti PON implementando nuove funzionalità prevalentemente nei layer 2 e 3 dello stack protocollare ISO/OSI. La figura 1 illustra questo concetto: le access network “Apps” corrispondono ad applicazioni sviluppate per ottenere determinati comportamenti della rete di accesso in termini di trasporto di traffico mobile (backhauling), di esigenze di servizi per la clientela business e residenziale (banda, latenza, QoS, ecc.), di aspetti di sicurezza, ecc.; gli apparati della rete di accesso ottica (Optical Access Network) avranno funzionalità di solo forwarding di pacchetti (o trame) demandando allo strato di controllo SDN le funzionalità intelligenti di decisione degli instradamenti, di classificazione e colorazione del traffico, di applicazione di policy di trattamento del traffico, di sicurezza e così via. Il piano di controllo gestisce gli apparati di accesso (OLT) tramite un protocollo, per esempio OpenFlow.

 

Figura 1 - Esempio di applicazione del paradigma SDN alla rete d’accesso

La prima proposta di applicazione della SDN alla rete di accesso è stata avanzata da Parol e Pawlowski nel 2013 e successivamente ampliata da Amokrane et al. nel 2014 [5]. L’obiettivo di quest’ultimo lavoro consiste nell’estendere il concetto di SDN al segmento di accesso, applicando il protocollo OpenFlow alle reti GPON. Concretamente ciò è reso possibile dall’introduzione di due principali novità nella rete di accesso. La prima è la mappatura dei cosiddetti flows [nota 2] alle porte GEM che, nello standard GPON, rappresentano una connessione logica tra ONT e OLT con una ben definita class of service ed un identificatore univoco. La seconda consiste nel definire un’interfaccia comune tra l’SDN controller e gli OLT delle PON mediante un’interfaccia API, [nota 3] il sistema di gestione di una PON, infatti, normalmente consente all’utente amministratore una configurazione manuale della rete che include la definizione dei profili di servizio e gli attributi delle singole porte PON. L’approccio SDEN proposto da Amokrane et al., invece, avendo a disposizione delle API che possono agire sugli SDEN agent, ovvero dei moduli collocati sui nodi OLT della rete (come riportato in figura 2), può consentire un controllo real-time della PON.
Oltre all’applicazione del paradigma SDN sopra accennato, un’altra possibilità per ottenere reti di accesso riconfigurabili è quella di implementare una configurazione dinamica a livello fisico, come è illustrato nel paragrafo successivo.

 

Figura 2 - Architettura logica di un esempio di SDEN [5]

Riconfigurabilità a livello fisico

La dinamicità e l’adattività alla base dello scenario sinora descritto implicano, dal punto di vista dei componenti e dei sistemi hardware, dei requisiti cruciali che sono la flessibilità e la programmabilità. In altre parole, sarà necessario sviluppare sistemi fotonici, i cui parametri chiave siano riconfigurabili via software: le reti riconfigurabili e software defined, in definitiva, richiedono lo sviluppo di un nuovo approccio tecnologico, la software defined photonics.
Le proposte presenti nella letteratura scientifica riconducibili, direttamente o indirettamente, a questa tematica, sono numerosissime e riconducono per gran parte all’impiego su larga scala della fotonica del silicio (Silicon Photonics) in circuiti integrati fotonici. Si potrebbero sintetizzare, a grandi linee, in quattro macro-aree non mutuamente esclusive:

  1. transceiver flessibili;
  2. griglie WDM flessibili;
  3. tecniche di routing a livello fisico,
  4. tecniche di switching a livello ottico.

Per transceiver flessibili si intendono essenzialmente trasmettitori e ricevitori riconfigurabili installati “a bordo” delle OLT e ONU/ONT. Come mostrato in figura 3, per esempio, si potrebbero modificare in real-time i seguenti parametri:

  • il bit-rate,
  • Ÿla potenza trasmessa,
  • Ÿla tecnica e/o la cardinalità della modulazione,
  • Ÿla tecnica di codifica,
  • Ÿla lunghezza d’onda della portante ottica
  • Ÿil payload del FEC.
 

