ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ETHERNET ΓΙΑ ΠΟΛΥΔΙΑΣΤΑΤΗ ΚΙΝΗΣΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ETHERNET ΓΙΑ ΠΟΛΥΔΙΑΣΤΑΤΗ ΚΙΝΗΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Κόκιου Αντωνίας Αριθμός Μητρώου:

2 2

3 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κόκιου Αντωνίας Αριθμός Μητρώου: 6696 Θέμα: Ανάλυση και αποτίμηση της απόδοσης παθητικών οπτικών δικτύων Ethernet για πολυδιάστατη κίνηση Επιβλέπων καθηγητής: Μιχαήλ Λογοθέτης Αριθμός διπλωματικής: Πάτρα, Φεβρουάριος

4 4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Ανάλυση και αποτίμηση της απόδοσης παθητικών οπτικών δικτύων Ethernet για πολυδιάστατη κίνηση Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΟΚΙΟΥ ΑΝΤΩΝΙΑΣ του ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6696 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 26 Φεβρουαρίου 2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Μ. Λογοθέτης Ν. Φακωτάκης Καθηγητής Καθηγητής 5

6 6

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι με βοήθησαν να ολοκληρωθεί επιτυχώς αυτή η διπλωματική εργασία. Κατ αρχάς, τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Μιχαήλ Λογοθέτη που μου έδωσε την ευκαιρία να ασχολήθω με το συγκεκριμένο θέμα και μου παρείχε όλα τα εφόδια να φέρω εις πέρας αυτή την εργασία. Τον διδάκτορα κ.ιωάννη Βαρδάκα για την πολύτιμη και συνεχή βοήθειά του καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας μου. Τον λέκτορα κ.ιωάννη Μοσχολιό για τη συνεργασία και της υποδείξεις του κατά τη διάρκεια της εργασίας. Τον Τάσο Αλιτζόγλου-Σπυρόπουλο για την υποστήριξή του και την βοήθεια στην γλωσσική επιμέλεια της εργασίας. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ ανήκει στην οικογένεια μου, που με τη στήριξη της καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου, με βοήθησε να φτάσω στην ολοκλήρωση αυτής της διπλωματικής εργασίας. 7

8 8

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η επιθυμία του ανθρώπου για ποιοτική και αδιάκοπη επικοινωνία, έχει ωθήσει την τεχνολογία να κάνει άλματα εξέλιξης. Η συνεχής ανάπτυξη των απαιτήσεων των χρηστών των τηλεπικοινωνιακών δικτύων, καθιστά αναγκαία την ανανέωση των τεχνολογιών και ιδιαίτερα την αύξηση του παρεχόμενου εύρους ζώνης, ώστε να συμβαδίζει με τις ανάγκες τους. Γι αυτό το λόγο τα τελευταία χρόνια έχουν εμφανιστεί οι οπτικές ίνες, που με τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, κερδίζουν ολοένα και περισσότερο τις αγορές και τους καταναλωτές. Στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι τεχνολογίες που χρησιμοποιεί ένα δίκτυο βασισμένο σε οπτικές ίνες (παθητικό οπτικό δίκτυο PON). Εξετάζεται τόσο η τεχνολογία TDMA, όσο και η WDMA στα PONs. Η μελέτη γίνεται πάνω στο πρότυπο ΕΡΟΝ (Ethernet-PON), που ορίστηκε ως το καταλληλότερο συγκριτικά με άλλα παρόμοιά του. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η διάθεση εύρους ζώνης στο ανοδικό κανάλι (από τον χρήστη προς το τηλεπικοινωνιακό κέντρο) στα συστήματα ΕΡΟΝ και τι αποτελέσματα και συμπεράσματα μπορούν να ληφθούν. Αρχικά, αναφέρεται μια προηγούμενη μελέτη ενός ΕΡΟΝ η οποία κάνει χρήση του αλγορίθμου IPACT, της περιορισμένης υπηρεσίας (limited service) του αλγορίθμου και υποστηρίζει μονοδιάστατη ανοδική κίνηση δεδομένων. Το δίκτυο ΕΡΟΝ μοντελοποιείται και προσφέρει αποτελέσματα ύστερα από μαθηματική ανάλυση με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού C, καθώς και αποτελέσματα με τη χρήση της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5. Στη συνέχεια, περιγράφεται και μοντελοποιείται ένα δίκτυο ΕΡΟΝ που κάνει χρήση της σταθερής υπηρεσίας (fixed service) του αλγορίθμου IPACT και υποστηρίζει πολλαπλές κατηγορίες υπηρεσιών ανοδικής κίνησης δεδομένων με διαφορετικές προτεραιότητες. Και σε αυτή την περίπτωση, το δίκτυο ΕΡΟΝ προσφέρει αποτελέσματα τόσο από ένα αναλυτικό μοντέλο, όσο και από ένα μοντέλο προσομοίωσης. Τέλος, περιγράφεται και μοντελοποιείται ένα δίκτυο όμοιο με το προηγούμενο δίκτυο ΕΡΟΝ, με τη διαφορά να έγκειται στη χρήση της τεχνολογίας WDM στο 9

10 ΕΡΟΝ. Η μελέτη σε αυτό το τμήμα της εργασίας γίνεται με χρήση επίσης της σταθερής υπηρεσίας (fixed service) του αλγορίθμου IPACT και υποστηρίζει πολλαπλές κατηγορίες υπηρεσιών ανοδικής κίνησης δεδομένων με διαφορετικές προτεραιότητες. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται μια σημαντική αύξηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης του ανοδικού καναλιού που προσφέρεται στους χρήστες. Για άλλη μια φορά παρουσιάζονται αποτελέσματα ύστερα από ανάλυση και προσομοίωση του μοντέλου, με χρήση, όπως και προηγουμένως, της γλώσσας προγραμματισμού C και της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5. Τα συμπεράσματα που εξάγονται, ύστερα από τις παραπάνω μελέτες, είναι άξια προσοχής. 10

11 Analysis and Performance Assessment of Multi-Rate Communication Ethernet Networks Abstract In the past few years technology, in the communication field, has made great progress due to the fact that people desire more and more good quality of service. The continuous demand for development of the subscribers using the telecommunication services, necessitates the technological renewal and especially the increase of the available bandwidth. For this reason, optical fibers have appeared in the networking field and they are becoming more known by the users and in the market every day. In this dissertation the advantages and the technologies a network, based on optical fiber uses, are presented. An optical fiber network it is also called Passive Optical Network (PON). The TDMA (Time Division Multiplexing Access) and WDMA (Wavelength Division Multiplexing Access) technologies are examined. The study is based on an EPON (Ethernet-PON) standard, which was chosen as the most suitable among others. More specifically, the available upstream (from the users to the Central Office) bandwidth in an EPON model and the results that can be deduced are examined. In the beginning, a previous study of an EPON which uses the IPACT (Interleaved Polling with Cycle Time) algorithm is reported. The EPON network uses the limited service of the IPACT algorithm and supports a single rate. A specific model of an EPON network is studied and results using the C programming language and the simulation language SIMSCRIPT II.5 are given. Moreover, an EPON network which uses the fixed service of the IPACT algorithm which supports a multi-rate upstream with different priorities is described and modeled. In this case as well, the EPON model network gives results based on analysis and simulation. 11

12 In the end, a same EPON network, as the one described before, is studied and modeled having as a difference that a WDM technology is used. The fixed service of the IPACT algorithm is used and a multi-rate upstream with different priorities are supported again. With this different technology, an important increase in the available upstream bandwidth which is provided to the users is accomplished. Once again, the results are presented after an analysis and a simulation of the model, using the programming language C and the simulation language SIMISCRIPT II.5. The extracted results which the models can offer are worthy of attention. 12

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ... 5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 9 ABSTRACT ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΚΑΙ EPON ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΙΚΤΥΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΟΠΤΙΚΟΥ ΠΑΘΗΤΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ (ΡΟΝ) ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΑΜΟΙΡΑΣΜΟΥ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΙΚΤΥΟ ΕΡΟΝ MULTIPOINT CONTROL PROTOCOL (MPCP) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΙPACT Ο ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΙPACT DBA AGENT ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΙΑ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΤΗΣ ΧΡΟΝΟΘΥΡΙΔΑΣ ΓΙΑ ΚΑΘΕ ONU ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ LIMITED ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ IPACT ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΣ LIMITED ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ IPACT ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ GATED ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ IPACT ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ LIMITED ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ IPACT ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΤΗ LIMITED SERVICE ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ IPACT ΚΕΦΑΛΑΙΟ EΡΟΝS ΠΟΛΛΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΠΑΚΕΤΑ ΜΕ ΤΗ ΜΟΡΦΗ ΔΕΣΜΙΔΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟ ΟΥΡΑΣ ΑΝΑΜΟΝΗΣ ΜΕΣΗ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΑΠΟ ΑΚΡΗ ΣΕ ΑΚΡΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (END-TO-END) ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ WDM EΡΟΝS ΠΟΛΛΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ WDM-EPON ΜΟΝΤΕΛΟ ΟΥΡΑΣ ΑΝΑΜΟΝΗΣ ΜΕΣΗ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΑΠΟ ΑΚΡΗ ΣΕ ΑΚΡΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (END-TO-END) ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

