Photonic Switching in Advanced Optical Networks

Photonic Switching in Advanced Optical Networks (Comutação o Fotônica) Tecnologias, Sistemas Felipe Rudge Barbosa God will save the planet, not humans. LTF-FEEC Unicamp BRASIL mês/2003 Introdução Geral Introdução Geral (1a. Parte) conceitos básicos e definições; evolução histórica; gerações de tecnologias; aspectos econômicos Redes Óticas Avançadas (2a. Parte) redes WDM (tronco e metro) redes óticas acesso redes fotônicas Silicon Photonics (3a. parte) 2 Histórico Introdução Geral 1960 - Invenção Laser 1962 - Laser Semicondutor (77 K) 1970 - Laser Semicondutor Tamb (300 K) 1970 - Fibra Óptica (20 db/km) 1973-75 - Laser, Fibras Óticas, Sistemas (no Brasil) 1980-82 - Laser 1300/1550 e Fibra Monomodo (0,25 db/km) 1990-92 - Amplificador Ótico 1992-94 - Sistemas WDM Longa Distancia 1998- Sistemas WDM Metropolitanos 2000-2004 - Redes Óticas e 2004- futuro - Redes Fotônicas 3 1

Evolução Sistemas Ópticos Capacidade Redução de Custos de Transmissão e Aumento Capacidade Curtos comprimentos de onda Fibra multimodo Introdução Geral Alcance e Flexibilização das Redes de Telecomunicação Longos comprimentos de onda Fibra monomodo Anos 70 Faixa-Larga Transparentes aos Serviços Optoeletrônica de alta velocidade Amplificação óptica Anos 80 Redes WDM de Acesso Processamento óptico de sinais Anos 90 Redes Fotônicas Anos 2000 Tempo 4 Photonic Switching O que é Comutação Fotônica e pra que serve? Telecom Processo de roteamento de sinais e canais óticos (comprimentos de onda); [camada enlace(2) e rede(3)] pode ser realizado entre fibras ou dentro de uma única fibra; [camada fisica(1)]; Contribui significativa/te para diminuição da latencia da rede, para alta capacidade de transmissão e vazão, e para otimização dos recursos instalados da rede. Aplicação em Redes óticas Avançadas (Redes Fotonicas) Outras aplicações ) Displays Sensores 5 Telecom -- Natureza & Extensão 6 2

Optical Communications Redes WDM -- presente e futuro Central N Rede Acesso N Rede Acesso A Central A (comutação e roteamento) Rede Tronco (Anéis SDH) Fibras Ópticas (everywhere) Central B (comutação e roteamento) Rede Acesso B Rede Acesso C 7 de Acesso Arquitetura Atual (e futuro próximo) Redes Publ.Serviços Provedor HFC NóOp Fibra Host Dig. Central Comutação ER e Roteam. FTTC/ FTTCb (OLT) Fibra Central MultServ BandLarg FTTH/ FTTB FTTA coax UR Metal UR (ONU) UR DO (ONU) (ONU) par trç. 8 -- Conceitos Camadas & Chamadas panorama Possibilidades Possibilidades Cliente/Usuário Serviços Transporte e Acesso Novas tecnologias Rede Óptica Planta Física G&C Demandas Demandas O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar os diferentes usuários. 9 3

Transmission media -- evolution Banda Passante transmissão cabeada Absorption and Attenuation Bandwidth (db/km) 100 10 1 Twisted pair Coax MM Fiber SM Fiber 0.1 1 10 100 1 10 MHz GHz Transmission Frequency (Hz) diferentes meios de transmissão podem coexistir na mesma rede, mas cuidado com a rede!! 10 Transmissão Atenuaçã ção o em Fibras Ópticas Visível Infra-vermelho 1a. 850 Atenuação (db/km) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1100 Rayleigh 80 nm 13 THz Espaçamento dos canais ópticos 50-100-200 GHz OH - 1200 1300 1400 1500 AFDE 30 + 40 nm 120 nm 15 THz 2a. 3a. Comprimento de Onda (nm) IR 1600 1700 11 Transmission media -- evolution Sistemas WDM em Fibras Ópticas Wavelength Division Multiplexing multiplexação por divisão de comprimentos de onda (lambda); cada fibra (monomodo) suporta dezenas de lambdas, até >1 centena; cada lambda suporta dezenas de Gb/s... portanto, sendo 100x10=1000, UMA fibra suporta >Terahz de informação!! λ1 λ2 λ3 λκ λn uma fibra cabos de fibras contém dezenas até centenas de fibras (36, 72, 144) 12 4

