ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ ΓΙΑ ΔΙΚΤΥΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ XG-PON

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΔΙΚΤΥΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ» ΘΕΜΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ ΓΙΑ ΔΙΚΤΥΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ XG-PON ΣΩΤΗΡΙΑΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΑΕΜ 595 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2016

2 2

3 Πρόλογος Το παρόν σύγγραμμα αποτελεί διπλωματική εργασία η οποία εκπονήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος , από τον φοιτητή Σωτηριάδη Γεώργιο, στο πλαίσιο του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών του Τμήματος Πληροφορικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα υπολογιστών αποτελούν την κυρίαρχη τεχνολογία παροχής ευρυζωνικότητας και υποστήριξης σε εφαρμογές που απαιτούν η μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων να γίνεται γρήγορα και αποδοτικά. Συνεπώς, σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη αλλά και η υλοποίηση καινοτόμων πρωτοκόλλων για παθητικά οπτικά δίκτυα XG-PON, όπως επίσης και η ανάπτυξη προσομοιωτή για την επαλήθευση της απόδοσής τους. Η διάρθρωση της διπλωματικής έχει ως εξής: Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Οπτικά Δίκτυα, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα Οπτικά Δίκτυα 2 ης Γενιάς. Κεφάλαιο 2: Εισαγωγή στα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα δίκτυα XG-PON. Κεφάλαιο 3: Αναλυτική περιγραφή των πρωτοκόλλων SPPT, SWPPT και IFAISTOS, τα οποία μελετήθηκαν και υλοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Κεφάλαιο 4: Αναλυτική περιγραφή του περιβάλλοντος ανάπτυξης και των αρχών σχεδίασης του προσομοιωτή, όπως επίσης και όλων των αρχείων που δημιουργήθηκαν προκειμένου να τρέξουν σωστά οι προσομοιώσεις. Επίσης, σε αυτό το κεφάλαιο περιλαμβάνονται τα πειράματα που διεξήχθησαν με τη βοήθεια του προσομοιωτή, όπως επίσης και τα αποτελέσματα αλλά και τα συμπεράσματα στα οποία οδηγούμαστε με βάση αυτά. Ευχαριστίες Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Παπαδημητρίου Γεώργιο, για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντας μου την παρούσα διπλωματική και παράλληλα για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ εις βάθος με ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον αντικείμενο, όπως αυτό των Παθητικών Οπτικών Δικτύων. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον κ. Παναγιώτη Σαρηγιαννίδη, Λέκτορα του Πανεπιστήμιου Δυτικής Μακεδονίας, για την καθοδήγηση και υποστήριξη που μου παρείχε καθ όλη την διάρκεια διεκπεραίωσης της εργασίας μου. 3

4 Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένεια μου αλλά και τους φίλους μου για την υποστήριξη και την αμέριστη συμπαράσταση που μου έδειξαν καθ όλη την διάρκεια των σπουδών μου. 4

5 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 7 ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ... 7 ABSTRACT... 8 KEYWORDS ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΡΦΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΔΟΜΗ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΟΠΤΙΚΗ ΊΝΑ Εισαγωγή Είδη οπτικών ινών Εφαρμογές οπτικών ινών Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα οπτικών ινών ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ Εισαγωγή Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing - FDM) Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing - TDM) Οπτική Πολυπλεξίας Διαίρεσης Χρόνου (Optical Time Division Multiplexing - OTDM) ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΠΡΩΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΓΕΝΙΑΣ Εισαγωγή WDM Δίκτυα Σημείου προς Σημείο (Point to Point Link) WDM Δίκτυα Εκπομπής και Επιλογής (Broadcast & Select) WDM Δίκτυα Δρομολόγησης Μήκους Κύματος (Wavelength Routed) Δίκτυα Δρομολόγησης Ζώνης Μηκών Κύματος (Waveband Routed) WDM Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks) ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ A-PONs E-PONs G-PONs ΧG-PONs WDM-PONs ΣΥΓΚΡΙΣΕΙΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ E-PONs vs G-PONs

6 2.5.2 G-PONs vs XG-PONs ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΣΕ XG-PON ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΡΟΗ ΚΑΘΟΔΟΥ (DOWNSTREAM) Εισαγωγή XG-PON Framework Μοντέλο συστήματος SPPT SWPPT ΡΟΗ ΑΝΟΔΟΥ (UPSTREAM) Εισαγωγή Γενικές Πληροφορίες IFAISTOS Στόχοι του πρωτοκόλλου Φάσεις του πρωτοκόλλου ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ Αρχές σχεδίασης της downstream ροής Αρχές σχεδίασης της upstream ροής ΑΡΧΕΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Ροή καθόδου Συμπεράσματα Ροή ανόδου Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

7 Περίληψη Μέχρι πρόσφατα, η προσφορά ευρυζωνικής πρόσβασης αξιοποιώντας το ήδη υπάρχων δημόσιο δίκτυο χαλκού για την υλοποίηση των τεχνολογιών xdsl αποτελούσε σχεδόν επιχειρηματικό μονόδρομο για κάθε τηλεπικοινωνιακό πάροχο. Όμως, οι περιορισμοί των χάλκινων δικτύων αρχίζουν σταδιακά να γίνονται αισθητοί την στιγμή που πλέον η προσφορά ευρυζωνικών συνδέσεων αδυνατεί να καλύψει τις ανάγκες των τελικών χρηστών για ολοένα μεγαλύτερες ονομαστικές και πραγματικές ταχύτητες σύνδεσης. Στο πλαίσιο της ανταγωνιστικής και συνεχώς διευρυνόμενης αγοράς της ευρυζωνικής πρόσβασης, οι πάροχοι δικτυακών υπηρεσιών ενδιαφέρονται για επενδύσεις σε φυσικές υποδομές που θα μπορούν: Να καλύψουν με επιτυχία τη ζήτηση για υπηρεσίες πρόσβασης υψηλών ταχυτήτων. Να ανταπεξέλθουν στη συνεχόμενη και ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας. Έτσι λοιπόν, η διαρκώς αυξανόμενη ανάγκη για εύρος ζώνης σε παγκόσμιο επίπεδο έχει οδηγήσει στη σταδιακή ανάπτυξη των Οπτικών Δικτύων Πρόσβασης και ιδιαίτερα των Παθητικών Οπτικών Δικτύων. Γι αυτόν το λόγο σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η σχεδίαση και η ανάπτυξη ενός προσομοιωτή για τα προαναφερθέντα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (και συγκεκριμένα για τα XG-PON), ο οποίος θα υλοποίει: Όλες τις λειτουργίες που περιγράφονται στην προτυποποίηση του τομέα ITU. Τα πρωτόκολλα SPPT, SWPPT (ροή καθόδου) και IFAISTOS (ροή ανόδου). Σε συνεργασία με τον επιβλέποντα καθηγητή, επιλέχθηκε ως εργαλείο προσομοίωσης η OMNeT++ (έκδοση 4.6), η οποία αποτελεί ένα open source, αντικειμενοστραφές πρόγραμμα προσομοίωσης διακριτών γεγονότων, με ισχυρό γραφικό περιβάλλον. Συνοψίζοντας, στην παρούσα εργασία, αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στα Οπτικά Δίκτυα, αναλύοντας κυρίως τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα. Στη συνέχεια περιγράφονται οι αρχές σχεδίασης αλλά και το περιβάλλον ανάπτυξης του προσομοιωτή. Τέλος, παρουσιάζονται τα πειράματα που διεξήχθησαν με τη βοήθεια του προσομοιωτή, τα αποτελέσματά τους (τα οποία αναλύονται με τη βοήθεια διαγραμμάτων) αλλά και τα συμπεράσματα στα οποία οδηγούμαστε με βάση αυτά. Λέξεις κλειδιά XG-PON, Οπτικά Παθητικά Δίκτυα, Προσομοίωση, SPPT, SWPPT, IFAISTOS 7

8 Abstract Until recently, broadband access offered by utilizing the already existing public copper network for the implementation of xdsl technologies, constituted the obvious and only choice for every telecommunications service provider. However, the numerous limitations of copper networks have gradually become more and more noticeable, especially now that the existing broadband connections are not able to meet the needs of end users for increasingly higher nominal and real connection speeds. In the competitive and constantly enlarged broadband access market, internet service providers are interested in investing in physical infrastructures which are able to: Meet the demands of high-speed access services successfully. Cope with the continuous and rapid evolution of technology. Thus, the increasing needs for bandwidth worldwide, have led to the gradual development of Optical Access Networks and more specifically to the development of Passive Optical Networks. For this reason, the aim of my thesis is to design and develop a simulator for the aforementioned Passive Optical Networks (and in particular for the XG-PON networks), in order to implement: All the functions described in the standardization of the ITU Organization. The SPPT and SWPPT policies (downstream direction) and the IFAISTOS policy (upstream direction). In collaboration with the supervisor, OMNeT++ (version 4.6) was chosen as my simulation tool, which is an open-source, modular, object-oriented discrete-event simulation program with a very powerful graphical user interface. To sum up, in this thesis, at first there is an introduction to Optical Networks, mainly focusing on Passive Optical Networks. Then the design principles of the simulator and the simulation environment are described. Finally, the experiments conducted using the simulator, their results (which are presented by diagrams) and some conclusions based on those leads, are analyzed. Keywords XG-PON, Passive Optical Networks, Simulation, SPPT, SWPPT, IFAISTOS. 8

9 1. Οπτικά Δίκτυα Στο κεφάλαιο αυτό, γίνεται μια εισαγωγή στα Οπτικά Δίκτυα που είναι και το βασικό αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής. 1.1 Εισαγωγή Τα οπτικά δίκτυα υψηλής χωρητικότητας έχουν γνωρίσει αξιοσημείωτη ανάπτυξη τις δύο τελευταίες δεκαετίες, καθώς παρέχουν εύρος ζώνης το οποίο δεν είναι δυνατόν να προσεγγιστεί από οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία μετάδοσης. Σημαντικοί παράγοντες οι οποίοι συντέλεσαν στην ανάπτυξη των οπτικών δικτύων είναι η αύξηση της κίνησης που διακινείται στο Διαδίκτυο και τον Παγκόσμιο Ιστό, λόγω της αύξησης του τελικού αριθμού χρηστών, αλλά και της αύξησης του εύρους ζώνης που παρέχεται σε κάθε χρήστη. Συγκεκριμένα, η κίνηση στο Διαδίκτυο διπλασιάζεται κάθε έξι μήνες, καθώς ευζωνικές συνδέσεις DSL παρέχουν εύρος ζώνης έως και 50 Mbps ανά χρήστη, σε σύγκριση με τα 56 και 128 Kbps που παρέχονταν παραδοσιακά από PSTN και ISDN συνδέσεις. Περαιτέρω, η διάδοση υπηρεσιών όπως e επιχειρείν και e εμπόριο, προωθεί την επέκταση των εταιρικών τηλεπικοινωνιακών συνδέσεων ώστε να καλύπτουν τις αυξημένες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης. Τυπικές εταιρικές συνδέσεις κυμαίνονται σε επίπεδο εκατοντάδων Mbps. Τέλος, πέραν του ιδιαιτέρως αυξημένου εύρους ζώνης που παρέχουν, τα Οπτικά Δίκτυα διαδίδονται ραγδαίως καθώς αποτελούν την οικονομικότερη επιλογή «ενσύρματης» επικοινωνίας, τόσο όσον αφορά το δίκτυο κορμού (backbone), όσο και το δίκτυο διανομής. 1.2 Μορφές δικτύων Τα συστήματα επικοινωνίας γενικά διασυνδέουν κόμβους (nodes), που μπορεί να είναι τηλέφωνα, τερματικά, υπολογιστές κ.λπ. Όσον αφορά την τοπολογία τους, μπορούμε να κατατάξουμε τα συστήματα αυτά σε τρείς γενικές κατηγορίες: Απλή ζεύξη από σημείο σε σημείο (point to point). Στην περίπτωση αυτή το δίκτυο αποτελείται από δυο μέρη: ένας πομπός στο ένα άκρο στέλνει μηνύματα σε ένα δέκτη στο άλλο άκρο και το αντίθετο, ανάλογα εάν η επικοινωνία είναι μονόδρομη ή αμφίδρομη (Εικόνα 1). 9

10 Εικόνα 1: Τοπολογία από σημείο σε σημείο Τοπολογία από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point to multipoint). Εδώ έχουμε Ν μέρη τα οποία όμως μπορεί να μην είναι ισότιμα. Κάποιο από αυτά μπορεί να μεταδίδει σε όλους τους υπόλοιπους κόμβους ενώ ένα άλλο μόνο σε ένα υποσύνολο Ν-α. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι η τηλεόραση, όπου ένας σταθμός μπορεί να μεταδίδει σε όλους τους συνδρομητές ταυτόχρονα (broadcast μετάδοση, Εικόνα 2). Εικόνα 2: Τοπολογία 'από ένα σημείο προς πολλά σημεία' 10

11 Τοπολογία δικτύου. Εδώ καθένας από τους Ν κόμβους μπορεί να επικοινωνήσει µε όλους τους υπόλοιπους είτε απευθείας είτε μέσω κάποιου τρίτου κόμβου. Στην παρακάτω Εικόνα 3 παρουσιάζεται ένα δίκτυο στο όποιο όλοι οι κόμβοι μπορούν να επικοινωνήσουν απευθείας μεταξύ τους (τοπολογία full mesh). Εικόνα 3: Τοπολογία δικτύου (full mesh) Τα τελευταία χρόνια, οι εξελίξεις και το ερευνητικό ενδιαφέρον στο χώρο των οπτικών επικοινωνιών, έχουν μετατοπιστεί από τις ζεύξεις από σημείο σε σημείο που ήταν παλαιοτέρα, προς αυτές από ένα σημείο προς πολλά σημεία και στα δίκτυα. Η έρευνα πλέον εστιάζεται λιγότερο στο πώς να αυξηθεί ο ρυθμός bit και η απόσταση των επαναληπτών σε μια απλή ζεύξη και περισσότερο στη δυνατότητα διασύνδεσης, στο πόσες δέσμες bits σε διαφορετικά μήκη κύματος μπορεί το σύστημα να υποστηρίξει, στο πόσο αποδοτικά μπορούν να λειτουργήσουν τα επιμέρους στοιχεία που βρίσκονται στην πορεία του σήματος (πομποί, δέκτες, ενισχυτές), στο πόσο γρήγορα μπορεί να λειτουργήσει ένα πρωτόκολλο κ.ά. [1]. 1.3 Δομή τηλεπικοινωνιακών δικτυών Η ευρέως διαδεδομένη δομή των δημοσίων τηλεπικοινωνιακών δικτυών φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα 4. Αν και τα δίκτυα δεν παρουσιάζουν συγκεκριμένη δομή, μια υψηλότερου επίπεδου προσέγγιση είναι δυνατόν να τα διαχωρίσει σε: Μητροπολιτικά Ευρείας έκτασης 11

12 Τα ευρείας έκτασης δίκτυα αφορούν τη διασύνδεση γεωγραφικά απομακρυσμένων περιοχών (όπως πόλεις ή χώρες) και είναι δυνατόν να καλύπτουν μέχρι και υπερωκεάνιες αποστάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων. Αντίθετα, τα μητροπολιτικά δίκτυα συνήθως περιορίζονται σε συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή, όπως για παράδειγμα στα όρια ενός μεγάλου δήμου. Τα μητροπολιτικά δίκτυα κατηγοριοποιούνται περαιτέρω σε: Δίκτυα διανομής Δίκτυα πρόσβασης. Τα δίκτυα πρόσβασης συγκεντρώνουν σε αντίστοιχους κόμβους την κίνηση που παράγεται από τους χρήστες του δικτύου, ενώ αντίθετα τα δίκτυα διανομής διασυνδέουν τους κόμβους πρόσβασης σε μεγαλύτερους κόμβους διανομής. Η διασύνδεση των μητροπολιτικών δικτύων με τα ευρεία έκτασης δίκτυα γίνεται συνήθως σε κύριους κόμβους του δικτύου ευρείας έκτασης. Εικόνα 4: Δομή τηλεπικοινωνιακών δικτυών Η οπτική τεχνολογία καθιστά εφικτή τη διασύνδεση σε όλα τα επίπεδα της τηλεπικοινωνιακής υποδομής (δίκτυα ευρείας έκτασης, μητροπολιτικά δίκτυα, δίκτυα πρόσβασης), παρέχοντας τεράστιους ρυθμούς μετάδοσης και κοινή υποδομή για μεγάλη γκάμα υπηρεσιών. Η ευρυζωνικότητα που παρέχεται από την οπτική τεχνολογία οφείλεται κυρίως στις οπτικές ίνες, η χρήση των οποίων προσφέρει τεράστια πλεονεκτήματα στα σημερινά δίκτυα επικοινωνιών [2]. 12

13 1.4 Οπτική Ίνα Εισαγωγή Οι οπτικές ίνες (Εικόνα 5) είναι πολύ λεπτά νήματα από πλαστικό ή γυαλί, με διάμετρο μικρότερη των 8μm, όπου από μέσα τους μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα υπό μορφή φωτός. Συνήθως τις συναντάμε συγκεντρωμένες σε δέσμες, που σχηματίζουν τα λεγόμενα οπτικά καλώδια. Ένα καλώδιο οπτικών ινών, περιέχει μέσα του δεκάδες ή και εκατοντάδες πολύ λεπτές τέτοιες οπτικές ίνες, με διάμετρο μικρότερη και από μία τρίχα. Με τις ακτίνες λέιζερ, ένα σήμα μπορεί να μεταδοθεί δια μέσου οπτικών ινών σε απόσταση μεγαλύτερη από 50 χλμ. Εικόνα 5: Οπτικές Ίνες Οι οπτικές ίνες σήμερα χρησιμοποιούνται ευρέως σε δίκτυα επικοινωνιών και επιτρέπουν τη μετάδοση φωτεινών σημάτων σε μεγαλύτερες αποστάσεις και σε υψηλότερο εύρος ζώνης (ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων) σε σχέση με άλλες μορφές μετάδοσης σημάτων (όπως ο χαλκός), ενώ η ταχύτητα μετάδοσης πλησιάζει αυτή με την οποία διαδίδεται το φως. Ακόμη χρησιμοποιούνται αντί των μεταλλικών καλωδίων, διότι τα σήματα ταξιδεύουν μαζί τους με μικρότερη απώλεια και δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται και για φωτισμό. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά εικόνων, επιτρέποντας έτσι την προβολή σε στενούς χώρους. Ειδικά σχεδιασμένες οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται και για πολλές άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων λέιζερ. 13