15 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1 Τυπική δομή ενός Τηλεπικοινωνιακού δικτύου Σχήμα 2 Εξέλιξη τεχνολογιών DSL Σχήμα 3 Αρχιτεκτονική ΡΟΝ Σχήμα 4 Αρχιτεκτονική σημείου προς Πολλαπλό σημείο (Point to Multipoint) και χαρακτηριστικά της Σχήμα 5 ΡΟΝ που χρησιμοποιεί μια οπτική ίνα Σχήμα 6 WDM-PON τεχνολογία Σχήμα 7 OCDMA αναπαράσταση Σχήμα 8 Τοπολογίες ΕΡΟΝ Σχήμα 9 Αρχιτεκτονική ΕΡΟΝ δύο σταδίων Σχήμα 10 Downstream EPON Σχήμα 11 Upstream EPON και frame Σχήμα 12 Μήνυμα GATE του πρωτοκόλλου MPCP Σχήμα 13 Μήνυμα REPORT του πρωτοκόλλου MPCP Σχήμα 14 Μέτρηση χρόνου κύκλου πλήρους διαδρομής Σχήμα 15 Λειτουργία του DBA agent στο OLT Σχήμα 16 Μορφή του πίνακα μετάβασης Σχήμα 17 Σύγκριση της μέσης καθυστέρησης πακέτων της ανάλυσης και της προσομοίωσης συναρτήσει του φορτίου κίνησης Σχήμα 18 Σύγκριση του μέσου χρόνου κύκλου της ανάλυσης και της προσομοίωσης συναρτήσει του φορτίου κίνησης Σχήμα 19 Σύγκριση της μέσης καθυστέρησης των πακέτων της ανάλυσης και της προσομοίωσης συναρτήσει του αριθμού των ONUs, υπό σταθερό φορτίο Σχήμα 20 Σύγκριση του μέσου χρόνου κύκλου της ανάλυσης και της προσομοίωσης συναρτήσει του αριθμού των ONUs, υπό σταθερό φορτίο Σχήμα 21 Σύγκριση αποτελεσμάτων της μέσης καθυστέρησης των πακέτων υπό σταθερό φορτίο και μεταβαλλόμενο παράθυρο μετάδοσης Σχήμα 22 Σύγκριση μέσου χρόνου κύκλου της ανάλυσης και της προσομοίωσης υπό σταθερό φορτίο και μεταβλητό παράθυρο μετάδοσης Σχήμα 23 Αποτελέσματα της ανάλυσης για την επίδραση της αύξησης του διαθέσιμου εύρους ζώνης στη μέση καθυστέρησης πακέτων, υπό σταθερό φορτίο

16 Σχήμα 24 Αποτελέσματα της ανάλυσης για την επίδραση της αύξησης του διαθέσιμου εύρους ζώνης στο μέσο χρόνο κύκλου, υπό σταθερό φορτίο Σχήμα 25 Αρχιτεκτονική ενός ONU με K buffers Σχήμα 26 Αποτελέσματα ανάλυσης και προσομοίωσης για τη συνολική καθυστέρηση πακέτων και των 3 κατηγοριών υπηρεσίας, συναρτήσει του ρυθμού άφιξης πακέτων Σχήμα 27 Αποτελέσματα ανάλυσης για τη συνολική καθυστέρηση και των 3 κατηγοριών υπηρεσίας, συναρτήσει του αριθμού των πακέτων σε κάθε δεσμίδα, σύμφωνα με τον Πίνακα 3 και ρυθμό άφιξης 25 πακέτα/sec και για τις 3 υπηρεσίες Σχήμα 28 Αποτελέσματα ανάλυσης για τη συνολική καθυστέρηση και των 3 κατηγοριών υπηρεσίας, συναρτήσει του αριθμού των ONU και ρυθμό άφιξης 25 πακέτα/sec και για τις 3 κατηγορίες υπηρεσίας Σχήμα 29 Αποτελέσματα ανάλυσης και προσομοίωσης για τη συνολική καθυστέρηση πακέτων και των 3 κατηγοριών υπηρεσίας, συναρτήσει του ρυθμού άφιξης πακέτων Σχήμα 30 Αποτελέσματα ανάλυσης για τη συνολική καθυστέρηση πακέτων και των 3 κατηγοριών υπηρεσίας, συναρτήσει του αριθμού των υποστηριζόμενων μηκών κύματος, για ρυθμό άφιξης 25 πακέτα/sec και για τις 3 υπηρεσίες Σχήμα 31 Αποτελέσματα ανάλυσης για τη συνολική καθυστέρηση πακέτων και των 3 υπηρεσιών, συναρτήσει του μεγέθους των πακέτων, για ρυθμό άφιξης 20 πακέτα/sec και για τις 3 υπηρεσίες

17 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1 Παράμετροι προσομοίωσης και ανάλυσης Πίνακας 2 Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για την αποτίμηση του αναλυτικού μοντέλου πολλαπλών υπηρεσιών σε ΕΡΟΝs Πίνακας 3 Τιμές των παραμέτρων m n,1, m n,2, m n,3 για το σχήμα Πίνακας 4 Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για την αποτίμηση του αναλυτικού μοντέλου πολλαπλών υπηρεσιών σε ΕΡΟΝs

18 18

19 Κεφάλαιο 1 Οπτικά Δίκτυα και EPON 1.1 Εισαγωγή Τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα αποτελούνται από τα δίκτυα κορμού (Core Network), τα μητροπολιτικά δίκτυα (Metropolitan Ring) και τα δίκτυα πρόσβασης (Access Networks).Tα δίκτυα κορμού εκτείνονται σε εθνικές περιοχές. Τα μητροπολιτικά δίκτυα είναι συνήθως σε τοπολογία δακτυλίου και συνδέουν τα δίκτυα κορμού με τα δίκτυα πρόσβασης, ενώ εκτείνονται σε μία περιοχή km [1]. Τέλος, τα δίκτυα πρόσβασης παρέχουν συνδεσιμότητα σε ένα πλήθος καταναλωτών. Μια τυπική δομή ενός σταθερού τηλεπικοινωνιακού δικτύου φαίνεται στο σχήμα 1. Σχήμα 1 Τυπική δομή ενός Τηλεπικοινωνιακού δικτύου Η διαρκής ανάγκη των ανθρώπων για επικοινωνία έχει αυξήσει τις απαιτήσεις τόσο στην ταχύτητα μετάδοσης, όσο και στην ποιότητα μετάδοσης της πληροφορίας. 19

20 Αυτή η επιτακτική ανάγκη για μετάδοση δεδομένων μεγάλου όγκου με ταυτόχρονη απαίτηση υψηλής ποιότητας έχει ως συνέπεια να επιζητείται όλο και μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Οι τεχνολογίες που έχουν ως κύριο μέσο μετάδοσης το χαλκό (xdsl), οι οποίες έχουν καταφέρει να κυριαρχήσουν στην σημερινή αγορά, φαίνεται να μην μπορούν να καλύψουν τις αυξανόμενες ανάγκες εύρους ζώνης και να δίνουν τις θέσεις τους στις οπτικές ίνες, ως μέσο μετάδοσης, και τις αρχιτεκτονικές xpon (Passive Optic Networks). Κύριος λόγος αυτής της αλλαγής τεχνολογίας στον χώρο των τηλεπικοινωνιακών δικτύων και της μετάβασηs από το χαλκό στις οπτικές ίνες, είναι τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι οπτικές ίνες [2]. Τα πλεονεκτήματά τους είναι: το εύρος ζώνης τους είναι σχεδόν απεριόριστο παρουσιάζουν χαμηλή εξασθένιση και διασπορά, για αυτό το λόγο δεν είναι απαραίτητοι πολλοί επαναλήπτες (repeaters) ή αναγεννητές σήματος δεν παρουσιάζουν διαφωνία και παρεμβολές μεταξύ των γειτονικών ινών, και δεν επηρεάζονται από τις καιρικές συνθήκες (βροχή, αέρας κτλ.) έχουν χαμηλό βάρος και η πολύ υψηλή αντίσταση, για αυτό το λόγο οι απαιτήσεις στο χώρο εγκατάστασης είναι πολύ μικρές το κόστος της οπτικής ίνας ανά χιλιόμετρο είναι συγκρίσιμο με αυτό του διπολικού ομοαξονικού καλωδίου. Η χωρητικότητά της είναι όμως σημαντικά μεγαλύτερη Αυτές οι σημαντικές αλλαγές που προσφέρουν τα οπτικά δίκτυα, σε συνδυασμό με τη δυνατότητα κάλυψης των αναγκών της εποχής τα καθιστούν κυρίαρχη τεχνολογία στο χώρο των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. 20

