ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Τεχνικές για τη Βελτιστοποίηση της Λειτουργίας Τύπων Οπτικών Δικτύων και ΙοΤ Δικτύων ΗΛΙΑΣ Γ. ΓΡΑΒΑΛΟΣ Συνεπιβλέποντες: Καθηγητής Εμμανουήλ Βαρβαρίγος Καθηγητής Κωνσταντίνος Μπερμερίδης Πάτρα, Ιούνιος 2016

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Τεχνικές για τη Βελτιστοποίηση της Λειτουργίας Τύπων Οπτικών Δικτύων και ΙοΤ Δικτύων ΗΛΙΑΣ Γ. ΓΡΑΒΑΛΟΣ Μέλη της Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής αποτέλεσαν οι: Καθηγητής Εμμανουήλ Βαρβαρίγος (Επιβλέπων) Καθηγητής Κωνσταντίνος Μπερμερίδης (Επιβλέπων) Αναπ. Καθηγητής Σωτήριος Νικολετσέας (Μέλος Τριμελούς Επιτροπής) Καθηγητής Χρήστος Μπούρας Αναπ. Καθηγητής Σπύρος Σιούτας Καθηγητής Χρήστος Κακλαμάνης Επικ. Καθηγητής Σπύρος Δενάζης Πάτρα, Ιούνιος 2016 I

4 II

5 Στην Οικογένειά μου III

6 IV

7 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου σε όλους χωρίς την βοήθεια των οποίων δεν θα είχε εκπονηθεί το παρόν διδακτορικό. Πρωτίστως, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου, τους γονείς μου Γεώργιο και Φωτεινή, καθώς και την αδερφή μου Μαρία. Πίστεψαν από την αρχή στις δυνατότητές μου και όχι μόνο με υποστήριξαν με όλους τους δυνατούς τρόπους αλλά με παρότρυναν και στο να συνεχίσω όσο περισσότερο γίνεται στην συλλογή εκπαιδευτικών εφοδίων για την σταδιοδρομία μου. Είναι με διαφορά ο σημαντικότερος λόγος για την επίτευξη αυτού του PhD, το οποίο τους το αφιερώνω. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συνεπιβλέποντές μου, καθηγητή Εμμανουήλ Βαρβαρίγο και καθηγητή Κωνσταντίνο Μπερμπερίδη, που μου έδωσαν την ευκαιρία να συνεργαστώ μαζί τους στον τομέα που με προσέλκυσε από την αρχή της σταδιοδρομίας μου ως μηχανικός Η/Υ, τον τομέα των δικτύων. Η συμβολή τους ήταν σημαντική και καθοριστική σε όλη την πορεία αυτής της εργασίας. Δεν ήταν όμως καθόλου περιοριστική, καθώς μου έδωσαν τις ευκαιρίες να μελετήσω διάφορους τομείς των δικτύων και ευχαριστώ για την υπομονή, την ανοχή, όταν οι προσπάθειες δεν ήταν τόσο επιτυχημένες, αλλά κυρίως για την στοχευμένη καθοδήγησή. Δεν θα ήθελα να παραλείψω το πόσο σημαντική ήταν η εμπιστοσύνη του καθηγητή Βαρβαρίγου στις ικανότητές μου, ώστε να μου δώσει την ευκαιρία να συμμετάσχω σε σημαντικά ερευνητικά έργα που διεύρυναν την επαγγελματική μου εμπειρία. Τέλος, θα ήθελα ειλικρινά να ευχαριστήσω όλους τους συνεργάτες και φίλους μου. Θα ξεκινήσω με τον Δρ. Κωνσταντίνο Γιαννόπουλο με τον οποίο ξεκίνησα να εργάζομαι για αυτήν την εργασία και ο οποίος συνέβαλλε με δημιουργικές συζητήσεις και ιδέες στην εξέλιξη των μελετών και του τρόπου σκέψης μου σε διάφορα θέματα. Ευχαριστώ επίσης οφείλω και στον Δρ. Κωνσταντίνο Χριστοδουλόπουλο ο οποίος έχει την ικανότητα με την παραμικρή παρατήρηση να εξελίσσει σημαντικά το προς μελέτη πρόβλημα, αλλά και στον Δρ. Άκη Μακρή για τις εποικοδομητικές συζητήσεις μας. Ένα μεγάλο ευχαριστώ και στον φίλο Δρ. Αποστόλη Σιώκη που ήταν εξαιρετικός συνεργάτης από τις πρώτες εργασίες μας στο τμήμα όταν πρωτογνωριστήκαμε προπτυχιακά το 2002 και ελπίζω έτσι να συνεχίσουμε. Να μην παραλείψω να ευχαριστήσω με την ευκαιρία αυτή και όλους τους συναδέλφους στο εργαστήριο δικτύων (κυρίως αυτούς που μοιραζόμασταν το ίδιο γραφείο) για την υπομονή τους όλο αυτό του διάστημα. Ηλίας Γ. Γράβαλος Πάτρα, Ιούνιος 2016 V

8 VI

9 Περίληψη Οι τεράστιες χωρητικότητες που παρέχουν τα οπτικά μέσα μετάδοσης, έχουν συγκεντρώσει μεγάλο ενδιαφέρον στην επέκταση των οπτικών δικτύων τόσο στα δίκτυα κορμού όσο και στα δίκτυα πρόσβασης. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις εύρους ζώνης από τις διάφορες πολυμεσικές εφαρμογές και τις συσκευές που ενσωματώνουν λειτουργίες ανταλλαγής πληροφοριών, έχει δημιουργήσει την τάση επέκτασης των οπτικών ινών έως τον χρήστη. Τα μοντέλα Ίνα Μέχρι Το x (το x προσδιορίζει το σημείο που ο χρήστης συναντά την οπτική ίνα), καθιστούν δυνατή την κάλυψη των αναγκών σε εύρος ζώνης. Η αρχιτεκτονική των παθητικών οπτικών δικτύων αποτελεί κατάλληλο μέσο υλοποίησης των Ίνα Μέχρι Το x μοντέλων. Οι φορείς IEEE και ITU-T έχουν κάνει σημαντικές προσπάθειες προτυποποίησης των παθητικών οδικών δικτύων με τα αντίστοιχα μοντέλα GE-PON και XG-PON. Σε γενικές γραμμές τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από μια κεντρική μονάδα τερματισμού της οπτικής γραμμής στην πλευρά του παρόχου (OLT), από διάφορες μονάδες συγκέντρωσης της κίνησης στο οπτικό δίκτυο (ONU) και από μία οπτική μονάδα διάσπασης του σήματος. Οι μονάδες αυτές συνδέονται μέσω μίας οπτικής ίνας και ενδιάμεσα δεν υπάρχει κανένα άλλο ενεργό στοιχείο. Τα δεδομένα μεταδίδονται ως πρός δύο κατευθύνσεις, προς τα κάτω (από το OLT προς τις ONUs) και προς τα πάνω (από τις ONUs πρός το OLT). Τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται είναι δύο και αντιστοιχούν στις δύο κατευθύνσεις μετάδοσης. Το γεγονός αυτό δημιουργεί πρόβλημα στην πολλαπλή προσπέλαση του μέσου από τις ONUs. Τα πακέτα θα πρέπει να μεταδίδονται χωρίς συγκρούσεις και σύμφωνα με τα πρότυπα αυτό επιβαρύνει το OLT ο οποίος θα πρέπει να συντονίζει τις μεταδόσεις. Σε αυτή την κατεύθυνση, μελετάμε πρωτόκολλα δυναμικής ανάθεσης του εύρους ζώνης για XG-PON συστήματα. Στόχος των πρωτοκόλλων είναι η ασφαλής και δίκαιη πρόσβαση των ONUs στο κοινό μέσο, η αποδοτική αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης και η μείωση των καθυστερήσεων μετάδοσης των πακέτων. Προτείνουμε, συνεπώς, κατάλληλους αλγόριθμους δυναμικής ανάθεσης του εύρους ζώνης που βασίζονται στις τεχνικές max-min fair και fair queuing οι οποίες εφαρμόζονται στο OLT με βάση τις αναφορές των ONUs για την κατάσταση των ουρών τους, ώστε να επιτευχθεί δίκαιη και αποδοτική διαμοίραση του εύρους ζώνης. Η οπτική τεχνολογία, τείνει επίσης να αντικαταστήσει τις υπάρχουσες τεχνολογίες και στο επίπεδο των υπολογιστικών κέντρων δεδομένων. Η πλήρης λειτουργία ενός υπολογιστικού κέντρου με οπτικές συσκευές και συνδέσμους μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας σημαντικά. Έτσι το μεγάλο πλήθος των διασυνδέσεων μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην συνολική κατανάλωση ενέργειας. Μελετάμε, λοιπόν, τα μοντέλα κατανάλωσης των οπτικών διασυνδέσεων που χρησιμοποιούν την τεχνολογία των VCSEL πομποδεκτών. Με βάση τα μοντέλα αυτά η κατανάλωση ενέργειας αυξάνει εκθετικά σε σχέση με το ρυθμό μετάδοσης. Συνεπώς προτείνουμε έναν βέλτιστο αλγόριθμο δρομολόγησης της συνολικής κίνησης των κέντρων δεδομένων, ώστε αυτή να διαμοιράζεται στα διάφορα μονοπάτια που υπάρχουν VII

