«ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ IP OVER WDM»

Transcript

1 ΠΤΥΧΙΑΚΗ/ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ IP OVER WDM» (Energy-Minimized Design for IP over WDM networks) ΤΣΙΤΣΙΑ ΕΥΑΓΓΕΛΙΑ ΑΕΜ:2209 ΕΠΙΒΛΕΠΟΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015

2 2

3 3 Ευχαριστίες Πριν την παρουσίαση των αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας, αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω ορισμένους από τους ανθρώπους που γνώρισα, συνεργάστηκα και έπαιξαν πολύ σημαντικό ρόλο στην πραγματοποίηση της. Θα ήθελα καταρχάς να εκφράσω τις ευχαριστίες και την ευγνωμοσύνη μου στον επιβλέποντα καθηγητή κ. Παπαδημητρίου Γεώργιο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε σε όλη την διαδικασία εκπόνησης της εργασίας, από την ανάθεση μέχρι την ολοκλήρωση της. Καθώς και για την ενθάρρυνση και την καθοδήγηση του. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω και στην υποψήφια διδάκτορα, Μπελετσιώτη Γεωργία, για την άψογη συνεργασία που είχαμε, τη στήριξη, την υπομονή και την πολύτιμη βοήθεια της. Τσιτσία Ευαγγελία, Θεσσαλονίκη 2015

4 4 Περίληψη Τα τελευταία χρόνια, παράλληλα με την ταχύτατη επέκταση του διαδικτύου έχει σημειωθεί μεγάλη αύξηση του αριθμού των χρηστών και κατ επέκταση του εύρους ζώνης που αυτοί απαιτούν. Προκειμένου να εξυπηρετηθεί αυτή η αυξανόμενη ανάγκη για εύρος ζώνης στο επίκεντρο βρέθηκαν τα οπτικά δίκτυα. Για το λόγο αυτό στην παρούσα μελέτη περιγράφονται οι βασικές αρχές λειτουργίας τους και τα στοιχεία που τα αποτελούν. Επίσης, αναλύεται η πολυεπίπεδη αρχιτεκτονική τους. Ωστόσο, παρά τα πλεονεκτήματα των οπτικών δικτύων λαμβάνοντας υπόψη ότι το διαδίκτυο ήδη καταναλώνει ένα μη αμελητέο ποσοστό της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στον πλανήτη, προβάλλει επιτακτική η ανάγκη για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Η παρούσα μελέτη, λοιπόν, επικεντρώνεται στην εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα δίκτυο IP over WDM. Συγκεκριμένα γίνεται προσπάθεια να ελαχιστοποιηθεί ο αριθμός των transponders, που φαίνεται να καταναλώνουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του δικτύου. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού προτείνονται τρεις αρχιτεκτονικές δικτύου που μπορούν να υλοποιήσουν τη μετάδοση IP πακέτων πάνω από οπτικές ίνες μέσω της τεχνικής πολύπλεξης WDM. Αυτές είναι η direct bypass, η non bypass και η multi-hop bypass. Οι αρχιτεκτονικές direct bypass και multi-hop bypass εφαρμόζουν τη στρατηγική lightpath bypass, η οποία, όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, μπορεί να προσφέρει έως 45% εξοικονόμηση ενέργειας. Λέξεις κλειδιά: IP over WDM, ενεργειακά αποδοτικά δίκτυα, κατανάλωση ενέργειας, direct bypass, non bypass, multi-hop bypass.

5 5 Abstract Nowadays, as the Internet has become more accessible, not only the number of its users had increased but also their demand for extra bandwidth. Optical networks have become the focal point in order to serve this need for extra bandwidth. As a result, an extensive part of this thesis has been dedicated to the description of optical networks and to its importance in future networks. However, in spite of its advantages optical networks have to solve the problem of high energy consumption. So the present research concentrates on minimizing the energy consumption of an IP over WDM network. For this reason three different architectures are proposed: direct bypass, nonbypass and multi-hop bypass. These architectures have been simulated. The simulation results indicate that the proposed energy-minimized design can significantly reduce energy consumption of the IP over WDM network, ranging from 25% up to 45%. Key words: IP over WDM, energy-efficient network, energy consumption, direct bypass, non-bypass, multi-hop bypass

6 Ευχαριστίες... 3 Περίληψη... 4 Abstract... 5 Πίνακας σχημάτων... 8 Πίνακας γραφημάτων Εισαγωγή Βασικές αρχές δικτύων Πολύπλεξη Πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου Στατιστική πολύπλεξη Πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας Πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος Πολύπλεξη με διαίρεση κώδικα Μορφές κωδικοποίησης Ιστορική εξέλιξη των οπτικών δικτύων Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς Οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς WDM Δίκτυα συνδέσμων σημείου-προς-σημείο (WDM Point-to-Point Systems) WDM Δίκτυα εκπομπής και επιλογής (WDM Broadcast and Select Systems) WDM Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος (WDM Wavelength-Routing Networks) WDM Παθητικά οπτικά δίκτυα (WDM Passive Optical Networks) Οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου (Optical Burst Switching) Απαραίτητες τεχνολογίες για οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς Οπτικές ίνες Πλεονεκτήματα της οπτικής ίνας ως μέσο μετάδοσης Οπτικοί πομποί Φωτοανιχνευτές Οπτικά φίλτρα Οπτικοί ενισχυτές Ενισχυτές ίνας με προσμίξεις ερβίου (Erbium Doped Fiber Amplifiers) Μετατροπείς μήκους κύματος Τερματικά οπτικής γραμμής (Optical Line Terminals)

7 7 4.8.Οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/απομάστευσης (Optical Add-Drop Multiplexers) Οπτικές διασυνδέσεις (Optical cross-connect) Αρχιτεκτονική τηλεπικοινωνιακών δικτύων Internet Protocol (IP) Asynchronous Transfer Mode (ATM) Synchronous Optical Network (SONET)/ Synchronous Digital Hierarchy (SDH) IP over ATM over SONET/SDH over WDM IP over SONET/SDH over WDM IP over WDM Σύγκριση IP over WDM και IP over SONET/SDH over WDM τεχνολογίας Εξοικονόμηση ενέργειας στα οπτικά δίκτυα Εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα δίκτυο IP over WDM Μοντέλο εξοικονόμησης ενέργειας Μαθηματικό μοντέλο Προσομοίωση Direct Bypass Non Bypass Multi-hop Bypass Αποτελέσματα Προσομοίωσης Συμπεράσματα Βιβλιογραφία... 74

8 8 Πίνακας σχημάτων Σχήμα 2.1 Γενικευμένη μορφή πολύπλεξης και αποπολύπλεξης Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου Σχήμα Στατιστική πολύπλεξη Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση κώδικα Σχήμα 3.2 Κατηγορίες οπτικών δικτύων Σχήμα WDM σύνδεσμος από σημείο σε σημείο Σχήμα Παθητικός αστέρας 4x Σχήμα Σχήμα Αρχιτεκτονική ενός παθητικού οπτικού δικτύου Σχήμα 4.1 Δομή οπτικής ίνας Σχήμα Δίκτυα WDM (α) χωρίς και (β) με μετατροπή μήκους κύματος Σχήμα 4.8 WDM δίκτυο χωρίς (α) και (β) με τη χρήση OADMs Σχήμα 5 Αριστερά: IP over ATM over SONET/SDH over WDM, κέντρο: IP over SONET/SDH over WDM, δεξιά: IP over WDM Σχήμα IP over ATM over SONET/SDH over WDM Σχήμα 5.5 Ενθυλάκωση πακέτου IP σε πλαίσιο SONET/SDH Σχήμα 5.6 IP over WDM Σχήμα 5.7 Σύγκριση IP over WDM και IP over SONET/SDH over WDM Σχήμα Αρχιτεκτονική ενός οπτικού δικτύου IP over WDM Σχήμα Non-Bypass Σχήμα Direct bypass Σχήμα Multi-hop bypass Σχήμα 7.1 Δίκτυο n6s Σχήμα 6.2 Δίκτυο NSFNET Σχήμα 7.3 USNET Σχήμα 7.4 7Αναπαράσταση του δικτύου n6s8 σε μορφή txt

9 9 Πίνακας γραφημάτων Γράφημα Δίκτυο n6s Γράφημα Δίκτυο NSFNET Γράφημα Δίκτυο USNET Γράφημα Γράφημα Γράφημα

10 10 1.Εισαγωγή Η ραγδαία και ασταμάτητη εξάπλωση του διαδικτύου, ακόμη και αν θεωρηθεί απλώς σαν μια αύξηση του αριθμού των χρηστών, αποτελεί μια από τις κυριότερες αιτίες της διαρκώς αυξανόμενης συνολικής ζήτησης για χωρητικότητα του δικτύου. Παράλληλα, όμως, το εύρος ζώνης που απαιτείται ξεχωριστά από κάθε χρήστη έχει επίσης σημειώσει δραματική αύξηση. Σύμφωνα με αναφορά του Cisco Visual Networking Index αναμένεται ότι ο μέσος παγκόσμιος φόρτος θα αγγίξει τα 1.4 zettabytes στο τέλος του Συμπερασματικά, παρατηρείται ότι οι χρήστες γίνονται διαρκώς περισσότεροι και διαρκώς πιο απαιτητικοί, και έτσι καθίσταται όλο και πιο δύσκολο να ικανοποιηθούν οι ανάγκες όλων σε χωρητικότητα. Η αιτία πίσω από αυτή την επίμονη αύξηση της ζήτησης για χωρητικότητα, θα μπορούσε να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπόψη τον απλό κανόνα της σχέσης κόστους-ζήτησης που ισχύει για όλες τις αγορές (συμπεριλαμβανομένης και της αγοράς δικτύων και σχετικών υπηρεσιών). Η υψηλή ζήτηση επιτακτικά καλεί για τρόπους μείωσης του κόστους του εύρους ζώνης. Το τελευταίο έχει επιτευχθεί στο πέρασμα των χρόνων, πρώτα από όλα, μέσω διαφορετικών τεχνολογικών βημάτων προόδου [1]. Αυτό που επίσης έχει οδηγήσει το κόστος του εύρους ζώνης σε όλο και χαμηλότερα επίπεδα είναι ο υψηλός ανταγωνισμός που υπάρχει σε αγορές τόσο επικερδής όσο αυτή των τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Ο ανταγωνισμός αυτός έχει κάνει ιδιαίτερα αισθητή την παρουσία του μετά την απελευθέρωση της αγοράς των τηλεπικοινωνιών, η οποία αποτελεί πραγματικότητα για πολλά μέρη του κόσμου εδώ και μερικά χρόνια. Αυτή η μείωση του κόστους του εύρους ζώνης (με όποιο τρόπο και αν επιτυγχάνεται) ενθαρρύνει με τη σειρά της την ανάπτυξη νέων πιο απαιτητικών εφαρμογών, οι οποίες δεν αρκούνται απλώς στο να εκμεταλλεύονται το προσφερόμενο εύρος ζώνης, αλλά συχνά απαιτούν και ακόμη περισσότερο. Ωστόσο η ολοένα και αυξανόμενη ανάγκη για περισσότερο εύρος ζώνης οδηγεί σε δίκτυα με περισσότερες συσκευές, όπως ενισχυτές, δρομολογητές, συσκευές αποθήκευσης και συνδέσμους επικοινωνίας, προκείμενου να εξασφαλίσουν την ομαλή λειτουργία τους. Με αποτέλεσμα την εκθετική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Στη σημερινή εποχή, η ενέργεια που καταναλώνεται από το διαδίκτυο αποτελεί μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό, της τάξης του %, της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από την ανθρωπότητα [2]. Ωστόσο, καθώς το

11 διαδίκτυο αναπτύσσεται το ποσοστό αυτό επίσης θα αυξηθεί. Η επέκταση του Internet σε προσβασιμότητα και χωρητικότητα μπορεί να επιτευχθεί με την οπτική δικτύωση, την πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία λόγω των απεριόριστων δυνατοτήτων της οπτικής ίνας ως μέσο μετάδοσης. Ενώ παράλληλα είναι απαραίτητο να δοθεί έμφαση στη μείωση της ενέργειας που καταναλώνουν οι συσκευές που αποτελούν ένα οπτικό δίκτυο. Ήδη πολλοί οργανισμοί ερευνούν τρόπους εξοικονόμησης ενέργειας στο Internet. Αυτή η προσπάθεια είναι γνωστή ως «Greening the Internet». Ο οργανισμός Green Information Communication Technology έχει ως στόχο τη μείωση των ετήσιων εξόδων της βιομηχανίας δικτύου κατά $800 δισεκατομμύρια μέχρι το Επιπρόσθετα σημαντικό είναι το έργο του Green Grid αποστολή του οποίου είναι end-to-end ICT ecosystems με αποτελεσματική διαχείριση των πόρων [3]. Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στην ελαχιστοποίηση της ενέργειας που καταναλώνεται από ένα δίκτυο IP over WDM. Πιο συγκεκριμένα, σε δίκτυα διαφόρων μεγεθών εφαρμόζονται τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας, nonbypass, direct bypass, multi-hop-bypass και γίνεται σύγκριση και ανάλυση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν. 11

12 12 2.Βασικές αρχές δικτύων Όλα τα δίκτυα επικοινωνιών, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών δικτύων, βασίζονται σε δυο βασικές αρχές, τον τρόπο που είναι εφικτό να επικοινωνήσουν ταυτόχρονα ή σχεδόν ταυτόχρονα πάνω στο ίδιο κανάλι περισσότεροι από έναν χρήστες (πολύπλεξη) και τον τρόπο που απεικονίζονται τα δεδομένα στο συγκεκριμένο σύστημα μετάδοσης (μορφές κωδικοποίησης) [6]. 2.1.Πολύπλεξη Προκειμένου να γίνει αντιληπτή η ανάγκη για πολύπλεξη στα οπτικά δίκτυα, θεωρούνται δυο σταθμοί που επικοινωνούν μέσω της απαραίτητης γραμμής δεδομένων που τους συνδέει. Είναι αρκετά συνηθισμένο η χωρητικότητα της γραμμής να είναι πολύ υψηλότερη από αυτή που πραγματικά χρησιμοποιούν οι δυο σταθμοί. Κατά συνέπεια, εάν ήταν επιθυμητή η χρησιμοποίηση της γραμμής με έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο, θα ήταν καλό η συνολική χωρητικότητα να διαμοιραστεί μεταξύ αρκετών διαφορετικών σταθμών επικοινωνίας και όχι μόνο δυο. Αυτή η προσπάθεια διαμοιρασμού επιτυγχάνεται και περιγράφεται γενικά με τον όρο πολύπλεξη. Προφανώς, εάν ληφθούν υπόψη οι εξαιρετικές δυνατότητες της οπτικής ίνας σε εύρος ζώνης, καθώς και το γεγονός ότι η εγκατάσταση νέας ίνας είναι γενικά ακριβή από διάφορες απόψεις, γίνεται εύκολα αντιληπτό το πόσο σημαντική είναι η πολύπλεξη στα οπτικά δίκτυα [1]. Σχήμα 2.1 Γενικευμένη μορφή πολύπλεξης και αποπολύπλεξης Μια γενική μορφή πολύπλεξης απεικονίζεται στο Σχήμα 2.1. Υπάρχουν n είσοδοι στον πολυπλέκτη (multiplexer MUX) και, ομοίως, n έξοδοι από τον αποπολυπλέκτη (demultiplexer DEMUX). Ο MUX συνδυάζει n ροές

13 δεδομένων εισόδου σε ένα και μοναδικό σήμα που μεταδίδεται πάνω από το σύνδεσμο μεγάλης χωρητικότητας. Το σήμα ουσιαστικά περιέχει n διακριτά κανάλια, η ακριβής μορφή των οποίων καθορίζει και το συγκεκριμένο τύπο πολύπλεξης που χρησιμοποιείται. Ο DEMUX αποπολυπλέκει τις ροές δεδομένων από το σήμα και τις παραδίδει στις κατάλληλες εξόδους. Οι βασικές τεχνικές πολύπλεξης είναι η πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiplexing, TDM), η στατιστική πολύπλεξη, η πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας (Frequency Division Multiplexing, FDM), η πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM) και η πολύπλεξη με διαίρεση κώδικα (Code Division Multiplexing, CDM) Πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου Στην πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiplexing, TDM), σχήμα 2.1.1, τεμαχίζεται η διάσταση του χρόνου έτσι ώστε να σχηματίζονται κανάλια που θα χρησιμοποιηθούν από διαφορετικές ροές δεδομένων. Σε μια δεδομένη χρονοθυρίδα (time slot) όλη η χωρητικότητα του μέσου απασχολείται με την εξυπηρέτηση μιας συγκεκριμένης ροής εισόδου. Συνεπώς πρόκειται για μια εκ περιτροπής χρησιμοποίηση όλης της διαθέσιμης συχνότητας. Στην πράξη οι χρονοθυρίδες ανατίθενται περιοδικά στις εισόδους για μετάδοση ενός μικρού κάθε φορά τμήματος των σημάτων τους. Αυτός ο τρόπος πολύπλεξης χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην ψηφιακή μετάδοση [1]. Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου

14 Στατιστική πολύπλεξη Αποτελεί μια βελτίωση της πολύπλεξης με διαίρεση χρόνου και στοχεύει στη μείωση των προβλημάτων που παρουσιάζονται σε αυτή. Το πιο βασικό από αυτά τα προβλήματα είναι η αναποτελεσματική χρήση της χωρητικότητας της γραμμής εξόδου, σε περιπτώσεις κατά τις οποίες υπάρχουν υποσυστήματα που δεν στέλνουν δεδομένα στο κανάλι. Σε αντίθεση λοιπόν με τη συνήθη πολύπλεξη με διαίρεση του χρόνου όπου η χωρητικότητα της γραμμής εξόδου του πολυπλέκτη ισούται με το άθροισμα της χωρητικότητας των γραμμών εισόδου που συνδέονται σε αυτόν, στη στατιστική πολύπλεξη χρησιμοποιείται μια γραμμή εξόδου με μικρότερη χωρητικότητα (σχήμα 2.1.2). Αυτή η μέθοδος ονομάζεται συγκέντρωση ενώ οι πολυπλέκτες οι οποίοι λειτουργούν με αυτό τον τρόπο ονομάζονται στατιστικοί πολυπλέκτες ή συγκεντρωτές. Αυτοί οι πολυπλέκτες λειτουργούν με το μέσο όρο των ροών κυκλοφορίας δεδομένων των γραμμών εισόδου που συνδέονται σε αυτούς και χρησιμοποιούνται κυρίως στην ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων. Στην ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων τα μηνύματα καταφθάνουν από τα τερματικά με τυχαίο ρυθμό και αποθηκεύονται προσωρινά μέχρι τελικά να σταλούν όλα μαζί μέσα από τη μια και μοναδική γραμμή εξόδου. Επειδή τα μήκη των μηνυμάτων ποικίλουν προστίθεται στο μήνυμα ένα πρόθεμα που περιέχει τη διεύθυνση του αποστολέα και του παραλήπτη καθώς επίσης και οτιδήποτε σχετικό με την προτεραιότητα διακίνησης του μηνύματος από σημείο σε σημείο [6]. Σχήμα Στατιστική πολύπλεξη

15 Πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας Στην πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας (Frequency Division Multiplexing, FDM), σχήμα 2.1.3, κάθε ροή δεδομένων διαμορφώνεται σε μια διαφορετική φέρουσα συχνότητα. Έτσι το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων διαιρείται σε κανάλια με κάθε κανάλι να εξυπηρετεί ένα συγκεκριμένο σταθμό εισόδου. Τα κανάλια αυτά πρέπει να διαχωρίζονται κατάλληλα το ένα από το άλλο με ζώνες ασφαλείας επαρκούς εύρους προκειμένου να αποφεύγονται οι παρεμβολές. Μπορεί κανείς να παρατηρήσει ότι μεταξύ των μεταδόσεων στα διάφορα κανάλια στην τεχνική FDM δεν υπάρχουν χρονικές διακοπές, δηλαδή οι μεταδόσεις γίνονται ταυτόχρονα, καθώς τεμαχίζεται η διάσταση της συχνότητας και όχι αυτή του χρόνου. Κύρια εφαρμογή της τεχνικής αυτής είναι οι μεταδόσεις των ραδιοφωνικών σταθμών σε διάφορες μπάντες των FM [1]. Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση συχνότητας Πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος Η πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM), σχήμα 2.1.4, είναι ουσιαστικά ακριβώς ίδια με την FDM, αλλά ο όρος WDM έχει επικρατήσει για τη διαίρεση του οπτικού φάσματος συχνοτήτων σε κανάλια. Η τεχνική WDM θα μπορούσε κάλλιστα να αποκαλείται οπτική FDM. Τα μήκη κύματος που αποτελούν τα κανάλια θα πρέπει να διαχωρίζονται επαρκώς το ένα από το άλλο και σε αυτή την περίπτωση ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές. Το σημαντικό πλεονέκτημα της δικτύωσης που βασίζεται στην τεχνική WDM, το οποίο εξηγεί και το τεράστιο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον γύρω από αυτή, είναι η συμβατότητά της

16 με την περιορισμένη σε σύγκριση με τις δυνατότητες των οπτικών ινών ταχύτητα των ηλεκτρικών κυκλωμάτων των σταθμών του δικτύου [1]. Οι ρυθμοί μετάδοσης των μονοκαναλικών οπτικών δικτύων περιορίζονται από την ταχύτητα των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που βρίσκονται στους ενδιάμεσους σταθμούς. Η τεχνική της πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος επιλύει αυτό το πρόβλημα, διαιρώντας το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε πολλά κανάλια μικρότερου εύρους, τα οποία μπορούν να υποστηριχθούν από τα ηλεκτρονικά κυκλώματα των ενδιάμεσων σταθμών. Οι λειτουργίες της πολύπλεξης και της αποπολύπλεξης των καναλιών γίνονται στο οπτικό πεδίο χωρίς να είναι αναγκαίο να γίνουν μετατροπές από το οπτικό στο ηλεκτρικό πεδίο και αντίστροφα. Η WDM τεχνολογία, λοιπόν, επιτρέπει την υλοποίηση αμιγώς οπτικών δικτύων με ρυθμούς μετάδοσης της τάξης πολλών gigabits το δευτερόλεπτο. 16 Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος Πολύπλεξη με διαίρεση κώδικα Η πολύπλεξη με διαίρεση κώδικα (Code Division Multiplexing, CDM) είναι μια μέθοδος πρόσβασης ενός καναλιού που χρησιμοποιείται κυρίως από ραδιοτηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η βασική ιδέα πίσω από αυτή τη μορφή πολυπλεξίας είναι να επιτρέπει την ταυτόχρονη και στην ίδια συχνότητα μετάδοση του ίδιου τηλεπικοινωνιακού καναλιού, επιτρέποντας το διαμοιρασμό του εύρους ζώνης χωρίς να υπάρχει ανάγκη για προσυμφωνία μεταξύ των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Έτσι στο σύστημα αυτό σε κάθε πομπό δίνεται ένα κλειδί. Με βάση αυτό το κλειδί κωδικοποιεί τη μετάδοση του και τη μεταδίδει. Εξαιτίας όμως της διεύρυνσης του φάσματος της ενέργειας του σήματος, αντί αυτό να είναι συγκεντρωμένο κάπου η ενέργεια του «απλώνεται»,

17 η ισχύς των διάφορων εκπομπών προστίθενται μεταξύ τους και τελικά προκύπτει το σήμα του καναλιού. Το κλειδί ουσιαστικά κωδικοποιεί τη μετάδοση αυξάνοντας το ρυθμό αποστολής συμβόλων. Για παράδειγμα αν το κλειδί έχει μέγεθος 16 bits/symbol το 1 bit πληροφορίας κωδικοποιείται και αποστέλλεται σαν 16 bits πληροφορίας χαμηλότερης όμως ενέργειας. Το κλειδί γίνεται XOR με τη πληροφορία για την αποστολή (σχήμα 2.1.5). Ο δέκτης με τη σειρά του εφαρμόζει και αυτός XOR στο ληφθέν σήμα, που περιέχει όλα τα σήματα των κόμβων που συμμετέχουν σε αυτό το σύστημα, με το κλειδί του δεδομένου κόμβου και έτσι εξάγεται η πληροφορία που απέστειλε ο κόμβος [6]. 17 Σχήμα Πολύπλεξη με διαίρεση κώδικα 2.2.Μορφές κωδικοποίησης Τα διαθέσιμα κανάλια μετάδοσης συχνά δεν επιτρέπουν τη μετάδοση ενός αυτούσιου αναλογικού ή ψηφιακού σήματος. Η επεξεργασία του σήματος ώστε να γίνει κατάλληλο για να εκπεμφθεί ονομάζεται διαμόρφωση. Το διαμορφωμένο σήμα που τελικά διαδίδεται βρίσκεται σε αναλογική ή ψηφιακή μορφή. Εάν έχει αναλογική μορφή τότε πρακτικά αποτελείται από ένα ημιτονοειδές σήμα, φέρον, του οποίου διαμορφώνεται είτε το πλάτος είτε η συχνότητα είτε η φάση. Ένα από αυτά τα τρία χαρακτηριστικά του φέροντος μεταβάλλεται γραμμικά, ανάλογα με το σήμα πληροφορίας που θα μεταδοθεί.

18 Έστω ένα φέρον σήμα της μορφής Accos(ωc + φ), όπου ωc=2πc. Για τη μετάδοση αναλογικού σήματος διαμορφώνοντας το πλάτος, Ac, επιτυγχάνεται διαμόρφωση πλάτους η οποία συνήθως χρησιμοποιείται στην ΑΜ ραδιοφωνία. Όταν διαμορφώνεται το ωc επιτυγχάνεται διαμόρφωση συχνότητας που χρησιμοποιείται κατά κόρον στην FM ραδιοφωνία. Τέλος, με τη διαμόρφωση του φ επιτυγχάνεται διαμόρφωση φάσης. Όταν το σήμα είναι ψηφιακό η ίδια η διαμόρφωση αποκτά διαφορετική έννοια. Έτσι διαμορφώνοντας το πλάτος επιτυγχάνεται διαμόρφωση πλάτους που χρησιμοποιείται στα ψηφιακά ολοκληρωμένα ή στα οπτικά δίκτυα. Όταν διαμορφώνεται το ωc για τη μετάδοση της πληροφορίας επιτυγχάνεται διαμόρφωση συχνότητας που είναι γνωστή ως Frequency Shift Keying (FSK) και χρησιμοποιείται σε πολλά ψηφιακά ασύρματα συστήματα όπως το WiMax. Τέλος η διαμόρφωση φάσης Phase Shift Keying (PSK) αποτελεί τη συνηθέστερη μορφή διαμόρφωσης στα συστήματα [6]. 18

19 19 3.Ιστορική εξέλιξη των οπτικών δικτύων Η ιδέα της χρήσης ενός οπτικού συστήματος μετάδοσης υψηλής ταχύτητας ανάγεται αρκετά πίσω, στην εποχή που εφευρέθηκε το λέιζερ, δηλαδή περίπου στα τέλη της δεκαετίας του 50. Στην επόμενη δεκαετία, διάφορα πειράματα έδειξαν ότι οι κυματοδηγοί είναι ικανοί να μεταδώσουν πληροφορία κωδικοποιημένη σε οπτικά σήματα. Όμως η μετάδοση μέσω οπτικής ίνας ουσιαστικά έγινε εφικτή στην πράξη όταν εφευρέθηκε η πρώτη οπτική ίνα με χαμηλές απώλειες γύρω στις αρχές της δεκαετίας του 70. Από τα τέλη της δεκαετίας του 70 μέχρι και τα μέσα της δεκαετίας του 90, η χωρητικότητα της οπτικής ίνας διπλασιαζόταν, περίπου, κάθε χρόνο εξαιτίας της διαρκούς προόδου στην τεχνολογία των συστημάτων μετάδοσης μέσω οπτικής ίνας. Τα σχετικά βήματα προόδου σχετιζόταν κυρίως με τη βελτίωση των οπτικών πομποδεκτών (tranceivers) δηλαδή πομπών και δεκτών και τη μείωση των απωλειών της χρησιμοποιούμενης οπτικής ίνας. 3.1.Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς Τα εν λόγο δίκτυα παραμένουν τελείως ηλεκτρονικά πλην του οπτικού μέσου μετάδοσης που χρησιμοποιείται. Δηλαδή, στα άκρα των φυσικών συνδέσμων που πραγματοποιούνται με οπτικές ίνες, η ηλεκτρονική τεχνολογία αναλαμβάνει όλες τις λειτουργίες μεταγωγής, δρομολόγησης και επεξεργασίας δυαδικών ψηφίων. Οι τελικοί χρήστες μεταδίδουν και λαμβάνουν ηλεκτρικά σήματα που απλά μετατρέπονται σε οπτικά (και αντιστρόφως, στον ενδιάμεσο ή μη προορισμό) προκειμένου να μεταδοθούν μέσω συνδέσμων οπτικών ινών σημείου-προς-σημείο. Επίσης, όλοι οι ενδιάμεσοι κόμβοι μπορούν να επεξεργάζονται μόνο ηλεκτρικά σήματα και κατά συνέπεια, αυτές οι μετατροπές από (προς) το ηλεκτρικό πεδίο στο (από το) οπτικό, συμβαίνουν αναπόφευκτα σε κάθε ενδιάμεσο βήμα (hop) της διαδρομής από την πηγή στον προορισμό. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα οπτικών δικτύων πρώτης γενιάς αποτελούν τα SDH/SONET, τα FDDI και SCON δίκτυα [1]. Ωστόσο στα οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς οι οπτικές ίνες υποχρησιμοποιούνται κατά περίπου τέσσερις τάξεις μεγέθους. Για παράδειγμα ένα δίκτυο SDH έχει ρυθμό 2.5 Gbps ενώ η πραγματική δυνατότητα του μέσου είναι 25 Τbps. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την εμφάνιση των οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς.

20 Οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς Αυτά τα δίκτυα είναι κάτι περισσότερο από ένα απλό σύνολο οπτικών ινών που τερματίζονται από ηλεκτρονικούς μεταγωγείς (switches), αφού οι λειτουργίες της δρομολόγησης και της μεταγωγής καθώς και η ευφυΐα του δικτύου μεταφέρονται πια στο οπτικό επίπεδο, αυξάνοντας έτσι την αξιοποίηση των ινών. Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι ο όρος «οπτικά δίκτυα» δεν υπονοεί απαραίτητα δίκτυα αμιγώς οπτικά. Είναι γεγονός ότι κάποιες λειτουργίες γίνονται καλύτερα από ηλεκτρονικά στοιχεία, τουλάχιστον με τη σημερινή υπεροχή της ηλεκτρονικής τεχνολογίας. Αυτές ονομάζονται μη γραμμικές λειτουργίες και περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, ορισμένες λειτουργίες που απαιτούν ειδική ευφυΐα, όπως είναι η επεξεργασία των κεφαλίδων των πακέτων, ο έλεγχος και η διαχείριση του δικτύου. Φαίνεται ότι τα ηλεκτρονικά στοιχεία είναι αργά αλλά έξυπνα, ενώ από την άλλη τα οπτικά είναι γρήγορα αλλά κουτά. Αυτό συνεπάγεται ότι απαιτείται μια κατάλληλη συνεργασία για πρακτικές υλοποιήσεις οπτικών δικτύων. Η ηλεκτρονική τεχνολογία είναι επίσης απαραίτητη στους τελικούς κόμβους του δικτύου για τη μετατροπή του σήματος σε οπτική μορφή πριν την είσοδο του στο αμιγώς οπτικό κομμάτι του. Επιπλέον, είναι πιθανόν να απαιτείται ηλεκτρονική αναγέννηση σε μερικά δίκτυα, ιδιαίτερα κατά μήκους μεγάλων οπτικών διαδρομών. Ωστόσο, στα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς η ηλεκτρονική τεχνολογία απαλλάσσεται πλέον από ένα σημαντικό κομμάτι του φόρτου εκτέλεσης γραμμικών λειτουργιών σε αντίθεση με τα δίκτυα πρώτης γενιάς. Σε ένα δίκτυο SONET κάθε κόμβος θα 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 απλώς να περάσουν από αυτόν. Μια βασική ιδέα, λοιπόν, για την ανάπτυξη της πραγματικής οπτικής δικτύωσης είναι να γίνεται η δρομολόγηση των δεδομένων τα οποία προορίζονται για άλλους κόμβους στο οπτικό πεδίο. Υπάρχουν διάφορα είδη οπτικών δικτύων κατάλληλα για όλες τις πιθανές κλίμακες δικτύωσης: δίκτυα πρόσβασης, τοπικά, μητροπολιτικά και ευρείας περιοχής δίκτυα, δίκτυα κορμού. Επίσης τα είδη οπτικών δικτύων που υπάρχουν διαφέρουν και ως προς το βαθμό κατά τον οποίο είναι σήμερα υλοποιήσιμα. Αυτά που βασίζονται στην τεχνική πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος (WDM) είναι γενικά περισσότερο εφικτό να υλοποιηθούν και έχουν ήδη εξαπλωθεί ως ένα βαθμό. Από την άλλη τα δίκτυα με τεχνολογία οπτικής