21 1.2 Δίκτυα Πρόσβασης Το δίκτυο πρόσβασης είναι αυτό που συνδέει τους παρόχους υπηρεσιών (service providers) με τους τελικούς χρήστες. Αυτό το δίκτυο πρόσβασης είναι γνωστό και ως το δίκτυο του πρώτου μιλίου (first mile network)[4]. Οι χρήστες, είτε αναφερόμαστε σε μια εταιρεία, είτε σε οικιακούς χρήστες, επιθυμούν πάντα υψηλή ποιότητα εξυπηρέτησης (Quality of Service_QoS), πρόσβαση με σταθερές και υψηλές ταχύτητες και χαμηλό κόστος. Από τη άλλη πλευρά οι πάροχοι υπηρεσιών επιθυμούν να ικανοποιούν τις ανάγκες των πελατών τους, να καλύπτουν τις απαιτήσεις σε υψηλές ταχύτητες και αξιοπιστία και ταυτόχρονα να είναι σε θέση να ενσωματώνουν άμεσα στα συστήματα τους νέες τεχνολογίες. Η πρώτη ψηφιακή τεχνολογία που αναπτύχθηκε ήταν η ISDN, η οποία εξαιτίας του περιορισμένου εύρους ζώνης που παρείχε, της χαμηλής ταχύτητας στην κατερχόμενη κατεύθυνση, δηλαδή από το τηλεπικοινωνιακό κέντρο προς τους χρήστες (download - της τάξης των 128Kbps), αλλά και τηs δυσκολίαs να ικανοποιήσει τις αυξανόμενες ανάγκες των χρηστών, έδωσε γρήγορα τη θέση της στις ψηφιακές συνδρομητικές γραμμές (xdsl). H τεχνολογία DSL, σε αντίθεση με την ISDN, παρέχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης, προσφέρει υψηλότερες ταχύτητες τόσο σε ανοδική όσο και σε καθοδική κατεύθυνση (περίπου 8Μbps download και 1Mbps upload στο ADSL ενώ στο VDSL 50Mbps download και 2Mbps upload) και παρέχει τη δυνατότητα μεταφοράς βίντεο, κάτι που μέχρι τότε ήταν αδύνατον [5]. Το κυριότερο μειονέκτημα της τεχνολογίας xdsl είναι ο χιλιομετρικός περιορισμός μεταξύ του παρόχου και του χρήστη [6]. Για παράδειγμα η ADSL μπορεί να παρέχει ταχύτητες ως και 8Μbps σε μια ακτίνα των 3-4 km ενώ η VDSL παρέχει ταχύτητες έως και 50 Mbps σε ακτίνα 500m [1]. 21

22 Σχήμα 2 Εξέλιξη τεχνολογιών DSL Αυτά τα προβλήματα και οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις των χρηστών οδήγησαν στην ανάπτυξη της τεχνολογίας PON στα δίκτυα πρόσβασης βασισμένη πλέον στις οπτικές ίνες. Εξαιτίας του ήδη υπάρχοντος δικτύου βασισμένου σε χάλκινα καλώδια, μια εξολοκλήρου αλλαγή αυτού σε οπτικές ίνες θα ήταν ιδιαίτερα δαπανηρή αλλά και χρονοβόρα [7]. Για αυτόν το λόγο αναπτύχθηκαν τεχνολογίες που συνδυάζουν το χαλκό (ή κάποιο άλλο μέσο μετάδοσης) και την οπτική ίνα και ονομάστηκαν FTTx (Fiber To The x)[8]. Η ονομασία προσδιορίζει από μόνη της το σημείο διαχωρισμού μεταξύ χαλκού και οπτικής ίνας. Για παράδειγμα η τεχνολογία FTTCurb υποδηλώνει τη χρήση οπτικής ίνας ως το πεζοδρόμιο ενώ η απόσταση από το πεζοδρόμιο ως το σπίτι του χρήστη συνήθως καλύπτεται με χαλκό [9]. Η πιο ολοκληρωμένη μορφή της τεχνολογίας αυτής είναι η FTTH (Fiber To The Home) όπου η οπτική ίνα φτάνει ως τον τελικό χρήστη. Αυτή η τεχνολογία που βασίζεται στις οπτικές ίνες ως μέσο μετάδοσης, δημιουργεί ένα παθητικό οπτικό δίκτυο (PON). Τα βασικά πλεονεκτήματα του ΡΟΝ είναι: η χρήση μικρού αριθμού οπτικών ινών, πομποδεκτών και τερματικών γραμμών και ταυτόχρονα η μεγαλύτερη ακτίνα λειτουργίας του (15 με 20 km) από αυτή του DSL. Έχει επίσης πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης, της τάξης του 1 Gbps λόγω της διείσδυσης των ινών σε μεγαλύτερο βάθος. 22

23 1.3 Αρχιτεκτονική και δομή του οπτικού παθητικού δικτύου (ΡΟΝ) Η αρχιτεκτονική του ΡΟΝ αποτελείται από ένα τερματικό οπτικής γραμμής (OLT, Optical Line Terminator) που βρίσκεται στην πλευρά του παρόχου και τις μονάδες οπτικού δικτύου (ONUs, Optical Network Units) που βρίσκονται στην πλευρά του χρήστη (FTTH) ή σε μια περιοχή που βρίσκονται ένα σύνολο από χρήστες (FTTC, FTTB)[10]. Αυτές οι δύο βασικές διατάξεις μετατρέπουν το ηλεκτρικό σήμα σε οπτικό και αντίστροφα και είναι υπεύθυνες για τη μετάδοση των δεδομένων (σχήμα 3). Σχήμα 3 Αρχιτεκτονική ΡΟΝ Η αρχιτεκτονική του Παθητικού Οπτικού Δικτύου (PON) επιτρέπει σε πολλαπλούς χρήστες να μοιράζονται την ίδια ίνα και, αντίστοιχα, την ίδια θύρα OLT [11,12]. Η συγκεκριμένη τεχνολογία βασίζεται σε παθητικούς οπτικούς διαιρέτες (splitters), οι οποίοι χρησιμοποιούνται για να διαμοιράσουν το εύρος μετάδοσης δεδομένων σε μια ίνα μεταξύ των διαφορετικών χρηστών. Κάθε χρήστης συνδέεται με τη θύρα OLT με μια οπτική ίνα, μέσο του παθητικού διαιρέτη. Κάθε οπτική ίνα έχει τουλάχιστον δύο διαφορετικά μήκη κύματος, ένα για την καθοδική κατεύθυνση (προς τον χρήστη) και το άλλο για την ανοδική κατεύθυνση (προς τον πάροχο). Επίσης, ένα τρίτο μήκος κύματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υποστηρίξει μετάδοση βίντεο στην καθοδική κατεύθυνση (π.χ. σύνδεση καλωδιακής τηλεόρασης, RF overlay ). 23

24 Ανάλογα με την αρχιτεκτονική της συγκεκριμένης τεχνολογίας και την τοπολογία της προς κάλυψη περιοχής, διαμορφώνεται και ο λόγος καταμερισμού (π.χ. splitting ratio 1:16, 1:32, κλπ). Οι διαιρέτες δεν περιλαμβάνουν κάποιο ενεργό στοιχείο, με αποτέλεσμα να έχουν πολύ μικρό κόστος συντήρησης. Σε κάθε OLT μπορούν να συνδεθούν 16 με 32 ONUs και σε κάθε ONU 20 με 30 συνδρομητές [2]. Ακόμη το ΡΟΝ είναι ένα οπτικό δίκτυο σημείου προς πολλαπλά σημεία (Point-to Multipoint _ PtMP) στην κατερχόμενη κατεύθυνση (download) και πολλαπλών σημείων προς σημείο (Multipoint- to- Point_MPtP) στην ανερχόμενη κατεύθυνση. Αυτό το χαρακτηριστικό που διαθέτει, επιτρέπει την ευροεκπομπή (broadcasting) βίντεο στην καθοδική κατεύθυνση (download) του δικτύου. Στην ανοδική κατεύθυνση (upstream), ένα ΡΟΝ είναι ένα δίκτυο πολλαπλών σημείων προς σημείο: πολλαπλά ONUs μεταδίδουν όλα προς το OLT. Οι κατευθυντικές ιδιότητες του παθητικού διαιρέτη είναι τέτοιες, ώστε η μετάδοση ενός ONU δεν μπορεί να ανιχνευτεί από άλλα ONUs. Ωστόσο, οι ροές δεδομένων από διαφορετικά ONUs που μεταδίδονται ταυτόχρονα μπορεί ακόμα και να συγκρουστούν. Έτσι, στην ανερχόμενη κατεύθυνση, ένα ΡΟΝ θα πρέπει να εφαρμόσει κάποιο μηχανισμό διαχωρισμού καναλιών για να αποφύγει τις συγκρούσεις δεδομένων και να διαμοιράσει δίκαια την χωρητικότητα καναλιού και τους πόρους της ζεύξης οπτικών ινών. Σχήμα 4 Αρχιτεκτονική σημείου προς Πολλαπλό σημείο (Point to Multipoint) και χαρακτηριστικά της 24

