ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Τμήμα Πληροφορικής- Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Επικοινωνιακά Συστήματα και Τεχνολογίες

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Τμήμα Πληροφορικής- Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Επικοινωνιακά Συστήματα και Τεχνολογίες Δυναμική δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος για τη δημιουργία πράσινων οπτικών δικτύων πολυπλεξίας μήκους κύματος, λαμβάνοντας υπόψιν την κατανάλωση ενέργειας Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας Πηνελόπης Γιωβανίτσα (Α.Μ: 440) Επιβλέπων καθηγητής κ. Πέτρος Νικοπολιτίδης Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 2014

2

3 Πρόλογος Η παρούσα πτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών του τμήματος Πληροφορικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, από τη φοιτήτρια Πηνελόπη Γιωβανίτσα (Α.Ε.Μ: 440) και τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Πέτρο Νικοπολιτίδη. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη του αλγορίθμου δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος, σε δίκτυα οπτικών ινών, LBC (Load Based Cost) των Angelo Coiro, MarcoListanti και Alessandro Valenti που στοχεύει στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας σε οπτικά δίκτυα τεχνολογίας WDM ώστε να βοηθηθεί η ανάπτυξη της «πράσινης» τεχνολογίας στον τομέα της πληροφορικής. Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της παρούσας εργασίας, επίκουρο καθηγητή κ. Πέτρο Νικοπολιτίδη για την υποστήριξη του και την καθοδήγησή του για την εκπόνηση και την ανάπτυξη της εν λόγω πτυχιακής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένειά μου για την αμέριστη συμπαράσταση και υποστήριξη καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. 3

4

5 Περιεχόμενα Πρόλογος 3 Ευχαριστίες 3 Περιεχόμενα 5 Περίληψη 7 Λέξεις κλειδιά 7 Abstract 9 Key words 9 Εισαγωγή 11 Κεφάλαιο 1.Η αρχιτεκτονική του δικτύου Οι Τεχνολογίες του δικτύου Η Αρχιτεκτονική του οπτικού κόμβου 16 Κεφάλαιο 2.Κατανάλωση ενέργειας συσκευών δικτύου 19 Κεφάλαιο 3.Αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος Αλγόριθμοι δρομολόγησης Αλγόριθμοι ανάθεσης μήκους κύματος 29 Κεφάλαιο 4.Προσομοίωση Παράμετροι προσομοίωσης Αποτελέσματα προσομοίωσης Οδηγός Προσομοίωσης 37 Κεφάλαιο 5.Επίλογος 47 Παράρτημα Α: Μέθοδοι και μεταβλητές των αλγορίθμων 49 Στατική Τοπολογία Δικτύου 49 Δυναμική Τοπολογία Δικτύου 50 Δείκτης φόρτου οπτικής ίνας 51 Κατανάλωση ενέργειας 53 Αλγόριθμος LCP-FF 55 Αλγόριθμος LBC 56 Βασικές Μεταβλητές 59 Παράρτημα Β: Γραφήματα 61 Γράφημα 1 ο 61 5

6 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Πληροφορικής Γράφημα 2 ο 62 Γράφημα 3 ο 63 Γράφημα 4 ο 64 Γράφημα 5 ο 65 Ακρωνύμια 67 Βιβλιογραφία 69 Ευρετήριο Σχημάτων 71 6

7 Περίληψη Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματεύεται την σχετικά νέα αλλά και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία των οπτικών δικτύων που γνωρίζουν μεγάλης απήχησης κυρίως όταν αναφερόμαστε σε δίκτυα κορμού. Ένα βασικό μειονέκτημα των δικτύων αυτών είναι η κατανάλωση ενέργειας που παρουσιάζουν, γεγονός που προστίθεται στο μεγάλο πρόβλημα της παγκόσμιας κατανάλωσης και επομένως της επιβάρυνσης του περιβάλλοντος από τις αυξημένες εκπομπές άνθρακα. Οι Angelo Coiro, Marco Listanti και Alessandro Valenti στην εργασία τους «Dynamic Power-Aware Routing and Wavelength Assignment for Green WDM Optical Networks» υλοποιούν ένα διαφανές (transparent) δίκτυο μεγάλης εμβέλειας που κάνει χρήση πολλών ινών και βάσει αυτού προσπαθούν να δώσουν λύση στο πρόβλημα της εξοικονόμησης της ενέργειας βάσει των μεθόδων που ακολουθούν για τη λειτουργία του. Στην προσπάθεια αυτή δημιουργούνται δύο αλγόριθμοι, ένας για τη δρομολόγηση και ένας για την ανάθεση μήκους κύματος. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος δρομολόγησης LBC, μέσω μιας μεθόδου ανάθεσης κόστους, λαμβάνει υπόψη όλα τα μονοπάτια φωτός (lightpaths) του δικτύου και επιλέγει εκείνο που έχει το μικρότερο κόστος κατανάλωσης ενέργειας. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος LAP-FF, επίσης λαμβάνει υπόψη το κόστος ενός lightpath όταν θα κληθεί να λύσει την περίπτωση απόρριψης κάποιας διασύνδεσης κατά τη διαδικασία που θα επιλεχθεί το κατάλληλο μήκος κύματος. Οι αλγόριθμοι αυτοί συγκρίνονται με γνωστούς αλγόριθμους δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος και γίνεται εμφανής η υπεροχή τους στην εξοικονόμηση της ενέργειας μιας και φαίνεται να μειώνουν την κατανάλωση περίπου στο 20%- 30% σε σχέση με τους υπόλοιπους. Λέξεις κλειδιά πολυπλεξία μήκους κύματος, δρομολόγηση, ανάθεση μήκους κύματος, ενέργεια, κατανάλωση, εξοικονόμηση, πράσινα δίκτυα 7

8

9 Abstract This thesis is about the relatively new and promising technology of optical networks that have been a great impact especially when referring to core networks. A major drawback of these networks is the energy consumption, which added to the great problem of global energy consumption, it amplifies the environmental pollution from increased carbon emissions. Angelo Coiro, Marco Listanti and Alessandro Valenti in their paper «Dynamic Power- Aware Routing and Wavelength Assignment for Green WDM Optical Networks» implement a transparent, wide-area, multi-fiber optical network trying to solve the PA-RWA problem. Through this effort, two algorithms are proposed. The routing algorithm LBC uses methods that apply a cost to each lightpath and the smallest one is chosen for the routing procedure. The second one, LAP-FF, is a wavelength assignment algorithm that also takes into consideration the links that consume less power than the others of the network. Those two algorithms are compared with known routing and wavelength assignment algorithms and their superiority comes out when it is shown that they consume 20% - 30% less power than all the other algorithms. Key words WDM, Power Aware Routing and Wavelength Assignment, Energy Saving, Green Networks 9

10

11 Εισαγωγή Αναμφισβήτητα, το διαδίκτυο σήμερα είναι το θεμέλιο των παγκόσμιων τηλεπικοινωνιών και έχει γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της παγκόσμιας οικονομίας. Βασικό συστατικό της ανάπτυξης του διαδικτύου αποτελούν οι χαμηλού κόστους και ταυτόχρονα υψηλής χωρητικότητας οπτικές τεχνολογίες μετάδοσης και δρομολόγησης δεδομένων που συναντώνται κυρίως σε δίκτυα κορμού. Η συνεχής και αυξανόμενη ζήτηση των τελικών χρηστών των δικτύων για μεγαλύτερο εύρος ζώνης στις παρεχόμενες υπηρεσίες μπορεί να ικανοποιηθεί από τα οφέλη που προσφέρουν οι οπτικές τεχνολογίες. Είναι δεδομένο πως όσο αυξάνεται ο αριθμός των χρηστών στο διαδίκτυο, τόσο αυξάνονται και οι απαιτήσεις για μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ποιότητα παρεχόμενων υπηρεσιών και υψηλότερες ταχύτητες. Παράλληλα όμως, καθώς επεκτείνεται το διαδίκτυο, αυξάνεται και το ποσοστό κατανάλωσης ενέργειας, που αποτελεί ένα από τα βασικότερα ζητήματα τόσο σε κοινωνικό όσο και πολιτικό επίπεδο. Οδηγούμαστε λοιπόν σε εναλλακτικούς τρόπους διαχείρισης των δικτύων προσπαθώντας να εξοικονομήσουμε ενέργεια και να ελαχιστοποιήσουμε τους πιθανούς περιορισμούς επέκτασης αυτών που οφείλονται στην υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Είναι γεγονός λοιπόν ότι η κοινωνία, την τελευταία δεκαετία, στρέφεται σε λύσεις φιλικές προς το περιβάλλον, εξαιτίας των έντονων συζητήσεων σχετικά με την κλιματική αλλαγή που είναι πλέον εμφανής σε παγκόσμιο επίπεδο. Δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις πράσινες τεχνολογίες, όπου κάθε νέα τεχνολογία αξιολογείται με βάση το αποτύπωμά της σε άνθρακα. Όσον αφορά στις Τεχνολογίες Πληροφοριών και Επικοινωνιών (ΤΠΕ), είναι υπεύθυνες για το 4% περίπου των εκπομπών άνθρακα παγκοσμίως. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, το 50% του συνόλου των εκπομπών των ΤΠΕ, συμπεριλαμβανομένων των εξυπηρετητών, αποδίδεται στα δίκτυα τηλεπικοινωνιών [1]. Οι εκπομπές των ΤΠΕ αναμένεται να διπλασιαστούν μέσα στην επόμενη δεκαετία αν δεν ληφθούν μέτρα για τη μείωση του αποτυπώματος του άνθρακα.