Introdução Geral Protocolos de Rede Cenário Atual -- Serviços Serviços (3P): voz; dados [Internet, imagem]; video Transporte IP Ethernet ATM Rede óptica HFC MPLS PDH SDH WDM Optical Network 13 Sistemas Ópticos Protocolos de Transporte Protocolos de Transporte em Redes Telecom PDH hierarquia digital plesiócrona (meados 1970-1980) SONET -- rede ótica síncrona (meados 1980-1990-2000) SDH -- hierarquia digital síncrona (meados 1980-1990-2000) Redes Dados (computadores/internet) Ethernet TCP-UDP/ IP 14 Sistemas Ópticos - Transporte Evolução Capacidade três mundos... PDH Taxa Canais de Voz (*) Sigla (Mb/s) E-0 0,064 1 E-1 2,048 30 E-2 8,448 120 E-3 34,368 480 E-4 139,264 1920 (*) equivalencia exata. Ethernet Sigla Taxa (Mb/s) 10 base T 10 Fast Eth 100 GbE 1 Gb/s 10 GE 10 Gb/s SDH SONET Taxa Canais Voz Sigla Sigla (Mb/s) (64k) STM 0 OC-1 51,84 672 (810#) STM-1 OC-3 155,52 1920 -- OC-9 466,56 STM-4 OC-12 622,08 7680 STM-16 OC-48 2488,32 (2,5 Gb/s) STM-64 OC-192 9953,28 (10 Gb/s) STM-256 OC-768 39813,12 (40 Gb/s) (**) equivalencia ilustrativa apenas. (#) comunicação digital pura STM-1 pode ser constituido de: -- 1 E-4 = 1920 can. Voz -- 4 E-3 = 1920 can. Voz -- 63 E-1 = 1890 can. Voz 30720 (**) 122880 (**) 491520 (**) 15 5

de Transporte OTN Frame SDH ITU-T Recom. G.707 (rev. March 1996) 270 N columns (bytes) 9 N bytes 261 N bytes 1 Section overhead SOH 3 4 5 Administrative unit pointer(s) STM-N payload 9 rows Section overhead SOH 9 T1518000-95 Tamanho ( área ) de um container:: STM-16 => (270x16)=4320 by ; 4320x9= 38880 bytes ; Header=1296; Payload=37584 by 16 IEEE 802.3 (CSMA-CD) MAC - Ethernet 10 Gigabit Ethernet couples the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC to a family of 10 Gb/s Physical Layers. The relationships among 10 Gigabit Ethernet, the IEEE 802.3 (CSMA/CD) MAC, and the ISO Open System Interconnection (OSI) reference model are shown in Figure 44 1. 17 Sistemas Ópticos Evolução Capacidade Multichannel Terabit Capacity (WDM) OPTICAL FIBER SYSTEMS Gigabit Capacity Communication Satellites Singlechannel (EDM) killer technology sistemas avançados coaxiais e satelite primeiros sistemas coaxiais multiplex 12 linhas telefone em par cobre primeiras linhas telefone => Optical Communication systems represent a revolution in telecomm, not just an evolution. 18 6

$$ The Money $$ O que aconteceu nos bastidores... Investimentos em Telecom & TI (não Receita) Nasdaq Dow-Jones WWW Internet popular Sept. 11 Quebra Nasdaq 19 O que aconteceu recentemente... $$ The Money $$ 2008-2009 2009 20 Sistemas & Redes de Comunicação Óptica conclusão da Introdução Geral... Hoje os Sistemas Óticos são a referencia em Comunicaçoes; além disso (ou porisso) são : A única opção para altíssima capacidade (Terabits) nas Redes Longa Distancia e Metropolitanas tronco (backbone);.. mais alta capacidade nas Redes de Acesso, (debate nos custos..) Altíssima confiabilidade e permanência Banda passante maior que qualquer outro meio; o menor (custo/bit) / assinante; Permitiram o desenvolvimento mundial da Internet, e viabilizaram telecomunicações (junto com TI ) como uma das duas maiores atividades econômicas do planeta. lembrando sempre que, Combinação/composição com outras tecnologias é em geral necessária para múltiplas aplicações e para chegar ao usuário! 21 7

