ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΠΟΔΟΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ <<ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ>> ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΠΟΔΟΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΜΠΕΛΕΤΣΙΩΤΗ ΓΕΩΡΓΙΑΣ [Α.Ε.Μ 438] ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2013

2 2

3 3 Στην οικογένειά μου

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κύριο Γ. Παπαδημητρίου, όπως και τον επίκουρο καθηγητή κύριο Π. Νικοπολιτίδη για τη συνεργασία μας καθ όλη τη διάρκεια της διπλωματικής μου εργασίας. Επιπλέον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Κ. Κυριακόπουλο όπως και τον Ε. Πλούγαρλη για τις πολύτιμες συμβουλές που μου έδωσαν. Τέλος ευχαριστίες θα ήθελα να δώσω στην οικογένειά μου για την αμέριστη υποστήριξη που μου έδειξε αυτό το εξάμηνο. 4

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ραγδαία εξάπλωση του διαδικτύου επέφερε σημαντική αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας του δικτυακού εξοπλισμού. Δεδομένου ότι η ενεργειακή κρίση και η προστασία του περιβάλλοντος δημιουργούν όλο και μεγαλύτερη ανησυχία τα τελευταία χρόνια πολλές ερευνητικές προσπάθειες αφορούν στην εύρεση τεχνολογικών λύσεων με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας. Σε αυτό το πλαίσιο η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας ενός IP over WDM οπτικού δικτύου. Ένα IP over WDM δίκτυο δύναται να υλοποιηθεί με δυο τρόπος, είτε χρησιμοποιώντας την παράκαμψη των ενδιάμεσων κόμβων δεδομένης μιας διαδρομής από έναν κόμβο α πηγή σε έναν κόμβο β προορισμό (lightpath bypass) είτε όχι (lightpath non- bypass). Κατά την εκπόνηση της εργασίας κατασκευάστηκαν, σε γλώσσα προγραμματισμού JAVA, από την αρχή τρία προγράμματα (το Non Bypass που δεν χρησιμοποιεί την παράκαμψη των ενδιάμεσων κόμβων και δυο που χρησιμοποιούν την παράκαμψη των ενδιάμεσων κόμβων, το Direct Bypass και το MultiHop Bypass) τα οποία και συγκρίνονται μεταξύ τους. Η προσομοίωση των τριών αυτών προγραμμάτων πραγματοποιήθηκε σε τρία διαφορετικού μεγέθους δίκτυα κορμού. Η κατανάλωση ενέργειας των εξεταζόμενων δικτύων οφείλεται στο δικτυακό εξοπλισμό, δηλαδή κυρίως στους δρομολογητές, αλλά και στους ενισχυτές και τους transponders. Στόχος της εργασίας είναι η μείωση των δικτυακών στοιχείων που χρησιμοποιούνται έτσι ώστε να μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας στα δίκτυα αυτά. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι λιγότερη ενέργεια στα δίκτυα καταναλώνεται όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος MultiHop Bypass και αρκετά περισσότερη όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος Non Bypass. H μέθοδος Direct Bypass φαίνεται να είναι λίγο χειρότερη από τη MultiHop Bypass. Συμπερασματικά η εξοικονόμηση ενέργειας συγκριτικά με τη μέθοδο Non Bypass όταν χρησιμοποιούνται τα προγράμματα Direct Bypass και Multihop Bypass μπορεί να φτάσει έως και το 45%. Λέξεις - Κλειδιά Κατανάλωση ενέργειας δικτυακού εξοπλισμού - IP over WDM Lightpath bypass- Lightpath non- bypass Ενεργειακά αποδοτικός σχεδιασμός δικτύων 5

6 ABSTRACT The rapid spread of the Internet has brought a significant increase in energy consumption of network equipment. Since the energy crisis and environmental protection are of increasing concern in recent years many research efforts related to finding technological solutions are in use to save energy. In this context, the present thesis focuses on minimizing the energy consumption of an IP over WDM optical network. An IP over WDM network may be implemented in two ways, either using the bypass of the intermediate nodes given a path from a source node a to a node destination b (lightpath bypass) or not (lightpath non- bypass). In this work three programs were produced (Non Bypass which is not using bypass of the intermediate nodes and two using the bypass of the intermediate nodes, Direct Bypass and MultiHop Bypass) and then they were compared. The simulation of these three programs was took place in three different sized backbone/core networks. The energy consumption of the test networks is due to network equipment, ie routers, optical amplifiers and transponders. The aim of this work is the reduction of network elements used, to reduce energy consumption in such networks. The results show that less energy is consumed in networks where the method MultiHop Bypass is used and considerably more when the method Non Bypass is used. Direct Bypass method seems to be slightly worse than the MultiHop Bypass. In conclusion, the energy savings compared to the method Non Bypass, Direct Bypass and Multihop Bypass can reach up to 45 %. Keywords Energy consumption of network equipment IP over WDM Lightpath bypass Lightpath non- bypass energy efficient optical networks 6

7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός διπλωματικής εργασίας Δομή διπλωματικής εργασίας ΟΠΤΙΚΗ ΔΙΚΤΥΩΣΗ Εισαγωγή Τεχνολογία πολυπλεξίας μήκους κύματος WDM Δομικά στοιχεία ενός WDM συστήματος Οπτική ίνα ως μέσο μετάδοσης Πλεονεκτήματα μιας οπτικής ίνας Transponders Οπτικοί πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες μήκους κύματος Οπτικοί Πολυπλέκτες προσθαφαίρεσης Οπτικοί ενισχυτές Ενισχυτές ίνας με προσμίξεις ερβίου (EDFA) Οπτικοί Διασυνδέτες WDM δικτύωση Τεχνολογία SONET/SDH Τεχνολογία ATM IP over ATM over SONET/SDH over WDM Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του IP over ATM over SONET/SDH over WDM IP over SONET/SDH over WDM Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του IP over SONET/SDH over WDM IP over WDM Σύγκριση IP over WDM και IP over SONET/SDH over WDM ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΦΙΛΙΚΑ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Εισαγωγή Ορισμός Backbone δικτύου 37 7

8 3.3 Τεχνικές μείωσης κατανάλωσης ενέργειας σε Βackbone δίκτυα μεταφοράς Επιλεκτική απενεργοποίηση των στοιχείων του δικτύου Ενεργειακά αποδοτικός σχεδιασμός οπτικών δικτύων ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΥ IP OVER WDM BACKBONE ΔΙΚΤΥΟΥ Εισαγωγή Περιγραφή του IP over WDM δικτύου Η έννοια του lightpath Τοπολογία οπτικού δικτύου Τρόποι υλοποίησης IP Over WDM οπτικού δικτύου Lightpath non- bypass Lightpath bypass Μοντέλα μείωσης κατανάλωσης ενέργειας σε IP Over WDM δίκτυο Μαθηματικό Μοντέλο βελτιστοποίησης (MILP) Υπολογιστική πολυπλοκότητα μικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού Ευρετικοί μηχανισμοί βασισμένοι σε Lightpath bypass στρατηγικές Direct Bypass MultiHop Bypass ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΣΕ ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΣΜΟΥ JAVA Εισαγωγή Εξεταζόμενα δίκτυα Περιγραφή κοινών κλάσεων προγραμμάτων Υλοποίηση Non- bypass Περιγραφή κλάσεων Υλοποίηση Direct Bypass Περιγραφή κλάσεων Υλοποίηση MultiHop Bypass 77 8

9 5.6.1 Περιγραφή κλάσεων ΕΞΑΓΩΓΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο n6s Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο NSFNET Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο USNET 96 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 101 9

10 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1: Πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) 18 Σχήμα 2.2 : Δομή τυπικής οπτικής ίνας 19 Σχήμα 2.3: Περιοχές εξασθένησης (low- attenuation) οπτικού σήματος μιας οπτικής ίνας 20 Σχήμα 2.4 : Transponder 22 Σχήμα 2.5 : Πολυπλεξία/Αποπολυπλεξία σε μονόδρομο σύστημα επικοινωνίας 22 Σχήμα 2.6 : Πολυπλεξία/Αποπολυπλεξία σε αμφίδρομο σύστημα επικοινωνίας 23 Σχήμα 2.7: Οπτικός πολυπλέκτης προσθαφαίρεσης 23 Σχήμα 2.8: Erbium Doped Fiber Amplifier 25 Σχήμα 2.9 : Booster amplifier, In- Line amplifier και Preamplifier 26 Σχήμα 2.10 : Οπτικός διασυνδέτης με Ν μήκη κύματος ανά οπτική ίνα 27 Σχήμα 2.11: Λειτουργίες οπτικού διασυνδέτη 28 Σχήμα 2.12 :Διαστρωμάτωση (α) IP over ATM over SONET/SDH over WDM, (β) IP over SONET/SDH over WDM και (γ) IP over WDM 28 Σχήμα 2.14 : Τυπικό ATM cell 30 Σχήμα 2.15 : Διαστρωμάτωση IP over ATM over SONET/SDH 31 Σχήμα 2.16 : Διαστρωμάτωση IP over SONET/SDH 33 Σχήμα 2.17 : Διαστρωμάτωση IP over SONET/SDH over WDM 33 Σχήμα 2.18 : Διαστρωμάτωση IP over WDM 34 Σχήμα 2.19 : Σύγκριση IP over SONET/SDH over WDM IP over WDM 35 Σχήμα 3.2 : Backbone δίκτυο 38 Σχήμα 4.1 : Αρχιτεκτονική ενός IP Over WDM οπτικού δικτύου 41 Σχήμα 4.2 : Οπτικό επίπεδο του IP Over WDM 41 Σχήμα 4.3 : Δίκτυο με εγκατεστημένα μονοπάτια φωτός 42 Σχήμα 4.4 : (α) φυσική τοπολογία, (β) λογική τοπολογία 43 Σχήμα 4.5 : Lightpath non- bypass 43 Σχήμα 4.6 : Lightpath bypass 44 Σχήμα 4.8 : Δίκτυο αποτελούμενο από 4 κόμβους 51 10

11 Σχήμα 4.9 : Εγκαθίδρυση lightpaths χρησιμοποιώντας direct bypass προσέγγιση 52 Σχήμα 4.10 : Εγκαθίδρυση lightpaths χρησιμοποιώντας MultiHop bypass προσέγγιση 52 Σχήμα 5.1 : Εξεταζόμενα δίκτυα (α) n6s8, (β) NSFNET και (γ) USNET 54 Σχήμα 5.2 : Η κλάση Topology 55 Σχήμα 5.3 : Η κλάση Traffic 55 Σχήμα 5.5 : UML διάγραμμα του προγράμματος non- bypass 63 Σχήμα 5.6 : Αριθμός μηκών κύματος ανά ακμή δικτύου (α) χωρίς επαναχρησιμοποίηση (β) με επαναχρησιμοποίηση 67 Σχήμα 5.7 : UML διάγραμμα του προγράμματος direct- bypass 71 Σχήμα 5.8 : UML διάγραμμα του προγράμματος MultiHop- bypass 78 Σχήμα 5.9 : Διάγραμμα ροής του προγράμματος MultiHop- bypass 80 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.13 : SONET/SDH ρυθμοί μετάδοσης 29 Πίνακας 4.7 : Κατανάλωση ενέργειας δικτυακών στοιχείων που υπολογίζονται 45 Πίνακας 5.4 : Κίνηση μεταξύ των κόμβων στα 20 Gb/s για το δίκτυο n6s8 61 Πίνακας 6.1 : Τιμές κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο n6s8 89 Πίνακας 6.4 : Τιμές ποσοστιαίου κέρδους κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο n6s8 91 Πίνακας 6.6 : Τιμές κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο NSFNET 93 Πίνακας 6.9 : Τιμές ποσοστιαίου κέρδους κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο NSFNET 95 Πίνακας 6.11 : Τιμές κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο USNET 96 Πίνακας 6.14 : Τιμές ποσοστιαίου κέρδους κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο USNET 98 11

12 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Διάγραμμα 3.1 : Πρόβλεψη παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας των τηλεπικοινωνιακών δικτύων 37 Διάγραμμα 6.2 : Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο n6s8 90 Διάγραμμα 6.3 : Κατανομή κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών στοιχείων στο n6s8 κατά τη χρήση του Non_bypass 91 Διάγραμμα 6.5 : Ποσοστιαίο κέρδος κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο n6s8 92 Διάγραμμα 6.7 : Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο NSFNET 93 Διάγραμμα 6.8 : Κατανομή κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών στοιχείων στο NSFNET κατά τη χρήση του Multihop_bypass 94 Διάγραμμα 6.10 : Ποσοστιαίο κέρδος κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο NSFNET 95 Διάγραμμα 6.12 : Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο USNET 96 Διάγραμμα 6.13 : Κατανομή κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών στοιχείων στο USNET κατά τη χρήση του Direct_bypass 97 Διάγραμμα 6.15 : Ποσοστιαίο κέρδος κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο USNET 98 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΚΩΔΙΚΑ Τμήμα κώδικα 1 : Εσωτερική κλάση που αναπαριστάνει τις ακμές του γράφου (κλάση Topology) 56 Τμήμα κώδικα 2 : Υλοποίηση συνάρτησης LightPerEdge() 65 Τμήμα κώδικα 3 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των ενισχυτών (Non- bypass) 68 Τμήμα κώδικα 4 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των transponders(non- bypass) 69 12

13 Τμήμα κώδικα 5 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των δρομολογητών (Non- bypass) 70 Τμήμα κώδικα 6 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των ενισχυτών (Direct- bypass) 74 Τμήμα κώδικα 7 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των transponders (Direct- bypass) 75 Τμήμα κώδικα 8 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των δρομολογητών (Direct- bypass) 76 Τμήμα κώδικα 9 : Μέρος της συνάρτησης check που ψάχνει για διαθέσιμα μονοπάτια στο γράφο 83 Τμήμα κώδικα 10 : Ανανέωση τιμών μετά την επαναχρησιμοποίηση 83 Τμήμα κώδικα 11 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των ενισχυτών (MultiHop- bypass) 84 Τμήμα κώδικα 12 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των transponders (MultiHop- bypass) 85 Τμήμα κώδικα 13 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των δρομολογητών (MultiHop- bypass) 86 13

14 14

15 1. Εισαγωγή Το διαδίκτυο στις μέρες μας αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας όλων των ανθρώπων και πολύτιμο εργαλείο σε όλες τις δραστηριότητες τους, τόσο επαγγελματικές όσο και ψυχαγωγικές. Η εκρηκτική αύξηση της χρήσης του διαδικτύου επέφερε την ανάγκη για μεγαλύτερο εύρος ζώνης και αρτιότερο εξοπλισμό. Σε αυτήν την προσπάθεια ανάπτυξης του διαδικτύου το κόστος του δικτυακού εξοπλισμού αποτελεί τον κύριο περιοριστικό παράγοντα. Παρ όλα αυτά η κατανάλωση ενέργειας των συσκευών του δικτύου τείνει να εξελιχθεί σε ένα εξίσου, αν όχι σημαντικότερο περιοριστικό παράγοντα. Στην κατεύθυνση αυτή της επίτευξης του στόχου της μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια πολλές ερευνητικές προσπάθειες. Σκοπός των ερευνών αυτών είναι η δημιουργία νέων και αποδοτικότερων ενεργειακά αρχιτεκτονικών δικτύων. Η μειωμένη κατανάλωση ενέργειας που επιτυγχάνεται με τις στρατηγικές αυτές καθιστά αυτομάτως τη χρήση του διαδικτύου πιο φιλική προς το περιβάλλον, εξαιτίας της μείωσης των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα και παράλληλα οικονομικότερη λόγω μειωμένων λειτουργικών εξόδων. 1.1 Σκοπός διπλωματικής εργασίας Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας προσομοιώθηκαν σε γλώσσα υψηλού επιπέδου Java τρεις μέθοδοι που αποσκοπούν στον υπολογισμό της κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών συσκευών τριών IP over WDM δικτύων. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά η ανάλυση της προσομοίωσης των τριών μεθόδων και τελικά η σύγκριση τους. 1.2 Δομή διπλωματικής εργασίας Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας και ο στόχος της. 15

16 Στο δεύτερο κεφάλαιο ορίζεται η τεχνολογία διαίρεσης μήκους κύματος WDM και γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των δομικών στοιχείων που την αποτελούν. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τεχνικές με τις οποίες συνδυάζεται η τεχνολογία WDM με αρχιτεκτονικές υψηλότερων επιπέδων ώστε να καταστεί δυνατή η χρήση των μεγάλων ρυθμών μετάδοσης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά δύο τεχνικές σχεδιασμού οπτικών δικτύων κορμού με στόχο τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα δίκτυα αυτά. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας ενός IP over WDM οπτικού δικτύου χρησιμοποιώντας μικτό ακέραιο γραμμικό προγραμματισμό και δύο διαφορετικές ευρετικές μεθόδους της τεχνικής lightpath bypass, τη Direct Bypass και τη MultuHop Bypass. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται εκτενής ανάλυση της δημιουργίας των δύο ευρετικών μεθόδων Direct και MultiHop Bypass όπως και της μεθόδου Non Bypass σε γλώσσα υψηλού επιπέδου Java. Τέλος στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η σύγκριση, με βάση την κατανάλωση ενέργειας, των τριών προγραμμάτων Non_bypass, Direct_bypass και MultiHop_bypass. Παραθέτονται σε πίνακες και αναλυτικά διαγράμματα τα ακριβή ποσά ενέργειας σε kwatt που καταναλώνονται εξαιτίας των δρομολογητών, των ενισχυτών και των transponders όταν τα προγράμματα αυτά εφαρμόζονται σε τρία διαφορετικού μεγέθους δίκτυα. 16