Figura 3 - Transceiver flessibili ed esempi di costellazioni 8-QAM e 16-QAM [nota 4]

Per far ciò è necessario intervenire sulla sorgente laser, sull’elettronica di pilotaggio della sorgente o su un modulatore ottico esterno. Un esempio di applicazione di questo approccio è stato proposto da Vacondio et al. Dove si dimostra che utilizzando transponder coerenti software-defined, i cui parametri di trasmissione variano in funzione della distanza dell’utente dall’OLT, è possibile raddoppiare la capacità media per utente in una rete d’accesso basata su multiplazione a divisione di tempo [9].
Le griglie WDM flessibili sono già da qualche anno una possibilità concreta per le reti backbone. Come si può notare in figura 4, se la spaziatura tra le portanti ottiche di un sistema di multiplazione a divisione di lunghezza d’onda non è strettamente vincolata ad una griglia prestabilita (per esempio quella DWDM), è evidente che la banda allocabile per ciascuna portante può essere gestita in modo dinamico ottimizzando l’efficienza spettrale ma anche, indirettamente, l’efficienza energetica con conseguente risparmio in termini di OpEx per l’operatore. L’estensione della modulazione WDM alle reti PON [10] renderà opportuno utilizzare tecniche come questa per adeguare la capacità del link alle esigenze degli utenti. L’impiego di griglie flessibili in rete ottica riconfigurabile RFON (Reconfigurable Flexible Optical Network), è stato oggetto di indagine da parte di Oliveira et al. su un test-bed costituito da 4 nodi dotati di switch selettivi in lunghezza d’onda (WSS), amplificatori ottici e un sistema di supervisione e monitoring dei canali ottici [11]. Cvjectic et al. hanno proposto, invece, l’utilizzo di griglie flessibili in rete di accesso e di aggregazione in un’architettura basata sul protocollo OpenFlow [12].

 

Figura 4 - Schematizzazione dei vantaggi nell’applicazione di griglie WDM flessibili

Il routing di lunghezze d’onda è un modo per instradare il traffico senza ricorrere a conversioni elettro-ottiche. Nelle reti backbone degli operatori sono già presenti da alcuni anni nodi ROADM in grado di operare tale funzione impiegando tecnologie MEMS o LCoS [13]. Entrambe le tecnologie non rappresentano tuttavia la soluzione ottimale per un impiego su larga scala nelle reti di accesso, in cui il costo, i volumi, i consumi energetici e l’affidabilità sono fattori estremamente critici. Soluzioni alternative sono state avanzate negli ultimi anni nel mondo della ricerca: si sono proposti, per esempio,
ROADM basati su micro-risonatori ad anello (come quello rappresentato in figura 5) che sono realizzabili nella piattaforma tecnologica SOI, la più semplice da integrare con l’elettronica di controllo CMOS. L’utilizzo in rete di accesso di ROADM basati su micro-risonatori ad anello configurabili termicamente è stato dimostrato da Klein et al. che hanno fabbricato un dispositivo in tecnologia Si3N4/SiO2 con un footprint di appena  2mm2 in grado di operare in seconda ed in terza finestra [14]. Tre caratteristiche sono necessarie per I ROADM di nuova generazione: la proprietà “colorless”, ovvero la possibilità di consentire l’add/drop di canali a qualsiasi lunghezza d’onda; la proprietà “directionless”, ovvero la possibilità di instradare il segnale da qualsiasi porta di ingresso a qualsiasi porta d’uscita; la proprietà “contentionless”, ovvero la possibilità di gestire i conflitti nell’utilizzo delle risorse (porte di uscita e lunghezze d’onda). A queste proprietà se ne può aggiungere una quarta, la proprietà “gridless”, ovvero la compatibilità del dispositivo con le griglie WDM flessibili. Se il dispositivo possiede tutte e quattro le caratteristiche si parla di CDC/G ROADM.