WDM Felipe Rudge Barbosa rudge@dsif.fee.unicamp.br dsif.fee.unicamp.br LTF-FEEC-Unicamp FEEC-Unicamp Novembro 2009 Redes WDM Redes de Entroncamento Redes de Longa Distancia Redes Metropolitanas (primária) de Acesso Redes Metropolitanas (secundária -- distrib/coleta) Redes Locais -- Evolução metal telefonia dados várias fibras e amplificadores 90- metal telefonia dados Rede Acesso Multiserviço 95+ várias fibras e amplificadores WDM Sistemas WDM amplificados Rede Acesso Multiserviço

Evolução Redes WDM Outras centrais Rede Acesso A Central 1 (comutação e roteamento) Rede Acesso B Rede Tronco Anel Óptico Fibras Ópticas Central 2 (comutação e roteamento) Rede Acesso C Redes Óticas monocanal (1a. Geração) enlaces óticos ponto-ponto, entre nós da rede, conversão O/E/O em cada nó; qq. lambda; digamos, 1a=850nm, 1b=1300, 1c=1550nm; entre centrais telefônicas; metro- e longa dist. Redes WDM (Redes Óticas 2a. e 3a. Geração) Redes de Entroncamento 2a.G: vários comprimentos de onda em cada enlace; conversão O/E/O em cada nó; roteamento eletrônico; 3a.G: vários comprimentos de onda em cada enlace; sem conversão O/E/O em cada nó; roteamento ótico; Redes de Longa Distancia Redes Metropolitanas Histórico Redes WDM Redes Óticas 2a. e 3a. geração Transmissão Óptica com conversão opto-elétrica e roteamento/comutação eletrônica (solução atual) 2a. usuário k Transmissão/Roteamento Ópticos Rede Ótica (solução emergente ) conversão E-O E O somente extremidades 3a. usuário z usuário j usuário y Nó Opto-Elétrico Terminal OptoE Fibra Óptica Nó Óptico (roteador)

Camadas na Rede Óptica Serviços/Aplicações Transporte e Acesso Digital Roteadores e Comutadores Eletrônicos IP ATM Ethernet SDH Transporte Óptico (funções) OXC WDM Camada Física (componentes e equipam.) Fibra ótico elétrico Multiplexação de Sinais A B C D Sistema Eletrônico Tx Transmissor Meio de Transmissão Rx Receptor Sistema Eletrônico F G H J Sistema genérico: -- eletrônica é sempre indispensável; -- diferentes s ligam-se a um dado Sistema Eletronico, que combina de forma organizada os vários sinais dos vários s, formando um sinal multiplexado; -- este sinal eletrônico multiplexado é transmitido; -- na recepçao é de-multiplexado e distribuido organizadamente Sistema Eletrônico Sistema Eletrônico Multiplexação de Sinais Tx Rx Receptor ótico Transmissor Receptor ótico Meio de ótico Transmissão Sistema WDM: Fibra Ótica Transmissor Receptor -- vale tudo dito anteriormente ; ótico ótico -- cada Sistema Eletrônico é transmitido em UM comprimento de onda, que corresponde a UMA frequencia ótica; -- um multiplexador ótico combina de forma organizada os vários sinais de diferentes comprimentos de onda, formando um sinal multiplexado ótico; -- este sinal é transmitido pela fibra ótica; -- na recepçao é demultiplexado e distribuido organizadamente Sistema Eletrônico Transmissor ótico Sistema Eletrônico Sistema Eletrônico Sistema Eletrônico

Topologias da Rede Topologia da rede define a forma de interconexão dos nós da rede; a topologia não define distancias nem a forma geométrica da rede; ⓿ Topografia define as características do terreno; ⓿ Geometria define a forma de uma figura (uni-bi-trimultidimensional) Árvore Topologias da Rede Estrela Anel Malha Barramento Redes WDM evolução