21 πολύπλεξης με διαίρεση χρόνου χρειάζονται ακόμη λίγο χρόνο για να ωριμάσουν πριν την εμπορική τους διάδοση. Οι κύριες κατηγορίες οπτικών δικτύων παρουσιάζονται στο σχήμα Σχήμα 3.2 Κατηγορίες οπτικών δικτύων WDM Δίκτυα συνδέσμων σημείου-προς-σημείο (WDM Pointto-Point Systems) Σε αυτή την κατηγορία των οπτικών δικτύων, οι WDM σύνδεσμοι διασυνδέονται μέσω μη οπτικού (δηλαδή ηλεκτρονικού) εξοπλισμού. Εξαιτίας της τεχνικής WDM οι δύο κόμβοι που επικοινωνούν σε κάθε σύνδεσμο WDM είναι ικανοί να ανταλλάξουν δεδομένα χρησιμοποιώντας πολλαπλά διαφορετικά κανάλια (μήκη κύματος) ταυτόχρονα. Αυτό επιτρέπει σε κάθε κόμβο να έχει πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Η επικοινωνία μέσω της οπτικής ίνας θα μπορούσε να είναι διπλής κατεύθυνσης ή εναλλακτικά θα μπορούσε να υπάρχει ένας WDM σημείου-προς-σημείο σύνδεσμος διπλής οπτικής ίνας, όπου η κάθε ίνα θα χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά για τη ροή δεδομένων σε μία κατεύθυνση. Γενικά ένας WDM σύνδεσμος αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία τα περισσότερα από τα οποία φαίνονται στο σχήμα [5]:

22 Δύο κόμβους, στα δυο άκρα του συνδέσμου που έχουν πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Διαφορετικά interfaces (διασυνδέσεις) ανά θύρα που επιτρέπουν την επικοινωνία μέσω διαφόρων πρωτοκόλλων πάνω από το σύνδεσμο. Ηλεκτρο-οπτικούς μετατροπείς οι οποίοι παραλαμβάνουν λέιζερ στα δυο άκρα του συνδέσμου για μετάδοση σε διαφορετικά μήκη κύματος (κανάλια). Τους κατάλληλους αποδέκτες για κάθε μήκος κύματος, οι οποίοι μετατρέπουν το σήμα σε ηλεκτρονική μορφή στα άκρα του συνδέσμου. WDM πολυπλέκτες αποπολυπλέκτες (WMUXs/WDMUXs) τοποθετημένους αμέσως μετά τους μεταδότες, για WDM πολύπλεξη, και αμέσως πριν το οπτικό σήμα φτάσει στους αποδέκτες, για WDM αποπολύπλεξη. Ενισχυτές που εξασφαλίζουν επαρκή ισχύ σήματος κατά τη διαδρομή του από το ένα άκρο στο άλλο. 22 Σχήμα WDM σύνδεσμος από σημείο σε σημείο WDM Δίκτυα εκπομπής και επιλογής (WDM Broadcast and Select Systems) Ένα δίκτυο εκπομπής και επιλογής αποτελείται από ένα παθητικό αστέρα και τους κόμβους του δικτύου. Κάθε κόμβος είναι εξοπλισμένος με έναν ή περισσότερους σταθερά συντονισμένους ή μεταβλητούς πομπούς και με έναν ή περισσότερους σταθερά συντονισμένους ή μεταβλητούς δέκτες. Διαφορετικοί κόμβοι εκπέμπουν σήματα σε διαφορετικά μήκη κύματος ταυτόχρονα. Ο συνδέων αστέρας συνδυάζει όλα αυτά τα σήματα και εκπέμπει το συνδυασμένο

23 σήμα σε όλους τους κόμβους, όπως φαίνεται στο σχήμα Κάθε κόμβος επιλέγει ένα επιθυμητό μήκος κύματος για να λάβει το επιθυμητό σήμα συντονίζοντας τον δέκτη του σε αυτό το μήκος κύματος. 23 Σχήμα Παθητικός αστέρας 4x4 Στα δίκτυα εκπομπής και επιλογής ενός βήματος το σήμα αφού σταλεί με τη μορφή φωτός, φτάνει στον τελικό προορισμό κατευθείαν, δηλαδή χωρίς να μετατραπεί ενδιάμεσα σε ηλεκτρονική μορφή. Για να υποστηρίξουν μεταγωγή πακέτου αυτά τα δίκτυα χρειάζεται να υπάρχουν οπτικοί πομποί και δεκτές που να μπορούν να συντονίζονται γρήγορα. Αυτό γιατί σε ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτου ένας κόμβος χρειάζεται να μπορεί να μεταδίδει (λαμβάνει) διαδοχικά πακέτα προς (από) διαφορετικούς κόμβους σε διαφορετικά μήκη κύματος. Συνεπώς η κύρια πρόκληση στα δίκτυα αυτά είναι ο συντονισμός των μεταδόσεων ανάμεσα σε διάφορους κόμβους. Αν δεν υπάρχει συντονισμός ή αποδοτικό πρωτόκολλο ελέγχου προσπέλασης μέσου, εμφανίζονται συγκρούσεις όταν δυο ή περισσότεροι κόμβοι μεταδίδουν στο ίδιο μήκος κύματος την ίδια χρονική στιγμή. Επίσης συγκρούσεις προορισμού συμβαίνουν όταν δυο ή περισσότεροι κόμβοι μεταδίδουν προς τον ίδιο προορισμό σε διαφορετικά μήκη κύματος, όταν ο προορισμός διαθέτει μόνο έναν μεταβλητό δέκτη. Επιπλέον ο προορισμός θα πρέπει να γνωρίζει πότε να συντονιστεί με το κατάλληλο μήκος κύματος για να λάβει ένα πακέτο. Για την υποστήριξη μεταγωγής πακέτου τα δίκτυα εκπομπής και επιλογής μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη προσέγγιση πολλαπλών βημάτων με την οποία αποφεύγεται ο ταυτόχρονος γρήγορος συντονισμός. Κάθε κόμβος διαθέτει ένα μικρό αριθμό από σταθερά συντονισμένους οπτικούς πομπούς και ένα μικρό αριθμό από σταθερά συντονισμένους οπτικούς δέκτες. Κάθε πομπός είναι συντονισμένος σε διαφορετικό μήκος κύματος. Το δίκτυο μπορεί να αναπαρασταθεί σαν ένας γράφος όπου ένας κόμβος αντιστοιχεί σε ένα κόμβο δικτύου και μια ακμή αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος πομπού-δέκτη στο ίδιο μήκος

24 κύματος. Έτσι παρατηρείται μια ιδεατή τοπολογία επί της φυσικής τοπολογίας εκπομπής. Κάθε κόμβος εκπέμπει σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος και δέχεται σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος (σχήμα ). Σε αυτά τα δίκτυα, ένα πακέτο μπορεί να χρειαστεί να πραγματοποιήσει περισσότερα από ένα βήματα πριν φτάσει στον τελικό του προορισμό. Αυτό όμως έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της καθυστέρησης διάδοσης επιπρόσθετα με την καθυστέρηση των ουρών σε ενδιάμεσους κόμβους και τη σπατάλη της χωρητικότητας του δικτύου. 24 Σχήμα Ο κόμβος 0 μπορεί να μεταδώσει απευθείας στον κόμβο 1, εκπέμποντας στο μήκος κύματος w 0, όχι όμως στον κόμβο 2. Για να μεταδώσει στο κόμβο 2 εκπέμπει ένα πακέτο στον κόμβο 1 στο μήκος κύματος w 0, ο οποίος το λαμβάνει το μετατρέπει σε ηλεκτρονική μορφή και το επαναμεταδίδει στο μήκος κύματος w WDM Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος (WDM Wavelength-Routing Networks) Τα WDM δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος έχουν το πλεονέκτημα να αποφεύγουν τα τρία προβλήματα των δικτύων εκπομπής και επιλογής: την έλλειψη επαναχρησιμοποίησης μηκών κύματος, την απώλεια λόγω διαμοιρασμού της ισχύος και την έλλειψη επεκτασιμότητας σε WANS. Ένα δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος αποτελείται από WXCs, κόμβους δρομολόγησης, διασυνδεδεμένους με σημείο προς σημείο οπτικούς συνδέσμους σε μια αυθαίρετη τοπολογία. Κάθε τελικός κόμβος (τελικός χρήστης) συνδέεται

25 με ένα WXC μέσω ενός οπτικού συνδέσμου. Ο συνδυασμός ενός τελικού κόμβου και του αντίστοιχου WXC αναφέρεται ως κόμβος. Κάθε κόμβος είναι εξοπλισμένος με ένα σύνολο από πομπούς και δέκτες για την αποστολή δεδομένων στο δίκτυο και τη λήψη δεδομένων από το δίκτυο αντίστοιχα, οι δύο εκ των οποίων μπορούν να έχουν συντονίσιμο μήκος κύματος. Σε ένα δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος, ένα σήμα στέλνεται από έναν κόμβο σε έναν άλλο χρησιμοποιώντας ένα δρομολόγιο συνεχούς μήκους κύματος που ονομάζεται φωτεινό μονοπάτι, lightpath, χωρίς να απαιτείται καμία οπτοηλεκτρονική μετατροπή και αποθήκευση στους ενδιάμεσους κόμβους. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως δρομολόγηση μηκών κύματος. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι δρομολογούν το lightpath στο οπτικό πεδίο χρησιμοποιώντας τους WXCs τους. Οι τελικοί κόμβοι του lightpath προσπελαύνουν το lightpath χρησιμοποιώντας πομπούς/δέκτες συντονισμένους στο μήκος κύματος, στο οποίο λειτουργεί το lightpath. Ένα lightpath είναι ένα πλήρως οπτικό μονοπάτι επικοινωνίας ανάμεσα σε δυο κόμβους, που εγκαθίσταται δεσμεύοντας το ίδιο μήκος κύματος κατά μήκος του δρομολογίου των μεταδιδόμενων δεδομένων. Συνεπώς αποτελεί ένα δίαυλο υψηλού εύρους ζώνης, που μεταφέρει δεδομένα και σε αρκετά gigabits ανά δευτερόλεπτο και χαρακτηρίζεται με μοναδικό τρόπο από ένα φυσικό μονοπάτι και ένα μήκος κύματος. Η απαίτηση το ίδιο μήκος κύματος να χρησιμοποιείται σε όλους τους συνδέσμους κατά μήκος του επιλεγμένου δρομολογίου είναι γνωστή ως περιορισμός συνέχειας μήκους κύματος. Επίσης δυο lightpaths δε μπορούν να αντιστοιχούν στο ίδιο μήκος κύματος αν διέρχονται από μια οποιαδήποτε κοινή ίνα. Αυτή η απαίτηση είναι γνωστή ως περιορισμός διακριτής ανάθεσης μήκους κύματος. Όμως δυο lightpaths μπορούν να χρησιμοποιήσουν το ίδιο μήκος κύματος, αρκεί να διέρχονται από ξένα σύνολα συνδέσμων. Ιδιότητα επαναχρησιμοποιήσης μήκους κύματος. Η επαναχρησιμοποίηση των μηκών κύματος στα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος τα καθιστά πιο ευέλικτα σε σχέση με τα δίκτυα εκπομπής και επιλογής. Ένα άλλο χαρακτηριστικό που επιτρέπει στα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος να αναπτύσσονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις είναι ότι η εκπεμπόμενη ισχύς που επενδύεται σε ένα lightpath δε διαμοιράζεται σε άσχετους προορισμούς. Δοθέντος ενός δικτύου WDM, το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος στα lightpaths αποκτά ύψιστη σημασία σε αυτά τα δίκτυα και απαιτούνται έξυπνοι αλγόριθμοι, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι η λειτουργία αυτή διεκπεραιώνεται χρησιμοποιώντας τον ελάχιστο αριθμό μηκών κύματος. Το πλήθος των διαθέσιμων μηκών κύματος σε ένα σύνδεσμο ίνας παίζει 25

26 τεράστιο ρόλο σε αυτά τα δίκτυα, σήμερα κυμαίνεται ανάμεσα σε 4 έως 32 όμως αναμένεται να αυξηθεί. Η μεταγωγή πακέτου σε αυτά τα δίκτυα μπορεί να υποστηριχθεί ακολουθώντας είτε την προσέγγιση του ενός βήματος είτε την προσέγγιση πολλαπλών βημάτων με τρόπο ανάλογο με αυτόν στα δίκτυα εκπομπής και επιλογής WDM Παθητικά οπτικά δίκτυα (WDM Passive Optical Networks) Παρόλο που το εύρος ζώνης στα δίκτυα κορμού (backbone) αυξάνεται ταχύτατα με τη χρήση της πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος (WDM) και άλλων νέων τεχνολογιών, τα δίκτυα πρόσβασης έχουν αλλάξει πολύ λίγο τα τελευταία χρόνια. Παράλληλα, ο ρυθμός μετάδοσης στα τοπικά δίκτυα (LANs) έχει αυξηθεί αρχικά από τα 10 Mb/s στα 100Mb/s και στη συνέχεια στο 1Gb/s. Πλέον, υπάρχουν και τοπικά δίκτυα με ταχύτητα 10Gb/s. Ως αποτέλεσμα, τα δίκτυα πρόσβασης που είναι ο ενδιάμεσος ανάμεσα στα τοπικά δίκτυα υψηλών ταχυτήτων και στα δίκτυα κορμού αποτελούν σημείο συμφόρησης. Το δίκτυο πρόσβασης μεταξύ του κορμού και των οικιακών συνδρομητών αποκαλούνταν κάποτε το «τελευταίο μίλι» ωστόσο τώρα αποκαλείται το «πρώτο μίλι». Η ονομασία αυτή καταδεικνύει τη σημασία του δικτύου πρόσβασης. Επειδή οι ανάγκες των συνδρομητών σε εύρος ζώνης αυξάνονται συνεχώς και ζητείται υποστήριξη διαφορετικών τύπων κυκλοφορίας στο Διαδίκτυο, είναι απαραίτητο το «πρώτο μίλι» να υλοποιηθεί με μια ισχυρή τεχνολογία. Άλλες απαιτήσεις για το συγκεκριμένο τμήμα του δικτύου είναι το χαμηλό κόστος, η απλότητα, η δυνατότητα κλιμάκωσης και η υποστήριξη ολοκληρωμένων υπηρεσιών φωνής, δεδομένων και βίντεο στους τελικούς χρήστες. Για να αποφευχθούν τα προβλήματα συμφόρησης λόγω περιορισμένου εύρους ζώνης (bandwidth bottlenecks), οπτικές ίνες και συνεπώς οπτικοί κόμβοι διεισδύουν όλο και περισσότερο στο πρώτο μίλι. Αυτή η τάση συναντάται και στον κόσμο της DSL και στον κόσμο της καλωδιακής τηλεόρασης. Το επόμενο κύμα ανάπτυξης του δικτύου πρόσβασης υπόσχεται να φέρει τη δικτύωση μέσω οπτικών ινών μέχρι το γραφείο, ή τις πολυκατοικίες ή τις ιδιόκτητες οικίες. Σε αντίθεση με τις προηγούμενες αρχιτεκτονικές, όπου η οπτική ίνα χρησιμοποιούνταν ως τροφοδότης για να μειωθούν τα μήκη ομοαξονικών και χάλκινων καλωδιώσεων, αυτές οι νέες προσπάθειες χρησιμοποιούν οπτικά καλώδια σε ολόκληρο το δίκτυο πρόσβασης. Νέες αρχιτεκτονικές δικτύων οπτικών ινών αναδύονται, οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν ταχύτητες της