 

FIgura 5 - Esempio di ROADM basato su micro-risonatori ad anello [nota 5]

Il routing di lunghezza d’onda è solo una delle possibilità per instradare il traffico in una rete WDM riconfigurabile; dal punto di vista concettuale, si tratta di una ‘semplice’ commutazione di circuito ottico, denominata OCS (Optical Channel Switching). Esistono tuttavia tecniche più sofisticate, sintetizzate in figura 6 e di seguito brevissimamente descritte, che permetterebbero di adattare la rete in modo più “granulare” ed efficiente alle variazioni del traffico.

 

Figura 6 - Tecnologie di switching ottico ordinate in base alla complessità implementativa e alle fasi in cui se ne prevede l’impiego

L’approccio ideale per rispondere a questi requisiti sarebbe teoricamente la OPS (Optical Packet Switching), ovvero una commutazione di pacchetto eseguita interamente nel dominio ottico.  L’implementazione a livello ottico della commutazione di pacchetto consentirebbe l’applicazione del concetto di IPoWDM, da molti ritenuto il “Sacro Graal” delle telecomunicazioni ottiche, che semplificherebbe notevolmente la pila protocollare, riducendo i costi operativi della rete. Poiché le tecnologie attuali non consentono questa possibilità, un approccio pratico per implementare la OPS è rappresentato dalla OLS (Optical Label Switching) in cui solo l’header del pacchetto (l’etichetta, appunto) viene processato elettronicamente. Una soluzione meno sofisticata ma più facilmente implementabile è rappresentata dalla OBS (Optical Burst Switching) che non ha la pretesa di instradare i singoli pacchetti ma gruppi di pacchetti (burst) processando un segnale out-of-band che contiene le informazioni per l’indirizzamento. La tecnica OBS viene talvolta definita OFS (Optical Flow Switching) nel caso in cui si stabilisca un flusso end-to-end ed i burst siano molto lunghi  (dell’ordine di 100 ms). La tecnica OBS presuppone una netta separazione tra il piano di controllo ed il piano dati e l’utilizzo di protocolli che definiscano le modalità con cui i burst devono essere gestiti dai router ottici; in particolare si può operare una distinzione tra protocolli definiti “2-way reservation”, in cui è richiesto un acknowledgment da parte del nodo ricevente prima dell’inoltro dei burst, e protocolli definiti “1-way reservation”, che non richiedono acknowledgment e quindi consentono una riduzione dei tempi di latenza [15].

 

Convergenza metro-access

L’impiego dei ROADM e delle evolute tecniche di switching descritte finora consentirebbe di integrare in un’unica rete all-optical i segmenti access e metro: molte delle architetture proposte che realizzano tale convergenza consistono in un anello metro che raccoglie il traffico da un certo numero di alberi PON collegati all’anello mediante ROADM.
L’utilizzo di architetture basate sulla WDM in rete di accesso, ritenuto un verosimile scenario a medio e lungo termine [10], estenderà il campo di applicazione delle PON rispetto agli attuali standard GPON. La riduzione delle perdite di inserzione degli splitter (sostituiti dagli AWG) con conseguente incremento del power budget e quindi del reach, abiliterà infatti l’utilizzo delle tecnologie PON nelle reti metro-access unificate.
Tali reti dovranno supportare tre applicazioni principali: accesso ottico residenziale condiviso, accesso ottico dedicato per i clienti business, backhauling dei nodi della rete radiomobile (4G/5G). Tali applicazioni potrebbero essere fornite da un’infrastruttura unificata ibrida WDM/TDM-PON [16].
Una possibile soluzione cost-effective potrebbe essere quella di utilizzare la WDM nel segmento metro e la TDM nel segmento di accesso. Ovviamente ci sarebbero sfide tecnologiche da affrontare: per ampliare il reach potrebbero essere necessari amplificatori ottici nei RN (remote node); andrebbe anche gestita la trasmissione burst-mode implicita della TDM.
Una delle prime proposte di convergenza metro-access è stata l’architettura MARIN, presentata nel 2007. Si tratta di una rete costituita da anelli DWDM interconnessi tra loro, ciascuno dei quali ha una propria CO che gestisce la distribuzione/raccolta del traffico delle WDM PON collegate all’anello. I nodi della rete sono di due tipologie: il MARIN gateway svolge funzioni di add/drop verso gli alberi PON; il MARIN switch svolge funzioni di routing del traffico metro. I nodi utilizzano trasmettitori sintonizzabili, sfruttano le proprietà cicliche dell’AWG e fanno ricorso alla OBS (vedi figura 7) [17].