10 μεταξύ τερματικών κόμβων, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται ο βέλτιστος ρυθμός μετάδοσης σε κάθε πομποδέκτη και κατά συνέπεια η ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας σε όλο το σύστημα. Η τεχνολογία Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things - ΙοΤ) αποτελεί την πλέον εξελισσόμενη τεχνολογία δικτύων. Το IoT στοχεύει στην διευκόλυνση της καθημερινότητας μέσω αυτοματοποιημένων συστημάτων επικοινωνίας και λήψης αποφάσεων. Συγκεκριμένα, οι διάφορες συσκευές αισθητήρων και συσκευών ανταλλάσσουν πληθώρα δεδομένων με μεγάλη συχνότητα, τα οποία αναλύονται και αν χρειαστεί εκτελούνται συγκεκριμένες ενέργειες ανάκαμψης ή πληροφόρησης κάποιου σημαντικού συμβάντος. Το μοντέλο των IoT αποτελεί σημαντική επιλογή για την ανάπτυξη και λειτουργία έξυπνων πόλεων. Ωστόσο, στις περιπτώσεις αυτές το πλήθος των συσκευών είναι αρκετά μεγάλο όπως και η αντίστοιχη πληροφορία προς επεξεργασία. Οι δυνατότητες των συσκευών που παράγουν την πληροφορία δεν επαρκούν για την ανάλυση των δεδομένων και την εξαγωγή συμπερασμάτων, με αποτέλεσμα η λειτουργία αυτή να μεταφέρεται σε μεγαλύτερες υπολογιστικές δομές (cloud servers). Αυτό όμως εγείρει το ζήτημα διαθεσιμότητας του εύρους ζώνης καθώς, λόγω της αδυναμίας χρήσης ενσύρματης διασύνδεσης στις τοποθεσίες των συσκευών, απαιτείται η χρήση WAN τοπολογιών. Σε αυτή την κατεύθυνση μελετάμε τον βέλτιστο σχεδιασμό IoT τοπολογιών με την εκμετάλλευση των τοπολογιών δικτύων ομίχλης (fog networks). Το πρόβλημα τυποποιείται ως ένα Integer Linear Programming (ILP) το οποίο στόχο έχει την επιλογή των κατάλληλων συσκευών ασύρματης μετάδοσης των δεδομένων, καθώς και τον καθορισμό των θέσεων των συσκευών που λειτουργούν ως πύλη για το διαδίκτυο (gateways) ώστε τα δεδομένα αυτά να προωθούνται στους cloud servers. Το ILP καταλήγει στην οικονομικότερη λύση που ικανοποιεί τις απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας των συσκευών που παράγουν τα δεδομένα. VIII

11 Abstract The expansion of the networked services gives rise to increased requirements for the bandwidth that is offered to end users. Additionally, there is a constant need to develop access networks that are inexpensive, scalable and capable of delivering integrated voice, video and data services to the subscribers. The Fiber-To-The-x (FTTx) access models, namely FTTH (Home), FTTC (Curb) and FTTB (Building) offer direct fiber connection close to the user premises and are being envisaged as a suitable solution for meeting the growing bandwidth demands. PONs in particular are a perfectly suitable candidate technology for implementing FTTx, since they are capable of providing high capacity and reliable access, and are also built in cost-effective fashion that fully exploits the passive and shared nature of the optical infrastructure. Currently, two major research domains for PON standardization exist, the first being the IEEE E-PON (802.3av) that is mainly designed for non-time critical data transfers, and the second being the ITU XG-PON (G.987) that also enables the transfer of time critical data. All transmissions in the standardized PONs are performed between the Optical Line Terminal (OLT) and multiple Optical Netwοrk Units (ONUs). The ONUs are connected via a passive optical splitter with the OLT in a tree-based architecture in which the OLT resides at the root. PONs are also implemented over a single downstream wavelength that communicates the OLT data to all ONUs, and a separate single upstream wavelength that carries the transmissions from the ONUs to the OLT. Communication at the downstream direction is straightforward and the OLT broadcasts data frames to all connected ONUs. Special header fields are used to address a specific ONU and traffic bearing entities in it (traffic containers). In the upstream direction, however, the transmissions from the ONUs are combined by a power splitter and an arbitration mechanism is required so as to schedule transmissions and avoid collisions at the splitter output. To this end, upstream transmissions are coordinated by the OLT, which grants each ONU a suitable start time for its transmission as well as a transmission duration that is adapted to the ONU bandwidth needs. Within this context we study Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) protocols for XG-PON systems. The aim of the proposed DBAs is to efficiently utilize the available upstream bandwidth and distribute the bandwidth in a flexible fashion that matches the time-varying traffic demands of ONUs. Furthermore, after taking into consideration that an XG-PON must accommodate a large number of users, it becomes evident that the DBA must be fair, with respect to bandwidth sharing, and simultaneously keep the average delay and jitter within acceptable levels. The proposed DBAs exploit max-min fair and fair queuing mechanisms over the reported queue occupancy demands to estimate upstream bandwidth portions for each ONU as well as transmission start times. Optical technology, offering high bandwidth, low loss transmissions and energy efficiency, is a promising solution for reducing the energy requirements in telecoms and datacoms. Optics have already replaced copper-based communication in longhaul telecom systems and are penetrating shorter distances in campus and IX

12 enterprise LANs (already used for rack-to-rack communication in DC and HPC). Optics are targeted to be used also for board-to-board, chip-to-chip, and even onchip communications, leading to greener network architectures. The space of potential solutions for energy efficient networks is still open as energy consumption is affected by all system levels, ranging from physical layer to algorithms, protocols and applications. To this end, we focus on the algorithmic aspect of energy consumption assuming optical networks that utilize Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs). The respective energy consumption models for VCSEL transmission, tend to be exponential with respect to the data rate in which they operate. A significant attribute of VCSELs is that the energy dissipation can be adapted with respect to the transmission bit rate. Thus, we exploit this capability to develop an optimal energy aware routing algorithm to operate in optical netwοrks utilizing VCSEL based opto-electronic links. The proposed algorithm is based on the optimal routing concept. It optimally load balances traffic among multiple paths, leading to better utilization of the network resources, while it also decides on suitable bit rates for each transmitter in order to operate with minimum energy dissipation. The evolution of wireless (either local or wide area) communications and technologies, along with the processing capabilities of mobile devices, has given a significant boost to the Internet of Things (IoT) concept. The main idea of the IoT is that usual electronic devices (sensors, smart home appliances, surveillance cameras, traffic monitoring, actuators, etc.) equipped with necessary transmission hardware, are able to exchange data, directly or through the Internet, in order to provide respective information about events or act in advance to prevent undesired incidents from happening. The deployment of the IoT will allow easy access to specific device information from users. As a result, the IoT can enable a diversity of applications, such as smart grid, smart cities, home or industrial surveillance, home or industrial automation, e-learning, or upgrade a multitude of public services, such as traffic monitoring, healthcare, public lightning, parking and many others that would improve the quality of residents life and moreover save world s resources. In IoT, a large number of data packets are exchanged among devices over the Internet. IoT (smart) end devices forward their traffic to the Internet, either by direct communication to LTE networks, or by multi-hop transmissions to a specific gateway. Acquiring both types of communication capabilities would be unnecessarily costly for IoT end devices. Instead, to lower the overall cost, only devices performing as gateways could be fully equipped with such capabilities, while the rest of the devices could have simple low cost wireless transmitters for forwarding the traffic towards a gateway. The whole IoT operates as a fog network. Towards this end, the decision on gateway and low cost wireless devices placement is critical to provide low cost and Quality of Service (QoS). To address this design problem, we present an Integer Linear Programming (ILP) that minimizes the total cost of the network with respect to the deployed devices, while achieving mandatory QoS requirements. X

13 Περιεχόμενα ΕΙΣΑΓΩΓΉ... 1 ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ... 1 ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΆ ΚΑΙ ΔΙΆΡΘΡΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΉΣ... 3 ΠΑΘΗΤΙΚΆ ΟΠΤΙΚΆ ΔΊΚΤΥΑ... 4 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ... 4 ΤΟ ΠΡΌΤΥΠΟ ΤΗΣ ITU-T ΓΙΑ ΤΑ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ... 6 Απαιτήσεις Δομικά Χαρακτηριστικά και Παράμετροι του Προτύπου... 8 Μετάδοση Πληροφορίας Πάνω από το Κοινό Μέσο Δομή Μεταδιδόμενων Πλαισίων Προτυποποιημένος Μηχανισμός Πολλαπλής Πρόσβασης και Μηνύματα Ελέγχου ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΔΥΝΑΜΙΚΉΣ ΑΝΆΘΕΣΗΣ ΕΎΡΟΥΣ ΖΏΝΗΣ ΣΕ ΠΑΘΗΤΙΚΆ ΟΠΤΙΚΆ ΔΊΚΤΥΑ Σχετική Βιβλιογραφία Μηχανισμός Αποδοτικής και Δίκαιης Διαμοίρασης του Διαθέσιμου Εύρους Ζώνης με Πρόβλεψη Κίνησης Πειραματική Αξιολόγηση της Απόδοσης του Μηχανισμού Μηχανισμός Δίκαιης Εξυπηρέτησης των Ριπών και Αποδοτικής Αξιοποίησης του Εύρους Ζώνης Πειραματική Επιβεβαίωση της Απόδοσης του Μηχανισμού ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΆ ΚΈΝΤΡΑ ΔΕΔΟΜΈΝΩΝ ΜΕ ΟΠΤΙΚΈΣ ΔΙΑΣΥΝΔΈΣΕΙΣ Η ΟΠΤΙΚΉ ΤΕΧΝΟΛΟΓΊΑ ΣΤΟΝ ΕΞΟΠΛΙΣΜΌ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΏΝ ΚΈΝΤΡΩΝ ΔΕΔΟΜΈΝΩΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΈΣ ΔΙΚΤΎΩΝ ΔΙΑΣΎΝΔΕΣΗΣ ΣΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΆ ΚΈΝΤΡΑ Συμβατικές Αρχιτεκτονικές Δικτύων Αρχιτεκτονικές Οπτικών Διασυνδέσεων ΚΑΤΑΝΆΛΩΣΗ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΔΙΚΤΎΩΝ ΔΙΑΣΎΝΔΕΣΗΣ ΣΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΆ ΚΈΝΤΡΑ Σύγκριση Ηλεκτρικών και Οπτικών Τεχνολογιών Διασύνδεσης ως Προς την Ενεργειακή Κατανάλωση ΕΝΕΡΓΟ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΉ ΔΡΟΜΟΛΌΓΗΣΗ ΣΕ ΔΊΚΤΥΑ ΜΕ ΟΠΤΙΚΈΣ ΔΙΑΣΥΝΔΈΣΕΙΣ Σχετική Βιβλιογραφία Μοντέλο Κατανάλωσης Ενέργειας σε Οπτικά Κανάλια με VCSEL πομποδέκτες Ενεργο-αποδοτικός Αλγόριθμος Βέλτιστης Δρομολόγηγησης Πειραματική Αξιολόγηση της Απόδοσης του Αλγορίθμου ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΟΝΤΑΣ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ INTERNET OF THINGS ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ INTERNET OF THINGS ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ QOS ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΥΣ Σχετική Βιβλιογραφία Τυποποίηση μέσω Γραμμικών Εξισώσεων του Προβλήματος Τοποθέτησης των Gateways Πειραματική Αξιολόγηση της Απόδοσης της Λύσης Γραμμικών Σχέσεων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΊΑ ΔΗΜΟΣΙΕΎΣΕΙΣ ΔΙΕΘΝΉ ΠΕΡΙΟΔΙΚΆ ΔΙΕΘΝΉ ΣΥΝΈΔΡΙΑ XI