14 1.4.2 Είδη οπτικών ινών Με την πάροδο των χρόνων έχουν αναπτυχθεί πολλοί τύποι οπτικών ινών που ο κάθε ένας υποστηρίζει τις ιδιαίτερες απαιτήσεις διάφορων τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών. Για όλους τους τύπους των οπτικών ινών υπάρχουν διεθνή πρότυπα στα οποία προδιαγράφονται τα χαρακτηριστικά μετάδοσης καθώς και τα γεωμετρικά, μηχανικά και άλλα χαρακτηριστικά αυτών. Οι οπτικές ίνες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το αν υποστηρίζουν έναν ή πολλούς ρυθμούς μετάδοσης: Απλού τύπου (Single mode): Οι οπτικές ίνες απλού τύπου ή μονοτροπικές ίνες έχουν διαστάσεις μέχρι 10μm. Τα κύματα φωτός ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή και τα δεδομένα μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις. Πολλαπλού τύπου (Multi-mode): Οι οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου ή πολυτροπικές ίνες έχουν διαστάσεις από μm, είναι πιο "χοντρές" από τις απλού τύπου, αλλά μπορούν να στείλουν παράλληλα, σε ξεχωριστό μονοπάτι, πολλά κύματα φωτός. Το κάθε κύμα φωτός, εισέρχεται στην οπτική ίνα υπό ελαφρώς διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα, και ακολουθεί το δικό του μονοπάτι μέσα της, μέσω των διαδοχικών ανακλάσεων στο περίβλημα. Αυτό συμβαίνει παράλληλα με πολλά κύματα φωτός (όλα σε διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα) κι έτσι μπορούμε να στείλουμε παράλληλα τεράστιο όγκο δεδομένων Εφαρμογές οπτικών ινών Οι οπτικές ίνες έχουν πάρα πολλές εφαρμογές στην καθημερινότητά μας. Χρησιμοποιούνται ευρέως για την φωταγώγηση καταστημάτων αλλά και έργων τέχνης, για τον φωτισμό πισίνων, σε συστήματα αρχιτεκτονικού φωτισμού καθώς επίσης και για βιομηχανικό έλεγχο. Μεγάλη εφαρμογή επίσης βρίσκουν και σε συστήματα οικονομικών υπηρεσιών, σε τοπικά και μητροπολιτικά δίκτυα, αλλά κυρίως στην ιατρική και στις τηλεπικοινωνίες. Συγκεκριμένα: Οι οπτικές ίνες στην ιατρική: Υιοθέτηση ταυτόχρονα με τη χρήση των λέιζερ. Εφαρμογές λέιζερ στις εγχειρήσεις, καυτηριασμούς, φυσιοθεραπείες κ.ά. Οι οπτικές ίνες δίνουν τη δυνατότητα μεταφοράς της φωτεινής δέσμης λέιζερ από την πηγή μέχρι τη λαβή, την οποία χειρίζεται ο γιατρός δίπλα στον ασθενή. Στην ιατρική, οι οπτικές ίνες ονομάζονται και φωταγωγοί, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε ενδοσκοπήσεις δίνοντας οπτική εικόνα από τον περιορισμένο χώρο των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπινου σώματος. 14

15 Οι γιατροί μπορούν να δουν την εσωτερική επιφάνεια μέρους του στομάχους ή άλλου οργάνου χρησιμοποιώντας ζεύγος οπτικών ινών. Η μικρή διάσταση του πυρήνα παρέχει τη δυνατότητα μετάδοσης εικόνας ακόμα και χωρίς τη χρήση άλλων οπτικών συστημάτων (π.χ. φακών). Οι οπτικές ίνες στις τηλεπικοινωνίες: Με την βοήθεια μιας ίνας μπορούμε να μεταφέρουμε ταυτόχρονα και χωρίς παρεμβολές χιλιάδες τηλεφωνήματα και δεκάδες εκπομπές τηλεοπτικών καναλιών. Ένα καλώδιο οπτικών ινών μπορεί να αντικαταστήσει χάλκινο καλώδιο δεκαπλάσιας διαμέτρου και τριακονταπλάσιου βάρους. Κατά την διάρκεια μετάδοσης της πληροφορίας δεν υπάρχουν παράσιτα. Είναι δύσκολη η υποκλοπή των δεδομένων (τοποθέτηση κοριών). Δυνατότητα παραγωγής από κάθε χώρα με αποτέλεσμα την απεξάρτηση από τις χώρες που παράγουν χαλκό Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα οπτικών ινών Οι οπτικές ίνες έχουν αρκετά πλεονεκτήματα όπως: Χαμηλό κόστος πρώτης ύλης (γυαλί). Χαμηλή εξασθένηση σήματος (και συνεπώς χαμηλές απαιτήσεις ισχύος). Μπορούν να μεταφέρουν παράλληλα τεράστιο όγκο δεδομένων σε σύγκριση με τα χάλκινα καλώδια. Είναι πολύ πιο λεπτές και ελαφριές από τα χάλκινα καλώδια. Τεράστιο εύρος ζώνης. Καλύτερες ποιότητες σήματος. Καλύτερη ασφάλεια. Ευκολία εγκατάστασης και συντήρησης. Σχεδόν καθόλου απώλειες δεδομένων. Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα που έχουν οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν και κάποια μειονεκτήματα: Είναι πιο ακριβές από τα χάλκινα καλώδια. Το κόστος των ηλεκτρονικών και οπτικοηλεκτρονικών διατάξεων μπορεί να είναι μεγάλο. Είναι πολύ εύθραυστες. Θα πρέπει η εγκατάσταση τους να γίνεται με ελαφριά κλίση γιατί διαφορετικά θα υπάρχει απώλεια δεδομένων [3][4]. 15

16 1.5 Τεχνικές Πολυπλεξίας Εισαγωγή Η πολυπλεξία (multiplexing) γενικά είναι μια διαμοίραση της χωρητικότητας ενός συνδέσμου επικοινωνίας μεταξύ πολλαπλών σταθμών, η οποία αποσκοπεί στην οικονομικά αποδοτική χρήση και εκμετάλλευση της διαθέσιμης χωρητικότητας. Κάτι τέτοιο μπορεί να πραγματοποιείται με διάφορες τεχνικές. Στην πραγματικότητα η πολυπλεξία είναι ιδιαίτερα σημαντική στα οπτικά δίκτυα, διότι ο «σύνδεσμος επικοινωνίας» είναι στην πράξη μια σύνδεση οπτικής ίνας η οποία έχει τεράστια χωρητικότητα Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing - FDM) Στην Πολυπλεξία Διαίρεσης-Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing - FDM) κάθε ροή δεδομένων διαμορφώνεται σε μια διαφορετική φέρουσα συχνότητα. Έτσι, το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων διαιρείται (ή «τεμαχίζεται») σε κανάλια, κάθε ένα εκ των οποίων εξυπηρετεί έναν συγκεκριμένο σταθμό εισόδου. Τα κανάλια αυτά πρέπει να διαχωρίζονται κατάλληλα το ένα από το άλλο με ζώνες φύλαξηςασφαλείας επαρκούς εύρους ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές. Οι μεταδόσεις στα διάφορα κανάλια στην FDM τεχνική γίνονται ταυτόχρονα, μιας και «τεμαχίζεται» η διάσταση των συχνοτήτων και όχι αυτή του χρόνου. Κλασσικό παράδειγμα εφαρμογής της τεχνικής αποτελούν οι μεταδόσεις των ραδιοφωνικών σταθμών σε διάφορες μπάντες των FM Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Η Πολυπλεξία Διαίρεσης-Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM) είναι ουσιαστικά ακριβώς ίδια με την FDM, αλλά ο όρος WDM έχει επικρατήσει όταν θεωρείται διαίρεση του οπτικού φάσματος συχνοτήτων σε κανάλια (ή μήκη κύματος). Τα μήκη κύματος που αποτελούν τα κανάλια πρέπει να διαχωρίζονται επαρκώς το ένα από το άλλο ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές. Αυτό που είναι πολύ σημαντικό με τη δικτύωση που βασίζεται στην WDM τεχνολογία και εξηγεί το σχετικό τεράστιο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον, είναι η συμβατότητά της με την περιορισμένη (σε σύγκριση με τις δυνατότητες των οπτικών ινών) ταχύτητα των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων των σταθμών-κόμβων του δικτύου. Πράγματι, θεωρώντας ότι ο μέγιστος ρυθμός με τον οποίο ένας τελικός χρήστης μπορεί να έχει πρόσβαση στο δίκτυο περιορίζεται από την ηλεκτρονική τεχνολογία σε μερικά Gbps, η τεχνολογία WDM προσφέρει έναν εξαιρετικό τρόπο 16

17 εκμετάλλευσης του τεράστιου εύρους ζώνης των οπτικών ινών, καθώς επιτρέπει σε πολλαπλούς χρήστες να μεταδίδουν δεδομένα ταυτόχρονα πάνω από διαφορετικά λογικά κανάλια με εφικτούς (λόγω ηλεκτρονικών κυκλωμάτων) ρυθμούς μετάδοσης. Τα οπτικά δίκτυα που υιοθετούν την τεχνική WDM ονομάζονται οπτικά δίκτυα πολλαπλών μηκών κύματος ή καναλιών (multiwavelength or multi-channel optical networks). Η μετάδοση μέσα σε μια οπτική ίνα μπορεί να είναι είτε μονής είτε διπλής κατεύθυνσης. όπως φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα 6. λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 (α) λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 (β) Εικόνα 6: WDM μετάδοση (α) μονής και (β) διπλής κατεύθυνσης μέσα από οπτική ίνα Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing - TDM) Στην Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου (Time Division Multiplexing - TDM) αυτή που «τεμαχίζεται» είναι η διάσταση του χρόνου, έτσι ώστε να σχηματίζονται κανάλια για χρήση από διαφορετικές ροές δεδομένων. Σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή όλη η χωρητικότητα του μέσου απασχολείται με την εξυπηρέτηση μιας συγκεκριμένης ροής εισόδου. Συνεπώς μπορούμε να πούμε πως η τεχνική TDM είναι ουσιαστικά μια εκ περιτροπής χρήση όλης της διαθέσιμης συχνότητας. Στην πράξη, χρονικές σχισμές ανατίθενται περιοδικά σε εισόδους για μετάδοση κάθε φορά ενός μικρού τμήματος των σημάτων τους. Τα σχετικά μικρά τμήματα των διαφόρων σημάτων υφίστανται χρονική διαστρωμάτωση, δηλαδή συνδυάζονται σε πλαίσια TDM όπως αποκαλούνται και μεταδίδονται σαν ένα μοναδικό σήμα υψηλής ταχύτητας πάνω από το σύνδεσμο δεδομένων. 17

18 1.5.5 Οπτική Πολυπλεξίας Διαίρεσης Χρόνου (Optical Time Division Multiplexing - OTDM) Τέλος, πολύ πιο ενδιαφέρουσα για τα οπτικά συστήματα μετάδοσης, αν και ακόμα αρκετά ανώριμη εμπορικά, είναι η τεχνική της Οπτικής Πολυπλεξίας Διαίρεσης Χρόνου (Optical Time-Division Multiplexing OTDM). Σε αυτή, γίνεται προσπάθεια να γίνουν οι λειτουργίες της πολυπλεξίας και απόπλεξης οπτικά. Οι ρυθμοί δεδομένων των ξεχωριστών ροών δεδομένων είναι σε τόσο υψηλά επίπεδα (για παράδειγμα 10 Gbps) που οι λειτουργίες πολυπλεξίας και απόπλεξης γίνονται καλύτερα στο οπτικό πεδίο. H τεχνική OTDM μπορεί να διακριθεί σε σταθερή και σε στατιστική. Τα πραγματικά OTDM δίκτυα φαίνονται επί του παρόντος μάλλον μακριά από μια ευρεία εμπορική διάδοση, καθώς υπάρχουν ακόμα σοβαρά πρακτικά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν [5]. 1.6 Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς Στην πρώτη γενιά των οπτικών δικτύων οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται μεν ως μέσα μετάδοσης, αλλά σε κάθε κόμβο τo οπτικό σήμα μετατρέπεται σε ηλεκτρονικό και η δρομολόγησή του γίνεται σε ηλεκτρονικό επίπεδο με παραδοσιακό τρόπο. Ένα παράδειγμα δικτύου πρώτης γενιάς απεικονίζεται στην παρακάτω Εικόνα 7. Οι ζεύξεις σημείο προς σημείο χρησιμοποιούν την οπτική ίνα ως μέσο μετάδοσης αλλά οι κόμβοι χειρίζονται το σήμα ηλεκτρονικά. Εικόνα 7: (α) Πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου και (β) πολυπλεξία μήκους κύματος 18

19 Η πρώτη γενιά οπτικών δικτύων εκμεταλλεύεται το μεγάλο εύρος ζώνης των οπτικών ινών για να επιτύχει ρυθμούς της τάξεως των μερικών δεκάδων Mbps. Τα κυριότερα οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς είναι το SONET (Synchronous Optical NΕΤwork) και το SDH (Sychronous Digital Hierarchy) που αποτελούν τα δίκτυα κορμού στην τηλεπικοινωνιακή υποδομή των ΗΠΑ και της Ευρώπης αντίστοιχα. Παραδείγματα διαμορφώσεων SONET δικτύων όπως επίσης και οι ρυθμοί μετάδοσης των SONET/SDH φαίνονται στην παρακάτω Εικόνα 8 και Πίνακα 1 αντίστοιχα. Επίσης, άλλο ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα δικτύου πρώτης γενιάς είναι το FDDI (Fiber Distributed Data Interface). TM TM ADM (α) ADM ADM (β) ADM TM ADM ADM ADM TM (γ) Εικόνα 8: Διαμορφώσεις SONET δικτύων (α) Σημείο-προς-Σημείο (β) Δακτύλιος (γ) Γραμμική διαμόρφωση ΟΝΟΜΑ SDH ONOMA SONET ΟΠΤΙΚΟ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ Κανένα STS-1 OC STM-1 STS-3 OC STM-4 STS-12 OC STM-16 STS-48 OC STM-64 STS-192 OC STM-256 STS-768 OC Πίνακας 1: SDH/SONET ρυθμοί μετάδοσης ΡΥΘΜΟΣ ΓΡΑΜΜΗΣ (Mbps) Επειδή η ταχύτητα των ηλεκτρονικών στοιχείων είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με τις δυνατότητες της οπτικής ίνας, τα δίκτυα πρώτης γενιάς παρουσιάζουν το φαινόμενο της συμφόρησης (bottleneck). Αν η σύνδεση δύο τερματικών κόμβων περνάει από πολλούς ενδιάμεσους κόμβους, πρέπει να λάβουν χώρα πολλές οπτικόηλεκτρονικές μετατροπές του σήματος πριν φτάσει στον προορισμό του, κάτι που 19

20 προκαλεί καθυστερήσεις και προβλήματα, ιδιαίτερα σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου (real time applications) [5][6]. 1.7 Οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς Εισαγωγή Είναι γεγονός πως όταν γίνεται λόγος για οπτικά δίκτυα, κατά κανόνα εννοούνται τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς. Αυτά τα δίκτυα είναι κάτι περισσότερο από απλώς και μόνο ένα σύνολο οπτικών ινών που τερματίζονται από ηλεκτρονικά στοιχεία μεταγωγής (switches), κατά το ότι μέρος της δρομολόγησης, μεταγωγής και ευφυίας του δικτύου μεταφέρονται πια στο οπτικό πεδίο, αυξάνοντας έτσι την πραγματική εκμετάλλευση των οπτικών ινών. Σε αυτό το σημείο, θα πρέπει να αναφερθεί ότι ο όρος οπτικά δίκτυα δεν υπονοεί απαραίτητα δίκτυα αμιγώς οπτικά. Ακόμα και σήμερα κάποιες λειτουργίες γίνονται καλύτερα από ηλεκτρονικά στοιχεία, τουλάχιστον βάσει του τρέχοντος ανώτατου επιπέδου της επιστήμης. Για παράδειγμα η ηλεκτρονική τεχνολογία είναι απαραίτητη στους τελικούς κόμβους του δικτύου για την μετατροπή του σήματος σε οπτική μορφή πριν την είσοδό του στο αμιγώς οπτικό κομμάτι του. Ωστόσο, στα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς η ηλεκτρονική τεχνολογία απαλλάσσεται πλέον από ένα σημαντικό κομμάτι γραμμικών λειτουργιών, κάτι που δεν ισχύει για τα δίκτυα πρώτης γενιάς. Για παράδειγμα, σε ένα δίκτυο SONET με διαμόρφωση δακτυλίου, κάθε κόμβος πρέπει να χειριστεί ηλεκτρονικά όχι μόνο τα δεδομένα που προορίζονται για αυτόν, αλλά επίσης και όλα τα δεδομένα που προορίζονται για άλλους κόμβους και προσπαθούν απλά να περάσουν από αυτόν. Κάτι τέτοιο γίνεται προσπάθεια να αποφευχθεί με την ανάπτυξη της πραγματικής οπτικής δικτύωσης, που έχει σαν στόχο η δρομολόγηση των δεδομένων που προορίζονται για άλλους κόμβους να γίνεται στο οπτικό πεδίο. Οι κυριότερες κατηγορίες των οπτικών δικτύων 2ης γενιάς φαίνονται στην παρακάτω Εικόνα 9. 20

21 Point-to-Point Link Photonic Packet Switched Broadcast & Select Οπτικά Δίκτυα 2ης Γενιάς WDM Δίκτυα Passive Optical Networks Optical Burst Switched Wavelength Routed Waveband Routed Εικόνα 9: Κατηγορίες οπτικών δικτύων 2ης γενιάς Στη συνέχεια θα γίνει μια συνοπτική περιγραφή των WDM δικτύων 2ης γενιάς, μιας και αυτά είναι το βασικό αντικείμενο μελέτης της συγκεκριμένης εργασίας WDM Δίκτυα Σημείου προς Σημείο (Point to Point Link) Το πρώτο βήμα για την εισχώρηση της οπτικής τεχνολογίας WDM στην υπάρχουσα υποδομή πρώτης γενιάς είναι η αναβάθμιση των απλών μεμονωμένων συνδέσμων σε WDM συνδέσμους σημείου-προς-σημείο. Σε αυτήν όμως την κατηγορία των οπτικών δικτύων, οι WDM σύνδεσμοι διασυνδέονται μέσω ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Εξαιτίας της τεχνικής WDM οι δυο κόμβοι που επικοινωνούν σε κάθε σύνδεσμο WDM είναι ικανοί να ανταλλάξουν δεδομένα χρησιμοποιώντας πολλαπλά 21