17 2. Οπτική δικτύωση 2.1 Εισαγωγή Η ραγδαία και ασταμάτητη εξάπλωση του διαδικτύου όπως και οι εφαρμογές βασισμένες σε IP κίνηση στις μέρες μας αποτελούν μια από τις κυριότερες αιτίες της διαρκώς αυξανόμενης ζήτησης για χωρητικότητα στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Η συνεχής αύξηση του αριθμού των χρηστών του διαδικτύου αλλά και οι αυξανόμενες απαιτήσεις των δικτυακών εφαρμογών, όπως για παράδειγμα voice over IP (VoIP) και video- on- demand, καθιστούν το ρυθμό αύξησης του εύρους ζώνης σταθερό για τα επόμενα χρόνια. H οπτική τεχνολογία, που χρησιμοποιεί την οπτική ίνα ως μέσο μετάδοσης, σε συνδυασμό με την τεχνολογία πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) φαίνεται να είναι το κλειδί στην προσπάθεια ικανοποίησης της υπάρχουσας υψηλής ζήτησης σε χωρητικότητα δικτύου και στην υποστήριξη νέων υπηρεσιών χάρη στις σημαντικές εξελίξεις των οπτικών δικτύων την τελευταία δεκαετία. Το παρόν κεφάλαιο αναλύει τα βασικά δομικά στοιχεία της WDM αρχιτεκτονικής και εξετάζει τους τρόπους με τους οποίους IP κίνηση μπορεί να μεταδοθεί πάνω από WDM δίκτυα. 2.2 Τεχνολογία πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) Γενικότερα με τον όρο πολυπλεξία μπορούμε να ορίσουμε τη διαμοίραση της χωρητικότητας ενός συνδέσμου επικοινωνίας μεταξύ πολλαπλών σταθμών, η οποία αποσκοπεί στην οικονομικά αποδοτικότερη χρήση και στην εκμετάλλευση της διαθέσιμης χωρητικότητας και μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορες τεχνικές. Η τεχνική που θα μελετηθεί παρακάτω είναι η πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing). Η πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος είναι μία μέθοδος που συνδυάζει πολλαπλά οπτικά σήματα διαφορετικής συχνότητας ή αλλιώς 17

18 διαφορετικού μήκους κύματος να διαδίδονται ταυτόχρονα μέσα σε μια οπτική ίνα. Το κάθε οπτικό σήμα αντιπροσωπεύει μια ροή δεδομένων (σχήμα 2.1). Σχήμα 2.1: Πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) Συχνά η τεχνολογία πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος WDM αναφέρεται και ως πυκνή πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος DWDM. Η μόνη διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι κατά την πυκνή πολυπλεξία μήκους κύματος DWDM μεταφέρονται περισσότερα μήκη κύματος μέσω μίας οπτικής ίνας. Αποτέλεσμα της DWDM είναι η αύξηση του συνολικού ρυθμού μεταφοράς δεδομένων ανά οπτική ίνα. 2.3 Δομικά στοιχεία ενός WDM συστήματος Στην παρούσα παράγραφο παρουσιάζονται τα βασικά δομικά στοιχεία που καθιστούν δυνατή την υλοποίηση WDM δικτύων. Αναλύονται στοιχεία όπως οπτικές ίνες, αναμεταδότες (transponders), οπτικοί πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες προσθαφαίρεσης και μη, οπτικοί ενισχυτές και οπτικοί διασταυρωτές. 18

19 2.3.1 Οπτική ίνα ως μέσο μετάδοσης Οι οπτικές ίνες σήμερα αποτελούν τεχνολογία αιχμής και χρησιμοποιούνται ευρέως σε δίκτυα επικοινωνιών διότι επιτρέπουν την μετάδοση των δεδομένων σε μεγαλύτερες αποστάσεις και υψηλότερο εύρος ζώνης συγκριτικά με άλλα συμβατικά μέσα μετάδοσης (όπως για παράδειγμα τα χάλκινα καλώδια). Πρόκειται για πολύ λεπτά εύκαμπτα νήματα από πλαστικό ή γυαλί όπου από μέσα τους μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα υπό μορφή φωτός. Μία οπτική ίνα αποτελείται συνήθως από τρεις ομόκεντρους διηλεκτρικούς κυματοδηγούς (σχήμα 2.2) την κεντρική ίνα (core), την επίστρωση (cladding) και το κάλυμμα (coating). Η φωτεινή δέσμη που μεταφέρει την πληροφορία οδεύει με διαδοχικές ανακλάσεις από το ένα άκρο της ίνας στο άλλο. Η επίτευξη της μετάδοσης οφείλεται στο γεγονός ότι το σήμα υφίσταται ολικές ανακλάσεις με αποτέλεσμα η ενέργεια της φωτεινής δέσμης να παραμένει εγκλωβισμένη στην οπτική ίνα. Σχήμα 2.2 : Δομή τυπικής οπτικής ίνας Πλεονεκτήματα μιας οπτικής ίνας Μια σειρά πλεονεκτημάτων έχουν καταστήσει τις οπτικές ίνες την καταλληλότερη επιλογή ως μέσο μετάδοσης των δεδομένων. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των οπτικών ινών είναι τα ακόλουθα : Τεράστιο εύρος ζώνης. Οι οπτικές ίνες προσφέρουν εξαιρετικά υψηλότερα εύρη ζώνης από κάθε άλλο μέσο μετάδοσης πληροφοριών χάρη στη χρήση του οπτικού φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής 19

20 περιοχής. Το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε μια οπτική ίνα φτάνει γύρω στα 50 THz και το εκμεταλλευόμαστε χρησιμοποιώντας κυρίως τις δυο περιοχές χαμηλής εξασθένησης (low- attenuation), η πρώτη στα 1310 nm και η δεύτερη στα 1550 nm (σχήμα 2.3). Σχήμα 2.3: Περιοχές εξασθένησης (low- attenuation) οπτικού σήματος μιας οπτικής ίνας. Καλύτερης ποιότητας σήματος. Το γυαλί είναι διηλεκτρικό υλικό και δεν παρουσιάζει παρεμβολές από ηλεκτρομαγνητικά πεδία σε αντίθεση με τα συμβατικά μέσα μετάδοσης. Μικρές απαιτήσεις σε ενέργεια. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν παρατηρούνται σημαντικές απώλειες σήματος και συνεπώς μειώνεται ο αριθμός των ενισχυτών/αναμεταδοτών σε μια ζεύξη. Οπως φαίνεται και στο σχήμα 2.3 στην περιοχή των 1550 nm οι απώλειες μπορούν να πέσουν μόλις στα 0.25 db/km. Μικρό κόστος. Το γυαλί είναι πολύ πιο οικονομικό και προσιτό από το χαλκό. Επιπλέον λόγω της χαμηλής εξασθένησης σήματος παρατηρείται μειωμένος αριθμός ενισχυτών/αναμεταδοτών ρίχνοντας ακόμα περισσότερο το κόστος. Χαμηλό βάρος. Ένα καλώδιο οπτικών ινών ζυγίζει πολύ λιγότερο από ένα χάλκινο καλώδιο. 20

21 Καλύτερη ασφάλεια. Οι οπτικές ίνες αποτελούν ασφαλές μέσο μετάδοσης μιας και είναι αδύνατον να γίνει υποκλοπή του οπτικού σήματος χωρίς τη φυσική διάσπαση του σήματος. Κατάλληλο μέσο σε υγρά περιβάλλοντα. Οι οπτικές ίνες δεν είναι ευαίσθητες σε υγρά περιβάλλοντα επειδή δεν μεταφέρουν ηλεκτρικό σήμα σε αντίθεση με τα χάλκινα καλώδια που μπορούν να δημιουργήσουν βραχυκυκλώματα Transponders Οι transponders είναι οπτο- ηλεκτρονικές συσκευές που τοποθετούνται στους κόμβους του δικτύου και είναι υπεύθυνες για την αποστολή και λήψη των οπτικών σημάτων μέσω της οπτικής ίνας. Δεν είναι λίγες οι φορές που τα λαμβανόμενα σήματα χρειάζονται επεξεργασία κατά την προώθησή τους στο οπτικό δίκτυο και κατ επέκταση κατά την έξοδό τους από αυτό. Συχνά τα δεδομένα εισέρχονται στο δίκτυο σε μήκη κύματος ακατάλληλα για τα σημερινά WDM δίκτυα. Γι αυτό το λόγο στις εισόδους των WDM δικτύων πρέπει να γίνεται μετατροπή των μηκών κύματος (σχήμα 2.4) σε μήκη κύματος συμβατά με τη σημερινή WDM τεχνολογία όπως ορίζει το ITU (International Telecommunication Union), ενώ στις εξόδους πρέπει τα δεδομένα να προωθούνται πάλι με τα κατάλληλα για τους χρήστες μήκη κύματος. Συνεπώς ένας transponder θα μπορούσε να θεωρηθεί ένας μετατροπέας μήκους κύματος. Επιπλέον ένας transponder ενδέχεται να πλαισιώνει τα εισερχόμενα δεδομένα με πληροφορίες σχετικές με τη λειτουργικότητα του δικτύου (διαχείριση δικτύου και Forward Error Correction). Απαραίτητη προϋπόθεση για αυτή τη λειτουργία του transponder είναι η οπτο- ηλεκτρονική μετατροπή των δεδομένων στην είσοδο του transponder και η ηλεκτρο- οπτική μετατροπή των δεδομένων στην έξοδο του transponder. 21

22 Σχήμα 2.4 : Transponder Οπτικοί πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες μήκους κύματος Οι συσκευές πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας είναι παθητικές συσκευές που λειτουργούν χωρίς την χρήση ηλεκτρικού ρεύματος και επιτρέπουν τον συνδυασμό των εισερχόμενων προς μετάδοση σημάτων στο σημείο εκπομπής και το διαχωρισμό αυτών στο σημείο λήψης αντίστοιχα [1]. Σε ένα μονόδρομο σύστημα επικοινωνίας ένας πολυπλέκτης τοποθετείται στο σημείο εκπομπής και ένας αποπολυπλέκτης τοποθετείται στο σημείο λήψης. Για την υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος απαιτούνται δύο οπτικές ίνες όπως απεικονίζεται στο σχήμα 2.5. Από την άλλη όταν αναφερόμαστε σε ένα αμφίδρομο σύστημα επικοινωνίας ένα ζεύγος πολυπλέκτη/αποπολυπλέκτη τοποθετείται στο σημείο εκπομπής και στο σημείο λήψης και η επικοινωνία πραγματοποιείται με τη χρήση μιας οπτικής ίνας όπως φαίνεται στο σχήμα 2.6. Σχήμα 2.5 : Πολυπλεξία/Αποπολυπλεξία σε μονόδρομο σύστημα επικοινωνίας 22

23 Σχήμα 2.6 : Πολυπλεξία/Αποπολυπλεξία σε αμφίδρομο σύστημα επικοινωνίας Οπτικοί πολυπλέκτες προσθαφαίρεσης Μια ειδική κατηγορία των οπτικών πολυπλεκτών είναι οι οπτικοί πολυπλέκτες προσθαφαίρεσης. Εκτός από συνδυασμό ή/και διαχωρισμό των οπτικών σημάτων, αυτού του είδους οι πολυπλέκτες έχουν τη δυνατότητα να αφαιρούν(drop) από το σύνθετο οπτικό σήμα ή/και να προσθέτουν(add) σε αυτό ένα ή περισσότερα οπτικά κανάλια (μήκη κύματος) όπως φαίνεται στο σχήμα 2.7 [1]. Σχήμα 2.7: Οπτικός πολυπλέκτης προσθαφαίρεσης Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχουν δύο είδη οπτικών πολυπλεκτών προσθαφαίρεσης. Το πρώτο είδος είναι μια συσκευή διαμορφωμένη να εισάγει και να εξάγει προκαθορισμένα μήκη κύματος από ένα σύνθετο οπτικό σήμα ενώ 23

24 το δεύτερο είδος μπορεί να επιλέγει δυναμικά ποια μήκη κύματος πρόκειται να εισάγει και να εξάγει από ένα σύνθετο οπτικό σήμα Οπτικοί ενισχυτές Καθώς ένα οπτικό σήμα μεταδίδεται μέσα σε μία οπτική ίνα ενδέχεται να εξασθενήσει και για αυτό το λόγο συσκευές που είναι υπεύθυνες για την ενίσχυση των οπτικών σημάτων είναι απαραίτητες στην οπτική επικοινωνία. Πριν τους οπτικούς ενισχυτές η ενίσχυση ενός σήματος πραγματοποιούνταν μέσω των οπτικών αναγεννητών. Οι τελευταίοι μετέτρεπαν το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό, το ενίσχυαν, το μετέτρεπαν ξανά σε οπτικό και τέλος το μετέδιδαν. Κάτι τέτοιο απαιτούσε έναν αναγεννητή για κάθε μήκος κύματος. Αντιθέτως ένας οπτικός ενισχυτής μπορεί να ενισχύσει όλα τα μήκη κύματος που μεταδίδονται πάνω σε μία οπτική ίνα ταυτόχρονα χωρίς να χρειάζεται να κάνει μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό και ξανά σε οπτικό. Επιπλέον οι οπτικοί ενισχυτές είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν και για την ενίσχυση της ισχύος του σήματος μετά από διαδικασίες πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας Ενισχυτές ίνας με προσμίξεις Ερβίου (EDFA) Μια ειδική κατηγορία οπτικών ενισχυτών και πιο συχνά χρησιμοποιούμενων είναι οι ενισχυτές ίνας με προσμίξεις Ερβίου (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA). Βασίζεται σε ίνες γυαλιού (SiO2) των οποίων ο πυρήνας έχει νοθευτεί με ιόντα Ερβίου. Το μήκος της ίνας που προσφέρει την ενίσχυση κυμαίνεται από 5 έως 30 μέτρα και η λειτουργία του περιορίζεται στο παράθυρο των 1530 έως 1560 nm και κατά συνέπεια οι ζεύξεις WDM λειτουργούν στο οπτικό παράθυρο των 1550nm. Όταν ένα ασθενές σήμα στα 980nm ή τα 1480nm διοχετευθεί στην νοθευμένη ίνα τότε προκαλείται διέγερση των ατόμων του Ερβίου και απελευθερώνεται ενέργεια υπό μορφή φωτός στα 1550nm η οποία οδηγεί σε μια αμιγώς οπτική ενίσχυση των πολυπλεγμένων οπτικών σημάτων όπως φαίνεται στο σχήμα 2.8. Επιπλέον είναι δυνατόν 24

25 περισσότεροι του ενός ενισχυτές να συνδυαστούν σε σειρά για τη διάδοση του οπτικού σήματος μέσω μίας οπτικής ίνας για χιλιάδες χιλιόμετρα. Σχήμα 2.8: Erbium Doped Fiber Amplifier Μπορούν να αριθμηθούν τρία είδη οπτικών ενισχυτών ίνας με προσμίξεις Ερβίου ανάλογα με τη θέση που βρίσκονται μέσα σε μια WDM ζεύξη (σχήμα 2.9). Διακρίνονται τα εξής είδη EDFAs : In- line amplifier. Ο οπτικός ενισχυτής χρησιμοποιείται ως ενισχυτής γραμμής για την ενίσχυση του σήματος. Τοποθετείται συνήθως ανά 80 με 120 χιλιόμετρα. Post- amplifier/booster amplifier. Ο οπτικός ενισχυτής χρησιμοποιείται ως ενισχυτής ισχύος και τοποθετείται μετά την έξοδο του πολυπλέκτη προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή ενίσχυση του σύνθετου οπτικού σήματος. 25

26 Preamplifier. Ο οπτικός ενισχυτής χρησιμοποιείται ως ενισχυτής ισχύος και τοποθετείται πριν την είσοδο του αποπολυπλέκτη προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή ενίσχυση του οπτικού σήματος για τη διαδικασία της αποπολύπλεξης. Σχήμα 2.9 : Booster amplifier, In- Line amplifier και Preamplifier Οπτικοί Διασυνδέτες Ένας αμιγώς οπτικός διασυνδέτης είναι μια συσκευή μεταγωγής που αποτελείται από Ν εισόδους και Ν εξόδους. Αναλυτικότερα όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.10 ένας οπτικός διασυνδέτης δέχεται σαν είσοδο ένα οπτικό σήμα WDM που αποτελείται από Ν μήκη κύματος σε κάθε μία από τις εισόδους του. Οι αποπολυπλέκτες διαχωρίζουν το οπτικό σήμα στα επιμέρους μήκη κύματος που το απαρτίζουν και το διανέμουν στους W οπτικούς μεταγωγείς. Συνεπώς κάθε οπτικός μεταγωγέας δέχεται σαν είσοδο N σήματα του ίδιου μήκους κύματος. Οι έξοδοι όλων των οπτικών μεταγωγέων στέλνονται στους οπτικούς πολυπλέκτες που συνδυάζουν τα διαφορετικά μήκη κύματος για να φτιάξουν το WDM οπτικό σήμα. Εύκολα γίνεται αντιληπτό ότι ο οπτικός μεταγωγέας πρέπει να βρίσκεται πριν από έναν πολυπλέκτη και να έπεται ενός αποπολυπλέκτη [2]. 26

27 Σχήμα 2.10 : Οπτικός διασυνδέτης με Ν μήκη κύματος ανά οπτική ίνα Οι βασικές λειτουργίες ενός οπτικού διασυνδέτη όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.11 είναι οι εξής [3]: Μεταγωγή οπτικής ίνας (Fiber switching). Η ικανότητα να δρομολογούνται όλα τα μήκη κύματος από μια οπτική ίνα σε μία διαφορετική οπτική ίνα εξόδου. Δρομολόγηση μήκους κύματος (Wavelength switching). Η ικανότητα να δρομολογούνται συγκεκριμένα μήκη κύματος μίας οπτικής ίνας σε πολλαπλές οπτικές ίνες εξόδου. Μετατροπή μήκους κύματος (Wavelength conversion). Η ικανότητα μετατροπής των εισερχόμενων μηκών κύματος σε διαφορετικό μήκος κύματος στην έξοδο. 27

28 Σχήμα 2.11: Λειτουργίες οπτικού διασυνδέτη 2.4 WDM Δικτύωση Στην υποενότητα αυτή παρουσιάζονται τεχνικές με τις οποίες συνδυάζεται η τεχνολογία WDM με αρχιτεκτονικές υψηλότερων επιπέδων ώστε να καταστεί δυνατή η χρήση των μεγάλων ρυθμών μετάδοσης. Τα μοντέλα που θα αναλυθούν φαίνονται στο σχήμα IP ATM SONET/SDH WDM (α) IP SONET/SDH WDM (β) IP WDM (γ) Σχήμα 2.12 :Διαστρωμάτωση (α) IP over ATM over SONET/SDH over WDM, (β) IP over SONET/SDH over WDM και (γ) IP over WDM 28