1a. geração Redes com Um Comprimento de Onda (Cross-connect digital com Conversão E-O) == solução antiga == fibra cobre redes locais ou grandes usuários com interface ótica ou elétrica 2a. geração Redes com Vários Comprimentos de Onda (Cross-connect Digital com Conversão E-O) == solução WDM 1a. Geração == 3a. geração Redes com Vários Comprimentos de Onda (Cross-Connect Óptico sem Conversão O-E) == solução WDM 2a. Geração == OADM OADM OXC OXC OXC OADM

Componentes Óticos para Comutaçao em Redes WDM Componentes ativos e passivos Roteadores/Comutadores Ópticos Função: conexão cruzada (roteamento) ou deriva/insere Tipos: Roteador Passivo (fixo, configurável no projeto): usa elementos ópticos passivos: acopladores, filtros, multiplexadores e demultiplexadores. redes ópticas convencionais; custo reduzido, alta confiabilidade Roteador Programável (ativo, reconfigurável na rede): usa filtros sintonizáveis, chaves ópticas e conversores de comprimento de onda. confere flexibilidade à rede; tem custo elevado, boa confiabilidade Roteadores/Comutadores Ópticos Função OADM (Deriva-Adiciona Óptico) elemento ótico que através de filtros e divisores/combinadores de feixe permitem extração e adição de um ou mais comprimentos de onda (lambdas); Função OXC (Conexão cruzada Óptica) elemento ótico que permite reconfigurar/rearranjar os canais óticos (lambdas) nas portas (entrada-saída) de uma interconexão óptica (nó).

Comutadores Ópticos Deriva-Adiciona (OADM) λ 1 λ 2. λ 3, λ 4., λ j λ k. λ 3 λ 4. λ 1 λ 2., λ j λ k. λ j λ k. λ 1 λ 2., λ 3 λ 4. λ 1 λ 2...λ N λ 1 λ 2...λ N Conexão Cruzada (OXC) λ 1 λ 2 λ 1 λ 2 ROADM ambos podem ser ativos (reconfiguráveis( reconfiguráveis) ou passivos (fixos) [entretanto o roteador fixo pode ser alterado...] Redes WDM Alocação de Tráfego Óptico Localidade A Localidade B λ 1 Localidade C Localidade D λ 1 λ 2 λ 2 λ 3 λ 3 λ4 λ 4 Drop λ 1 Add λ Drop λ Add λ 2 1 2 Nó Óptico OADM / WDM interface SDH (ou outra) Nó j Seção Transponders Seção WDM Seção Amp.Opt. s (Interface j-i ) λ1 λ2 λ8 Comb. Split. T R Controle e Gerencia s (Interface j-k ) λ1 λ2 λ8 Comb. Split. T R Controle e Gerencia Oeste de/para Nó i de/para Nó k Leste

Sistemas Óticos de Transmissão Sistema WDM bidirec 40 canais ópticos 2,5 Gb/s ou 20 canais ópticos 10 Gb/s =>Amplificados e com Controle de Dispersão (Marconi 2003-2004) Redes WDM com alguma comutação ótica Testes de Campo : Rede Giga (RNP-CPqd, Brasil) http://www.giga.org.br/ [Finep, Funttel] Rede Kyatera (Fapesp, São Paulo) http://kyatera.incubadora.fapesp.br/portal MONet (Multiwavelength Optical Network, USA) ACTS Open (Optical Pan-European Network, UE) ACTS Photon (Photonic Network, UE) Rede Óptica Experimental Projeto Kyatera Experimental Net Stable Net 20 Gb/s Stable Net 1 Gb/s

MONET - Implementação Configuração Inicial - 1998-99 MONET - Implementação Interconexão de Anéis Protegidos Washington DC, inicio1998-99 anel metropolitano; dezenas km MONET - Tecnologia Fontes WDM, deriva-insere ópticos (OADM) e conexões transversais ópticas (OxC) reconfiguráveis. Oito comprimentos de onda 2.000 km fibras em NJ (USA): o convencional (SMF) o dispersão não-nula (NZD) positiva e alternada. Topologia em anel, com 6 nós OADM; e gerência de rede; Taxas de 52 Mbit/s a 10 Gbit/s (hierarquias SONET); Tráfego sinais analógicos, SDH/Sonet, IP, outros digitais bbase. http://www.bell-labs.com/project/monet/mon_pro.html