14 XII

15 Εισαγωγή Η εξέλιξη της τεχνολογίας με προσανατολισμό τον απλό χρήστη, τα τελευταία χρόνια, βασίζεται κατά ένα μεγάλο μέρος στα δίκτυα δεδομένων. Πληθώρα φορητών συσκευών χρησιμοποιούνται από απλούς χρήστες σε καθημερινή βάση και σχεδόν κατά τη διάρκεια όλης της ημέρας. Οι συσκευές αυτές παρέχουν υπηρεσίες τηλεπικοινωνίας και μεγάλο αριθμό εφαρμογών που απαιτούν συνεχή σύνδεση στο διαδίκτυο είτε για να παρέχουν διαδραστική ψυχαγωγία στο χρήστη, είτε για τη μεταφορά δεδομένων απαραίτητων για τη λειτουργία και ενημέρωση των εφαρμογών. Παραδείγματα λειτουργίας αποτελούν: οι φωνητικές ή βίντεο κλήσεις μέσω παρόχων κινητής τηλεφωνίας, αλλά και μέσω εφαρμογών οι οποίες παρέχουν τη δυνατότητα επικοινωνίας μέσω διαδικτύου, οι ιστοσελίδες με κύριους εκπροσώπους τα μέσα κοινωνικής δικτύωσης και παροχής υπηρεσιών ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, υπηρεσίες μέσω των υποδομών υπολογιστικών νεφών καθώς και η αναπαραγωγή πολυμεσικών σε πραγματικό χρόνο. Γίνεται άμεσα αντιληπτό πως οι ανάγκες αυτές ολοένα και αυξάνονται με αποτέλεσμα οι δυνατότητες εξυπηρέτησης μέσω των δικτύων να πρέπει να αυξάνονται κατάλληλα. Ωστόσο, ανάπτυξη των δικτυακών υποδομών και κατά συνέπεια του διαθέσιμου εύρους ζώνης δεν θα πρέπει να είναι απαγορευτική ως προς το χρόνο, το χώρο και το κόστος εγκατάστασης. Οι νέες τεχνολογίες θα πρέπει, συνεπώς, να εκμεταλλεύονται τις υπάρχουσες υποδομές και να τις επεκτείνουν όπου αυτό είναι δυνατό. Οπτικά Δίκτυα Δεδομένων Η οπτική τεχνολογία τα τελευταία χρόνια συγκεντρώνει μεγάλο ενδιαφέρον από όλους τους τομείς της τεχνολογικής εξέλιξης. Το γεγονός αυτό οφείλεται στις υψηλές αποδόσεις του οπτικού μέσου που μπορούν να εξασφαλίζουν την δημιουργία ευρυζωνικών δικτύων και να καλύψουν τις υψηλές απαιτήσεις τους. Το εύρος ζώνης που παρέχουν είναι ικανό να εξυπηρετήσει το συνεχώς αυξανόμενο όγκο δεδομένων που προκύπτει από τις πολυμεσικές εφαρμογές, οι οποίες προκειμένου να παρέχουν ποιοτική υπηρεσία αυξάνουν τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών αποτελούν οι υπηρεσίες φωνής μέσω διαδικτύου (VoIP), οι υπηρεσίες διαμοίρασης βίντεο (video streaming), καθώς και πολλές εφαρμογές πραγματικού χρόνου (real time applications). Σε συνδυασμό με το συνεχώς αυξανόμενο αριθμό των χρηστών, γίνεται αντιληπτό πως η μετάβαση σε από άκρο σε άκρο οπτικά δίκτυα είναι απαραίτητη. Σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες έχουν καταφέρει να δώσουν λύσεις στην μετάβαση από τις παραδοσιακές διασυνδέσεις σε οπτικές, κυρίως στα δίκτυα κορμού. Πρόσφατες ερευνητικές προσπάθειες επεκτείνουν την εγκατάσταση των οπτικών ινών στο δίκτυο πρόσβασης με προοπτική η οπτική ίνα να φτάνει έως το τερματικό του χρήστη. Έτσι, καθίσταται δυνατή η υλοποίηση των FTTx μοντέλων. Το μοντέλο αυτό αναφέρεται στο μέρος του δικτύου που καλύπτεται από οπτικές ίνες. Το x προσδιορίζει το σημείο επαφής του χρήστη με την οπτική ίνα. Αυτό μπορεί να είναι το σπίτι του χρήστη (Home), κάποιο σημείο στο κτήριο (Building) είτε ένα πιό κεντρικό σημείο στο πεζοδρόμιο που εξυπηρετεί πολλά κτήρια (Curb). Συνεπώς τα 1

16 διαφορετικά μοντέλα που προκύπτουν ορίζονται ως Ίνα Μέχρι Το Σπίτι (Fiber To The Home FTTH), Ίνα Μέχρι Το Κτήριο (Fiber To The Building FTTB) και Ίνα Μέχρι Το Πεζοδρόμιο (Fiber To The Curb FTTC), τα οποία διαφέρουν ως προς την απόσταση που πρέπει να διανύσει το σήμα από το τερματικό του χρήστη μέχρι να συναντήσει την οπτική ίνα, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 1. Μία από τις αποδοτικές αρχιτεκτονικές που έχουν προταθεί τελευταία ώστε να είναι εφικτή η εγκατάσταση οπτικών δικτύων πρόσβασης, ορίζεται ως Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks PONs). Τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα αποτελούνται από παθητικές συσκευές (συσκευές που δεν καταναλώνουν ρεύμα) και για το λόγο αυτό αποτελούν μια οικονομική υποδομή στην δημιουργία οπτικών δικτύων. Ωστόσο, λόγω της αδυναμίας αναγέννησης ή ενίσχυσης του μεταδιδόμενου οπτικού σήματος, η περιοχή κάλυψης περιορίζεται σε κάποιες δεκάδες χιλιόμετρα γεγονός που καθιστά την αρχιτεκτονική των Παθητικών Οπτικών Δικτύων ιδανική για την υλοποίηση οπτικών δικτύων πρόσβασης. Τα πλεονεκτήματα της δημιουργίας οπτικών διασυνδέσεων, όπως αναφέρθηκαν παραπάνω, έδωσαν έναυσμα σε ομάδες ερευνητών να επεκτείνουν τη χρήση τους σε ακόμη μικρότερο χωρικό εύρος και να τα ενσωματώσουν στη διασύνδεση δικτυακών συσκευών υπολογιστικών κέντρων. Στην κλίμακα αυτή, οι οπτικές ίνες αποτελούν το μέσο διασύνδεσης μεταξύ ηλεκτρονικών διατάξεων σε ένα Εικόνα 1: FTTx Αρχιτεκτονικές. 2

17 ολοκληρωμένο κύκλωμα (Networks on Chips), πάνω σε μία πλακέτα (Networks on Board), μεταξύ πλακετών (Board to Board Networks) και μεταξύ ικριωμάτων (Rack to Rack) Συνεισφορά και Διάρθρωση της Διατριβής Στη εξέλιξη των Παθητικών Οπτικών Δικτύων, σημαντική μελέτη έχει επικεντρωθεί στην προτυποποίησή τους, στην δημιουργία κατάλληλων τοπολογιών και στη παροχή επαρκούς εύρους ζώνης για την εξυπηρέτηση των εκάστοτε απαιτήσεων. Η δομή των Παθητικών Οπτικών Δικτύων, έχοντας ως σκοπό τη διατήρηση του κόστους σε χαμηλά επίπεδα ώστε να είναι εφικτή η εγκατάστασή τους, ορίζει τη διαμοίραση του εύρους ζώνης μεταξύ των χρηστών μέσω μοναδικού μήκους κύματος στην οπτική ίνα. Το γεγονός αυτό δημιουργεί την ανάγκη ανάπτυξης αποδοτικών τεχνικών διαμοίρασης του οπτικού μέσου στους διαφορετικούς χρήστες που είναι συνδεδεμένοι σε αυτό. Ως πρός αυτή την κατεύθυνση, σε αυτή την εργασία, μελετάμε μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης στο μέσο, ώστε το διαθέσιμο εύρος ζώνης για την αποστολή δεδομένων από τους χρήστες προς κεντρικούς κόμβους να αξιοποιείται αποδοτικά και να διαμοιράζεται δίκαια μεταξύ των χρηστών. Συγκεκριμένα, μελετήσαμε αλγόριθμους δυναμικής ανάθεσης του διαθέσιμου εύρους ζώνης, στην ανοδική πορεία των δεδομένων, για τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα XG-PON (όπως έχουν προτυποποιηθεί από τον διεθνή φορέα ITU-T). Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι επιδιώκουν την δίκαιη πρόσβαση στο μέσο από τις διαφορετικές μονάδες αποστολής δεδομένων, αξιοποιώντας, παράλληλα, αποδοτικά το εύρος ζώνης και επιτυγχάνοντας μικρή καθυστέρηση αναμονής στην ουρά. Προτείνουμε δύο αλγόριθμους δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης, οι οποίοι βασίζονται στις τεχνικές max-min fair και fair queuing. Οι τεχνικές αυτές έχουν αναπτυχθεί κυρίως για χρονοπρογραμματισμό διεργασιών ή πακέτων που βρίσκονται σε ουρές άμεσα συνδεδεμένες με τη συσκευή χρονοπρογραμματισμού η οποία έχει συνεχώς πλήρη γνώση της κατάστασης των ουρών. Στην κλίμακα των δικτύων πρόσβασης, ωστόσο, αυτό δεν είναι εφικτό καθώς οι αποστάσεις μεταξύ χρονοπρογραμματιστή και ουράς ποικίλουν από μερικά μέτρα έως δεκάδες χιλιόμετρα. Συνεπώς, οι τεχνικές προσαρμόστηκαν κατάλληλα ώστε να επιτευχθεί μέγιστη απόδοση και επιπλέον επεκτείναμε τις προτεινόμενες τεχνικές με μεθόδους διαμοίρασης εκ νέου τυχόν εναπομείναν εύρος ζώνης και μεθόδους πρόβλεψης κίνησης, για την περαιτέρω μείωση της καθυστέρησης μετάδοσης των πακέτων. Η μετάβαση των υπολογιστικών κέντρων δεδομένων σε εξ ολοκλήρου οπτικές μονάδες, έχει θετικές συνέπειες τόσο αύξηση του όγκου δεδομένων που μπορούν να εξυπηρετήσουν αλλά και στην μείωση της κατανάλωσης ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία τους. Καθώς αυτή μειώνεται και με δεδομένο πως οι διασυνδέσεις μεταξύ των συσκευών είναι μεγάλες σε αριθμό, γίνεται αντιληπτό πως ένα συγκρίσιμο μέρος της κατανάλωσης ενέργειας στα υπολογιστικά κέντρα οφείλεται στην μετάδοση πακέτων. Επιπλέον, δημιουργείται μεγάλο πλήθος μονοπατιών για την αποστολή δεδομένων μεταξύ τερματικών κόμβων. Συνεπώς, μελετήσαμε τα μοντέλα κατανάλωσης ενέργειας των πομποδεκτών, που χρησιμοποιούνται στις οπτικές διασυνδέσεις, η οποία σχετίζεται άμεσα με το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. 3