29 2.4.1 Τεχνολογία SONET/SDH Τα SONET (Synchronous Optical Network) και SDH (Synchronous Digital Hierarchy) είναι πρότυπα πρωτόκολλα μετάδοσης που αναπτύχθηκαν από την ITU(International Telecommunication Union) και την ANSI (American National Standards Institute) που χρησιμοποιήθηκαν στη Βόρειο Αμερική, και στην Ευρώπη και Ιαπωνία αντίστοιχα [5]. Αυτά αναπτύχθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 80 και αποτελούν τα χαρακτηριστικότερα παραδείγματα οπτικών δικτύων πρώτης γενιάς. Τα πρότυπα αυτά ανήκουν στο 1 ο επίπεδο του μοντέλου αναφοράς OSI (φυσικό επίπεδο) και ορίζουν μια ιεραρχία ψηφιακών ρυθμών δεδομένων που επιτρέπουν την πολυπλεξία ροών δεδομένων με διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης [6]. Επιπλέον τα πρότυπα SONET/SDH επιτελούν και άλλες βασικές λειτουργίες όπως τον καθορισμό, τη λειτουργία και την αποκατάσταση των δικτυακών συσκευών. Το βασικό δομικό πλαίσιο του SONET έχει ρυθμό μετάδοσης bit Mb/s και συμβολίζεται ως Synchronous Transport Signal Level 1 (STS- 1), ενώ το βασικό δομικό πλαίσιο του SDH έχει ρυθμό μετάδοσης bit Mb/s και συμβολίζεται ως Synchronous Transport Module Level 1 (STM- 1). Τα STM- 1 και STS- 1 αποτελούν τη βάση για τα διάφορα STS- M και STM- N σήματα που σχηματίζονται σαν ακέραια πολλαπλάσια των βασικών ρυθμών μετάδοσης Mb/s και Mb/s αντίστοιχα (πίνακας 2.13) [7]. Πίνακας 2.13 : SONET/SDH ρυθμοί μετάδοσης 29

30 2.4.2 Τεχνολογία ATM Το ATM (Asynchronous Transfer Mode) είναι ένα πρότυπο που αναπτύχθηκε από την ANSI και ITU και χρησιμοποιείται για την μεταφορά δεδομένων εφαρμογών πραγματικού και μη χρόνου. Το ATM βρίσκεται στο 2 ο επίπεδο του μοντέλου αναφοράς OSI (επίπεδο ζεύξης) και μεταφέρει πακέτα σταθερού μήκους 53 bytes εκ των οποίων τα 5 bytes χρησιμοποιούνται σαν επικεφαλίδα ενώ τα 48 bytes αντιπροσωπεύουν το ωφέλιμο φορτίο (σχήμα 2.14). Τα πακέτα αυτά συνήθως ονομάζονται κελιά (cells). Οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν το ATM ενδέχεται να παρέχουν σταθερές ροές δεδομένων (εφαρμογές φωνής και εικόνας) ή πακέτα μεγάλου και μεταβλητού μήκους (IP εφαρμογές). Σε αυτές τις περιπτώσεις κρίνεται αναγκαία η προσαρμογή των ροών δεδομένων σε ATM πακέτα σταθερού μεγέθους των 53 bytes όπως ορίζεται στο πρότυπο. Για αυτόν το λόγο το ATM περιλαμβάνει στη λειτουργία του τα λεγόμενα επίπεδα προσαρμογής AAL (ATM adaption layers). Αυτά είναι υπεύθυνα για την τροποποίηση των δεδομένων που έρχονται από ανώτερα ή κατώτερα επίπεδα του OSI σε ATM cells. Το ATM παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως η ευελιξία σε εύρος ζώνης και η παροχή ποιότητας υπηρεσιών (QoS). Ένα βασικό μειονέκτημα του ATM είναι η μεγάλη επικεφαλίδα των 5 bytes η οποία εισάγει σημαντική απώλεια εύρους ζώνης. Εικόνα 2.14 : Τυπικό ATM cell IP over ATM over SONET/SDH over WDM Η τεχνική IP over ATM over SONET/SDH over WDM των τεσσάρων επιπέδων (IP- ATM- SONET/SDH- WDM) απεικονίζεται στο σχήμα 2.15 και υλοποιείται ως εξής [4]: 30

31 Κάθε IP πακέτο ενσωματώνεται σε ένα πλαίσιο του επιπέδου AAL- 5 (ATM Adaptation Layer - 5), το οποίο αποτελείται από 8 byte επικεφαλίδας (AAL- 5 header), το IP πακέτο του οποίου το μέγεθος κυμαίνεται από 0 έως 64 Kbytes, το πεδίο padding ώστε το συνολικό μέγεθος του πλαισίου να είναι πολλαπλάσιο των 48 bytes και το πεδίο trailer του AAL- 5 μεγέθους 8 byte. Το αρχικό πλαίσιο που δημιουργήθηκε στο επίπεδο AAL- 5 τεμαχίζεται σε τμήματα των 48 bytes. Το ATM στη συνέχεια παραλαμβάνει τα τμήματα των 48 bytes και προσθέτει μια επικεφαλίδα των 5 bytes δημιουργώντας έτσι τα πλαίσια ATM cells των 53 bytes. Τα ATM cells ενσωματώνονται σε SONET/SDH πλαίσια. Βάσει της τεχνικής αυτής επιτυγχάνονται ρυθμοί μετάδοσης της τάξης των 155Mb/s (STS- 3/STM- 1) και 622 Mb/s (STS- 12/STM- 4). Έπειτα οι transponders αναλαμβάνουν τη μετατροπή της πληροφορίας του πακέτου σε κατάλληλα διαμορφωμένα μήκη κύματος. Τέλος η οπτική πληροφορία πολυπλέκεται και μεταδίδεται από WDM ζεύξεις. Σχήμα 2.15 : Διαστρωμάτωση IP over ATM over SONET/SDH 31

32 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του IP over ATM over SONET/SDH over WDM Η συγκεκριμένη τεχνική παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως οι υψηλές ταχύτητες μετάδοσης και η ταχεία αποκατάσταση του δικτύου λόγω της τεχνολογίας SONET/SDH. Επιπλέον παρέχεται ευελιξία εύρους ζώνης όπως και QoS (quality of service) που οφείλεται στη τεχνολογία ATM. Ένα βασικό μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η μείωση της απόδοσης του δικτύου εξαιτίας της επιπλέον πληροφορίας (overhead) που απαιτείται (εκτιμάται να είναι από 18% έως 25% για τα επίπεδα του ATM και AAL- 5 και 4% για το SONET/SDH). Επιπλέον καθώς η διαστρωμάτωση αυτή αποτελείται από τέσσερα επίπεδα αυξάνεται σημαντικά η πολυπλοκότητα και το κόστος διαχείρισης του δικτύου IP over SONET/SDH over WDM Η μείωση της απόδοσης του δικτύου εξαιτίας της χρήσης του ATM προκάλεσε την ανάπτυξη μιας μεθόδου για απευθείας μεταφορά IP πακέτων πάνω από SONET/SDH πάνω από WDM ζεύξεις, χωρίς δηλαδή τη διαμεσολάβηση του ATM επιπέδου. Η τεχνική IP over SONET/SDH over WDM των τριών επιπέδων (IP- SONET/SDH- WDM) απεικονίζεται στα σχήματα 2.16 και 2.17 και υλοποιείται ως εξής [4]: Τα IP πακέτα ενθυλακώνονται σε PPP (point- to- point protocol) πακέτα [8] τα οποία επιτρέπουν τη μεταφορά πακέτων πρωτοκόλλων ανώτερων επιπέδων(όπως IP πακέτα). Τα πακέτα αυτά πλαισιώνονται σύμφωνα με τον τρόπο που ορίζει το πρωτόκολλο HDLC (High Level Data Link Control) [9]. Έπειτα τα τελευταία ενσωματώνονται σε SONET/SDH πλαίσια. Σε αυτό το σημείο του δικτύου οι transponders αναλαμβάνουν την μετατροπή της πληροφορίας του πακέτου σε κατάλληλα διαμορφωμένα μήκη κύματος. 32

33 Τέλος τα διαμορφωμένα μήκη κύματος πολυπλέκονται οπτικά και μεταδίδονται από WDM ζεύξεις. Σχήμα 2.16 : Διαστρωμάτωση IP over SONET/SDH Σχήμα 2.17 : Διαστρωμάτωση IP over SONET/SDH over WDM Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του IP over SONET/SDH over WDM Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι η αισθητή μείωση της επιπλέον πληροφορίας (overhead) που απαιτείται για τη μεταφορά των δεδομένων (μόλις 2% που χρειάζονται τα PPP και HDLC). Επιπλέον μειώνεται σημαντικά η πολυπλοκότητα και το κόστος του δικτύου. 33

34 Από την άλλη ένα βασικό μειονέκτημα της τεχνικής αυτής αποτελεί το κόστος του SONET/SDH δικτυακού εξοπλισμού σε συνδυασμό με την χρήση των transponders IP over WDM Κατά την τεχνολογία IP over WDM εξαλείφονται πλήρως τα επίπεδα ATM και SONET/SDH (και κατά συνέπεια μειώνεται σημαντικά ο αριθμός των transponders που απαιτούνται [10]) και τα IP πακέτα μεταφέρονται απευθείας πάνω από τις WDM ζεύξεις. Αποτελεί μια δικτυακή υλοποίηση που εξασφαλίζει την ύπαρξη απεριόριστου εύρους ζώνης. Τα IP πακέτα δεδομένων ενθυλακώνονται σε πλαίσια PPP/HDLC, μετατρέπονται απευθείας σε οπτικό σήμα και ακολουθεί η διαδικασία της πολυπλεξίας στο πεδίο του μήκους κύματος όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.18 : Διαστρωμάτωση IP over WDM Σύγκριση IP over WDM και IP over SONET/SDH over WDM Η ενδεχόμενη απαλοιφή του SONET/SDH στρώματος από την διαμόρφωση ενός οπτικού δικτύου θα μπορούσε να προσφέρει μαι σειρά από πλεονεκτήματα όπως : 34

35 Μεγάλη μείωση κόστους και λειτουργίας του δικτύου. Ταχύτερη κλιμάκωση μεγέθους. Χαμηλός βαθμός πολυπλοκότητας του δικτύου εξαιτίας της ύπαρξης μόνο δύο στρωμάτων. Εξάλειψη της επιπλέον πληροφορίας (overhead) που εισήγαγε η χρήση του SONET/SDH. Παύει να υπάρχει ο εξοπλισμός που συνέθετε ένα SONET/SDH σύστημα όπως και η χρήση των transponders. Συνεπώς επιτυγχάνεται σημαντική μείωση της αναγκαιότητας χρήσης των πόρων του δικτύου (σχήμα 2.19). Σχήμα 2.19 : Σύγκριση IP over SONET/SDH over WDM IP over WDM 35

36 3. Οπτικά δίκτυα φιλικά προς το περιβάλλον 3.1 Εισαγωγή Η ραγδαία εξάπλωση του διαδικτύου αποτελεί μια από τις κυριότερες αιτίες της αυξημένης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται είτε από τις συμβατικές μορφές ενέργειας (λιγνίτης, πετρέλαιο και φυσικό αέριο) είτε από τις εναλλακτικές μορφές ενέργειας (πυρηνική ενέργεια και ανανεώσιμες μορφές ενέργειας). Κανένας ενεργειακός πόρος, τόσο οι συμβατικές μορφές όσο και οι εναλλακτικές, δεν είναι απόλυτα φιλικός προς το περιβάλλον. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την ενεργειακή παραγωγή και τη χρήση των πόρων εξαρτώνται από το είδος του ενεργειακού πόρου και την τεχνολογία. Οι τελικοί αέριοι ρύποι από τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας επηρεάζουν τον ατμοσφαιρικό αέρα, τους υδάτινους αποδέκτες και το έδαφος [11]. Με τον όρο αέριοι ρύποι εννοούμε τους ρύπους που επιβαρύνουν με την παρουσία τους την ατμόσφαιρα, αυτοί συνήθως είναι αέρια όπως διοξείδιο του άνθρακα (CO2), μονοξείδιο του άνθρακα (CO), οξείδια του αζώτου (N2O, NO2, N2O5), διοξείδιο του θείου (SO2) και υδρογονάνθρακες (HC). Η παραγωγή των ρύπων οφείλεται στη διεργασία μετατροπής της χημικής ενέργειας των καυσίμων σε θερμική (καύση). Από τα παραπάνω αέρια το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί το υπ αριθμόν ένα αέριο που συμμετέχει με ποσοστό 60% στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και οδηγεί στην υπερθέρμανση του πλανήτη και σε κλιματικές αλλαγές [12]. Η μείωση της κατανάλωση ενέργειας, και κατ επέκταση η μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, των δικτύων επικοινωνιών είναι μια από τις κυριότερες προκλήσεις που θα πρέπει να αντιμετωπίσει στο μέλλον η τεχνολογία. Οι τρέχουσες εξελίξεις του διαδικτύου, αν και περιλαμβάνουν ποικίλες βελτιώσεις όπως αυξημένη χωρητικότητα, ευκολότερη διαχείριση, ισχυρότερη ασφάλεια και ιδιωτικότητα δεν αντιμετωπίζουν ζητήματα που αφορούν στην κατανάλωση ενέργειας. Το διάγραμμα 3.1 παρουσιάζει μια πρόβλεψη της αύξησης της κατανάλωσης ενέργειας των δικτύων επικοινωνιών έως το 2017 [13]. 36

37 Τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότερες ερευνητικές προσπάθειες έχουν ξεκινήσει με στόχο την ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών αρχιτεκτονικών δικτύων και στρατηγικών, έτσι ώστε να μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας του διαδικτύου. Το παρόν κεφάλαιο αναφέρει δυο τεχνικές σχεδιασμού οπτικών δικτύων κορμού με στόχο την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Διάγραμμα 3.1 : Πρόβλεψη παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας των τηλεπικοινωνιακών δικτύων 3.2 Ορισμός Backbone δικτύου Ένα backbone δίκτυο αποτελεί συνήθως τη σπονδυλική στήλη ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου, το οποίο διασυνδέει πολλά υποδίκτυα που μπορεί να εκτείνονται σε εθνικές, ευρωπαϊκές αλλά και διηπειρωτικές αποστάσεις. Ένα τέτοιο δίκτυο μεταφέρει τεράστια ποσά της κυκλοφορίας που συλλέγονται μέσω των περιφερειακών περιοχών του δικτύου. Για αυτό το λόγο ένα τέτοιο δίκτυο πρέπει να είναι εξοπλισμένο με κατάλληλες διεπαφές προς τα δίκτυα πρόσβασης, έτσι ώστε οι χρήστες που χωρίζονται από μεγάλες αποστάσεις να μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους (σχήμα 3.2). Οι οπτικές τεχνολογίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε ένα τέτοιο δίκτυο έτσι ώστε να υποστηρίζονται 37

38 υψηλές ταχύτητες, επεκτασιμότητα, υψηλή χωρητικότητα, λειτουργίες διαχείρισης και ασφάλειας. Σχήμα 3.2 : Backbone δίκτυο 3.3 Τεχνικές μείωσης κατανάλωσης ενέργειας σε Βackbone δίκτυα Επιλεκτική απενεργοποίηση των στοιχείων του δικτύου Μια σημαντική προσέγγιση στην εξοικονόμηση ενέργειας σε οπτικά δίκτυα κορμού (backbone) αποτελείται από την επιλεκτική απενεργοποίηση των αδρανών στοιχείων του δικτύου όταν ο φόρτος είναι μειωμένος, όπως για παράδειγμα κατά τη διάρκεια των νυχτερινών ωρών, διατηρώντας παράλληλα τις ζωτικές λειτουργίες του δικτύου προκειμένου να εξυπηρετηθεί η εναπομένουσα κυκλοφορία. Πολλές φορές ένας δικτυακός κόμβος μπορεί να απενεργοποιηθεί εφόσον δεν χρησιμοποιείται και δεν επηρεάζει τη μεταφορά των δεδομένων. Με την ίδια λογική και οι σύνδεσμοι μεταξύ των κόμβων μπορούν να απενεργοποιούνται όταν δεν υπάρχει κίνηση πάνω σε αυτούς ή όταν η κίνηση βρίσκεται κάτω από ένα προκαθορισμένο όριο. Σε αυτό το σημείο 38

39 αξίζει να σημειωθεί ότι σε πολλές περιπτώσεις η απενεργοποίηση των στοιχείων ενός δικτύου μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση του προκαλώντας αυξημένη συμφόρηση και καθυστερήσεις. Για αυτό το λόγο η απενεργοποίηση ενός δικτυακού στοιχείου πρέπει να γίνεται λαμβάνοντας υπόψη περιορισμούς που αφορούν στην συνδεσιμότητα και στην παροχή ποιότητας υπηρεσιών [14]. Συμπερασματικά ένας κόμβος μπορεί να απενεργοποιηθεί όταν : Δεν χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια μίας μετάδοσης δεδομένων, είτε ως πηγή/προορισμός είτε ως ενδιάμεσος κόμβος μεταφοράς. H κίνηση κυκλοφορίας πέσει κάτω από ένα προκαθορισμένο όριο, επιτρέποντας την υπολειπόμενη κίνηση να δρομολογηθεί από άλλους κόμβους. Μετά από προληπτική αναδρομολόγηση της κίνησης μέσω άλλων κόμβων, χωρίς να επηρεάζεται η υπόλοιπη κυκλοφορία Ενεργειακά αποδοτικός σχεδιασμός δικτύων Ένας άλλος πιθανός τρόπος για να πετύχουμε μείωση κατανάλωσης ενέργειας, με τον οποίο ασχολείται και η παρούσα διπλωματική εργασία, είναι η κατασκευή ενεργειακά αποδοτικότερων δομών κατά τη διάρκεια σχεδιασμού του οπτικού δικτύου [13]. Να δημιουργηθούν δηλαδή αλγόριθμοι που στοχεύουν στην ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών στοιχείων, όπως για παράδειγμα μείωση του αριθμού των δρομολογητών που χρησιμοποιούνται, των ενισχυτών και των transponders. 39