12 Εισαγωγή ICT energy consumption other equipment PCs servers fixed-line telecommunications mobile telecommunications LAN and Office telecommunications Σχήμα 1: Κατανάλωση ενέργειας στις Τεχνολογίες της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών Όπως είναι γνωστό, τα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος (Wavelength Routing, WR) προσφέρουν την ευελιξία του σχεδιασμού μίας «λογικής τοπολογίας», η οποία περιλαμβάνει αιτήσεις για δημιουργία μονοπατιών φωτός (lightpaths) πάνω από μια φυσική τοπολογία. Παρόλα αυτά, το πρόβλημα δρομολόγησης και εκχώρησης μήκους κύματος είναι ευρέως διαδεδομένο στα οπτικά δίκτυα. Ο στόχος είναι να επιλεχθεί μια διαδρομή και ένα κατάλληλο μήκος κύματος στην φυσική τοπολογία για καθένα από τα lightpath της λογικής τοπολογίας ώστε να γίνεται αποδοτικότερη και γρηγορότερη η μεταφορά των δεδομένων. Ουσιαστικά, ο στόχος του προβλήματος δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment, RWA) είναι να ελαχιστοποιηθεί το φορτίο (π.χ., αριθμός των χρησιμοποιούμενων μηκών κύματος) για τους διαθέσιμους πόρους, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η πιθανότητα να εξυπηρετηθούν όσο το δυνατό περισσότερες αιτήσεις για δημιουργία των lightpaths. Ωστόσο, αυτή η πρακτική οδηγεί σε σπατάλη της ενέργειας που απαιτείται για να λειτουργήσουν τόσο οι κόμβοι του δικτύου όσο και οι ενισχυτές που παρεμβάλλονται μεταξύ αυτών κατά μήκος των οπτικών ινών. Λόγω του μεγάλου αριθμού αυτών των συσκευών και το αποτύπωμα τους σε κατανάλωση ενέργειας (μερικές δεκάδες kw), προτείνονται διάφορες λύσεις εξοικονόμησης ενέργειας κάνοντας για παράδειγμα μέγιστη χρήση των ενεργών συσκευών χρησιμοποιώντας παράλληλα όσο το δυνατόν περισσότερο τις ίδιες ίνες που είναι ήδη σε χρήση κατά μήκος μιας διαδρομής. Το πρόβλημα λοιπόν της ανεύρεσης της διαδρομής εκείνης και των απαραίτητων μηκών κύματος που θα εξοικονομήσουν ενέργεια στο σύστημά μας ονομάζεται Power-Aware Routing and Wavelength Assignment [2]. 12

13 Εισαγωγή Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Load Based Cost, LBC) σε δίκτυα οπτικών ινών προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας. Ο αλγόριθμος αυτός λαμβάνει υπόψη τις ενεργειακές απαιτήσεις τόσο των κόμβων του οπτικού δικτύου όσο και των links που τους συνδέουν και προσπαθεί να τις ελαχιστοποιήσει χρησιμοποιώντας όσο λιγότερες οπτικές ίνες είναι δυνατό. Ο πολλά υποσχόμενος αυτός αλγόριθμος συγκρίνεται με γνωστούς αλγορίθμους δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος και η υπεροχή του βασίζεται στην εξοικονόμηση ενέργειας όσο αυξάνεται ο φόρτος του οπτικού δικτύου. Στα κεφάλαια που θα ακολουθήσουν θα αναφερθούμε στην τεχνολογία που χρησιμοποιείται στο εν λόγω οπτικό δίκτυο καθώς και στους διάφορους αλγορίθμους δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος που προτείνονται ή έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί ώστε να ελαχιστοποιηθεί το πρόβλημα δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος ενώ ταυτόχρονα μειώνονται οι απαιτήσεις σε κατανάλωση ενέργειας από τις συσκευές του συστήματος. 13

14

15 Κεφάλαιο 1. Η αρχιτεκτονική του δικτύου Προσπαθώντας πρώτα να προσεγγίσουμε και έπειτα να επιλύσουμε το πρόβλημα της κατανάλωσης της ενέργειας, θα πρέπει να γνωρίζουμε τόσο τα χαρακτηριστικά των συσκευών όσο και τις τεχνολογίες που χαρακτηρίζουν το σύστημά μας. Παρακάτω θα γίνει μία αναφορά τόσο στην αρχιτεκτονική των κόμβων όσο και στις αρχές που διέπουν το δίκτυό μας. 1.1 Οι Τεχνολογίες του δικτύου Το δίκτυο στο οποίο αναφερόμαστε είναι ένα διαφανές (transparent) οπτικό δίκτυο. Χαρακτηριστικό αυτών των δικτύων είναι πως επωφελούνται από τη μεγάλη απόσταση μετάδοσης ενός οπτικού σήματος και προσπερνούν με διαφάνεια (χωρίς να είναι απαραίτητη η μετατροπή του σήματος από οπτικό σε ηλεκτρικό και έπειτα ξανά σε οπτικό) τους ενδιάμεσους κόμβους μεταφέροντας το σήμα στον τελικό προορισμό του. Το όφελος από την απαλλαγή των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων στους οπτικούς κόμβους κατά τη μεταγωγή του σήματος είναι τόσο οικονομικό όσο και αποδοτικό μιας και κατ αυτόν τον τρόπο προσφέρονται μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων. Ωστόσο, αυτό το είδος των δικτύων παρουσιάζει και ορισμένα μειονεκτήματα. Πρώτον, δεδομένου ότι ένα οπτικό σήμα πάσχει από διάφορες βλάβες φυσικού επιπέδου όταν περνά από ένα lightpath, η απόσταση μετάδοσης είναι περιορισμένη. Για ένα μεγάλο εθνικό δίκτυο, για παράδειγμα, δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιήσουμε ένα εντελώς διαφανές δίκτυο λόγω των περιορισμών στις αποστάσεις που θα θελήσουμε να καλύψουμε. Σε αυτή την περίπτωση θα χρησιμοποιηθούν συσκευές και εργαλεία που θα επιτρέπουν τη μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό και αντίστροφα στους κόμβους του δικτύου, καθώς και συσκευές αναγέννησης κατά μήκους των lightpaths. Δεύτερον, δεδομένου ότι τα lightpaths περνούν με διαφάνεια από τους ενδιάμεσους κόμβους, είναι αδύνατο για αυτούς τους κόμβους να εξετάσουν λεπτομερώς τις πληροφορίες που μεταφέρονται κάνοντας αρκετά δύσκολη την παρακολούθηση της απόδοσης των συγκεκριμένων μονοπατιών. Σε κάθε περίπτωση, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μία τεχνική πολυπλεξίας σήματος ώστε να επιτυγχάνονται μεγαλύτερα ποσοστά ταχύτητας μετάδοσης και αποδοτικότητας συστήματος. Στο δίκτυό μας, ως τεχνική πολυπλεξίας χρησιμοποιείται η πολυπλεξία μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM)[3]. Η επιλογή αυτής της τεχνικής πολυπλεξίας παρουσιάζει μεγάλα οικονομικά και αποδοτικά οφέλη κυρίως λόγω του τρόπου εκμετάλλευσης της διαθέσιμης χωρητικότητας που μπορεί να προσφέρει μια οπτική ίνα. Ένα από τα

16 Κεφάλαιο 1 βασικότερα πλεονεκτήματα της WDM είναι η συμβατότητά της με την περιορισμένη ταχύτητα των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων των κόμβων του δικτύου. Είναι γεγονός ότι ο μέγιστος ρυθμός με τον οποίο ένας τελικός χρήστης μπορεί να έχει πρόσβαση στο δίκτυο περιορίζεται από την ηλεκτρονική τεχνολογία. Η WDM επιτρέποντας στους χρήστες του δικτύου να μεταδίδουν δεδομένα ταυτόχρονα πάνω από διαφορετικά λογικά κανάλια, προσφέρει έναν εξαιρετικό τρόπο εκμετάλλευσης του τεράστιου εύρους ζώνης (bandwidth) των οπτικών ινών. Θα πρέπει να σημειωθεί πως στο παράδειγμά μας δεν υπάρχει η δυνατότητα για μετατροπή του μήκους κύματος. Επομένως το αρχικά επιλεγμένο μήκος κύματος θα πρέπει να είναι διαθέσιμο σε όλους τους ενδιάμεσους κόμβους που παρεμβάλλονται μεταξύ του αποστολέα και του τελικού παραλήπτη των μεταφερόμενων δεδομένων. Κατ αυτόν τον τρόπο, στην πραγματικότητα, σε πολύ μεγάλης κλίμακας δίκτυα, η αδυναμία για μετατροπή από το ένα μήκος κύματος σε ένα άλλο θα δημιουργούσε αρκετά προβλήματα στην εγκατάσταση του lightpath. Στο δίκτυό μας θεωρούμε πως υπάρχει συνέχεια στα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουμε τα lightpaths. 1.2 Η Αρχιτεκτονική του οπτικού κόμβου Κάθε ένας από τους κόμβους που χρησιμοποιούνται στο δίκτυό μας απαρτίζεται από ένα ECS, ένα 3D-MEM, ένα πλήθος από transponders που συνδέονται στα client interfaces και τέλος από ένα ζεύγος από παθητικούς MUX/DEMUX και το ζεύγος των input/output ινών που τους συνοδεύει, σε κάθε ένα από τα line interfaces όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Σχήμα 2: Αρχιτεκτονική οπτικού κόμβου Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου (Electronic Control System, ECS) επεξεργάζεται τις πληροφορίες που μεταφέρονται μέσω του οπτικού σήματος και δημιουργεί τα κατάλληλα σήματα ελέγχου που θα βοηθήσουν στη δρομολόγηση του εν λόγω 16

17 Η αρχιτεκτονική του δικτύου σήματος διαμέσου των κατάλληλων κόμβων του δικτύου μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό του. Τα σήματα ελέγχου προστίθενται στην κεφαλίδα (payload) κάθε οπτικού πακέτου και είναι χρήσιμα για τον ηλεκτρονικό πίνακα μεταγωγής του κάθε κόμβου που θα αναλάβει να το δρομολογήσει στην κατάλληλη έξοδο. Οι συσκευές Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) ανήκουν στην κατηγορία των οπτο-μηχανικών μεταγωγέων. Χρησιμοποιώντας τις μικροσκοπικές επιφάνειες ανάκλασης επιτυγχάνουν την κατεύθυνση του φωτός στην επιθυμητή πύλη. Στην κατηγορία των 2D-MEMs (όπου οι θέσεις των κατόπτρων παίρνουν τις τιμές on/off), παρατηρούνται προβλήματα σχετικά με τις ταχύτητες μεταγωγής και τις οπτικές απώλειες κυρίως λόγω της αδυναμίας ελέγχου των αυξανόμενων πυλών των συσκευών αυτών. Το πρόβλημα αυτό έρχεται να λύσει η κατηγορία των 3D-MEMs [4] που απαρτίζονται από κινούμενα κάτοπτρα και επιτρέπουν τη διαφανή μετάδοση των δεδομένων. Βάσει του χαρακτηριστικού αυτού, απελευθερώνεται η διαχείριση του δικτύου από τις περιπλοκές που μπορεί να προκύψουν από την μετάδοση των δεδομένων σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Οι οπτικοί αυτοί μεταγωγείς μπορούν να διασυνδέσουν οποιαδήποτε θύρα εισόδου με οποιαδήποτε θύρα εξόδου και ταυτόχρονα να λαμβάνει χώρα η αναδιαμόρφωσή τους (π.χ. η εγκαθίδρυση ενός νέου lightpath) χωρίς να διαταραχθεί καμία από τις υπάρχουσες και ενεργές συνδέσεις. Ο αριθμός των εισόδων/εξόδων μπορεί να υπερβαίνει τις 1000 δεδομένου ότι τα κάτοπτρα που απαρτίζουν τον μεταγωγέα είναι ενσωματωμένα σε ένα εντυπωσιακά μικρής διάστασης chip αυξάνοντας όμως παράλληλα το κόστος μιας τέτοιας συσκευής. Στα βασικά πλεονεκτήματά τους συγκαταλέγονται οι χαμηλές απαιτήσεις σε ενέργεια, οι δυνατότητες κλιμάκωσης και οι ανεξαρτησία της λειτουργίας τους σχετικά με τα μήκη κύματος και τους ρυθμούς μετάδοσης των δεδομένων. O αναμεταδότης (transponder) είναι το στοιχείο που στέλνει και λαμβάνει το οπτικό σήμα από μια ίνα [5]. Ένας αναμεταδότης τυπικά χαρακτηρίζεται από την ταχύτητα με την οποία μεταδίδει τα δεδομένα αλλά και την μέγιστη απόσταση που μπορεί να καλύψει το μεταδιδόμενο σήμα. Πρακτικά, ένας transponder μετατρέπει ένα fullduplex ηλεκτρικό σήμα σε ένα full-duplex οπτικό σήμα χρησιμοποιώντας παράλληλα interfaces που συνδέονται με το ECS. Ένα ακόμη πολύ βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η ικανότητά τους όχι μόνο να μετατρέπουν το ηλεκτρικό σήμα σε οπτικό και αντίστροφα αλλά και να επιλέγουν διαφορετικά μήκη κύματος για την οπτική μετατροπή. Ένας οπτικός πολυπλέκτης (multiplexer) είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται σε συστήματα πολυπλεξίας μήκους κύματος για τη δρομολόγηση των διαφορετικών καναλιών φωτός μέσα σε μία ίνα. Βασικό χαρακτηριστικό του είναι πως μπορεί να λαμβάνει τα οπτικά σήματα που έχουν διαφορετικές συχνότητες από τις θύρες εισόδου του και να τα συνδυάζει, ή αλλιώς να τα πολυπλέκει, σε μία ίνα που θα τα 17