 

Figura 7 - Architettura di rete metro-access MARIN [17]

L’architettura SARDANA, proposta nel 2011 da un consorzio internazionale di operatori, vendor e istituti di ricerca, è forse l’esempio più noto di convergenza metro-access. Tale architettura, raffigurata in figura 8, prevede un anello bidirezionale WDM a 32 lunghezze d’onda che si interfaccia con degli alberi TDM PON a 10 Gbps mediante RN che effettuano l’add/drop dei canali. Si tratta di nodi ottici passivi, poiché tutta l’elettronica risiede in un unico nodo di controllo, ovvero un CO sede di OLT localizzato sull’anello WDM. Ciascun RN è equipaggiato con uno splitter, per la distribuzione sulla relativa PON, ed un EDFA con una pompa laser remota localizzata nel CO, per estendere il reach.
Le ONT sono equipaggiate con transceiver colorless basati su RSOA che riflettono e rimodulano il segnale ottico ricevuto in downstream per generare il traffico upstream. La topologia ad anello è chiaramente strategica dal punto di vista della resilienza della rete, considerando che garantisce due vie di collegamento tra l’OLT e ciascuna ONT con un tempo di ripristino, in caso di eventuale guasto, inferiore a 50 ms [18].

 

Figura 8 - Architettura di rete metro-access SARDANA [18]

Recentemente sono state proposte altre architetture metro-access riconfigurabili. Particolarmente interessante è quella presentata da Schrenk et al. basata su nodi ROADM passivi che effettuano uno switching ottico dinamico utilizzando meccanismi di “energy scavenging”: tali dispositivi, infatti, non necessitano di alimentazione elettrica locale ma si auto-alimentano mediante segnali ottici a -10 dBm che potrebbero anche essere i segnali di traffico, piuttosto che un segnale di pompa [19].
Un’ulteriore possibilità emergente, infine, è l’integrazione delle reti ottiche con la tecnologia wireless nelle reti metro-access, esempio del trend di convergenza fisso-mobile, che potrebbe essere effettuato secondo gli approcci MoF (Microwave-Over-Fibre) o RoF (Radio-Over-Fiber) che prevedono la modulazione del segnale a radiofrequenza sulle lunghezze d’onda ottiche [20].

 

Requisiti delle reti metro

Riuscire a realizzare una rete metropolitana all-optical, come nelle architetture metro-access descritte, consentirebbe di evitare le conversioni ottico-elettro-ottiche (O-E-O): si stima che circa il 60-70% dei costi operativi associati complessivamente ad una rete sia proprio legato ai transponder ottici che effettuano tali conversioni [13]. Ridurre le conversioni O-E-O è di fondamentale importanza non solo dal punto di vista della riduzione dei consumi energetici ma anche dal punto di vista del rispetto dell’ambiente: nel 2007 il 37% delle emissioni di carbonio dell’intero settore ICT era associato all’infrastruttura di telecomunicazione e dei dispositivi; le reti metropolitane e di accesso contribuivano all’energia totale delle reti per circa il 60% [21].
La necessità di ripensare l’architettura e la gestione del traffico sulle reti metro deriva anche da un’altra considerazione: contestualmente alla diffusione dei servizi ultra-broadband nelle reti ad alta capacità su cui negli ultimi anni si stanno concentrando gli investimenti delle telco, anche i requisiti di banda sul segmento metro aumenteranno considerevolmente, trainati essenzialmente dal video IP e dai servizi cloud. In altri termini, infatti, poiché le applicazioni client-server richiedono sempre più l’accesso a DB distribuiti che devono comunicare tra loro, si assiste ad un progressivo aumento del traffico “orizzontale”, oltre che a quello “verticale” tra client e server.  Secondo uno studio di Alcatel Lucent, il traffico sulle reti metro è in crescita del 560% dal 2012 alla fine del 2017, con un tasso pari a circa il doppio rispetto a quello previsto sulle reti backbone [22]. Quest’ultimo dato è confermato dalle previsioni di Cisco (riportate in figura 9), secondo le quali alla fine del 2019 il traffico sulle reti metro rappresenterà il 66% del traffico IP complessivo. Particolarmente indicativo è che nel 2017 si prevede che il 75% del traffico sarà terminato localmente all’interno della rete metro, ovvero solo il restante 25% uscirà da tale segmento per attraversare le reti backbone [23].