40 4. Περιγραφή ενεργειακά αποδοτικού IP Over WDM backbone δικτύου 4.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας ενός IP Over WDM δικτύου χρησιμοποιώντας μικτό ακέραιο γραμμικό προγραμματισμό (MILP) και δύο διαφορετικές ευρετικές μεθόδους της τεχνικής lightpath bypass, τη Direct Bypass και τη MultiHop Bypass. 4.2 Περιγραφή του IP over WDM δικτύου Το IP Over WDM δίκτυο αποτελείται από δύο επίπεδα [17], το επίπεδο IP και το οπτικό επίπεδο όπως φαίνεται στο σχήμα 4.1. Στο IP επίπεδο ένας κεντρικός δρομολογητής ο οποίος συγκεντρώνει όλη την κίνηση από τους περιφερειακούς δρομολογητές πρόσβασης συνδέεται μέσω κατάλληλων διεπαφών με έναν οπτικό κόμβο μεταγωγής. Στο οπτικό επίπεδο οι οπτικοί κόμβοι μεταγωγής συνδέονται μεταξύ τους με οπτικές ίνες. Όπως είναι φυσικό για κάθε οπτική ίνα του δικτύου υπάρχει ένας ζεύγος από οπτικούς πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες που πολυπλέκουν και αποπολυπλέκτουν τα μήκη κύματος της οπτικής ίνας αντίστοιχα. Ενισχυτές ίνας με προσμίξεις Ερβίου (EDFAs) γραμμής τοποθετούνται ανά 80 χιλιόμετρα πάνω στην ίνα έτσι ώστε το οπτικό σήμα να μπορεί να ταξιδέψει σε μεγάλες αποστάσεις. Επιπλέον σε κάθε οπτική ίνα υπάρχει ένας post- EDFA που τοποθετείται στην έξοδο του πολυπλέκτη και ένας pre- EDFA που τοποθετείται στην είσοδο του αποπολυπλέκτη. Σε κάθε οπτική ίνα μπορούν να πολυπλεχθούν/ αποπολυπλεχθούν το πολύ 16 μήκη κύματος χωρητικότητας 40 Gb/s το κάθε ένα. Τέλος σε κάθε μήκος κύματος αντιστοιχεί ένας ζεύγος από transponders με δυνατότητα πλήρους μετατροπής μήκους κύματος (σχήμα 4.2). 40

41 Σχήμα 4.1 : Αρχιτεκτονική ενός IP Over WDM οπτικού δικτύου Σχήμα 4.2 : Οπτικό επίπεδο του IP Over WDM 4.3 Η έννοια του lightpath Μια ροή δεδομένων μεταδίδεται από έναν κόμβο πηγή σε έναν κόμβο προορισμό χρησιμοποιώντας μία συνεχόμενη διαδρομή που ονομάζεται μονοπάτι φωτός (lightpath) χωρίς να απαιτείται κάποια οπτική- ηλεκτρονική- οπτική μετατροπή ή/και αποθήκευση στους ενδιάμεσους κόμβους. Είναι μία σύνδεση που εγκαθίσταται μεταξύ ενός αρχικού και ενός τελικού κόμβου με σκοπό να μεταφέρει την κίνηση όπως φαίνεται στο σχήμα 4.3. Το κάθε lightpath αποτελείται από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος της οπτικής ίνας και θεωρείται ότι έχει χωρητικότητα μίας μονάδας, που αντιστοιχεί στην χωρητικότητα ενός μήκους κύματος. 41

42 Σχήμα 4.3 : Δίκτυο με εγκατεστημένα μονοπάτια φωτός 4.4 Τοπολογία οπτικού δικτύου Τοπολογία δικτύου ονομάζεται η μορφή της σύνδεσης μεταξύ των κόμβων ενός δικτύου. Η τοπολογία του κάθε δικτύου έχει δύο συνιστώσες, τη φυσική τοπολογία και τη λογική (εικονική) τοπολογία. Φυσική τοπολογία : Στη φυσική τοπολογία περιγράφεται η ακριβής γεωγραφική κατανομή του δικτύου, είναι δηλαδή η γεωμετρική και φυσική διάταξη των καλωδίων και των συσκευών που συνδέονται με το δίκτυο όπως φαίνεται στην εικόνα 4.4 (α). Λογική τοπολογία : Στη λογική τοπολογία περιγράφεται ο τρόπος δρομολόγησης των σημάτων μεταξύ των κόμβων του δικτύου όπως φαίνεται στην εικόνα 4.4 (β). Πολλές φορές μια ροή δεδομένων ενδέχεται να χρειαστεί να δρομολογηθεί μέσω κάποιων ενδιάμεσων κόμβων μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό του, έτσι η εικονική τοπολογία επιβάλλεται πάνω στη φυσική με κατάλληλη ρύθμιση των οπτικών κόμβων μεταγωγής και κάθε φορά που ένα πακέτο διέρχεται ενός 42

43 ενδιάμεσου κόμβου μετατρέπεται σε ηλεκτρονική μορφή και επαναμεταδίδεται. (α) (β) Σχήμα 4.4 : (α) φυσική τοπολογία, (β) λογική τοπολογία 4.5 Τρόποι υλοποίησης IP Over WDM οπτικού δικτύου Τα IP Over WDM μπορούν να υλοποιηθούν με δυο τρόπους, είτε χρησιμοποιώντας lightpath non- bypass είτε χρησιμοποιώντας lightpath bypass Lightpath non- bypass Στην περίπτωση που δεν γίνεται παράκαμψη (lightpath non- bypass) όλα τα μονοπάτια φωτός που προσπίπτουν σε ένα κόμβο του δικτύου πρέπει να τερματίζονται, δηλαδή όλα τα δεδομένα που μεταφέρουν τα μονοπάτια φωτός επεξεργάζονται και προωθούνται από τους ενδιάμεσους IP δρομολογητές (σχήμα 4.5). Σχήμα 4.5 : Lightpath non- bypass 43

44 4.5.2 Lightpath bypass Στην περίπτωση που γίνεται παράκαμψη (lightpath bypass) όλα τα μονοπάτια φωτός που προσπίπτουν σε ένα κόμβο του δικτύου ο οποίος δεν είναι ο κόμβος προορισμού απλά παρακάμπτουν τον ενδιάμεσο κόμβο (τους δρομολογητές) και συνεχίζουν την πορεία τους μέχρι να φτάσουν στον κόμβο προορισμού. Όλα τα δεδομένα που μεταφέρουν τα μονοπάτια φωτός τερματίζονται αποκλειστικά στους κόμβους πηγής και προορισμού και σε κανέναν ενδιάμεσο. Για να είναι δυνατή η επίτευξη της προσέγγισης lightpath bypass θα πρέπει οι οπτικοί κόμβοι μεταγωγής να επιτρέπουν το στάδιο της παράκαμψης. Με αυτόν το τρόπο μειώνονται σημαντικά οι IP δρομολογητές που χρησιμοποιούνται (σχήμα 4.6). Σχήμα 4.6 : Lightpath bypass 4.6 Μοντέλα μείωσης κατανάλωσης ενέργειας σε IP Over WDM δίκτυο Οι προσεγγίσεις που θα μελετηθούν επικεντρώνονται στη μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας που προκύπτει από τα διάφορα στοιχεία του δικτύου, όπως EDFAs, IP δρομολογητές και WDM transponders. Η μέση κατανάλωση ενέργειας κάθε router port είναι στα 1000 W σύμφωνα με την Cisco 8- slot CRS- 1 router data sheets, κάθε WDM transponder καταναλώνει περίπου 73 W σύμφωνα με την Alcatel- Lucent WaveStar OLS 1.6T ultra- long- haul systems [15] και κάθε EDFA καταναλώνει 8 W σύμφωνα με τη Cisco ONS EDFAs [16] όπως φαίνεται και στον πίνακα

45 Average power consumption per IP router port (Er) Power consumption per transponder (Et) Power consumption per EDFA (Ee) 1000 W 73 W 8 W Πίνακας 4.7 : Κατανάλωση ενέργειας δικτυακών στοιχείων που υπολογίζονται Μαθηματικό Μοντέλο βελτιστοποίησης (MILP) Στην υποενότητα αυτή γίνεται μια περιγραφή του μαθηματικού προβλήματος της μείωσης κατανάλωσης ενέργειας. Επιπλέον αναλύονται οι είσοδοι, οι παράμετροι και οι μεταβλητές του προβλήματος. Mixed integer linear programming : Ο μικτός ακέραιος γραμμικός προγραμματισμός χρησιμοποιείται στη μεγιστοποίηση ή στην ελαχιστοποίηση μίας ή περισσότερων αντικειμενικών συναρτήσεων ενός αριθμού μεταβλητών οι τιμές των οποίων ικανοποιούν ένα σύνολο περιορισμών. Οι αντικειμενικές συναρτήσεις όπως και οι περιοριστικές συναρτήσεις είναι γραμμικές και οι μεταβλητές μπορούν να παίρνουν ακέραιες είτε συνεχείς τιμές. Είσοδοι προγράμματος : Η φυσική τοπολογία του προγράμματος G = (N,E), όπου N είναι οι κόμβοι του δικτύου και E οι συνδέσεις μεταξύ των κόμβων. Ένας πίνακας [λ], που αναφέρεται στην κίνηση μεταξύ ενός ζεύγους κόμβων πηγής και προορισμού. Η μέση κίνηση ενός ζεύγους κόμβων μπορεί να πάρει τιμές X, όπου Χ {20,40,60,80,100,120} Gb/s. Ο αριθμός (W) των μηκών κύματος που μπορεί να υποστηρίξει μια οπτική ίνα, όπου W=16. H χωρητικότητα B κάθε μήκους κύματος της οπτικής ίνας, όπου Β = 40 Gb/s. Η μέση κατανάλωση ενέργειας Er των router ports (πίνακας 4.7). H μέση κατανάλωση ενέργειας Et των transponders (πίνακας 4.7). H μέση κατανάλωση ενέργειας Ee των EDFAs (πίνακας 4.7). 45

46 Ο μέγιστος αριθμός των router ports, i, σε κάθε κόμβο i. Αυτός εξαρτάται από τη μέγιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποδοθεί για τον κόμβο i. Παράμετροι και μεταβλητές προγράμματος : Οι μεταβλητές m και n αποτελούν τους κόμβους της φυσικής τοπολογίας Gp στο οπτικό επίπεδο. Οι μεταβλητές i και j αποτελούν τους κόμβους της λογικής τοπολογίας στο IP επίπεδο. Οι μεταβλητές s και d αποτελούν τους κόμβους πηγής και προορισμού της λογικής τοπολογίας. H μεταβλητή S είναι η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών EDFAs, και υπολογίζεται στα 80 χιλιόμετρα. Η παράμετρος Nm αντιστοιχεί στο σύνολο των γειτονικών κόμβων του κόμβου m της φυσικής τοπολογίας Gp. Η παράμετρος Lmn αντιστοιχεί στη φυσική απόσταση μεταξύ δύο κόμβων m και n, και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του αριθμού των EDFAs μιας σύνδεσης. Η παράμετρος Amn αντιστοιχεί στον ακριβή αριθμό των EDFAs μεταξύ δύο κόμβων και υπολογίζεται από τον τύπο Amn = Lmn / S , όπου η παράσταση Lmn / S- 1 στρογγυλοποιείται πάντα στον επόμενο ακέραιο. Η παράμετρος Δi αντιστοιχεί στον αριθμό των ports που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώνουν την κίνηση από τους περιφερειακούς δρομολογητές πρόσβασης στον κόμβο i και υπολογίζεται από τον τύπο ΣdεΝλid / B και στρογγυλοποιείται πάντα στον επόμενο ακέραιο. Η μεταβλητή Cij αντιστοιχεί στον αριθμό των μηκών κύματος μεταξύ των κόμβων i και j της λογικής τοπολογίας. Η μεταβλητή fmn αντιστοιχεί στον αριθμό των οπτικών ινών μεταξύ των κόμβων m και n της φυσικής τοπολογίας. Η μεταβλητή Wmn στον αριθμό των χρησιμοποιούμενων καναλιών (μήκη κύματος) μεταξύ των κόμβων m και n της φυσικής τοπολογίας. 46

47 Η μεταβλητή λsd αντιστοιχεί στην ποσότητα της κίνησης (Gb/s) μεταξύ ενός ζεύγους κόμβων πηγής και προορισμού. Αντικειμενική συνάρτηση Στόχος της αντικειμενικής συνάρτησης [17] είναι η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας τόσο στο IP όσο και στο οπτικό επίπεδο i N Er (Δi + j N,j i Cij ) + m N n Nm Et Wmn+ + m N n Nm Ee Amn fmn Ο όρος i N Er (Δi + j N,j i Cij ) υπολογίζει τη συνολική ενέργεια που καταναλώνεται από τους IP δρομολογητές στο IP επίπεδο, ο όρος m N n Nm Et Wmn και ο όρος m N n Nm Ee Amn fmn χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της κατανάλωσης ενέργειας των transponders και των EDFAs αντίστοιχα στο οπτικό επίπεδο. Περιοριστικές συναρτήσεις j N,j i λij - j N,j i λji = λsd i = s - λsd j = s 0 αλλιώς s,d,i N : s d (1) H περιοριστική συνάρτηση (1) εξασφαλίζει τη διατήρηση της κίνησης στο IP επίπεδο. Πιο αναλυτικά εγγυάται ότι η IP κίνηση μεταξύ ενός ζεύγους δρομολογητών επιτρέπεται να διαχωριστεί και να μεταδοθεί πάνω από πολλαπλά μονοπάτια φωτός. Κάθε μονοπάτι φωτός έχει χωρητικότητα Cij Β Gb/s. s N d N : s d λji Cij Β 47

48 i,j N : i j (2) Η περιοριστική συνάρτηση (2) βεβαιώνει ότι κάθε εικονική σύνδεση (link i- >j) έχει επαρκή χωρητικότητα διαθέσιμη έτσι ώστε να εξυπηρετηθεί όλη η IP κίνησης που διασχίζει το σύνδεσμο (λογική τοπολογία). Ο όρος s N d N : s d λji αναπαριστά τη συνολική ποσότητα IP κίνησης που δρομολογείται από το σύνδεσμο i- j. j N,j i Cij + Δi i i N (3) Ο τρίτος περιορισμός εξασφαλίζει ότι ο αριθμός των ports που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώνουν την κίνηση από τους περιφερειακούς δρομολογητές πρόσβασης στον κόμβο i δεν θα υπερβεί ποτέ ένα ανώτατο όριο, που ενδέχεται να είναι η μέγιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποδοθεί για τον κόμβο i. i N,j i Cij + Δj j j N (4) Ο τέταρτος περιορισμός εξασφαλίζει ότι ο αριθμός των ports που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώνουν την κίνηση από τους περιφερειακούς δρομολογητές πρόσβασης στον κόμβο j δεν θα υπερβεί ποτέ ένα ανώτατο όριο, που ενδέχεται να είναι η μέγιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποδοθεί για τον κόμβο j. n Nm Wmn - n Nm Wnm = 0 αλλιώς i,j,m N : i j (5) Cij m = i - Cij m = j 48

49 Η περιοριστική συνάρτηση (5) εξασφαλίζει τη διατήρηση της κίνησης στο οπτικό επίπεδο, όπως και η περιοριστική (1) για το IP επίπεδο. i N j N : i j Wji Cmn W m N, n Nm (6) Η τελευταία περιοριστική συνάρτηση (6) βεβαιώνει ότι κάθε φυσική σύνδεση (link m- >n) έχει επαρκή χωρητικότητα διαθέσιμη έτσι ώστε να εξυπηρετηθεί όλη η IP κίνησης που διασχίζει το σύνδεσμο (λογική τοπολογία) Υπολογιστική πολυπλοκότητα μικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού Από πλευράς υπολογιστικής πολυπλοκότητας, ο μικτός ακέραιος γραμμικός προγραμματισμός έχει O(N^4) μεταβλητές και O(N^3) περιορισμούς. Γίνεται κατανοητό ότι όταν ο αριθμός των κόμβων του δικτύου (Ν) είναι πολύ μεγάλος αυξάνεται εκθετικά και ο αριθμός των μεταβλητών και των περιορισμών που χρησιμοποιούνται, έτσι το πρόβλημα γίνεται εξαιρετικά δύσκολο να λυθεί εξαιτίας του τεράστιου αριθμού πράξεων που απαιτούνται να γίνουν για την εύρεση της βέλτιστης λύσης. Η αποτελεσματική επίλυση αυτών των προβλημάτων, δηλαδή ο αποδεκτός χρόνος επίλυσης αυτών, απαιτεί τη χρήση προσεγγιστικών αλγορίθμων και μηχανισμών Ευρετικοί μηχανισμοί βασισμένοι σε Lightpath bypass στρατηγικές Heuristics : Προσεγγιστικοί αλγόριθμοι που επιχειρούν την εύρεση του βέλτιστου αποτελέσματος ή τουλάχιστον την εύρεση μίας λύσης που παρουσιάζει μικρή απόκλιση από το βέλτιστο αποτέλεσμα σε αποδεκτό υπολογιστικό χρόνο. 49

50 Direct Bypass Η κεντρική ιδέα της direct παράκαμψης είναι η άμεση δημιουργία εικονικών μονοπατιών φωτός μεταξύ όλων των κόμβων του δικτύου, κάθε κόμβος επικοινωνεί με κάθε άλλον στο δίκτυο εκτός από τον εαυτό του. Η χωρητικότητα των lightpaths πρέπει να είναι επαρκής για να εξυπηρετήσει όλες τις ροές δεδομένων μεταξύ ενός ζεύγους κόμβων, εφόσον βέβαια υπάρχουν αιτήματα κυκλοφορίας μεταξύ τους. Στο οπτικό επίπεδο η δρομολόγηση όλων των lightpaths μεταξύ δυο κόμβων βασίζεται στον αλγόριθμο εύρεσης της συντομότερης διαδρομής. Για παράδειγμα όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.8 ο κόμβος N1 μπορεί να επικοινωνήσει απευθείας με τον κόμβο N2 (Ν1!Ν2) διανύοντας μιας απόσταση 100 χιλιομέτρων, εναλλακτικά μπορεί να επικοινωνήσει με τον κόμβο N2 μέσω των κόμβων Ν3 και Ν4 (Ν1!Ν3!Ν4!Ν2) διανύοντας μια απόσταση 510 χιλιομέτρων. Ο αλγόριθμος εύρεσης συντομότερης διαδρομής είναι υπεύθυνος να επιλέγει την διαδρομή με τη μικρότερη απόσταση μεταξύ των δύο κόμβων, πηγής και προορισμού. Αυτό έχει σαν φυσικό επακόλουθο τη μείωση του αριθμού των transponders και των EDFAs που χρησιμοποιούνται. Το πλεονέκτημα της direct bypass ευρετικής μεθόδου είναι η απλότητα στον σχεδιασμό του αλγορίθμου. Παρ όλα αυτά όμως αντιμετωπίζει ένα σημαντικό μειονέκτημα, ένα ολόκληρο μήκος κύματος χωρητικότητας 40 Gb/s πρέπει να δεσμευτεί για κάθε lightpath της τοπολογίας ανεξάρτητα με το ποσό της κίνησης ενός ζεύγους κόμβων. Για παράδειγμα στο δίκτυο του σχήματος 4.8 η κίνηση μεταξύ των κόμβων Ν1- Ν2 είναι 1 Gb/s αλλά και πάλι ένα lightpath μήκους κύματος 40 Gb/s πρέπει να εγκατασταθεί για να επιτευχθεί η σύνδεση μεταξύ των Ν1 και Ν2, με αποτέλεσμα μόνο το 2.5% της σύνδεσης να χρησιμοποιείται και τα 39 Gb/s της μετάδοσης να μένουν αναξιοποίητα. 50