18 Κεφάλαιο 1 μεταφέρει στον αποπολυπλέκτη. Εκείνος με τη σειρά του θα τα δρομολογήσει στις κατάλληλες θύρες εξόδου. Ουσιαστικά, με τις δύο αυτές συσκευές, επιτυγχάνεται ο συνδυασμός των σημάτων στις θύρες εξόδου και ο διαχωρισμός τους στις θύρες εισόδου. Χρησιμοποιώντας τους multiplexers/demultiplexers η μετάδοση των σημάτων γίνεται γρηγορότερη αλλά και περισσότερο αποδοτική μιας και τα κατάλληλα σήματα δρομολογούνται μόνο στις επιθυμητές εξόδους. 18

19 Κεφάλαιο 2. Κατανάλωση ενέργειας συσκευών δικτύου Η συνολική κατανάλωση ενέργειας ενός κόμβου του δικτύου σχετίζεται άμεσα με τα στοιχεία που τον απαρτίζουν όπως είναι το ECS, τα 3D-MEMS, ο αριθμός των οπτικών ινών που συνδέονται σε αυτόν, τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται κ.α. Η κατανάλωση ενέργειας του κόμβου δίνεται από τη σχέση: Node ECS Trans MEMS P N, I, W P I P N W P (1) i i i i i Πιο συγκεκριμένα, η (1) εκφράζει την κατανάλωση ενέργειας του κόμβου i και σχετίζεται άμεσα με τον αριθμό των εισερχόμενων/εξερχόμενων ζευγών ινών N i, τον αριθμό I i που αντιστοιχεί στα client interfaces και τον αριθμό των μηκών κύματος (W) που υπάρχουν σε κάθε μία από τις ίνες. Τα υπόλοιπα μεγέθη που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της καταναλώσιμης ενέργειας από τον κόμβο i είναι το P ECS που αντιστοιχεί στην ενέργεια που απορροφάται από το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου ECS του κόμβου, το P MEMS που αντιστοιχεί στην ενέργεια που απορροφάται από ένα και μόνο στοιχείο του πίνακα MEM και τέλος το P Trans που είναι η ενέργεια που απορροφάται από κάθε έναν transponder που συνδέεται με τα client interfaces του κόμβου. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί πως η ενέργεια που καταναλώνεται από τα στοιχεία του πίνακα 3D-MEM αυξάνεται γραμμικά όσο αυξάνεται και ο αριθμός των ζευγών εισόδων/εξόδων μιας και είναι απαραίτητοι δύο καθρέφτες και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα για να πάρουν την κατάλληλη θέση ώστε να γίνει σωστά η δρομολόγηση της δέσμης φωτός. Κάθε ένα από τα κανάλια του δικτύου αποτελείται από έναν αριθμό οπτικών ινών, δύο ενισχυτές EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) που τοποθετούνται στα δύο άκρα της κάθε ίνας και έναν αριθμό από ενισχυτές ILA (In-Line Amplifier) που τοποθετούνται κατά μήκος της κάθε ίνας. Σημειωτέον, ένας οπτικός ενισχυτής είναι η συσκευή εκείνη που ενισχύει το οπτικό σήμα άμεσα χωρίς τη μετατροπή του πρώτα σε ηλεκτρικό [6]. Στην περίπτωση του EDFA, μία σχετικά υψηλής ισχύος δέσμη φωτός αναμιγνύεται με το σήμα εισόδου χρησιμοποιώντας ένα επιλεγμένο μήκος κύματος, διαφορετικό από αυτό του σήματος εισόδου. Το μικτό αυτό φως οδηγείται σε ένα τμήμα της ίνας που αλληλεπιδρά με τα ιόντα ερβίου και τα διεγείρει σε κατάσταση υψηλότερης ενεργειακής στάθμης. Όταν τα φωτόνια που ανήκουν στο σήμα αλληλεπιδράσουν με τα διεγερμένα άτομα του ερβίου, τα άτομα αυτά θα εγκαταλείψουν ένα μέρος της ενέργειάς τους μέσω της οποίας θα δημιουργηθούν νέα φωτόνια που θα έχουν την ίδια φάση και την ίδια κατεύθυνση με το αρχικό σήμα επιτυγχάνοντας κατ αυτόν τον τρόπο την διαδικασία της ενίσχυσης. Ο ενισχυτής ILA τοποθετείται κατά μήκος μιας ίνας, λαμβάνει το εξασθενημένο σήμα, το ενισχύει και εξαλείφει κάθε

20 Κεφάλαιο 2 είδους θόρυβο που έχει προστεθεί στο σύστημα από την ενίσχυσή του με τον EDFA προκειμένου να απαλλαγούμε από τους περιορισμούς της εμβέλειας του δικτύου. Συνήθως είναι μικρότερος από τον EDFA και πιο οικονομικός. Η κατανάλωση της ενέργειας κάθε ίνας για κάθε κανάλι του δικτύου μεταξύ των κόμβων i και j δίνεται από τη σχέση: Fiber ILA ILA Pre Post Pi, j Li, j Li, j d P P P (2) Στη (2) η απόσταση μεταξύ των κόμβων i και j δίνεται από τη μεταβλητή L i,j και η απόσταση που μεσολαβεί μεταξύ δύο ενισχυτών ILA προσδιορίζεται με τη μεταβλητή d ILA που στο δικό μας δίκτυο έχει υπολογισθεί στα 80 km. Όσον αφορά στην κατανάλωση ενέργειας των συσκευών που παρεμβάλλονται στο κανάλι, τα P ILA, P Pre και P Post αντιστοιχούν σε κάθε έναν ενισχυτή ILA και σε κάθε ένα ενισχυτή EDFA είτε αυτός βρίσκεται τοποθετημένος στην αρχή (P Pre ) είτε στο τέλος (P Post ) της κάθε μίας οπτικής ίνας του καναλιού. Το Σχήμα 3 παρουσιάζει τις ενδεικτικές τιμές κατανάλωσης ενέργειας όλων των συσκευών που θα χρησιμοποιηθούν στο δίκτυό μας. Device Symbol Power Consumption Electronic Control System P ECS 150 W Switching matrix input/output port pair P MEMs 107 mw Transponder P Trans 50 W Pre-Amplifier P Pre 10 W Post-Amplifier P Post 20 W In-line Amplifier P ILA 15 W MUX/DEMUX (passive) W Σχήμα 3: Κατανάλωση ενέργειας από τις συσκευές του δικτύου Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, στόχος μας είναι να μειώσουμε την κατανάλωση της ενέργειας του δικτύου μας μη γνωρίζοντας εκ των προτέρων της απαιτήσεις του σε διασυνδέσεις. Όμως, γνωρίζουμε ποιος ακριβώς είναι ο αριθμός των συσκευών που το απαρτίζουν (κόμβοι, κανάλια κτλ). Στην προσπάθεια να μειωθεί η κατανάλωση της ενέργειας δε λαμβάνεται υπόψη η κατανάλωση του κόμβου που δίνεται από την (1) μιας και το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου έχει μία σταθερή κατανάλωση που δε σχετίζεται με το φόρτο του κάθε καναλιού, ενώ η κατανάλωση της ενέργειας από τον πίνακα 3D MEM σχετίζεται άμεσα με τις διαστάσεις του και όχι με τον τρόπο λειτουργίας του. Παρόλα αυτά, η κατανάλωσή της ενέργειας από τα στοιχεία του πίνακα είναι τόσο μικρή που μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Επιπροσθέτως, ο αριθμός των αναμεταδοτών άρα και η κατανάλωση της ενέργειας από αυτούς, σχετίζεται άμεσα με τον αριθμό των ροών δεδομένων που εισέρχονται ή εξέρχονται 20

21 Κατανάλωση ενέργειας συσκευών δικτύου από το δίκτυο, διαδικασία η οποία δε λαμβάνεται υπόψη στο δίκτυο που εξετάζεται. Συνοψίζοντας, στην προσπάθειά μας να ελαττώσουμε όσο το δυνατό περισσότερο την κατανάλωση της ενέργειας του δικτύου μας, δε θα λάβουμε υπόψη τις συσκευές οι οποίες εκ των πραγμάτων θα καταναλώσουν συγκεκριμένα και προκαθορισμένα ποσοστά ενέργειας όπως είναι οι πίνακες δρομολόγησης ή οι αναμεταδότες. Θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας τις ενεργές συσκευές, εκείνες που μπορούμε να αυξομειώσουμε το πλήθος τους ανάλογα με την κίνηση και τον φόρτο του δικτύου. Επομένως η (2) είναι εκείνη που θα μας οδηγήσει στα διαφορετικά ποσοστά κατανάλωσης ενέργειας. Αξίζει να σημειωθεί πως αν υπάρχει κάποια ίνα σε ένα κανάλι που χρησιμοποιείται μία συγκεκριμένη χρονική στιγμή, οι ενισχυτές που παρεμβάλλονται κατά μήκος της μπορούν να θεωρηθούν ως ανενεργοί εξοικονομώντας ενέργεια ίση με την κατανάλωση ενέργειας της ίνας P. Fiber i, j Τέλος, θα πρέπει να επισημανθεί ότι η απενεργοποίηση των οπτικών ενισχυτών θα μπορούσε εύκολα να πραγματοποιηθεί αυτόματα με την εφαρμογή μιας συσκευής ελέγχου στο εσωτερικό του ενισχυτή όταν η μετάδοση του οπτικού σήματος μέσα στην οπτική ίνα πέφτει κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο. Ορισμένες συσκευές ελέγχου χρησιμοποιούν τέτοιους παρόμοιους μηχανισμούς για την προστασία του λέιζερ στους οπτικούς ενισχυτές και είναι ήδη εμπορικώς διαθέσιμες. 21