 

Figura 9 - Previsione di crescita del traffico Cisco 2015 [23]

Fino ad oggi il traffico metro era caratterizzato prevalentemente da flussi “north-south”, ovvero dall’utilizzatore finale ad una “sorgente di contenuti” centralizzata a livello nazionale e accessibile tramite backbone. Grazie allo sviluppo delle CDN, le “sorgenti di contenuti” saranno sempre più distribuite sul territorio  in data center il più possibile vicini agli utenti per migliorare la QoE (basti pensare ad applicazioni come il caching di contenuti video). Per di più il traffico metro si sta evolvendo sempre di più nei flussi “east-west”, ovvero tra nodi interni alla rete metro, tipicamente tra data center locali per il delivery dei servizi cloud [22].
Non è inverosimile prevedere  che la crescita delle tipologie di traffico sopra descritte renderanno nei prossimi anni la rete metro il nuovo collo di bottiglia dell’intera rete di telecomunicazioni per l’erogazione dei nuovi servizi bandwidth-intensive. Pensare di ovviare al problema incrementando semplicemente la capacità dei vari link di comunicazione probabilmente non potrà rappresentare una soluzione cost-effective. Un ulteriore requisito, per la verità non nuovo, per le reti metropolitane è relativo alla loro affidabilità e ai meccanismi di protezione dai guasti che possano garantire una bassa probabilità di fuori servizio. Da sempre le reti metro, infatti, hanno topologie ad anello che assicurano una doppia via fisica diversificata per i collegamenti e tipicamente nelle reti metro WDM si impiegano anelli a doppia fibra. Nell’ultimo decennio sono state proposte anche soluzioni ad anello a singola fibra bidirezionale auto-ripristinante che sono basate su particolari add-drop multiplexer bidirezionali. [24]
L’auto-ripristino naturalmente implica il ricorso a meccanismi di “riconfigurazione” (in questo caso di auto-riconfigurazione) che riconducono tale specifica nell’alveo del requisito principale che rimane quello della flessibilità nelle sue varie declinazioni che includono anche il supporto di VLAN configurabili, la facilità di provisioning dei nuovi collegamenti, tecniche di controllo della congestione e di allocazione dinamica della banda, tecniche di policing e di shaping nell’ottica di migliorare la QoS.

 

Conclusioni

I trend qui delineati, le sfide tecnologiche e le possibili soluzioni innovative proposte dalla ricerca scientifica pongono l’accento sulla necessità e sull’opportunità strategica di pensare a nuove soluzioni per le reti di accesso e metro-access.
In un suo saggio del 2009 [25], il sociologo Manuel Castells, riferendosi alle reti nella loro accezione di forma organizzativa (un gruppo di persone, un movimento, un’azienda, etc.), individuava tre caratteristiche principali che garantiscono la loro efficienza: la scalabilità, ovvero la capacità di variare le proprie dimensioni, la capacità di sopravvivenza, ovvero di resistere agli attacchi esterni e la flessibilità, appunto, ovvero la capacità di riconfigurarsi in sintonia con l’ambiente in mutamento. E’ interessante e, al tempo stesso, affascinante riconoscere come queste peculiarità “sociologiche” corrispondano perfettamente alle opportunità “tecnologiche” offerte dall’applicazione alle reti metro e metro-access del concetto di riconfigurabilità nella prospettiva dei possibili scenari futuri.