51 Σχήμα 4.8 : Δίκτυο αποτελούμενο από 4 κόμβους MultiHop Bypass Η MultiHop bypass μέθοδος είναι η δεύτερη ευρετική μέθοδος που εξετάζεται και έρχεται να επιλύσει το μειονέκτημα της σπατάλης της χωρητικότητας που αντιμετωπίζει η direct bypass ευρετική μέθοδος. Όπως και στη direct bypass μέθοδο έτσι και στη MultiHop bypass δημιουργούνται μονοπάτια φωτός μεταξύ όλων των κόμβων του δικτύου, η χωρητικότητα των οποίων πρέπει να επαρκεί έτσι ώστε να εξυπηρετηθούν όλες οι ροές δεδομένων μεταξύ των κόμβων. Επιπλέον η δρομολόγηση των lightpaths γίνεται και σε αυτή τη περίπτωση βασιζόμενη στον αλγόριθμο εύρεσης συντομότερης διαδρομής. Η MultiHop bypass προσέγγιση επιλύει το πρόβλημα της σπατάλης της χωρητικότητας της direct bypass προσέγγισης επιτρέποντας σε διαφορετικά ζεύγη κόμβων να μοιράζονται ένα κοινό μονοπάτι φωτός με μοναδικό περιορισμό να μην υπερβαίνεται η μέγιστη χωρητικότητα του μήκους κύματος που είναι τα 40 Gb/s. Έτσι βελτιώνεται η χρησιμοποίηση της χωρητικότητας του μέσου. Η προσέγγιση αυτή απαιτεί την εγκαθίδρυση λιγότερων lightpaths και συνεπώς μικρότερη κατανάλωση ενέργειας, αφού χρησιμοποιείται μικρότερος αριθμός IP router ports. Για παράδειγμα στην τοπολογία του σχήματος 4.8 η απαίτηση κυκλοφορίας για το ζεύγος κόμβων Ν1!Ν4 (N1!N2!N4) είναι 15 Gb/s, για το ζεύγος κόμβων Ν1!Ν2 είναι 20 Gb/s και για το ζεύγος κόμβων Ν2!Ν4 είναι 18 Gb/s. Στην περίπτωση της direct bypass μεθόδου τρία ξεχωριστά lightpaths light1, light2 και light3 (σχήμα 4.9) θα πρέπει να εγκατασταθούν για να εξυπηρετήσουν τις ροές κίνησης για τα ζεύγη 51

52 κόμβων Ν1!Ν4, Ν1!Ν2 και Ν2!Ν4 αντίστοιχα. Αντιθέτως, αν εφαρμοστεί η MultiHop bypass μέθοδος η ροή της κίνησης για το light1 μπορεί να μεταφερθεί από το light2 και light3, συνεπώς μόνο δυο lightpaths των 35 Gb/s και 32 Gb/s αντίστοιχα πρέπει να εγκατασταθούν όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.9 : Εγκαθίδρυση lightpaths χρησιμοποιώντας direct bypass προσέγγιση Σχήμα 4.10 : Εγκαθίδρυση lightpaths χρησιμοποιώντας MultiHop bypass προσέγγιση 52

53 5. Υπολογιστική υλοποίηση μεθόδων σε γλώσσα προγραμματισμού Java 5.1 Εισαγωγή Για την προγραμματιστική προσέγγιση των τριών μεθόδων Νon bypass, Direct bypass και MultiHop bypass, επιλέχθηκε η γλώσσα προγραμματισμού υψηλού επιπέδου Java και σαν περιβάλλον εκτέλεσης χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο Netbeans IDE 7.3 [18], το οποίο παρέχει ένα πλήρες περιβάλλον ανάπτυξης εφαρμογών (IDE : Integrated Development Environment) και παρέχει στο προγραμματιστή μια σειρά βοηθημάτων τα οποία κάνουν ευκολότερη και αποδοτικότερη την ανάπτυξη των εφαρμογών. Στη παρούσα διπλωματική εργασία υπολογίζεται η ενέργεια που καταναλώνεται σε τρία διαφορετικού μεγέθους δίκτυα όταν χρησιμοποιούνται οι μέθοδοι Non bypass, Direct bypass και MultiHop bypass. Προγραμματιστικά η συγγραφή του κώδικα και για τις τρεις μεθόδους/προγράμματα έγινε εξ ολοκλήρου από την αρχή (περίπου 880 γραμμές κώδικα για τη Non bypass προσέγγιση, 740 γραμμές κώδικα για τη Direct bypass προσέγγιση και 1080 γραμμές κώδικα για τη MultiHop bypass προσέγγιση) και έχουν χρησιμοποιηθεί μια πληθώρα εκ των δυνατοτήτων της γλώσσας Java, η οποία είναι μια γλώσσα προσανατολισμένη στη χρήση αντικειμένων (object- oriented) [19]. 5.2 Εξεταζόμενα δίκτυα Οι τρεις μέθοδοι Non, Direct και MultiHop bypass εφαρμόστηκαν πάνω σε τρία διαφορετικού μεγέθους δίκτυα. Το πρώτο δίκτυο (n6s8) αποτελείται από 6 κόμβους και 8 συνδέσεις/ακμές όπως φαίνεται στην σχήμα 5.1 (α), το δεύτερο δίκτυο είναι το National Science Foundation Network [20] (NSFNET) που αποτελείται από 14 κόμβους και 21 συνδέσεις/ακμές όπως φαίνεται στην σχήμα 5.1 (β) και τέλος το τρίτο δίκτυο (USNET) είναι το IP δίκτυο κορμού των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής που αποτελείται από 24 κόμβους και 43 53

54 συνδέσεις/ακμές όπως φαίνεται στην σχήμα 5.1 (γ). Επιπλέον στα δίκτυα της εικόνας 5.1 αναγράφονται οι χιλιομετρικές αποστάσεις μεταξύ δυο γειτονικών κόμβων. (α) (β) (γ) Σχήμα 5.1 : Εξεταζόμενα δίκτυα (α) n6s8, (β) NSFNET και (γ) USNET 5.3 Περιγραφή κοινών κλάσεων προγραμμάτων Ο κώδικας της διπλωματικής εργασίας έχει αντικειμενοστραφή χαρακτήρα και περιλαμβάνει συνολικά 13 κλάσεις. Για το πρόγραμμα non- bypass δημιουργήθηκαν 4 κλάσεις, το direct- bypass αποτελείται επίσης από 4 54

55 κλάσεις και τέλος το MultiHop- bypass περιλαμβάνει 5 κλάσεις. Από όλες αυτές οι δυο κλάσεις κάθε προγράμματος, Topology (σχήμα 5.2) και Traffic (σχήμα 5.3) είναι κοινές. Σχήμα 5.2 : Η κλάση Topology Σχήμα 5.3 : Η κλάση Traffic Topology Η κλάση topology περιλαμβάνει συναρτήσεις που αφορούν στη δημιουργία ενός μη κατευθυνόμενου γράφου [21], ο οποίος θα απεικονίζει έναν εκ των τριών εξεταζόμενων δικτύων που αναφέρθηκαν στην υποενότητα 5.2 του παρόντος κεφαλαίου. Επιπλέον η κλάση topology περιλαμβάνει και μια δημόσια εσωτερική κλάση η οποία αναπαριστά τις ακμές μεταξύ των κόμβων. Όπως φαίνεται στο παρακάτω τμήμα κώδικα 1, οι ιδιωτικές μεταβλητές node1 και node2 αποτελούν δυο γειτονικούς κόμβους του γράφου οι οποίοι 55

56 συνδέονται μεταξύ με μια ακμή βάρους weight, όπου η μεταβλητή weight αντιπροσωπεύει τη χιλιομετρική απόσταση μεταξύ δυο γειτονικών κόμβων. public static class Edge { private int node1; private int node2; private double weight; public Edge(int node1, int node2, double weight) { this.node1 = node1; this.node2 = node2; this.weight = weight; } public double getweight() { } return weight; public int getnode2() { } return node2; public int getnode1() { return node1; } } Τμήμα κώδικα 1 : Εσωτερική κλάση που αναπαριστά τις ακμές του γράφου (κλάση Topology) Αναλυτικότερα η κλάση Topology αποτελείται συνολικά από έντεκα συναρτήσεις, μια εκ των οποίων είναι η κατασκευάστρια μεθοδος, και είναι οι εξής : Topology : Πρόκειται για την κατασκευάστρια μέθοδο της κλάσης topology, και είναι υπεύθυνη για την κατασκευή του αντικειμένου Topology. 56

57 addedge : Η συνάρτηση αυτή δεν έχει κάποιο επιστρεφόμενο τύπο και είναι υπεύθυνη να συνδέει αμφίδρομα δυο γειτονικούς κόμβους του γράφου node1 και node2 τοποθετώντας μια ακμή βάρους weight, ανάλογα με τη τοπολογία του δικτύου. edges[node1].add(new Topology.Edge(node1, node2, weight)); edges[node2].add(new Topology.Edge(node2, node1, weight)); getweightofn1n2 : Ο επιστρεφόμενος τύπος της συνάρτησης είναι ένας δεκαδικός αριθμός που αντιπροσωπεύει τη χιλιομετρική απόσταση μεταξύ δυο γειτονικών κόμβων node1 και node2, αν αυτοί οι δυο κόμβοι είναι γείτονες, αλλιώς επιστρέφει 0. hasedge : Η συνάρτηση αυτή επιστρέφει μια Boolean τιμή true αν ο κόμβος node1 είναι γειτονικός του node2, ή false αν δεν είναι. if (getweightofn1n2(node1, node2) == 0) return false; else return true; getincidentedge : H συνάρτηση αυτή δεδομένου ενός κόμβου n επιστρέφει μια λίστα με όλους τους γειτονικούς του. return edges[n]; haspath : Η συνάρτηση αυτή δεδομένου ενός πίνακα από κόμβους, επιστρέφει Boolean τιμή true, αν υπάρχει μονοπάτι μεταξύ των κόμβων, αλλιώς false. totalweight : Αυτή η συνάρτηση δεδομένου ενός πίνακα από κόμβους επιστρέφει το συνολικό βάρος, δηλαδή την συνολική απόσταση από τον πρώτο κόμβο του πίνακα μέχρι τον τελευταίο, εφόσον βέβαια το μονοπάτι υπάρχει. findpaths : Πρόκειται για μια από τις σημαντικότερες συναρτήσεις των προγραμμάτων, είναι αναδρομική [23] και στόχος της είναι η εύρεση 57

58 όλων των δυνατών μονοπατιών δεδομένου ενός κόμβου πηγής και ενός κόμβου προορισμού, εφόσον οι δυο αυτοί κόμβοι δεν ταυτίζονται. pritnpaths : H συνάρτηση αυτή καλείται μέσω της συνάρτησης findpaths δεν έχει κάποια επιστρεφόμενη τιμή και είναι υπεύθυνη για την εκτύπωση όλων των δυνατών μονοπατιών μεταξύ ενός κόμβου πηγής και ενός κόμβου προορισμού. Έξοδος αναδρομικής συνάρτησης findpaths(0,1), με κόμβο πηγή 0 και κόμβο προορισμό rightpath : Αυτή η συνάρτηση επιστρέφει την συντομότερη διαδρομή μεταξύ ενός κόμβου πηγής και ενός κόμβου προορισμού. 0 1 path weighted : path weighted : path weighted : path weighted : tostring : Η κλήση αυτής της συνάρτησης επιστρέφει την γραφική αναπαράσταση του δικτύου. Γραφική αναπαράσταση δικτύου n6s8 Graph: from 0 to: [ 1 weight: weight: 368.0] from 1 to: [ 0 weight: weight: weight: 592.0] from 2 to: [ 0 weight: weight: weight: 632.0] from 3 to: [ 1 weight: weight: weight: 384.0] from 4 to: [ 2 weight: weight: weight: 336.0] from 5 to: [ 3 weight: weight: 336.0] 58

59 Γραφική αναπαράσταση δικτύου NSFNET Graph: from 0 to: [ 1 weight: weight: weight: 324.0] from 1 to: [ 0 weight: weight: weight: 868.0] from 2 to: [ 0 weight: weight: weight: 416.0] from 3 to: [ 0 weight: weight: weight: ] from 4 to: [ 3 weight: weight: weight: 292.0] from 5 to: [ 2 weight: weight: weight: weight: ] from 6 to: [ 4 weight: weight: 212.0] from 7 to: [ 1 weight: weight: weight: 224.0] from 8 to: [ 7 weight: weight: weight: weight: 668.0] from 9 to: [ 5 weight: weight: 752.0] from 10 to: [ 3 weight: weight: weight: 684.0] from 11 to: [ 8 weight: weight: weight: 664.0] from 12 to: [ 5 weight: weight: weight: 352.0] from 13 to: [ 8 weight: weight: weight: 352.0] Γραφική αναπαράσταση δικτύου USNET Graph: from 0 to: [ 1 weight: weight: 364.0] from 1 to: [ 0 weight: weight: weight: 360.0] from 2 to: [ 1 weight: weight: weight: weight: 304.0] from 3 to: [ 2 weight: weight: weight: 280.0] from 4 to: [ 2 weight: weight: weight: 368.0] from 5 to: [ 0 weight: weight: weight: weight: weight: 572.0] from 6 to: [ 2 weight: weight: weight: weight: weight: 328.0] from 7 to: [ 4 weight: weight: weight: 272.0] from 8 to: [ 5 weight: weight: weight: weight: weight: 320.0] from 9 to: [ 7 weight: weight: weight: weight: 286.0] from 10 to: [ 5 weight: weight: weight: weight: weight: 648.0] from 11 to: [ 8 weight: weight: weight: weight: 280.0] from 12 to: [ 9 weight: weight: weight: weight: 332.0] from 13 to: [ 9 weight: weight: weight: 388.0] from 14 to: [ 10 weight: weight: weight: 272.0] from 15 to: [ 11 weight: weight: weight: weight: weight: 272.0] from 16 to: [ 12 weight: weight: weight: weight: weight: 416.0] from 17 to: [ 13 weight: weight: weight: 280.0] from 18 to: [ 10 weight: weight: 188.0] from 19 to: [ 14 weight: weight: weight: 216.0] from 20 to: [ 15 weight: weight: weight: 164.0] from 21 to: [ 15 weight: weight: weight: weight: 260.0] from 22 to: [ 16 weight: weight: weight: 180.0] from 23 to: [ 17 weight: weight: 180.0] 59

60 Traffic Η κλάση traffic περιλαμβάνει δυο συναρτήσεις και είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία κίνησης μεταξύ των κόμβων- ζεύγη του δικτύου. Αναλυτικότερα οι συναρτήσεις : Traffic : Πρόκειται για την κατασκευάστρια μέθοδο και αναλαμβάνει τη δημιουργία του δικτύου, δηλαδή κατασκευάζει το αντικείμενο Topology, ανάλογα με το μέγεθος του δικτύου. Για το δίκτυο n6s8 το μέγεθος δικτύου είναι 6 (6 κόμβοι), για το δίκτυο NSFNET το μέγεθος είναι 14 (14 κόμβοι) και για το φίκτυο USNET το μέγεθος είναι 24 (24 κόμβοι). Ενδεικτικά φαίνεται παρακάτω η δημιουργία του n6s8 δικτύου. Topology object = new Topology(6); object.addedge(0, 1, 324); object.addedge(0, 2, 368); object.addedge(1, 2, 432); object.addedge(1, 3, 592); object.addedge(2, 4, 632); object.addedge(3, 4, 464); object.addedge(3, 5, 384); object.addedge(4, 5, 336); CreateNodePairs : Η συνάρτηση αυτή έχει διπλή λειτουργία, α) αναλαμβάνει τη δημιουργία όλων των δυνατών ζευγών μεταξύ των κόμβων, έπειτα καλούνται με τη σειρά οι συναρτήσεις findpaths() και rightpath() της κλάσης Topology έτσι ώστε να βρεθεί η συντομότερη διαδρομή μεταξύ του κάθε ζεύγους και β) δημιουργεί τον πίνακα τυχαίας κίνησης (traffic matrix) μεταξύ των σωστών πλέον ζευγών με τη βοήθεια της συνάρτησης Math.random(), η οποία δίνει τυχαίους δεκαδικούς αριθμούς εύρους [10, 2Χ- 10]Gb/s, όπου Χ είναι ο μέσος όρος κίνησης και μπορεί να πάρει τις τιμές 20, 40, 60, 80, 100 και 120 Gb/s. Τέλος η συνάρτηση επιστρέφει μια δομή δεδομένων TreeMap, που περιλαμβάνει 60

