Modalità di supporto di flussi IP mediante tecniche WDM ottiche

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Le reti attuali, progettate e realizzate per la telefonia, risulteranno ( in alcuni casi 
già risultano ) inadeguate per gestire la forte crescita di traffico dovuta 
principalmente ad Internet rispetto a quello telefonico.  
Allo stesso tempo occorre pensare a reti che possano coniugare in maniera 
semplice ed efficiente i servizi offerti da una rete IP con i servizi di altra natura 
come quelli di tipo telefonico. 
Insomma una rete molto più adatta ad Internet di quella odierna, che sacrifichi il 
meno possibile di quest’ultima poiché tanto si era puntato sulle tecnologie e 
infrastrutture ora in esercizio. 
La rete che si viene così a prospettare dovrà avere caratteristiche di grande 
flessibilità, forte robustezza ed elevate prestazioni tanto nell’infrastruttura di 
trasporto che in quella di accesso. 
La tecnica WDM, usata fino adesso come metodo per non posare nuove fibre, si 
dimostra potenzialmente molto efficiente per fornire soluzioni di networking 
avanzate, flessibile al continuo sviluppo delle reti stesse, contenendo i costi di 
produzione e di manutenzione degli apparati. 
Negli ultimi tempi l’esigenza di fornire infrastrutture più efficienti per il trasporto 
di pacchetti IP ha portato a proporre soluzioni ad hoc denominate genericamente 
come "IP su WDM". 
La tesi si propone dapprima di analizzare i due scenari di rete più diffusi e 
rilevanti per il trasporto di IP, cioè IP su ATM e IP su SONET/SDH. Queste due 
soluzioni saranno oggetto di analisi rispettivamente nei capitoli 1 e 2, e apriranno 
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la strada alle problematiche che occorrerà risolvere per ottenere soluzioni più 
adeguate e ingegneristicamente valide. Nel capitolo 3 verranno descritte soluzioni 
per la canalizzazione dei flussi IP su determinati cammini; soluzioni in cui la 
funzionalità d’inoltro è portata dallo strato di rete agli strati sottostanti sfruttando 
così la tecnologia di commutazione gestita a livello hardware.  
In questa sezione verranno anche curati aspetti importanti che dovrebbero essere 
tenuti in considerazione nel trasporto di IP con ATM, SONET/SDH e WDM, 
quali:  

QoS 

Gestione del traffico 

Semplificazione delle tecniche di instradamento e inoltro IP 

Prenotazione delle risorse con orientamento alla connessione. 
Il capitolo 4 sarà sostanzialmente un panoramica sulle prospettive di networking 
offerte da una rete basata sullo strato ottico WDM. 
Infine il capitolo 5 si occuperà delle soluzioni in via di sviluppo e 
standardizzazione del trasporto dei pacchetti IP con la tecnologia WDM. 
Verranno qui sviluppate alcune tematiche quali: 

Snellimento dello strato di collegamento 

Migrazione di funzionalità nel nuovo strato ottico WDM 

Architetture di rete possibili 

Integrazione di funzionalità multiservizio nei routers di nuova generazione. 
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In particolare si valuteranno e confronteranno le nuove strategie per il trasporto di 
IP su WDM, quali: 

SDL ( Simple Data Link ) proposto principalmente dalla americana Lucent: 
è un nuovo tipo di trama più elastica e flessibile, di facile implementazione 
per l’incapsulamento del pacchetto IP; 

Il sistema DTM ( Dynamic Synchronous Tranfer Mode ) proposto dalla 
svedese Net Insight: sostanzialmente, tramite una tecnica di multiplazione a 
divisione di tempo e di spazio, permette di gestire più dinamicamente i 
flussi di dati IP; 