27 τάξης των Gbps, με κόστος συγκρίσιμο με εκείνο των δικτύων DSL. Αυτός ο νέος τύπος δικτύων ονομάζεται παθητικά οπτικά δίκτυα (Passive Optical Networks, PONs). 27 Σχήμα Αρχιτεκτονική ενός παθητικού οπτικού δικτύου Στο σχήμα απεικονίζεται η αρχιτεκτονική ενός παθητικού οπτικού δικτύου. Ένα ΡΟΝ είναι ένα οπτικό δίκτυο σημείου προς πολλαπλά σημεία (Point-to-Multipoint, PtMP) στην κατερχόμενη κατεύθυνση (downstream), δηλαδή με φορά από το τηλεπικοινωνιακό κέντρο προς τους χρήστες, και πολλαπλών σημείων προς σημείο (Multipoint-to-Point, MPtP) στην ανερχόμενη κατεύθυνση (upstream), δηλαδή με αντίθετη φορά από την προηγούμενη. Ένα PON διαθέτει μη ενεργά στοιχεία στο μονοπάτι του σήματος από την πηγή μέχρι τον προορισμό. Τα μόνα εσωτερικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν στο ΡΟΝ είναι παθητικά οπτικά στοιχεία, όπως οπτικές ίνες, συνδέσεις (splices), διαιρέτες (splitters) και συνδυαστές (combiners). Αναλυτικότερα η μετάδοση σε ένα PON πραγματοποιείται μεταξύ ενός τερματικού οπτικής γραμμής (Optical Line Terminal, OLT) και των μονάδων οπτικού δικτύου (Optical Network Units, ONUs). Το OLT και η ONU είναι διατάξεις που μετατρέπουν το ηλεκτρικό σήμα σε οπτικό και αντίστροφα. Το τερματικό οπτικής γραμμής ανήκει σε ένα τηλεπικοινωνιακό κέντρο (central office, CO) που συνδέει το δίκτυο πρόσβασης με το δίκτυο μητροπολιτικής περιοχής (Metropolitan Area Network, MAN) ή το δίκτυο ευρείας περιοχής (Wide Area Network, WAN), το οποίο είναι επίσης γνωστό ως δίκτυο κορμού (backbone) ή δίκτυο μακράς διαδρομής (long haul). Όλες οι μεταδόσεις σε ένα ΡΟΝ πραγματοποιούνται μεταξύ ενός τερματικού οπτικής γραμμής και των

28 μονάδων οπτικού δικτύου. Η μονάδα οπτικού δικτύου (ONU) εντοπίζεται είτε στην περιοχή του χρήστη (Fiber-to-the-home, FTTH) είτε σε μια περιοχή που αποτελείται από ένα σύνολο χρηστών (Fiber-to-the-curb, FTTC). Θα πρέπει να τονιστεί ότι στα PONs δεν είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ των τελικών χρηστών. Ένα ΡΟΝ παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα που τα καθιστούν ελκυστική λύση για τα δίκτυα πρόσβασης. Καταρχάς, μειώνει τον αριθμό των οπτικών πομποδεκτών, και την εγκατάσταση μεγάλου μήκους οπτικών ινών. Η ύπαρξη παθητικών διατάξεων σε ένα PON μειώνει στο ελάχιστο το κόστος παροχής ενέργειας στον κόμβο και εξαλείφει την ανάγκη για χρήση, τροφοδότηση και συντήρηση ενεργών πολυπλεκτών και αποπολυπλεκτών στα σημεία διαχωρισμού σημάτων. Επιπλέον, ένα PON επιτρέπει μεταδόσεις σε ακτίνα 20km μεταξύ του κέντρου μεταγωγής και των συνδρομητών. Τελος, τα PONs επιτρέπουν την εύκολη αναβάθμιση σε υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης ή την προσθήκη μηκών κύματος εξαιτίας της οπτικής διαφάνειας. Για τα δίκτυα PON έχουν προταθεί τρεις διαφορετικές τεχνολογίες υλοποίησης οι οποίες αναπτύσσονται από διαφορετικούς οργανισμούς προτύπων. Αυτές είναι: τα Παθητικά Οπτικά δίκτυα με ασύγχρονο τρόπο μετάδοσης (Asynchronous Transfer Mode PON, APON), τα Ethernet Παθητικά Οπτικά δίκτυα (Ethernet PON, EPON) και τα Gigabit Παθητικά Οπτικά δίκτυα (Gigabit PON, GPON). Η βασική διαφορά ανάμεσα στις τρεις αυτές προσεγγίσεις είναι ο τρόπος που ενθυλακώνονται τα πακέτα δεδομένων των ανώτερων επιπέδων στις μεταδόσεις του επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων (data link layer). 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 (Optical Network Unit) με το OLT (Optical Line Termination) και 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 αποτελεί μια ερευνητική περιοχή με μεγάλο ενδιαφέρον Οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου (Optical Burst Switching) Η φωτονική ή οπτική μεταγωγή πακέτου (photonic or optical packet switching) επιτρέπει την στατιστική πολυπλεξία ροών πακέτων με χρήση τεχνικών OTDM. Συγκεκριμένα οι οπτικοί μεταγωγείς πακέτου αναλύουν τις πληροφορίες που περιέχονται στις κεφαλίδες των πακέτων και καθορίζουν το

29 που θα τα προωθήσουν. Οι τεχνικές μεταγωγής οπτικού πακέτου διευκολύνουν την ταχεία ανάθεση καναλιών (μηκών κύματος) ανάλογα με τη ζήτηση και σε μικρές χρονικές κλίμακες (μsec). Ένας μεταγωγέας οπτικού πακέτου μπορεί να υποστηρίξει αυξήσεις στο ρυθμό μετάδοσης με χαμηλό κόστος, έτσι ώστε οι αναβαθμίσεις του επιπέδου μετάδοσης να γίνονται αποδεκτές με ελάχιστο αντίκτυπο στους κόμβους μεταγωγής. Τα οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου μπορούν να διαχωριστούν σε δυο κατηγορίες : στα θυριδωτά ή σύγχρονα (slotted or synchronous) και στα μη θυριδωτά ή ασύγχρονα (unslotted or unsynchronous). Στα σύγχρονα δίκτυα όλα τα πακέτα έχουν το ίδιο μέγεθος και τοποθετούνται μαζί με τις κεφαλίδες τους σε χρονοθυρίδες (timeslots), οι οποίες έχουν σταθερή διάρκεια. Η διάρκεια μιας χρονοθυρίδας είναι μεγαλύτερη από το σύνολο της διάρκειας του πακέτου και της κεφαλίδας, προκειμένου να υπάρχουν χρονικά περιθώρια ασφάλειας (guard time). Σε ένα ασύγχρονο δίκτυο, τα μεγέθη των πακέτων μπορούν να ποικίλλουν. Τα πακέτα εισάγονται στο μεταγωγέα χωρίς να προηγηθεί ευθυγράμμιση (συγχρονισμός) και η μεταγωγή μπορεί να γίνει σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή (σε αντίθεση με τα σύγχρονα δίκτυα όπου η μεταγωγή γίνεται μόνο στην αρχή της χρονοθυρίδας). Η συμπεριφορά των πακέτων σε ένα ασύγχρονο δίκτυο είναι λιγότερο προβλέψιμη σε σχέση με ένα σύγχρονο. Αυτό έχει ως συνέπεια την αυξημένη πιθανότητα σύγκρουσης πακέτων δηλαδή την ταυτόχρονη απόπειρα δυο ή περισσότερων πακέτων να χρησιμοποιήσουν την ίδια θύρα του μεταγωγέα. Ο μεγάλος αριθμός των συγκρούσεων επιδρά αρνητικά στη διεκπεραιωτική ικανότητα του δικτύου (network throughput). Επίσης, η ασύγχρονη λειτουργία αυξάνει και το ποσοστό των απωλειών σε πακέτα (packet loss ratio). Ωστόσο τα ασύγχρονα δίκτυα έχουν κάποια σημαντικά πλεονεκτήματα όπως η αυξημένη ανθεκτικότητα (robustness) και ευελιξία καθώς και η ευκολία στην διαμόρφωση (easy of setup) και το χαμηλότερο κόστος. Τα πακέτα που μεταδίδονται σε ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτου υφίσταται διάφορες καθυστερήσεις, οι οποίες δεν μπορούν να αντισταθμιστούν δυναμικά, αντιμετωπίζοντας δηλαδή κάθε πακέτο ξεχωριστά αλλά μόνο στατιστικά. Η κεφαλίδα και το ωφέλιμο φορτίο μπορεί να μεταδίδονται στο ίδιο μήκος κύματος. Τα χρονικά περιθώρια ασφαλείας πριν και μετά το ωφέλιμο φορτίο μπορούν να αντισταθμίσουν την παραμόρφωση χρονισμού (jitter) που υφίσταται το ωφέλιμο φορτίο και η οποία μπορεί να οδηγήσει σε φθορά του σήματος κατά την εισαγωγή ή τη διαγραφή της κεφαλίδας. Τα δύο βασικά ζητήματα που κυριαρχούν στην οπτική μεταγωγή πακέτου είναι η αδυναμία σύνθετης επεξεργασίας σε κλίμακα δυαδικού ψηφίου στο οπτικό πεδίο και η έλλειψη αποτελεσματικού τρόπου αποθήκευσης οπτικών δεδομένων 29

30 επ αόριστον. Συγκρούσεις πακέτων προκύπτουν στο δίκτυο όταν δυο ή περισσότερα πακέτα προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν τον ίδιο πόρο του δικτύου ταυτόχρονα, για παράδειγμα όταν δυο πακέτα πρέπει να προωθηθούν στην ίδια έξοδο ενός μεταγωγέα την ίδια χρονική στιγμή. Η πολιτική που υιοθετείται για την επίλυση των συγκρούσεων αποτελεί σημείο κλειδί στα δίκτυα μεταγωγής πακέτου και έχει μεγάλο αντίκτυπο στη συνολική απόδοση του δικτύου. Υπάρχουν τρεις μέθοδοι επίλυσης συγκρούσεων, η προσωρινή αποθήκευση (buffering), η δρομολόγηση εκτροπής (deflection routing) και η μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion). Ο απλούστερος τρόπος επίλυσης των προβλημάτων που προκύπτουν από τις συγκρούσεις πακέτων είναι η προσωρινή αποθήκευση των πακέτων που εμπλέκονται στη σύγκρουση, δηλαδή η εκμετάλλευση του πεδίου του χρόνου. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στους ηλεκτρονικούς μεταγωγείς, στους οποίους τα πακέτα τοποθετούνται στη μνήμη ταχείας προσπέλασης (RAM) του μεταγωγέα έως ότου αυτός να είναι σε θέση να τα προωθήσει στο επόμενο βήμα τους. Η μνήμη RAM έχει χαμηλό κόστος και λειτουργεί σε υψηλές ταχύτητες. Οι γραμμές οπτικής καθυστέρησης (fiber delay lines) είναι επί του παρόντος ο μόνος τρόπος αποθήκευσης ενός πακέτου στο οπτικό πεδίο. Τα πακέτα που συγκρούονται διοχετεύονται σε μια γραμμή καθυστέρησης έτσι ώστε να διανύσουν μια επιπλέον απόσταση και να υποστούν αντίστοιχη χρονική καθυστέρηση. Η επίλυση των συγκρούσεων μπορεί να γίνει επίσης με δρομολόγηση εκτροπής, δηλαδή με εκμετάλλευση του πεδίου του χώρου. Στην περίπτωση που δύο η περισσότερα πακέτα επιθυμούν να χρησιμοποιήσουν την ίδια έξοδο του μεταγωγέα προκειμένου να διανύσουν τη μικρότερη δυνατή απόσταση για να φτάσουν στον προορισμό τους, μόνο το ένα ακολουθεί την επιθυμητή διαδρομή ενώ τα υπόλοιπα ακολουθούν εναλλακτικές διαδρομές πιθανότατα μεγαλύτερες από τη βέλτιστη. Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα της δρομολόγησης εκτροπής είναι η σχετικά εύκολη υλοποίηση της, τόσο ως προς το υλικό που απαιτείται όσο και ως προς τους αλγορίθμους ελέγχου. Τέλος, η βασική αρχή της μεθόδου επίλυσης συγκρούσεων με μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion) έχει ως εξής: όταν δυο πακέτα που βρίσκονται στο ίδιο μήκος κύματος πρέπει να προωθηθούν στην ίδια έξοδο του μεταγωγέα, το ένα από τα δυο μεταφέρεται σε άλλο μήκος κύματος με χρήση ενός μεταβλητού οπτικού μετατροπέα μήκους κύματος. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η χρήση μονάδων προσωρινής αποθήκευσης, εκτός από την περίπτωση στην οποία όλα τα μήκη κύματος είναι δεσμευμένα. 30

31 4.Απαραίτητες τεχνολογίες για οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς 31 Στην παρούσα παράγραφο παρουσιάζονται τα βασικά δομικά στοιχεία που καθιστούν δυνατή την υλοποίηση WDM δικτύων δεύτερης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων των OLTs, OADMs και OXCs. Πέραν αυτών, παρουσιάζονται επιπλέον δομικά στοιχεία τα οποία είναι αναγκαία για την υλοποίηση και δρομολόγηση των οπτικών μονοπατιών, όπως οι οπτικές ίνες, οι οπτικοί πομποί, οι φωτοανιχνευτές, τα οπτικά φίλτρα, οι οπτικοί ενισχυτές και οι μετατροπείς μήκους κύματος. 4.1.Οπτικές ίνες Η οπτική ίνα είναι ένας γυάλινος κυματοδηγός κυλινδρικής διατομής (σχήμα 4.1). Η βασική της δομή περιλαμβάνει μία κεντρική κυλινδρική ράβδο, που ονομάζεται πυρήνας (core), και έναν σωλήνα, που περιβάλλει τον πυρήνα και ονομάζεται μανδύας (cladding). Για λόγους προστασίας, ο μανδύας καλύπτεται από πρωτογενή επικάλυψη πλαστικού, γνωστή ως προστατευτικό κάλυμμα ή εξωτερικό περίβλημα. Σχήμα 4.1 Δομή οπτικής ίνας

32 Η διάδοση του οπτικού σήματος γίνεται στον πυρήνα ο οποίος είναι φτιαγμένος από γυαλί ή πλαστικό, που έχει την ιδιότητα να εγκλωβίζει τις ακτίνες φωτός και να τις οδηγεί στο τέρμα της ίνας. Η φωτεινή δέσμη που μεταφέρει την πληροφορία οδεύει με διαδοχικές ανακλάσεις στα τοιχώματα της ίνας προς το άλλο άκρο. Αυτό συμβαίνει επειδή το σήμα υφίσταται ολικές ανακλάσεις με αποτέλεσμα η ενέργεια της φωτεινής δέσμης να παραμένει εγκλωβισμένη στην ίνα. Βασικές προϋποθέσεις για να συμβεί ολική ανάκλαση είναι o δείκτης διαθλάσεως του μανδύα να είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο του πυρήνα μέσο της επιλογής των κατάλληλων υλικών και η γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας στον πυρήνα να είναι μεγαλύτερη από κάποια τιμή που ονομάζεται «οριακή γωνία». Αν η γωνία πρόσπτωσης είναι μικρότερη της οριακής γωνίας τότε το φως διαθλάται μέσα από τον μανδύα και χάνεται μετά από κάποια απόσταση. Για την μετατροπή των ηλεκτρικών σημάτων σε φωτεινές δέσμες χρησιμοποιούνται πομποί οπτικών σημάτων. Τα πρώτα οπτικά συστήματα μετάδοσης χρησιμοποιούσαν πολυρρυθμικές ίνες για τη μετάδοση δεδομένων. Οι πολυρρυθμικές ίνες έχουν μεγάλη διατομή πυρήνα (50-85 μm) και συνεπώς οι διαδιδόμενες οπτικές ακτίνες έχουν τη δυνατότητα να ακολουθήσουν πέραν της μιας διαδρομής, ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης μέσω της οποίας διαδίδονται. Κάθε διαδρομή καλείται τρόπος μετάδοσης και αντιστοιχεί σε διαφορετικό μήκος διάδοσης. Σαν αποτέλεσμα των παραπάνω, δυο ακτίνες που ανήκουν στον ίδιο οπτικό παλμό είναι δυνατόν να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδρομές και να διανύσουν διαφορετικό μήκος στην ίνα, οπότε και να φτάσουν στην έξοδο της σε διαφορετικούς χρόνους. Το παραπάνω φαινόμενο προκαλεί χρονική διεύρυνση των οπτικών παλμών και καλείται διασπορά τρόπων διάδοσης. Η διασπορά τρόπων διάδοσης αυξάνει καθώς αυξάνεται το διανυόμενο μήκος ίνας, ενώ για το σταθερό μήκος ίνας περιορίζει το μέγιστο ρυθμό μετάδοσης, δηλαδή την ελάχιστη χρονική απόσταση μεταξύ παλμών. Με αποτέλεσμα, η μετάδοση πάνω από πολυρρυθμικές ίνες περιορίζεται σε λίγα χιλιόμετρα και ρυθμούς μετάδοσης που δεν υπερβαίνουν τις εκατοντάδες Mbps. Η σμίκρυνση της διατομής του πυρήνα της ίνας σε 8-10 μm εξαλείφει το φαινόμενο της διασποράς τρόπων διάδοσης, καθώς οι οπτικές ίνες έχουν τη δυνατότητα να ακολουθήσουν μία μόνο οπτική διαδρομή. Καθώς υπάρχει μοναδική διαδρομή διάδοσης, οι παραπάνω ίνες καλούνται μονορρυθμικές. Οι μονορρυθμικές ίνες δίνουν τη δυνατότητα για πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις, οι οποίες πλέον περιορίζονται από φαινόμενα όπως η εξασθένηση (στην περιοχή των 1.33 μm) και η χρωματική διασπορά (στην περιοχή των 1.55 μm). Η χρωματική διασπορά οφείλεται στην εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από τη συχνότητα, οπότε οι διάφορες συχνότητες που συνιστούν τον οπτικό 32