61 όλα τα σωστά ζεύγη της τοπολογίας του δικτύου και την τυχαία κίνηση του κάθε ζεύγους. Σύνταξη της συνάρτησης Math.random() double randomnum = (Math.random()*(2 * X - 10)); Η συνάρτηση για το δίκτυο n6s8 δημιουργεί τα εξής ζευγάρια κόμβων : 0-1,0-2,0-3,0-4,0-5 / 1-0,1-2,1-3,1-4,1-5 / 2-0,2-1,2-3,2-4,2-5 / 3-0,3-1,3-2,3-4,3-5 / 4-0,4-1,4-2,4-3,4-5 / 5-0,5-1,5-2,5-3,5-4 Η συνάρτηση για το δίκτυο n6s8 και μέσο όρο κίνησης 20 Gb/s δημιουργεί τον εξής πίνακα τυχαίας κίνησης, η κίνηση είναι ένας δεκαδικός αριθμός που αντιπροσωπεύει τα Gb/s ανά ζεύγος (στον πίνακα 5.4 φαίνονται τα έξι πρώτα δεκαδικά ψηφία): Πίνακας 5.4 : Κίνηση μεταξύ των κόμβων στα 20 Gb/s για το δίκτυο n6s8 Έξοδος της CreateNodePairs() συνάρτησης : Traffic Demands (descending order) { =[4, 3], =[2, 4, 5], =[4, 2, 0], =[2, 1], =[3, 4], =[0, 1, 3, 5], =[2, 1, 3], =[3, 1], =[5, 3, 1, 0], =[1, 3, 5], =[2, 4], =[1, 3], =[4, 3, 1], =[1, 3, 4], =[1, 2], =[5, 4, 2], =[2, 0], =[3, 1, 2], =[0, 2, 4], =[5, 3], =[3, 5], =[0, 1, 3], =[3, 1, 0], =[1, 0], 61

62 =[5, 4], =[5, 3, 1], =[0, 1], =[4, 5], =[4, 2], =[0, 2]} 5.4 Υλοποίηση Non- bypass Περιγραφή κλάσεων Το πρόγραμμα Non bypass αποτελείται από τέσσερις κλάσεις, την Topology_non, την Traffic_non, την Non- bypass και την Run_non όπως φαίνεται και στο UML διάγραμμα [22] της εικόνας 5.5. Οι κλάσεις Topology_non και Traffic_non είναι όμοιες με τις κλάσεις Topology και Traffic που αναλύθηκαν στην υποενότητα 5.3 του κεφαλαίου. 62

63 Σχήμα 5.5 : UML διάγραμμα του προγράμματος non- bypass Non_bypass Η κλάση Non_bypass περιέχει μια σειρά συναρτήσεων που είναι υπεύθυνες για την ανάθεση μονοπατιών φωτός σε κάθε ζεύγος της τοπολογίας του δικτύου, εκτελεί ενέργειες επαναχρησιμοποίησης των μονοπατιών φωτός και τέλος υπολογίζει τη συνολική ενέργεια που καταναλώνεται σε ένα δίκτυο εξαιτίας των δρομολογητών, των transponders και των EDFAs. Αναλυτικότερα αποτελείται από πέντε συναρτήσεις : 63

64 LightpathAssignment : Η συνάρτηση αυτή αναθέτει ένα lightpath ή αλλιώς ένα μήκος κύματος σε κάθε ζεύγος κόμβων της τοπολογίας του δικτύου. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως στα χαρακτηριστικά του IP over WDM δικτύου που εξετάζεται κάθε μήκος κύματος έχει χωρητικότητα 40 Gb/s. Η ανάθεση των μονοπατιών φωτός γίνεται με βάση τον πίνακα της κίνησης, δηλαδή όταν η μέση κίνηση των ζευγών- κόμβων είναι στα 20 Gb/s, σε κάθε ζεύγος θα ανατίθεται ένα lightpath, αφού κανένας ζεύγος του δικτύου δεν θα ξεπερνάει τα 40 Gb/s και συνεπώς ο συνολικός αριθμός των lightpaths θα είναι 30, 182 και 552 για το n6s8, το NSFNET και το USNET αντίστοιχα, όταν όμως η μέση κίνηση είναι μεγαλύτερη των 20 Gb/s (40, 60, 80, 100 ή 120) σε κάθε ζεύγος κόμβων ενδέχεται να ανατίθεται παραπάνω του ενός lightpath, όπως φαίνεται στο παράδειγμα παρακάτω, όπου για το ζεύγος 5-0 η συνάρτηση Math.random() απέδωσε την τιμή = [5, 3, 1, 0] 40.0 = [5,3,1,0] = [5, 3, 1, 0] lightpath 0 lightpath 1 Η συνάρτηση τελικά επιστρέφει μια δομή δεδομένων TreeMap που περιλαμβάνει όλα τα ζεύγη κόμβων και το lightpath που αντιστοιχεί σε κάθε ένα από αυτούς. Κλήση συνάρτησης LightpathAssignment για το δίκτυο n6s8 και μέση κίνηση 40 Gb/s : [0=[2, 0], 1=[2, 0], 2=[2, 4], 3=[2, 4], 4=[1, 2], 5=[1, 2], 6=[4, 3, 1], 7=[4, 3, 1], 8=[5, 4], 9=[5, 4], 10=[2, 1, 3], 11=[2, 1, 3], 12=[5, 3, 1], 13=[5, 3, 1], 14=[2, 4, 5], 15=[2, 4, 5], 16=[1, 3], 17=[1, 3], 18=[5, 3, 1, 0], 19=[5, 3, 1, 0], 20=[0, 2, 4], 21=[0, 2, 4], 22=[1, 0], 23=[1, 0], 24=[3, 1], 25=[3, 1], 26=[0, 2], 27=[0, 2], 28=[4, 2], 29=[4, 2], 30=[3, 1, 2], 31=[3, 1, 2], 32=[3, 5], 33=[3, 5], 34=[2, 1], 35=[2, 1], 36=[5, 4, 2], 37=[5, 4, 2], 38=[0, 1], 64

65 39=[0, 1], 40=[1, 3, 5], 41=[4, 3], 42=[0, 1, 3], 43=[0, 1, 3, 5], 44=[3, 4], 45=[1, 3, 4], 46=[4, 5], 47=[4, 2, 0], 48=[5, 3], 49=[3, 1, 0]] LightPerEdge : Αυτή η συνάρτηση επιστρέφει έναν πίνακα με το συνολικό αριθμό των μηκών κύματος που υπάρχουν σε κάθε ακμή. Ο πίνακας που δημιουργείται χρησιμοποιείται αργότερα για τον υπολογισμό των transponders και τον αριθμό των οπτικών ινών που χρησιμοποιούνται σε κάθε ακμή της τοπολογίας. Η λειτουργία της συνάρτησης παρουσιάζεται στο τμήμα κώδικα 2 παρακάτω. Οι δυο πρώτες επαναλήψεις (for) στις γραμμές 106 και 107 δημιουργούν τα ζευγάρια των κόμβων προς εξέταση, δηλαδή 0-1,0-2,0-3 και ούτω καθεξής, το κάθε ζεύγος που δημιουργείται τοποθετείται σε μια προσωρινή λίστα (γραμμές 109 και 110). Έπειτα για κάθε υποσύνολο (γραμμή 113) του κάθε lightpath (γραμμή 111) που έχει επιστρέψει η συνάρτηση LightpathAssignment εξετάζεται αν αυτό το υποσύνολο είναι ίσο με τους αποθηκευμένους κόμβους της προσωρινής λίστας (γραμμή 114), αν υπάρχει ευστοχία τότε η τιμή του πίνακα στη θέση i,j (γραμμή 106 και 107) αυξάνεται κατά ένα, διαφορετικά παραμένει η τιμή που προυπήρχε. Τμήμα κώδικα 2 : Υλοποίηση συνάρτησης LightPerEdge() Οι τιμές του πίνακα για το δίκτυο n6s8 όταν η μέση κίνηση είναι 20 Gb/s : 65

66 Με τα εξής lightpaths : [0=[3, 4], 1=[1, 3, 4], 2=[4, 3], 3=[4, 5], 4=[1, 0], 5=[0, 2], 6=[3, 1, 2], 7=[5, 4, 2], 8=[2, 1, 3], 9=[4, 3, 1], 10=[5, 4], 11=[5, 3, 1, 0], 12=[4, 2, 0], 13=[2, 4], 14=[1, 3], 15=[5, 3], 16=[0, 1, 3], 17=[0, 2, 4], 18=[2, 1], 19=[1, 2], 20=[3, 1, 0], 21=[5, 3, 1], 22=[3, 1], 23=[3, 5], 24=[1, 3, 5], 25=[0, 1], 26=[2, 0], 27=[4, 2], 28=[2, 4, 5], 29=[0, 1, 3, 5]] Reuse : Η συνάρτηση αυτή ελέγχει αν υπάρχει δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης κάποιου lightpath. Επιστρέφει ένα νέο πίνακα με τις τελικές τιμές του αριθμού των μηκών κύματος που μπορεί να υπάρχουν σε κάθε ακμή της τοπολογίας. Ας πάρουμε για παράδειγμα τα ζεύγη [0,1] με κίνηση 16.3 Gb/s, [0,1,3] με κίνηση 12.8 Gb/s και [1-3] με κίνηση 20.0 Gb/s. Αν δεν λάβουμε υπόψη μας την επαναχρησιμοποίηση κάποιου lightpath, το πρόγραμμα θα μας επέστρεφε για αυτά τα τρία ζεύγη- κόμβων τρία διαφορετικά lightpaths και έναν πίνακα ακμών σαν αυτόν που φαίνεται στην εικόνα 5.6 (α), με την εισαγωγή της συνάρτησης της επαναχρησιμοποίησης το ζεύγος [0-3] μέσω του κόμβου 1 μπορεί να δρομολογηθεί χρησιμοποιώντας το μονοπάτι φωτός του [0,1] και το μονοπάτι φωτός [1,3], θέτοντας τη νέα κίνηση μεταξύ αυτών των δυο ζευγών- κόμβων στα 29.1 Gb/s και 32.8 Gb/s αντίστοιχα, επιστρέφοντας έναν πίνακα ακμών όπως αυτόν της εικόνας 5.6 (β). 66

67 (α) (β) Σχήμα 5.6 : Αριθμός μηκών κύματος ανά ακμή δικτύου (α) χωρίς επαναχρησιμοποίηση (β) με επαναχρησιμοποίηση Energy : Στη συνάρτηση αυτή υπολογίζεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας εξαιτίας του δικτυακού εξοπλισμού στο δίκτυο προς εξέταση. o Eνέργεια που οφείλεται στους ενισχυτές (EDFAs) του δικτύου και υπολογίζεται από τη μαθηματική σχέση m N n Nm Ee Amn fmn. Στο τμήμα κώδικα 3 φαίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους EDFAs στο δίκτυο. Στη γραμμή 428 εξετάζονται με τη σειρά όλοι οι κόμβοι του δικτύου, για κάθε κόμβο m(i) του δικτύου όπως ακριβώς φαίνεται και από τον τύπο, εξετάζουμε και κάθε γειτονικό του κόμβο n(j). Για κάθε ζεύγος, δηλαδή κάθε ακμή αφού μιλάμε για γειτονικούς κόμβους, προσθέτουμε τις τιμές του πίνακα που έχει υπολογίσει η συνάρτηση reuse στις θέσεις i- j και j- i και υπολογίζουμε τα συνολικά μήκη κύματος που βρίσκονται σε αυτήν την ακμή, έτσι ώστε να καταστεί δυνατός ο υπολογισμός του αριθμού των οπτικών ινών (fmn) που χρειάζονται, διότι αν τα μήκη κύματος είναι παραπάνω από 16 χρειάζεται να τοποθετηθεί 67

68 στην τοπολογία και δεύτερη οπτική ίνα για αυτή την ακμή (γραμμές 435 έως 441). Στη γραμμή 443 υπολογίζεται το Amn fmn το οποίο πολλαπλασιάζεται με τα 8 Watt στη γραμμή 445, που δίνει την συνολική κατανάλωση ενέργειας των EDFAs. Τμήμα κώδικα 3 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των ενισχυτών (Non- bypass) o Ενέργεια που οφείλεται στους transponders και υπολογίζεται από την μαθηματική σχέση m N n Nm Et Wmn. Στο τμήμα κώδικα 4 δίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους transponders στο δίκτυο. Στη γραμμή 406 εξετάζονται με τη σειρά όλοι οι κόμβοι του δικτύου, για κάθε κόμβο m(i) του δικτύου όπως ακριβώς φαίνεται και από τον τύπο, εξετάζουμε και κάθε γειτονικό του κόμβο n(j). Για κάθε ζεύγος, δηλαδή κάθε ακμή αφού μιλάμε για γειτονικούς κόμβους, παίρνουμε τη τιμή του πίνακα που έχει υπολογίσει η συνάρτηση reuse στη θέση i- j, και αντιστοιχεί στον αριθμό των χρησιμοποιούμενων καναλιών μεταξύ των κόμβων m και n της φυσικής τοπολογίας και πολλαπλασιάζουμε με την τιμή 73, που αντιστοιχούν στην ενέργεια σε Watt που καταναλώνει ο κάθε transponder. 68

69 Τμήμα κώδικα 4 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των transponders(non- bypass) o Ενέργεια που οφείλεται στους δρομολογητές του δικτύου και υπολογίζεται από την μαθηματική σχέση i N Er (Δi + j N,j i Cij ). Στο τμήμα κώδικα 5 δίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους δρομολογητές στο δίκτυο. Η πρώτη for στη γραμμή 370 αναφέρεται στο πρώτο άθροισμα του μαθηματικού τύπου ενώ οι άλλες δυο στις γραμμές 371 και 378 αναφέρονται στο εσωτερικό άθροισμα του τύπου (Δi + j N,j i Cij ). Στις γραμμές 371 έως 375 υπολογίζεται η παράμετρος Δi, η οποία αντιστοιχεί στον αριθμό των ports που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώνουν την κίνηση από τους περιφερειακούς δρομολογητές πρόσβασης στον κόμβο i, υπολογίζεται από τον τύπο ΣdεΝλid / B και στρογγυλοποιείται πάντα στον επόμενο ακέραιο όπως φαίνεται και στη γραμμή 376 με χρήση της συναρτησης Math.ceil(). Ο πίνακας matrix αναφέρεται στο πίνακα traffic matrix που αναλύσαμε παραπάνω στη κλάση Traffic και περιέχει όλα τα ποσά κίνησης μεταξύ των κόμβων i και j. Η δεύτερη εσωτερική for στις γραμμές 378 έως 385 υπολογίζει το j N,j i Cij του τύπου, αφού πρώτα ελέγξει ότι το i είναι διαφορετικό του j. To Cij αναφέρεται στα μήκη κύματος/κανάλια που χρησιμοποιούνται από ένα ζεύγος κόμβων (i,j) στην εικονική τοπολογία. Τέλος πολλαπλασιάζονται τα δυο εσωτερικά αθροίσματα με 1000 Watt που είναι η κατανάλωση ενέργειας ανά IP router port, και αυτό επαναλαμβάνεται μέχρι να διασχιστούν όλοι οι κόμβοι του δικτύου. 69

70 Τμήμα κώδικα 5 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των δρομολογητών (Non- bypass) " Σημείωση : Συγκεκριμένα για τη Non- bypass προσέγγιση, που όλα τα μονοπάτια φωτός που προσπίπτουν σε έναν ενδιάμεσο κόμβο του δικτύου πρέπει να τερματίζονται έτσι ώστε να επεξεργαστούν και να προωθηθούν στη συνέχεια από τους ενδιάμεσους IP δρομολογητές, το Cij αναφέρεται στον αριθμό των καναλιών που ξεκινάνε από το i και καταλήγουν στο j με φυσική σύνδεση, δηλαδή χωρίς διακοπή και συνεπώς αναφερόμαστε μόνο στους γειτονικούς κόμβους- ζεύγη. Για παράδειγμα για τη διαδρομή [0-1- 3] και lightpaths [0-1] με 50 Gb/s και [0-1- 3] με 49 Gb/s, το C(0,3) θα είναι ίσο με το μηδέν, ενώ το C(0,1) θα είναι ίσο με τέσσερα. Run_non Η κλάση Run_non χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της λειτουργίας του προγράμματος Non- bypass. Αποτελείται μόνο από τη συνάρτηση main(), η οποία ζητάει από το χρήστη να δώσει σαν είσοδο τον τύπο του δικτύου προς εξέταση (n6s8, NSFNET ή USNET), τη μέση τιμή της κίνησης όπως επίσης και το πλήθος εκτέλεσης του προσομοιωτή. Επιπλέον στη συνάρτηση main() δημιουργούνται (α) το αντικείμενο Traffic_non με βάση το μέγεθος του δικτύου όπως και (β) το αντικείμενο Non_bypass. 70

71 5.5 Υλοποίηση Direct Bypass Περιγραφή κλάσεων Το πρόγραμμα Direct bypass αποτελείται από τέσσερις κλάσεις, την Topology_dir, την Traffic_dir, την Direct_bypass και την Run_dir όπως φαίνεται και στο UML διάγραμμα του σχήματος 5.7. Οι κλάσεις Topology_dir και Traffic_dir είναι όμοιες με τις κλάσεις Topology και Traffic που αναλύθηκαν στην υποενότητα 5.3 του κεφαλαίου. Η υπολογιστική πολυπλοκότητα του αλγορίθμου είναι O(N^4) και ο αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολύ μεγάλα δίκτυα που περιλαμβάνουν χιλιάδες κόμβους. Σχήμα 5.7 : UML διάγραμμα του προγράμματος direct- bypass 71

72 Direct_bypass Η κλάση direct_bypass, περιέχει συναρτήσεις που αφορούν στην ανάθεση μονοπατιών φωτός σε κάθε ζεύγος της τοπολογίας του δικτύου και στον υπολογισμό της συνολική ενέργειας που καταναλώνεται σε ένα δίκτυο εξαιτίας των δρομολογητών, των transponders και των EDFAs. Αναλυτικότερα αποτελείται από πέντε συναρτήσεις, δυο εκ των οποίων, η LightpathAssignment και η LightperEdge είναι κοινές με αυτές της κλάσης Non_bypass της παραγράφου : LightpathAssignment : Η συνάρτηση αυτή αναθέτει ένα lightpath ή αλλιώς ένα μήκος κύματος σε κάθε ζεύγος κόμβων της τοπολογίας του δικτύου. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως στα χαρακτηριστικά του IP over WDM δικτύου που εξετάζεται κάθε μήκος κύματος έχει χωρητικότητα 40 Gb/s. Η ανάθεση των μονοπατιών φωτός γίνεται με βάση τον πίνακα της κίνησης, δηλαδή όταν η μέση κίνηση των ζευγών- κόμβων είναι στα 20 Gb/s, σε κάθε ζεύγος θα ανατίθεται ένα lightpath, αφού κανένας ζεύγος του δικτύου δεν θα ξεπερνάει τα 40 Gb/s και συνεπώς ο συνολικός αριθμός των lightpaths θα είναι 30, 182 και 552 για το n6s8, το NSFNET και το USNET αντίστοιχα, όταν όμως η μέση κίνηση είναι μεγαλύτερη των 20 Gb/s (40,60,80,100 ή 120) σε κάθε ζεύγος κόμβων ενδέχεται να ανατίθεται παραπάνω του ενός lightpath. Η συνάρτηση τελικά επιστρέφει μια δομή δεδομένων TreeMap που περιλαμβάνει όλα τα ζεύγη κόμβων και το lightpath που αντιστοιχεί σε κάθε ένα από αυτούς = [5, 3, 1, 0] 40.0 = [5,3,1,0] = [5, 3, 1, 0] lightpath 0 lightpath 1 72