Il metodo DPT ( Dynamic Packet Transport ) proposto dalla Cisco 
Systems: utilizza SONET/SDH, come puro framing, e un protocollo di tipo 
MAC, chiamato SRP ( Spatial Reuse Protocol ) il quale permette la 
gestione dei datagrammi IP pacchetto per pacchetto di tipo asincrono 
anziché TDM. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Capitolo 1 
Integrazione e trasporto dei flussi IP con tecnologia 
ATM 
1.1 “Imbustamento” dei pacchetti IP e traduzione degli indirizzi. 
Due questioni molto importanti sono l’adattamento dei datagrammi IP allo strato 
ATM, cioè l’“imbustamento” in celle ATM e la corrispondenza degli indirizzi IP 
con quelli ATM tramite traduzione. 
L’imbustamento dei pacchetti IP nelle celle ATM avviene tramite uno strato di 
adattamento [1]: si è scelto AAL5 ( ATM Adaptation Layer ) [2], poiché questo 
introduce meno overhead rispetto agli altri strati AAL. 
Per distinguere il tipo di protocollo trasportato e permettere una corretta 
estrazione dei pacchetti imbustati ci sono due metodologie: VC multiplexing e 
LLC/SNAP. 
Nel primo caso ad ogni differente protocollo di rete corrisponde una diversa 
connessione ATM e ogni connessione virtuale instaurata ha quindi un AAL5 a sua 
disposizione ( vedi figura 1 ). Nell’imbustamento LLC/SNAP viene inserito lo 
strato IEEE 802.2 LLC ( Logical Link Control ) tra IP e AAL5 ( vedi figura 1 ).  
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LLC antepone al datagramma da imbustare un’ intestazione che permette di 
individuare il protocollo superiore di rete: se questo non è standardizzato dall’OSI 
allora si deve utilizzare l’estensione SNAP ( Sub–Network Attachment Point ) 
che inserisce due ulteriori campi per l’identificazione del protocollo di rete 
trasportato. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Imbustamento dei pacchetti IP in celle ATM. 
La mancanza della funzionalità di broadcast su cui si basa la risoluzione 
tradizionale degli indirizzi IP in indirizzi di strato di collegamento ( come nel caso 
di IP su Ethernet ) è risolta dai protocolli ATMARP ( ATM Address Resolution ) 
e da InATMARP ( suo complementare ) [1]. 
 
AAL5 AAL5 AAL5 AAL5 
LLC 
ATM ATM
FISICO FISICO 
Strato di RETE
IP 
IP ARP ARP
... ...
Imbustamento  
VC-multiplexing 
Imbustamento  
LLC/SNAP 
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Il primo effettua la traduzione degli indirizzi IP in indirizzi ATM, mentre il 
secondo reperisce l’indirizzo IP a partire da quello ATM. 
Ogni sottorete logica IP, chiamata LIS ( Logical IP Subnetwork ), ha un 
ATMARP server che effettua la risoluzione degli indirizzi nell’ambito della 
singola LIS: ogni terminale della LIS che vuole una traduzione di indirizzo ne fa 
richiesta all’ATMARP server di competenza. 
1.2 I modelli di IP su ATM. 
Vediamo ora quali sono le soluzioni attualmente in uso e che si stanno 
sviluppando per coniugare l’impiego delle tecniche basate su IP e ATM. 
Molti Internet service provider ( ISP ) hanno infatti già cominciato ad usare ATM 
a livello geografico nelle dorsali [1] [3]. 
Le attuali soluzioni fanno riferimento al modello chiamato “modello overlay” [4], 
cioè a livelli separati e sovrapposti in cui i protocolli di instradamento esistenti a 
livello IP e ATM agiscono separatamente.  
A questo modello si contrappone il cosiddetto “modello integrato” [1] [8] che si 
propone invece di eliminare le difficoltà di indirizzamento e le ridondanze 
funzionali tra IP e ATM nelle modalità di inoltro delle informazioni. 
Al modello overlay appartengono le seguenti soluzioni: 

IP classico su ATM [1] [4]; 

NHRP ( Next Hop Resolution Protocol ) [1] [5]; 

LANE ( LAN Emulation ) di ATM Forum [1] [6]; 

MPOA ( MultiProtocol Over ATM ) [1] [7]. 
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Anche le soluzioni che si rifanno al modello integrato sono molteplici ma la più 
significativa sembra essere quella chiamata MPLS ( MultiProtocol Label 
Switching – capitolo 3 ). 
Nella  figura 2 sono riassunte le soluzioni IP su ATM sopra citate. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 – Modelli overlay e integrato. 
IP su ATM
Modello overlay Modello integrato  
LAN 
Emulation 
IP classico su ATM
NHRP 
MPOA 
MPLS 
 