18 Προτείναμε, συνεπώς, έναν αλγόριθμο βέλτιστης δρομολόγησης ο οποίος διαμοιράζει κατάλληλα τις ροές κίνησης στα διάφορα μονοπάτια μεταξύ τερματικών κόμβων, ώστε να ελαχιστοποιήσουμε τον απαραίτητο ρυθμό μετάδοσης όλων των συνδέσμων, ώστε τελικά να ελαχιστοποιηθεί η κατανάλωση ενέργειας σε όλο το σύστημα, χωρίς να μειωθεί η απόδοσή του. Στο κείμενο που ακολουθεί αναλύουμε λεπτομερώς τα συστήματα που μελετήσαμε καθώς και τις προτεινόμενες τεχνικές. Συγκεκριμένα στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζουμε την αρχιτεκτονική των παθητικών οπτικών δικτύων, τα δομικά χαρακτηριστικά τους καθώς και τα πρότυπα που έχουν προταθεί από διεθνείς οργανισμούς προτύπων για την υλοποίησή τους. Στο Κεφάλαιο 3, επικεντρωνόμαστε σε μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης στο οπτικό μέσο και περιγράφουμε τον τρόπο λειτουργίας των προτεινόμενων τεχνικών δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης. Επιπλέον, παρουσιάζουμε αποτελέσματα προσομοίωσης που επιβεβαιώνουν την απόδοση των προτεινόμενων τεχνικών. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζουμε την δομή των υπολογιστών κέντρων δεδομένων και την υλοποίησή τους εξ ολοκλήρου με οπτικές συσκευές. Αναλύουμε το όφελος στην κατανάλωση ενέργειας, περιγράφουμε το μοντέλο κατανάλωσης ενέργειας κατά την μετάδοση δεδομένων σε ένα οπτικό σύνδεσμο και παρουσιάζουμε τον προτεινόμενο αλγόριθμο βέλτιστης δρομολόγησης με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας συνολικά στο σύστημά μας. Τέλος, παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα προσομοίωσης που επιβεβαιώνουν την απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου. Τα συμπεράσματα και οι μελλοντικές κατευθύνσεις παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 5 Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Η ανάγκη για επέκταση της οπτικής ίνας σε όσο το δυνατόν μικρότερη απόσταση από τον απλό χρήστη μπορεί να καλυφθεί με την εγκατάσταση παθητικών οπτικών δικτύων στον τομέα πρόσβασης. Ως παθητικά οπτικά δίκτυα ορίζονται τα δίκτυα δεδομένων που υλοποιούνται μέσω οπτικών ινών αποκλειστικά εγκαθιστώντας συνδέσεις σημείο προς πολλά σημεία. Το χαρακτηριστικό τους είναι πως μεταξύ τερματικών συσκευών δεν μεσολαβούν ενεργά στοιχεία όπως ενισχυτές ή αναγεννητές σήματος. Το γεγονός αυτό τα καθιστά ιδανικά για την υλοποίηση δικτύων πρόσβασης στα οποία η απόσταση μεταξύ χρηστών και τερματικών κόμβων των παρόχων είναι έως μερικά χιλιόμετρα. Επιπλέον, η παθητική φύση τους περιορίζει το συνολικό κόστος εγκατάστασης, και έτσι αποτελούν συμφέρουσα λύση για τους παρόχους, η οποία είναι ικανή να αξιοποιήσει την παθητική και διαμοιραζόμενη φύση της οπτικής υποδομής [1] [2]. Αρχιτεκτονική Παθητικών Οπτικών Δικτύων Τα παθητικά οπτικά δίκτυα οργανώνονται σε μια δενδρική δομή και υλοποιούν μια ένας προς πολλούς αρχιτεκτονική επικοινωνίας, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2. Στη βάση αυτής της δομής (στη ρίζα δηλαδή του δένδρου), που βρίσκεται στην πλευρά του παρόχου, υπάρχει ένα τερματικό οπτικής γραμμής (Optical Line Terminator 4

19 OLT). Στην αντίθετη πλευρά βρίσκονται διάφορες Μονάδες Οπτικού Δικτύου Εικόνα 2: Αρχιτεκτονική Παθητικών Οπτικών Δικτύων (Optical Network Units ONUs). Η επικοινωνία των δύο άκρων εξασφαλίζεται μέσω μοναδικής οπτικής ίνας. Ενδιάμεσα μεσολαβεί ένας παθητικός οπτικός διαζεύκτης (Optical Splitter OS) ο οποίος διασπά το ίδιο σήμα που εκπέμπεται από τον OLT με προορισμό τις ONUs, ώστε κάθε μία να λαμβάνει ένα διαφορετικό αντίγραφο του ίδιου σήματος. Η λειτουργία του είναι παθητική και συνεπώς δεν μεταδίδει διαδοχικά αντίγραφα του αρχικού σήματος, αλλά μεταδίδει διαφορετικές ανακλάσεις του ίδιο σήματος προς τις διάφορες κατευθύνσεις. Η λειτουργία αυτή είναι αρκετά απλή και ξεκάθαρη συνεπώς δεν έχει μελετηθεί περαιτέρω στα διάφορα πρότυπα οπότε η λειτουργία της δεν θα μας απασχολήσει στο εξής. Στην προσπάθεια ευρείας χρήσης των παθητικών οπτικών δικτύων, δύο μεγάλοι διεθνείς φορείς προτυποποίησης, το Institute of Electrical and Electronic Engineers (ΙΕΕΕ) και η International Telecommunication Union (ITU-T) [3][4] [5] κατέβαλαν προσπάθεια να ορίσουν συγκεκριμένη δομή λειτουργίας ώστε τα παθητικά οπτικά δίκτυα να είναι επεκτάσιμα και συμβατά μεταξύ διαφορετικών φορέων, αλλά και να υποστηρίζουν υπάρχοντα πρότυπα λειτουργίας εγκατεστημένων δικτύων. Ο Πίνακας Ι παρουσιάζει μια σύνοψη των διαφόρων εκδόσεων 5

20 Πίνακας I: Ομάδες Προτύπων Παθητικών Οπτικών Δικτύων Οικογένεια Προτύπων Πρότυπο Ρυθμός Μετάδοσης Έτος Έκδοσης Τίτλος Οικογένεια Κάτω Ζεύξη Άνω Ζεύξη A-PON G.983.1/ Mb/s 155 Mb/s B-PON G Mb/s 155 Mb/s ITU-T G-PON G Gb/s, Gb/s XG-PON G Gb/s 155 Mb/s, 622 Mb/s, Gb/s Gb/s, Gb/s IEEE E-PON 802.3ah Gb/s 1 Gb/s GE-PON 802.3av Gb/s 1 Gb/s, 10 Gb/s Το πρότυπο της ITU-T για τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Η ITU-T το 1996 δημοσιεύει ένα αρχικό πρότυπο, το G.982 [6], για σημείο προς πολλά σημεία τύπο επικοινωνίας βασισμένο σε οπτικές υποδομές. Το G.982 καθόριζε τη βάση του οπτικού δικτύου διανομής (Optical Distribution Network ODN) πάνω στο οποίο αναπτύχθηκαν μεταγενέστερες αρχιτεκτονικές μετάδοσης παθητικών οπτικών δικτύων. Επίσης, ορίζονται και οι έννοιες του βεληνεκούς εξασθένισης του σήματος, που εμπεριέχει την ελάχιστη και μέγιστη απώλεια ενός ODN. Έτσι δημιουργούνται οι κλάσεις εξασθένισης Α, Β, C, με αντίστοιχες τιμές 5 20 db, db και db. Αργότερα, το 1998, προτυποποιείται το πρώτο σύστημα παθητικού οπτικού δικτύου το Α-PON (G.983.1/2) [7] [8]. Το A-PON χρησιμοποιεί τον τρόπο ασύγχρονης επικοινωνίας (Asynchronous Transfer Mode ATM) ως πρωτόκολλο σηματοδότησης στο επίπεδο 2. Το G επεκτείνει το ODN ώστε να υποστηρίζει λόγους διάσπασης 1x16 και 1x32 με μέγιστη απόσταση της οπτικής ίνας στα 20km. Το πρότυπο αυτό ορίζει επίσης ρυθμούς μετάδοσης 155,52 Mb/s τόσο για τη μεταφορά δεδομένων από το OLT στις ONUs (downstream), όσο και στην αντίθετη κατεύθυνση (upstream). Στην downstream κατεύθυνση το κανάλι χωρίζεται σε πλαίσια, των 56 κελιών, τα οποία μεταδίδονται συνεχόμενα. Τα 54 από τα κελιά περιλαμβάνουν ATM κελιά, ενώ στην αρχή και στη μέση τοποθετούνται κελιά Λειτουργίας, Διαχείρισης και Συντήρησης Φυσικού Επιπέδου (Physical Layer Operation, Administration and Maintenance PLOAM). Κατά την upstream 6