73 LightPerEdge : Αυτή η συνάρτηση επιστρέφει έναν πίνακα με το συνολικό αριθμό των μηκών κύματος που υπάρχουν σε κάθε ακμή. Ο πίνακας που δημιουργείται χρησιμοποιείται αργότερα για τον υπολογισμό των transponders και τον αριθμό των οπτικών ινών που χρησιμοποιούνται σε κάθε ακμή της τοπολογίας. Ο κώδικας της συγκεκριμένης συνάρτησης φαίνεται στο τμήμα κώδικα 2 της παραγράφου computeedfas : Όπως φαίνεται και από το όνομά της, αυτή η συνάρτηση υπολογίζει τη συνολική κατανάλωση ενέργειας στους ενισχυτές του δικτύου με βάση το μαθηματικό τύπο m N n Nm Ee Amn fmn. Στο τμήμα κώδικα 6 φαίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους EDFAs στο δίκτυο. Αρχικά στις γραμμές 167 έως 175 ελέγχεται το μέγεθος του δικτύου με βάση την είσοδο του χρήστη. Στη γραμμή 181 εξετάζονται με τη σειρά όλοι οι κόμβοι του δικτύου, για κάθε κόμβο m(i) του δικτύου όπως ακριβώς φαίνεται και από τον τύπο, εξετάζουμε και κάθε γειτονικό του κόμβο n(j). Για κάθε ζεύγος, δηλαδή κάθε ακμή αφού μιλάμε για γειτονικούς κόμβους, προσθέτουμε τις τιμές του πίνακα που έχει υπολογίσει η συνάρτηση LightperEdge στις θέσεις i- j και j- i και υπολογίζουμε τα συνολικά μήκη κύματος που βρίσκονται σε αυτήν την ακμή, έτσι ώστε να καταστεί δυνατός ο υπολογισμός του αριθμού των οπτικών ινών (fmn) που χρειάζονται, διότι αν τα μήκη κύματος είναι παραπάνω από 16 χρειάζεται να τοποθετηθεί στην τοπολογία και δεύτερη οπτική ίνα για αυτή την ακμή (γραμμές 187 έως 192). Στη γραμμή 194 υπολογίζεται το Amn fmn το οποίο πολλαπλασιάζεται με τα 8 Watt στη γραμμή 196, που δίνει την συνολική κατανάλωση ενέργειας των ενισχυτών. Η συνάρτηση αυτή επιστρέφει ένα δεκαδικό αριθμό που αντιπροσωπεύει την ενέργεια στους EDFAs. 73

74 Τμήμα κώδικα 6 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των ενισχυτών (Direct- bypass) computetransponders : Αυτή η συνάρτηση υπολογίζει την ενέργεια που οφείλεται στους transponders και υπολογίζεται από τον μαθηματικό τύπο m N n Nm Et Wmn. Στο τμήμα κώδικα 7 φαίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους transponders στο δίκτυο.. Αρχικά στις γραμμές 219 έως 227 ελέγχεται το μέγεθος του δικτύου με βάση την είσοδο του χρήστη. Στη γραμμή 233 εξετάζονται με τη σειρά όλοι οι κόμβοι του δικτύου, για κάθε κόμβο m(i) του δικτύου όπως ακριβώς φαίνεται και από τον τύπο, εξετάζουμε και κάθε γειτονικό του κόμβο n(j). Για κάθε ζεύγος, δηλαδή κάθε ακμή αφού μιλάμε για γειτονικούς κόμβους, παίρνουμε τη τιμή του πίνακα που έχει υπολογίσει η συνάρτηση LightperEdge στη θέση i- j, και αντιστοιχεί στον αριθμό των χρησιμοποιούμενων καναλιών μεταξύ των κόμβων m και n της φυσικής τοπολογίας και πολλαπλασιάζουμε με την τιμή 73, που αντιστοιχούν στην ενέργεια σε Watt που καταναλώνει ο κάθε transponder. 74

75 Τμήμα κώδικα 7 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των transponders (Direct- bypass) computerouters : Ενέργεια που οφείλεται στους δρομολογητές του δικτύου και υπολογίζεται από το μαθηματικό τύπο i N Er (Δi + j N,j i Cij ). Στο τμήμα κώδικα 8 δίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους δρομολογητές στο δίκτυο. Η πρώτη for στη γραμμή 281 αναφέρεται στο πρώτο άθροισμα του μαθηματικού τύπου ενώ οι άλλες δυο στις γραμμές 282 και 290 αναφέρονται στο εσωτερικό άθροισμα του τύπου (Δi + j N,j i Cij ). Στις γραμμές 282 έως 287 υπολογίζεται η παράμετρος Δi, η οποία αντιστοιχεί στον αριθμό των ports που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώνουν την κίνηση από τους περιφερειακούς δρομολογητές πρόσβασης στον κόμβο i, υπολογίζεται από τον τύπο ΣdεΝλid / B και στρογγυλοποιείται πάντα στον επόμενο ακέραιο όπως φαίνεται και στη γραμμή 288 με χρήση της συναρτησης Math.ceil(). Ο πίνακας matrix αναφέρεται στο πίνακα traffic matrix που αναλύσαμε παραπάνω στη κλάση Traffic και περιέχει όλα τα ποσά κίνησης μεταξύ των κόμβων i και j. Η δεύτερη εσωτερική for στις γραμμές 290 έως 296 υπολογίζει το j N,j i Cij του τύπου, αφού πρώτα ελέγξει ότι το i είναι διαφορετικό του j. To Cij αναφέρεται στα μήκη 75

76 κύματος/κανάλια που χρησιμοποιούνται από ένα ζεύγος κόμβων (i,j) στην εικονική τοπολογία. Τέλος πολλαπλασιάζονται τα δυο εσωτερικά αθροίσματα με 1000 Watt που είναι η κατανάλωση ενέργειας ανά IP router port, και αυτό επαναλαμβάνεται μέχρι να διασχιστούν όλοι οι κόμβοι του δικτύου. Τμήμα κώδικα 8 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των δρομολογητών (Direct- bypass) " Σημείωση : Για τη Direct- bypass προσέγγιση, σε αντίθεση με τη Non- bypass προσέγγιση, που όλα τα μονοπάτια τερματίζονται μόνο στους κόμβους πηγής ή/και προορισμού και σε κανέναν ενδιάμεσο (πραγματοποιείται παράκαμψη) το Cij (πίνακας numofpaths της γραμμής 294) αναφέρεται στον αριθμό των καναλιών που ξεκινάνε από το i και καταλήγουν στο j στην εικονική τοπολογία. Για παράδειγμα για τη διαδρομή [0-1- 3] και lightpaths [0-1] με 50 Gb/s και [0-1- 3] με 49 Gb/s, το C(0,3) θα είναι ίσο με το δυο, ενώ το C(0,1) θα είναι ίσο και πάλι με δυο. 76

77 Run_direct Η κλάση Run_direct χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της λειτουργίας του προγράμματος Direct_bypass. Αποτελείται μόνο από τη συνάρτηση main(), η οποία ζητάει από το χρήστη να δώσει σαν είσοδο τον τύπο του δικτύου προς εξέταση (n6s8, NSFNET ή USNET), τη μέση τιμή της κίνησης όπως επίσης και το πλήθος εκτέλεσης του προσομοιωτή. Επιπλέον στη συνάρτηση main() δημιουργούνται (α) το αντικείμενο Traffic_dir με βάση το μέγεθος του δικτύου όπως και (β) το αντικείμενο Direct_bypass. 5.6 Υλοποίηση MultiHop Bypass Περιγραφή κλάσεων Το πρόγραμμα MultiHop- bypass αποτελείται από πέντε κλάσεις, την Topology_mul, την Traffic_mul, την MultiHop_bypass, την graph_mul και την Run_mul όπως φαίνεται και στο UML διάγραμμα του σχήματος 5.8. Οι κλάσεις Topology_mul και Traffic_mul είναι όμοιες με τις κλάσεις Topology και Traffic που αναλύθηκαν στην υποενότητα 5.3 του κεφαλαίου. 77

78 Σχήμα 5.8 : UML διάγραμμα του προγράμματος MultiHop- bypass MultiHop- bypass Η κλάση MultiHop- bypass περιέχει συναρτήσεις που αφορούν στην ανάθεση lightpaths σε κάθε ζεύγος της τοπολογίας του δικτύου, εκτελεί ενέργειες επαναχρησιμοποίησης των lightpaths και υπολογίζει την ενέργεια που καταναλώνεται στο δίκτυο εξαιτίας του δικτυακού εξοπλισμού (δρομολογητές, transponders, EDFAs). Η συνάρτηση που είναι υπεύθυνη για την ανάθεση των lightpaths αλλά και η συνάρτηση που υπολογίζει τον συνολικό αριθμό μηκών κύματος ανά ακμή του μη κατευθυνόμενου γράφου είναι κοινές με εκείνες των Non- bypass και Direct- Bypass για αυτό και θα γίνει μια σύντομη αναφορά σε αυτές. Η κεντρική ιδέα του MultiHop- bypass προγράμματος βασίζεται στην επαναχρησιμοποίηση των lightpaths, η οποία υλοποιείται σε αυτή τη κλάση. Το 78

79 διάγραμμα ροής της εικόνας 5.9 [17] δείχνει επακριβώς τα βήματα που πρέπει να υλοποιηθούν έτσι ώστε να επιτευχθεί σωστά η επαναχρησιμοποίηση των μονοπατιών φωτός. Αρχικά όλα τα ζεύγη των κόμβων ταξινομούνται με βάση την κίνηση που τους έχει ανατεθεί, από το ζεύγος με το μεγαλύτερο ποσό κίνησης προς το ζεύγος με το μικρότερο ποσό κίνησης. Τα ταξινομημένα ζεύγη τοποθετούνται σε μια δομή δεδομένων και δημιουργείται ένας νέος κενός κατευθυνόμενος γράφος G που χρησιμοποιείται για την καταγραφή όλων των εικονικών συνδέσεων(lightpaths). Στη συνέχεια ανακτάται από τη λίστα ένα ζεύγος- κόμβων και εξετάζεται αν μπορεί να δρομολογηθεί πάνω στο G. Αν υπάρχει επαρκής διαθέσιμη χωρητικότητα να φιλοξενήσει τη σύνδεση, τότε ο αλγόριθμος δρομολογεί το αίτημα δρομολόγησης του ζεύγους (request) και ανανεώνει την υπολειπόμενη χωρητικότητα των συνδέσεων που χρησιμοποιήθηκαν για να εξυπηρετήσουν το αίτημα. Αν η χωρητικότητα στις συνδέσεις δεν επαρκεί τότε μια νέα απευθείας (direct) εικονική σύνδεση μεταξύ του ζεύγους κόμβου επαρκούς χωρητικότητας δίνεται στο σύνδεσμο για να καλυφθεί η ζήτηση κίνησης μεταξύ του ζεύγους. Η νέα σύνδεση προστίθεται στο G. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να δρομολογηθούν όλα τα ζεύγη κόμβων. Δρομολογούνται λοιπόν όλα τα αιτήματα κυκλοφορίας στο G και υπολογίζεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου βάση του μαθηματικού τύπου i N Er (Δi + j N,j i Cij ) + m N n Nm Et Wmn+ + m N n Nm Ee Amn fmn. Η υπολογιστική πολυπλοκότητα του αλγορίθμου είναι O(N^4) και ο αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολύ μεγάλα δίκτυα που περιλαμβάνουν χιλιάδες κόμβους. Αναλυτικότερα η κλάση MultiHop- bypass αποτελείται από πέντε συναρτήσεις : LightpathAssignment : Η συνάρτηση αυτή αναθέτει ένα lightpath ή αλλιώς ένα μήκος κύματος σε κάθε ζεύγος κόμβων της τοπολογίας του δικτύου. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως στα χαρακτηριστικά του IP over WDM δικτύου που εξετάζεται κάθε μήκος κύματος έχει χωρητικότητα 40 Gb/s. Η ανάθεση των μονοπατιών φωτός γίνεται με βάση τον πίνακα της κίνησης. 79

80 Ταξινόμηση των ζευγών- κόμβων του δικτύου, ανάλογα με τη ροή της κίνησης. Από το μεγαλύτερο προς το μικρότερο. Τα ζεύγη τοποθετούνται σε μια δομή Λήψη ενός ζεύγους- κόμβων από τη δομή δεδομένων και προσπάθεια δρομολόγησης του πάνω στον κατευθυνόμενο γράφο G. Επιτυχία? ΟΧΙ ΝΑΙ Δρομολόγηση του ζεύγους πάνω στο G, και ενημέρωση της υπολειπόμενης χωρητικότητας των εικονικών Δημιουργία μιας direct εικονικής σύνδεσης μεταξύ του ζεύγους- κόμβων, προσθήκη του εικονικού μονοπατιού στο G. Ανανέωση της χωρητικότητας. Δρομολόγηση όλων των ζευγών- κόμβων στο G. Καθορισμός των μηκών κύματος και των οπτικών ινών κάθε ακμής της φυσικής τοπολογίας. Υπολογισμός συνολικής κατανάλωσης ενέργειας Σχήμα 5.9 : Διάγραμμα ροής του προγράμματος MultiHop- bypass Η συνάρτηση έχει επιστρεφόμενο τύπο μια δομή δεδομένων TreeMap που περιλαμβάνει όλα τα ζεύγη κόμβων και το lightpath που αντιστοιχεί σε κάθε ένα από αυτούς. 80

81 LightPerEdge : Αυτή η συνάρτηση επιστρέφει έναν πίνακα με το συνολικό αριθμό των μηκών κύματος που υπάρχουν σε κάθε ακμή. Ο πίνακας που δημιουργείται χρησιμοποιείται αργότερα για τον υπολογισμό των transponders και τον αριθμό των οπτικών ινών που χρησιμοποιούνται σε κάθε ακμή της τοπολογίας. execmult : Η συνάρτηση αυτή επιστρέφει ένα νέο πίνακα με τις τελικές τιμές του αριθμού των μηκών κύματος που υπάρχουν σε κάθε ακμή της τοπολογίας. Η δομή δεδομένων TreeMap που επιστρέφει η συνάρτηση LightpathAssignment αποθηκεύει τα δεδομένα σε αύξουσα σειρά. Για την υλοποίηση του προγράμματος τα δεδομένα πρέπει να είναι αποθηκευμένα σε φθίνουσα σειρά γιαυτό και χρησιμοποιείται η συνάρτηση descendingmap(), έτσι ώστε τα δεδομένα να αποθηκευτούν όπως προβλέπει η υλοποίηση του αλγορίθμου. NavigableMap<Double,LinkedList<Integer>> cnm =obj.tr_demands.descendingmap(); Τα δεδομένα τελικά αποθηκεύονται με τη σωστή σειρά σε μια νέα δομή δεδομένων (dynamic), σε μια λίστα από λίστες όπως φαίνεται στο παρακάτω τμήμα κώδικα. c=0; while (c<s){ dynamic.add(new ArrayList<Integer>()); dynamic.get(c).addall(cnm.get(cnm.firstkey())); cnm.remove(cnm.firstkey()); c++; Τα αιτήματα κυκλοφορίας για κάθε ζεύγος κόμβων ανακτώνται τελικά από αυτή τη λίστα με τη σωστή σειρα. Όπως είναι λογικό από αυτή τη λιστα εξετάζονται μόνο τα αιτήματα των ζευγών που η κίνησή τους είναι κάτω από 40 Gb/s, όπως φαίνεται και από την παρακάτω γραμμή κώδικα που εξετάζει στον πίνακα traffic matrix αν η απαίτηση κυκλοφορίας είναι μικρότερη των 40 Gb/s. if(obj.object.matrix[dynamic.get(i).get(0)][dynamic.get(i).get(dynamic.get(i).size()- 1)] < 40){ 81

82 check : Αυτή η συνάρτηση υλοποιεί τη λογική της επαναχρησιμοποίησης των lightpaths. Για κάθε lightpath μικρότερο των 40 Gb/s που εξετάζει η προηγούμενη συνάρτηση καλείται η συνάρτηση check έτσι ώστε η τελευταία να ελέγξει αν υπάρχει περίπτωση επαναχρησιμοποίησης, ελέγχοντας όλα τα προηγούμενα lightpaths της δομής dynamic. Για να επιτευχθεί η επαναχρησιμοποίηση θα πρέπει το άθροισμα της κίνησης των δυο lightpaths (αυτό που εξετάζεται και κάποιο προηγούμενο lightpath) να είναι μικρότερο των 40 Gb/s όπως φαίνεται παρακάτω. Το tmp αναφέρεται στο lightpath προς εξέταση ενώ το dyn αναφέρεται σε κάθε προηγούμενο lightpath της δομής. if(((obj.object.matrix[tmp.get(0)][tmp.get(tmp.size()- 1)]) + (obj.object.rem_matrix[dyn.get(j).get(0)][dyn.get(j).get(dyn.get(j).size()- 1)]) <= 40) Όταν βρεθεί άθροισμα κίνησης που είναι μικρότερο των 40 Gb/s, τότε εξετάζεται αν αυτό το lightpath(dyn) είναι υποσύνολο του lightpath προς εξέταση. Αν είναι τότε το τελευταίο αποθηκεύεται σε μια νέα δομή δεδομένων τη combpath, αν όχι η αναζήτηση συνεχίζεται στο επόμενο lightpath. for (int l=0; l<tmp.size()- (tm- 1); l++){ if(tmp.sublist(l, (l+tm)).equals(dyn.get(j))){ combpath.add(new ArrayList<Integer>()); combpath.get(cp++).addall(dyn.get(j)); } Αφού βρεθούν όλα τα υποψήφια lightpaths προς επαναχρησιμοποίηση αυτά τοποθετούνται σε ένα νέο γράφο graphtemp (G) όπως φαίνεται στο τμήμα κώδικα 9 στις γραμμές 252 έως 257. Έπειτα καλείται η αναδρομική συνάρτηση findpaths της κλάσης graph_mul (γραμμή 261), έτσι ώστε να βρεθούν όλα τα μονοπάτια που έχουν σαν κόμβο πηγή τον πρώτο κόμβο του lightpath προς εξέταση και σαν κόμβο προορισμού τον τελευταίο κόμβο του lightpath προς εξέταση. 82