22 διαφορετικά κανάλια (μήκη κύματος) ταυτόχρονα. Κάτι τέτοιο επιτρέπει σε κάθε κόμβο να έχει πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Η επικοινωνία μέσω της οπτικής ίνας μπορεί να είναι διπλής κατεύθυνσης ή εναλλακτικά θα μπορούσαμε να έχουμε έναν WDM σημείου-προς-σημείο σύνδεσμο διπλής οπτικής ίνας, όπου η κάθε ίνα θα χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά για τη ροή δεδομένων σε μια κατεύθυνση. Γενικά, ένας WDM σύνδεσμος σημείου προς σημείο αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία, τα οποία φαίνονται και στην παρακάτω Εικόνα 10: Δύο κόμβους που έχουν πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Διαφορετικές διεπαφές (interfaces) ανά θύρα που επιτρέπουν την επικοινωνία μέσω διαφόρων πρωτοκόλλων πάνω από τον σύνδεσμο. Ηλεκτρο-οπτικούς μετατροπείς που περιλαμβάνουν lasers στα δυο άκρα του συνδέσμου για μετάδοση σε διαφορετικά μήκη κύματος. Τους κατάλληλους δέκτες για κάθε μήκος κύματος, οι οποίοι μετατρέπουν το σήμα πίσω σε ηλεκτρονική μορφή στα άκρα του συνδέσμου. WDM Πολυπλέκτες/Αποπλέκτες τοποθετημένους αμέσως μετά τους πομπούς για την WDM πολυπλεξία και αμέσως προτού το οπτικό σήμα φτάσει τους δέκτες για την WDM απόπλεξη. Ενισχυτές που εξασφαλίζουν επαρκή ισχύ σήματος κατά τη διαδρομή του από το ένα άκρο στο άλλο. Εικόνα 10: Παράδειγμα WDM συνδέσμου σημείου-προς-σημείο 22

23 1.7.3 WDM Δίκτυα Εκπομπής και Επιλογής (Broadcast & Select) Ένα παράδειγμα δικτύου αυτής της κατηγορίας φαίνεται στην Εικόνα 11. Το δίκτυο αποτελείται από έναν οπτικό N N παθητικό ζεύκτη σχήματος αστέρα (passive star coupler) και Ν κόμβους, κάθε ένας εκ των οποίων είναι εξοπλισμένος με έναν σταθερά συντονισμένο πομπό και έναν συντονιζόμενο δέκτη. Οι πομποί και οι δέκτες συνδέονται με τον οπτικό ζεύκτη-αστέρα μέσω ξεχωριστών οπτικών ινών. Επομένως, κάθε κόμβος ουσιαστικά χρησιμοποιεί ένα ζευγάρι ινών για να επικοινωνεί με τον κεντρικό ζεύκτη-αστέρα. Κόμβος 1 Κόμβος 2 Tx Tx Rx λ 1 λ 2 Rx Ζεύκτης-Αστέρας λ N Κόμβος N Tx Rx Tx: σταθερά συντονισμένος πομπός Rx: συντονιζόμενος δέκτης Εικόνα 11: Παράδειγμα WDM δικτύου Εκπομπής και Επιλογής Ένας σταθερά συντονισμένος πομπός, έχει την ικανότητα να μεταδίδει μόνο σε ένα σταθερό μήκος κύματος, στο οποίο θεωρείται σταθερά συντονισμένος από την αρχή. Οι συντονιζόμενοι δέκτες είναι ικανοί να λαμβάνουν σε διάφορα μήκη κύματος, αφού μπορούν να επανασυντονίζονται στο μήκος κύματος (κανάλι) που είναι επιθυμητό κάθε φορά (αρκεί αυτό να είναι μέσα στην περιοχή συντονισμού τους). Ο οπτικός N N παθητικός ζεύκτης σχήματος αστέρα είναι γενικά μια παθητική συσκευή χωρίς ανάγκη τροφοδοσίας, άρα εξαιρετικά αξιόπιστη στη λειτουργία και εύκολη στο χειρισμό. Η ισχύς ενός σήματος που εισέρχεται από μια ίνα θύρας 23

24 εισόδου διαιρείται και διανέμεται ισομερώς μεταξύ όλων των θυρών εξόδου, στις οποίες εμφανίζεται ακριβώς στο ίδιο μήκος κύματος με αυτό που είχε αρχικά. Στο δίκτυο της Εικόνας 11, κάθε κόμβος χρησιμοποιεί τον πομπό του (Tx) για να μεταδώσει ένα σήμα σε ένα ξεχωριστό μήκος κύματος λ, το οποίο θεωρείται ότι του ανατίθεται από την αρχή για αποκλειστική χρήση. Άρα γενικώς ο πομπός Tx του κάθε κόμβου είναι σταθερά συντονισμένος σε ένα μήκος κύματος λ. Ο οπτικός N N ζεύκτης-αστέρας που βρίσκεται στο κέντρο του δικτύου αναλαμβάνει το έργο να συνδυάζει τα σήματα που λαμβάνει από κάθε κόμβο μέσω των ινών αποστολής και να στέλνει πίσω σε καθένα από τους κόμβους το αποτέλεσμα μέσω των οπτικών ινών λήψης. Ακολούθως, κάθε κόμβος πρέπει να χρησιμοποιήσει τον οπτικό δέκτη του (Rx), που θεωρείται ότι είναι ένα συντονιζόμενο φίλτρο, για να επιλέξει το επιθυμητό μήκος κύματος. Μια αξιοσημείωτη ιδιότητα αυτών των δικτύων είναι ότι μπορούν εύκολα να υποστηρίξουν μεταδόσεις multicast (πολλαπλή εκπομπή, ένας σε πολλούς) εκτός από τις unicast (μονή εκπομπή, ένας σε έναν). Οι υπηρεσίες multicast υλοποιούνται απλώς όταν όλοι οι κόμβοι-προορισμοί μιας πολλαπλής εκπομπής σε κάποιο μήκος κύματος συντονίσουν τους δέκτες τους σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι στα δίκτυα Εκπομπής και Επιλογής, δυο σταθμοί που θέλουν να στείλουν οπτικά σήματα την ίδια χρονική στιγμή πρέπει να διαλέξουν διαφορετικά μήκη κύματος για να το κάνουν. Σε διαφορετική περίπτωση, θα συμβεί μια σύγκρουση, που σημαίνει ότι το ένα σήμα παρεμβάλλεται στο άλλο και η πληροφορία φτάνει αλλοιωμένη, και συνεπώς άχρηστη, στους δέκτες. Προφανώς τέτοιου είδους συγκρούσεις είναι ανεπιθύμητες και θα ήταν καλό να αποφεύγονται. Τέλος, υπάρχει ένα ακόμη σημαντικό σημείο αυτών των δικτύων που έχει να κάνει με τον αριθμού των κόμβων. Σαν συνέπεια της χρήσης οπτικού N N παθητικού ζεύκτη-αστέρα, μόνο ένα κλάσμα της ισχύος των σημάτων που φτάνουν στις θύρες εισόδου του ζεύκτη παραδίδεται τελικά στις θύρες εξόδου του. Για αυτό το λόγο τα δίκτυα Εκπομπής και Επιλογής είναι κατάλληλα μόνο για τοπικά και μητροπολιτικά δίκτυα (LANs και MANs) όπου το Ν κατά κανόνα δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλο WDM Δίκτυα Δρομολόγησης Μήκους Κύματος (Wavelength Routed) Όπως έχει προαναφερθεί, η βασική ιδέα για να προχωρήσουμε σε πραγματική οπτική δικτύωση είναι να έχουμε μεταφορά τμήματος της δρομολόγησης, της μεταγωγής και της γενικότερης ευφυίας του δικτύου στο οπτικό πεδίο. Αυτό είναι που συμβαίνει κατά βάση στα Δίκτυα Δρομολόγησης Μήκους Κύματος (Wavelength Routing Networks). Τα πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας δικτύων, σε σχέση με τα δίκτυα εκπομπής και επιλογής είναι: Είναι λιγότερο στατικά. Είναι επεκτάσιμα σε μεγάλα μεγέθη (WANs, backbone). 24

25 Τα μήκη κύματος μπορούν αν επαναχρησιμοποιηθούν σε διάφορα σημεία του δικτύου. Στα δίκτυα Δρομολόγησης Μήκους Κύματος, όπως αυτό της παρακάτω Εικόνας 12, ένα αμιγώς οπτικό μονοπάτι που παρέχεται σε ένα ζεύγος τελικών κόμβων και παίζει το ρόλο μιας υψηλής ταχύτητας λογικής σύνδεσης μεταξύ τους για ανταλλαγή δεδομένων, ονομάζεται μονοπάτι φωτός (lightpath). Οι υποστηριζόμενοι ρυθμοί δεδομένων κατά μήκος ενός μονοπατιού φωτός ανέρχονται σε μερικά Gbps (10 ή ακόμη και 40). Εικόνα 12: Παράδειγμα ενός μικρού δικτύου δρομολόγησης μήκους κύματος σε τοπολογία πλέγματος (α) και η αντίστοιχη λογική τοπολογία (β) Στην παραπάνω Εικόνα 12, οι πέντε ενδιάμεσοι δικτυακοί κόμβοι αναπαρίστανται σχηματικά με κύκλους (1 έως 5). Αυτοί συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας μια απλή τοπολογία πλέγματος και, κάθε ένας από αυτούς συνδέεται με έναν από πέντε τελικούς κόμβους που συμβολίζονται με ορθογώνια (Α έως Ε), όπου ο ενδιάμεσος κόμβος 1 συνδέεται με τον τελικό κόμβο Α κλπ. Να σημειωθεί εδώ ότι στη γενική περίπτωση δικτύου της κατηγορίας, μερικοί ενδιάμεσοι κόμβοι δρομολόγησης μήκους κύματος μπορεί να μην συνδέονται με κανέναν τελικό κόμβο. 25

26 Οι τελικοί κόμβοι είναι οι πηγές και οι προορισμοί της κυκλοφορίας δεδομένων που μετακινείται στο δίκτυο. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι αποτελούν ένα αμιγώς οπτικό δίκτυο κατά το ότι η κυκλοφορία παραμένει συνεχώς σε οπτική μορφή σε όλη την έκτασή του και απλά μετατρέπεται σε ηλεκτρονική μορφή μόνο στους τελικούς κόμβους. Έτσι, είναι απαραίτητο για κάθε τελικό κόμβο να είναι εξοπλισμένος με οπτικούς πομπούς και δέκτες, που του επιτρέπουν να μετατρέπει τα ηλεκτρονικά δεδομένα που γεννάει σε οπτική μορφή πριν τη μετάδοση στον επιθυμητό προορισμό και τα οπτικά δεδομένα που λαμβάνει από τον γειτονικό ενδιάμεσο κόμβο πίσω σε ηλεκτρονική μορφή προτού μπορέσει να τα επεξεργαστεί. Στην Εικόνα 12 μπορούμε να διακρίνουμε τέσσερα εγκατεστημένα μονοπάτια φωτός, που τα θεωρούμε ως διπλής κατεύθυνσης (δηλαδή μια ίνα για κάθε κατεύθυνση). Αυτό ισχύει τόσο για τους συνδέσμους στο κομμάτι πρόσβασης του δικτύου (μεταξύ τελικών κόμβων και του αμιγώς οπτικού δικτύου) όσο και για αυτούς μεταξύ ενδιάμεσων κόμβων δρομολόγησης. Το πρώτο μονοπάτι φωτός είναι μεταξύ των τελικών κόμβων A και C στο μήκος κύματος λ1 που διαπερνά τους ενδιάμεσους κόμβους δρομολόγησης μήκους κύματος 1, 2 και 3. Το δεύτερο μονοπάτι φωτός είναι μεταξύ των A και D στο λ2 μέσω των ενδιάμεσων κόμβων 1, 2 και 4. Το τρίτο μονοπάτι φωτός είναι μεταξύ των D και Ε στο λ1 μέσω των κόμβων 4 και 5. Τέλος, το τέταρτο είναι μεταξύ των B και C στο λ2 μέσω των κόμβων 2 και 3. Σε αυτό το σημείο κρίνεται απαραίτητα να αναφερθούν οι δύο βασικοί περιορισμοί των WDM δικτυών δρομολόγησης μήκους κύματος: 1. Wavelength continuity: κάθε lightpath πρέπει να χρησιμοποιεί ίδιο μήκος κύματος σε κάθε σύνδεσμο από την πηγή μέχρι τον προορισμό (εξαίρεση αποτελεί όταν οι ενδιάμεσοι κομβόι είναι ικανοί μετατροπών μηκών κύματος). 2. Distinct Wavelength Assignment: ανάθεση διακριτών μηκών κύματος σε lightpaths που μοιράζονται φυσικούς συνδέσμους ίνας. Συνοψίζοντας, οι βασικοί στόχοι των WDM δικτυών δρομολόγησης μήκους κύματος είναι: Η εγκατάσταση όσο το δυνατόν περισσότερων lightpaths (άρα ελαχιστοποίηση πιθανότητας απόρριψης αιτήσεων για lightpaths). Η ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης εγκατάστασης των lightpaths. Η χρήση του ελάχιστου δυνατού bandwidth για τα μηνύματα ελέγχου. Η μεγιστοποίηση της επεκτασιμότητας του συστήματος. 26

27 1.7.5 Δίκτυα Δρομολόγησης Ζώνης Μηκών Κύματος (Waveband Routed) Τα δίκτυα Δρομολόγησης Ζώνης Μηκών Κύματος βρίσκονται κάπου στη μέση από τις δυο προηγούμενες κατηγορίες δικτύων (Εκπομπής και Επιλογής, Δρομολόγησης Μήκους Κύματος), όσον αφορά την ανεξαρτησία του ελέγχου των μηκών κύματος. Η βασική ιδέα σε αυτών των δικτυών είναι η ομαδοποίηση των μηκών κύματος σε ζώνες μηκών κύματος και η απαίτηση από τους κόμβους να κάνουν έναν πιο απλό έλεγχο ζωνών με περισσότερα από ένα μήκη κύματος, αντί για τον ξεχωριστό έλεγχο κάθε μήκους κύματος. Κάθε στοιχείο μεταγωγής δουλεύει σε μια ζώνη μηκών κύματος και κατά συνέπεια ο αριθμός των μεταγωγικών στοιχείων ανά κόμβο δρομολόγησης πρέπει να είναι ίσος με τον αριθμό των ζωνών (που είναι πολύ μικρότερος). Οι κόμβοι δρομολόγησης ενός τέτοιου δικτύου μπορούν να κάνουν χοντροκομμένη πολυπλεξία, απόπλεξη και μεταγωγή ζωνών μηκών κύματος, αλλά όχι και ξεχωριστών μηκών κύματος μέσα σε κάθε ζώνη. Επομένως το οπτικό κομμάτι του δικτύου δεν μπορεί να διακρίνει μέσα σε μια ζώνη μεταξύ των διαφορετικών μηκών κύματος της. Αυτό αποτελεί έναν βασικό περιορισμό για τα δίκτυα αυτά. Τα ξεχωριστά μήκη κύματος μιας ζώνης μπορούν να διαχωριστούν μόνο στους τελικούς κόμβους. Επίσης, πρέπει να αναφερθεί πως είναι δυνατή η επαναχρησιμοποίηση μηκών κύματος και σχετικών ζωνών σε διαφορετικά μέρη του δικτύου. Στα συγκεκριμένα δίκτυα, τα βασικά οπτικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση είναι ζεύκτες και όχι οπτικοί μεταγωγοί. Οι ζεύκτες είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται για να διασπάσουν και να συνδυάσουν οπτικά σήματα. Στην πράξη, χρησιμοποιούνται μεταβαλλόμενοι ζεύκτες που επιτρέπουν την προσαρμογή του λόγου διάσπασης ισχύος σε όλη την περιοχή από το 0 ως το 1. Οι συσκευές αυτές είναι γραμμικές και η ισχύς σε μια θύρα εξόδου είναι ο γραμμικός συνδυασμός των ισχύων στις θύρες εισόδου. Για αυτό το λόγο τα δίκτυα που περιλαμβάνουν τέτοιους κόμβους δρομολόγησης έχουν αποκαλεστεί γραμμικά δίκτυα φωτεινών κυμάτων (Linear Lightwave Networks LLNs). Αν και η ιδέα ελάττωσης του αριθμού των απαιτούμενων στοιχείων μεταγωγής στους κόμβους δρομολόγησης είναι αρκετά ελκυστική, έχει γίνει αντιληπτό ότι τα εν λόγω δίκτυα Δρομολόγησης Ζώνης Μηκών Κύματος δεν έχουν μεγάλη πρακτική αξία, εξαιτίας της πολύπλοκης δρομολόγησης που απαιτούν και τις σημαντικές απώλειες διάσπασης και συνδυασμού σημάτων από τη χρήση συσκευών ζεύξης. Παρ όλα αυτά, ένα θετικό στοιχείο εδώ είναι η ικανότητα παροχής υπηρεσιών πολλαπλής εκπομπής (multicasting). 27

28 1.7.6 WDM Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks) Τα οπτικά δίκτυα, όσον αφορά το τμήμα πρόσβασης, θα πρέπει κατά προτίμηση να αποτελούνται από απλές παθητικές συσκευές όπως είναι οι ζεύκτες (π.χ. παθητικοί ζεύκτες αστέρα) και οι παθητικοί δρομολογητές ή WGRs. Τέτοια δίκτυα ονομάζονται Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (PONs), ενώ τα ακόμη πιο εξελιγμένα από αυτά που ενσωματώνουν τεχνολογία WDM ονομάζονται WDM PONs. Αυτή η κατηγορία οπτικών WDM δικτύων βρίσκει εφαρμογή ως μια εναλλακτική λύση υψηλής ταχύτητας για το τμήμα τοπικής πρόσβασης του δικτύου, δηλαδή το τμήμα που φτάνει μέχρι τα σπίτια ή τις επιχειρήσεις και είναι γνωστό ως «τελευταίο μίλι» ( last mile ) του δικτύου. Στην παρακάτω Εικόνα 13 παρουσιάζεται η γενικευμένη αρχιτεκτονική των PONs. Εικόνα 13: Γενικευμένη αρχιτεκτονική PON Στην παραπάνω Εικόνα 13 φαίνεται ο κεντρικός κόμβος (hub) ο οποίος περιέχει τερματικό εξοπλισμό, είναι η πηγή της downstream κυκλοφορίας και συνδέεται σε διάφορους απομακρυσμένους κόμβους (remote nodes - RNs) τοποθετημένους κοντά στους συνδρομητές. Κάθε RN, με τη σειρά του, συνδέεται σε διάφορες οπτικές μονάδες του δικτύου (Optical Network Units - ONUs) που καθεμιά τους εξυπηρετεί έναν ή περισσότερους συνδρομητές και γι αυτό πρέπει να είναι σχετικά απλές. Το τμήμα δικτύου πρόσβασης από το hub ως τους RNs είναι το δίκτυο τροφοδοσίας, ενώ αυτό από τους RNs στις ONUs είναι το δίκτυο διανομής. Σε ορισμένες συστάσεις της ITU T πραγματοποιείται διάκριση των εννοιών ONU και ΟΝΤ (Optical Network Terminal), θεωρώντας το τερματικό ONT ως μία ειδική 28