 

Note

  1. Con il termine Network Function Virtualization si intende, semplificando molto, la virtualizzazione delle funzioni di rete implementandole in software (VNF) su virtual machine. Un altro concetto base della NFV è il disaccoppiamento delle funzioni di rete dall’hardware in modo che possano essere implementate su hardware COTS. [7]
  2. Molto sinteticamente, nella terminologia di OpenFlow, un flusso rappresenta una sequenza di pacchetti che, all’interno di un apparato di rete OpenFlow compliant, hanno in comune una o più azioni eseguite dal nodo su quei pacchetti.
  3. Una API è un insieme di funzioni software di un sistema (in questo caso del controller SDN) che possono essere invocate da altri sistemi (nel nostro caso dalle applicazioni). Chi invoca una funzione deve naturalmente conoscere la "segnatura" della funzione che consiste nel nome della funzione e nel tipo e numero di parametri da passare.
  4. http://www.warp5.eu/tech.html
  5. http://ir.semi.ac.cn/bitstream /172111/7023/1/28.pdf
 

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  18. J. Hoover, J. Van Horne, “SARDANA Tackles The Bandwidth Challenge”, Broadband Communities, October 2011.
  19. B. Schrenk, F. Laudenbach, R. Lieger, T. Lorünser, P. Bakopoulos, A. Poppe, M. Stierle, H. Avramopoulos, H. Leopold, “Passive ROADM Flexibility in Optical Access With Spectral and Spatial Reconfigurability”, IEEE Journal On Selected Areas In Communications, Vol. 33, No. 12, pp. 2837-2845, 2015.[24]
  20. V. Reddy, L. Jolly, “Radio over Fiber (RoF) Technology and Integration of Microwave and Optical Network for Wireless Access”, International Conference and Workshop on Emerging Trends in Technology (ICWET), Malaysia, 2015.
  21. P. Castoldi, L. Valcarenghi, I. Cerutti, “Efficienza energetica nelle reti a larga banda”, La Comunicazione, Vol. LVII, pp. 37-42, 2011.
  22. Bell Labs, Metro Network Traffic Growth: An Architecture Impact Study, Alcatel-Lucent Strategic White paper, 2013.
  23. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2014-2019, Cisco White Paper, 2015.
  24. Z. Wang, C. Lin, C. Chan, “Demonstration of a Single-Fiber Self-Healing CWDM Metro Access Ring Network With Unidirectional OADM”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No. 1, 2006.
  25. M. Castells, “Comunication Power”, Oxford University Press, New York, 2009.
 

Acronimi

  • API - Application Program Interface
  • AWG - Array Waveguide Grating
  • BoD - Bandwidth on Demand                                                                                                                                                                                          
  • CDN - Content Delivery Network
  • CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CO - Central Office
  • CPE - Customer Premises Equipment
  • DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing
  • EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier
  • FEC - Forward Error Correction
  • GPON - Gigabit-capable Passive Optical Network
  • IaaS - Internet as a Service
  • IoT - Internet of Things
  • IPoWDM - Internet Protocol over Wavelength Division Multiplexing
  • LAN - Local Area Network
  • LCoS - Liquid Crystal on Silicon
  • MARIN - Metro Access Ring
  • MEMS - Micro Electro Mechanical Systems
  • NFV - Network Functions Virtualization
  • OBS - Optical Burst Switching
  • OCS - Optical Channel Switching
  • OFS - Optical Flow Switching
  • OLS - Optical Label Switching
  • OLT - Optical Line Termination
  • ONT - Optical Network Termination
  • ONU - Optical Network Unit
  • OpEx - Operational Expenditures
  • OPS - Optical Packet Switching
  • PON - Passive Optical Network
  • QoE - Quality of Experience
  • ROADM - Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer
  • RSOA - Reflective Semiconductor Optical Amplifier
  • RN - Remote Node
  • SARDANA - Scalable Advanced Ring Dense Access Network Architecture
  • SDN - Software Defined Network
  • SOI - Silicon On Insulator
  • TDM - Time Division Multiplexing
  • VDSL - Very-high speed Digital Subscriber Line
  • VLAN - Virtual Local Area Network
  • VNF - Virtual Network Function
  • WDM - Wavelength Division Multiplexing
  • WSS - Wavelength Selective Switch
 

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