APPLICAZION APPLICAZION
IP 
+ 
IP 
ATM 
ATM 
FISICO FISICO 
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1.2.1 IP classico su ATM [1] [4]. 
In questo modello ATM svolge semplicemente le funzionalità di trasferimento a 
livello di strato di collegamento , come Ethernet per IP nelle reti locali. 
Il supporto di IP su reti di strato 2 avviene secondo il cosiddetto modello classico 
in cui a reti distinte a livello di strato di collegamento corrispondono sottoreti IP 
distinte ( LIS – Logical IP Subnetwork ). 
Non essendoci integrazione tra le funzioni IP e quelle ATM i due protocolli si 
mantengono completamente separati, permettendo così, da un lato, una facile 
realizzabilità del modello e la possibilità di introdurre separatamente le 
innovazioni tanto per IP che per ATM, e non sfruttando invece, dall’altro lato, le 
potenzialità  più importanti di ATM come ad esempio quelle relative alla QoS         
( Quality of Service ). 
IP infatti non ha alcun meccanismo per informare ATM della classe di servizio 
più opportuna da applicare ai flussi trasportati. 
Esistono due modalità di applicazione del modello classico: 
1. Modello classico su ATM permutato; 
2. Modello classico su ATM commutato. 
Il primo tipo viene applicato su rete ATM permutata, cioè costituita da PVC               
( Permanent Virtual Connection ), mentre il secondo su rete commutata, cioè 
costituita da SVC ( Switched Virtual Connection ). 
Nel caso di ATM permutato l’architettura di rete risulta realizzata da routers IP 
collegati da connessioni ATM permanenti: in tal caso non occorre fare la 
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risoluzione diretta degli indirizzi poiché ogni apparato è collegato agli altri con 
cui deve comunicare mediante queste connessioni permanenti. 
È invece usato In ATMARP per risalire all’indirizzo IP dell’apparato che si trova 
all’altro capo della connessione virtuale per poter costruire la tabella di 
instradamento. 
Si possono inoltre definire diverse connessioni virtuali sulla stessa interfaccia 
fisica gestendo così anche traffici di altra natura. 
Nel caso di ATM commutato la sorgente invia invece all’ATMARP server la 
richiesta di risoluzione dell’indirizzo IP in indirizzo ATM della destinazione. 
Le connessioni ATM commutate sono attivate in tempo reale in funzione delle 
esigenze del traffico.  
Una connessione ATM commutata instaurata tra sorgente e destinazione è 
possibile solo se queste appartengono alla stessa LIS. Se ciò non fosse vero allora 
la connessione viene instaurata fino al router di confine che fa da collegamento tra 
una LIS e l’altra e viene poi instaurata nuovamente tra questo stesso router ( che 
appartiene evidentemente a entrambe le LIS ) e la destinazione appartenente alla 
nuova LIS  ( figura 3 ). 
Il router viene a conoscenza dell’indirizzo ATM della destinazione facendo la 
solita richiesta di traduzione all’ATMARP server della seconda LIS ( figura 3 ). 
Se la destinazione non è nella LIS adiacente si procede da un router di confine 
all’altro fino ad arrivare alla LIS di destinazione. 
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La connessione tra apparati in diverse LIS non è quindi da estremo ad estremo e 
ciò è dovuto al fatto che ogni LIS ha un sistema centralizzato per la risoluzione 
degli indirizzi, vale a dire l’ATMARP server, che ha la conoscenza soltanto della 
propria LIS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 – IP classico su ATM commutato. 
Le limitazioni principali di IP classico su ATM commutato sono riportate qui di 
seguito. 

Occorre superare i problemi dovuti alla sincronizzazione tra gli ATMARP 
servers per garantire una certa coerenza tra le LIS. 

Vi sono problemi di scalabiltà del modello in ambito geografico poiché per 
l’instaurazione e l’abbattimento di una connessione occorre che una sorgente 
conosca l’indirizzo ATM della destinazione e ciò accade solo nell’ambito di 
una LIS. Se sorgente e destinazione sono in LIS diverse occorre instaurare e 
Richiesta di 
risoluzione 
Richiesta di 
risoluzione 
Risposta  
dell’ATMARP 
server 
Risposta  
dell’ATMARP 
server 
LIS 1 LIS 2 
Router di 
ATMARP 
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abbattere una molteplicità di connessioni con evidente aumento sia del ritardo 
di trasferimento ( dovuto anche alle varie traduzioni ), sia del carico 
elaborativo. 

Se si segue il meccanismo di inoltro IP, la connessione ATM è instaurata per 
ogni singolo pacchetto trasmesso e, subito dopo, abbattuta aumentando così il 
carico elaborativo della rete di controllo ATM. 

Se invece si mantiene la connessione attiva per un certo tempo, si rischia di 
minare l’efficienza dell’impiego delle risorse di trasferimento. 

ATM non opera particolari funzioni di controllo del traffico poiché IP non è in 
grado di comunicargli le notizie necessarie per questo compito: occorrono 
perciò dei meccanismi aggiuntivi, come quelli offerti da RSVP ( vedi capitolo 
4 ), che risolvano i problemi di QoS. 