29 περίπτωση της μονάδας ONU. Ωστόσο, το αντικείμενο τις παρούσας διπλωματικής είναι τα δίκτυα XG-PON και επειδή από τη σκοπιά της λειτουργίας του στρώματος σύγκλισης μετάδοσης αυτών των δικτύων οι δύο οντότητες θεωρούνται ταυτόσημες, ο όρος ONU θα αναφέρεται εφεξής και στις δύο έννοιες. Τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα θα αναλυθούν περαιτέρω στο επόμενο κεφάλαιο [5][7]. 29

30 2. Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Στο παρακάτω κεφάλαιο, γίνεται μια συνοπτική περιγραφή των Παθητικών Οπτικών Δικτυών. 2.1 Εισαγωγή Την τελευταία δεκαετία η ζήτηση για εύρος ζώνης και δικτυακές υπηρεσίες τόσο από τους οικιακούς χρήστες όσο και από τους επιχειρησιακούς πελάτες αυξάνεται διαρκώς. Σ αυτό το διάστημα τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks) έχουν αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία πρόσβασης που προσφέρει ευελιξία, δυνατότητες ευρείας κάλυψης και οικονομικώς αποδοτικό διαμοιρασμό των ακριβών οπτικών ζεύξεων συγκριτικά με τις συμβατικές λύσεις σημείου προς σημείο. Αυτά τα πλεονεκτήματα των Παθητικών Οπτικών Δικτύων έχουν πυροδοτήσει τα τελευταία χρόνια μια σημαντική εμπορική δραστηριότητα, η οποία αντικατοπτρίζεται και στις εργασίες κάποιων αρχών προτυποποίησης. Η πρώτη σχετική πρόταση ήρθε το 1995 και δημοσιεύτηκε το 1998 από τον τομέα προτυποποίησης της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union Telecommunication / ITU-T). Η πρόταση αυτή αφορούσε τις πρώτες συστάσεις της σειράς G.983.x, οι οποίες αναφέρονται συχνά ως πρωτόκολλο ΑTM-PON και είχαν συνταχθεί από την ομάδα Full Service Access Network (FSAN). Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιεί το ΑΤΜ ως στρώμα μεταφοράς και επιδεικνύει ορισμένα ισχυρά χαρακτηριστικά, γεγονός που επαληθεύεται από το εύρος των υλοποιήσεων που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα. Ωστόσο, τα πολλά μειονεκτήματα της τεχνολογίας ATM δεν την καθιστούσαν κατάλληλη για την υλοποίηση PONs που μεταφέρουν κυρίως κίνηση IP και αυτό έγινε αμέσως εμφανές. Έτσι, η πρόταση γρήγορα αντικαταστάθηκε από το Broadband PON (B-PON) και στη συνέχεια από το Gigabit PON (G-PON), το οποίο έχει καθιερωθεί ως πρότυπο ITU-T G.984. Από το 2010, έχει ξεκινήσει η προτυποποίηση της επόμενης γενιάς G-PON, του 10G-PON ή XG-PON. Παράλληλα με την ITU-T, το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE) εξέδωσε το 2004 το πρότυπο 802.3ah, σαν κομμάτι του προγράμματος Ethernet στο πρώτο μίλι (Ethernet in the First Mile EFM), το οποίο περιγράφει το Ethernet Παθητικό Οπτικό Δίκτυο (E-PON). Όπως υποδηλώνει και το όνομά του, το δίκτυο αυτό βασίζεται στην ευρέως διαδεδομένη τεχνολογία του Ethernet. Οι διαφορές μεταξύ των προτύπων αφορούν κυρίως τον τρόπο με τον οποίο ενθυλακώνονται τα πακέτα σε αυτά άλλων επιπέδων. Τα πρότυπα προσδιορίζουν την κωδικοποίηση, τους ρυθμούς μετάδοσης, τις μορφές και τα μεγέθη των πακέτων δεδομένων και ελέγχου και τα μηνύματα που μπορούν να ανταλλάσσουν οι ONUs με το OLT (Optical Line Termination, αναφέρθηκε προηγουμένως ως hub) και 30

31 αντίστροφα. Αντίθετα, ο τρόπος με τον οποίο ανατίθεται το εύρος ζώνης για μετάδοση, δεν καθορίζεται αυστηρά. Για το λόγο αυτό, το πρόβλημα της δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης (dynamic bandwidth allocation DBA) αποτελεί μια ερευνητική περιοχή με μεγάλο ενδιαφέρον. Σε ένα δίκτυο G-PON, τα πακέτα ενθυλακώνονται με χρήση της μεθόδου GEM (Gigabit Encapsulation Method) και υπάρχει δυνατότητα κατάτμησης των πακέτων δεδομένων, γεγονός που μπορεί να συμβάλει στην ικανοποίηση αυστηρών απαιτήσεων σε ποιότητα υπηρεσίας (Quality of service - QoS) που θέτουν διάφορες εφαρμογές. Ωστόσο, αυτό απαιτεί την επανένωση των κατατετμημένων πακέτων στον προορισμό τους, πράγμα που αυξάνει την πολυπλοκότητα. Στα E-PONs δεν γίνεται κατάτμηση και συνένωση πακέτων, συνεπώς το μέγεθος του πλαισίου μετάδοσης δεν είναι σταθερό. Το γεγονός όμως ότι σε ένα E-PON το μικρότερο μέγεθος πακέτου που υποστηρίζεται είναι 64 bytes (ελάχιστο πλαίσιο Ethernet), προσδίδει μεγάλη επιβάρυνση στα μηνύματα ελέγχου. Το βασικό πλεονέκτημα των E-PONs είναι η συμβατότητα με υπάρχοντα Ethernet εξοπλισμό [3][8]. 2.2 Γενικά χαρακτηριστικά Παθητικών Οπτικών Δικτύων Το οπτικό τμήμα ενός δικτύου πρόσβασης μπορεί να είναι ενεργό ή παθητικό, όπως επίσης και τύπου σημείο προς σημείο ή σημείο προς πολλαπλά σημεία. Τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα είναι οπτικά δίκτυα σημείου προς πολλαπλά σημεία, τα οποία δεν περιέχουν ενεργά στοιχεία, δηλαδή δεν πραγματοποιείται μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό από την πηγή μέχρι το προορισμό. Τα μόνα στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι παθητικοί ζεύκτες (couplers), διαιρέτες (splitters) και συνδυαστές (combiners). Τα PONs είναι μια αξιόπιστη λύση για τα Δίκτυα Πρόσβασης (Access Networks AN) αφού επιτρέπουν τη χρήση υπηρεσιών ευρείας ζώνης με οικονομικούς όρους, ώστε να είναι εφικτή η πρόσβαση από μεμονωμένους χρήστες ή μικρές επιχειρήσεις οι οποίοι δεν έχουν τη οικονομική δυνατότητα χρησιμοποίησης οπτικών ινών αποκλειστικής χρήσης. Κάποια από τα πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα των Παθητικών Οπτικών Δικτύων παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα 2: 31

32 Πλεονεκτήματα Δεν είναι ενεργός κανένας ενδιάμεσος κόμβος Πολύ μικρή κατανάλωση ενέργειας λόγω των ενδιάμεσων παθητικών συσκευών Επιτρέπουν την εύκολη μετάδοση βίντεο και δεδομένων Υλοποίηση με το μικρότερο δυνατό αριθμό πομποδεκτών Χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής Ελάχιστη ίνα Μειονεκτήματα Το ίδιο εύρος ζώνης πρέπει να μοιραστεί μεταξύ διάφορων χρηστών Η οπτική ισχύς διαχωρίζεται μεταξύ των θυρών εξόδου, γεγονός που περιορίζει τη μέγιστη απόσταση Το ίδιο οπτικό σήμα παραλαμβάνεται από όλες τις μονάδες (ONUs), εγείροντας ανησυχίες για την ασφάλεια δικτύων Το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται για uploading δεν είναι broadcast (λιγότερο εύρος ζώνης από πλήρες P2P) Απαίτηση για έναν αυστηρό αλγόριθμο για τη σύλληψη upstream κυκλοφορίας (καταμερισμός χρόνου για την upstream σύνδεση) Πιο σύνθετοι πομποδέκτες (οπτική ισχύς, δυνατότητα burst mode) Πίνακας 2: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των PONs Τα πλεονεκτήματα από τη χρήση της τεχνολογίας PON σε Δίκτυα Πρόσβασης, υποδεικνύουν τη σημασία της σωστής σχεδίασης του δικτύου, δεδομένου ότι αυτή παίζει καθοριστικό ρόλο στην αποδοτικότητά του. Συνοψίζοντας τα παραπάνω, οδηγούμαστε στο συμπέρασμα πως το γεγονός ότι ο τοπικός βρόγχος συσσωρεύει κίνηση από έναν μικρό αριθμό χρηστών, συγκριτικά με ένα μητροπολιτικό δίκτυο, καθιστά το κόστος εγκατάστασης και χρήσης του δικτύου ως τη σημαντικότερη παράμετρο κατά τη σχεδίασή του [9]. 2.3 Αρχιτεκτονική Παθητικών Οπτικών Δικτύων Σε ένα PON η ανταλλαγή δεδομένων πραγματοποιείται μεταξύ του OLT και των ONUs, μέσω του Οπτικού Δικτύου Διανομής (Optical Distribution Network) που τα συνδέει. Η ανταλλαγή δεδομένων σε ένα PON είναι σημείου προς πολλαπλά σημεία για το ρεύμα καθόδου, δηλαδή για τη μετάδοση από το OLT στις ONUs, ενώ για το ρεύμα ανόδου είναι πολλαπλών σημείων προς σημείο. Το OLT αποτελεί το σημείο προσαρμογής μεταξύ του PON και του δικτύου κορμού, που μπορεί να είναι IP, ATM 32

33 ή SONET και βρίσκεται στο κέντρο μεταγωγής. Στην παρακάτω Εικόνα 14 φαίνεται η ροή καθόδου ενός Παθητικού Οπτικού Δικτύου: Εικόνα 14: Ροή καθόδου ενός Παθητικού Οπτικού Δικτύου Οι αρχιτεκτονικές Οπτικών Δικτύων Πρόσβασης που έχουν επικρατήσει μέχρι σήμερα είναι οι εξής (Εικόνα 15): Οπτική ίνα μέχρι το Σπίτι (Fiber Τo Τhe Home, FTTH) Οπτική ίνα μέχρι το Κτίριο (Fiber Τo Τhe Building, FTTB) Οπτική ίνα μέχρι το Πεζοδρόμιο (Fiber Τo Τhe Curb, FTTC) Οπτική ίνα μέχρι τον Υπαίθριο Κατανεμητή/την Γειτονία (Fiber Τo Τhe Cabinet/To The Neighborhood, FTTN) 33

34 Εικόνα 15: Αρχιτεκτονικές Οπτικών Δικτύων Πρόσβασης Κατά το σχεδιασμό ενός δικτύου πρόσβασης που βασίζεται σε PON, πρέπει να αντιμετωπιστούν διάφορες προκλήσεις. Το πρώτο βήμα είναι η επιλογή του πρωτοκόλλου που θα χρησιμοποιηθεί για το στρώμα δεδομένων. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές επιλογές: SONET, ATM και Ethernet. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους περιγράφονται παρακάτω (Πίνακας 3): 34

35 Πρωτόκολλο Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα SONET ATM Ethernet Ανοχή στα λάθη Διαχείριση λαθών Χρησιμοποιείται σε πολλά δίκτυα Είναι δυνατή η παροχή διαφορετικών QoS (Quality of Service) και εγγυημένου εύρους ζώνης στα δεδομένα που υπάρχουν στο OLT και στις ONUs, ώστε να είναι εφικτή η μετάδοση δεδομένων πραγματικού χρόνου. Είναι αποδοτικό στη μεταφορά πακέτων IP Διαδεδομένο και φθηνό υλικό. Υποστηρίζει διάφορους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων (100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s) Πίνακας 3: Σύγκριση πρωτοκόλλων στρώματος δεδομένων Ακριβό υλικό (hardware) Μεγάλο κόστος για τοπικό βρόχο Μη αποδοτικό για κίνηση δεδομένων Επειδή τα δεδομένα τόσο στο OLT όσο και στις ONUs είναι σε πακέτα IP, για τη μεταφορά μέσω PON είναι απαραίτητος ο τεμαχισμός των πακέτων και η επανασυναρμολόγηση τους στο άλλο άκρο. Αυτό δημιουργεί επιπρόσθετο κόστος και πολυπλοκότητα στο δίκτυο. Απαιτεί την ανάπτυξη τεχνικών QoS για τη μεταφορά δεδομένων πραγματικού χρόνου. Απαιτεί την ανάπτυξη τεχνικών QoS για τη μεταφορά δεδομένων πραγματικού χρόνου. Ένα δεύτερο ζήτημα είναι ο διαχωρισμός των καναλιών της ροής ανόδου (δηλαδή από τις ONUs προς το OLT), ώστε να μην υπάρχει σύγκρουση στην περίπτωση που δύο ή περισσότερες ONUs θέλουν να μεταδώσουν ταυτόχρονα. Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι για να γίνει αυτό: η πολυπλεξία μήκους κύματος (WDM), η πολυπλεξία χρόνου (TDM) και η πολυπλεξία κώδικα (CDM). Στον παρακάτω Πίνακα 4 φαίνονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου [3][10]. 35

36 Τύπος πολυπλεξίας Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα WDM TDM CDM Παρέχει υψηλό εύρος ζώνης Είναι εύκολο στην υλοποίηση Επιτρέπει σε κάθε ONU να χρησιμοποιεί ένα κλάσμα της χωρητικότητας του δικτύου. Μόνο ένας μεταδότης είναι απαραίτητος στο OLT ανεξαρτήτως του αριθμού των ONUs. Δεν υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των χρηστών. Παρέχει ασφάλεια. Υψηλό κόστος, αφού κάθε ONU πρέπει να έχει ένα διαχωριστή μήκους κύματος. Δυσκολία αναβάθμισης, γιατί το OLT έχει έναν πίνακα αντιστοίχισης για κάθε μήκος κύματος με κάθε ONU. Η προσθήκη μιας επιπλέον ONU θα ήταν δύσκολη. Μεγαλύτερη πολυπλοκότητα από το WDM. Απαιτεί το συγχρονισμό των ONUs. Οι παρεμβολές μεταξύ διαφορετικών καναλιών αυξάνονται όσο αυξάνουν οι χρήστες. Το υλικό πρέπει να έχει τη δυνατότητα να χειριστεί ρυθμούς δεδομένων πολύ υψηλότερους από αυτούς των χρηστών. Πίνακας 4: Σύγκριση τεχνικών πολυπλεξίας 2.4 Τεχνολογίες Παθητικών Οπτικών Δικτύων A-PONs Ο συνδυασμός της τεχνολογίας των ΡΟΝs με τον ασύγχρονο τρόπο μεταφοράς (ΑΤΜ) αναπτύχθηκε το 1995 από την FSAN, διότι θεωρήθηκε τότε ως η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις που είχαν οι χρήστες όσον αφορά τις υπηρεσίες. Έτσι δημιουργήθηκαν τα A-PON, τα οποία υποστήριζαν διάφορες αρχιτεκτονικές (FTTH, FTTB και FTTC). Η θεώρηση αυτή βασίστηκε στο 36

37 γεγονός ότι εκείνη την εποχή, οι λογικότερες και πιο συμφέρουσες επιλογές ήταν, για τον τρόπο μεταφοράς δεδομένων το ΑΤΜ και για την τοπολογία των δικτύων πρόσβασης τα ΡΟΝs. Το ΑΤΜ θεωρείτο το καταλληλότερο για να υποστηρίξει πολλαπλά πρωτόκολλα και τα ΡΟΝs η οικονομικότερη ευρυζωνική οπτική λύση. Η πρόταση της FSAN έγινε αποδεκτή ως πρότυπο από την ITU και περιγράφεται στο ITU-T Rec.G.983, όπου δίνονται οι προδιαγραφές για την αρχιτεκτονική, τον εξοπλισμό και τη διαστρωμάτωση του A-PON. Στο Α-ΡΟΝ, με κριτήρια την απλότητα αλλά και το κόστος, επιλέχθηκε η τεχνική TDM για την προς τα κάτω (downstream) ροή και για την πολλαπλή προσπέλαση στο μέσο. Για την προς τα πάνω (upstream) ροή επιλέχτηκε η τεχνική TDMA. Τα βασικά στοιχεία του δικτύου είναι τα εξής: το OLT, οι ONUs και ο παθητικός οπτικός διαιρέτης. Στο Α-ΡΟΝ μία οπτική ίνα διαιρείται παθητικά μέχρι και 64 φορές, με αποτέλεσμα 64 ΟΝUs να διαμοιράζονται τη χωρητικότητα της. Η παθητική διαίρεση επιτρέπει στους χρήστες να διαμοιράζονται το εύρος ζώνης και κατ επέκταση το κόστος. Αυτό μειώνεται ακόμα περισσότερο με τη μείωση του αριθμού των οπτόηλεκτρονικών στοιχείων που απαιτούνται για το OLT, δεδομένου ότι περισσότερες της μίας ΟΝU διαμοιράζονται μια διεπαφή. Στην παρακάτω Εικόνα 16 παρουσιάζονται τα ρεύματα καθόδου και ανόδου των A- PONs. Εικόνα 16: Ρεύματα καθόδου και ανόδου του A-PON 37