22

23 Κεφάλαιο 3. Αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, η διαδικασία δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (RWA) στα οπτικά δίκτυα αποτελεί μείζον πρόβλημα. Ο βασικός περιορισμός σε αυτού του είδους τα δίκτυα είναι η χρησιμοποίηση του ίδιου μήκους κύματος κατά μήκος όλης της διαδρομής της δέσμης φωτός (wavelength continuity constraint). Βάσει αυτού του περιορισμού, ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος θα πρέπει να μεταφέρει τις πληροφορίες του αρχικού κόμβου στον τελικό ανεξάρτητα από τον αριθμό των ενδιάμεσων κόμβων που θα πρέπει να διασχίσει. Στην περίπτωση που δε βρεθεί ένα τέτοιο διαθέσιμο μήκος κύματος για όλη τη διαδρομή, η αίτηση για διασύνδεση μεταξύ του αρχικού και του τελικού κόμβου απορρίπτεται. Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί πως οι αιτήσεις για διασύνδεση δύο κόμβων άρα και ανταλλαγή πληροφοριών κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες, τις στατικές, τις σειριακές και τις δυναμικές [7]. Στις στατικές αιτήσεις (Static Lightpath Establishment, SLE) προκαθορίζονται οι συνδέσεις μεταξύ των κόμβων καθώς και τα μήκη κύματος που θα χρησιμοποιηθούν ενώ ως βασικό ζήτημα παραμένει η μείωση του αριθμού των χρησιμοποιούμενων οπτικών ινών και των μηκών κύματος. Στις σειριακές αιτήσεις, τα lightpaths δημιουργούνται και εγκαθίστανται κάθε φορά που γίνεται μία καινούργια αίτηση για διασύνδεση, σειριακά, παραμένοντας στην ίδια διαδρομή καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας του δικτύου. Στις δυναμικές αιτήσεις (Dynamic Lightpath Establishment, DLE), τα lightpaths δημιουργούνται κάθε φορά που γίνεται μία νέα αίτηση για διασύνδεση και απελευθερώνονται μετά από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Στις δύο τελευταίες περιπτώσεις, το πρόβλημα που καλούμαστε να λύσουμε είναι η μείωση της πιθανότητας απόρριψης (blocking probability) λόγω της αδυναμίας ανάθεσης ή ανεύρεσης του κατάλληλου μήκους κύματος. Τόσο στην περίπτωση της στατικής ανάθεσης όσο και στην περίπτωση της δυναμικής, δεν υπάρχει κάποιος μηχανισμός ώστε να λαμβάνεται υπόψη και έπειτα να μειώνεται η κατανάλωση της ενέργειας από τις συσκευές του δικτύου. Επιπροσθέτως, οι αλγόριθμοι δρομολόγησης που χρησιμοποιούνται ως επί τω πλείστον στα WDM δίκτυα όπως είναι ο αλγόριθμος ανεύρεσης του λιγότερο χρησιμοποιημένου μήκους κύματος (Least Congested Path, LCP) που διαμοιράζει ισομερώς την κίνηση στα κανάλια του δικτύου, ή ο αλγόριθμος ανεύρεσης της μικρότερης διαδρομής (Shortest Path, ShP) που βασίζεται στη μείωση του αριθμού των χρησιμοποιούμενων μηκών κύματος, δεν παρέχουν μεθόδους για αξιολόγηση της κατανάλωσης ενέργειας.

24 Κεφάλαιο 3 Στο παράδειγμά μας οι αιτήσεις για διασυνδέσεις μεταξύ των κόμβων γίνονται δυναμικά με μέγιστο χρονικό όριο παραμονής τους στο δίκτυο τα 3600 sec και κυρίαρχο θέμα είναι η μείωση του αριθμού των ενισχυτών που χρησιμοποιούνται, άρα και η μείωση του αριθμού των οπτικών ινών για κάθε ένα από τα κανάλια του δικτύου ώστε να πετύχουμε μικρότερα ποσοστά κατανάλωσης ενέργειας. Στις παρακάτω ενότητες θα παρουσιαστούν λεπτομερώς οι αλγόριθμοι δρομολόγησης αλλά και ανάθεσης μήκους κύματος που χρησιμοποιούνται στο εν λόγω οπτικό δίκτυο καθώς και τα αποτελέσματα αυτών που αφορούν στην απορρόφηση ενέργειας από τις συσκευές. 3.1 Αλγόριθμοι δρομολόγησης Στο σύστημά μας λαμβάνονται υπόψη και συγκρίνονται με τον προτεινόμενο LBC οι τρεις γνωστοί αλγόριθμοι δρομολόγησης LCP, ShP και MUP. Ο αλγόριθμος δρομολόγησης LCP [8] επιλέγει τη διαδρομή με το μικρότερο φόρτο ανάμεσα σε όλες τις διαθέσιμες εναλλακτικές διαδρομές μεταξύ του αρχικού και του τελικού κόμβου. Ο φόρτος του καναλιού συνδέεται άμεσα με τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων μηκών κύματος τη δεδομένη στιγμή που το κανάλι εξετάζεται για να επιλεγεί ως διαδρομή μεταξύ των κόμβων. Είναι προφανές πως όσο μικρότερος είναι ο αριθμός των χρησιμοποιούμενων μηκών κύματος, τόσο μικρότερος είναι και ο φόρτος του καναλιού. Ο αλγόριθμος αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε στις περιπτώσεις της στατικής διαχείρισης του δικτύου είτε στις περιπτώσεις της δυναμικής διαχείρισης. Οι εναλλακτικές διαδρομές, στις στατικές αιτήσεις, είναι προκαθορισμένες από την αρχή της λειτουργίας του δικτύου ενώ στις δυναμικές αιτήσεις οι εναλλακτικές διαδρομές εξετάζονται τη στιγμή που θα προκύψουν. Η μεγάλη διαφορά ανάμεσα στη διαχείριση των δύο αυτών κατηγοριών είναι ο αριθμός που προκύπτει για τις εναλλακτικές διαδρομές που μπορούν να εξυπηρετήσουν τη μετάδοση της πληροφορίας. Στη δυναμική δρομολόγηση δεν υπάρχει κάποιος περιορισμός στον αριθμό των εναλλακτικών διαδρομών ενώ στη στατική δρομολόγηση ο αριθμός αυτός είναι σταθερός. Και στις δύο περιπτώσεις, όταν προκύψει μία αίτηση για μια καινούργια σύνδεση, ο αλγόριθμος επιλέγει ανάμεσα στις εναλλακτικές διαδρομές εκείνη που έχει το λιγότερο φόρτο. Εάν δύο ή και περισσότερες διαδρομές έχουν το ίδιο ποσοστό φόρτου, τότε ο αλγόριθμος θα επιλέξει τη συντομότερη από αυτές. Όταν πλέον έχει επιλεγεί η κατάλληλη διαδρομή, ένας αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος θα χρησιμοποιηθεί για να ολοκληρώσει τη διαδικασία. Όσον αφορά τον αλγόριθμο ShP, η διαδρομή που επιλέγεται για να εξυπηρετήσει τη μετάδοση των δεδομένων είναι η συντομότερη μεταξύ του αρχικού και του τελικού κόμβου. Συνήθως, οι συντομότερες διαδρομές είναι προκαθορισμένες από την αρχή της λειτουργίας του δικτύου και ο αλγόριθμος εξετάζει αν είναι διαθέσιμο ένα 24

25 Αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος συγκεκριμένο μήκος κύματος που θα εξυπηρετήσει όλη τη διαδρομή. Αν δεν υπάρχει κάποιο μήκος κύματος, τότε η αίτηση για διασύνδεση των κόμβων απορρίπτεται. Στην περίπτωση που υπάρξουν περισσότερα του ενός διαθέσιμα μήκη κύματος, κάποιος αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος θα αναλάβει να επιλέξει το καταλληλότερο από αυτά. Βασικό πλεονέκτημα του αλγορίθμου ShP είναι η απλή υλοποίηση και διαχείριση του. Παρόλα αυτά, ο εν λόγω αλγόριθμος είναι ιδιαίτερα αυστηρός και υπάρχει μεγάλη πιθανότητα για απόρριψη μίας αίτησης όταν δε βρεθεί το κατάλληλο μήκος κύματος για τη συντομότερη διαδρομή ενώ ταυτόχρονα μπορεί να υπάρχουν διαθέσιμα μήκη κύματος για άλλες λιγότερο σύντομες διαδρομές. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος που ο εν λόγω αλγόριθμος χρησιμοποιείται σε δίκτυα με μικρό σχετικά φόρτο εργασίας. Μία παραλλαγή του ShP αλγορίθμου είναι ο K-ShP όπου λαμβάνονται υπόψη οι Κ συντομότερες διαδρομές για ένα ζεύγος κόμβων, αποθηκεύονται σε ένα πίνακα δρομολόγησης και εξετάζονται όταν γίνεται μία αίτηση για διασύνδεση. Η αποθήκευση στον πίνακα δρομολόγησης γίνεται με βάση μία μετρική κόστους, που συνήθως είναι τα λιγότερα βήματα που θα πρέπει να διανύσει κάθε μία από αυτές τις διαδρομές, από τη μικρότερη προς τη μεγαλύτερη. Για να εξυπηρετηθεί μία αίτηση, θα πρέπει να βρεθεί ένα κατάλληλο μήκος κύματος για την πρώτη εναλλακτική διαδρομή. Αν δε βρεθεί ένα τέτοιο, τότε ο αλγόριθμος θα προχωρήσει στην ανεύρεση κατάλληλου μήκους κύματος για τη δεύτερη εναλλακτική διαδρομή κ.ο.κ. Όπως και στην αρχική του μορφή, ο αλγόριθμος απορρίπτει την αίτηση για διασύνδεση αν δε βρεθεί κάποιο μήκος κύματος για τις Κ εναλλακτικές διαδρομές ενώ δίνει τον έλεγχο σε έναν αλγόριθμο ανάθεσης μήκους κύματος εάν προκύψουν περισσότερα από ένα διαθέσιμα μήκη κύματος για την διαδρομή που επιλέχθηκε. Στο παράδειγμά μας, λαμβάνοντας υπόψη τον τρόπο λειτουργίας του αλγορίθμου ShP, ως μετρική κόστους θεωρείται ο αριθμός των οπτικών ενισχυτών που τοποθετούνται σε κάθε κανάλι του δικτύου και ονομάζεται κόστος ενέργειας (Power Cost, PC). Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, ο προτεινόμενος αλγόριθμος LBC λαμβάνει υπόψη τόσο την κατανάλωση της ενέργειας του κάθε καναλιού του δικτύου όσο και την κατάσταση του φόρτου εργασίας του. Ανήκει στην κατηγορία των αλγορίθμων που επιλέγουν τις διαδρομές με το μικρότερο κόστος και χρησιμοποιεί για αυτό το σκοπό μία μέθοδο κόστους σε κάθε κανάλι ανάλογα με το φόρτο του τη δεδομένη στιγμή. Το κόστος LC t του καναλιού i,j στον χρόνο t n, υπολογίζεται ως εξής: i, j n LC t PC LF t (3) i, j n i, j i, j n Όπου PCi, jείναι το κόστος του καναλιού i,j που συσχετίζεται άμεσα με την ενέργεια που καταναλώνεται από τους ενισχυτές που βρίσκονται κατά μήκος του καναλιού 25