83 Τμήμα κώδικα 9 : Μέρος της συνάρτησης check που ψάχνει για διαθέσιμα μονοπάτια στο γράφο Αν η συνάρτηση findpaths καταφέρει να βρει μια σωστή ακολουθία κόμβων στο γράφο, τότε επιλέγεται ένα από τα μονοπάτια που βρέθηκαν και ανανεώνεται η υπολειπόμενη χωρητικότητα των συνδέσεων που χρησιμοποιήθηκαν για να εξυπηρετήσουν το lightpath προς εξέταση (τμήμα κώδικα 10- γραμμές 272 έως 277). Επιπλέον ανανεώνεται και ο αριθμός μηκών κύματος σε κάθε ακμή (γραμμές 279 έως 281) που χρησιμοποιήθηκε κατά την επαναχρησιμοποίηση (μείωση κατά 1) όπως και ο πίνακας (numofpaths) που αποθηκεύει πόσα lightpaths αντιστοιχούν σε κάθε ζεύγος (γραμμές 283 έως 285). Τμήμα κώδικα 10 : Ανανέωση τιμών μετά την επαναχρησιμοποίηση Energy : Στη συνάρτηση αυτή υπολογίζεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας εξαιτίας του δικτυακού εξοπλισμού στο δίκτυο προς εξέταση. o Eνέργεια που οφείλεται στους ενισχυτές (EDFAs) του δικτύου και υπολογίζεται από τον μαθηματικό τύπο m N n Nm Ee Amn fmn όπως φαίνεται στο τμήμα κώδικα 11. Ο τρόπος υπολογισμού της κατανάλωσης ενέργειας των EDFAs είναι ακριβώς ίδιος με αυτόν του προγράμματος direct- bypass της συνάρτησης 83

84 computeedfas() με τη μοναδική διαφορά να έγκειται στο γεγονός ότι ο πίνακας που περιέχει τον αριθμό των μηκών κύματος περιλαμβάνει μικρότερες τιμές από εκείνες του αντίστοιχου πίνακα της direct- bypass προσέγγισης λόγω της επαναχρησιμοποίησης. Τμήμα κώδικα 11 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των ενισχυτών (MultiHop- bypass) o Ενέργεια που οφείλεται στους transponders και υπολογίζεται από τον μαθηματικό τύπο m N n Nm Et Wmn. Στο τμήμα κώδικα 12 δίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους transponders στο δίκτυο. Ο τρόπος υπολογισμoύ της κατανάλωσης ενέργειας των transponders είναι ακριβώς ίδιος με αυτόν του προγράμματος direct- bypass της συνάρτησης computetransponders() με τη μοναδική διαφορά να έγκειται στο γεγονός ότι ο πίνακας που περιέχει τον αριθμό των μηκών κύματος περιλαμβάνει μικρότερες τιμές από εκείνες του αντίστοιχου πίνακα της direct- bypass προσέγγισης λόγω της επαναχρησιμοποίησης. 84

85 Τμήμα κώδικα 12 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των transponders (MultiHop- bypass) o Ενέργεια που οφείλεται στους δρομολογητές του δικτύου και υπολογίζεται από το μαθηματικό τύπο i N Er (Δi + j N,j i Cij ). Στο τμήμα κώδικα 13 δίνεται ακριβώς ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τους δρομολογητές στο δίκτυο. Η πρώτη for στη γραμμή 371 αναφέρεται στο πρώτο άθροισμα του μαθηματικού τύπου ενώ οι άλλες δυο στις γραμμές 372 και 379 αναφέρονται στο εσωτερικό άθροισμα του τύπου (Δi + j N,j i Cij ). Στις γραμμές 372 έως 376 υπολογίζεται η παράμετρος Δi, η οποία αντιστοιχεί στον αριθμό των ports που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώνουν την κίνηση από τους περιφερειακούς δρομολογητές πρόσβασης στον κόμβο i, υπολογίζεται από τον τύπο ΣdεΝλid / B και στρογγυλοποιείται πάντα στον επόμενο ακέραιο όπως φαίνεται και στη γραμμή 377 με χρήση της συναρτησης Math.ceil(). Ο πίνακας matrix αναφέρεται στο πίνακα traffic matrix που αναλύσαμε παραπάνω στη κλάση Traffic και περιέχει όλα τα ποσά κίνησης μεταξύ των κόμβων i και j. Η δεύτερη εσωτερική for στις γραμμές 379 έως 385 υπολογίζει το j N,j i Cij του τύπου, αφού πρώτα ελέγξει ότι το i είναι διαφορετικό του j. To Cij αναφέρεται στα μήκη κύματος/κανάλια που χρησιμοποιούνται από ένα ζεύγος κόμβων (i,j) στην εικονική τοπολογία. Τέλος πολλαπλασιάζονται τα δυο εσωτερικά αθροίσματα με 1000 Watt που είναι η κατανάλωση ενέργειας ανά IP router port, και αυτό επαναλαμβάνεται μέχρι να 85

86 διασχιστούν όλοι οι κόμβοι του δικτύου. Και σε αυτή τη περίπτωση ο τρόπος υπολογισμού της ενέργειας που καταναλώνεται στους δρομολογητές είναι ίδιος με εκείνο της συνάρτησης computerouters του προγράμματος direct- bypass. bypass) Τμήμα κώδικα 13 : Υπολογισμός κατανάλωσης ενέργειας των δρομολογητών (MultiHop- " Σημείωση : Κατά τη MultiHop- bypass προσέγγιση που όλα τα μονοπάτια τερματίζονται μόνο στους κόμβους πηγής και προορισμού, το μέγεθος του μονοπατιού δεν παίζει κάποιο σημαντικό ρόλο στον υπολογισμό της κατανάλωσης ενέργειας στους δρομολογητές του δικτύου, που η μεγαλύτερη με διαφορά κατανάλωση ενέργειας παρουσιάζεται σε αυτούς. Για αυτό το λόγο με σκοπό να επιτευχθεί το μεγαλύτερο ποσοστό μείωσης κατανάλωσης ενέργειας, τα μονοπάτια προς εξέταση προς επαναχρησιμοποίηση δεν είναι απαραίτητο να είναι μόνο τα μονοπάτια με τη συντομότερη διαδρομή. Αναλυτικότερα αν για ένα μονοπάτι συντομότερης διαδρομής, έστω α- β- γ, δεν βρεθούν άλλα μονοπάτια στην τοπολογία G που μπορούν να το φιλοξενήσουν μπορούν να εξεταστούν για επαναχρησιμοποίηση και τα υπόλοιπα μονοπάτια που ξεκινούν από τον κόμβο α και τερματίζονται στον κόμβο γ, έστω α- ξ- κ- ο- γ. 86

87 Graph_mul Η κλάση graph_mul περιλαμβάνει συναρτήσεις που αφορούν στη δημιουργία ενός κατευθυνόμενου γράφου. Πρόκειται για το γράφο G που χρειάζεται η MultiHop- bypass προσέγγιση έτσι ώστε να υλοποιηθεί η έννοια της επαναχρησιμοποίησης του lightpath. Αποτελείται από πέντε συναρτήσεις παρόμοιες με κάποιες από αυτές της κλάσης topology της παραγράφου 5.3. Επιπλέον και η κλάση graph_mul περιλαμβάνει μια δημόσια εσωτερική κλάση η οποία αναπαριστά τις ακμές μεταξύ των κόμβων όπως φαίνεται στο τμήμα κώδικα 1 της 5.3. Graph_mul : Πρόκειται για την κατασκευάστρια μέθοδο της κλάσης graph_mul και είναι υπεύθυνη για την κατασκευή του αντικειμένου graph_mul. H κατασκευάστρια μέθοδος graph_mul καλείται από την μέθοδο check της κλάσης MultiHop_bypass, έτσι ώστε να δημιουργηθεί ο γράφος G. graphtemp= new Graph_mul(size); addedge : Η συνάρτηση δεν έχει κάποιο επιστρεφόμενο τύπο και σκοπός της είναι να συνδέει μονόδρομα δυο κόμβους. edges[node1].add(new Graph_mul.Edge(node1, node2, weight)); getincidentedge : Η συνάρτηση αυτή δεδομένου ενός κόμβου n επιστρέφει μια λίστα με όλους τους γειτονικούς του. return edges[n]; findpaths : Η συνάρτηση είναι ίδια με την αντίστοιχη findpaths της κλάσης topology της παραγράφου 5.3 και πρόκειται για την αναδρομική συνάρτηση που δημιουργήθηκε με σκοπό την εύρεση όλων των δυνατών μονοπατιών δεδομένου ενός κόμβου πηγής και ενός κόμβου προορισμού, στο νέο γράφο G πλέον. printpath : Αυτή η συνάρτηση καλείται μέσω της findpaths και εκτυπώνει όλα τα δυνατά μονοπάτια που βρήκε η findpaths. 87

88 Run_mul Η κλάση Run_mul χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της λειτουργίας του προγράμματος MultiHop_bypass. Αποτελείται μόνο από τη συνάρτηση main(), η οποία ζητάει από το χρήστη να δώσει σαν είσοδο τον τύπο του δικτύου προς εξέταση (n6s8, NSFNET ή USNET), τη μέση τιμή της κίνησης όπως επίσης και το πλήθος εκτέλεσης του προσομοιωτή. Επιπλέον στη συνάρτηση main() δημιουργούνται (α) το αντικείμενο Traffic_mul με βάση το μέγεθος του δικτύου όπως και (β) το αντικείμενο MultiHop_bypass. 88

89 6 Εξαγωγή αποτελεσμάτων Συμπεράσματα 6.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό πραγματοποιείται η σύγκριση, με βάση την κατανάλωση ενέργειας, των τριών προγραμμάτων Non_bypass, Direct_bypass και MultiHop_bypass. Παραθέτονται σε πίνακες και αναλυτικά διαγράμματα τα ακριβή ποσά ενέργειας σε kwatt που καταναλώνονται στα τρία εξεταζόμενα δίκτυα όταν χρησιμοποιούνται τα παραπάνω προγράμματα εξαιτίας των δρομολογητών, των ενισχυτών και των transponders. Στους πίνακες 6.1, 6.6 και 6.11 η πρώτη στήλη αναφέρεται στη μέση κίνηση σε Gb/s ανά ζεύγος κόμβων, η δεύτερη στην κατανάλωση ενέργειας ανάλογα με τη μέση κίνηση όταν χρησιμοποιείται το πρόγραμμα Non_bypass, η τρίτη στην κατανάλωση ενέργειας ανάλογα με τη μέση κίνηση όταν χρησιμοποιείται το πρόγραμμα Direct_bypass και τέλος η τέταρτη στην κατανάλωση ενέργειας ανάλογα με τη μέση κίνηση όταν χρησιμοποιείται το πρόγραμμα MultiHop_bypass. Στους πίνακες 6.4, 6.9 και 6.14 η πρώτη στήλη αναφέρεται στη μέση κίνηση σε Gb/s ανά ζεύγος κόμβων, η δεύτερη στη ποσοστιαία εξοικονόμηση ενέργειας του προγράμματος Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass ανάλογα με τη μέση κίνηση και η τρίτη στη ποσοστιαία εξοικονόμηση ενέργειας του προγράμματος ΜultiHop_bypass συγκριτικά με το Non_bypass ανάλογα με τη μέση κίνηση. 6.2 Αποτελέσματα κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο n6s8 Κατανάλωση ενέργειας (kw) Gb/s/node Non_bypass Direct_bypass MultiHop_bypass 20 55,27 52,4 46, ,7 84,19 79, ,63 116,74 112, ,2 145, ,94 179,79 177,87 Πίνακας 6.1 : Τιμές κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο n6s8 89

90 Κατανάλωση ενέργειας (kw) Gb/s/node pair MultiHop- Bypass Direct- Bypass Non- Bypass Διάγραμμα 6.2 : Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο n6s8 Το διαγράμμα 6.2 αναφέρεται στην κατανάλωση ενέργειας των τριών προγραμμάτων στο δίκτυο n6s8. Γενικά παρατηρείται ότι κατά τη χρησιμοποίηση του προγράμματος Non_bypass που δεν πραγματοποιείται η έννοια της παράκαμψης και όλα τα lightpaths που προσπίπτουν σε ένα κόμβο του δικτύου πρέπει να τερματίζονται και να προωθούνται ξανά από τους IP δρομολογητές, η κατανάλωση ενέργειας είναι αισθητά μεγαλύτερη συγκριτικά με τις άλλες δυο μεθόδους. Η μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας οφείλεται στους IP δρομολογητές (1000 kw ανά δρομολογητή) ανεξάρτητα του προγράμματος που χρησιμοποιείται. Το διάγραμμα 6.3 αναπαριστά την κατανομή της κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών στοιχείων (routers, transponders, EDFAs) του n6s8 όταν χρησιμοποιείται το πρόγραμμα Non_bypass. Πάνω στο διάγραμμα απεικονίζονται οι τιμές σε kw της κατανάλωσης ενέργειας των δρομολογητών. Όσον αφορά στις άλλες δυο μεθόδους, το MultiHop_bypass λόγω της επαναχρησιμοποίησης των lightpaths παρουσιάζεται καλύτερο από τη προσέγγιση της direct_bypass κυρίως στις μικρότερες τιμές κίνησης. Σε μεγαλύτερες τιμές κίνησης οι τιμές κατανάλωσης ενέργειας των δυο προγραμμάτων συγκλίνουν. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όσο αυξάνεται ο μέσος όρος του bit rate τόσο λιγότερα lightpaths μπορούν να 90

91 χρησιμοποιηθούν διότι εξετάζονται μόνο τα αιτήματα κυκλοφορίας των ζευγών που ο μέσος όρος κίνησης τους είναι μικρότερος των 40 Gb/s EDFA Transponder Router Total Gb/s/node pair 0 Energy consumption (kw) Διάγραμμα 6.3 : Κατανομή κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών στοιχείων στο n6s8 κατά τη χρήση του Non_bypass Εξοικονόμηση ενέργειας (%) Gb/s/node Direct_bypass MultiHop_bypass 20 5,1 15, ,14 14, ,63 16, ,74 14, ,16 16,07 Πίνακας 6.4 : Τιμές Ποσοστιαίου κέρδους κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο n6s8 91

92 Εξοικονόμηση ενέργειας (%) Gb/s/node pair Direct- Bypass Multihop- Bypass Διάγραμμα 6.5 : Ποσοστιαίο κέρδος κατανάλωσης ενέργειας των MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με το Non_bypass στο δίκτυο n6s8 Το παραπάνω διάγραμμα (6.5) δείχνει το ποσοστιαίο κέρδος των δυο προσεγγίσεων MultiHop_bypass και Direct_bypass συγκριτικά με τη προσέγγιση Non_bypass. Από το διάγραμμα φαίνεται ότι εφαρμόζοντας τις δυο στρατηγικές direct_bypass και multihop_bypass που χρησιμοποιούν την παράκαμψη των ενδιάμεσων δρομολογητών, η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να φτάσει περίπου τα 5% και 15% όταν το μέσο bit rate είναι 20 Gb/s ενώ στα 100 Gb/s φτάνει τα 15% και 16% αντίστοιχα. Επιπλέον και από αυτό το διάγραμμα γίνεται ξεκάθαρο ότι σε χαμηλές τιμές κίνησης το ΜultiHop_bypass έχει μεγαλύτερο κέρδος συγκριτικά με αυτό του Direct_bypass (περίπου 10% παραπάνω). 6.3 Αποτελέσματα κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο NSFNET 92

93 Κατανάλωση ενέργειας (kw) Gb/s/node Non_bypass Direct_bypass MultiHop_bypass , , ,8 1098, Πίνακας 6.6 : Τιμές κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο NSFNET Κατανάλωση ενέργειας (kw) Gb/s/node pair Direct- Bypass MultiHop- Bypass Non- Bypass Διάγραμμα 6.7 : Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο NSFNET Το διαγράμμα 6.7 αναφέρεται στην κατανάλωση ενέργειας των τριών προγραμμάτων στο δίκτυο NSFNET. Το αντίστοιχο διάγραμμα της κατανομής της κατανάλωσης των δικτυακών στοιχείων όταν χρησιμοποιείται το πρόγραμμα Multihop_bypass στο δίκτυο NSFNET φαίνεται στο διάγραμμα 6.8, όπου φαίνονται ακριβώς οι τιμές κατανάλωσης ενέργειας στους δρομολογητές του δικτύου ανάλογα με το bit rate. Όπως και στο n6s8 έτσι και στο δίκτυο NSFNET παρατηρείται ότι κατά τη χρησιμοποίηση του προγράμματος Non_bypass που δεν πραγματοποιείται η έννοια της παράκαμψης η κατανάλωση 93

94 ενέργειας είναι μεγαλύτερη συγκριτικά με τις άλλες δυο μεθόδους. Όσον αφορά στις άλλες δυο μεθόδους, το MultiHop_bypass λόγω της επαναχρησιμοποίησης των lightpaths παρουσιάζεται καλύτερο από τη προσέγγιση της direct_bypass κυρίως στις μικρότερες τιμές κίνησης. Σε μεγαλύτερες τιμές κίνησης οι τιμές κατανάλωσης ενέργειας των δυο προγραμμάτων συγκλίνουν. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι στα 20 Gb/s το Non_bypass καταναλώνει 398 kw, το Direct_bypass 317 kw και το Multihop_bypass 273 kw. Αυτό οφείλεται, όπως και για το δίκτυο n6s8, στο γεγονός ότι όσο αυξάνεται ο μέσος όρος του bit rate τόσο λιγότερα lightpaths μπορούν να χρησιμοποιηθούν διότι εξετάζονται μόνο τα αιτήματα κυκλοφορίας των ζευγών που ο μέσος όρος κίνησης τους είναι μικρότερος των 40 Gb/s EDFA Transponder Router Total Gb/s/node pair Energy consumption (kw) Διάγραμμα 6.8 : Κατανομή κατανάλωσης ενέργειας των δικτυακών στοιχείων στο NSFNET κατά τη χρήση του Multihop_bypass 94