33 παλμό διαδίδονται με διαφορετικές ταχύτητες. Τελικό αποτέλεσμα, όπως και στην περίπτωση της διασποράς τρόπων μετάδοσης, είναι η χρονική διεύρυνση του παλμού. Όμως το φαινόμενο της χρωματικής διασποράς καθιστά δυνατή την οπτική μετάδοση σε ρυθμούς μερικών Gbps για εκατοντάδες χιλιόμετρα. Επιπλέον, με τη χρήση κατάλληλων ινών αντιστάθμισης της χρωματικής διασποράς και οπτικών ενισχυτών η απόσταση μετάδοσης αυξάνεται σε μερικές χιλιάδες χιλιόμετρα Πλεονεκτήματα της οπτικής ίνας ως μέσο μετάδοσης Παρακάτω αναλύονται μερικά από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της οπτικής ίνας ως μέσο μετάδοσης έναντι άλλων μέσων. Πρακτικά απεριόριστο εύρος ζώνης: Το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε μια οπτική ίνα φτάνει σε μερικές δεκάδες THz. Για την πλήρη εκμετάλλευση του χρησιμοποιούνται οι δυο περιοχές χαμηλής εξασθένησης του οπτικού σήματος στα 1310 nm και στα 1550 nm. Ενώ η χωρητικότητα της μπορεί να αυξηθεί με τη χρήση πολλών φερουσών ακτινοβολιών σε διάφορα μήκη κύματος μέσα από την ίδια ίνα σύμφωνα με την τεχνική της πολυπλεξίας μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Χαμηλή εξασθένηση σήματος: Η μετάδοση σημάτων μέσω των οπτικών ινών μπορεί να έχει χαμηλή εξασθένηση, έως και 0.25 db/km για τη ζώνη μήκους κύματος των 1550 nm. Στην πράξη τέτοια επίπεδα εξασθένησης συνεπάγονται τη δυνατότητα ενός οπτικού σήματος σε αυτή τη ζώνη να διανύσει απόσταση περίπου 120 km προτού χρειαστεί ενίσχυση ή αναγέννηση. Καλύτερη ποιότητα σήματος: Επειδή η οπτική μετάδοση δεν επηρεάζεται από ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Για δεδομένη απόσταση, το ποσοστό σφαλμάτων σε δυαδικά ψηφία (Bit Error Rate, BER) μιας μετάδοσης είναι γύρω στα 10-9 και σε αντίθεση με τη τιμή του BER για τους χάλκινους συνδέσμους που δε θα ήταν καλύτερη από Ευκολία στην εγκατάσταση και τη συντήρηση: Μια οπτική ίνα καλής ποιότητας είναι μερικές φορές λιγότερο εύθραυστη από ένα καλώδιο χαλκού. Επιπρόσθετα οι οπτικές ίνες δεν παθαίνουν διάβρωση και είναι λιγότερο ευάλωτες σε φθορές λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών. Είναι ιδιαίτερα εύκαμπτες, ζυγίζουν

34 λιγότερο από τα χάλκινα καλώδια και έχουν λιγότερες απαιτήσεις σε χώρο. Με αποτέλεσμα στο χώρο που απαιτείται για ένα χάλκινο καλώδιο μπορούν να εγκατασταθούν περισσότερες από μια οπτικές ίνες. Μεγαλύτερη ασφάλεια: Η οπτική ίνα αποτελεί ασφαλές μέσο μετάδοσης καθώς δεν είναι δυνατόν να διαβαστούν ή να μεταβληθούν τα μεταδιδόμενα οπτικά σήματα χωρίς τη φυσική διάσπαση της. Επειδή το οπτικό σήμα που μεταφέρει τα δεδομένα περιορίζεται στον πυρήνα της οπτικής ίνας, δεν είναι δυνατή η υποκλοπή των δεδομένων, χωρίς υποβάθμιση της στάθμης του σήματος, που γίνεται όμως αντιληπτή στον δέκτη. Μόνωση: Η οπτική ίνα αποτελείται από διηλεκτρικό υλικό, και ως εκ τούτου δε μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα, που μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρικό σπινθήρα με κίνδυνο έκρηξης ή πυρκαγιάς. Χαμηλότερο κόστος πρώτης ύλης: Η πρώτη ύλη από την οποία κατασκευάζονται οι οπτικές ίνες είναι το πυρίτιο (γυαλί), που βρίσκεται σε αφθονία στους κόκκους της άμμου, σε σύγκριση με το χαλκό, που αποτελεί το υλικό των δισύρματων και ομοαξονικών καλωδίων, τα αποθέματα του οποίου είναι σπανιότερα Οπτικοί πομποί Πέραν της εξέλιξης των οπτικών ινών, αύξηση των ρυθμών μετάδοσης στα οπτικά δίκτυα επιτεύχθηκε με την υλοποίηση των κατάλληλων οπτικών πομπών. Οι πρώτοι οπτικοί πομποί που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα Light Emitting Diodes (LEDs), τα οποία παρήγαγαν οπτικούς παλμούς μέσω της διαμόρφωσης του ρεύματος τους. Όμως τα LEDs παρήγαγαν χαμηλή οπτική ισχύ με αποτέλεσμα σύντομα να αντικατασταθούν από τα διοδικά λέιζερ. Τα πρώτα διοδικά λέιζερ έδιναν μεγαλύτερη οπτική ισχύ από τα LED αλλά παρήγαγαν οπτικούς παλμούς με μεγάλο φασματικό εύρος, το οποίο σε συνδυασμό με τη χρωματική διασπορά της ίνας προκαλούσε σημαντική διεύρυνση στους παλμούς. Η εξέλιξη των διοδικών λέιζερ σε λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (Distributed Feedback Lasers, DFBs) επέτρεψε τη μείωση του φασματικού εύρους των παραγόμενων οπτικών παλμών και συνεπώς ελαχιστοποίησε την επίδραση της χρωματικής διασποράς. Ωστόσο, ο ρυθμός μετάδοσης που είναι δυνατόν να επιτευχθεί με DFBs περιορίζεται σε μερικά Gbps.

35 Ο διαχωρισμός της λειτουργίας παραγωγής του οπτικού σήματος από τη λειτουργία διαμόρφωσης του οδήγησε στην εξέλιξη των οπτικών πομπών στη σημερινή τους μορφή. Έτσι στους σημερινούς οπτικούς πομπούς, τα DFBs αποτελούν τους ταλαντωτές ακριβείας για την παραγωγή του οπτικού σήματος, ενώ η διαμόρφωση του οπτικού σήματος από τα ηλεκτρικά δεδομένα γίνεται σε εξωτερικούς ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα λειτουργίας σε ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των Gbps [6] Φωτοανιχνευτές Οι φωτοανιχνευτές είναι συσκευές οι οποίες ανιχνεύουν τα οπτικά σήματα και τα μετατρέπουν σε ηλεκτρικά. Το όνομα τους προκύπτει από την ικανότητα τους να ανιχνεύουν την παρουσία φωτός. Οι φωτοανιχνευτές κατασκευάζονται από υλικά όπως το γερμάνιο, το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο και το ίνδιο αρσενικό γάλλιο. Για να παραχθεί ρεύμα από το φως, πρέπει τα φωτόνια να έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να προκαλέσουν τη μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Με άλλα λόγια, πρέπει η ενέργεια των φωτονίων να είναι μεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό χάσμα μεταξύ των δύο ζωνών. Η ευαισθησία ενός φωτοανιχνευτή μειώνεται απότομα στο άκρο του φάσματος που έχει μεγάλα μήκη κύματος και μικρή ενέργεια. Υπάρχουν δυο είδη φωτοανιχνευτών που χρησιμοποιούνται ευρέως: η φωτοδίοδος PIN και η φωτοδίοδος χιονοστιβάδας [1]. 4.4.Οπτικά φίλτρα Τα οπτικά φίλτρα είναι συσκευές που εμποδίζουν ένα μέρος του εισερχόμενου φωτός από το να φτάσει σε συγκεκριμένο σημείο ή προορισμό. Τα οπτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται σε συστήματα WDM για να διαχωρίσουν τα σήματα στα επιμέρους μήκη κύματος προκειμένου να τα δρομολογήσουν σε διαφορετικούς προορισμούς. Σε άλλες περιπτώσεις, τα οπτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται για να μειώσουν την ένταση του σήματος, ώστε να μην προκληθεί υπερφόρτωση στον αποδέκτη, για να εμποδίσουν τη διέλευση παρείσακτων μηκών κύματος και για εξισορροπήσουν τα σήματα που μεταδίδονται από το ίδιο σύστημα σε διαφορετικά μήκη κύματος. Ορισμένα φίλτρα εμποδίζουν επιλεκτικά τη διέλευση του φωτός (σε όλο το φάσμα) ή επιτρέπουν τη διέλευση μόνο σε επιλεγμένα μήκη κύματος. Τα φίλτρα γραμμής και ζώνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα WDM αλλά ως

36 επί το πλείστον για να εμποδίσουν ανεπιθύμητα μήκη κύματος, παρά για να διαχωρίσουν το σήμα στα μήκη κύματος από τα οποία αποτελείται. Η κύρια λειτουργία των φίλτρων γραμμής και ζώνης είναι ο περιορισμός της μετάδοσης του φωτός, έτσι ώστε να επιτρέπεται η διέλευση μόνο σε συγκεκριμένα μήκη κύματος και να εμποδίζονται άλλα μήκη κύματος τα οποία ενδέχεται να προκαλέσουν θόρυβο. Γενικά, ένα φίλτρο WDM μεταδίδει επιλεγμένα μήκη κύματος και αντανακλά τα υπόλοιπα. Τα μήκη κύματος που δε διέρχονται από το φίλτρο συνήθως ανακλώνται σε άλλα σημεία του συστήματος οπτικής επικοινωνίας. Η λειτουργία αυτών των φίλτρων μπορεί να παρομοιαστεί με σκιασμένα κάτοπτρα και κάτοπτρα μονής διέλευσης τα οποία αντανακλούν το μεγαλύτερο μέρος του φωτός που προσπίπτει πάνω τους αλλά επιτρέπουν τη διέλευση μιας ποσότητας ικανής για να μπορεί κανείς να δει μέσα από αυτά. Τα φίλτρα έχουν συνήθως περιοδικές συχνότητες συντονισμού. Η απόσταση μεταξύ δυο γειτονικών συχνοτήτων συντονισμού συχνά καλείται ελεύθερο φασματικό εύρος. Ένα άλλο μέτρο της απόδοσης ενός οπτικού φίλτρου είναι η λεπτότητα του, η οποία ορίζεται ως το μέτρο της ακρίβειας συντονισμού. Οπτικά φίλτρα με διαφορετικό ελεύθερο φασματικό εύρος μπορούν να τοποθετηθούν σε παράταξη. Τα οπτικά φίλτρα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: στα σταθερά και στα μεταβλητά. Τα μεταβλητά οπτικά φίλτρα έχουν καλές επιδόσεις στην επιλεκτική προσθήκη ή εξαγωγή συγκεκριμένων μηκών κύματος από και προς ένα πολυκαναλικό δίκτυο [1] Οπτικοί ενισχυτές Οι οπτικοί ενισχυτές εισάγονται περιοδικά στις οπτικές WDM ζεύξεις σε διαστήματα km. Συνήθως, οι οπτικοί ενισχυτές είναι ενισχυτές ίνας με προσμίξεις ερβίου. Αν παραπάνω από μια οπτικές περιοχές χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση, τότε αποπολυπλέκονται και ενισχύονται σε διαφορετικούς ενιχυτές Ενισχυτές ίνας με προσμίξεις ερβίου (Erbium Doped Fiber Amplifiers) Οι συσκευές EDFA είναι οπτικές ίνες κατασκευασμένες από διοξείδιο του πυριτίου με προσμίξεις ερβίου, το οποίο είναι ένα σπάνιο στοιχείο με κατάλληλα

37 ενεργειακά επίπεδα στην ατομική του δομή ώστε να ενισχύει το φως στην περιοχή των 1550 nm. Η ενέργεια εισάγεται στην ίνα με τις προσμίξεις με χρήση λέιζερ άντλησης που λειτουργεί στα 980 nm. Όταν τα ιόντα του ερβίου διεγείρονται και μεταπίπτουν σε μια σταθερή ενεργειακή κατάσταση γίνεται αναστροφή πληθυσμού η οποία μετατρέπει το μέσο σε ενεργό μέσο ενίσχυσης. Με άλλα λόγια, όταν ένα αδύναμο σήμα στην περιοχή των 1310 ή των 1550 nm εισέρχεται στην ίνα, το φως διεγείρει τα άτομα του ερβίου τα οποία απελευθερώνουν την ενέργεια τους με τη μορφή επιπλέον φωτός στην περιοχή των 1310 ή 1550 nm αντίστοιχα. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται κατά τη διέλευση του φωτός από την ίνα και γίνεται προοδευτικά πιο έντονη. Ο ενισχυτής μπορεί να δεχτεί παράλληλα οπτικά σήματα σε διάφορα μήκη κύματος και να τα ενισχύσει όλα ταυτόχρονα ανεξάρτητα από τους επιμέρους ρυθμούς μετάδοσης, τα είδη διαμόρφωσης και τα επίπεδα ισχύος Μετατροπείς μήκους κύματος Οι μεταροπείς μήκους κύματος αποτελούν σημαντικά δομικά στοιχεία των WDM δικτύων για τρεις κυρίως λόγους [6]: 1. Παρέχουν τη δυνατότητα μετατροπής του μήκους κύματος των δεδομένων που εισέρχονται στο δίκτυο σε μήκος κύματος το οποίο είναι συμβατό με τα μήκη κύματος που διακινούνται στο δίκτυο. 2. Επιτρέπουν τη σύνδεση WDM δικτύων διαφορετικών παρόχων, οι οποίοι διαχειρίζονται διαφορετικά τα μήκη κύματος. 3. Οι μετατροπείς μήκους κύματος δίνουν ευελιξία στην πλήρη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης στο δίκτυο. Σχετικό παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα 4.6, όπου αντιπαραβάλλεται WDM δίκτυο με και χωρίς δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος. Αν δεν υπάρχει δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος τότε το αρχικά επιλεγόμενο μήκος κύματος θα πρέπει να είναι διαθέσιμο σε όλες τις ενδιάμεσες ζεύξεις μεταξύ πηγής και προορισμού. Όμως αυτό δεν είναι πάντοτε δυνατό, ιδιαίτερα αν το μέγεθος του δικτύου είναι μεγάλο, οπότε το οπτικό μονοπάτι δεν εγκαθίσταται παρότι υπάρχουν διαθέσιμα μήκη κύματος. Αντίθετα, αν υπάρχει δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος το οπτικό μονοπάτι εγκαθίσταται δεδομένου ότι υπάρχει διαθέσιμο μήκος κύματος σε κάθε ενδιάμεση ζεύξη.