26 Κεφάλαιο 3 και δε λαμβάνει υπόψη το φόρτο εργασίας του, ενώ υπολογίζεται από την προαναφερθείσα σχέση της κατανάλωσης της ενέργειας της οπτικής ίνας (2). Η παράμετρος LF t ονομάζεται Load Factor του καναλιού i,j στη χρονική στιγμή t n. i, j n Το Load Factor του καναλιού υπολογίζεται με βάση μία μέθοδο ανάθεσης κόστους η οποία με τη σειρά της χρησιμοποιεί μία εσωτερική μέθοδο που ονομάζεται Fiber Cost Assignment Function (FCA) που υπολογίζει το Load Factor της κάθε ίνας του καναλιού τη χρονική στιγμή t n, και μία εξωτερική μέθοδο που ονομάζεται Fiber Selection (FS) η οποία υπολογίζει το Load Factor όλου του καναλιού λαμβάνοντας υπόψη όλα τα επιμέρους Load Factors των ινών που το απαρτίζουν. Πιο συγκεκριμένα, οι σχέσεις που συσχετίζουν τις δύο αυτές μεθόδους είναι οι: k K,,. LF ( t ) FS LF t LF t.., LF t,..., LF t (4) 1 2 i, j n i, j n i, j n i, j n i, j n k k i, j n i, j n k Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί ότι στην (5) το LF t FCA L t (5) L t είναι ο φόρτος της ίνας k στη χρονική στιγμή t n και πιο συγκεκριμένα ο αριθμός των μηκών κύματος της ίνας που χρησιμοποιούνται εκείνη τη στιγμή. Όσον αφορά τις μεθόδους FCA, έχει παρατηρηθεί ότι αν εφαρμοστεί ένα μηδενικό κόστος στις ίνες που χρησιμοποιούνται, τα μήκη των πιθανών διαδρομών για τη μετάδοση των δεδομένων αυξάνονται πολύ, γεγονός που οδηγεί σε σπατάλη του διαθέσιμου εύρους ζώνης του καναλιού. Επιπλέον, όταν ο φόρτος εργασίας των ινών είναι υψηλός, η πιθανότητα να βρεθεί ένα διαθέσιμο μήκος κύματος για ολόκληρη τη διαδρομή μειώνεται σημαντικά λόγω του περιορισμού περί συνέχειας του μήκους κύματος και οδηγούμαστε τελικά στην χρησιμοποίηση περισσότερων οπτικών ινών στο κανάλι κατά τη διαδικασία ανάθεσης μήκους κύματος. Αυτή η πρακτική κάνει εμφανή την ανάγκη να δημιουργηθούν νέες μέθοδοι με συναρτήσεις κόστους που θα αυξάνονται ανάλογα με το φόρτο κάθε ίνας. Από την άλλη πλευρά, όταν το φορτίο των ινών είναι χαμηλό, η πιθανότητα να μη χρησιμοποιηθεί μία ίνα, δηλαδή η πιθανότητα που υπάρχει αν όλα τα lightpaths που τη χρησιμοποιούν τερματίζονται πριν ξεκινήσει η εγκατάσταση ενός νέου, είναι υψηλή και κατά συνέπεια θα πρέπει να ανατεθεί μεγαλύτερο κόστος στη συγκεκριμένη ίνα ώστε να αποφευχθεί η χρησιμοποίησή της. Όλες οι παραπάνω παρατηρήσεις έχουν οδηγήσει στη δημιουργία μίας κατηγορίας μεθόδων που ονομάζονται V-Like και αποτελούνται από δύο τμήματα. Το πρώτο τους τμήμα ακολουθεί μία καθοδική πορεία όσο αυξάνεται ο φόρτος εργασίας της οπτικής ίνας και μέχρι να φτάσει στο μισό από τον αριθμό όλων των διαθέσιμων μηκών κύματός της (W/2). Το δεύτερο τμήμα τους ακολουθεί μία ανοδική πορεία i, j n 26

27 Αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος όσο αυξάνεται ο αριθμός των χρησιμοποιούμενων μηκών κύματος από το μέσο του αριθμού όλων διαθέσιμων μέχρι και τον μέγιστο αριθμό των μηκών κύματος, δηλαδή στο διάστημα [W/2,W]. Μία σειρά μεθόδων έχει δοκιμαστεί και αυτή που παρουσιάζει την καλύτερη απόδοση είναι εκείνη που θεωρεί πως τα διαθέσιμα μήκη κύματος σε κάθε ίνα είναι είκοσι (W=20). Η τιμή του Load Factor της κάθε ίνας k i, j n LF t υπολογίζεται βάσει του τετραγώνου και της τετραγωνικής ρίζας του φόρτου για το καθοδικό και το ανοδικό τμήμα αντίστοιχα. Η σχέση που υπολογίζει το κόστος της ίνας για αυτές τις μεθόδους είναι η εξής: k k 2sign 2L i, j t n W 1 LF t 2L t W 1 (6) k i, j n i, j n Στο Σχήμα 4 φαίνονται οι τιμές του φόρτου της ίνας ανάλογα με τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων μηκών κύματος. Σχήμα 4: Μέθοδος FCA για τον αλγόριθμο LBC όπου W=20 Το σχήμα της καμπύλης έχει δημιουργηθεί βάσει των ακόλουθων παρατηρήσεων. Όσον αφορά στο τμήμα με την καθοδική πορεία, μπορούμε να παρατηρήσουμε πως η πιθανότητα να απενεργοποιήσουμε μία οπτική ίνα μειώνεται εκθετικά ανάλογα με τον αριθμό των μηκών κύματος που αυτή χρησιμοποιεί και πιο συγκεκριμένα με την πιθανότητα να δημιουργούνται καινούργιες συνδέσεις όταν οι παλαιότερες σταματούν με τη χρήση αυτής της ίνας. Όσον αφορά το ανοδικό τμήμα, 27

28 Κεφάλαιο 3 παρατηρούμε ότι τα αριθμητικά αποτελέσματα της μεθόδου αυξάνονται ταχύτατα ώστε να αποφεύγονται οι περιπτώσεις χρήσης μεγάλων καναλιών μετάδοσης διατηρώντας έτσι το φόρτο του δικτύου σε ανεκτά επίπεδα. Στις εξωτερικές μεθόδους FS μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε η μέγιστη τιμή του φόρτου κάποιας ίνας του καναλιού, είτε η ελάχιστη τιμή του, είτε ο μέσος όρος του φόρτου όλων ινών που συνθέτουν το κανάλι όπως γίνεται και στην περίπτωση του παραδείγματός μας μιας και η συγκεκριμένη μέθοδος που λαμβάνει υπόψη τον μέσο όρο του φόρτου δίνει τα καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με τις υπόλοιπες. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι FS μέθοδοι δεν θέτουν την τιμή 1 k στο Load Factor LF t της ίνας στις περιπτώσεις που η εν λόγω ίνα είτε i, j n χρησιμοποιείται πλήρως είτε δε χρησιμοποιείται καθόλου. Στον αλγόριθμο LBC εάν υπάρχει μία μη χρησιμοποιημένη ίνα, θα δοθεί στο Load Factor του καναλιού i, j n LF t η τιμή 1, ενώ αν το κανάλι είναι πλήρως απασχολημένο, δηλαδή όλες οι ίνες χρησιμοποιούνται τη δεδομένη στιγμή, θα συσχετιστεί το Load Factor του καναλιού LF t με το άπειρο. i, j n Το Σχήμα 5 καταγράφει τον ψευδο-κώδικα υπολογισμού του κόστους κάθε καναλιού για τον αλγόριθμο LBC. LBC link cost computation for all links in the network unused_fiber = false; for all fibers of the current link i, j k If 0 < L i,j < W then LF k k i, j = FCA(L i,j ); add the term LF k i, j to the fiber_cost_list; else if LF k i, j = 0 then unused_fiber = true; end if end for if fiber_cost_list is not empty then LF i, j = FS (fiber_cost_list); else if unused = true then LF i, j = 1; else LF i, j = ; end if LC i, j = PC i, j LF i, j ; set LC i, j to link i, j; end for Σχήμα 5: Υπολογισμός κόστους καναλιού βάσει του αλγορίθμου LBC 28