25 1.4 Τεχνολογίες διαμοιρασμού καναλιών μετάδοσης Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στην καθοδική κατεύθυνση (downstream) το ΡΟΝ είναι ένα δίκτυο ενός σημείου προς πολλαπλά σημεία. Σε αυτήν την περίπτωση το ΟLT έχει στη διάθεση του ολόκληρο το εύρος ζώνης (downstream bandwidth). Αντίστοιχα, στην ανοδική κατεύθυνση (upstream) το ΡΟΝ είναι ένα δίκτυο πολλαπλών σημείων προς σημείο. Οι κατευθυντικές ιδιότητες του παθητικού διαιρέτη είναι τέτοιες, ώστε η μετάδοση ενός ONU δεν μπορεί να ανιχνευτεί από άλλα ONUs, όμως οι ροές δεδομένων από διαφορετικά ONUs που μεταδίδονται ταυτόχρονα μπορούν να συγκρουστούν. Αυτές οι συγκρούσεις οδηγούν σε αλλοιώσεις και απώλειες πακέτων. Για αυτόν το λόγο στην ανερχόμενη κατεύθυνση θα πρέπει να εφαρμοστεί κάποιος μηχανισμός διαχωρισμού καναλιών ώστε να μοιράσει δίκαια τη χωρητικότητα καναλιού και τους πόρους της ζεύξης των οπτικών ινών TDMA τεχνολογία στα ΡΟΝ Η TDMA (Time Division Multiple Access) τεχνολογία βασίζεται στο διαμερισμό του καναλιού μετάδοσης σε χρονοθυρίδες (παράθυρα μετάδοσης-time slots) [14]. Σε κάθε ONU ανατίθεται μια χρονοθυρίδα (time slot). Με αυτόν τον τρόπο κάθε ΟΝU μπορεί να χρησιμοποιεί το κανάλι μετάδοσης για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Το βασικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας TDMA είναι η δυνατότητα χρησιμοποίησης από τα ONUs του ίδιου καναλιού μετάδοσης και η μετάδοση δεδομένων στο ίδιο μήκος κύματος σε διαφορετικά παράθυρα μετάδοσης. Επίσης, σημαντική είναι και η δυνατότητα αλλαγής του εύρους ζώνης που έχει ανατεθεί σε κάθε ONU, με αλλαγή του μεγέθους της χρονοθυρίδας που του έχει ανατεθεί. Μπορεί μέχρι και να εφαρμόσει στατιστική πολυπλεξία για να αξιοποιήσει πλήρως τη χωρητικότητα καναλιού του ΡΟΝ. Τέλος, το χαμηλό κόστος εξοπλισμού των χρηστών, η εύκολη προσθήκη νέων χρηστών στο δίκτυο καθώς και η σημαντική 25

26 πρόοδο σχετικά με την τυποποίηση (standardization) και την εφαρμογή της τα τελευταία χρόνια, την καθιστούν ως μία από τις επικρατέστερες τεχνολογίες αυτή τη στιγμή. Για εξοικονόμηση οπτικής ίνας και μείωση του κόστους επιδιόρθωσης και συντήρησης σε ένα ΡΟΝ, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία οπτική ίνα για μετάδοση δύο κατευθύνσεων. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιούνται δύο μήκη κύματος ( λ1 για την ανοδική μετάδοση και λ2 για την καθοδική σχήμα 5). Με τη χρήση της τεχνολογίας καταμερισμού του χρόνου (time-sharing), γίνεται δυνατή η διαίρεση της χωρητικότητας του καναλιού για κάθε ONU. Με αυτόν τον τρόπο οι πομποί και οι δέκτες των ΟΝUs είναι συντονισμένοι σε μια συχνότητα λειτουργίας και τελικά χρειάζονται μόνο έναν πομποδέκτη στο OLT για να επικοινωνήσουν. Σχήμα 5 ΡΟΝ που χρησιμοποιεί μια οπτική ίνα Οι τρείς επικρατέστερες κατηγορίες της TDMA τεχνολογίας για δίκτυα ΡΟΝ είναι οι εξής: ΑΡΟΝ, ΒΡΟΝ: Είναι οι πρώτες κατηγορίες ΡΟΝ που εκδόθηκαν το 1995 και τυποποιήθηκαν από την ITU-T με την προδιαγραφή G.983. Και οι δύο βασίζονται στον ασύγχρονο τρόπο μετάδοσης (Asynchronous Transfer Mode ATM), ο ρυθμός μετάδοσης καθορίστηκε αρχικά συμμετρικός, με τιμή 155 Mbps για την ανερχόμενη (upstream) και κατερχόμενη (downstream) κατεύθυνση. Αυτό τροποποιήθηκε αργότερα για να επιτρέπει ασύμμετρες, ανοδικές (upstream) των 155 Mbps και 26

27 καθοδικές (downstream) των 622 Mbps, μεταδόσεις καθώς και συμμετρικές μεταδόσεις των 622 Mbps [13]. Το ΒΡΟΝ έβρισκε μέχρι πρόσφατα εφαρμογή στα δίκτυα με ρυθμό 622Μbit/s στην κατερχόμενη κατεύθυνση και 155Mbits/s ή 622Mbits/s στην ανερχόμενη και με διαμέριση (way split). ΕΡΟΝ: Αυτή η κατηγορία για τα δίκτυα ΡΟΝ οριστικοποιήθηκε το 2004 και τυποποιήθηκε με την προδιαγραφή IEEE 802.3ah [4]. Διαφέρει από τις δύο παραπάνω κατηγορίες επειδή χρησιμοποιεί μόνο το Ethernet σαν πρωτόκολλο του στρώματος ζεύξης [15]. Επιτρέπει ταχύτητες της τάξης των 1,25 Gbit/s και φτάνει μέχρι τα 20km απόσταση. GPON: Είναι ο επίσημος διάδοχος των ΑΡΟΝ/ΒΡΟΝ, οριστικοποιήθηκε το 2005, με την προδιαγραφή G.984, και ακόμα αναπτύσσεται [16]. Επιτρέπει ρυθμό μετάδοσης 2,5Gbits/s στην κατερχόμενη κατεύθυνση και 1,25Gbits/s στην ανερχόμενη. Ακόμη υποστηρίζει διαμέριση (way split). Μπορεί να κάνει χρήση είτε της τεχνολογίας ΑΤΜ είτε του Ethernet σαν πρωτόκολλο του στρώματος ζεύξης δεδομένων. Μπορεί να φτάσει μέχρι τα 60km σε απόσταση [17,16] WDMA τεχνολογία στα ΡΟΝ Η WDMA (Wavelength Division Multiple Access) τεχνολογία βασίζεται στη διαίρεση του καναλιού μετάδοσης με βάση το μήκος κύματος [14]. Περιγράφεται από την ITU-T με το πρότυπο G.983[1]. Πρακτικά σε αυτή την τεχνολογία βασίζεται η TDMA τεχνολογία αφού σε μία οπτική ίνα μεταδίδονται σήματα με διαφορετικά μήκη κύματος, ένα για την ανερχόμενη και ένα για την κατερχόμενη κατεύθυνση. Ταυτόχρονα, η WDM αποτελεί την κυρίαρχη μορφή πολυπλεξίας στα δίκτυα κορμού και στα μητροπολιτικά δίκτυα όπου υποστηρίζονται παραπάνω από 100 διαφορετικά μήκη κύματος. Για παράδειγμα, ένα ΕΡΟΝ χρησιμοποιεί μήκος κύματος λ 1 =1490nm στην καθοδική και λ 2= 1310nm στην ανοδική κατεύθυνση [19]. Σε ένα ΡΟΝ η τεχνολογία WDMA αποτελεί ικανοποιητική λύση, αφού δίνεται η δυνατότητα σε κάθε χρήστη να εκμεταλλευτεί τη συνολική χωρητικότητα ενός 27

28 μήκους κύματος. Κύριο μειονέκτημά της είναι το αυξημένο κόστος εξοπλισμού του χρήστη που παρουσιάζει καθώς κάθε χρήστης πρέπει να τοποθετήσει πομπούς laser μεταβλητού μήκους κύματος για να μπορέσει να μεταδώσει σε όποιο μήκος κύματος υποστηρίζει το δίκτυο. Αφού ο κάθε χρήστης έχει στη διάθεση του την πλήρη χωρητικότητα ενός μήκους κύματος, το WDM-PON μπορεί να θεωρηθεί ως ένα δίκτυο σημείου προς σημείο. Η αρχιτεκτονική αυτής της τεχνολογίας είναι αρκετά παρόμοια με της TDM τεχνολογίας [7,8,17,16,20]. Η διαφορά τους είναι ότι το WDM-PON παραχωρεί ένα μήκος κύματος σε κάθε χρήστη, ενώ το TDM-PON παραχωρεί μία χρονοθυρίδα. Επομένως, στο WDM-PON αντί για παθητικό διαιρέτη (splitter), έχουμε μια παθητική οπτική συσκευή (Arbitrary Waveform Generator-AWG) που επιτρέπει χωρική διανομή της οπτικής ίνας που χρησιμοποιείται στο δίκτυο (Σχήμα 6) [21]. Σχήμα 6 WDM-PON τεχνολογία ΟCDMA τεχνολογία στα ΡΟΝ Η OCDMA (Optical Code Division Multiple Access) βασίζεται στη διαίρεση του καναλιού μετάδοσης με βάση το διαφορετικό οπτικό κώδικα. Κατά τη μετάδοση, κάθε bit δεδομένων κωδικοποιείται στον πομπό (encoding) για να μεταδοθεί και 28