21 κατεύθυνση το κανάλι χωρίζεται σε 53 σχισμές των 56 bytes και η πληροφορία μεταδίδεται με τη μορφή ριπών ATM κελιών. Σε κάθε ATM κελί χρησιμοποιείται μια επικεφαλίδα των 3 bytes ώστε να εξασφαλιστεί αρκετός χρόνος μεταξύ διαφορετικών μεταδόσεων για την αποφυγή συγκρούσεων και το συγχρονισμό των συσκευών. Αυτή σε γενικές γραμμές είναι η λειτουργία που ακολουθούν τα πρότυπα της ITU-T πάνω στην οποία βασίζονται οι εξελίξεις μεταγενέστερων προτύπων για την παροχή μεγαλύτερου εύρους ζώνης. Στις αρχές του 2000 η ITU-T επεκτείνει το A-PON με τα πρότυπα G [9] [10] [11], που ορίζονται ως Broadband-PON (B-PON), με σκοπό να ακολουθήσει τις εξελίξεις των συστημάτων ευρείας ζώνης. Συγκεκριμένα οι επεκτάσεις περιλαμβάνουν τα εξής: Οι broadband υπηρεσίες που υποστηρίζονται, πέρα από των ATM, περιλαμβάνουν την απλή τηλεφωνία (Plain Old Telephony Service POTS), δεδομένα τύπου Ethernet, φωνής μέσω διαδικτύου (Voice over Internet Protocol VoIP) και διαμοίρασης βίντεο δεδομένων Το αρχικό φάσμα συχνοτήτων στην downstream κατεύθυνση χωρίζεται σε δύο ζώνες, μία βασική για χρήση από το B-PON και μία αναβαθμισμένη ζώνη που προορίζεται για περιεχόμενο ραδιο-συχνοτήτων (RF) όπως πολλαπλή εκπομπή βίντεο. Το φάσμα επίσης προσδιορίστηκε για πιθανή χρήση ως ανεξάρτητη πρόσβαση με πολυπλεξία πυκνών μηκών κύματος (Dense Wavelength Division Multiplex DWDM) Για την αποδοτικότερη χρήση της χωρητικότητας κατά την upstream κατεύθυνση, προτυποιήθηκε η μέθοδος δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης Το εύρος ζώνης στην downstream κατεύθυνση επεκτείνεται σε 622 Mb/s Η ασφάλεια του δικτύου αναβαθμίζεται μέσω της τεχνικής κατά την οποία το κλειδί κρυπτογράφησης αλλάζει τουλάχιστον μια φορά κάθε Από το 2000 και μετά η μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο αρχίζει να διευρύνεται. Το B-PON με δυνατότητες μετάδοσης 622 Mb/s και ρυθμό διαμοίρασης 1x32, μπορεί να υποστηρίξει μόλις 20 Mb/s για κάθε εγγεγραμμένο χρήστη (δηλαδή μία ONU στην οποία μπορεί να είναι συνδεδεμένος ένας μεγάλος αριθμός χρηστών οπότε ο τελικός ρυθμός είναι πολύ μικρότερος), ρυθμός μετάδοσης ο οποίος είναι αρκετά περιοριστικός. Συνεπώς, η ITU-T προχωρά στη μετάβαση προς την προτυποποίηση παθητικών οπτικών δικτύων ικανά για Gigabit ρυθμούς μετάδοσης. Το 2003 παρουσιάζει τη σειρά προτύπων G.984 (Gigabit-capable PON G-PON) [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]. Το G-PON μπορεί να υποστηρίξει διάφορα ζεύγη ρυθμών μετάδοσης όπως: συμμετρική μετάδοση σε ρυθμούς 622 Mb/s ή Gb/s, τόσο για την downstream όσο και για την upstream κατεύθυνση, και ασύμμετρη μετάδοση με ρυθμό Gb/s στην downstream και Gb/s στην upstream κατεύθυνση. Η τελευταία είναι η πιό διαδεδομένη. Στο G-PON εισάγεται η μέθοδος ενθυλάκωσης (GPON encapsulation method GEM) για τη μεταφορά δεδομένων, ώστε να επιτυγχάνεται αποτελεσματικό πακετάρισμα με διάσπαση των πλαισίων για την καλύτερη παροχή ποιότητας υπηρεσιών σε κίνηση ευαίσθητη στις καθυστερήσεις, όπως εφαρμογών ήχου και εικόνας. Εξυπηρετεί τρείς επιπέδου 2 τύπους δικτύου: 7

22 ATM για ήχο, Ethernet για δεδομένα και κατάλληλη ενθυλάκωση για βίντεο, καθιστώντας το ικανό για πλήρη υποστήριξη υπηρεσιών όπως ήχου, χρονικής πολυπλεξίας, Ethernet, ATM, μισθωμένες γραμμές και επέκταση ασύρματων συνδέσεων. Επίσης, υποστηρίζει μετάδοση βίντεο ραδιοσυχνοτήτων στη ζώνη μηκών κύματος από nm. Το G-PON παρέχει επίσης τη δυνατότητα λειτουργίας μεταξύ διαφορετικών προϊόντων, έχοντας προτυποποιήσει μια διεπαφή διαχείρισης μεταξύ OLT και ONUs, την Διαχείριση και Έλεγχος Διεπαφής Μονάδας Οπτικού Δικτύου (Optical network unit Management and Control Interface). Το 2010 η ITU-T ολοκλήρωσε το τελευταίο πρότυπο που παρέχει υψηλότερες χωρητικότητες και καλύτερη ποιότητα υπηρεσίας. Το νέο πρότυπο αναφέρεται ως PON ικανό για 10 Gigabit μετάδοση (10Gigabit-capable PON XG-PON) και ορίζεται από την σειρά G.987 [19] [20] [21] [22]. Το πρότυπο ορίζει δύο τύπους δικτύων: Το XG-PON1 το οποίο διευρύνει τις υπάρχουσες τεχνολογίες που είναι συμβατές με τα προηγούμενα πρότυπα καθώς και το υπάρχων ODN, ώστε να τα εφοδιάσει με μεγαλύτερο εύρος ζώνης, υψηλό ρυθμό διαμοίρασης και μεγαλύτερη απόσταση διασύνδεσης. Το XG-PON2 αποτελεί ένα ξεχωριστό σύστημα το οποίο δεν ακολουθεί τους περιορισμούς του προτύπου G-PON. Ωστόσο, λόγω αδυναμίας υποστήριξης από τις υπάρχουσες συσκευές, το XG-PON2 είναι μη υλοποιήσιμο. Επιπλέον, εφόσον το XG-PON είναι η τελευταία οδηγία της ITU-T, το XG-PON1 είναι το σύστημα που θα μελετηθεί στην παρούσα εργασία. Στο πρότυπο XG-PON ορίζονται εκ νέου οι παράμετροι και οι τεχνικές επικοινωνίας που αντιστοιχούν στο φυσικό επίπεδο και το επίπεδο ζεύξης δεδομένων, σύμφωνα με το μοντέλο OSI. Τα αντίστοιχα επίπεδα στο XG-PON αναφέρονται ως: εξαρτώμενο από το φυσικό επίπεδο (Physical-Medium-Dependent / PMD) [20] και το επίπεδο σύγκλισης μετάδοσης (Transmission Convergence / TC) [21]. Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των επιπέδων αυτών προσδιορίζονται κατάλληλα ώστε να καλύπτονται οι απαιτήσεις που καλείται να ικανοποιήσει το XG-PON. Απαιτήσεις Δομικά Χαρακτηριστικά και Παράμετροι του Προτύπου Το XG-PON, ως εν δυνάμει μέσο για την υλοποίηση FTTx αρχιτεκτονικών, περιλαμβάνει ένα σύνολο υπηρεσιών που μπορεί να εξυπηρετήσει όπως: Ασύμμετρες ευρυζωνικές υπηρεσίες (π.χ. IPTV, ψηφιακές υπηρεσίες broadcast, βίντεο κατά απαίτηση, λήψη αρχείων) Συμμετρικές ευρυζωνικές υπηρεσίες (π.χ. content broadcast, , ανταλλαγή αρχείων, εκπαίδευση από απόσταση, τηλε-ιατρική, παιχνίδια μέσω δικτύου) POTS Μέσω του δικτύου πρόσβασης εξυπηρετείται, με ευέλικτο τρόπο, περιορισμένης ζώνης υπηρεσίες τηλεφωνίας μέσω εξομοίωσης (η κίνηση μεταδίδεται μέσω πακέτων στο PON και στη συνέχεια μετατρέπονται στην κατάλληλη μορφή για τη μετάδοσή τους σε παραδοσιακά δίκτυα) ή προσομοίωσης (παροχή παρόμοιας υπηρεσία με την παραδοσιακή). Οι απαιτήσεις για την υπηρεσία αυτή περιλαμβάνουν μέση καθυστέρηση 8