29 Αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος 3.2 Αλγόριθμοι ανάθεσης μήκους κύματος Ένας αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος που θα μας απασχολήσει στη σύγκριση με τον προτεινόμενο αλγόριθμο είναι εκείνος που επιλέγει το περισσότερο χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος (Most Used Path, MUP). Για να γίνει αυτό, ο αλγόριθμος θα πρέπει να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή την κατάσταση του δικτύου ώστε να επιλέξει το πιο «διαδεδομένο» μήκος κύματος, γεγονός που αυξάνει την πολυπλοκότητά του αλλά και δυσκολεύει ταυτόχρονα τη διαχείριση του δικτύου. Λειτουργικά, ο αλγόριθμος αυτός δίνει την τιμή 0 στο κόστος του καναλιού όταν υπάρχει έστω και ένα διαθέσιμο μήκος κύματος σε μία από τις χρησιμοποιούμενες οπτικές ίνες του εν λόγω καναλιού. Σε άλλη περίπτωση σαν κόστος του καναλιού δίνεται η τιμή του PC. Ο αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος FF (First Fit) αναζητά το κατάλληλο μήκος κύματος με βάση μια προκαθορισμένη σειρά. Κάθε ένα από τα μήκη κύματος λαμβάνει έναν αύξοντα αριθμό και εξετάζεται από τον αλγόριθμο βάσει αυτού. Το πρώτο μήκος κύματος που θα βρεθεί διαθέσιμο είναι τελικά αυτό που θα επιλεγεί για την εξυπηρέτηση της αίτησης. Χαρακτηριστικό αυτό του αλγορίθμου είναι η απλότητά του και η διαχειριστική του ευκολία μιας και δε χρειάζεται να ανιχνεύει την κατάσταση των μηκών κύματος ανά πάσα στιγμή όπως κάνουν άλλοι αλγόριθμοι ανάθεσης μήκους κύματος. Όταν ο αλγόριθμος χρησιμοποιείται σε WDM δίκτυα με μεγάλο αριθμό οπτικών ινών, εξετάζει τόσο τις χρησιμοποιούμενες όσο και τις μη χρησιμοποιούμενες οπτικές ίνες ώστε να βρει το κατάλληλο μήκος κύματος σε αυτές. Κατ αυτόν τον τρόπο εξετάζονται όλες οι ίνες του καναλιού προτού επιλεγεί ένα μήκος κύματος με μεγαλύτερο αύξοντα αριθμό. Στο παράδειγμά μας ο αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος FF συνδυάζεται με τον αλγόριθμο δρομολόγησης LCP ώστε να τεθεί ένα ανώτατο όριο στην συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου. Ο αλγόριθμος LCP έχει ως βασικό χαρακτηριστικό τον καταμερισμό του συνολικού φόρτου του δικτύου σε όλα τα κανάλια του και ο FF λαμβάνει υπόψη όλες τις οπτικές ίνες του κάθε καναλιού. Είναι λοιπόν πολύ πιθανό με το συνδυασμό τους να χρησιμοποιούνται όλες οι ίνες του δικτύου με σχετικά χαμηλό φόρτο. Για να αποφευχθεί η σπατάλη της ενέργειας, πολλές φορές χρησιμοποιείται μία νεότερη εκδοχή του αλγορίθμου FF που ονομάζεται Two-Phase FF (TP-FF) και χωρίζεται σε δύο φάσεις. Κατά την πρώτη φάση, εξετάζονται μόνο οι ίνες που χρησιμοποιούνται τη δεδομένη χρονική στιγμή. Αν δε μπορεί να βρεθεί ένα διαθέσιμο μήκος κύματος σε αυτές τις ίνες ο αλγόριθμος προχωράει στη δεύτερη φάση όπου και λειτουργεί όπως ο κλασσικός FF. Στο παράδειγμά μας χρησιμοποιούμε μια τροποποιημένη εκδοχή του κλασσικού αλγορίθμου FF και την ονομάζουμε Least Additional Power FF (LAP-FF). Η βασική διαφορά του με τον 29

30 Κεφάλαιο 3 αλγόριθμοtp-ff είναι πως στην περίπτωση που κατά την πρώτη φάση δε βρεθεί ένα διαθέσιμο μήκος κύματος, θα περάσει στη δεύτερη αλλά θα επιλέξει το μήκος κύματος που απαιτεί την λιγότερη κατανάλωση ενέργειας από τα υπόλοιπα διαθέσιμα. Τέλος, στην περίπτωση που το κατάλληλο μήκος κύματος είναι διαθέσιμο σε περισσότερες από μία ίνες, επιλέγεται η πρώτη, σε όλους τους αλγορίθμους ανάθεσης μήκους κύματος που αναφέρθηκαν. 30

31 Κεφάλαιο 4. Προσομοίωση Η γλώσσα προγραμματισμού που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του εν λόγω δικτύου είναι η Python 2.7 και ως περιβάλλον προσομοίωσης επιλέχθηκε το Eclipse Standar/SDK v.kepler Service Release 1. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκαν οι βιβλιοθήκες network 1.8.1, numpy SimPy και matplotlib για τη δημιουργία της τοπολογίας του δικτύου, τη δημιουργία πινάκων και μαθηματικών εξισώσεων, την εκτέλεση του προγράμματος και τη δημιουργία γραφημάτων αντίστοιχα. 4.1 Παράμετροι προσομοίωσης Οι τοποθεσίες που επιλέχθηκαν για τις προσομοιώσεις του οπτικού δικτύου δημιουργήθηκαν με τυχαίο τρόπο θέτοντας ένα συγκεκριμένο αριθμό Ν για τους κόμβους και έναν συγκεκριμένο αριθμό W για τα μήκη κύματος που υπάρχουν διαθέσιμα σε κάθε μία από τις ίνες. Ο βαθμός συνδεσιμότητας D του δικτύου δίνεται από τη σχέση: D 2L N N 1 (7) όπου L είναι ο αριθμός των καναλιών του δικτύου. Στο παράδειγμά μας οι τιμές για τα N, W και D είναι 25, 40 και 0.2 αντίστοιχα. O βαθμός συνδεσιμότητας Κ του κάθε κόμβου αφορά άμεσα στον αριθμό των καναλιών με τα οποία συνδέεται ο εν λόγω κόμβος και δίνεται από τη σχέση: K D N 1 (8) Επιπλέον, οι κόμβοι του δικτύου βρίσκονται τοποθετημένοι με τυχαίο τρόπο σε μία έκταση των km 2. Τα κανάλια μεταξύ των κόμβων παράγονται με τον εξής τρόπο: πρώτα, για κάθε κόμβο δημιουργούνται δύο κανάλια επιλέγοντάς τα από τα διαθέσιμα κανάλια με τη μικρότερη απόσταση. Έπειτα δημιουργούνται νέα κανάλια για κάθε κόμβο ώστε να μην υπάρχει κάποιο ζεύγος κόμβων του δικτύου που να μη μπορεί να ανταλλάξει δεδομένα. Στην τρίτη και τελευταία φάση, προστίθενται και άλλα κανάλια στον κάθε κόμβο έως ότου να ικανοποιηθεί η συνθήκη του βαθμού συνδεσιμότητας D. Τα κανάλια αυτά επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιείται η αναλογία μεταξύ τις φυσικής απόστασης δύο κόμβων και του μήκους της συντομότερης διαδρομής που τους συνδέει. Μία τέτοια τοπολογία δικτύου με τη διασύνδεση των κόμβων και τη μεταξύ τους απόσταση παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.

32 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 6: Τοπολογία δικτύου Η απόδοση και η λειτουργικότητα του δικτύου εξαρτάται άμεσα από αιτήσεις που δημιουργούνται για διασύνδεση των κόμβων ώστε να επιτευχθεί η μετάδοση των δεδομένων. Βάσει αυτής της λογικής, θα πρέπει να επιλεχθεί ένας κατάλληλος αριθμός οπτικών ινών για κάθε κανάλι ώστε να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα απόρριψης μιας αίτησης για διασύνδεση. Όπως σημειώθηκε όμως νωρίτερα, ο αριθμός των οπτικών ινών του δικτύου έχει άμεσο αντίκτυπο στην κατανάλωση της ενέργειας του δικτύου, η οποία αυξάνεται όσο αυξάνεται και ο αριθμός των ινών αυτών ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που εφαρμόζεται ο αλγόριθμος FF όπως συμβαίνει και στη δική μας. Οι αιτήσεις για διασύνδεση δημιουργούνται βάσει της εξής διαδικασίας: πρώτα, για Avg κάθε ένα από τα ζεύγη των κόμβων του δικτύου, η παράμετρος Fs, d TF f, αντιπροσωπεύει το μέσο φόρτο εργασίας του καναλιού, υπολογίζεται ακολουθώντας τις παρακάτω πιθανότητες. Avg s d που Avg 1 Prob fsd, 0 (9) 2 x2 Avg Avg Avg Avg 1 s, d 2 s, d 0 _ s, d ; 1 0, 2 _ s, d x1 Prob x f x f dx Max f x x Max f (10) 32

33 Προσομοίωση Η μεταβλητή TF είναι συντελεστής που χρησιμοποιείται για να αυξήσει το συνολικό φόρτο του δικτύου και η τιμή του Max _ f Avg, στις προσομοιώσεις μας είναι ίση με 5. sd Μετά τον υπολογισμό των πιθανοτήτων οι αιτήσεις για διασύνδεση μεταξύ των κόμβων ακολουθούν την κατανομή Poisson με τη μέση τιμή να δίνεται από τη σχέση: λ F μ (11) Avg s, d s, d Ο χρόνος ζωής κάθε σύνδεσης ακολουθεί μία αρνητική εκθετική κατανομή με παράμετρο μ=3600 sec. 4.2 Αποτελέσματα προσομοίωσης Η συνολική κατανάλωση ενέργειας όταν όλο το δίκτυο βρίσκεται σε λειτουργία μετρήθηκε βάσει των αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος LCP και FF αντίστοιχα. Στο παρακάτω διάγραμμα χρησιμοποιήθηκε το 12.5 Erlang για το μέσο φόρτο του δικτύου, επομένως η τιμή του TF στην παραπάνω σχέση θα είναι ίση με 10. Σχήμα 7: Κατανάλωση ενέργειας των ενεργών συσκευών του δικτύου όταν χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος LCP-FF 33

34 Κεφάλαιο 4 Όπως προκύπτει από το Σχήμα 7 το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας καταναλώνεται από τους EDFAs και τους Transponders με 47% και 52% αντίστοιχα ενώ οι οπτικοί πίνακες μεταγωγής μαζί με τα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου καταναλώνουν λιγότερο από το 2% της συνολικής κατανάλωσης. Βάσει των αποτελεσμάτων που παρουσιάζονται στα παρακάτω διαγράμματα θα συγκρίνουμε τους αλγόριθμους δρομολόγησης που προαναφέρθηκαν, με τους αντίστοιχους αλγόριθμους ανάθεσης μήκους κύματος για να κατανοήσουμε καλύτερα τις επιπτώσεις τους στο WRA πρόβλημα εξετάζοντας την ενέργεια που καταναλώνεται σε κάθε έναν από αυτούς. Θα πρέπει να σημειωθεί πως παρόλο που όλοι οι αλγόριθμοι χρησιμοποιούν τον ίδιο αριθμό από EDFAs, το ποσοστό κατανάλωσης ενέργειας ποικίλει κι αυτό οφείλεται στη χρήση των οπτικών ινών που κάνει κάθε αλγόριθμος για να δρομολογήσει τα δεδομένα στον τελικό παραλήπτη. Σχήμα 8: Σύγκριση απόδοσης των αλγορίθμων ανάθεσης μήκους κύματος LAP-FF και TF-FF χρησιμοποιώντας ως αλγόριθμο δρομολόγησης τον LBC Στο Σχήμα 8 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της κατανάλωσης της ενέργειας όταν χρησιμοποιούμε στο δίκτυό μας τον αλγόριθμο δρομολόγησης LBC σε συνδυασμό με τις τεχνικές ανάθεσης μήκους κύματος TF-FF και LAP-FF. Βάσει των αποτελεσμάτων κατανάλωσης των γνωστών αλγορίθμων δομολόγησης LCP, MUP και ShP στις αντίστοιχες περιπτώσεις, η κατανάλωση της ενέργειας είναι 34