38 38 Σχήμα Δίκτυα WDM (α) χωρίς και (β) με μετατροπή μήκους κύματος Οι μετατροπείς μήκους κύματος κατηγοριοποιούνται αναφορικά με τα μήκη κύματος που παρέχουν στις εισόδους και τις εξόδους τους σε: μετατροπείς συγκεκριμένης εισόδου και εξόδου, μεταβλητής εισόδου και συγκεκριμένης εξόδου, συγκεκριμένης εισόδου και μεταβλητής εξόδου, και μεταβλητής εισόδου και εξόδου. Οι μετατροπείς συγκεκριμένης εισόδου και εξόδου μπορούν να μετατρέψουν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος εισόδου σε συγκεκριμένο μήκος κύματος εξόδου. Οι μετατροπείς μεταβλητής εισόδου και συγκεκριμένης εξόδου μετατρέπουν διάφορα μήκη κύματος σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, ενώ το αντίστροφο επιτυγχάνεται από μετατροπείς, συγκεκριμένης εισόδου και μεταβλητής εξόδου. Τέλος, μετατροπείς μεταβλητής εισόδου και εξόδου μπορούν να μετατρέψουν οποιοδήποτε εισερχόμενο μήκος κύματος σε οποιοδήποτε μήκος κύματος. 4.7.Τερματικά οπτικής γραμμής (Optical Line Terminals) Τα τερματικά οπτικής γραμμής (OLTs) είναι τα απλούστερα, από αρχιτεκτονικής πλευράς, δομικά στοιχεία. Χρησιμοποιούνται στα άκρα της από σημείο σε σημείο οπτικής σύνδεσης για την πολύπλεξη και αποπολύπλεξη μηκών κύματος. Τα βασικά στοιχεία που απαρτίζουν τους (OLTs) είναι οι transponders, οι πολυπλέκτες μήκους κύματος και πιθανόν οπτικοί ενισχυτές. Οι transponders μετατρέπουν τα σήμα το οποίο έρχεται από τους τελικούς χρήστες του οπτικού δικτύου σε μορφή συμβατή με τη λειτουργία του δικτύου. Ομοίως, κατά την αντίστροφη κατεύθυνση διάδοσης, οι transponders μετατρέπουν το εισερχόμενο από το δίκτυο σήμα σε μορφή αποδεκτή από τον τελικό χρήστη. Η διεπαφή μεταξύ transponder και χρήστη εξαρτάται από το ρυθμό μετάδοσης, την απόσταση και τις πιθανές απώλειες. Η πιο συνηθισμένη

39 διεπαφή είναι η SDH κοντινής απόστασης (<2 km), ενώ υπάρχουν και διεπαφές για ρυθμούς μετάδοσης 10 Gbps σε μικρότερες αποστάσεις. Επιπλέον, ο transponder ενδέχεται να πλαισιώνει την εισερχόμενη πληροφορία με πληροφορίες σχετικά με τη διαχείριση δικτύου ή να προσθέτει πληροφορία για Forward Error Correction (FEC), ιδιαίτερα σε μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης. Τα παραπάνω συνήθως λαμβάνουν χώρα μετά την οπτο-ηλεκτρονική μετατροπή του σήματος στην είσοδο του transponder, ενώ μετά τη μορφοποίηση του σήματος ακολουθεί η ηλεκτρο-οπτική μετατροπή του σήματος στην έξοδο του transponder. Το σήμα που παράγεται από τον transponder στην πλευρά του πομπού πολυπλέκεται μαζί με άλλα σήματα, πριν από την εισαγωγή τους στην οπτική ίνα, μέσω πολυπλέκτη μήκους κύματος. Ομοίως στη πλευρά του δέκτη το εισερχόμενο σήμα αποπολυπλέκεται και κάθε μήκος κύματος οδηγείται στον αντίστοιχο transponder. Πριν τη μετάδοση και τη λήψη το πολυπλεγμένο σήμα ενισχύεται σε οπτικό ενισχυτή αν είναι αναγκαίο. Τέλος, πέραν των σημάτων που παράγονται από τους τελικούς χρήστες του οπτικού δικτύου, οι OLTs τερματίζουν και οπτικά κανάλια εποπτείας. Το κανάλι εποπτείας μεταφέρεται σε ξεχωριστό μήκος κύματος, διαφορετικό από τα κανάλια που μεταφέρουν την κίνηση των χρηστών, και χρησιμοποιείται για την εποπτεία της λειτουργίας της οπτικής ζεύξης και για λειτουργίες διαχείρισης του δικτύου [6] Οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/απομάστευσης (Optical Add-Drop Multiplexers) Οι οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/απομάστευσης (OADMs) παρέχουν μια οικονομική μέθοδο διαχείρισης της κίνησης σε μητροπολιτικά δίκτυα και δίκτυα ευρείας κλίμακας. Τα πλεονεκτήματα των OADMs απεικονίζονται στο παράδειγμα του σχήματος 4.8, όπου ο κόμβος Α επικοινωνεί με τον ενδιάμεσο κόμβο Β με ένα μήκος κύματος και με τον κόμβο C με τρία μήκη κύματος. Επιπλέον ο κόμβος Β επικοινωνεί με ένα μήκος κύματος με τον κόμβο C. Χρησιμοποιώντας OLTs, η επικοινωνία των κόμβων είναι εφικτή με τη δημιουργία δυο συνδέσεων σημείου προς σημείο, μίας μεταξύ των κόμβων Α και Β και μίας μεταξύ των κόμβων B και C. Καθώς, όμως, στον κόμβο Β τερματίζονται τέσσερα μήκη κύματος απαιτούνται οκτώ transponders, έξι από τους οποίους συνδέονται με back-to-back συνδέσεις. Οι έξι transponders δεν επιτελούν κάποια λειτουργία μετατροπής σήματος, κατά συνέπεια εισάγουν αδικαιολόγητο κόστος στο σύστημα.

40 Εναλλακτικά, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ένας OADM στον κόμβο Β. Ο OADM απομαστεύει το επιθυμητό μήκος (Α προς Β), το οποίο και τερματίζεται σε transponder, ενώ τα υπόλοιπα μήκη κύματος (Α προς C) παραμένουν σε οπτική μορφή. Επιπλέον, η επικοινωνία μεταξύ B και C γίνεται μέσω δεύτερου transponder, η έξοδος του οποίου πολυπλέκεται με τα διερχόμενα μήκη κύματος στον OADM. Γίνεται φανερό, λοιπόν, ότι η χρήση OADMs μειώνει σημαντικά τον αριθμό των transponders που χρειάζονται, άρα και το συνεπαγόμενο κόστος. Σε κόμβους πραγματικών δικτύων τα διερχόμενα μήκη κύματος είναι κατά πολύ περισσότερα από τα τερματιζόμενα, συνεπώς η μείωση του κόστους είναι ιδιαίτερα μεγάλη [6]. 40 Σχήμα 4.8 WDM δίκτυο χωρίς (α) και (β) με τη χρήση OADMs 4.9.Οπτικές διασυνδέσεις (Optical cross-connect) Οι OADMs έχουν τη δυνατότητα διαχείρισης απλών δικτυακών τοπολογιών, όπως η γραμμική τοπολογία και η τοπολογία δακτυλίου, και σχετικά μικρό αριθμό μηκών κύματος. Για περισσότερα μήκη κύματος και για πιο πολύπλοκες δικτυακές τοπολογίες είναι αναγκαία η χρήση των Optical

41 cross-connect (OXCs), ιδιαίτερα σε κόμβους οι οποίοι διαχειρίζονται μεγάλα ποσά πληροφορίας. Οι λειτουργίες που επιτελεί μια OXC είναι οι ακόλουθες: Παροχή υπηρεσίας: οι OXCs παρέχουν οπτικά μονοπάτια με αυτοματοποιημένο τρόπο. Η συγκεκριμένη λειτουργία είναι σημαντική όταν το δίκτυο χρησιμοποιεί μεγάλο αριθμό μηκών κύματος και όταν το δίκτυο αποτελείται από μεγάλο αριθμό κόμβων. Επιπλέον, οι OXCs ανακατανέμουν τα μήκη κύματος ώστε να αντιμετωπίζονται αλλαγές στη μεταδιδόμενη κίνηση. Προστασία: Η προστασία των οπτικών από βλάβες στον εξοπλισμό και τις οπτικές ίνες αποτελεί σημαντική λειτουργία των OXCs. Οι OXCs ανακαλύπτουν τις εν λόγω βλάβες και αναδρομολογούν τα μήκη κύματος ώστε να είναι αδιάλειπτη η παροχή υπηρεσίας. Εποπτεία επίδοσης: Οι OXCs παρέχουν εποπτεία της ποιότητας σήματος των διακινούμενων μηκών κύματος σε ενδιάμεσους κόμβους, επιτρέποντας τη διασύνδεση μετρητικού εξοπλισμού σε κατάλληλες θύρες τους. Το προς μέτρηση μήκος κύματος χωρίζεται σε δυο μέρη μέσα στις OXCs: το ένα μέρος οδηγείται στη θύρα μέτρησης, ενώ το δεύτερο οδηγείται προς την κατάλληλη θύρα εξόδου, ώστε να μη διακόπτεται η λειτουργία του οπτικού μονοπατιού. Πολύπλεξη και συγκέντρωση κίνησης: Τυπικά οι OXCs διαχειρίζονται κίνηση σε οπτικούς ρυθμούς μετάδοσης. Είναι δυνατόν, όμως να παρέχουν δυνατότητες πολύπλεξης και συγκέντρωσης κίνησης σε ρυθμούς μετάδοσης πολύ χαμηλότερους. Διαφάνεια ως προς το ρυθμό μετάδοσης: Η δυνατότητα διαχείρισης αυθαίρετων ρυθμών μετάδοσης και μορφών πλαισίου από τις OXCs είναι επιθυμητή. Μετατροπή μήκους κύματος: Η μετατροπή μήκους κύματος είναι απαραίτητη για την πλήρη αντιστοίχιση των διαθέσιμων μηκών κύματος σε οπτικά μονοπάτια. 41

42 42 5.Αρχιτεκτονική τηλεπικοινωνιακών δικτύων Τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα ακολουθούν μια πολυεπίπεδη αρχιτεκτονική, σύμφωνη με το σκεπτικό της ιεραρχίας του International Standards Organization (ISO), με τα ακόλουθα επίπεδα: φυσικό, ζεύξης δεδομένων, δικτύου, μεταφοράς, συνόδου παρουσίασης και εφαρμογών. Κάθε στρώμα επιτελεί συγκεκριμένες προτυποποιημένες λειτουργίες και παρέχει συγκεκριμένες υπηρεσίες στο αμέσως υπερκείμενο στρώμα. Τα γειτονικά στρώματα επικοινωνούν μεταξύ τους με συγκεκριμένες διεπαφές, οι οποίες ονομάζονται σημεία πρόσβασης υπηρεσίας (service access points, SAPs) και συνήθως υπάρχουν περισσότερα του ενός SAPs ανάλογα με το είδος των παρεχόμενων υπηρεσιών. Στις περισσότερες περιπτώσεις το δίκτυο παρέχει συνδέσεις, οι οποίες εγκαθίστανται μεταξύ ενός κόμβου αφετηρίας και ενός κόμβου προορισμού. Τα δεδομένα κάθε σύνδεσης διατρέχουν τα κατάλληλα επίπεδα σε κάθε ενδιάμεση δικτυακή συσκευή και κάθε επίπεδο ενθυλακώνει την πληροφορία που έλαβε από το ανώτερο επίπεδο, προσθέτοντας επιπλέον πληροφορία που αφορά τη διαχείριση της σύνδεσης. Ωστόσο η κλασσική διαστρωμάτωση του OSI δε λαμβάνει υπόψη τις δυνατότητες πολυπλεξίας και δρομολόγησης που παρέχονται από τα οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος, και κατά συνέπεια είναι αναγκαία η τροποποίηση του. Συγκεκριμένα, η υλοποίηση οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς εισάγει ακόμα ένα επίπεδο στην ιεραρχία πρωτοκόλλων, το οπτικό επίπεδο. Το οπτικό επίπεδο αποτελεί επίπεδο παροχής υπηρεσιών σε ανώτερα επίπεδα, όπως για παράδειγμα το IP, το ΑΤΜ ή το SONET/SDH. Ανάμεσα στο οπτικό επίπεδο, όπου κυριαρχεί η τεχνολογία WDM, και στο επίπεδο IP μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι αρχιτεκτονικές που απεικονίζονται στο σχήμα 5. Σχήμα 5 Αριστερά: IP over ATM over SONET/SDH over WDM, κέντρο: IP over SONET/SDH over WDM, δεξιά: IP over WDM

43 Internet Protocol (IP) Το IP (Internet Protocol) αποτελεί το πλέον διαδεδομένο πρωτόκολλο για δίκτυα ευρείας έκτασης και η επιτυχία του οφείλεται στο γεγονός ότι έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί πάνω από ευρεία γκάμα πρωτοκόλλων ζεύξης δεδομένων. Το IP έχει τη δυνατότητα λειτουργίας πάνω από Ethernet και token ring πρωτόκολλα κοινής πρόσβασης, αλλά και πάνω από χαμηλής ταχύτητας σειριακές γραμμές και ζεύξεις οπτικών ινών με τα πρωτόκολλα PPP (Point to Point Protocol) και HDLC (High-level Data Link Control). Ο όρος IP over WDM χρησιμοποιείται συνήθως για την απεικόνιση του IP στο οπτικό επίπεδο. Ωστόσο το IP, όντας πρωτόκολλο στρώματος δικτύου, δεν εγγυάται αξιόπιστη και με τη σωστή σειρά παράδοση των δεδομένων στον προορισμό. Οι παραπάνω λειτουργίες επιτελούνται από πρωτόκολλο στρώματος μεταφοράς, τυπικά το TCP (Transmission Control Protocol) ή το UDP (User Datagram Protocol). 5.2.Asynchronous Transfer Mode (ATM) Ο ασύγχρονος τρόπος μεταφοράς (Asynchronous Transfer Mode, ATM) είναι σύγχρονη και πολλά υποσχόμενη εφαρμογή της τεχνικής της μεταγωγής. Συνδυάζει την αποδοτικότητα της μεταγωγής πακέτων με την αξιοπιστία της μεταγωγής κυκλώματος. Το ΑΤΜ δίκτυο χρησιμοποιεί πακέτα σταθερού μεγέθους ίσο με 53 bytes, από τα οποία η επικεφαλίδα (header) είναι 5 bytes και η ωφέλιμη πληροφορία του χρήστη (payload) 48 bytes. Το μέγεθος των πακέτων ΑΤΜ αποτελεί συμβιβασμό μεταξύ των απαιτήσεων που επιβάλλονται από τη μεταφορά δεδομένων και φωνής. Μικρού μεγέθους πακέτα είναι προτιμητέα για φωνή, καθώς τα μικρού μεγέθους πακέτα παραδίδονται με μικρή καθυστέρηση, ενώ μεγάλου μεγέθους πακέτα είναι προτιμητέα για δεδομένα διότι η απόδοση του δικτύου δεδομένων αυξάνει για μεγάλα μεταφερόμενα φορτία. Βασικό πλεονέκτημα του ΑΤΜ αποτελεί η παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσίας σε εφαρμογές, για μεγέθη όπως το εύρος ζώνης και η καθυστέρηση. Προκειμένου να επιτύχει αυτές τις εγγυήσεις χρησιμοποιεί πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά μιας σύνδεσης, όπως για παράδειγμα το μέσο και το μέγιστο εύρος ζώνης που απαιτείται από την εν λόγω σύνδεση [7].