23 μετάδοσης του σήματος μεταξύ των διεπαφών T-V μικρότερη του 1.5 ms. Η συχνότητα είναι στα 8 khz Ιδιωτικές γραμμές - Μέσω του δικτύου πρόσβασης παρέχονται, με ευέλικτο τρόπο, υπηρεσίες μισθωμένων γραμμών σε διάφορους ρυθμούς. Η T1 προϋποθέτει Mb/s ρυθμό μετάδοσης, ενώ η E Mb/s. Και στις δύο περιπτώσεις η μέση καθυστέρηση μετάδοσης του σήματος μεταξύ των διεπαφών T-V πρέπει να είναι μικρότερη του 1.5 ms xdsl οπισθοζεύξη (xdsl backhaul) Υπηρεσίες που προκύπτουν από τη σύνδεση των παθητικών οπτικών δικτύων, μέσω της ONU, σε σταθμούς βάσης ασύρματης επικοινωνίας όπως: συμμετρικές TDM υπηρεσίες (π.χ. οπισθοζεύξη με 2G), συμμετρικές και ασύμμετρες broadband υπηρεσίες πακέτων δεδομένων (π.χ. 3G/4G οπισθοζεύξη), hot spots. Σε αυτές τις συνδέσεις απαιτείται ακριβής συγχρονισμός της συχνότητας, της φάσης και του ρολογιού. Κάθε μια από τις παραπάνω υπηρεσίες απαιτεί συγκεκριμένα όρια εξυπηρέτησης τα οποία θα πρέπει να καλύπτονται από τα PON για να μπορούν να ενσωματωθούν στο ευρύτερο δίκτυο πρόσβασης. Μερικές από αυτές είναι οι εξής: Το XG-PON θα πρέπει να υποστηρίζει αρχιτεκτονικές που βρίσκονται ήδη σε λειτουργία. Θα πρέπει συνεπώς να συνυπάρχει με το G-PON αλλά και το Ethernet. Ειδικότερα για το Ethernet θα πρέπει να υποστηρίζεται η αποστολή Ethernet πλαισίων με μέγιστο μέγεθος 2000 bytes. Πλαίσια jumbo των οποίων το μέγεθος μπορεί να φτάνει έως και 9000 bytes θα μπορούν προαιρετικά να υποστηρίζονται εφόσον όμως δεν επηρεάζεται η απόδοση των ευαίσθητων σε καθυστερήσεις υπηρεσιών και των πακέτων συγχρονισμού. Οι περισσότερες υπηρεσίες προϋποθέτουν ακριβή χρονισμό/συγχρονισμό και χρονομέτρηση των συσκευών που ανταλλάσσουν πακέτα ιδιαίτερα όταν εξυπηρετείται κίνηση 3G ή 4G. Η ποικιλία των υπηρεσιών που αναφέρθηκαν, παρουσιάζουν ένα μεγάλο εύρος χαρακτηριστικών για παροχή ποιότητας υπηρεσίας (QoS). Συνεπώς, απαιτούν συστήματα που θα παρέχουν κατάλληλους μηχανισμούς διαχείρισης της κίνησης. Οι υπηρεσίες POTS απαιτούν ποιότητα ήχου με εγγυημένο σταθερό εύρος ζώνης ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες για μικρή καθυστέρηση και διασπορά. Παρομοίως, και στις υπηρεσίες TDM (όπως Ε1/DS1 για πελάτες επιχειρήσεις) και κινητής τηλεφωνίας. Επίσης για να εξασφαλιστεί η πρόσβαση σε υπηρεσίες που βασίζονται στη μετάδοση πακέτων (όπως IPTV, VoIP, L2/L3 VPNs και υψηλών ταχυτήτων πρόσβαση στο διαδίκτυο) απαιτούνται τουλάχιστον τέσσερις κλάσεις υπηρεσιών για αντίστοιχες ροές κίνησης. Για να εξασφαλιστεί προβάδισμα στην απόρριψη πακέτων, είναι συχνά επιθυμητό να υπάρχουν έξι κλάσεις. Παράλληλα, για να υποστηρίζονται απλοί χρήστες και χρήστες επιχειρήσεων από μία ONU, απαιτείται η από κοινού διαχείριση της κίνησης με βάση τόσο το ρυθμό μετάδοσης όσο και την προτεραιότητα. 9

24 Εικόνα 3: Αρχιτεκτονική Οπτικού Δικτύου Πρόσβασης [19] Τέλος, πάνω στο ίδιο PON θα πρέπει να υποστηρίζονται Ν:1 VLAN, 1:1 VLAN και πρόσβαση σε υπηρεσίες εταιρικού Ethernet VLAN. Προκειμένου να επιτευχθεί η ταυτόχρονη παροχή των ανομοιογενών υπηρεσιών καθώς και η υποστήριξη των διαφορετικών ομάδων χρηστών, το OLT η ONU και το φυσικό επίπεδο έχουν οριστεί κατάλληλα για τη λειτουργία και προς τις δύο κατευθύνσεις. Ένα γενικό μοντέλο οπτικού δικτύου πρόσβασης που αναπαριστά την αρχιτεκτονική του XG-PON παρουσιάζεται στην Εικόνα 3, όπου παρουσιάζονται διαφορετικοί τρόποι χρήσης του ODN για την σύνδεση του OLT με ποικίλες ONUs. Με τον τρόπο αυτό εξυπηρετούνται κατηγορίες χρηστών που μπορεί να διαφέρουν ως προς την τοποθεσία (αναγκαία η τοποθέτηση συσκευών επέκτασης reach extenders (RE)) τους και το είδος της υπηρεσίας που χρειάζονται. Επιπλέον, ορίζονται διάφορες αρχιτεκτονικές ODN που εξασφαλίζουν την συνύπαρξη του XG- PON με υπάρχουσες υπηρεσίες όπως το G-PON και υπηρεσίες διανομής βίντεο μέσω RF. Ιδιαίτερα, στην περίπτωση που το XG-PON αναπτύσσεται με ένα επίπεδο για παροχή υπηρεσιών RF βίντεο, στο ODN είναι απαραίτητη η εγκατάσταση μιας WDM συσκευής ή ενός οπτικού διαζεύκτη/συζεύκτη για το συνδυασμό σημάτων XG-PON και RF. 10

25 Εικόνα 4: Διανομή του Μήκους Κύματος στην Οπτική Ίνα [19] Για τη συνύπαρξη των διαφορετικών υπηρεσιών το πρότυπο επαναπροσδιορίζει τις ζώνες κατανομής των μηκών κύματος μιας οπτικής ίνας, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4. Συγκεκριμένα προσδιορίζονται οι «βασικές ζώνες» που προορίζονται για το XG-PON και οι «ζώνες ενίσχυσης» που έχουν δεσμευτεί για άλλες υπηρεσίες όπως το G-PON και οι υπηρεσίες βίντεο. Για το XG-PON, ορίζεται η ζώνη nm για downstream μετάδοση και η ζώνη nm για upstream μετάδοση. Επιπλέον ορίζονται και κάποιες ζώνες ασφαλείας μεταξύ των «βασικών ζωνών» και των «ζωνών ενίσχυσης». Η παρεμβολή σημάτων μεταξύ αυτών των δύο ζωνών επιφέρει σημαντική εξασθένιση του σήματος και πρέπει να μειωθεί σε αμελητέα επίπεδα. Έτσι, μπορούν να χρησιμοποιηθούν οικονομικά φίλτρα παρεμποδισμού μηκών κύματος (Wavelength Blocking Filter WBF) που υπάρχουν στην αγορά ώστε να επιτυγχάνεται η απαραίτητη απομόνωση εκτός των περιοχών ασφαλείας. Οι ρυθμοί μετάδοσης που ορίζονται στο XG-PON είναι πολλαπλάσια των 8 khz: Το XG-PON1 ορίζει ασύμμετρη μετάδοση με ρυθμό Gb/s στην downstream κατεύθυνση και Gb/s στην upstream. Το XG-PON2 ορίζει συμμετρικό ρυθμό μετάδοσης Gb/s και πρός τις δύο κατευθύνσεις. Η μέγιστη απόσταση της οπτικής ίνας ορίζεται στα 20 km τουλάχιστον, στο φυσικό επίπεδο. Στο επίπεδο μετάδοσης ορίζεται η απόσταση της διαφοράς μεταξύ κοντινότερης και απομακρυσμένης ONU να είναι έως 40 km. Ο λόγος διάσπασης (split ratio) καθορίζεται στο ελάχιστο 1:64 ώστε να επιτρέπεται η συνύπαρξη με το G-PON. Ωστόσο, εκφράστηκε το ενδιαφέρον επέκτασης του λόγου ώστε να βελτιωθεί η συνολική του XG-PON. Ο υψηλότερος λόγος διάσπασης επιτρέπει την επέκταση των PON στον backhaul τομέα ή ακόμα και προς τον τελικό χρήστη παρέχοντας ευέλικτη διαμόρφωση της διάσπασης και αποδοτική 11

26 Εικόνα 5: Επιλογές Δόμησης και Βαθμού Διάσπασης στο XG-PON [19] υποστήριξη διάφορων χρήσεων. Συνεπώς, η μέθοδος TDMA διαχείρισης του XG- PON επιτρέπει 256απλή λογική διάσπαση. Η φυσική διάσπαση στο οπτικό επίπεδο θα πρέπει να επιλεγεί με γνώμονα τις δυνατότητες των οπτικών συσκευών. Η Εικόνα 5 παρουσιάζει παραδείγματα διάσπασης της τοπολογίας των PON. Για να επιτευχθεί σωστός χρονισμός, τα OLTs θα πρέπει να λαμβάνουν συγχρονισμό υψηλής ποιότητας ώστε να λειτουργούν ως κύριες πηγές χρονισμού για τις ONUs. Θα πρέπει, συνεπώς, το XG-PON να παρέχει λειτουργίες μεταφοράς πληροφορίας για την ακριβή φάση και ώρα μεταξύ του OLT και των ONUs, 12