35 Προσομοίωση μεγαλύτερη για τον αλγόριθμο LCP μιας και το βασικό του χαρακτηριστικό είναι η ισοκατανομή του φόρτου του δικτύου σε όλους τους κόμβους. Ο αλγόριθμος που εμφανίζει την καλύτερη απόδοση και στις δύο περιπτώσεις της ανάθεσης μήκους κύματος είναι ο LBC ενώ τη χειρότερη απόδοση παρουσιάζει ο αλγόριθμος MUP διότι καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από τους υπόλοιπους. Ο MUP χαρακτηρίζεται από τα μεγάλα μονοπάτια φωτός που δημιουργεί για να δρομολογήσει την κίνηση με αποτέλεσμα να έχουμε μεγάλη κατανάλωση ενέργειας. Το μεγάλο μειονέκτημά του είναι πως είναι σχεδόν απίθανο να χρησιμοποιηθούν άλλα κανάλια στο δίκτυο όταν υπάρχει τουλάχιστον μία ίνα σε χρήση που να διασυνδέει όλους τους κόμβους μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει διότι όταν επιλέγεται ένα κανάλι με υψηλό φόρτο για να εξυπηρετήσει ένα lightpath, είναι πολύ πιθανό να εμφανιστεί ένα block κατά τη διαδικασία ανάθεσης μήκους κύματος και έτσι γίνεται αναγκαία η χρήση μιας νέας ίνας στα κανάλια του δικτύου. Συμπερασματικά, ο MUP δε λαμβάνει υπόψη εάν υπάρχει ένα διαθέσιμο μήκος κύματος σε μία χρησιμοποιούμενη ίνα μιας και ο περιορισμός για συνεχές μήκος κύματος επιβάλλει τη χρήση μιας νέας οπτικής ίνας, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις όπου τα lightpaths είναι μεγάλα και ο φόρτος τους είναι υψηλός. Ο LBC λαμβάνει υπόψη τον φόρτο του καναλιού και επιλέγει να χρησιμοποιήσει μία νέα ίνα παρά να μεταφέρει την κίνηση σε ένα διαφορετικό lightpath που μπορεί και να είναι μεγαλύτερο από κάποιο προτεινόμενο. Ο LBC σε σύγκριση με τον LCP εξοικονομεί το 45% της καταναλώσιμης ενέργειας και σε σύγκριση με τον MUP το ποσοστό αυτό κυμαίνεται μεταξύ 24% και 32% για τους δύο αλγόριθμους ανάθεσης μήκους κύματος. Όσον αφορά τον αλγόριθμο ShP, ο LBC εξοικονομεί μόλις το 5% με 10% της κατανάλωσης. Στην πραγματικότητα, ο ShP παράγει χαμηλά ποσοστά κατανάλωσης ενέργειας ακόμα κι αν η αρχική του σχεδίαση δεν ήταν για αυτόν τον σκοπό. Η χαμηλή του κατανάλωση οφείλεται στο γεγονός ότι τείνει να χρησιμοποιεί λιγότερες οπτικές ίνες άρα και λιγότερους EDFAs αφού απενεργοποιεί τις ίνες που είναι λιγότερο χρησιμοποιούμενες και δρομολογεί το σήμα σε εκείνες που έχουν μεγαλύτερο φόρτο. Τέλος, όσον αφορά τον LCP-FF αλγόριθμο, ο LBC σε σύγκριση μαζί του εξοικονομεί περίπου το 60% της καταναλώσιμης ενέργειας. Στο Σχήμα 9 παρουσιάζεται η κατανομή του φόρτου για όλα τα μήκη κύματος στα κανάλια του δικτύου για τον αλγόριθμο LBC LAP-FF. Στη σύγκρισή του με τους γνωστούς αλγόριθμους δρομολόγησης, μπορούμε να πούμε ότι ο MUP αφήνει αχρησιμοποίητο ένα μεγάλο ποσοστό των καναλιών ενώ ταυτόχρονα επιλέγει περισσότερες ίνες σε κάθε κανάλι και ποτέ δε χρησιμοποιεί μόνο μία ίνα σε ένα από αυτά τα κανάλια. Για τον ShP η κατανομή του φόρτου είναι παρόμοια με αυτή του LBC. Όσον αφορά τον LCP, χρησιμοποιεί ένα μέσο όρο στα μήκη κύματος ενώ δεν αφήνει κανένα από τα κανάλια αχρησιμοποίητο. 35

36 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 9: Κατανομή του φόρτου στις οπτικές ίνες κάθε καναλιού χρησιμοποιώντας ως αλγόριθμο δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος τον LBC LAP-FF Προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση που έχει η κίνηση του δικτύου στον αλγόριθμο δρομολόγησης LBC όταν αυτός χρησιμοποιεί ως αλγόριθμους ανάθεσης μήκους κύματος τους LAP-FF και TF-FF, πραγματοποιήθηκε μία σειρά από προσομοιώσεις με τις τιμές του Erlang να κυμαίνονται από 0,3 έως 20 για κάθε μία από τις συνδέσεις του δικτύου. Οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές τις προσομοιώσεις είναι ίδιες με τις παραμέτρους που εξετάστηκαν στα προηγούμενα διαγράμματα. Η ενεργειακή απόδοση ενός αλγορίθμου είναι ο λόγος της κατανάλωσης ενέργειας της βέλτιστης πρακτικής προς την κατανάλωση ενέργειας του ίδιου του αλγορίθμου. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Σχήμα 10 θα μας βοηθήσουν να συγκρίνουμε την κατανάλωση ενέργειας του αλγόριθμου LBC με τους ήδη γνωστούς αλγόριθμους δρομολόγησης ώστε να κατανοήσουμε καλύτερα την αποδοτικότητά του αλλά και τη διαφορά του με τους υπόλοιπους όσον αφορά τα χαμηλότερα επιτρεπτά όρια κατανάλωσης. 36

37 Προσομοίωση Σχήμα 10: Κατανάλωση ενέργειας vs φόρτου για τους αλγόριθμους ανάθεσης μήκους κύματος LAP-FF και TF-FF χρησιμοποιώντας ως αλγόριθμο δρομολόγησης τον LBC Γνωρίζουμε πως ο αλγόριθμος MUP έχει καλύτερη απόδοση από τον ShP όταν ο φόρτος είναι σχετικά χαμηλός. Πιο συγκεκριμένα, όταν χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος TF-FF και ο φόρτος είναι ίσος με 0,3 Erlang, ο MUP μειώνει την κατανάλωση ενέργειας κατά 5 μονάδες σε σύγκριση με τον ShP. Παρόλα αυτά, όταν ο φόρτος του δικτύου αυξάνεται μέχρι το 2,5 Erlang, ο MUP παρουσιάζει μεγαλύτερα ποσοστά κατανάλωσης από τον ShP. Ο LBC αλγόριθμος φαίνεται να χρησιμοποιεί χαμηλά ποσοστά κατανάλωσης ενέργειας στις περιπτώσεις υψηλού και χαμηλού φόρτου εξοικονομώντας 25% - 35% από την κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τον αλγόριθμο MUP. Τέλος, για την ορθότητα των αποτελεσμάτων, θα πρέπει να σημειωθεί πως οι τιμές όλων των παραπάνω διαγραμμάτων συμπτίπτουν αριθμητικά με τα αποτελέσματα των συγγραφέων στην εργασία τους «Dynamic Power-Aware Routing and Wavelength Assignment for Green WDM Optical Networks». 4.3 Οδηγός Προσομοίωσης Στην ενότητα αυτή θα παρουσιαστούν τα βασικά σημεία της προσομοίωσης που περιλαμβάνουν την υλοποίηση του κώδικα για τη δημιουργία του δικτύου μας καθώς και των μεθόδων λειτουργίας του, όπως και τα αποτελέσματα αυτών που 37

38 Κεφάλαιο 4 χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία των αντίστοιχων διαγραμμάτων. Όπως είπαμε και νωρίτερα, η εν λόγω υλοποίηση έχει γίνει στο περιβάλλον Eclipse Standar/SDK και ως γλώσσα προγραμματισμού χρησιμοποιήθηκε η Python 2.7. Στο Παράρτημα Α καταγράφονται όλες οι μέθοδοι που εμφανίζονται στα επόμενα σχήματα. Στο Σχήμα 11 βλέπουμε τον υπολογισμό των Load Factors κάθε οπτικής ίνας που θα χρησιμοποιηθούν από τη μέθοδο get_fsd() ώστε να υπολογίσουμε τις αιτήσεις για διασύνδεση όλων των καναλιών του δικτύου. Βασικά δεδομένα για τη δημιουργία αυτών των Load Factors είναι τα 40 μήκη κύματος που υπάρχουν σε κάθε οπτική ίνα καθώς και η παράμετρος TF που χρησιμοποιείται για να αυξήσει την κίνηση του δικτύου. Το αποτέλεσμα αυτής της προσομοίωσης είναι μία λίστα με τα 40 Load Factors. Σχήμα 11: Υπολογισμός των Load Factors για τα 40 μήκη κύματος κάθε οπτικής ίνας Στο Σχήμα 12 φαίνεται η υλοποίηση του αλγορίθμου LCP-FF. Η μέθοδος LCP-FF() καλείται για όλες τις διασυνδέσεις του δικτύου και μας επιστρέφει την κατανάλωση των EDFAs, των Transponders, των Electronic Control Systems, των πινάκων 3D- MEMs καθώς και τη συνολική τους κατανάλωση. Αρχικά υπολογίζονται όλα τα πιθανά μονοπάτια που μπορούν να διασυνδέσουν δύο κόμβους μεταξύ τους και επιλέγεται εκείνο με το μικρότερο κόστος. Έπειτα, με βασικό δεδομένο το μήκος αυτού του μονοπατιού υπολογίζεται και η κατανάλωση που έχουν οι συσκευές του βάσει των μεθόδων power_cost(), transponders() και ECS_MEMs(). 38