38 Το Α-ΡΟΝ χρησιμοποιεί τοπολογία διπλού αστέρα. Ο πρώτος αστέρας βρίσκεται στο OLT, όπου η διεπαφή του δικτύου ευρείας ζώνης για τις υπηρεσίες, διαιρείται λογικά και οδηγείται στη διεπαφή ΑΤΜ-ΡΟΝ. Ο δεύτερος αστέρας υλοποιείται στο διαιρέτη, όπου η πληροφορία διαιρείται παθητικά και οδηγείται σε κάθε ΟΝU. Το OLT, που τοποθετείται στο κέντρο μεταγωγής, είναι το σημείο διασύνδεσης μεταξύ του Δικτύου Πρόσβασης και των σημείων υπηρεσιών στο δίκτυο κορμού (backbone). Όταν δεδομένα από το δίκτυο φθάνουν στο OLT, οδηγούνται στον παθητικό διαιρέτη χρησιμοποιώντας την τεχνική TDM. Το OLT λειτουργεί ως ΑΤΜ τελικός μεταγωγέας με ΑΤΜ-σύγχρονη οπτική (SONET) διεπαφή από την πλευρά του δικτύου κορμού και ΑΤΜ-ΡΟΝ διεπαφή από την πλευρά του συνδρομητή. Η κάθε ΟΝU φιλτράρει τα κελιά που φθάνουν και ανακτά μόνο εκείνα που προορίζονται για αυτή. Κάθε κελί έχει ένα πεδίο των 28 bits, που καθορίζει τις τιμές οι οποίες αφορούν τη νοητή διαδρομή και το νοητό δίαυλο και αναφέρονται ως VPI/VCI. Κάθε OLT αρχικά στέλνει ένα μήνυμα στην ΟΝU για να την προετοιμάσει ούτως ώστε να δεχτεί κελιά με συγκεκριμένες τιμές VPI/VCI. Τα πεδία VPI/VCI, της επικεφαλίδας του πακέτου ΑΤΜ, χρησιμοποιούνται για την επίτευξη της πολυπλεξίας πακέτων σε μια κοινή ζεύξη. Δεδομένου ότι στο upstream κανάλι χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο TDMA, κάθε ΟΝU πρέπει να είναι συγχρονισμένη χρονικά με όλες τις άλλες. Αυτό πραγματοποιείται με μία διαδικασία που ονομάζεται αποστασιομέτρηση (ranging) των ONUs και βασίζεται στη λογική ότι το OLT πρέπει να καθορίσει πόσο μακριά βρίσκεται η κάθε ΟΝU από αυτό, έτσι ώστε να της παραχωρήσει τη βέλτιστη χρονική σχισμή, μέσα στην οποία θα πρέπει να εκπέμψει για να αποφευχθούν προβλήματα συγκρούσεων μετάδοσης. Στο Α-ΡΟΝ χρησιμοποιείται μία οπτική ίνα τόσο για το upstream όσο και για το downstream κανάλι, οπότε χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικά μήκη κύματος: 1550 nm για το downstream και 1310 nm για το upstream. Τα κελιά ΑΤΜ μετατρέπονται απευθείας σε οπτικό κύμα και στέλνονται στο δίκτυο PON. Αυτό επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο ηλεκτροοπτικό εξοπλισμό, ειδικό για τη μετάδοση κίνησης σε ταχύτητες Mbps. Επιπλέον, δεδομένου ότι υπάρχουν καθοδικά κανάλια κοινοποίησης (broadcast channels) στα ΡΟΝs, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές κρυπτογράφησης για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ασφάλεια. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθούμε στον όρο Broadband PON (B-PON) που με την πάροδο του χρόνου εισήχθη και χρησιμοποιείται. Είναι ταυτόσημος με τον όρο Α- ΡΟΝ με τη μοναδική διαφορά ότι περιγράφονται δίκτυα που έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίζουν επιπλέον ευρυζωνικές υπηρεσίες, όπως π.χ. υπηρεσίες video [11] E-PONs Με το πέρασμα του χρόνου το Α-ΡΟΝ θεωρήθηκε ως ακατάλληλη λύση για τον τοπικό βρόχο εξαιτίας της αδυναμίας του να υποστηρίξει υπηρεσίες video, το ανεπαρκές του εύρος, την πολυπλοκότητά αλλά και το κόστος του. Η ευρεία διάδοση 38

39 του Ethernet έδινε την εντύπωση ότι η χρήση του Ethernet-ΡΟΝ (Ε-ΡΟΝ) θα εξάλειφε την ανάγκη για μετατροπή από ΑΤΜ σε ΙΡ πρωτόκολλο στην σύνδεση WAN/LAN. Οι κατασκευαστές Ε-ΡΟΝ εστίαζαν αρχικά στην ανάπτυξη των αρχιτεκτονικών FTTB και FTTC με μακροπρόθεσμο στόχο την ανάπτυξη μίας FTTΗ λύσης, για τη διανομή δεδομένων, video και φωνής πάνω από την ίδια πλατφόρμα. Το Ε-ΡΟΝ παρέχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης, μειωμένο κόστος και ευρύτερες υπηρεσίες από το Α-ΡΟΝ, ενώ η αρχιτεκτονική του είναι παρόμοια και κληρονομεί πολλά χαρακτηριστικά του G.983 που αφορά στα Α-ΡΟΝ. Η κύρια διαφορά μεταξύ Α-ΡΟΝ και Ε-ΡΟΝ είναι ότι τα δεδομένα στο δεύτερο μεταφέρονται σε πακέτα μεταβλητού μήκους (ως και 1518 bytes) σύμφωνα με το πρωτόκολλο της ΙΕΕΕ για το Ethernet. Αντίθετα στο Α-ΡΟΝ μεταφέρονται σε κελιά ΑΤΜ των 53 bytes όπως επιβάλλεται από το πρωτόκολλο ΑΤΜ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να είναι δύσκολη και όχι αποδοτική η μεταφορά σε ένα δίκτυο Α-ΡΟΝ κίνησης που βασίζεται στην ΙΡ, όπου τα δεδομένα χωρίζονται σε πακέτα μεταβλητού μήκους (ως και bytes). Για να μεταφερθεί η ΙΡ κίνηση στο Α-ΡΟΝ τα πακέτα θα πρέπει να κατατμηθούν σε κομμάτια των 48 bytes και στο κάθε ένα από αυτά να προσαρτηθεί μια επικεφαλίδα ΑΤΜ των 5 bytes. Η διαδικασία αυτή είναι χρονοβόρα, πολύπλοκη και προσθέτει επιπλέον κόστος στις ΟΝUs και στο OLT. Επιπλέον, για κάθε τμήμα δεδομένων των 48 bytes έχουμε σπατάλη εύρους 5 bytes. Αντίθετα, το Ethernet είναι φτιαγμένο για να καλύψει κίνηση ΙΡ και μειώνει δραστικά τις επικεφαλίδες σε σχέση με το ΑΤΜ. Στο Ε-ΡΟΝ η ροή καθόδου (downstream) είναι διαφορετική από την αντίστοιχη ροή ανόδου (upstream) (Εικόνες 17 και 18). Εικόνα 17: Ρεύμα Καθόδου των E-PONs 39

40 Εικόνα 18: Ρεύμα Ανόδου των E-PONs Συγκεκριμένα, στην Εικόνα 17 τα δεδομένα εκπέμπονται από το OLT προς τις ONUs σε πακέτα μεταβλητού μήκους με μέγιστο όριο τα 1518 bytes. Κάθε πακέτο φέρει μία επικεφαλίδα που καθορίζει την ONU για την οποία προορίζεται. Επιπλέον κάποια πακέτα είναι δυνατό να προορίζονται για όλες τις ONUs (broadcast packets) ενώ άλλα για μία δεδομένη ομάδα από ONUs (multicast packets). Στη συγκεκριμένη εικόνα η κίνηση στο διαιρέτη χωρίζεται σε τρία διαφορετικά σήματα και το κάθε ένα φέρει όλα τα πακέτα. Όταν τα σήματα φτάσουν σε μια ONU, τότε εκείνη δέχεται μόνο τα πακέτα που προορίζονται για αυτή, ενώ απορρίπτει όλα τα υπόλοιπα. Όσον αφορά την προς τα πάνω ροή, η λειτουργία της οποίας συνοψίζεται στην Εικόνα 18, χρησιμοποιείται η τεχνική TDM, κατά την οποία ανατίθενται σε κάθε ONU κάποιες χρονικές σχισμές εκπομπής. Αυτές οι σχισμές είναι συγχρονισμένες έτσι ώστε να μην υπάρξουν συγκρούσεις όταν τα πακέτα από διαφορετικές ONUs συνδυάζονται στην κοινή ίνα [12] G-PONs Το 2001 η FSAN ξεκίνησε μία προσπάθεια, ούτως ώστε τα δίκτυα ΡΟΝ, τα οποία λειτουργούσαν σε ταχύτητες μεγαλύτερες του 1 Gbps, να αναγνωριστούν ως standard. Εκτός από την ανάγκη να υποστηριχθούν υψηλότερα bit rates, το συνολικό πρωτόκολλο θα έπρεπε να είναι ανοιχτό για επανεξέταση, έτσι ώστε η τελική μορφή που θα λάμβανε να είναι η βέλτιστη και η πιο αποδοτική, όσον αφορά την υποστήριξη πολλαπλών υπηρεσιών και λειτουργιών διαχείρισης, συντήρησης και πρόβλεψης. Το αποτέλεσμα αυτής της προσπάθειας ήταν η δημιουργία μίας νέας λύσης στην αγορά οπτικών δικτύων πρόσβασης, των G-PONs, που προσφέρουν πολύ υψηλά bit rates, έως και Gbps, ενώ ταυτόχρονα υποστηρίζουν τη μεταφορά πολλαπλών υπηρεσιών, ιδιαίτερα δεδομένων και ΤDM, σε απλές διατάξεις και με μεγάλη αποδοτικότητα. Το G-PON διατηρεί, όπου αυτό είναι δυνατό, τα χαρακτηριστικά των τεχνολογιών που χρονικά προηγήθηκαν αυτού και περιγράφονται στα ITU-T G.982 και τη σειρά 40

41 G.983.x Recommendations, έτσι ώστε να είναι συμβατά με όλες τις τεχνολογίες PON που προηγήθηκαν. Τα G-PONs εξαιτίας του μεγάλου εύρους ζώνης που παρέχουν, υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών, συμπεριλαμβανομένων υπηρεσιών φωνής, TDM, video, Ethernet, 10/100BASE-T, μισθωμένες γραμμές και επεκτάσεις χωρίς καλώδιο. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα να εξυπηρετήσουν αποστάσεις μέχρι και 60 km ανάμεσα στις ONUs και το OLT (όμως η απόσταση αυτή υπολογίζεται χωρίς να ληφθούν υπόψη οι περιορισμοί του φυσικού μέσου και αποτελεί τη λογική απόσταση). Αντίθετα, η μέγιστη φυσική απόσταση που είναι δυνατό να καλυφθεί είναι ίση με 20 km (Εικόνα 19). Εικόνα 19: Αρχιτεκτονική δικτύου G-PON Τα G-PON υποστηρίζουν 7 διαφορετικά bit rates χρησιμοποιώντας για όλα το ίδιο πρωτόκολλο (ITU1 03). Αυτοί οι συνδυασμοί παρουσιάζονται παρακάτω (Πίνακας 5): 41

42 Downstream Upstream Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Gbps Πίνακας 5: Συνδυασμοί bit rate του G-PON Τέλος, το G-PON έχει μεγάλες δυνατότητες όσον αφορά στις λειτουργίες ανάπτυξης, πρόβλεψης και διαχείρισης του δικτύου, ενώ παρέχει και ασφάλεια σε επίπεδο πρωτοκόλλου για την downstream ροή. Συγκεκριμένα, λόγω του multicast χαρακτήρα του, μεριμνά έτσι ώστε να μην είναι εύκολη η αποκωδικοποίηση των downstream δεδομένων από όλους τους χρήστες παρά μόνο από αυτόν για τον οποίο προορίζονται και επιτρέπει προς την κατεύθυνση αυτή οικονομικά αποδοτικές υλοποιήσεις [13] ΧG-PONs Όσο η ζήτηση για διαδικτυακή ταχύτητα συνεχίζει να αυξάνεται, τόσο νέες και ταχύτερες τεχνολογίες εμφανίζονται στο προσκήνιο, βασιζόμενες σε ήδη υπάρχοντα πρότυπα. Το XG-PON (επίσης γνωστό και ως 10G-PON) είναι η επόμενη, εξαιρετικά γρήγορης ταχύτητας, γενιά για τους παρόχους G-PON, σχεδιασμένη να συνυπάρχει με τον ήδη εγκατεστημένο G-PON εξοπλισμό στο ίδιο δίκτυο (Εικόνα 20). Εικόνα 20: Συνύπαρξη G-PON και ΧG-PON στο ίδιο δίκτυο 42

43 Το XG-PON είναι ένα πρότυπο δικτύωσης του 2010 για συνδέσεις δεδομένων, ικανό να παρέχει κοινή ταχύτητα πρόσβασης στο Internet μέχρι και 10 Gbps. Είναι δηλαδή ένα πρότυπο επόμενης γενιάς, το οποίο θεωρείται η συνέχεια του G-PON που αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Τα χαρακτηριστικά των δικτύων XG- PON περιγράφονται αναλυτικά στο πρότυπο G.987 της ITU-T. Η αρχιτεκτονική τους φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα 21. Εικόνα 21: Αρχιτεκτονική δικτύου XG-PON Η οπτική ίνα που χρησιμοποιείται στα XG-PON διαμοιράζεται ανάμεσα σε πολλούς συνδρομητές, σε ένα δίκτυο γνωστό ως FTTx, με έναν τρόπο ο οποίος επικεντρώνεται κυρίως στον εξοπλισμό τηλεπικοινωνιών, με αποτέλεσμα συχνά να εκτοπίζονται οι τηλεφωνικές γραμμές χαλκού που συνδέουν τις διάφορες εγκαταστάσεις για τις ανταλλαγές τηλεφωνημάτων. Η αρχιτεκτονική των Παθητικών Οπτικών Δικτύων έχει πλέον γίνει ένας οικονομικά αποδοτικός τρόπος ούτως ώστε τα δίκτυα πρόσβασης να μπορέσουν να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις απόδοσης με τις όποιες βρίσκονται αντιμέτωπα. Έτσι λοιπόν, η ταχύτητα των 10 Gbps που έχει τη δυνατότητα να παρέχει το XG- PON, διαμοιράζεται σε όλους τους χρήστες που είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο Παθητικό Οπτικό Δίκτυο, όπως ακριβώς συμβαίνει με το πρότυπο G-PON αλλά και το B-PON. Επίσης, ενσωματώνονται διάφορες τεχνικές πολυπλεξίας οι οποίες εμποδίζουν τα πλαίσια δεδομένων από το να συγκρούονται μεταξύ τους. Επίσης, οι χρήστες έχουν μια συσκευή δικτύου που μετατρέπει τα οπτικά σήματα σε σήματα τα οποία χρησιμοποιούνται στην καλωδίωση του κτιρίου, όπως γίνεται και στην περίπτωση του Ethernet ή στην παλιά, απλή, ενσύρματη και αναλογική τηλεφωνική υπηρεσία. 43

44 Στις παρακάτω εικόνες παρουσιάζεται η δομή του κατωφερούς (Εικόνα 22) και του ανωφερούς (Εικόνα 23) πλαισίου ενός δικτύου XG-PON: Εικόνα 22: Δομή κατωφερούς πλαισίου XG-PON Εικόνα 23: Δομή ανωφερούς πλαισίου XG-PON Τέλος, το πρότυπο XG-PON περιλαμβάνει μια ασύμμετρη και μια συμμετρική παραλλαγή. Στην ασύμμετρη περίπτωση το πρότυπο προσφέρει ταχύτητα 10 Gbps για την ροή καθόδου και 2,5 Gbps για την ροή ανόδου. Στην συμμετρική περίπτωση (γνωστή και με την ονομασία XG-PON2) προσφέρεται μεγαλύτερη ταχύτητα: 10 Gbps και για τις δύο ροές. Όμως, ένα πιθανό μειονέκτημα της συμμετρικής παραλλαγής είναι η ανάγκη ακριβότερων λέιζερ για τις ONUs, ούτως ώστε να επιτευχθούν οι υψηλότερες ταχύτητες [3][10][14][15]. 44

45 2.4.5 WDM-PONs Στις δύο βασικές κατηγορίες Παθητικών Οπτικών Δικτυών που περιεγράφηκαν παραπάνω (E-PONs και G-PONs), χρησιμοποιείται ένα μήκος κύματος ανά κατεύθυνση για τη μετάδοση πληροφοριών ελέγχου και δεδομένων. Στην upstream κατεύθυνση, οι ONUs μοιράζονται το μοναδικό διαθέσιμο μήκος κύματος με χρήση TDM υπό τις οδηγίες του σχήματος ανάθεσης εύρους ζώνης. Προκειμένου να αυξηθεί η χωρητικότητα του συστήματος σε ένα δίκτυο με ένα μήκος κύματος ανά κατεύθυνση (μονοκαναλικό), για να υποστηριχθούν περισσότεροι χρήστες ή πιο απαιτητικές εφαρμογές, θα πρέπει να αυξηθεί ο ρυθμός μετάδοσης, κάτι που αφενός δεν είναι πρακτικό γιατί απαιτεί μεγάλες αλλαγές στον εξοπλισμό του δικτύου και αφετέρου έχει υψηλό κόστος (αντικατάσταση πομποδεκτών). Επίσης, υπάρχουν όρια στις χωρητικότητες που μπορούν να επιτευχθούν με τέτοιου τύπου αναβαθμίσεις. Μια εναλλακτική προσέγγιση στην αναβάθμιση είναι να χρησιμοποιηθούν πολλαπλά μήκη κύματος στην υπάρχουσα οπτική ίνα. Αυτού του τύπου η πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος (WDM, περιεγράφηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο) θα δημιουργήσει ένα WDM Παθητικό Οπτικό Δίκτυο. Σε ένα WDM PON δεν είναι απαραίτητο το πλήθος των μηκών κύματος να ισούται με το πλήθος των ONUs και η κάθε μία να χρησιμοποιεί το δικό της μήκος κύματος για μετάδοση. Μια τέτοια λύση θα ήταν ιδιαίτερα δαπανηρή. Στην πράξη, το σενάριο που προτιμάται είναι να επεκτείνεται η χωρητικότητα του συστήματος με πολλαπλά μήκη κύματος τα οποία χρησιμοποιούν από κοινού οι ONUs με χρήση κάποιου είδους πολυπλεξίας (π.χ. πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου TDM). Επίσης, δεν είναι απαραίτητο να έχουν όλοι οι κόμβοι του δικτύου τον ίδιο αριθμό μηκών κύματος. Οι αναβαθμίσεις μπορούν να γίνονται σταδιακά και μόνο σε ONUs που έχουν μεγάλο φόρτο. Σε αντίθεση με τα EPONs και τα GPONs, δεν υπάρχουν καθιερωμένα πρότυπα για τα WDM PONs και υπάρχει μεγάλη ελευθερία στον ορισμό και τη συγκεκριμένη διαμόρφωσή τους, ανάλογα με τις ανάγκες και τον εξοπλισμό του παρόχου. Ένα παράδειγμα WDM παθητικού οπτικού δικτύου φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα

46 Εικόνα 24: Αρχιτεκτονική δικτύου WDM-PON Τέλος, σε ότι αφορά στην ανάθεση εύρους ζώνης στις ONUs σε ένα WDM PON, προστίθεται μια επιπλέον διάσταση στο πρόβλημα, αυτή του μήκους κύματος. Οι αποφάσεις χρονοδρομολόγησης εκτός από το πότε και για πόσο θα μεταδώσει μια ONU, περιλαμβάνουν και το μήκος κύματος το οποίο θα χρησιμοποιηθεί. Αυτό συνιστά το πρόβλημα της δυναμικής ανάθεσης μήκους κύματος (dynamic wavelength allocation DWA). Εδώ υπάρχει η επιλογή για online ή offline DWA, που αντίστοιχα, αναθέτει μήκη κύματος ξεχωριστά για κάθε αίτημα που λαμβάνει από κάθε ONU ή που αναμένει μέχρι να λάβει τα αιτήματα από όλες τις ONUs και μετά αποφασίζει ποια θα μεταδώσει πού. Αν και οι αποφάσεις ανάθεσης στην δεύτερη περίπτωση βασίζονται σε περισσότερα δεδομένα, τα online DWA σχήματα τείνουν γενικά να οδηγούν σε χαμηλότερες καθυστερήσεις πακέτων σε σύγκριση με τα offline DWA σχήματα για μέσους έως υψηλούς φόρτους [10][16]. 2.5 Συγκρίσεις τεχνολογιών παθητικών οπτικών δικτύων E-PONs vs G-PONs Στην παράγραφο αυτή, γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο σημαντικότερων τεχνολογιών Παθητικών Οπτικών Δικτύων: του E-PON και του G-PON. Οι κυριότερες διαφορές τους συνοψίζονται στους παρακάτω Πίνακες 6 και 7 [17][18]: 46

47 E-PON Εισηγητής EFM FSAN G-PON ODN classes (οπτικό δίκτυο διανομής) Α, Β A, B, C: Η χρήση της ODN class C οδηγεί σε σημαντική μείωση του κόστους για την τοπολογία, μέσω διπλασιασμού των endusers σε κάθε δένδρο ΡΟΝ Ταχύτητα 1.25 Gbps (upstream & downstream) 1.25 ή 2.5 Gbps (downstream), 155 ή 622 Mbps ή 1.25 ή 2.5 Gbps (upstream) Αναβάθμιση Μία επιλογή (10 Gbps) Πολλές επιλογές Ταχύτητα Upstream ροής Απόδοση Κόστος 1.25 Gbps (περιττό κόστος διότι δεν είναι αναγκαία πάντα τέτοια ταχύτητα για την upstream ροή) Μικρή (μεγάλες ΙΡ επικεφαλίδες, άρα φόρτωμα του δικτύου) Η TDM τεχνική και η μεταφορά φωνής στα E- PON, υπαγορεύουν επιπλέον ανάγκες για Hardware/Software για τα VoIP schemes (άρα και επιπλέον κόστος) Καθορίζεται ανάλογα με τις πραγματικές ανάγκες Μεγάλη Τα G-PON υποστηρίζουν μεταφορά υπηρεσιών TDM (σε χαμηλούς E1/T1 αλλά και υψηλούς ρυθμούς STM1/OC3) στην πρωταρχική τους τυποποίηση και γι αυτό τα standard για Jitter και καθυστερήσεις ικανοποιούνται χωρίς αύξηση του κόστους Πίνακας 6: Σύγκριση τεχνολογιών E-PON και G-PON 47

48 E-PON Downstream 1.25 Gbps Downstream G-PON / Gbps Ταχύτητα γραμμής Upstream 1.25 Gbps Upstream Gbps Bit rate after 8B/10B line coding 1 Gbps Bit rate after scrambling line coding Gbps Laser on-off 512 ns Laser on-off 25.7 ns Guard time Μέγεθος πλαισίου Overhead για την ανάθεση bandwidth (BA) Automatic gain control (AGC) Clock και data recovery (CDR) Πλαίσιο Ethernet GATE/REPORT 96 ns, 192 ns, 288 ns και 400 ns 96 ns, 192 ns, 288 ns και 400 ns bytes 64 bytes (ελάχιστο μέγεθος του Ethernet πλαισίου) Preamble και delimiter General Encapsulation Method (GEM) Μήνυμα αναφοράς κατάστασης GEM header Frame fragment 70.7 ns 5 bytes 1518 bytes 2 bytes Πίνακας 7: Σύγκριση τεχνολογιών E-PON και G-PON G-PONs vs XG-PONs Παρακάτω γίνεται σύγκριση μεταξύ δύο ιδιαίτερα σημαντικών τεχνολογιών Παθητικών Οπτικών Δικτύων: του G-PON και του XG-PON (Εικόνα 25). 48

49 Εικόνα 25: Αναβάθμιση δικτύου από G-POΝ σε XG-PON (NT = Network Termination) Επειδή το πρότυπο XG-PON αποτελεί ουσιαστικά την επόμενη και πιο εξελιγμένη γενιά των δικτύων G-PON, έχει σχεδιαστεί έτσι ούτως ώστε να κληρονομεί κάποια χαρακτηριστικά από τον πρόγονό του. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι: Οι αρχές που διέπουν το στρώμα σύγκλισης μετάδοσης. Η δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης. Η ποιότητα υπηρεσιών (QoS) και η διαχείριση της κυκλοφορίας. Η απομακρυσμένη λειτουργία της ONU μέσω OMCI (ONU Management Control Interface). Όμως, όπως είναι φυσικό, υπάρχουν και κάποια ενσωματωμένα χαρακτηριστικά στα δίκτυα XG-PON τα οποία έχουν βελτιωθεί σε σχέση με αυτά των G-PON και συνοψίζονται παρακάτω: Ενισχυμένοι μηχανισμοί ασφαλείας. Εξελιγμένες τεχνικές για εξοικονόμηση ενέργειας. 49

50 Επιλογές συγχρονισμού που επιτρέπουν τη χρήση κινητών εφαρμογών για τη μεταφορά δεδομένων από και προς το δίκτυο κορμού. Ενισχυμένη παρακολούθηση του splitter, των οπτικών ινών και των επιδόσεων του δικτύου. Τέλος, μερικές ακόμα διαφορές ανάμεσα στα δύο πρότυπα παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα 8 [10][19]: Ταχύτητα γραμμής G-PON 2.5 Gbps downstream 1.25 Gbps upstream XG-PON 10 Gbps downstream 2.5 Gbps upstream Μήκη κύματος nm downstream nm upstream nm downstream nm upstream Αναλογία διαμοιρασμού εύρους ζώνης 32/64 64 Μέγιστη απόσταση 20 km (λογική απόσταση 60 km) 20 km (λογική απόσταση 60 km) Μέγιστη διαφορά απόστασης 20 km 40 km Προϋπολογισμός ισχύος Κλάση Β: db Κλάση Β+: db Κλάση C: db Κλάση C+: db N1 (14-29 db) N2 (16-31 db) Μπορεί να επεκταθεί σε 33/35 db Πίνακας 8: Σύγκριση τεχνολογιών G-PON και XG-PON 50

51 3. Πρωτόκολλα Διαχείρισης Εύρους Ζώνης σε XG-PON Στην παρακάτω ενότητα περιγράφεται το Οπτικό Παθητικό Δίκτυο που υλοποιήθηκε για τους σκοπούς της παρούσας διπλωματικής εργασίας, καθώς και τα πρωτόκολλα διαχείρισης εύρους ζώνης που μελετήθηκαν. 3.1 Εισαγωγή Το δίκτυο το οποίο υλοποιήθηκε, προκειμένου να μελετηθεί η απόδοση του, είναι τεχνολογίας 10G-PON (ή XG-PON), με downstream ταχύτητα γραμμής ίση με Gbps και upstream ίση με Gbps. Το συγκεκριμένο δίκτυο περιλαμβάνει όλα τα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων τεχνολογίας XG-PON, όπως περιεγράφηκαν σε προηγούμενες ενότητες και επίσης υλοποιεί τρία βασικά πρωτόκολλα για την διαχείριση του εύρους ζώνης: τα SPPT και SWPPT για την downstream ροή και το IFAISTOS για την upstream. Τέλος, ένας ακόμα σημαντικός παράγοντας του δικτύου είναι ο αριθμός των ONUs, ο οποίος είναι μεταβλητός (από 2 μέχρι και 32), ανάλογα με τις ανάγκες τις κάθε προσομοίωσης. Στην παρακάτω Εικόνα 26 φαίνεται το δίκτυο που σχεδιάστηκε: 51

52 Εικόνα 26: Δίκτυο τεχνολογίας XG-PON που υλοποιήθηκε Στις παρακάτω ενότητες θα περιγράφουν κάποια ακόμα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων τεχνολογίας XG-PON, όπως επίσης και τα πρωτόκολλα SPPT, SWPPT και IFAISTOS που υλοποιήθηκαν. 3.2 Ροή καθόδου (downstream) Εισαγωγή Συνήθως, ένα Παθητικό Οπτικό Δίκτυο είναι δομημένο σε τοπολογία δέντρου (όπως και το δίκτυο που προσομοιώθηκε), όπου πολλαπλοί χρήστες είναι συνδεδεμένοι με το δίκτυο κορμού (backbone). Η κύρια διεπαφή (interface) που διασυνδέει το PON με το backbone ελέγχεται από το OLT. Οι διάφοροι χρήστες είναι συνδεδεμένοι απευθείας με τις ONUs, οι οποίες με τη σειρά τους είναι συνδεδεμένες με το OLT. H επικοινωνία μεταξύ των πολλαπλών ONUs και του OLT υλοποιείται μέσω ενός παθητικού οπτικού διαχωριστή (splitter). Με αυτόν τον τρόπο το δίκτυο παίρνει τη μορφή δέντρου, όπου το OLT καθιστά την ρίζα και οι ONUs τα διάφορα φύλλα του. 52

53 Αυτού του είδους η τοπολογία υλοποιεί δύο διαφορετικές ροές για τα δεδομένα: την ροή καθόδου (downstream) από το OLT προς τις ONUs και την ροή ανόδου (upstream) από τις ONUs προς το OLT. Σήμερα, ένα από τα πιο ελκυστικά ερευνητικά θέματα έχει να κάνει με το χειρισμό του κοινού συνδέσμου μεταξύ του OLT και του splitter, τόσο στην downstream όσο και στην upstream ροή. Όσον αφορά την downstream ροή, εάν υποθέσουμε πως όλες οι ONUs βρίσκονται σε ίση απόσταση από το OLT, τότε είναι προφανές πως η ιδανικότερη μέθοδος προώθησης των πακέτων είναι η First Come First Served (FCFS), στην οποία όποιο πακέτο φτάσει πρώτο αναχωρεί και πρώτο. Ωστόσο, το framework των PONs έρχεται να προσφέρει ενσύρματη συνδεσιμότητα σε μεγάλες γεωγραφικά περιοχές, όπου εμπλέκονται πολλοί χρήστες οι οποίοι μπορεί να βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από το OLT. Επομένως, γίνεται εύκολα αντιληπτό πως η ετερογένεια των θέσεων όπου βρίσκονται οι ONUs σε συνάρτηση με το propagation delay που υπάρχει από και προς το OLT, μπορεί να δημιουργήσει ένα σοβαρό πρόβλημα: η κατανομή του εύρους ζώνης στην downstream ροή μπορεί να προκαλέσει αδικίες σε βάρος κάποιων απομακρυσμένων ONUs όπως επίσης και διάφορα προβλήματα στην απόδοση, όπως η υψηλή μέση καθυστέρηση των πακέτων. Έτσι λοιπόν, προκειμένου να αποφευχθούν τέτοιου είδους αδικίες, έχουν δημιουργηθεί δύο πρωτόκολλα τα οποία και υλοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία: Το SPPT, όπου το βασικό κριτήριο για την επιλογή ενός πακέτου προς αποστολή είναι έμμεσα το Round Trip Time (RTT) της κάθε ONU. To SWPPT, όπου η αποτελεσματικότητα του RTT της κάθε ONU υπολογίζεται έμμεσα με τη μορφή μιας παραμέτρου, η οποία καθορίζει και τη δρομολόγηση των πακέτων. Άρα λοιπόν, οι βασικότεροι στόχοι αυτών των δύο πρωτοκόλλων είναι: 1. Η διασφάλιση μιας δίκαιης διαδικασίας για την δρομολόγηση των πακέτων στην downstream ροή. 2. Η αποτελεσματική λειτουργία της δυναμικής κατανομής εύρους ζώνης (Dynamic Bandwidth Allocation) στην downstream ροή XG-PON Framework Το δίκτυο που προσομοιώθηκε, όπως και όλα τα δίκτυα τεχνολογίας XG-PON, είναι της μορφής point to multipoint. Επίσης, η ταχύτητα που υποστηρίζεται για τον τελικό χρήστη (για την downstream ροή) είναι 10 Gbps. Συγκεκριμένα, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η downstream ταχύτητα γραμμής είναι ίση με Gbps. 53

54 Το OLT είναι υπεύθυνο για την μετάδοση ενός σταθερού μεγέθους downstream πλαισίου κάθε 125 μs. H διάρκεια του κάθε πλαισίου, πάντα σύμφωνα με την ταχύτητα που προαναφέρθηκε, αντιστοιχεί σε bytes. Ωστόσο, σε αυτά τα bytes, περιλαμβάνεται η κωδικοποίηση (coding) αλλά και οι πληροφορίες ελέγχου. Προκειμένου να υλοποιηθεί σωστά ο συγχρονισμός των bits, στην αρχή του κάθε downstream πλαισίου υπάρχει το Physical Synchronization Block (PSBd). Στη συνέχεια ακολουθεί η επικεφαλίδα XG-PON Transmission Convergence (XGTC), η οποία περιλαμβάνει τις πληροφορίες ελέγχου. Στην ροή καθόδου, το πεδίο PSBd έχει μέγεθος 24 bytes. Το μέγεθος της επικεφαλίδας XGTC είναι μεταβλητό, ανάλογα με τον αριθμό των ONUs που συμμετέχουν στο δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, η XGTC περιλαμβάνει ένα πεδίο HLend το οποίο περιέχει πληροφορίες για το μέγεθος της επικεφαλίδας και έχει σταθερό μέγεθος ίσο με 4 bytes. Επίσης, περιλαμβάνει το πεδίο BWMap, το οποίο περιέχει πληροφορίες για την κατανομή του bandwidth στις διάφορες ONUs και έχει μεταβλητό μέγεθος ίσο με 8 Ν bytes, όπου με Ν συμβολίζεται ο αριθμός των ONUs. Τέλος, η XGTC περιλαμβάνει το πεδίο physical layer OAM messaging (PLOAMd), το οποίο περιέχει μηνύματα ελέγχου που ανταλλάσσει το OLT με τις ONUs και έχει μεταβλητό μέγεθος, ίσο με 48 Μ bytes, όπου με Μ συμβολίζεται ο αριθμός των μηνυμάτων που εμπεριέχονται σε αυτό. Εάν αφαιρέσουμε το πεδίο PSBd (24 bytes), ένα downstream πλαίσιο μεταφέρει bytes, από τα οποία τα είναι parity bytes που χρησιμοποιούνται για ελέγχους. Τα υπόλοιπα bytes χρησιμοποιούνται για την μετάδοση των δεδομένων. Οπότε τελικά, το OLT κατανέμει στις συνδεδεμένες ONUs: Ν 48 Μ bytes ανά downstream πλαίσιο Μοντέλο συστήματος To δίκτυο που προσομοιώθηκε περιλαμβάνει ένα OLT και Ν ONUs. O φόρτος του δικτυού υλοποιήθηκε πρακτικά με τη μορφή πακέτων τα οποία αποθηκεύονται στον buffer του OLT μέχρι να αποσταλούν. Το OLT στέλνει ένα downstream πλαίσιο ανά 125 μs. Για κάθε ONU υπολογίστηκε ως RTT (s) = Απόσταση της ONU απο το OLT (km) Ταχύτητα φωτός (km) H μεταβλητή processing time (pr) συμβολίζει το χρόνο που χρειάζεται ένα πακέτο r προκειμένου να μεταφερθεί από το OLT στην ONU(i) για την οποία προορίζεται (πρακτικά είναι ο χρόνος αποστολής συν το propagation delay) και sr ισχύει: pr = + RTT(i)/ ^9 H μεταβλητή size (sr) συμβολίζει το μέγεθος ενός πακέτου σε bits. H μεταβλητή waiting time (wr) συμβολίζει το συνολικό χρόνο που ένα πακέτο r περιμένει μέσα στον buffer του OLT.. 54

55 3.2.4 SPPT Αυτό το πρωτόκολλο βασίζεται πάνω σε μια συγκεκριμένη μεταβλητή προκειμένου να επιλεχθεί το πακέτο που θα έχει προτεραιότητα, ούτως ώστε να εισέλθει πρώτο στο downstream πλαίσιο. Αυτή η μεταβλητή ονομάζεται reception time (rtr) και συμβολίζει το συνολικό χρόνο που ένα πακέτο r θα παραμένει μέσα στο δίκτυο. Ισχύει ότι rtr = pr + wr. Με βάση και τα παραπάνω, ο αλγόριθμος του SPPT λειτουργεί ως εξής: κάθε 125 μs το OLT ελέγχει όσα πακέτα βρίσκονται προς αποστολή στο buffer του και υπολογίζει το rtr του καθενός. Το πακέτο με το μεγαλύτερο rtr είναι και αυτό που θα ευνοηθεί και θα μπει πρώτο στο downstream πλαίσιο. Το σκεπτικό πίσω από αυτή την επιλογή έχει να κάνει με την διασφάλιση μιας δίκαιης διαδικασίας για την δρομολόγηση των πακέτων από το OLT. H πιο αδύναμη ONU, αυτή δηλαδή που έχει μεγάλο χρόνο αναμονής ή/και βρίσκεται μακριά, ευνοείται έναντι των άλλων ONUs, προκειμένου να διασφαλιστεί η δικαιοσύνη του πρωτοκόλλου. Τέλος, με τον τρόπο αυτό, ελαχιστοποιείται και η πιθανότητα μονοπώλησης του μέσου από μια ONU. Στην παρακάτω Εικόνα 27 παρουσιάζεται ο κώδικας του αλγορίθμου SPPT που υλοποιήθηκε σε C++: 55