29 αντίστοιχα στο δέκτη αποκωδικοποιείται (decoding) για να ανακτηθεί. Αυτές οι διαδικασίες κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης συνθέτουν την οπτική κωδικοποίηση (optical coding) [21]. Η τεχνολογία αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί από μεγάλο αριθμό χρηστών που μεταδίδουν περιοδικά, αφού η απόδοση αυτής της τεχνολογίας μειώνεται όταν οι χρήστες μεταδίδουν ταυτόχρονα και δημιουργούν παρεμβολές. Επομένως, παρουσιάζεται το πλεονέκτημα της επίτευξης της στατιστικής πολυπλεξίας απευθείας στο φυσικό επίπεδο του δικτύου. Αν εκμεταλλευτεί κατάλληλα αυτή η πολυπλεξία, μπορεί να επιτευχθεί και αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος [22]. Επίσης, η OCDMA προσφέρει μεγάλο αριθμό καναλιών και η υποστήριξη επιπρόσθετων χρηστών στο δίκτυο μπορεί να πραγματοποιηθεί με μικρό κόστος χωρίς να επηρεάζεται το εύρος ζώνης των υπόλοιπων χρηστών. Τo σημαντικότερο πλεονέκτημα της OCDMA τεχνολογίας, είναι η δυνατότητα ασύγχρονης μετάδοσης που απλοποιεί τον έλεγχο πρόσβασης στο μέσο, σε αντίθεση με την TDMA η οποία απαιτεί αυστηρό συγχρονισμό. Ακόμη συγκριτικά με την ΤDMA και WDMA, η OCDMA προσφέρει υψηλά επίπεδα ασφαλείας [24]. Παράλληλα όμως παρουσιάζονται και αρκετά μειονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής που καταφέρνουν να περιορίσουν την εφαρμογή της. Τα σημαντικότερα είναι τα εξής: έχει υψηλό κόστος διατάξεων, η φασματική εξάπλωση μειώνει την απόδοση σε σχέση με την WDMA και η διασπορά λόγω του υψηλού κωδικοποιημένου ρυθμού μετάδοσης του σήματος περιορίζει την απόσταση των ONUs από το OLT. 29

30 Σχήμα 7 OCDMA αναπαράσταση 1.5 Δίκτυο ΕΡΟΝ Το κύριο χαρακτηριστικό ενός δικτύου ΕΡΟΝ είναι η χρήση του Ethernet, ως μέσου διάδοσης. Η ραγδαία ανάπτυξη του Ethernet τα τελευταία χρόνια έχει αποφέρει τη δημιουργία πολλαπλών εφαρμογών και πρωτοτύπων που βασίζονται στα χαρακτηριστικά του. Έτσι, το ΕΡΟΝ έχει καταφέρει να εκμεταλλευτεί τα πλεονεκτήματα του Ethernet και να γίνει ευρέως γνωστό στην αγορά. Το Ethernet PON (ΕΡΟΝ) είναι ένα δίκτυο που βασίζεται σε ΡΟΝ και μεταφέρει κίνηση δεδομένων ενθυλακωμένη σε πλαίσια Ethernet, σύμφωνα με το πρότυπο της ΙΕΕΕ. Ένα δίκτυο Ethernet έχει δύο βασικούς τρόπους λειτουργίας. Ο πρώτος χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με επαίσθηση φέρουσας και ανίχνευσης σύγκρουσης (CSMA/CD), που εφαρμόζεται σε ένα κοινό μέσο. Ο δεύτερος τρόπος χρησιμοποιεί πλήρως αμφίδρομες ζεύξεις σημείου προς σημείο 30

31 (point to point), ενώ οι σταθμοί μπορούν να συνδεθούν μέσω ενός διακόπτη. Το ΕΡΟΝ, λόγο των ιδιοτήτων του μέσου, δεν μπορεί να θεωρηθεί ούτε ως δίκτυο κοινού μέσου, ούτε ως δίκτυο σημείου προς σημείο, αλλά ως ένας συνδυασμός των δυο με διαφορετικές ιδιότητες ανά κατεύθυνση (downstream/upstream). Συγκεκριμένα, στην καθοδική κατεύθυνση έχει τη συνδεσιμότητα ενός κοινού μέσου, ενώ στην ανοδική κατεύθυνση συμπεριφέρεται σαν μέσο σημείου προς σημείο Αρχιτεκτονικές ΕΡΟΝ Ένα σύστημα ΕΡΟΝ μπορεί να χρησιμοποιήσει διαφορετικές τοπολογίες πολλαπλών σημείων [4,15]. Οι πιο συνηθισμένες είναι η τοπολογία δένδρου (tree), δακτυλίου (ring) και διαύλου (bus) που φαίνονται στο σχημα 8. Σχήμα 8 Τοπολογίες ΕΡΟΝ Η πιο συνηθισμένη αρχιτεκτονική ΕΡΟΝ βασίζεται σε τοπολογία δένδρου και αποτελείται από ένα OLT, έναν 1:Ν παθητικό συζεύκτη (ή διαιρέτη/συνδυαστή) και πολλαπλά ONUs. Η απόσταση μεταξύ του OLT και κάθε ONU είναι συνήθως από 10 ως 20 km [5,26,27,28]. 31

32 Μια εξέλιξη της τοπολογίας δένδρου είναι η αρχιτεκτονική ΕΡΟΝ δύο σταδίων. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική διαφέρει από την κλασσική αρχιτεκτονική δένδρου επειδή περιέχει έναν ενδιάμεσο επίπεδο από κόμβους ONUs που ονομάζονται υπό- OLT (sub-olt). Η αρχιτεκτονική αυτή επιτρέπει σε περισσότερους τελικούς χρήστες να διαμοιράζονται το ανοδικό εύρος ζώνης του OLT, καθώς και πρόσβαση από μεγαλύτερες αποστάσεις από τα 25 km. Αυτό συμβαίνει γιατί οι ενδιάμεσοι κόμβοι υπό-olt προσθέτουν ένα ακόμη επίπεδο όπου χρησιμοποιείται ηλεκτρικό ρεύμα για τροφοδοσία. Σχήμα 9 Αρχιτεκτονική ΕΡΟΝ δύο σταδίων Kαθοδική Μετάδοση (Downstream Transmission) Στην καθοδική κατεύθυνση τα πακέτα Ethernet που φτάνουν από το OLT στα ONUs, περνούν μέσα από ένα 1xΝ παθητικό διαιρέτη (ή διαδοχικούς διαιρέτες). Η μεταβλητή Ν παίρνει τιμές από 4 έως 64 τυπικά (μπορεί να περιοριστεί από το διαθέσιμο ισολογισμό οπτικής ισχύος). Τα πακέτα Ethernet εκπέμπονται ευρέως από το ΟLT και εξάγονται επιλεκτικά από τα ONUs για τα οποία προορίζονται με βάση τις MAC διευθύνσεις τους. Στο σχήμα 10 που ακολουθεί φαίνεται η πορεία που ακολουθούν τα πακέτα δεδομένων. 32

33 Σχήμα 10 Downstream EPON Ανοδική Μετάδοση (Upstream Transmission) Στην ανοδική κατεύθυνση, λόγω των ιδιοτήτων του παθητικού συνδυαστή, τα πακέτα δεδομένων φτάνουν μόνο στο OLT και όχι στα άλλα ONUs [5]. Για αυτόν το λόγο, στην ανοδική κατεύθυνση, η συμπεριφορά ενός ΕΡΟΝ είναι παρόμοια με εκείνη της αρχιτεκτονικής σημείου προς σημείο. Η βασική διαφορά των δύο αρχιτεκτονικών είναι ότι σε ένα ΕΡΟΝ τα πακέτα δεδομένων που προέρχονται από διαφορετικά ΟΝUs μπορούν να μεταδοθούν ταυτόχρονα και να συγκρουστούν. Επομένως, στην ανοδική κατεύθυνση, το ΕΡΟΝ πρέπει να χρησιμοποιεί κάποιο μηχανισμό διαιτησίας (arbitration) για να διαμοιράσει δίκαια το κανάλι, αλλά και να αποτρέψει τις συγκρούσεις. 33

34 Σχήμα 11 Upstream EPON και frame 1.6 MultiPoint Control Protocol (MPCP) Ένα ΕΡΟΝ δίκτυο βασίζεται στην τεχνολογία TDMA για το διαμοιρασμό του καναλιού μετάδοσης. Για να μπορέσει το OLT να κάνει χρήση αυτής της τεχνολογίας έχει αναπτυχθεί το πρωτόκολλο ελέγχου πολλαπλών σημείων (MPCP) σύμφωνα με το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.3ah. Ο έλεγχος και η διαιτησία μετάδοσης είναι μια λειτουργία του υποεπιπέδου του MAC. Τo ΜΡCP αποφασίστηκε να εφαρμοστεί ως μια νέα λειτουργία του υποεπιπέδου ελέγχου του ΜΑC (MAC control), χωρίς να τροποποιεί καθόλου το υποεπίπεδο αυτό. Το υποεπίπεδο ΜΑC control βρίσκεται μεταξύ του υποεπιπέδου MAC και MAC client και ο σκοπός του είναι ο έλεγχος και ο χειρισμός της λειτουργίας του επιπέδου MAC σε πραγματικό χρόνο. Η διαιτησία και ο έλεγχος μετάδοσης στο ΕΡΟΝ απαιτεί μια λειτουργία που επιτρέπει σε ένα σταθμό να δεχθεί δεδομένα από τους ομότιμούς του προς αυτόν για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Για να αποφεύγονται οι συγκρούσεις, το OLT θα επιτρέπει (μέσω ενός μηνύματος ελέγχου) μόνο σε ένα ONU να μεταδίδει σε κάποιο προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Το υποεπίπεδο ΜΑC control για τα 34