Se si vogliono instaurare connessioni “on demand” occorre che anche i 
terminali e i routers IP siano in grado di generare e gestire la segnalazione.  
1.2.2 Next Hop Resolution Protocol – NHRP [1] [5]. 
I problemi inerenti al ritardo di trasferimento quando la sorgente e la destinazione 
sono in LIS diverse vengono risolti con l’uso di NHRP. 
Esso infatti prevede che l’instaurazione delle connessioni ATM commutate tra 
LIS diverse sia effettuata da estremo a estremo e non più da router a router, 
sempre che sorgente e destinazione appartengano alla stessa rete ATM. 
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Nelle reti basate su NHRP ogni LIS ha un server chiamato NHS ( Next Hop 
Server ) che si occupa di gestire le informazioni di instradamento e la risoluzione 
degli indirizzi. 
Quando occorre instaurare una connessione ATM commutata, la sorgente chiede 
al proprio NHS di effettuare la traduzione di indirizzo IP in indirizzo ATM. Se 
questo appartiene ad un’altra LIS, allora la richiesta viene inoltrata in rete da un 
NHS all’altro fino a giungere al NHS che gestisce la LIS in cui si trova il 
destinatario. 
Questo NHS opera quindi la traduzione e invia la risposta alla sorgente che a 
questo punto, conoscendo l’indirizzo ATM, potrà instaurare una connessione 
ATM diretta    ( figura 4 ).    
 
 
 
 
 
Figura 4 – Rete NHRP. 
 
Richiesta di 
risoluzione 
Richiesta di 
risoluzione 
Risposta con 
indirizzo 
Risposta con 
indirizzo 
Connessione 
diretta ATM 
Rete ATM 
commutata 
Router IP con 
interfaccia 
ATM 
Verso altre 
reti IP 
NHS
NHS 
Terminale IP con 
scheda ATM 
Terminale IP con 
scheda ATM 
Terminale IP con 
scheda ATM 
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Questo modello presenta però alcune difficoltà di scalabilità: infatti diventa 
sempre maggiore sia il numero di connessioni da gestire a livello di singola 
interfaccia di rete ATM, che il carico elaborativo degli NHS. 
Per ridurre il carico elaborativo si è quindi pensato a più NHS nella stessa LIS, 
coordinati da un protocollo chiamato SCSP ( Server Cache Synchronization    
Protocol ). 
 
1.2.3 LANE – LAN Emulation [1] [6] [9]. 
L’ATM Forum ha formulato il modello LANE, in modo tale che si possano 
emulare, su reti ATM, le funzionalità del livello MAC ( Medium Access Control ) 
( di tipo Ethernet o Token ring ) che permettano l’interoperabilità, tramite bridges 
dotati di interfaccia ATM, tra LAN tradizionali e LAN ATM. 
Questa emulazione è resa possibile dall’inserimento di uno specifico strato di 
software chiamato LAN Emulation Entity, posto sopra lo strato di adattamento 
AAL5, e fornisce tutti i servizi tipici del livello MAC IEEE 802. 
Si garantisce in questo modo la connettività IP sia tra i terminali della rete ATM, 
sia tra questi e quelli IP delle reti tradizionali Ethernet connesse alla LAN 
emulata. 
Inoltre le reti locali tradizionali possono evolversi in una rete ATM senza dover 
effettuare alcuna modifica di software ai terminali ad essa connessi, ma 
semplicemente sostituendo la sola scheda di rete sulla quale è implementato il 
protocollo di emulazione. 
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Il modello LANE impiega dei servers specifici con la funzione di instaurare le 
connessioni ATM tra sorgente e destinazione. Questi servers ricevono l’indirizzo 
ATM del  destinatario ( o dei destinatari ) e ne restituiscono l’identificativo  
VPI/VCI ( Virtual Path/Virtual Channel Identifier ) della connessione virtuale 
ATM tra sorgente e destinazione, instaurata attraverso procedure di segnalazione. 
Nella figura 5 è mostrata la schematizzazione di una LANE. 
 
    
 
 
Figura 4 – Rete LAN Emulation. 
Anche questo modello presenta evidenti limiti di scalabilità geografica per via 
dell’elevato numero di elaborazioni svolte dai servers per far funzionare i 
protocolli di emulazione. 
 
 
 
 
 
Bridge con 
scheda ATM 
Terminale IP con 
scheda ATM 
Bridge con 
scheda ATM 
Terminale IP con 
scheda ATM 
Terminale IP con 
scheda Ethernet 
Terminale IP con 
scheda Ethernet
Rete Ethernet 
Rete Ethernet 
Infrastruttura 
ATM 
Server LAN 
Emulation 
LANE