44 5.3.Synchronous Optical Network (SONET)/ Synchronous Digital Hierarchy (SDH) 44 Οι όροι SONET και SDH αναφέρονται σε ένα σύνολο καθορισμένων προτύπων που περιγράφουν την εκπομπή δεδομένων με τη μέθοδο της TDM σε δίκτυα οπτικών ινών. Ουσιαστικά, πρόκειται για την αμερικανική και την διεθνή έκδοση της ίδιας σειράς προτύπων. Έτσι, το Αμερικανικό Ινστιτούτο Εθνικών Προτύπων (ANSI) είναι υπεύθυνο για το συντονισμό και την έκδοση των προτύπων SONET, ενώ η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU) είναι υπεύθυνη για τη σειρά SDH. Το βασικό πρόβλημα το οποίο επιλύει επιτυχώς η τεχνολογία SONET/SDH είναι οι πολύπλοκες διαδικασίες μετατροπών (πολύπλεξηςαποπολύπλεξης κωδικοποίησης-αποκωδικοποίησης) που θα απαιτούνταν για την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών τύπων δικτύων. Το γεγονός αυτό επιτυγχάνεται μέσω της τυποποίησης κατά SONET/SDH των ρυθμών μεταφοράς και των τρόπων με τον οποίο είναι οργανωμένα τα δεδομένα. Έτσι, είναι δυνατή η μεταφορά πολλών διαφορετικών τύπων δεδομένων μέσω μιας κοινής γραμμής. Ειδικότερα, άλλα σημαντικά πλεονεκτήματα που εξασφαλίζει η τεχνολογία SONET/SDH είναι τα εξής: Σχεδιάστηκε για συμφέρουσα, από πλευράς κόστους, και ευέλικτη τηλεπικοινωνιακή δικτύωση. Τα πρότυπα του SONET/SDH βασίζονται στις αρχές της άμεσης σύγχρονης πολυπλεξίας, που είναι το κλειδί για οικονομική και ευέλικτη τηλεπικοινωνιακή δικτύωση. Ουσιαστικά, αυτό σημαίνει ότι τα συγκεκριμένα σήματα εισόδου μπορεί να πολυπλεχθούν κατευθείαν σε ένα SONET/SDH σήμα υψηλότερης ταχύτητας, χωρίς ενδιάμεσα στάδια πολυπλεξίας. Στη συνέχεια τα στοιχεία του SONET/SDH δικτύου μπορούν να διασυνδεθούν κατευθείαν στο υπάρχον δίκτυο, με προφανή οφέλη από πλευράς κόστους και οικονομίας συσκευών. Εξασφαλίζει ευέλικτη μεταφορά σήματος. Το SONET/SDH σήμα είναι ικανό να μεταφέρει όλα τα συνηθισμένα σήματα, που υπάρχουν στα σημερινά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Αυτό σημαίνει ότι το SONET/SDH μπορεί να αναπτυχθεί σαν ένα πλαίσιο επικάλυψης στο υπάρχον δίκτυο και όπου χρειαστεί, εξασφαλίζει βελτιωμένη ευελιξία δικτύου, μεταφέροντας διαφόρους τύπους σημάτων. Επιπρόσθετα, το SONET/SDH έχει τη δυνατότητα να ενσωματώσει εύκολα νέους τύπους σημάτων, που εξυπηρετούν

45 πελάτες, και τα οποία θα ζητηθούν στο μέλλον από τους χρήστες δικτύων. Οδηγεί σε μία απλή και ενιαία δομή τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Το SONET/SDH μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλα τα παραδοσιακά πεδία εφαρμογής των τηλεπικοινωνιών. Συνεπώς, το SONET/SDH καθιστά δυνατή την ύπαρξη ενοποιημένης δομής δικτύου τηλεπικοινωνιών. Το γεγονός ότι το SONET/SDH βασίζεται σε κοινά δικτυακά πρότυπα, σημαίνει ότι μπορούν να διασυνδεθούν χωρίς προβλήματα συσκευές από διαφορετικούς κατασκευαστές IP over ATM over SONET/SDH over WDM Αποτελεί κατά κόρον εφαρμοζόμενο μοντέλο διαστρωμάτωσης. Η απεικόνιση IP πακέτων στο οπτικό πεδίο φαίνεται στο σχήμα 5.4 και έχει ως εξής κάθε IP πακέτο ενσωματώνεται σε AAL 5 Protocol Data Unit (PDU), η οποία αποτελείται από: 8 bytes επικεφαλίδας το IP πακέτο (0-64 Kbytes) padding, ώστε το συνολικό μέγεθος της PDU να είναι πολλαπλάσιο των 48 bytes 8 bytes πεδίο trailer του AAL-5 Έπειτα η AAL 5 (PDU) τεμαχίζεται σε τμήματα των 48 bytes, τα οποία αποτελούν το φορτίο αντίστοιχων ΑΤΜ πακέτων. Τα ΑΤΜ πακέτα ενθυλακώνονται σε SONET/SDH πλαίσια, τα οποία τελικά πολυπλέκονται και μεταδίδονται από WDM ζεύξεις. Η συγκεκριμένη προσέγγιση παρέχει πλεονεκτήματα όπως οι υψηλές ταχύτητες μετάδοσης, η ταχεία αποκατάσταση του δικτύου και η ευελιξία στην παροχή εύρους ζώνης. Από την άλλη βασικό μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η μείωση της απόδοσης του δικτύου, διαθέσιμο εύρος ζώνης, κατά 4% από το SONET/SDH και περαιτέρω μείωση κατά 18-25% από τα ALL-5 και ATM. Επίσης, καθώς η διαστρωμάτωση περιλαμβάνει τέσσερα επίπεδα, αυξάνεται σημαντικά η πολυπλοκότητα και το κόστος για τη λειτουργία και τη διαχείριση του δικτύου. Συνεπώς είναι επιθυμητό να εξαλειφθούν ένα ή περισσότερα

46 ενδιάμεσα επίπεδα και να λειτουργήσει το IP απευθείας πάνω από το οπτικό επίπεδο. 46 Σχήμα IP over ATM over SONET/SDH over WDM 5.5.IP over SONET/SDH over WDM Η μείωση της απόδοσης του δικτύου λόγω του ΑΤΜ προκάλεσε την υιοθέτηση του μοντέλου τριών στρωμάτων IP over SONET/SDH over WDM. Σε αυτό το μοντέλο τα πακέτα IP ενθυλακώνονται σε πακέτα PPP (Point-to- Point Protocol). Έπειτα προστίθεται σε αυτά πληροφορία πλαισίωσης όπως αυτή ορίζεται από το High Level Data Link Control (HDLC) και τελικά ενθυλακώνονται σε SONET/SDH πλαίσια (σχήμα 5.5), τα οποία αφού πολυπλεχθούν, μεταδίδονται πάνω από WDM ζεύξεις. Η πλαισίωση του HDLC χρησιμοποιείται για να καθοριστούν τα όρια του πακέτου ώστε ο δέκτης να μπορεί να εξάγει το πακέτο από τα SONET/SDH πλαίσια

47 47 Σχήμα 5.5 Ενθυλάκωση πακέτου IP σε πλαίσιο SONET/SDH Αυτή η προσέγγιση διατηρεί τα πλεονεκτήματα υψηλών ταχυτήτων μετάδοσης και ταχείας αποκατάστασης του SONET/SDH ενώ παράλληλα επιτυγχάνει μεγαλύτερο διαθέσιμο εύρος ζώνης. Ωστόσο μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης αποτελεί η αδυναμία ευέλικτης παροχής εύρους ζώνης που οφείλονταν στο ΑΤΜ [8]. 5.6.IP over WDM Στο μοντέλο διαστρωμάτωσης IP over WDM εξαλείφονται πλήρως τα επίπεδα ΑΤΜ και SONEΤ/SDH. Έτσι, τα IP πακέτα δεδομένων μετατρέπονται απευθείας σε οπτικό σήμα και ακολουθεί η διαδικασία της πολύπλεξης στο πεδίο του μήκους κύματος. Όπως γίνεται αντιληπτό, η απουσία της ενδιάμεσης μετατροπής των πακέτων σε προτυποποιημένα SONET/SDH πλαίσια απλοποιεί σημαντικά τη διαδικασία. Σημαντικό ρόλο για την επίτευξη μιας τέτοιας υλοποίησης, με τον απλούστερο δυνατό τρόπο, αποτελεί η ύπαρξη ενός καινοτόμου δρομολογητή που θα ενσωματώνει ορισμένες βασικές WDM λειτουργίες (σχήμα 5.6).

48 48 Σχήμα 5.6 IP over WDM Το σημείο-κλειδί που θα επιτρέψει την αποτελεσματική λειτουργία και την πλήρη εκμετάλλευση των σημαντικών δυνατοτήτων ενός IP over WDM δικτύου είναι ο ξεκάθαρος ορισμός των υπηρεσιών και της λειτουργικότητας που καθένα από τα IP και WDM στρώματα θα προσφέρουν. Είναι σημαντικό να μην υπάρχει σύγκρουση αλλά συμπληρωματικότητα μεταξύ των δύο αυτών στρωμάτων. Ως παράδειγμα αναφέρονται τα θέματα της αλληλεπίδρασης μεταξύ της αναδιαμόρφωσης των οπτικών μονοπατιών και της IP δρομολόγησης ή της αλληλεπίδρασης μεταξύ της IP αποκατάστασης (IP restoration) και της προστασίας στο οπτικό επίπεδο. Επιπλέον, η διαμόρφωση του IP στρώματος θα πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δυνατή η μέγιστη εκμετάλλευση των προσφερόμενων υπηρεσιών από το WDM στρώμα. Για παράδειγμα, εφόσον το IP στρώμα θα μπορούσε να παρέχει υπηρεσίες σε ότι αφορά στον τύπο της κυκλοφορίας και τις απαιτήσεις των πακέτων σε ποιότητα υπηρεσιών (QoS), τότε και το WDM στρώμα θα μπορούσε να δίνει τη δυνατότητα για κατά απαίτηση οπτικά μονοπάτια (on-demand lightpaths) συγκεκριμένης υψηλού όγκου IP κυκλοφορίας

49 5.7.Σύγκριση IP over WDM και IP over SONET/SDH over WDM τεχνολογίας 49 Σχήμα 5.7 Σύγκριση IP over WDM και IP over SONET/SDH over WDM Η ενδεχόμενη απαλοιφή του SONET/SDH στρώματος από την όλη διαμόρφωση ενός οπτικού δικτύου θα μπορούσε να προσφέρει μια σειρά από σημαντικότατα πλεονεκτήματα όπως (σχήμα 5.7) [9]: Ευνοείται η ταχύτερη κλιμάκωση μεγέθους και ταυτόχρονα υπάρχει μεγάλη μείωση του κόστους υλοποίησης και λειτουργίας. Περιορισμός σε υψηλό βαθμό του πλεονασμού που εισάγει η ύπαρξη του επιπλέον SONET/SDH στρώματος. Έτσι, παύει πλέον η αναγκαιότητα χρήσης ενός σοβαρού ποσοστού των πόρων του δικτύου που απορρέουν από τις μη βελτιστοποιημένες λειτουργίες διαχείρισης που διεξάγονται από το SONET/SDH στρώμα. Ο χαμηλός βαθμός πολυπλοκότητας της IP over WDM υλοποίησης. Μετά πλέον και τις τελευταίες τεχνολογικές εξελίξεις, πολλοί θεωρούν ότι το SONET/SDH επίπεδο παύει να προσφέρει λειτουργικότητα στο δίκτυο, γεγονός που έως τώρα αποτελούσε το βασικό πλεονέκτημά του. Ο υψηλός βαθμός ευελιξίας που προσφέρει η απλή υλοποίηση δύο στρωμάτων, για την υλοποίηση και διαχείριση δικτύων υψηλής χωρητικότητας.

50 Παρέχεται η δυνατότητα προσφοράς νέων υπηρεσιών προς τους χρήστες-πελάτες του δικτύου, μέσα σε ένα περιβάλλον αυξανομένης κυκλοφορίας IP δεδομένων (bandwidth on demand με χρήση lightpaths). Ωστόσο, στα παραπάνω θα πρέπει να συνυπολογιστεί ότι η SONET/SDH τεχνολογία διαθέτει υψηλό επίπεδο ωριμότητας και όταν χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την WDM λύση στο χαμηλότερο στρώμα, μέσω μιας IP over SONET/SDH over WDM υλοποίησης, μπορεί να προσφέρει επιπλέον αξιοπιστία στο δίκτυο. 50

51 51 6.Εξοικονόμηση ενέργειας στα οπτικά δίκτυα Η επέκταση του διαδικτύου σε προσβασιμότητα και χωρητικότητα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας από τον εξοπλισμό που αποτελεί ένα οπτικό δίκτυο. Όμως, η ολοένα και αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας πρόκειται να αποτελέσει εμπόδιο στην περαιτέρω εξάπλωση του διαδικτύου. Συνεπώς προβάλλει επιτακτική η ανάγκη εύρεσης μεθόδων εξοικονόμησης ενέργειας. Η αρχή σε αυτή την προσπάθεια έγινε με την καινοτόμο, για την εποχή εκείνη, μελέτη του[10]. Σε αυτή μελετάται η επίδραση της εισαγωγής των διεπαφών του δικτύου και στοιχείων των δρομολογητών και των μεταγωγών σε κατάσταση ύπνου (sleep mode). Στη συνέχεια ακολούθησε η μελέτη [11], όπου παρουσιάζονται δυο τεχνικές για τη διαχείριση της κατανάλωσης ενέργειας. Η πρώτη, παρόμοια με την [10], βασίζεται στην εισαγωγή των στοιχείων του δικτύου σε sleep modes, όταν αυτά βρίσκονται σε αδράνεια. Η δεύτερη έγκειται στην προσαρμογή του ρυθμού λειτουργίας του δικτύου ανάλογα με τον τρέχων φόρτο στο δίκτυο. Γενικότερα, οι έρευνες για την εύρεση μεθόδων εξοικονόμησης ενέργειας επικεντρώνονται κυρίως σε δυο προσεγγίσεις. Στην πρώτη εφαρμόζεται η λογική των sleep modes. Σύμφωνα με αυτή το δίκτυο αντιμετωπίζεται ως ένα ενιαίο σύνολο και η κατανομή του φόρτου γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε μερικές συσκευές να χαρακτηρίζονται από υψηλή χρησιμοποίηση ενώ οι υπόλοιπες που παραμένουν αδρανείς να εισάγονται σε κατάσταση ύπνου. Αντίθετα στη δεύτερη προσέγγιση κάθε συσκευή αντιμετωπίζεται ως μεμονωμένη οντότητα. Ενώ παράλληλα, γίνεται προσπάθεια ομοιόμορφης κατανομής της κατανάλωσης ενέργειας στις συσκευές προσαρμόζοντας την ταχύτητα και τη χωρητικότητα τους στον τρέχων φόρτο. Ο Chiaraviglio και συν στη μελέτη τους [12] συνδυάζουν και συγκρίνουν τις παραπάνω προσεγγίσεις στοχεύοντας στην περαιτέρω εξοικονόμηση ενέργειας εκμεταλλευόμενοι τα πλεονεκτήματα και των δυο τεχνικών. Πιο συγκεκριμένα, ορίζουν μια απλή συνάρτηση για τον υπολογισμό της κατανάλωσης ενέργειας αποτελούμενη από ένα σταθερό και ένα μεταβαλλόμενο κόστος, που καθορίζεται από το φόρτο της συσκευής. Έπειτα, η συνάρτηση αυτή σε συνδυασμό με τη θεωρία των γράφων χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας των συσκευών του δικτύου. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν χρησιμοποιούνται για να συγκριθεί

52 η κατανάλωση ενέργειας που προκύπτει όταν όλες οι συσκευές είναι ενεργοποιημένες και όταν μόνο ένας περιορισμένος αριθμός συσκευών είναι ενεργός. Αυτή η σύγκριση ξεκαθάρισε τις περιπτώσεις στις οποίες είναι απαραίτητη η υιοθέτηση της λογικής των sleep modes. Επίσης υπήρξαν μελέτες [13] που πραγματεύονται τεχνικές δυναμικής κλιμάκωσης της τάσης, στις οποίες προσαρμόζεται δυναμικά η συχνότητα και η τάση των κόμβων. Ωστόσο αυτές οι τεχνικές απαιτούν εξεζητημένο τεχνικό εξοπλισμό προκειμένου να διασφαλίσουν τη σωστή λειτουργία των κόμβων κατά την κλιμάκωση. Ενώ τα πιθανά οφέλη που προσφέρουν μπορεί να είναι μικρότερα από αυτά που επιτυγχάνονται με τις προσεγγίσεις των sleep modes. Αυτό συμβαίνει γιατί οι κόμβοι βρίσκονται σε λειτουργία ακόμα και όταν είναι αδρανείς. Στο [14] οι συγγραφείς υπολογίζουν τη συνολική κατανάλωση ενέργειας ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου έχοντας ως παράμετρους εισόδου τις απαιτήσεις σε ισχύ των συσκευών του δικτύου και την κίνηση που παράγεται από τους χρήστες. Πιο συγκεκριμένα εξετάζουν όλα τα επιμέρους τμήματα του δικτύου ενός παρόχου και προβλέπουν ότι μελλοντικά η μεγαλύτερη αύξηση στο ρυθμό κατανάλωσης ενέργειας θα σημειωθεί από τα data centers και από τα δίκτυα κορμού. Επίσης, βασίζοντας τις υποθέσεις τους σε τεχνολογικές προβλέψεις, υποστηρίζουν ότι τα μελλοντικά δίκτυα που εφαρμόζουν τη λογική των sleep modes και της προσαρμογής φόρτου θα εξοικονομούν ένα σταθερό ποσό ενέργειας, τυπικά μεγαλύτερο του 56%. Τέλος λαμβάνοντας υπόψη ότι η κατανάλωση ενέργειας των σημερινών συσκευών δικτύου είναι κατά κύριο λόγο ανεξάρτητη του τρέχοντος φόρτου, πολλές μελέτες πλέον στοχεύουν στην ελαχιστοποίηση των συσκευών του δικτύου. Μια τέτοια μελέτη αποτελεί και η [15], όπου επιδιώκεται η ελαχιστοποίηση των IP router ports σε ένα δίκτυο IP over WDM. Για αυτό το σκοπό αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο που υπολογίζει τη συνολική κατανάλωση της ενέργειας στο δίκτυο. Έπειτα προσομοιώνονται τρεις τεχνικές δρομολόγησης των φωτεινών μονοπατιών σε ένα δίκτυο IP over WDM και εφαρμόζεται σε αυτές το μαθηματικό μοντέλο. Με βάση τα αποτελέσματα που προκύπτουν οι προσεγγίσεις αυτές συγκρίνονται και αξιολογούνται. Στις επόμενες ενότητες παρουσιάζεται η υλοποίηση της παραπάνω μελέτης και γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. 52