56 Εικόνα 27: Αλγόριθμος SPPT SWPPT Και αυτό το πρωτόκολλο (όπως και το SPPT) βασίζεται πάνω σε μια συγκεκριμένη μεταβλητή προκειμένου να επιλεχθεί το πακέτο που θα έχει προτεραιότητα ούτως ώστε να εισέλθει πρώτο στο downstream πλαίσιο. Σε αυτή την περίπτωση όμως η μεταβλητή ονομάζεται weight (Wr) και ουσιαστικά δείχνει τη βαρύτητα του κάθε πακέτου r. Έτσι λοιπόν, δεδομένου ότι η απόσταση μεταξύ του OLT και μιας ONU μπορεί να είναι από 20 μέχρι και 60 χιλιόμετρα, ισχύει ότι: Wr = dr 20, όπου dr είναι η απόσταση της ONU από το OLT Με βάση και τα παραπάνω, ο αλγόριθμος του SWPPT λειτουργεί ως εξής: κάθε 125 μs το OLT ελέγχει όσα πακέτα βρίσκονται προς αποστολή στο buffer του και υπολογίζει το λόγο Wr/ pr του καθενός. Το πακέτο με το μεγαλύτερο Wr/ pr είναι και αυτό που θα ευνοηθεί και θα μπει πρώτο στο downstream πλαίσιο. Σύμφωνα με αυτήν την πολιτική, ευνοούνται οι ONUs με το μεγαλύτερο RTT. 56

57 Στην παρακάτω Εικόνα 28 παρουσιάζεται ο κώδικας του αλγορίθμου SWPPT που υλοποιήθηκε σε C++ [20]: Εικόνα 28: Αλγόριθμος SWPPT 3.3 Ροή ανόδου (upstream) Εισαγωγή Όπως έχει ειπωθεί και σε προηγούμενα κεφάλαια, η αρχιτεκτονική των Παθητικών Οπτικών Δικτύων είναι ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα της χρήσης της οπτικής τεχνολογίας στο τελευταίο μίλι ενός δικτύου (last mile). Η επόμενη γενιά των Παθητικών Οπτικών Δικτύων (Next Generation PONs) υλοποιήθηκε πρόσφατα με στόχο την διεύρυνση των δυνατοτήτων τους. 57

58 Η βασικότερη τεχνολογία των Παθητικών Οπτικών Δικτύων Επόμενης Γενιάς και αντικείμενο της παρούσας εργασίας, είναι τα 10-gigabit-capable δίκτυα ή αλλιώς 10G-PON ή XG-PON. Οι δυνατότητες των συγκεκριμένων δικτύων, έχοντας κατά νου τις τεράστιες ταχύτητες των 10 Gbps, είναι αναρίθμητες. Παρ' όλα αυτά, έχοντας υπόψιν ότι ο αριθμός των χρηστών που συνδέονται σε ένα PON ολοένα και αυξάνεται, η διαδικασία της μεταφοράς των δεδομένων μετά από πολλαπλές αιτήσεις από τη μεριά των χρηστών, γίνεται όλο και πιο πολύπλοκη. Έτσι λοιπόν, για τους λόγους που προαναφέρθηκαν, δημιουργήθηκε ένα προσαρμοστικό και δίκαιο ως προς τη διαχείριση του εύρους ζώνης, πρωτόκολλο, το οποίο ονομάζεται Insistent FAIr STrategy process (IFAISTOS) και υλοποιήθηκε σε αυτή την εργασία. Ουσιαστικά, η δουλεία αυτού του πρωτοκόλλου είναι η αντιμετώπιση των προβλημάτων σταθερότητας στα συστήματα XG-PON όσον αφορά το throughput και την καθυστέρηση. Πιο συγκεκριμένα, το IFAISTOS ενσωματώνει έναν μηχανισμό παρακολούθησης της κυκλοφορίας του δικτύου, με σκοπό την καταγραφή των υπερφορτωμένων ONUs. Επίσης, προσδίδει κάποια βάρη σε κάθε χρήστη και προσπαθεί να ικανοποιήσει πιθανές μεγάλες ανάγκες για εύρος ζώνης χωρίς όμως να επισκιάζει άλλους υποστηριζόμενους χρήστες. Ακόμη, εμποδίζεται η μονοπώληση του μέσου από έναν χρήστη και η κατανομή του εύρους ζώνης γίνεται δίκαιη, ικανοποιώντας όλα τα αιτήματα των χρηστών, ακόμη και όταν κάποιοι από αυτούς πιέζουν επίμονα για περισσότερο bandwidth Γενικές Πληροφορίες Κάποια βασικά στοιχεία του δικτύου τεχνολογίας XG-PON και της upstream ροής που υλοποιήθηκε (σε γλώσσα C++) είναι τα εξής: Η ταχύτητα της upstream ροής είναι ίση με Gbps. Το δίκτυο είναι τοπολογίας δένδρου, point to multipoint και απαρτίζεται από δύο βασικές ενεργητικές συσκευές, το OLT και την/τις ONU/ONUs. Αυτές οι ενεργητικές συσκευές επικοινωνούν μέσω μιας τρίτης παθητικής συσκευής, το splitter. Η παθητική συσκευή (splitter) στην upstream ροή, συνδυάζει πολλαπλές ίνες που προέρχονται από τις ONUs και προορίζονται για το OLT. Σε γενικές γραμμές, το upstream κομμάτι ενός δικτύου XG-PON, υλοποιεί πιο περίπλοκες διαδικασίες σε σχέση με το downstream που περιεγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα. Αρχικά, εδώ κρίνεται απαραίτητη η ύπαρξη μιας πολιτικής συντονισμού, από τη στιγμή που η οπτική ίνα η οποία συνδέει το OLT με το splitter διαμοιράζεται μεταξύ όλων των ONUs. Έτσι, έχοντας κατά νου ότι οι συγκρούσεις σημάτων απαγορεύονται σε αυτό το τμήμα της ίνας, το OLT είναι αποκλειστικά 58

59 υπεύθυνο για την δημιουργία ενός προγράμματος μετάδοσης των δεδομένων και για την κοινοποίησή του σε όλες τις ONUs. Η ενημέρωση της κάθε ONU για αυτό το πρόγραμμα μετάδοσης των δεδομένων, γίνεται μέσω των πληροφοριών ελέγχου που συμπεριλαμβάνονται στο πεδίο BWmap, το οποίο εμπεριέχεται στην επικεφαλίδα που στέλνει το OLT σε όλες τις ONUs. To μέγεθος του κάθε upstream πλαισίου, σύμφωνα πάντα με την ταχύτητα που προαναφέρθηκε, αντιστοιχεί σε bytes. Στην αρχή της κάθε upstream μετάδοσης, η οποία δημιουργείται από τις ONUs, περιλαμβάνεται το πεδίο PSBu το οποίο περιέχει τα πεδία preamble και delimiter. Στη συνέχεια, ακολουθεί η μετάδοση του XGTC το οποίο περιλαμβάνει ένα πεδίο ελέγχου στην αρχή (XGTC header) και το XGTC trailer στο τέλος. Μετά το XGTC header, ακολουθούν οι κατανομές του εύρους ζώνης για κάθε Alloc-ID των ONUs. Επίσης, μια εσωτερική πληροφορία ελέγχου, η οποία ονομάζεται dynamic bandwidth report (DBRu), μεταφέρει σημαντικές πληροφορίες για το bandwidth της αντίστοιχης ONU στο OLT. Πιο συγκεκριμένα, το πεδίο buffer occupancy (BufOcc) περιλαμβάνει το συνολικό μέγεθος της SDU κυκλοφορίας, εκφρασμένη σε λέξεις των τεσσάρων bytes και συγκεντρωμένη από όλα τα buffers που σχετίζονται με τo Alloc-ID. Με άλλα λόγια, το OLT ενημερώνει τις ONUs χρησιμοποιώντας το πεδίο BWmap και αυτές απαντάν, όσον αφορά τις ανάγκες τους για εύρος ζώνης, χρησιμοποιώντας το πεδίο BufOcc. Έτσι λοιπόν, όπως γίνεται αντιληπτό και από τα παραπάνω, είναι απαραίτητη μια συγκεκριμένη πολιτική κατανομής του εύρους ζώνης, προκειμένου να εξυπηρετηθούν οι πολλαπλές ONUs. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές των XG-GPON, σε κάθε ONU χορηγείται ένα τμήμα του εγγυημένου εύρους ζώνης (guaranteed bandwidth) και ένα τμήμα της best-effort κυκλοφορίας. Ειδικότερα, σε κάθε ONU χορηγείται ένα τμήμα του guaranteed bandwidth το οποίο περιλαμβάνει τρεις παραμέτρους κατανομής: 1. Το fixed bandwidth (Rf), το οποίο δίνεται σε όλες τις ONUs, ανεξάρτητα από τις απαιτήσεις τους σε εύρος ζώνης. 2. Το assured bandwidth (Ra), το οποίο δίνεται στις ONUs οι οποίες έχουν ανικανοποίητες ανάγκες για bandwidth. 3. Το maximum bandwidth (Rm), το οποίο αντιπροσωπεύει το ανώτατο όριο του συνολικού (guaranteed) εύρους ζώνης. Πέρα από το guaranteed bandwidth, το εναπομείναν εύρος ζώνης διαμοιράζεται στις ONUs οι οποίες εξακολουθούν να έχουν ανικανοποίητες ανάγκες για εύρος ζώνης. Σε αυτό το σημείο αναλαμβάνει δράση το πρωτόκολλο IFAISTOS το οποίο και καθορίζει την ακριβή διαδικασία κατανομής του εύρους ζώνης στις ανικανοποίητες ONUs. 59

60 3.3.3 IFAISTOS Στόχοι του πρωτοκόλλου Οι στόχοι, για την επίτευξη των οποίων δημιουργήθηκε το πρωτόκολλο IFAISTOS, παρουσιάζονται παρακάτω: Αποτροπή μονοπώλησης του εύρους ζώνης από μία ONU. Οι υπερφορτωμένες ONUs δεν θα πρέπει να μονοπωλούν το διαθέσιμο εύρος ζώνης των upstream μεταδόσεων. Ωστόσο, επιτρέπεται να τυγχάνουν ειδικής μεταχείρισης, εφόσον δεν βλάπτουν τις υπόλοιπες ONUs. Ανάθεση του εύρους ζώνης με βάση τις πραγματικές ανάγκες της κάθε ONU. Η πολιτική κατανομής του εύρους ζώνης θα πρέπει να είναι σε θέση να αντιλαμβάνεται τις ιδιαίτερες ανάγκες της κάθε ONU, δημιουργώντας ένα δυναμικό, ισορροπημένο και δίκαιο χρονοδιάγραμμα. Η δικαιοσύνη θα πρέπει να είναι εξασφαλισμένη για όλους τους χρήστες. Ο τρόπος για τη διασφάλιση μιας δίκαιης κατανομής του εύρους ζώνης θα πρέπει να είναι επαρκής κατά τέτοιο τρόπο ώστε όλες οι ONUs να λαμβάνουν αναλογικά ίσο εύρος ζώνης σε αναλογικά ίσο χρόνο αναμονής. Η απόδοση του δικτύου θα πρέπει τουλάχιστον να παραμείνει στα ίδια επίπεδα εάν δεν επιτευχθεί κάποια βελτίωση. Είναι προφανές ότι μια εξελιγμένη, προσαρμοστική και ευέλικτη μέθοδος είναι απαραίτητο να υλοποιηθεί, προκειμένου να επιτευχθεί τόσο η δικαιοσύνη όσο και η αποτελεσματικότητα της upstream ροής. Γι αυτό το λόγο, το πρωτόκολλο IFAISTOS βασίζεται πάνω σε μανθάνοντα αυτόματα. Με άλλα λόγια, η απόδοση του OLT βελτιώνεται με τη χρήση ενός μανθάνοντος αυτομάτου, το οποίο προσφέρει στο OLT την απαραίτητη νοημοσύνη προκειμένου να κάνει πιο σωστή και πιο δίκαιη διαχείριση του εύρους ζώνης Φάσεις του πρωτοκόλλου Το πρωτόκολλο IFAISTOS μπορεί να διαχωριστεί σε πέντε φάσεις (Εικόνα 29) και οι λειτουργίες του επαναλαμβάνονται περιοδικά κάθε 125 μs: 1. Guaranteed Bandwidth Phase 2. Clustering Phase 3. Weight Determination Phase 4. Monopolization Prevention Phase 5. Non-Guaranteed Bandwidth Phase 60

61 Guaranteed Bandwidth Phase Ανάθεση του Guaranteed Bandwidth στις ONUs Υπολογισμός του εύρους ζώνης που απομένει Clustering Phase Ενημέρωση του προφίλ της κάθε ONU (Bandwidth Utilization Profile - BUP) Διαχωρισμός των ONUs σε υπερφορτωμένες και μη-φορτωμένες Weight Determination Phase Ενημέρωση του συντελεστή βαρύτητας για κάθε ONU Monopolization Prevention Phase Παρακολούθηση των υπερφορτωμένων ONUs για τυχόν μονοπώληση του εύρους ζώνης Non-Guaranteed Bandwidth Phase Εφαρμογή του αλγορίθμου για την κατανομή του Non-Guaranteed Bandwidth Εικόνα 29: Οι πέντε φάσεις του IFAISTOS 1. Guaranteed Bandwidth Phase Σε αυτή την φάση, αρχικά το OLT διαμοιράζει σε όλες τις ONUs το Rf, ανεξάρτητα από τις ανάγκες τις κάθε μίας. Στη συνέχεια, πάλι το OLT αναζητά τις ONUs οι οποίες έχουν ανικανοποίητες ανάγκες σε bandwidth (που δεν τους έφτασε δηλαδή το Rf) και τις ικανοποιεί εφόσον οι ανάγκες τους δεν ξεπερνάν το άθροισμα (Rf + Ra). Με άλλα λόγια, εάν οι απαιτήσεις μιας ONU σε εύρος ζώνης είναι <= Rf + Ra τότε σε αυτή τη φάση ικανοποιείται πλήρως. Αντίθετα, εάν οι ανάγκες της είναι > Rf + Ra τότε σε αυτή την φάση θα της δοθεί bandwidth ίσο με Rf + Ra. Τέλος, το OLT βρίσκει τις ONUs οι οποίες ακόμα έχουν ανικανοποίητες ανάγκες σε bandwidth (δηλαδή ανάγκες > Rf + Ra) και υπολογίζει το εύρος ζώνης που έχει απομείνει ανεκμετάλλευτο. Εάν αυτό φτάνει ούτως ώστε να ικανοποιηθούν πλήρως όλες οι ONUs, τότε το OLT τις ικανοποιεί και τελειώνει ο συγκεκριμένος κύκλος 61

62 ανάθεσης εύρους ζώνης. Σε αντίθετη περίπτωση, το πρωτόκολλο προχωράει στη φάση δύο (Clustering Phase). 2. Clustering Phase Σε αυτή τη φάση, αρχικά το OLT υπολογίζει το Bandwidth Utilization Profile (BUP) για την κάθε ONU. Ισχύει ότι BUP = Requested Bandwidth Allocated Bandwidth. Με άλλα λόγια το BUP της κάθε ONU είναι ίσο με το συνολικό εύρος ζώνης που έχει ζητήσει η ίδια από το OLT, προς το συνολικό εύρος ζώνης που της έχει δοθεί από το OLT. Στη συνέχεια υπολογίζεται το μέσο BUP όλων των ONUs (ABU), με σκοπό να χρησιμοποιηθεί ως παράγοντας ισορροπίας για τον διαχωρισμό τους. Έτσι, οι ONUs οι οποίες έχουν BUP μεγαλύτερο του ABU (και άρα ζητάνε παραπάνω bandwidth από όσο τους δίνεται) κατατάσσονται στην κατηγορία των υπερφορτωμένων ONUs. Αντίθετα οι ONUs των οποίων το BUP είναι μικρότερο του ABU (και άρα δεν ζητάνε παραπάνω bandwidth από όσο τους δίνεται) κατατάσσονται στην κατηγορία των μηφορτωμένων ONUs. Σε αυτό το σημείο τελειώνει η δεύτερη φάση και το IFAISTOS προχωράει στην επόμενη φάση τρία (Weight Determination Phase). 3. Weight Determination Phase Σε αυτή τη φάση, το OLT προσδίδει έναν συντελεστή βαρύτητας (w) σε κάθε ONU. Αρχικά, σε όλες τις ONUs προσδίδεται ο ίδιος συντελεστής, για τον οποίο και ισχύει: w = 1, όπου Ν είναι ο αριθμός των ONUs. N Στη συνέχεια, το OLT αναλαμβάνει να ενημερώσει όλους τους συντελεστές βαρύτητας ανάλογα με την κατηγορία στην οποία ανήκει η κάθε ONU. Ειδικότερα, ο συντελεστής των μη-φορτωμένων ONUs μειώνεται (έστω στον κύκλο y + 1) και γίνεται ίσος με: w(y + 1) = w(y) L(w(y) a), όπου το L αντιπροσωπεύει τον παράγοντα updating impact και το α είναι ένας πολύ μικρός αριθμός που κρατά κάθε βάρος μεγαλύτερο από το μηδέν. Έπειτα, το συνολικό ποσό που αφαιρέθηκε από τους συντελεστές των μηφορτωμένων ONUs (έστω SW), πρέπει να προστεθεί στους συντελεστές των υπερφορτωμένων ONUs. Έτσι λοιπόν, οι συντελεστές όλων των υπερφορτωμένων ONUs θα αυξηθούν (έστω πάλι στον κύκλο y + 1) και θα γίνουν ίσοι με: w(y + 1) = w(y) + SW(y) q(y), όπου το q(y) είναι ο παράγοντας που καθορίζει την αύξηση που θα έχει ο συντελεστής βαρύτητας της κάθε υπερφορτωμένης ONU και είναι ίσος με: q(y) = w(y) άθροισμα όλων των συντελεστών βαρύτητας των υπερφορτωμένων ONUs. Εδώ τερματίζεται η τρίτη φάση του πρωτοκόλλου και προχωράμε στην τέταρτη (Monopolization Prevention Phase). 62