NSFNET - Implementação (National Science Foundation Research Network) Rede nacional de pesquisa (EUA) 14 nós (1a. versão); 21 nós (2a. versão) Pacifico Atlantico = distancias em km Rede Óptica Experimental Projeto PHOTON Pan-European Photonic Transport Overlay Network (inicio ano 1998) Germany Bavaria applications SDH, leased wavelength service Munich applications SDH, leased wavelength service Passau Austria Vienna applications SDH, leased wavelength service PHOTON Summary of Trial (1998-2001) Realisation and application of a border crossing star network called PHOTONET, using WDM links and WDM OXC. The WDM trial allocates 8 channels in the 1550 nm range; 400 GHz spacing is used in the German part of the network, and 200 GHz spacing is used in the Austrian part. The field trial network is located between Munich and Vienna with the OXC located in Passau. Based on installed standard single mode fibres and on commercially available components. Demonstrates WDM transmission with data rates up to 10 Gbit/s per wavelength over 500 km, WDM amplification and dispersion compensation. WDM cross-connection, optical WDM supervision, and application of the WDM transport network.

Londres Rede Óptica Experimental Projeto OPEN Stocolm Berlin Optical Pan-European Network (Today) 2004 Paris Milão Madrid Roma Atenas Fonte: JLT2004_Penninckx Penninckx-OPENtwk Anos 90-1a. Evolução das Redes WDM Resumo Anos 90-2a. Enlace WDM Anel SDH Anel WDM ADM Óptico ADM SDH Anos 2000 Rede WDM OXC OXC próxima rede rudge@dsif.fee.unicamp.br vamos adiante..

Avançadas adas Redes Fotônicas Comutação Óptica tendências ncias em inovação o tecnológica Felipe Rudge Barbosa Laboratório de Tecnologia Fotônica DSIF FEEC Unicamp Natureza & Extensão Redes Óticas 2 Redes Óticas Avançadas Redes Óticas convencionais redes de transporte ótico, usando fibras óticas e múltiplos comprimentos de onda fixos; processamento eletronico; Redes Fotônicas redes óticas avançadas que incluem funções de chaveamento e roteamento na própria camada ótica (sem conversão O/E/O); processamento ótico ; Redes WDM OCS chaveamento de circuitos ópticos (canais WDM) redes tronco metropolitanas e interurbanas; Redes Distribuição e Acesso (redes pacotes ópticos) OPS chaveamento de pacotes ópticos OBS chaveamento de rajadas de pacotes ópticos redes metropolitanas de distribuição e acesso 3 1

-- Conceitos Camadas & Chamadas panorama Modelo OTN/ ITU-T Application Transport Network Link Physical Cliente/Usuário Serviços Transporte Rede Óptica Planta Física Modelo OSI/ ISO Application Presentation Session Transport Network Link Physical O objetivo das Redes de Comunicações é interconectar s e usuários. 4 Avançadas Redes atuais e futuras (futuro começando agora...) Redes ópticas de pacotes (Next Generation Optical Networks) redes de fibras ópticas como suporte para transporte de pacotes de informação; roteadores IP/ transporte Ethernet/ transmissão WDM; são as redes disponíveis hoje, com processamento eletrônico; podem envolver transporte SDH; baixa transparência. => regidas por padrões IEEE e ITU-T, ETSI. Redes de pacotes ópticos (OCSN, OPS/OBSN) [a seguir] redes de fibras ópticas com transmissão em alta granularidade arquitetura funcional de processamento ótico (chaveamento de pacotes de luz, ou de rajadas de pacotes -- [cabeçalho e carga útil]) na própria camada óptica; alta transparência a taxa e formato dos s; representam uma ruptura com as redes atuais, incompatíveis com elas; mas são compatíveis com transmissão WDM. Em inglês: Optical Packet Networks 5 de Pacotes Optical Packet Networks EPON EFMA (Eth First-Mile Alliance, 2000-2003) http://grouper.ieee.org/groups/802/3/10gepon_study/index.html Since November 2000 more than 200 individuals from over 80 companies participated in an IEEE study group, which formally became the IEEE 802.3ah EFM Task Force in September 2001 EFM is based on packet switching, rather than circuit switching; starting with 10 and 100 Mb/s, evolving to 1000 Mb/s (GbE), the study group has concluded 10 GbE issues; (concluído/pronto em 2003) EPON has the best performance in triple-play ; and cost effective!! but an enormous legacy of telephone companies holds APON/BPON and GPON as a straightforward solution... however, the future decides and seems to favor both!! European, American and Asian companies participate actively in (APON/BPON)=> GPON and EPON. 6 2