39 Προσομοίωση Σχήμα 12: Υλοποίηση αλγορίθμου LCP-FF Η κατανάλωση των EDFAs για όλα τα μονοπάτια που επιλέχθηκαν φτάνει στα 325 kw ενώ η κατανάλωση των Transponders και των ECS μαζί με τους πίνακες 3D MEMs είναι 360 και 3.79 kw αντίστοιχα. Η συνολική κατανάλωση ενέργειας αυτού του δικτύου ανέρχεται στα 689 kw. Στο Σχήμα 13 φαίνεται η υλοποίηση του αλγόριθμου δρομολόγησης LBC σε συνδυασμό με τον αλγόριθμο ανάθεσης μήκους κύματος LAP-FF. Αρχικά, όπως και στον αλγόριθμο LCP-FF θα πρέπει να υπολογιστούν όλες οι πιθανές διαδρομές που θα συνδέσουν όλους τους κόμβους μεταξύ τους και να βρεθεί εκείνη με το μικρότερο κόστος. Παράλληλα, θα πρέπει να υπολογισθούν και οι αιτήσεις για διασύνδεση από τον ένα κόμβο στον άλλο μέσω αυτού του μονοπατιού που θα επιλεγεί. Για αυτό το σκοπό καλούνται οι μέθοδοι find_connection_requests() και find_minimum_cost_paths(). Τα δεδομένα των μεθόδων αυτών θα χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι στον αλγόριθμο LBC LAP-FF. Για κάθε ένα από τα μονοπάτια, ο αλγόριθμος θέτει έναν αριθμό από οπτικές ίνες που ικανοποιούν την απαίτηση για διασύνδεση καθώς επίσης και έναν αριθμό μηκών κύματος που θα χρησιμοποιηθεί σε κάθε μία από αυτές τις οπτικές ίνες. Βάσει του αριθμού των μηκών κύματος καλείται η μέθοδος fiber_cost() για να υπολογίσουμε το κόστος κάθε ίνας και στη συνέχεια καλείται η link_cost() για να αθροίσουμε όλα τα επιμέρους κόστη που απαρτίζουν το εν λόγω κανάλι. 39

40 Κεφάλαιο 4 Παράλληλα, λαμβάνει χώρα ο αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος LAP-FF κατά τον οποίο ο LBC θα επιλέξει και θα λάβει υπόψη το δεύτερο σε κατανάλωση μονοπάτι στην περίπτωση που απορριφθεί μία αίτηση για διασύνδεση. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης είναι η συνολική κατανάλωση του δικτύου και υπολογίζεται στα 135 kw περίπου. Σχήμα 13: Υλοποίηση αλγορίθμου LBC LAP-FF Λίγο παραπάνω έγινε αναφορά για τα μήκη κύματος που επιλέγονται για χρήση από τον αλγόριθμο LBC σε κάθε μία από τις οπτικές ίνες όλων των καναλιών του δικτύου. Στο Σχήμα 14 φαίνεται η αποθήκευση των μηκών κύματος που χρησιμοποιούνται σε μία λίστα ονόματι wavelengths η οποία αργότερα θα μας βοηθήσει στη ομαδοποίηση όλων αυτών των μηκών κύματος. Βάσει της ομαδοποίησης, βλέπουμε πως στον αλγόριθμο LBC χρησιμοποιούνται μέχρι και 10 διαφορετικά μήκη κύματος σε κάθε οπτική ίνα από τα 40 που είναι διαθέσιμα. Πιο συγκεκριμένα, το 30% των οπτικών ινών του δικτύου χρησιμοποιούν μόλις 2 μήκη κύματος ενώ μόλις το 2% χρησιμοποιεί 9 μήκη κύματος, γεγονός που συμβάλλει στη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας του δικτύου. 40

41 Προσομοίωση Σχήμα 14: Χρησιμοποιούμενα μήκη κύματος στον αλγόριθμο LBC LAP-FF Οι διαφορετικές τιμές των Erlang αντιπροσωπεύουν διαφορετικό φόρτο και πιο συγκεκριμένα, διαφορετικό αριθμό για αιτήσεις διασύνδεσης μεταξύ των κόμβων του δικτύου. Αυτές τις περιπτώσεις τις υλοποιούμε βάσει του αλγορίθμου LBC LAP- FF όταν τον καλούμε κάθε φορά με διαφορετική τιμή Erlang. Η μεταβλητή που αντιπροσωπεύει τις αλλαγές στις τιμές Erlang είναι η TF που χρησιμοποιείται από τη μέθοδο get_fsd(). Θα πρέπει λοιπόν κάθε φορά να καλείται αυτή η μέθοδος για τις διαφορετικές τιμές του TF και να μας επιστρέφει τον αριθμό των αιτήσεων της διασύνδεσης. Αυτόν τον αριθμό θα λάβει ως είσοδο η μέθοδος find_connection_requests() που θα επιστρέψει στον αλγόριθμο LBC τη λίστα με όλες τις αιτήσεις. Είναι λογικό πως όσο πιο μεγάλος είναι ο αριθμός της παραμέτρου TF, άρα και ο αριθμός των αιτήσεων για διασύνδεση, τόσο μεγαλύτερη θα εμφανίζεται και η κατανάλωση του δικτύου. Στο Σχήμα 15 καλούμε τον αλγόριθμο LBC τόσες φορές όσες είναι και οι διαφορετικές τιμές του Erlang και εκείνος μας επιστρέφει τα αποτελέσματα της κατανάλωσης ενέργειας για κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις. 41

42 Κεφάλαιο 4 Σχήμα 15: Διαφορετικές τιμές Erlang για τον αλγόριθμο LBC LAP-FF Στο Σχήμα 16 φαίνεται η υλοποίηση του αλγόριθμου δρομολόγησης LBC σε συνδυασμό με τον αλγόριθμο ανάθεσης μήκους κύματος TF-FF. Αρχικά, όπως και στον αλγόριθμο LBC LAP-FF θα πρέπει να βρεθεί η διαδρομή με το μικρότερο κόστος και να υπολογισθούν οι αιτήσεις για διασύνδεση από τον ένα κόμβο στον άλλο μέσω αυτού του μονοπατιού. Για αυτό το σκοπό καλούνται οι μέθοδοι find_connection_requests() και find_minimum_cost_paths(). Τα δεδομένα των μεθόδων αυτών θα χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι στον αλγόριθμο LBC TF-FF. Βάσει του αριθμού των μηκών κύματος που επιλέγει ο αλγόριθμος για κάθε οπτική ίνα, καλείται η μέθοδος fiber_cost() για να υπολογίσουμε το κόστος κάθε ίνας και στη συνέχεια καλείται η link_cost() για να αθροίσουμε όλα τα επιμέρους κόστη που απαρτίζουν το εν λόγω κανάλι. Παράλληλα, λαμβάνει χώρα ο αλγόριθμος ανάθεσης μήκους κύματος TF-FF κατά τον οποίο ο LBC θα επιλέξει και θα λάβει υπόψη το επόμενο διαθέσιμο μονοπάτι στην περίπτωση που απορριφθεί μία αίτηση για διασύνδεση χωρίς να λαμβάνει υπόψη την κατανάλωση του εν λόγω μονοπατιού. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης είναι η συνολική κατανάλωση του δικτύου και υπολογίζεται στα 142 kw περίπου. 42

43 Προσομοίωση Σχήμα 16: Υλοποίηση αλγορίθμου LBC TF-FF Όπως συμβαίνει και στον αλγόριθμο LBC LAP-FF, έτσι και στον αλγόριθμο LBC TF-FF, οι διαφορετικές τιμές των Erlang αντιπροσωπεύουν διαφορετικό φόρτο και πιο συγκεκριμένα, διαφορετικό αριθμό για αιτήσεις διασύνδεσης μεταξύ των κόμβων του δικτύου. Αυτές τις περιπτώσεις τις υλοποιούμε βάσει του αλγορίθμου LBC TF-FF όταν τον καλούμε κάθε φορά με διαφορετική τιμή Erlang. Η μεταβλητή που αντιπροσωπεύει τις αλλαγές στις τιμές Erlang είναι η TF που χρησιμοποιείται από τη μέθοδο get_fsd(). Θα πρέπει λοιπόν κάθε φορά να καλείται αυτή η μέθοδος για τις διαφορετικές τιμές του TF και να μας επιστρέφει τον αριθμό των αιτήσεων της διασύνδεσης. Αυτόν τον αριθμό θα λάβει ως είσοδο η μέθοδος find_connection_requests() που θα επιστρέψει στον αλγόριθμο LBC τη λίστα με όλες τις αιτήσεις. Είναι λογικό πως όσο πιο μεγάλος είναι ο αριθμός της παραμέτρου TF, άρα και ο αριθμός των αιτήσεων για διασύνδεση, τόσο μεγαλύτερη θα εμφανίζεται και η κατανάλωση του δικτύου. Στο Σχήμα 17 καλούμε τον αλγόριθμο LBC τόσες φορές όσες είναι και οι διαφορετικές τιμές του Erlang και εκείνος μας επιστρέφει τα αποτελέσματα της κατανάλωσης ενέργειας για κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις. Οι τιμές της κατανάλωσης στους δύο αλγόριθμους LBC LAP-FF και LBC TF-FF φαίνεται να έχουν μικρές διαφορές, με τον LBC TF-FF να έχει μεγαλύτερη κατανάλωση σε όλες τις περιπτώσεις των διαφορετικών Erlangs διότι όπως έχουμε 43

44 Κεφάλαιο 4 αναφέρει και νωρίτερα, ο εν λόγω αλγόριθμος δε λαμβάνει υπόψη το μονοπάτι που έχει τη μικρότερη κατανάλωση όταν συμβαίνει η απόρριψη μιας αίτησης για διασύνδεση. Σχήμα 17: Διαφορετικές τιμές Erlang για τον αλγόριθμο LBC TF-FF Στο Σχήμα 18 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του προτεινόμενου αλγόριθμου LBC LAP-FF μαζί με τα βασικά στοιχεία υλοποίησης των πιο σημαντικών μεθόδων που χρησιμοποιεί. Στην αρχή καλούνται οι βασικές μέθοδοι find_connection_requests() και find_minimum_cost_paths() που θα μας επιστρέψουν τον αριθμό όλων των αιτήσεων για διασύνδεση των κόμβων σε όλα τα κανάλια του δικτύου καθώς και το μικρότερο κόστος των μονοπατιών που θα χρησιμοποιηθούν. Στη συνέχεια, επιλέγεται ο αριθμός των μηκών κύματος που θα χρησιμοποιηθεί σε κάθε ίνα και ελέγχεται η πιθανότητα για απόρριψη της αίτησης διασύνδεσης. Στην περίπτωση που κάποιο μήκος κύματος μας οδηγήσει στην απόρριψη της αίτησης, ο αλγόριθμος LAP-FF θα επιλέξει το αμέσως επόμενο μήκος κύματος που συνάδει με το μονοπάτι με την δεύτερη μικρότερη κατανάλωση ενέργειας. Έπειτα, υπολογίζεται το κόστος της οπτικής ίνας μέσω της μεθόδου fiber_cost() και προστίθεται στο κόστος του καναλιού μέσω της link_cost() όπως ακριβώς γίνεται και στην περίπτωση που δεν έχουμε απόρριψη αίτησης για 44