63 4. Monopolization Prevention Phase Σε αυτή τη φάση, το OLT προσπαθεί να μειώσει όσο το δυνατόν περισσότερο την πιθανότητα μια υπερφορτωμένη ONU να ζητάει συνέχεια όλο και περισσότερο bandwidth. Κάτι τέτοιο, αναμφίβολα θα συνέβαινε εάν ο συντελεστής βαρύτητας της ONU αυξανόταν διαρκώς. Για το σκοπό αυτό, το IFAISTOS υλοποιεί έναν μηχανισμό πρόληψης σε κάθε ONU που ανήκει στην υπερφορτωμένη ομάδα. Συγκεκριμένα, ορίζεται μια πιθανότητα ίση με το w(y) για κάθε υπερφορτωμένη ONU. Αυτή η πιθανότητα υποχρεώνει τη συγκεκριμένη ONU να επιστρέψει στην αρχική της κατάσταση, όπου και συνεπάγεται ότι w(y) = 1. Έτσι, γίνεται εύκολα N αντιληπτό πως όσο μεγαλύτερο είναι το w(y) μιας ONU, τόσο μεγαλύτερη είναι και η πιθανότητα επιστροφής της στην αρχική κατάσταση. Εάν συμβεί κάτι τέτοιο, το ποσό που αφαιρέθηκε από τον συντελεστή βαρύτητας της συγκεκριμένης ONU διαμοιράζεται στις υπόλοιπες. Σε αυτό το σημείο τελειώνει και η τέταρτη φάση του πρωτοκόλλου και περνάμε στην πέμπτη και τελευταία (Non-Guaranteed Bandwidth Phase). 5. Non-Guaranteed Bandwidth Phase Σε αυτή την τελευταία φάση, γίνεται ο διαμοιρασμός του εύρους ζώνης που έχει μείνει ανεκμετάλλευτο, το οποίο και υπολογίστηκε στην πρώτη φάση, σε συνάρτηση με τους συντελεστές βαρύτητας που υπολογίστηκαν στην τρίτη φάση. Συγκεκριμένα το εύρος ζώνης που θα δοθεί σε κάθε ONU (έστω R(y)) είναι ίσο με: R(y) = w(y) εύρος ζώνης που έχει μείνει ανεκμετάλλευτο. Τέλος, σε περίπτωση όπου σε μια ONU δοθεί παραπάνω bandwidth σε σχέση με τις ανικανοποίητες ανάγκες της (δηλαδή R(y) > ανάγκες), τότε το επιπλέον εύρος ζώνης διαμοιράζεται στις επόμενες ONUs [21]. 63

64 4. Συγκριτική Απόδοση και Αποτελέσματα Στο κεφάλαιο αυτό, αρχικά περιγράφονται αναλυτικά οι αρχές σχεδίασης του προσομοιωτή, το περιβάλλον ανάπτυξης και όλα τα αρχεία που δημιουργήθηκαν προκειμένου να τρέξουν σωστά οι προσομοιώσεις. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα πειράματα που διεξήχθησαν με τη βοήθεια του προσομοιωτή, όπως επίσης και τα αποτελέσματά τους, τα οποία παρουσιάζονται με τη μορφή γράφων. Τέλος, αναλύονται τα συμπεράσματα στα οποία καταλήγουμε με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα. 4.1 Περιβάλλον ανάπτυξης του προσομοιωτή Ο προσομοιωτής που σχεδιάστηκε στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας, αναπτύχθηκε στο περιβάλλον της OMNeT++ (έκδοση 4.6) Η OMNeT++ αποτελεί ένα open-source, αντικειμενοστραφές πρόγραμμα προσομοίωσης διακριτών γεγονότων, το οποίο βασίζεται σε δομοστοιχεία (modules) και έχει πολύ ισχυρό γραφικό περιβάλλον. Αρχικά αναπτύχθηκε από τον András Varga και ο βασικός τομέας εφαρμογής της είναι η προσομοίωση των επικοινωνιακών δικτύων. Επίσης, λόγω της γενικής και μη αυστηρής αρχιτεκτονικής της, έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς και σε άλλες ερευνητικές περιοχές, όπως στην προσομοίωση πολύπλοκων IT συστημάτων, στην υλοποίηση δικτύων αναμονής με ουρές και στην προσομοίωση φωτονικών δικτυών. Επίσης, ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήματά είναι η εξαιρετική τεκμηρίωσή της (documentation). Η OMNeT++ παρέχει μια αρχιτεκτονική βασισμένη σε modules για τα μοντέλα της. Τα modules αυτά γράφονται σε γλώσσα C++ και μετά συγκεντρώνονται σε μεγαλύτερα κατασκευαστικά στοιχεία και μοντέλα, που χρησιμοποιούν μια γλώσσα υψηλού επιπέδου (NED). Η χρήση αυτών των μοντέλων είναι εντελώς δωρεάν. Επίσης, η OMNeT++ παρέχει εκτεταμένη υποστήριξη ενός γραφικού περιβάλλοντος χρήστη (Graphical User Interface, GUI) και λόγω της ευέλικτης αρχιτεκτονική της, ο πυρήνας προσομοίωσης (και τα μοντέλα) μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα στις διάφορες εφαρμογές. Παρόλο που η OMNeT++ δεν είναι η ίδια ένας προσομοιωτής δικτύου, επί του παρόντος κερδίζει έδαφος σε δημοτικότητα ως μια πλατφόρμα προσομοίωσης δικτύου, τόσο στην επιστημονική κοινότητα όσο και στον βιομηχανικό τομέα, δημιουργώντας έτσι μια μεγάλη κοινότητα χρηστών. Δομικά στοιχεία της OMNeT++: Βιβλιοθήκη πυρήνα προσομοίωσης. Χρήση αρχείων NED για την περιγραφή της τοπολογίας των μοντέλων. 64

65 Ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης, βασισμένο στην πλατφόρμα Eclipse. Γραφικό περιβάλλον χρήστη, το οποίο συνδέεται με το εκτελέσιμο αρχείο προσομοίωσης Tkenv. Διεπαφή χρήστη με γραμμή εντολών για την εκτέλεση των προσομοιώσεων (Cmdenv). Διάφορα χρήσιμα εργαλεία (makefile, creation tool κ.ά.), Έγγραφα βοηθείας, παραδείγματα προσομοιώσεων κ.ά. Πλατφόρμες στις οποίες μπορεί να τρέξει η OMNeT++: Windows Linux Mac OS X Άλλα συστήματα που βασίζονται σε Unix Πλατφόρμες στις οποίες υποστηρίζεται το ολοκληρωμένο περιβάλλον της OMNeT++: Windows Linux Mac OS X Στην παρακάτω Εικόνα 30 παρουσιάζεται το ολοκληρωμένο περιβάλλον της OMNeT++ [22]: 65

66 Εικόνα 30: Το περιβάλλον της OMNeT Αρχές σχεδίασης του προσομοιωτή Οι βασικές αρχές, πάνω στις οποίες στηρίχθηκε η ανάπτυξη και η σχεδίαση του παρόντος προσομοιωτή, είναι: Το G-PON specification της ITU-T (έκδοση G.984.1, 2003), στο οποίο περιγράφονται αναλυτικά όλες οι λειτουργίες, οι ρυθμίσεις και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των δικτύων G-PON και XG-PON. Οι δύο εργασίες Towards a Fair and Efficient Downlink Bandwidth Distribution in XG-PON Frameworks και IFAISTOS: A Fair and Flexible Resource Allocation Policy for Next-Generation Passive Optical Networks, στις οποίες περιγράφονται αναλυτικά τα πρωτόκολλα που υλοποιήθηκαν για τις ροές downstream και upstream. Το γεγονός ότι ο βαθμός στον οποίο μπορεί να παραμετροποιηθεί ο προσομοιωτής, θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερος. 66

67 4.2.1 Αρχές σχεδίασης της downstream ροής Παρακάτω παρουσιάζονται οι βασικές αρχές πάνω στις οποίες στηρίχθηκε η υλοποίηση της downstream ροής του δικτύου και ο σχεδιασμός των πρωτοκόλλων SPPT και SWPPT: Η γλώσσα προγραμματισμού που χρησιμοποιήθηκε είναι η C++. Ο αριθμός των ONUs είναι μεταβλητός και κυμαίνεται από 6 μέχρι 32, ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε προσομοίωσης. Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων είναι ίσος με Gbps. Το μέγεθος των πακέτων είναι τυχαίο και κυμαίνεται από 64 μέχρι 1518 bytes (Ethernet). To μέγεθος του buffer στο OLT είναι ιδιαίτερα μεγάλο (συγκεκριμένα χωράει πακέτα), προκειμένου να διασφαλιστεί πως δεν θα γίνει drop κανένα πακέτο. Το μέγεθος του downstream πλαισίου είναι ίσο με bytes. Ένα downstream πλαίσιο στέλνεται κάθε 125 μs. Εάν με την προσθήκη του τελευταίου πακέτου στο κάθε πλαίσιο, αυτό ξεπεράσει το επιτρεπόμενο όριο μεγέθους του, τότε γίνεται κατάτμηση του πακέτου αυτού, ούτως ώστε να χωρέσει στο πλαίσιο. Το κομμάτι του πακέτου που δεν χωρούσε στο αρχικό πλαίσιο, στέλνεται αμέσως μετά με το επόμενο. Ο χρόνος δημιουργίας των πακέτων προς αποστολή ακολουθεί εκθετική κατανομή (exponential distribution). H απόσταση των ONUs από το OLT κυμαίνεται από 20 μέχρι 60 km και είναι ίση με ONU_ID Η ONU για την οποία προορίζεται ένα πακέτο επιλέγεται τυχαία. O αριθμός των PLOAMd μηνυμάτων που περιέχονται μέσα στο πεδίο XGTC είναι τυχαίος και κυμαίνεται από 0 μέχρι 10 για κάθε downstream πλαίσιο. Για κάθε ONU υπολογίστηκε ως RTT (s) = Απόσταση της ONU απο το OLT (km) Ταχύτητα φωτός (km) Αρχές σχεδίασης της upstream ροής Παρακάτω παρουσιάζονται οι βασικές αρχές πάνω στις οποίες στηρίχθηκε η υλοποίηση της upstream ροής του δικτύου και ο σχεδιασμός του πρωτοκόλλου IFAISTOS: Η γλώσσα προγραμματισμού που χρησιμοποιήθηκε είναι η C++. Ο αριθμός των ONUs είναι μεταβλητός και κυμαίνεται από 2 μέχρι 30, ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε προσομοίωσης. 67

68 Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων είναι ίσος με Gbps. To μέγεθος του buffer τόσο στο OLT όσο και στις ONUs είναι ιδιαίτερα μεγάλο (συγκεκριμένα χωράει πακέτα), προκειμένου να διασφαλιστεί πως δεν θα γίνει drop κανένα πακέτο. Το μέγεθος του upstream πλαισίου είναι ίσο με bytes, τα οποία διαμοιράζονται στις ONUs με βάση της ανάγκες τους σε εύρος ζώνης. Κάθε ONU στέλνει ένα upstream πλαίσιο ανά 125 μs. Εάν με την προσθήκη του τελευταίου πακέτου στο κάθε πλαίσιο, αυτό ξεπεράσει το επιτρεπόμενο όριο μεγέθους του, τότε γίνεται κατάτμηση του πακέτου αυτού, ούτως ώστε να χωρέσει στο πλαίσιο. Το κομμάτι του πακέτου που δεν χωρούσε στο αρχικό πλαίσιο, στέλνεται αμέσως μετά με το επόμενο. H απόσταση των ONUs από το OLT κυμαίνεται από 30 μέχρι 60 km και είναι ίση με ONU_ID Ο φόρτος των ONUs αποτελείται συνολικά από τέσσερα διαφορετικά streams δεδομένων: VoIP, Real Media Streaming, Live Stream και Background Load. To μέγεθος των πακέτων VoIP, Real Media Streaming και Live Stream, έχει εισαχθεί από εξωτερικά αρχεία τα οποία περιλαμβάνουν αποτελέσματα πραγματικής διαδικτυακής κίνησης (real traces). Το μέγεθος των πακέτων του Background Load είναι τυχαίο και κυμαίνεται από 64 μέχρι 1518 bytes (Ethernet). Ο χρόνος δημιουργίας των πακέτων VoIP, Real Media Streaming και Live Stream προς αποστολή, έχει εισαχθεί από εξωτερικά αρχεία τα οποία περιλαμβάνουν αποτελέσματα πραγματικής διαδικτυακής κίνησης (real traces). Ο χρόνος δημιουργίας των πακέτων του Background Load προς αποστολή είναι της μορφής CBR (constant bit rate). Ισχύει ότι: Background Rate = 0.1 ONU_ID Background Load Parameter Mbps Το Background Load Parameter είναι μεταβλητό και κυμαίνεται από 0.5 μέχρι 1.5, ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε προσομοίωσης (default = 1). Fixed bandwidth (Rf) = 250 bytes για κάθε ONU. Assured bandwidth (Ra) = 500 bytes για κάθε ONU. Maximum guaranteed bandwidth = 750 bytes για κάθε ONU. Updating impact (L) = 0.1. Η παράμετρος a = Για κάθε ONU υπολογίστηκε ως RTT (s) = Απόσταση της ONU απο το OLT (km) Ταχύτητα φωτός (km) Στην παρακάτω Εικόνα 31 παρουσιάζεται το περιβάλλον της OMNeT++ την ώρα που τρέχει μία προσομοίωση. 68

69 Εικόνα 31: Εκτέλεση προσομοίωσης στην OMNeT Αρχεία προσομοίωσης Τα αρχεία τα οποία δημιουργήθηκαν και είναι απαραίτητα για τη σωστή ανάπτυξη και λειτουργία του προσομοιωτή, σχεδιάστηκαν με βάση τις κύριες οντότητες των Παθητικών Οπτικών Δικτύων (OLT, ONU και Splitter). Στόχος τους είναι η ευκολότερη περιγραφή του δικτύου XG-PON με κώδικα C++. Αυτά τα αρχεία είναι τα εξής: XGPON.ned Περιλαμβάνει τη γραφική απεικόνιση του δικτύου και τον ορισμό των βασικών οντοτήτων του (OLT, ONU και Splitter), τον ορισμό των δύο διαφορετικών καναλιών (downstream και upstream), καθώς και τον ορισμό των συνδέσεων ανάμεσα στα OLT Splitter και Splitter ONUs (Εικόνα 32). 69

70 Εικόνα 32: Το αρχείο XGPON.ned omnetpp.ini Δημιουργείται αυτόματα από την OMNeT++ και σε αυτό δηλώνεται το δίκτυο που θα προσομοιωθεί. Επίσης, εμπεριέχει διάφορες εντολές που μπορεί να σχετίζονται με το χρονικό όριο της προσομοίωσης, τις ενέργειες του προγράμματος σε περίπτωση που υπάρξουν σφάλματα κατά την εκτέλεση κλπ. Τέλος, εδώ δηλώνεται και το propagation delay που έχει η κάθε ONU (Εικόνα 33). 70

71 Εικόνα 33: Το αρχείο omnetpp.ini OLT.h και OLT.cc: Περιλαμβάνουν την κλάση του τερματικού OLT και τις συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία του (Εικόνα 34). Οι συναρτήσεις αυτές είναι: initialize(); handlemessage(cmessage *msg); generatepacket(); generateframe(cpacketqueue *queue); generateheader(cpacketqueue *queue); defragmentation(cpacketqueue *queue); forwardframe(downframe *frm); finish(); 71

72 Εικόνα 34: Το αρχείο OLT.h Splitter.h και Splitter.cc: Περιλαμβάνουν την κλάση του Splitter και τις συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία του (Εικόνα 35). Οι συναρτήσεις αυτές είναι: initialize(); handlemessage(cmessage *msg); finish(); 72

73 Εικόνα 35: Το αρχείο Splitter.h ONU.h και ONU.cc: Περιλαμβάνουν την κλάση της μονάδας ONU και τις συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία της (Εικόνα 36). Οι συναρτήσεις αυτές είναι: initialize(); handlemessage(cmessage *msg); generatebackgroundloadpacket(); generatevoippacket(); generaterealmediastreamingpacket(); generatelivestreampacket(); generatequeue(cpacketqueue *queue, int size); generateheader(cpacketqueue *queue); forwardframe(upframe *frm); defragmentation(cpacketqueue *queue, int limit); finish(); 73

74 Εικόνα 36: Το αρχείο ONU.h Packet.msg Περιλαμβάνει την κλάση των πακέτων που χρησιμοποιούνται στο δίκτυο. Σ αυτή ορίζονται διάφορα πεδία όπως η πηγή και ο προορισμός του πακέτου, o χρόνος δημιουργίας του κ.α. (Εικόνα 37). 74

75 Εικόνα 37: Το αρχείο Packet.msg DownstreamFrame.msg Περιλαμβάνει την κλάση του downstream πλαισίου που χρησιμοποιείται στο δίκτυο. Σ αυτή ορίζεται η ουρά που υλοποιείται μέσα στο πλαίσιο και ένα πεδίο με το μέγεθός του (Εικόνα 38). Εικόνα 38: Το αρχείο DownstreamFrame.msg 75

76 UpstreamFrame.msg Περιλαμβάνει την κλάση του upstream πλαισίου που χρησιμοποιείται στο δίκτυο. Σ αυτή ορίζεται η ουρά που υλοποιείται μέσα στο πλαίσιο (Εικόνα 39). Εικόνα 39:Το αρχείο UpstreamFrame.msg Real traces Τα δεδομένα που εμπεριέχουν τα συγκεκριμένα αρχεία, είναι αποτέλεσμα πραγματικής διαδικτυακής κίνησης και χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αναπαραστήσουν το μέγεθος των upstream πακέτων, αλλά και τον χρόνο άφιξης του καθενός. Συγκεκριμένα τα αρχεία που χρησιμοποιήθηκαν είναι: VoipSize.txt και VoipTime.txt RealMediaStreamingSize.txt και RealMediaStreamingTime.txt LiveStreamSize.txt και LiveStreamTime.txt 4.4 Αποτελέσματα προσομοίωσης Σε αυτή την ενότητα, παρουσιάζονται τα αποτελέσματά που εξήχθησαν από τις προσομοιώσεις που εκτελέστηκαν, με τη μορφή γράφων. Επίσης, παρατίθενται μερικές λεπτομέρειες σχετικά με την εξαγωγή των αποτελεσμάτων και κάποια συμπεράσματα στα οποία οδηγούμαστε βασιζόμενοι σε αυτά. Ο χρόνος για τον οποίο εκτελέστηκαν όλες οι προσομοιώσεις ισούται με 60 seconds (simulation time). 76