27 λαμβάνοντας υπόψιν την καθυστέρηση διάδοσης και την καθυστέρηση επεξεργασίας μεταξύ των. Η επιπλέον ανακρίβεια που μπορεί να προκύψει στο κομμάτι του PON θα πρέπει να είναι σημαντικά μικρότερη από την αναφερθείσα τιμή ώστε να μένει περιθώριο στα μέρη του υπόλοιπου δικτύου. Για το λόγο αυτό, στη κανονική λειτουργία του, το OLT θα πρέπει να βρίσκεται στη θέση Stratum 1 (με ακρίβεια 1x10-11 ). Ο χρονισμός του OLT θα πρέπει να γίνεται μέσω αποκλειστικής πηγής χρονισμού σήματος ή μέσω σύγχρονης διεπαφής δεδομένων. Το XG-PON είναι ένα κοινό μέσο σύνδεσης στο οποίο όλες οι ONUs που ανήκουν στο ίδιο PON λαμβάνουν όλα τα δεδομένα. Αυτό αποτελεί κίνδυνο για την ασφάλεια των δεδομένων καθώς είναι επιρρεπές σε τεχνικές επιθέσεων όπως spoofing και snooping. Συνεπώς, το πρότυπο προβλέπει μηχανισμούς προστασίας από τέτοιες επιθέσεις. Έτσι, απαιτείται μια διαδικασία αναγνώρισης των ONUs με βάση τον σειριακό τους αριθμό και/ή τον κωδικό εγγραφής που τους ανατέθηκε κατά την αντίστοιχη διαδικασία. Ανάλογη διαδικασία, πιό απλή, είναι απαραίτητη και στις περιπτώσεις επαναφοράς των ONUs από την κατάσταση «ύπνου». Παρομοίως και για τον εξοπλισμό που βρίσκονται στο χώρο των χρηστών (Customer Premises Equipment CPE), απαιτείται η πιστοποίησή τους στο δίκτυο. Για την προστασία απόκτησης των δεδομένων από τρίτους, ιδιαίτερα στην downstream κατεύθυνση, θα πρέπει να υπάρχει μια διαδικασία ισχυρής κρυπτογράφησης (π.χ. AES). Κατά συνέπεια απαιτείται κατάλληλος αξιόπιστος μηχανισμός ανταλλαγής των κλειδιών για την κρυπτογραφημένη επικοινωνία. Μετάδοση Πληροφορίας Πάνω από το Κοινό Μέσο Η μορφή των πλαισίων επικοινωνίας και οι διαδικασίες μετατροπής των μονάδων δεδομένων των υπηρεσιών (Service Data Unit SDU) του ανώτερου επιπέδου σε ακολουθίες bits κατάλληλες για τη διαμόρφωση του οπτικού μέσου, περιγράφονται στο επίπεδο σύγκλισης μετάδοσης στο XG-PON (XG-PON Transmission Convergence layer XGTC). Το επίπεδο XGTC υλοποιείταο τόσο στο OLT όσο και στην ONU ενός συστήματος XG-PON. Στην downstream κατεύθυνση, η διεπαφή μεταξύ των επιπέδων XGTC και PMD αναπαρίσταται από μια συνεχή ροή bit στον ονομαστικό ρυθμό της διεπαφής, η οποία μεταδίδεται σε πλαίσια των 125 μs. Στην κατεύθυνση ανόδου, η διεπαφή μεταξύ XGTC επιπέδου και PMD επιπέδου αναπαρίσταται από μια ακολουθία ριπών χρονισμένων με ακρίβεια. Το επίπεδο XGTC αποτελείται από τρία επιμέρους υποεπίπεδα: Το υπο-επίπεδο XGTC προσαρμογής υπηρεσίας, το υπο-επίπεδο πλαισίωσης στο XGTC και το υπο-επίπεδο προσαρμογής στο φυσικό επίπεδο (PHY). Στις Εικόνες 6, 7 παρουσιάζεται σχηματικά η πλαισίωση μεταξύ των υπο-επιπέδων και προς τις δύο κατευθύνσεις η οποία περιγράφεται αναλυτικότερα στη συνέχεια. Υπο-επίπεδο XGTC προσαρμογής υπηρεσίας: Το υπο-επίπεδο XGTC προσαρμογής υπηρεσίας είναι υπεύθυνο για την ενθυλάκωση, πολυπλεξία και οριοθέτηση των SDUs από το πάνω επίπεδα, κατά τη μεταφορά τους μέσω των PONs. Στην πλευρά του αποστολέα, το υπο-επίπεδο λαμβάνει τις SDUs από τα πάνω επίπεδα, οι οποίες μπορεί να είναι πακέτα δεδομένων ή κίνηση διαχείρισης και 13

28 Εικόνα 6: Διαστρωματική Διαδικασία Ενθυλάκωσης των Μονάδων Δεδομένων και Δημιουργία του Τελικού PHY Πλαισίου Καθόδου [21] ελέγχου των ONUs, αν είναι απαραίτητο εκτελεί διαδικασίες τμηματοποίησης των SDUs, αναθέτει σε κάθε τμήμα ένα XGEM (XG-PON Encapsulation Method) Port-ID και εκτελεί την μέθοδο ενθυλάκωσης σε αυτά για να δημιουργήσει ένα πλαίσιο XGEM. Το ωφέλιμο φορτίο ενός XGEM (XGEM payload) μπορεί προαιρετικά να είναι κρυπτογραφημένο. Μια σειρά πλαισίων XGEM διαμορφώνουν το ωφέλιμο φορτίο ενός πλαισίου XGTC στην downstream κατεύθυνση ή μιας XGTC ριπής στην upstream κατεύθυνση. Στην πλευρά του παραλήπτη στο υπο-επίπεδο XGTC προσαρμογής υπηρεσίας εκτελείται η αντίστροφη διαδικασία. Το ωφέλιμο φορτίο του XGTC πλαισίου ή της ριπής λαμβάνεται, εκτελείται οριοθέτηση των πλαισίων XGEM, τα πλαίσια φιλτράρονται με βάση το Port-ID, αποκρυπτογραφείται το ωφέλιμο φορτίο εάν έχει κρυπτογραφηθεί από τον αποστολέα, επανασυναρμολογούνται οι κατακερματισμένες SDUs και τελικά παραδίδονται στο αντίστοιχο πελάτη. Υπο-επίπεδο πλαισίωσης στο XGTC: Το υπο-επίπεδο πλαισίωσης στο XGTC, είναι υπεύθυνο για την δημιουργία και προσπέλαση των πεδίων επιβάρυνσης (overhead) που υποστηρίζουν την απαραίτητη διαδικασία διαχείρισης του PON. Οι μορφές των 14

29 Εικόνα 7: Διαστρωματική Διαδικασία Ενθυλάκωσης των Μονάδων Δεδομένων και Δημιουργία της Τελικής PHY Ριπής Ανόδου [21] πλαισίων διαιρούνται ώστε τα πλαίσια και τα περιεχόμενά τους να είναι πολλαπλάσια των 4-bytes. Στην πλευρά του αποστολέα, το υπο-επίπεδο πλαισίωσης στο XGTC λαμβάνει από το υπο-επίπεδο προσαρμογής υπηρεσία μια σειρά από πλαίσια XGEM, τα οποία αποτελούν το ωφέλιμο φορτίο, και δημιουργεί το downstream XGTC πλαίσιο ή την upstream XGTC ριπή ενσωματώνοντας overhead πεδία OAM (Operations Administration and Maintenance) και PLOAM (Physical Layer OAM) ανταλλαγής μηνυμάτων μέσω του καναλιού. Το μέγεθος του ωφέλιμου φορτίου κάθε downstream πλαισίου XGTC υπολογίζεται αφαιρώντας το μεταβλητό μέγεθος του overhead για διαχείριση του upstream εύρους ζώνης και το φορτίο των PLOAM, από το σταθερό μέγεθος του downstream πλαισίου. Στην upstream κατεύθυνση μία ριπή XGTC πολυπλέκει τα διάφορα ωφέλιμα φορτία XGTC για διαφορετικά Alloc- 15

30 IDs, ενώ το μέγεθος κάθε φορτίου έχει καθοριστεί από την εισερχόμενη πληροφορία διαχείρισης του εύρους ζώνης. Στην πλευρά του παραλήπτη, όταν ληφθεί ένα XGTC πλαίσιο/ριπή, το υπο-επίπεδο πλαισίωσης, προσπελαύνει τα XGTC πεδία overhead, εξάγοντας την πληροφορία διαχείρισης ή ροής μηνυμάτων PLOAM και παραδίδει το ωφέλιμο φορτίο στο υποεπίπεδο προσαρμογής. Η ροή PLOAM παραδίδεται στην κατάλληλη μηχανή επεξεργασίας και η πληροφορία διαχείρισης και δυναμικής ανάθεσης του upstream εύρους ζώνης επεξεργάζεται από το ίδιο το υπό-επίπεδο πλαισίωσης. Υπο-επίπεδο προσαρμογής στο φυσικό επίπεδο: Το υπο-επίπεδο προσαρμογής στο φυσικό επίπεδο περιλαμβάνει τις διαδικασίες που τροποποιούν τη ροή bit που διαμορφώνουν τον οπτικό μεταδότη με σκοπό την βελτίωση την ανίχνευσης, λήψης και οριοθέτησης του σήματος που μεταδίδεται στο οπτικό μέσο. Στην πλευρά του αποστολέα, το υπο-επίπεδο προσαρμογής στο φυσικό επίπεδο, λαμβάνει το XGTC πλαίσιο/ριπή από το υπο-επίπεδο πλαισίωσης, δημιουργεί τις αντίστοιχες FEC συστάδες δεδομένων, υπολογίζει και επισυνάπτει το FEC πεδίο σε κάθε συστάδα, εκτελεί τη διαδικασία scrambling στο προστατευόμενο περιεχόμενο, προσαρτεί στην αρχή το αντίστοιχο πεδίο PSB (Physical Synchronization Block) και παρέχει συγχρονισμό και στοίχιση της προκύπτουσας ροής. Στην πλευρά του παραλήπτη, εκτελεί τις αντίστοιχες διαδικασίες με την αντίστροφη σειρά: Εκτελείται συγχρονισμός και οριοθέτηση της εισερχόμενης ροής bit, στη συνέχεια η διαδικασία descrambling του περιεχομένου, εκτελεί forward error correction και τέλος παραδίδει το XGTC πλαίσιο στο υπο-επίπεδο πλαισίωσης. Η μετάδοση των πακέτων στο XG-PON γίνεται μέσω χρονικής πολυπλεξίας στο μέσο. Τα δεδομένα προέρχονται ή προορίζονται για συγκεκριμένες υπηρεσίες και μονάδες που ποικίλουν σε μια ONU. Συνεπώς, θα πρέπει να αναγνωρίζονται μοναδικά μέσα στα μεταδιδόμενα πλαίσια για να επιτευχθεί σωστή επικοινωνία. Σε αυτή την κατεύθυνση το XG-PON ορίζει κάποια αναγνωριστικά (IDs) για τις ONUs, τα πλαίσια και τις μονάδες συγκέντρωσης της κίνησης στις ONUs. Ένα ONU-ID (ένα αναγνωριστικό μεγέθους 10 bit) ανατίθεται από το OLT σε μια ONU κατά τη διαδικασία ενεργοποίησής της μέσω PLOAM μηνυμάτων. Το ONU-ID είναι μοναδικό σε ένα PON. Κάθε φορά που μια ONU εισέρχεται στην κατάσταση της αρχικοποίησης, απορρίπτει το προηγούμενο ONU-ID που της έχει ανατεθεί καθώς και όλες τις σχετικές παραμετροποιήσεις. Στην downstream κατεύθυνση, ο OLT πολυπλέκει τα πλαίσια XGEM στο μέσο μετάδοσης χρησιμοποιώντας το XGEM Port-ID ως κλειδί για την αναγνώριση πλαισίων που ανήκουν σε διαφορετικές λογικές συνδέσεις. Κάθε ONU φιλτράρει τα downstream XGEM πλαίσια με βάση τα XGEM Port-IDs και επεξεργάζεται μόνο αυτά που της ανήκουν. Το αναγνωριστικό μιας θύρας XGEM (XGEM Port-ID) είναι ένας 16 bit αριθμός ο οποίος ανατίθεται σε κάθε ξεχωριστή λογική σύνδεση κατά τη διαδικασία 16