Hoje Brasil (e mundo) ~10 km Topologia estrela-anel Cost issues... Video-IP Broadcast / VoD de Pacotes 10/100Mbps ~alguns km ~centenas de Roteadores usuários 2 Portas GbE Multiplas Portas 10/100 Switch Anel óptico (acesso para usuário) Camada Óptica Opção WDM Mux/Demux Óptico Router Transporte Óptico Roteador (hub) 4 Portas GbE Multiplas Portas 10/100 Mux/Demux Óptico ou Múltiplas Fibras dezenas ou centenas de usuários PON Roteador c/ Multiplas Portas GbE PSTN (RTPC) wireless systems 2G-3G EPON Metro-Acesso última geração => IP sobre WDM Head-end end INTERNET 7 Rede Óptica de Acesso ITU-T Optical Transport Networks GPON access SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Recom. 984.1 - Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General characteristics Mar.2003 This Recommendation describes a flexible optical fibre access network capable of supporting the bandwidth requirements of business and residential services; and covers systems with line rates of 1.2 Gbit/s and 2.4 Gbit/s in the downstream direction and 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, 1.2 Gbit/s and 2.4 Gbit/s in the upstream direction. Both symmetrical and asymmetrical (upstream/downstream) Gigabitcapable Passive Optical Network (GPON) systems are described. This Recommendation proposes the general characteristics for GPON based on operators' service requirements; it relies upon, but is not restricted to, ATM based technologies for transport and access; compatible with Ethernet based packet networks. 8 de Acesso Arquitetura Atual (e futuro próximo..) Redes Serviços Provedor HFC NóOp Fibra Host Dig. Central Comutação ER e Roteam. FTTC/ FTTCb (OLT) Fibra Central FL MS FTTH/ FTTB FTTA coax UR Metal par trç. UR (ONU) UR GPON DO (ONU) (ONU) mas também pode ser EPON... 9 3

Novas Tecnologias de Redes e Sistemas Óticos Novos Paradigmas 10 Photonic Switched Networks OPS, OBS, OCS OCS optical circuit switching -- chaveamento de circuitos óticos; entende-se que cada comprimento de onda através da rede é um canal, estabelece um circuito ótico fim-a-fim; tempos: chaveamento ~alguns ms; conexão ~horas; OBS optical burst switching chaveamento de rajadas de pacotes óticos; aumenta a granularidade dos canais óticos, ligando e desligando os s conforme demanda; tempos: chaveamento ~ centenas µs; conexão ~minutos/; OPS optical packet switching -- chaveamento de pacotes óticos; aumenta mais ainda a granularidade dos canais óticos, mas é incompatível com as atuais tecnologias de rede ótica; tempos: chaveamento ~alguns µs; conexão ~segundos; tempo de chaveamento é o tempo de permanência do pacote ou rajada no nó da rede; desde chegada e detecção do cabeçalho, processamento informação, roteamento, chaveamento, e despacho. 11 Photonic Networks Future Evolution of Optical Networks Metro-Access packet switching λj OxC OxC Backbone OCS WDM λ-routing OxC packet OBS switching OPS OxC λk λg Metro-Access packet switching Metro-Access packet switching Metro-Access 12 4

Photonic Networks -- OCS Rede Omega CPqD/Ericsson 2002-2004 plano de controle piora Monica Rocha, et al., ELECTRON. LETT. 7th November 2002 Vol. 38 No. 23 13 Photonic Networks OCS Rede Omega CPqD/Ericsson Cinco nós WDM Oito lambdas (planej) Cinco lambdas (realiz) Taxa 2,5 Gb/s escalável p/ 10 Gb/s 14 Photonic Networks OCS Nó Óptico OCS: Rede Omega CPqD/Ericsson 8 canais 4x4 Conexão Cruzada WDM (OXC) e OADM (inserçao/deriva optica fixo) 15 5