35 περισσότερα συστήματα είναι προαιρετικό, όμως στο ΕΡΟΝ είναι υποχρεωτικό και πολύ σημαντικό, καθώς το ΕΡΟΝ δεν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς το MPCP Περιγραφή πρωτοκόλλου MPCP Το MPCP πρωτόκολλο βασίζεται σε δύο Ethernet μηνύματα: GATE και REPORT. Το μήνυμα GATE στέλνεται από το OLT σε ένα ONU και χρησιμοποιείται για να ορίσει μία χρονοθυρίδα μετάδοσης (transmission timeslot). Το μήνυμα REPORT χρησιμοποιείται από ένα ONU για να περιγράψει τις τοπικές του συνθήκες (πχ. κατάληψη ουράς αναμονής κτλ) στο OLT, ώστε να κάνει έξυπνες επιλογές διάθεσης εύρους ζώνης. Τόσο το μήνυμα GATE όσο και το REPORT είναι πλαίσια του υποεπιπέδου MAC control [30]. Υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας του MPCP: η ανάθεση εύρους ζώνης και ο αυτόματος εντοπισμός. Η ανάθεση εύρους ζώνης έχει σα σκοπό τη διατήρηση της επικοινωνίας μεταξύ του OLT και των ONUs, ενώ η λειτουργία του αυτόματου εντοπισμού αφορά τον εντοπισμό των ONUs που έχουν ενεργοποιηθεί πρόσφατα (το MPCP πρέπει να ξεκινά κατά περιόδους τη διαδικασία εντοπισμού) Ανάθεση εύρους ζώνης Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η ανάθεση εύρους ζώνης έχει ως σκοπό τη διατήρηση της επικοινωνίας μεταξύ ONUs και OLT. Είναι σημαντικό ότι το MPCP είναι πρωτόκολλο υπεύθυνο να παραδώσει τις αποφάσεις από το OLT στα ONUs. Η λειτουργία της ανάθεσης εύρους ζώνης, αλλά και των βασικών μηνυμάτων του MPCP περιγράφεται παρακάτω [31]: Από το επίπεδο MAC control client, το MPCP λαμβάνει ένα αίτημα για να μεταδώσει ένα GATE μήνυμα σε ένα συγκεκριμένο ONU με τις παρακάτω 35

36 πληροφορίες: το χρόνο που το ONU πρέπει να ξεκινήσει να μεταδώσει και το μέγεθος της μετάδοσης. Το επίπεδο MPCP έχει ένα ρολόι (στο OLT και σε κάθε ONU). Όταν μεταφέρεται το μήνυμα GATE από υψηλότερα επίπεδα προς το επίπεδο MAC, το MPCP βάζει μια χρονοσφραγίδα με την τοπική ώρα. Όταν ένα ONU λάβει ένα μήνυμα GATE που θα αντιστοιχεί στη MAC διεύθυνσή της, το ONU θα προγραμματίσει τους τοπικούς καταχωρητές με το χρόνο που ξεκινάει η μετάδοση και με το μέγεθος της μετάδοσης. Επίσης το ONU θα πιστοποιήσει ότι η ώρα άφιξης του μηνύματος GATE είναι αρκετά κοντά στην ώρα που αναγράφεται στη χρονοσφραγίδα μέσα στο μήνυμα. Εάν η διαφορά της ώρας ξεπεράσει ένα προκαθορισμένο όριο, το ONU θα θεωρήσει ότι έχει χάσει το συγχρονισμό της και θα επαναφέρει τη λειτουργία της σε μη ενεργοποιημένη. Σε αυτή τη λειτουργία, το ONU δεν είναι σε θέση να μεταδώσει και θα πρέπει να περιμένει μέχρι το επόμενο μήνυμα GATE για ενεργοποίησή της. Στην περίπτωση που η ώρα άφιξης του μηνύματος GATE είναι κοντά στην ώρα που αναγράφεται στη χρονοσφραγίδα που περιέχεται στο μήνυμα GATE, το ONU θα ανανεώσει το τοπικό της ρολόι με την ώρα της χρονοσφραγίδας. Όταν η τοπική ώρα φτάσει στην τιμή για να «αρχίσει τη μετάδοση», τότε το ONU θα ξεκινήσει να μεταδίδει. Η μετάδοση μπορεί να περιέχει πολλαπλά Ethernet πλαίσια. Το ONU θα φροντίσει ώστε κανένα πλαίσιο να μην κατακερματιστεί. Στην περίπτωση που το επόμενο πλαίσιο προς αποστολή δεν χωράει στη χρονοθυρίδα, θα μεταδοθεί με την επόμενη χρονοθυρίδα. 36

37 Σχήμα 12 Μήνυμα GATE του πρωτοκόλλου MPCP Τα μηνύματα REPORT μπορούν να σταλούν μόνο από τα ONUs σε συγκεκριμένα παράθυρα μετάδοσης μαζί με τα πλαίσια δεδομένων. Το μήνυμα REPORT μπορεί να σταλεί αυτόματα ή μετά από απαίτηση. Επίσης, βρίσκεται στο επίπεδο MAC control client και έχει χρονοσφραγιστεί στο MAC control επίπεδο (Σχήμα 13). Όταν το ONU ζητάει μια χρονοθυρίδα πρέπει να υπολογίζει επιπλέον κεφαλίδα σε κάθε πλαίσιο για το μήνυμα REPORT. Όταν ένα μήνυμα REPORTφτάνει στο OLT, περνάει στο επίπεδο MAC control client. Επιπλέον, το OLT υπολογίζει το χρόνο κύκλου πλήρης διαδρομής για το ONU. 37

38 Σχήμα 13 Μήνυμα REPORT του πρωτοκόλλου MPCP Η λειτουργία του αυτόματου εντοπισμού είναι διαδικασία βασισμένη στη σύνδεση. Χρησιμοποιείται για να ανιχνεύει νέα συνδεδεμένα ONUs, να μαθαίνει τις καθυστερήσεις πλήρους διαδρομής (Round-Trip delays) και τις διευθύνσεις MAC αυτών των ONUs. Σε υψηλό επίπεδο, λειτουργεί με βάση τα παρακάτω βήματα: Ο OLT εντοπίζει ένα ONU και καθορίζει μια χρονοθυρίδα που κανένα ONU που έχει εντοπιστεί προηγουμένως μπορεί να μεταδώσει. Το μέγεθος αυτής της αρχικοποιημένης χρονοθυρίδας πρέπει να είναι τουλάχιστον <μέγεθος μετάδοσης> + <μέγιστος χρόνος πλήρους διαδρομής> - <ελάχιστος χρόνος πλήρους διαδρομής>, όπου το <μέγεθος μετάδοσης> είναι το μέγεθος του παραθύρου μετάδοσης που μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα ONU. Ο OLT στέλνει μήνυμα GATE για να ορίσει την αρχή της χρόνου για τη χρονοθυρίδα και το μέγεθός της. Όταν γίνεται η μεταφορά αυτού του μηνύματος από ένα υψηλότερο επίπεδο στο επίπεδο MAC, το πρωτόκολλο MPCP θα βάλει μια χρονοσφραγίδα με την τοπική ώρα. Μόνο ένα μη-αρχικοποιημένο ONU απαντάει στο μήνυμα GATE. Ένα ONU θα ορίσει την τοπική ώρα στο μήνυμα GATE που λαμβάνεται και θα το στείλει πίσω στο OLT. 38

39 Όταν το τοπικό ρολόι που βρίσκεται στο ONU δείξει την ώρα που αναγράφεται στο μήνυμα GATE που έστειλε το ONU, το συγκεκριμένο ONU μπορεί να ξεκινήσει τη μετάδοση του (αρχικοποίηση REPORT). Το μήνυμα REPORT θα περιέχει τη διεύθυνση του ONU και τη χρονοσφραγίδα με την τοπική ώρα που στάλθηκε το μήνυμα REPORT. Όταν ο OLT λάβει το μήνυμα REPORT από ένα ONU που ενεργοποιείται πρώτη φορά, μαθαίνει και τη MAC διεύθυνση του αλλά και το χρόνο πλήρους διαδρομής. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 14, ο χρόνος πλήρους διαδρομής σε ένα ONU είναι η διαφορά μεταξύ του χρόνου που χρειάζεται το μήνυμα REPORT να παραδοθεί στο OLT και της χρονοσφραγίδας που περιέχεται στο REPORT [31]. Σχήμα 14 Μέτρηση χρόνου κύκλου πλήρους διαδρομής 39

40 40

41 Κεφάλαιο 2 Υλοποίηση του μοντέλου με χρήση αλγορίθμου ΙPACT 2.1 Ο αλγόριθμος ΙPACT Ο αλγόριθμος διαπλεγμένης σταθμοσκόπησης με προσαρμοστικό χρόνο κύκλου (Interleaved Polling with Cycle Time IPACT [32]) είναι δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης (Dynamic Bandwidth Allocation DBA) και αποτελεί τον πρώτο αλγόριθμο που προτάθηκε για το ΕΡΟΝ. Βασίζεται σε μηνύματα ελέγχου για τον καθορισμό του προσφερόμενου εύρους ζώνης σε κάθε χρήστη. Ουσιαστικά χρησιμοποιεί τα MPCP πλαίσια ελέγχου όπως αυτά καθορίζονται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 802.3ah. Πιο συγκεκριμένα, το OLT σταθμοσκοπεί τα ONUs και παραχωρεί χρονοθυρίδες, μέσω των μηνυμάτων REPORT, σε κάθε ONU με κυκλικό τρόπο (round- robin). Η χρονοθυρίδα που παραχωρείται στο ONU καθορίζεται από την κατάσταση της ουράς που έχει προαναφερθεί από το ίδιο το ΟΝU. Με αυτόν τον τρόπο το OLT, λαμβάνει τα μηνύματα REPORT από όλα τα ONUs, είναι σε θέση να γνωρίζει το δυναμικό φορτίο κίνησης του καθενός και να προσφέρει το αντίστοιχο ανοδικό εύρος ζώνης που χρειάζεται κάθε ONU. Επίσης, το OLT χρησιμοποιεί τις συμφωνίες επιπέδου υπηρεσιών (Service Level Agreements SLAs), ώστε να έχει τη δυνατότητα να θέσει ένα ανώτατο όριο στο διατιθέμενο εύρος ζώνης του κάθε ONU. Στη συνέχεια, υπολογίζει τους χρόνους εκκίνησης και τερματισμού μετάδοσης για κάθε ONU και αποστέλλει τα μηνύματα GATE. Κάθε ONU με τη σειρά τoυ χρησιμοποιεί τις πληροφορίες που δέχεται από το OLT (μέσω του μηνύματος GATE) και προγραμματίζει το χρόνο εκκίνησης και τερματισμού της μετάδοσης των πακέτων που βρίσκονται στις ουρές αναμονής του. 41