53 Εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα δίκτυο IP over WDM Ένα δίκτυο κορμού IP over WDM αποτελείται από δυο επίπεδα, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.1.1, το επίπεδο IP και το οπτικό επίπεδο. Στο επίπεδο IP, κεντρικό ρόλο παίζει ο κεντρικός IP router που συνδέεται με ένα οπτικό κόμβο μεταγωγής μέσω των κατάλληλων διεπαφών και συγκεντρώνει την κίνηση δεδομένων που παράγεται από routers χαμηλότερου επίπεδου πρόσβασης. Από την άλλη το οπτικό επίπεδο είναι υπεύθυνο να παρέχει την απαιτούμενη χωρητικότητα στην επικοινωνία των IP routers. Επίσης, στο οπτικό επίπεδο οι κόμβοι μεταγωγής διασυνδέονται με φυσικούς συνδέσμους οπτικής ίνας καθένας από τους οποίους μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερες από μια οπτικές ίνες. Σε κάθε οπτική ίνα ανατίθενται ένα ζεύγος πολυπλέκτη/αποπολυπλέκτη ώστε να πολυπλέκει τα εξερχόμενα και να αποπολυπλέκει τα εισερχόμενα μήκη κύματος. Έπειτα, με κάθε μήκος κύματος συσχετίζεται ένα ζεύγος από transponders μέσω των οποίων πραγματοποιείται η μετάδοση δεδομένων. Μάλιστα, χάρη στην ικανότητα των transponders τόσο για οπτο-ηλεκτρικές όσο για ηλεκτρο-οπτικές μετατροπές είναι εφικτή η πλήρης μετατροπή μήκους κύματος στον κόμβο μεταγωγής. Προκειμένου να είναι εφικτό τα οπτικά σήματα να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις εφαρμόζονται ενισχυτές EDFA. Πιο συγκεκριμένα, μετά τον πομπό τοποθετείται ενισχυτής (post amplifier) προσφέροντας τη μέγιστη δυνατή ισχύ εξόδου. Επίσης, αμέσως πριν το δέκτη χρησιμοποιείται προενισχυτής (pre amplifier) για να βελτιώσει την ευαισθησία του δέκτη. Τέλος, κατά μήκος της ζεύξης, για κάθε 80 km οπτικής ίνας, χρησιμοποιούνται ενισχυτές γραμμής για να αντισταθμίσουν τις απώλειες τις ίνας [15].

54 54 Σχήμα Αρχιτεκτονική ενός οπτικού δικτύου IP over WDM Η δρομολόγηση των lighpaths σε ένα δίκτυο IP over WDM μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις διαφορετικούς τρόπους, με τη τεχνική non-bypass, direct bypass ή multi-hop-bypass. Στο non-bypass (σχήμα 6.1.2) τα lightpaths τερματίζουν σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο του μονοπατιού ανάμεσα στην πηγή και τον προορισμό. Στους ενδιάμεσους κόμβους τα οπτικά σήματα μετατρέπονται σε ηλεκτρικά από κάποιο transponder. Έπειτα υφίστανται επεξεργασία από τον IP router και μετατρέπονται πάλι σε οπτικά προκειμένου να προωθηθούν στον επόμενο κόμβο. Στη μέθοδο αυτή είναι εφικτή η επαναχρησιμοποίηση κάποιου ήδη υπάρχοντος συνδέσμου εφόσον όμως αυτός εξυπηρετεί το ίδιο ζευγάρι κόμβων και η υπολειπόμενη χωρητικότητα του επαρκεί ώστε να εξυπηρετηθεί και η νέα σύνδεση. Με άλλα λόγια επιτρέπει τη συγκέντρωση φόρτου από πολλαπλές πηγές στο ίδιο οπτικό κανάλι (grooming) και το διαχωρισμό του οπτικού καναλιού προς διαφορετικούς προορισμούς (degrooming). Κατά αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται ικανοποιητική χρησιμοποίηση του μέσου. Όμως οι λειτουργίες που απαιτεί αυτή η στρατηγική κοστίζουν και καταναλώνουν πολλή ενέργεια [16]. Σχήμα Non-Bypass Στο direct bypass (σχήμα 6.1.3) τα lightpaths τερματίζουν μόνο στον κόμβο προορισμού προσπερνώντας όλους τους ενδιάμεσους κόμβους ενώ τα σήματα παραμένουν στο οπτικό πεδίο. Συνεπώς απαιτείται οι κόμβοι να είναι «έξυπνοι» ώστε να επιτρέπουν την παράκαμψη (bypass) του lightpath, περιορίζοντας έτσι τον αριθμό των IP router ports. Ωστόσο αυτή η προσέγγιση δεν είναι αποτελεσματική από τη πλευρά της χωρητικότητας του δικτύου καθώς σε κάθε αίτημα για νέα σύνδεση, ακόμα και αν αυτή απαιτεί μικρό εύρος ζώνης, δημιουργείται νέο εικονικό μονοπάτι. Τέλος θεωρούμε ότι τα optical switches δεν έχουν δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος και συνεπώς κάθε lightpath

55 θα πρέπει να συσχετίζεται με το ίδιο μήκος κύματος σε όλους τους συνδέσμους που διανύει [16]. 55 Σχήμα Direct bypass Η τεχνική multi-hop-bypass (σχήμα 6.1.4) αποτελεί συνδυασμό των δυο παραπάνω τεχνικών. Πιο συγκεκριμένα τα lightpaths τερματίζονται μόνο στον κόμβο προορισμού παρακάμπτοντας τους ενδιάμεσους κόμβους εφόσον δεν είναι εφικτή η επαναχρησιμοποίηση κάποιου ενδιάμεσου μονοπατιού. Η επαναχρησιμοποίηση είναι εφικτή με την προϋπόθεση ότι είναι διαθέσιμο προς επαναχρησιμοποίηση είτε ένα ενιαίο μονοπάτι που αναφέρεται ακριβώς στους ίδιους κόμβους είτε επιμέρους μικρότερα μονοπάτια η ένωση των οποίων δίνει το ζητούμενο μονοπάτι. Ωστόσο ο δεύτερος τρόπος επαναχρησιμοποίησης που περιγράφτηκε θα έχει ως συνέπεια τον τερματισμό των επιμέρους μονοπατιών σε ενδιάμεσους κόμβους και την εκτέλεση των οπτο-ηλεκτρικών και ηλεκτροοπτικών μετατροπών που απαιτούνται. Συμπερασματικά, με αυτή τη τεχνική περιορίζεται ο αριθμός των IP router ports σε σχέση με το non bypass και η χρησιμοποίηση του μέσου είναι ικανοποιητική. Σχήμα Multi-hop bypass

56 Σύμφωνα με όσα αναλύθηκαν παραπάνω συμπεραίνεται ότι IP routers παίζουν καθοριστικό ρόλο στην κατανάλωση ενέργειας σε ένα δίκτυο IP over WDM. Συνεπάγεται, λοιπόν, ότι περιορίζοντας τον αριθμό των IP router ports μεγιστοποιείται η εξοικονόμηση ενέργειας. Και αυτό επειδή οι IP router ports πραγματοποιούν την προώθηση των πακέτων στους διάφορους κόμβους, λειτουργία που καταναλώνει την περισσότερη ενέργεια σε ένα IP router. Συμπερασματικά είναι λογικό οι IP router ports να χρησιμοποιούνται ως μέσο μέτρησης της κατανάλωσης ενέργειας και έτσι τίθεται ως στόχος αυτής της μελέτης η ελαχιστοποίηση τους Μοντέλο εξοικονόμησης ενέργειας Για την επίλυση του προβλήματος εξοικονόμησης ενέργειας ως είσοδος στο πρόγραμμα δίνονται οι παρακάτω παράμετροι: Μια φυσική τοπολογία Gp=(N,E) όπου Ν το σύνολο των κόμβων του δικτύου και E το σύνολο των συνδέσμων. Το σύνολο των κόμβων αντιστοιχεί στους IP routers ενώ το σύνολο των συνδέσμων στις οπτικές ίνες που ενώνουν τους κόμβους στο οπτικό επίπεδο. Ένας πίνακας [λ] που προσδιορίζει το φόρτο λ sd που παράγεται ανάμεσα σε ζευγάρι κόμβων s και d. Ο αριθμός των μηκών κύματος W που μεταφέρει κάθε οπτική ίνα και η χωρητικότητα Β Gb/s του κάθε μήκους κύματος. Ο μέγιστος αριθμός των IP routers i σε ένα κόμβο, που στο συγκεκριμένο πρόβλημα θα αποτελέσει μια σταθερά λόγω της επιδίωξης για επίτευξη μειωμένης κατανάλωσης ενέργειας σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Η μέση κατανάλωση ενέργειας από μια IP router port Εr, η μέση κατανάλωση ενέργειας του transponder Et και η μέση κατανάλωση ενός ενισχυτή EDFA Ee. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω παραμέτρους επιδιώκεται: α) προσδιορισμός της βέλτιστης εικονικής τοπολογίας στο επίπεδο IP, β) η δρομολόγηση των lightpaths στη φυσική τοπολογία, γ) προσδιορισμός των μηκών κύματος, των οπτικών ινών και των ενισχυτών που απαιτούνται.

57 Επιπρόσθετα με τις παραπάνω εισόδους για την επίλυση του προβλήματος είναι αναγκαίο να οριστούν οι εξής παράμετροι: 57 Δ i C ij w mn A mn f mn Ο αριθμός των ports που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώσουν το φόρτο που παράγεται από τους τελικούς χρήστες στον κόμβο i και υπολογίζεται από ( d N λid ) B Ο αριθμός των μηκών κύματος στον εικονικό σύνδεσμο μεταξύ των κόμβων i και j. Ο αριθμός των μηκών κύματος στο φυσικό σύνδεσμο μεταξύ των κόμβων m και n. Ο αριθμός των ενισχυτών που θα χρειαστούν και υπολογίζεται από L mn S 1 + 2, όπου L mn η απόσταση μεταξύ των κόμβων m και n και S η απόσταση μεταξύ δυο γειτονικών ενισχυτών. Ο αριθμός των οπτικών ινών που απαιτούνται στο φυσικό σύνδεσμο μεταξύ των m και n. 6.3.Μαθηματικό μοντέλο Με βάση τις παραμέτρους που ορίστηκαν παραπάνω το μοντέλο εξοικονόμησης ενέργειας περιγράφεται με μαθηματικό τρόπο από τον παρακάτω τύπο: E r (Δ i + C ij ) i N j N: i j + E t w mn + E e A mn f mn (1) m N n N m m ε N n ε N m Συνοδευόμενος από τους εξής περιορισμούς: j N:i j λ sd για i = s λ ij λ ji = { λ sd για i = d (2) j N:i j 0 διαφορετικά

58 58 s, d, i N: s d λ sd ij C ij B i, j N: i j (3) s N d N:s d C ij + Δ i i i N (4) j N:i j C ij + Δ j j j N (5) j N:i j C ij για m = i ij w mn ij w nm = { C ij για m = j n N m n N m 0 διαφορετικά i, j, m N: i j (6) ij w mn i N j N: i j W f mn m N, n N m (7) Η εξίσωση (1) στοχεύει στην ελαχιστοποίηση της συνολική κατανάλωσης ενέργειας τόσο στο επίπεδο IP όσο στο οπτικό επίπεδο. Ο όρος i N E r (Δ i + j N: i j C ij ) υπολογίζει την κατανάλωση ενέργειας από τους IP routers, ο όρος m N n Nm E t w mn την κατανάλωση ενέργειας από τους transponders και τέλος ο όρος m ε N n ε Nm E e A mn f mn την κατανάλωση ενέργειας από τους ενισχυτές. Ο περιορισμός (2) διασφαλίζει τη κίνηση στο επίπεδο IP. Με άλλα λόγια, η κίνηση μεταξύ ενός ζεύγους IP routers επιτρέπεται να διαχωριστεί και να μεταδοθεί πάνω από πολλαπλά μονοπάτια. Σε αυτά τα μονοπάτια κάθε σύνδεσμος αποτελεί ένα εικονικό μονοπάτι φωτός με χωρητικότητα C ij Β. sd Ο όρος s N d N:s d λ ij αναπαριστά το συνολικό αριθμό των ροών που δρομολογούνται πάνω από τον εικονικό σύνδεσμο i,j. Συνεπώς σκοπός του

59 (3) είναι να βεβαιώσει ότι σε κάθε εικονικό μονοπάτι φωτός έχει ανατεθεί αρκετό εύρος ζώνης ώστε να εξυπηρετεί όλες τις ροές που χρησιμοποιούν το συγκεκριμένο μονοπάτι. Οι περιορισμοί (4) και (5) ορίζουν ότι ο συνολικός αριθμός των router ports σε κάθε κόμβο ποτέ δεν ξεπερνά ένα ανώτατο όριο i ή j, αντίστοιχα, που ενδέχεται να περιορίζεται από τη μέγιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποδοθεί στον κόμβο i ή j. Με τον (6) βεβαιώνεται η κίνηση στο οπτικό πεδίο. Τέλος ο περιορισμός (7) διασφαλίζει ότι σε κάθε φυσικό σύνδεσμο έχει ανατεθεί αρκετό εύρος ώστε να εξυπηρετεί όλους τους εικονικούς συνδέσμους που το διασχίζουν. Στους παραπάνω τύπους θεωρούνται ως σταθερές οι εξής μεταβλητές: Την απόσταση μεταξύ δυο γειτονικών ενισχυτών (S) Αριθμός μηκών κύματος που μπορούν να φιλοξενηθούν από μια οπτική ίνα (W) Χωρητικότητα μετάδοσης κάθε μήκους κύματος (B) Μέση κατανάλωση ενέργειας από μια IP router port (Εr) Μέση κατανάλωση ενέργειας του transponder (Et)[17] Μέση κατανάλωση ενός ενισχυτή EDFA (Ee)[18] 80 km Gb/s 1000 W 73 W 8 W 59 Τέλος θεωρείται ότι ο φόρτος που παράγεται είναι τυχαίος και ακολουθεί την ομοιόμορφη κατανομή σε καθορισμένα διαστήματα. Στην παρούσα μελέτη τα διαστήματα αυτά είναι : [10 30], [10 70], [10 110], [10 150], [10 190] και [10 230].

60 60 7.Προσομοίωση Για την προσομοίωση των τριών τεχνικών δημιουργήθηκαν τρία αυτοτελή προγράμματα ένα για κάθε τεχνική. Χρησιμοποιήθηκε ως γλώσσα προγραμματισμού η Java και ως πλατφόρμα για την ανάπτυξη κώδικα το Netbeans. Η συγκεκριμένη γλώσσα επιλέχθηκε καθώς διευκολύνει τον προγραμματιστή προσφέροντας του μεγάλη συλλογή από έτοιμες βιβλιοθήκες, περιεκτικά και κατατοπιστικά Javadocs και πολλές πηγές πληροφοριών όπου μπορεί να ανατρέξει και να συμβουλευτεί. Οι τρεις τοπολογίες δικτύου χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση είναι οι εξής: γράφος αποτελούμενος από 6 κόμβους και 8 ακμές (n6s8, σχήμα 7.1) γράφος με 15 κόμβους και 21 ακμές (National Science Foundation Network, NSFNET, σχήμα 7.2) γράφος με 24 κόμβους και 43 ακμές (USA backbone IP network USNET, σχήμα 7.3). Σχήμα 7.1 Δίκτυο n6s8 Σχήμα 6.2 Δίκτυο NSFNET

61 61 Σχήμα 7.3 USNET Η εισαγωγή τον παραπάνω γράφων στο πρόγραμμα έγινε με τη μορφή κειμένου txt. Κάθε γραμμή αποτελεί μια εγγραφή. Κάθε εγγραφή αποτελείται από τρεις πληροφορίες, τους κόμβους στα άκρα μιας ακμής και τη μεταξύ τους απόσταση. Για παράδειγμα η ακμή 0-1 με απόσταση 324 απεικονίζεται στο κείμενο txt ως Αρκεί να εισαχθεί η ακμή 0-1 ή 1-0 για να γνωστοποιηθεί στο πρόγραμμα ότι οι κόμβοι 0 και 1 είναι γειτονικοί. Στο σχήμα 7.4 που ακολουθεί παρουσιάζεται η αναπαράσταση του δικτύου n6s8 σε μορφή txt. Σχήμα 7.4 7Αναπαράσταση του δικτύου n6s8 σε μορφή txt.