Photonic Networks OCS Rede com Vários Comprimentos de Onda OCS: Cross-connect Óptico sem Conversão E-O == solução WDM 2a. Geração == Short-Haul WDM Routes WDM Access Ring or Star WDM OXC WDM Central Office Long-Haul WDM Routes Source: CIENA Corp. Voice Switch Single wavelength interfaces Digital Cross Connect Data Switch OxC OADM 16 Metro-Acesso OBS & OPS Future Optical Access Network an example Nó i Fibre everywhere... Optical Node Nó k Optical Node f k Nó j Optical Node f j Optical Add/drop Add/drop optical FTTB/C FTTU FTTA Fibras simples Fibras duplas RBS ONUs 17 Optical Packet Switching Characteristics Manhattan St. -- 2x2 mesh topology => metro-access netwks optical nodes Higher Node (concentrator) Optical packet/burst with a frequency header : fast header recognition fast switching (~µs) and low latency asynchronous operation simple RF frequency header (~MHz) high-capacity digital payload, any rate & format (1-10 Gb/s) readily available components extensive to OBS τp τp=2-20µs (typ.) packet traffic simulations show that bufferless optical mesh networks have better throughput than ring or star. optical gate i header (MHz) f time digital payload (Gb/s) 4 18 6

Optical Packet Switching & Routing f i, f j, f k f i, f k, f j X X In 1 Node k Out 1 Optical Switch In 2 Out 2 2x2 Drop Header Recognition Decisions & Actions Local User f i, f j, f n X f i, f j, f m X Add f k Requirements: Golden Rules optical switch is blocked when a packet is present ; a packet can be deflected but not cut or lost ; OPS switching operation is packet-by-packet no buffering in the optical layer ; 19 Optical Packet Switching & Routing Node k In 1 X X In 2 Drop Header Recognition Main Optical Out 1 X X Switch Out 2 2x2 Add Controller Client Requirements: Golden Rules optical switch is blocked when a packet/burst is present ; a packet/burst can be deflected, but not cut or lost ; OPS operation is packet-by-packet ; no buffering in the optical layer ; 20 Optical Packet Switching Experiments Experimental Set-up (deflection routing & drop; 3 freqs. ) LASER packet generation polariz control Digital Pattern Generator EDFA EOM Optical Filtre Timetable -- HRC rise/fall times 40 ns LDC rise/fall times 50 ns A-O Opt Swx rise/fall 90 ns; A-O control response 1.5 µs; Total Optical Switching process is ~ 2 µs; Opt Rx Opt Rx packet detection, deflection & routing f1, f2, f3 HRC f1, f2, f3 HRC Digital Oscilloscope (20 GS) Main Optical A Switch C B OR OR SC NOR Electrical J Clk K D Q _ Q LDC Optical Switch f1, f2, f3 HRC SC 1121 7

Redes de Pacotes Ópticos OPS / OBS Optical Packet Switching & Routing Optical Switches off Optical Switch on Electrical Optical = out 1 Optical = out 2 Optical = drop Optical Switch and drop header τ p payload i f Optical Packet 22 Optical Packet Switching Experiments Experimental Set-up (deflection routing & drop; 3 freqs. ) 23 Advanced Photonic Networks OBS -- Optical Burst Switching present... and future!! RChPO Client Network clients A Fast LightRing B Client Network clients IP, Ethernet or IP/MPLS C Optical Nodes Client ntwk IP, Ethernet or IP/MPLS Optical layer 24 8

Optical Node Architecture Single wavelength; bidirecional diagram Control Plane λ ctrl TX RX Operação e controle Tx Rx Rx Tx Sinal do plano controle FDL Client IP Netwk RX Router TX Rx Tx Burst Assembler & Optical Access Hardware Proprietary Rx Tx Tx Rx N clients Tx Rx Sinal do plano controle λ data all interfaces are Optical!! λ contrl λ data FDL Oeste λ data Photonic Switching λ data Leste 25 Control Plane Burst assembler Network node Link state table Node state table Local queues state table Control plane Central processing unit Input λ ctrl λ data Optical Switch λ ctrl λ data Token reception, processing and transmission processes must be accurately timed for proper functioning of the network Output 26 Burst assembler Egress and Ingress to the Optical Network Clients IP router From Optical node Node A Tx Tx GbE GbE classifier Burst assembler queues status egress scheduler Ingress scheduler trigger GbE Nó B Optical switch setup Rx Rx Clients IP router Next Optical node Node C Optical node Control plane 27 9