42 2.2 DBA agent Οι λειτουργίες του OLT που περιγράψαμε παραπάνω πραγματοποιούνται από τον πράκτορα DBA (DBA agent). Αυτός είναι υπεύθυνος για τη λήψη των μηνυμάτων REPORT αλλά και για τον υπολογισμό των νέων παραμέτρων στα μηνύματα GATE (Σχήμα 15). Σχήμα 15 Λειτουργία του DBA agent στο OLT Τo ΟLT διατηρεί μια μεταβλητή t scheduled η οποία αντιπροσωπεύει ένα μελλοντικό χρόνο, που δείχνει μέχρι πότε το ανοδικό κανάλι έχει προγραμματιστεί να μεταδίδει δεδομένα. Οι χρονοθυρίδες που διαθέτει ο DBA agent είναι συνεχόμενες ώστε να υπάρχει υψηλή αξιοποίηση του ανοδικού καναλιού. Για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις και οι αναμείξεις των δεδομένων, ο DBA agent εισάγει το διάστημα χρόνου φύλαξης 42

43 T guard (guard time) μεταξύ δύο διατιθέμενων χρονοθυρίδων ώστε να γίνει αυτός ο διαχωρισμός. Αυτός ο υπολογισμός φαίνεται στη γραμμή 3 του Σχήματος 15. Ο DBA agent πρέπει να δώσει κάποιο χρονικό περιθώριο στο ONU να επεξεργαστεί το μήνυμα GATE που έλαβε, ώστε να του παραχωρήσει τη χρονοθυρίδα για να μεταδώσει επιτυχώς τα δεδομένα του. Είναι γνωστό ότι το ONU προσαρμόζει τον τοπικό του χρόνο στην τιμή της σφραγίδας χρόνου (timestamp) που λαμβάνεται με το μήνυμα GATE. Επίσης, εάν ο τοπικός χρόνος του ONU και ο χρόνος παραχώρησης που ορίζεται από τον DBA agent έχουν μεγάλη απόκλιση, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί η μετάδοση των δεδομένων προς το OLT. Για αυτόν το λόγο, ο DBA agent πρέπει να εξασφαλίσει ότι ο χρόνος μεταξύ της σφραγίδας χρόνου και του χρόνου έναρξης που έχει παραχωρηθεί είναι τουλάχιστον ίσος με τον ελάχιστο χρόνο επεξεργασίας των δεδομένων τους. Είναι λογικό να υπάρξει και μια πρόσθετη καθυστέρηση μεταξύ της δημιουργίας ενός μηνύματος GATE και της χρονοσφραγίδας του αυτού είτε εξαιτίας του χρόνου επεξεργασίας είτε εξαιτίας κάποιου πιθανού μπλοκαρίσματος του μηνύματος GATE πίσω από κάποιο μεγάλο πλαίσιο δεδομένων που προηγείται του μηνύματος GATE στο ανοδικό κανάλι. Οι παραπάνω καθυστερήσεις μαζί με τον ελάχιστο χρόνο επεξεργασίας του ONU φαίνονται στις γραμμές 4 και 5 του σχήματος 15. Η σταθερά Τ process αναπαριστά το συνδυασμό της μέγιστης καθυστέρησης στο OLT και του ελάχιστου χρόνου επεξεργασίας στο ONU. Οι γραμμές 6 έως 8 περιγράφουν τη μέθοδο διαίρεσης των χρονοθυρίδων. Ο χρόνος ΤREPORT προσδιορίζει το χρόνο που χρειάζεται ένα ONU για τη μετάδοση ενός μηνύματος REPORT. Ο DBA agent, αφού έχει ορίσει τους χρόνους έναρξης και του μήκους δεδομένων για μετάδοση, σχηματίζει το μήνυμα GATE με μία μεμονωμένη παραχώρηση (γραμμή 9) και περνά το μήνυμα αυτό για μετάδοση (γραμμή 10). Τελικά στη γραμμή 11, o DBA agent δηλώνει το τέλος της χρονοθυρίδας που έχει μόλις διατεθεί και ταυτόχρονα ενημερώνει το μελλοντικό χρόνο διάθεσης του καναλιού (ts cheduled ). 43

44 2.3 Μέθοδοι για καθορισμό του μήκους της χρονοθυρίδας για κάθε ONU Δεν είναι δυνατόν ένα ONU να στείλει ολόκληρο το περιεχόμενο του buffer σε μία μετάδοση. Αυτός ο περιορισμός εγγυάται στο γεγονός ότι υπάρχουν ONU με μεγαλύτερους buffers που περιέχουν μεγάλο όγκο δεδομένων. Στην περίπτωση που αυτά το ONUs δεν είχαν κάποιο περιορισμό στον όγκο ή στο χρόνο μετάδοσής τους, θα μονοπωλούσαν όλο το εύρος ζώνης (bandwidth) και θα στερούσαν τη δυνατότητα μικρότερων σε μέγεθος ONUs να μεταδώσουν. Για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα ο DBA agent προτείνει διάφορες μεθόδους για τον καθορισμό του μήκους της χρονοθυρίδας σε κάθε ONU [32]. Οι πιο δημοφιλής μέθοδοι είναι οι εξής: Σταθερή (fixed): Αυτή η μέθοδος χρονοπρογραμματισμού αγνοεί το ζητούμενο εύρος ζώνης και παραχωρεί πάντοτε το μέγιστο μήκος χρονοθυρίδας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα σταθερό χρόνο κύκλου που ισούται με τον μέγιστο χρόνο κύκλου. Ουσιαστικά η προσέγγιση αυτή αντιστοιχεί σε ένα ΕΡΟΝ σταθερής διάθεσης εύρους ζώνης. Περιορισμένη (limited): Στη μέθοδο αυτή παραχωρείται η ζητούμενη (από το μήνυμα REPORT) διάρκεια χρονοθυρίδας, αλλά όχι μεγαλύτερη από τη μέγιστη διάρκειά του. Παρουσιάζει το μικρότερο χρόνο κύκλου από τις υπόλοιπες μεθόδους διάθεσης εύρους ζώνης και μπορεί να χαρακτηριστεί ως ένα σύστημα δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης περιορισμένης ισχύος. Έμπυλης (gated): Η μέθοδος αυτή δεν περιορίζει με κάποιον τρόπο τη μέγιστη διάρκεια της ζητούμενης χρονοθυρίδας. Δηλαδή, κάθε ONU έχει το δικαίωμα να αποστέλλει όσα δεδομένα διαθέτει σε κάθε κύκλο. Η απουσία κάποιου περιοριστικού παράγοντα στο μήκος της χρονοθυρίδας έχει ως αποτέλεσμα την σημαντική αύξηση του χρόνου κύκλου. Γι αυτό το λόγο υπάρχει περιορισμός στο μήκος του καταχωρητή πακέτων σε κάθε ONU, ώστε να μην είναι δυνατή η αποθήκευση και αποστολή δεδομένων πάνω από ένα όριο. Σταθερής απόδοσης (constant credit): Αυτή η μέθοδος προσθέτει μία σταθερή ποσότητα στο μέγεθος του ζητούμενου παραθύρου. Η προσθήκη αυτή έχει σα σκοπό να συμπεριληφθούν στην επόμενη μετάδοση του ONU τα δεδομένα που έχουν φτάσει 44

45 στον ONU από τη στιγμή που έχει στείλει το μήνυμα REPORT μέχρι την εκκίνηση της επόμενης μετάδοσή της. Γραμμικής απόδοσης (linear credit): Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μια παρόμοια προσέγγιση με τη μέθοδο σταθερής απόδοσης. Ωστόσο, το μέγεθος της ποσότητας που προστίθεται είναι ανάλογη με τις απαιτήσεις της κάθε ONU. Ελαστική (elastic): Σε αυτήν την περίπτωση δεν υπάρχει σταθερό όριο στο μήκος κάθε χρονοθυρίδας. Ο μόνος περιοριστικός παράγοντας είναι ο μέγιστος χρόνος κύκλου. Το μέγεθος της χρονοθυρίδας είναι τέτοιο ώστε το συσσωρευμένο μέγεθος των τελευταίων Ν απαιτήσεων δεν υπερβαίνει το συνολικό μέγεθος των αντίστοιχων χρονοθυρίδων. Με αυτόν τον τρόπο εάν μόνο ένα ONU έχει δεδομένα προς μετάδοση, μπορεί να λάβει μια παραχώρηση μεγέθους έως το συνολικό μέγιστο μέγεθος των χρονοθυρίδων των Ν ONUs. 2.4 Προσομοίωση της limited υπηρεσίας του αλγορίθμου IPACT Γίνεται η μελέτη ενός ΕΡΟΝ που αποτελείται από ένα OLT και από Ν ONUs. Το ΕΡΟΝ χρησιμοποιεί τη limited υπηρεσία του αλγορίθμου IPACT για να ρυθμίζει το εύρος ζώνης του ανερχόμενου καναλιού (upstream). Οι αφίξεις των πακέτων ακολουθούν μια διαδικασία Poisson, με ρυθμό λ (Mbits/s) και έχουν ένα σταθερό μέγεθος Β (bits).h κίνηση υποτίθεται είναι συμμετρική, δηλαδή το φορτίο κίνησης είναι ίδιο για όλα τα ONUs (τα οποία βρίσκονται και στην ίδια απόσταση από το OLT). Επίσης, ο ρυθμός αφίξεων και το μέγεθος των πακέτων είναι ίσα για όλα τα ONUs. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προκύπτουν με τη χρήση του προγράμματος προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5 [34]. Ο παρακάτω πίνακας (πίνακας 1) δείχνει τις παραμέτρους και τις τιμές τους που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση. 45

46 Symbol Explanation Value N Number of ONUs 16 λ ONU arrival rate (Poisson traffic) from 5 to 57.5 Mbits/s T fiber Two-way delay on the EPON 200 μs T proc Processing time 35μs T guard Guard time 1.5 μs B Packet size (network layer) 12,000 bits (=1500 bytes) B eth Ethernet overhead 304 bits(= 38 bytes) B req REPORT or request message size 576 bits (=64 bytes+8 bytes preamable) R u Upstream bandwidth on the EPON 1 Gbit/s P max Maximum transmission window 10 packets Πίνακας 1 Παράμετροι προσομοίωσης και ανάλυσης 2.5 Αναλυτικό μοντέλο της limited υπηρεσίας του αλγορίθμου IPACT Μελετάται ένα σύστημα ΕΡΟΝ, όμοιο με αυτό της προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα τις ανάλυσης προκύπτουν με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού C.Oι παράμετροι που φαίνονται στον πίνακα 1, χρησιμοποιήθηκαν και σε αυτή την περίπτωση [33]. Η ανάλυση αναπτύχθηκε για τον υπολογισμό της μέσης καθυστέρησης πακέτου. Ωστόσο, είναι σκόπιμο να εξεταστούν και κάποιες ενδιάμεσες διαδικασίες για να γίνει πιο κατανοητή η λειτουργία του συστήματος. Ένα σημαντικό μέρος εστιάζει στους χρόνους κύκλου (cycle time), που αποδεικνύονται πιο πολύπλοκοι από ότι αναμενόταν. Ο χρόνος κύκλου ορίζεται ως ο χρόνος μεταξύ της αρχής δύο διαδοχικών παραθύρων μετάδοσης για ένα συγκεκριμένο ONU. Με την ανάλυση του χρόνου κύκλου γίνεται πιο εύκολη η πρόβλεψη της καθυστέρησης των πακέτων. Στο σύστημα ΕΡΟΝ το εύρος ζώνης δεν μπορεί να είναι απεριόριστο και έχει τυποποιηθεί στα 1Gbits/s (στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων Data Link Layer).Αυτή η τυποποίηση γίνεται λόγω των φυσικών ιδιοτήτων των οπτικών ινών και των lasers. Μια αύξηση του φορτίου κίνησης πέρα από το συγκεκριμένο όριο, θα οδηγούσε το σύστημα σε αστάθεια. Όπως γίνεται αντιληπτό στην ανάλυση και στην προσομοίωση 46

47 ενός συστήματος λαμβάνονται υπόψη ιδανικές καταστάσεις. Επομένως τα αποτελέσματα που λαμβάνουμε δεν είναι απολύτως πραγματικά, μπορούν όμως να παρουσιάσουν μια ικανοποιητική εικόνα του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, οι buffers, στη limited υπηρεσία του IPACT, δεν θα αδειάζουν για άπειρο αριθμό φορών με αποτέλεσμα οι καθυστερήσεις να αυξάνονται συνεχώς. Επίσης, το εύρος ζώνης του 1Gbits/s πρέπει να διαμοιραστεί μεταξύ των Ν ONUs. Έτσι το εύρος ζώνης ανά ONU, εάν όλα τα ONUs έχουν την ίδια συμφωνία επιπέδου υπηρεσιών (Service Level Agreement_SLA), θα είναι ίσο με 1/Ν Gbits/s. Όμως, υπάρχουν αρκετές πηγές επιβάρυνσης (overhead), που κάνουν το εύρος ζώνης μικρότερο, όπως ο χρόνος φύλαξης T guard, ο χρόνος που χρειάζονται τα μηνύματα REPORT και η επιβάρυνση του Ethernet. Τέλος, σημαντική είναι η υπόθεση πως όλα τα ONUs έχουν το ίδιο φορτίο κίνησης λ, έτσι ώστε Λ = Νλ. 2.6 Ανάλυση της Gated υπηρεσίας του αλγορίθμου IPACT Παρακάτω, για λόγους ευκολίας αναλύεται αρχικά η gated υπηρεσία που παρουσιάζει κάποια παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτά της limited υπηρεσίας. Στη συνέχεια θα εφαρμόσουμε αυτή την ανάλυση για να πάρουμε αναλυτικά αποτελέσματα για την limited υπηρεσία. Η ανάλυση της gated υπηρεσίας είναι πιο πολύπλοκη λόγω των χρόνων κύκλου που μεταβάλλονται. Επειδή στη gated υπηρεσία δεν υπάρχει κάποιος περιορισμός στη μέγιστη διάρκεια χρονοθυρίδας που ανατίθεται σε κάθε ΟΝU, οι χρόνοι κύκλων μπορεί να ποικίλουν. Δηλαδή, παρουσιάζονται κάποιοι περίοδοι με μεγάλους χρόνους κύκλου και κάποιες άλλες με μικρότερους χρόνους κύκλου. Το συγκεκριμένο γεγονός οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι διαδοχικοί χρόνοι κύκλου επηρεάζουν ο ένας τον άλλον. Παρόλο που στην συγκεκριμένη υπηρεσία, δεν παρουσιάζεται κάποιο μέγιστο χρονικό όριο μετάδοσης στα ONUs, ο χρόνος κύκλου δεν μπορεί να γίνει μικρότερος από μία ελάχιστη τιμή. Αυτό δεν μπορούμε να το αγνοήσουμε, καθώς υπάρχει ο κίνδυνος να οδηγηθούμε σε μία υποεκτίμηση των χρόνων κύκλου, ειδικότερα στην περίπτωση κάποιου χαμηλού φορτίου κίνησης. Όπως είναι γνωστό, στον αλγόριθμο IPACT το ONU στέλνει ένα μήνυμα REPORT στο OLT και αυτό με τη σειρά του, 47

48 αφού το λάβει και το επεξεργαστεί, στέλνει στο ONU ένα μήνυμα GATE. Η σειρά των μηνυμάτων τηρείται αυστηρά καθώς σε κάθε μήνυμα υπάρχουν οι απαραίτητες πληροφορίες που χρειάζεται το επόμενο μήνυμα για να προωθηθεί και να επεξεργαστεί ορθά. Για αυτό το λόγο, ένα μήνυμα GATE δεν μπορεί να σταλεί από το OLT σε ένα ONU πριν ληφθεί στο OLT το προηγούμενο μήνυμα REPORT από το ίδιο ONU. Συνεπώς, ο ελάχιστος χρόνος κύκλου καθορίζεται από την απόσταση μεταξύ OLT και ONUs. Εφόσον το μέσο διάδοσης είναι η οπτική ίνα, το χρόνο κύκλου θα τον επηρεάζει ο δείκτης διάθλασης της ίνας σε συνδυασμό με την απόσταση μεταξύ ONUs και OLT. Αν υποθέσουμε ότι χρειάζεται μία οπτική ίνα 20km μεταξύ το OLT και των ONUs, και γνωρίζοντας ότι η οπτική ίνα έχει δείκτη διάθλασης n 1. 5, ο χρόνος κύκλου θα είναι τουλάχιστον T fiber = 200μs (propagation delay). Επίσης, ο χρόνος κύκλου είναι άμεσα εξαρτημένος και από το χρόνο που χρειάζονται να δημιουργηθούν και να επεξεργαστούν τα μηνύματα GATE και REPORT. O χρόνος αυτός καλείται T proc.και επιλέγουμε να είναι 35μs. Συνεπώς ο απόλυτος ελάχιστος χρόνος κύκλου δίνεται από την παρακάτω σχέση: min cycle = T fiber + T proc (2.1) Μια πιο σωστή ανάλυση εξετάζει το προσφερόμενο φορτίο από τις ONUs σε χαμηλά φορτία κίνησης και υψηλά φορτία κίνησης (τέτοια διάκριση έγινε επίσης κατά τη διάρκεια της ανάλυσης από τους Bhatia et al. [35]). Η διάκριση μεταξύ αυτών των δύο περιπτώσεων πραγματοποιείται με τη χρήση ενός εμπειρικού κανόνα ο οποίος βασίζεται στην πιθανότητα να έχουμε περισσότερες αφίξεις πακέτων από αυτά που μπορούν να μεταδοθούν κατά τη διάρκεια του ελάχιστου χρόνου κύκλου. Η πιθανότητα αυτή δίνεται από τη σχέση: min P cycle min 1 exp cycle (2.2) k 0 k! k 48