Optical Switching Unit Architecture -- Unidade de chaveamento ótico Control Plane signal in Placas CICCO Circuito controle Chaveam. Opt. SOAs Photonic Switch Burst assembler R T splitter / coupler neste caso considera-se o Transmissor on/off, de modo que o SOA-A chaveia a recepção. A B fibras signal out Traffic in K Final destinat. (receive) Pass Broadcast Transmit Configuração A Soa A on off on on/off (indif.) Soa B off on on off 28 Optical Switching Unit Architecture -- Unidade de chaveamento ótico Control Plane Photonic Switch Burst assembler R T Traffic in K Configuração B Soa A Soa B signal in Placas circuito Chaveam. Opt. B A splitter / coupler signal out Final destinat. (receive) Pass Broadcast Transmit on/off (indif.) off off on off on on off neste caso o Transmissor pode estar sempre ligado (ON, com ou sem sinal), de modo que o SOA_A chaveia/bloqueia a transmissão quando solicitado. 29 Photonic Switch => option for WDM arquitecture Control Plane control signals Burst assembler Demux ótico Mux ótico WDM Optical switch 30 10

Alternativa simplificada SOS Demonstração Experimental Out. 2005 Out. 2006 31 RCPO 2005 SOS Demo Set-up Traffic source/sink Simplified optical Switch Traffic source/sink Burst assembly & Ctrl Pl Burst assembly & Ctrl Pl Pl.Ctrl. WDM coupler optical switch Optical Node 1 WDM coupler optical switch Optical Node 2 WDM coupler Fiber spools λ data, λ ctrl 32 OBS Network - CpqD Hardware FPGA Processing Board (burst assembler & control plane ) Client Optical Access Board Optical Network Access Board SFP Small Form Pluggable module 33 11

OBS Network - CpqD Optical Switch Matrix Board Semiconductor Optical Amplifier 34 OBS Network - CpqD Optical Switching Node Assembly & Test 50 km fiber 50 km fiber power supply 35 OBS Network - CpqD Principais trabalhos; Mobilon ITS 2006 Vini Garcia Tese Mestrado 2009 36 12

OBS/OPS Technology Matisse Networks (USA) EtherBurst Optical Swx 2006-7 37 Photonic Switched Networks Other reported networks: ] C. S. Chen, B. S. Park, J. D. Shin, J. M. Jeong: A broadband optical ring network (BORN): multichannel slotted ring, Elsevier Computer Networks and ISD Systems, Vol. 27, No. 9, pp 1387-1398, 1995. ] M. A. Summerfield: MAWSON: A Metropolitan Area Wavelength Switched Optical Network, Procs. 3rd Asia Pacific Conference (APCC 97), Vol 1, pp. 327-331, Sydney,Australia, Dez 7-10, 1997. ] K. V. Shrikhande et al.: HORNET: A Packet-Over-WDM Multiple Access Metropolitan Area Ring Network, IEEE J. on Select. Areas in Comm., Vol. 18, No. 10, pp 2004-2016, Out 2000. ] Carena et al.: RINGO: A demonstrator of WDM optical packet network on a ring topology, Proc. 6th IFIP Working Conf. on Optical Network Design and Modeling (ONDM), Torino, Itália, Fev 2002. 38 de Acesso Comentários finais The Money... Fibra homes @NTT Metal Fibra office Early FTTH: E.O.T.Phone Co. (Minn.,USA) 1997/ metal U$3000 p/subs.; outro: U$ 5000 p/subs. -- Rye Telephone (Colo.,USA) 2000/ fibra ~10% acima cobre; opção fibra!! A partir de 2004 Japão/Korea: não se instala mais metal na rua!! (e no Jp já são mais de 900.000 casas com FTTH, o que dá mais de > 3 Mi de usuários. 39 13