31 ενεργοποίησης μιας ONUs. Η ανάθεσή του γίνεται σιωπηρά στη λογική σύνδεση του καναλιού διαχείρισης και ελέγχου (ONU Management and Control Channel OMCC). Κατά την upstream κατεύθυνση, η διαδικασία πολυπλεξίας της κίνησης είναι κατανεμημένη. Συνήθως, το OLT αναθέτει περιόδους μετάδοσης στις μονάδες συγκέντρωσης της κίνησης που υπάρχουν στις υποκείμενες ONUs. Κάθε μονάδα συγκέντρωσης κίνησης στην οποία ανατίθεται εύρος ζώνης για μετάδοση πιστοποιείται μέσω ενός Alloc-ID. Το OLT καθορίζει την πολυπλεξία ως προς το χρόνο των δεδομένων που έχουν ανατεθεί προς αποστολή για κάθε Alloc-ID. Σε κάθε κατανομή εύρους ζώνης, η ONU χρησιμοποιεί το XGEM Port-ID ως κλειδί πολυπλεξίας για να αναγνωρίσει το πλαίσια XGEM που ανήκουν σε διαφορετικές upstream λογικές συνδέσεις. Το αναγνωριστικό κατανομής (Allocation-ID Alloc-ID) είναι ένας 14 bit αριθμός τον οποίο αναθέτει το OLT σε μια ONU για να αναγνωρίζει μια μονάδα συγκέντρωσης κίνησης, που ανήκει στην ONU, στην οποία ανατίθεται εύρος ζώνης αποστολής δεδομένων στην upstream κατεύθυνση. Κάθε τέτοια μονάδα μπορεί να εκπροσωπείται από κάποια T-CONT (Traffic Container) ή από το upstream OMCC. Σε κάθε ONU ανατίθεται τουλάχιστον ένα, αλλά και περισσότερα, Alloc-IDs. Το προεπιλεγμένο Alloc-ID είναι το ίδιο με το ONU-ID και ανατίθεται σιωπηρά. Μέσω αυτού μεταδίδεται κίνηση upstream OMCC, PLOAM και πιθανόν δεδομένα του χρήστη. Επιπλέον Alloc-IDs πρέπει να ανατεθούν ρητά μέσω PLOAM μηνυμάτων και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για την εξυπηρέτηση δεδομένων του χρήστη. Κάθε Alloc-ID είναι μοναδικό για ένα PON και μπορεί να ανατεθεί σε μια μόνο ONU. Δομή Μεταδιδόμενων Πλαισίων Η επικοινωνία στο XG-PON εξασφαλίζεται με τη μεταφορά των πλαισίων τα οποία δομούνται και αποδομούνται στα υπο-επίπεδα, όπως περιεγράφηκαν παραπάνω. Η δομή αυτών των πλαισίων (στο downstream) και των ριπών (στο upstream) για κάθε υπο-επίπεδο περιγράφονται αναλυτικά στη συνέχεια. Εικόνα 8: Διάγραμμα Μετάδοσης Downstream Πλαισίων [21] 17

32 Εικόνα 9: Δομή του Πεδίου PSBd στο Downstream Πλαίσιο [21] Υπο-επίπεδο προσαρμογής στο φυσικό επίπεδο Οι πραγματικές ολοκληρωμένες δομές που μεταδίδονται στο φυσικό επίπεδο μέσω, της οπτικής ίνας, από το OLT προς τις ONUs είναι τα downstream PHY πλαίσια. Το OLT μεταδίδει αδιάκοπα στην downstream κατεύθυνση. Η μετάδοση αυτή διασπάται σε downstream PHY πλαίσια σταθερού μεγέθους, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 8. Η διάρκεια ενός τέτοιου πλαισίου είναι 125 μs η οποία με δεδομένο το ρυθμό μετάδοσης των Gb/s στην downstream κατεύθυνση, μεταφράζεται στο μέγεθος των bytes (38880 λέξεις). To PHY πλαίσιο αποτελείται από ένα τμήμα συγχρονισμού στο φυσικό επίπεδο (Physical Synchronization Block PSBd) 24 bit και το ωφέλιμο φορτίο (σε αυτό το επίπεδο) μεγέθους bytes που αποτελούν το αντίστοιχο XGTC πλαίσιο. Η δομή του PSBd παρουσιάζεται στην Εικόνα 9 και αποτελείται από τρεις ξεχωριστές δομές των 8 bytes: Physical Synchronization sequence (PSync): Πρόκειται για ένα δεδομένο υπόδειγμα μεγέθους 64 bit. Οι ONUs χρησιμοποιούν αυτή την ακολουθία για να ευθυγραμμιστούν στα όρια του PHY πλαισίου. Superframe Counter (SFC) structure: Το 64 bit πεδίο αυτό (51 bits SFC + 13 bits HEC) είναι ένας μετρητής των downstream πλαισίων. Όταν φτάσει στο Εικόνα 10: Διάγραμμα Μετάδοσης Upstream Ριπών [21] 18

33 Εικόνα 11: Δομή του Πεδίου PSBu στην Upstream Ριπή [21] όριο όπου όλα bits είναι 1 μηδενίζεται για το επόμενο πλαίσιο. PON-ID structure: Η δομή αυτή αποτελεί το αναγνωριστικό του PON και ορίζεται από το OLT. Αντίστοιχα, ένα upstream PHY πλαίσιο διατίθται για τη μετάδοση δεδομένων από τις ONUs προς το OLT. Το πλαίσιο αυτό έχει διάρκεια επίσης 125 μs τα οποία στον upstream ρυθμό μετάδοσης Gb/s αντιστοιχούν σε μέγεθος bytes (9720 λέξεις). Κατά την upstream κατεύθυνση, κάθε ONU μεταδίδει μια σειρά από σχετικά σύντομες PHY ριπές, ενώ παραμένει αδρανείς στο διάστημα που μεσολαβεί, όπως φαίνεται στην Εικόνα 10. Κάθε ριπή αποτελείται από ένα τμήμα συγχρονισμού στο φυσικό επίπεδο (Physical Synchronization Block PSBu) και το ωφέλιμο φορτίο. Η δομή του PSBd παρουσιάζεται στην Εικόνα 11 και αποτελείται από ένα πεδίο preamble και ένα delimiter που δίνουν τη δυνατότητα στον δέκτη του OLT να προσαρμοστεί στο επίπεδο του σήματος και να οριοθετήσει τις διαδοχικές ριπές. Το μέγεθος και το υπόδειγμα των πεδίων αυτών εξαρτάται από το προφίλ των ριπών που καθορίζει ο OLT. Κάποιες ενδεικτικές τιμές είναι 160 και 32 bits αντίστοιχα. Ο χρόνος αποστολής κάθε ριπής και το μέγεθός της καθορίζονται από το OLT εκ των προτέρων, ώστε να μην υπάρχει επικάλυψη μεταξύ δεδομένων διαφορετικών ONUs. Οι ριπές έχουν ως σημείο αναφοράς την αρχή κάθε upstream PHY πλαισίου, των οποίων η σειρά καθορίζεται από τα downstream PHY πλαίσια. Συγκεκριμένα, μια ριπή ανήκει στο upstream πλαίσιο Ν εάν η μετάδοσή του έχει καθοριστεί μέσω του downstream πλαισίου N. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει το πρώτο bit της αντίστοιχης επικεφαλίδας της XGTC ριπής να μεταδοθεί εντός ορίων του πλαισίου Ν. Για να εξασφαλιστεί η αποφυγή συγκρούσεων μεταξύ διαφορετικών ριπών,το OLT καθορίζει να υπάρχει περίοδος ασφαλείας (guard time) μεταξύ ριπών από διαφορετικές ONUs. Η περίοδος αυτή περιλαμβάνει το χρονικό διάστημα ενεργοποίησης και απενεργοποίησης των πομπών καθώς και πιθανό διάστημα ολίσθησης του χρονισμού της ONU. Η προτεινόμενη τιμή είναι 64 bits. Υπο-επίπεδο πλαισίωσης στο XGTC Το ωφέλιμο φορτίο του PHY πλαισίου που λαμβάνεται ή προορίζεται από/προς το υπο-επίπεδο προσαρμογής στο PHY επίπεδο αντιστοιχεί στο πλαίσιο XGTC του υπο-επίπεδο πλαισίωσης. Κατά την downstream κατεύθυνση το πλαίσιο XGTC έχει σταθερό μέγεθος bytes και αποτελείται από την επικεφαλίδα XGTC και το αντίστοιχο φορτίο. Το 19

34 Εικόνα 12: Δομή XGTC Downstream Πλαισίου και της Επικεφαλίδας [21] ωφέλιμο φορτίο αποτελεί τις δομές δεδομένων που περιέχουν τα πακέτα πληροφορίας που επεξεργάζονται από το υπο-επίπεδο προσαρμογής υπηρεσίας. Η επικεφαλίδα XGTC αποτελεί σημαντικό μέρος για τη λειτουργικότητα του προτύπου με κρίσιμη πληροφορία στα πεδία που περιέχει. Η δομή του XGTC πλαισίου φαίνεται παραστατικά στην Εικόνα 12. Τα σχετικά πεδία περιέχουν την εξής πληροφορία: HLend: Το πεδίο αυτό έχει σταθερό μέγεθος 4 bytes και ελέγχει το μέγεθος των δύο άλλων μεταβλητών πεδίων. Συγκεκριμένα στο πεδίο BWmap length ο χωρίς πρόσημο ακέραιος αριθμός Ν που περιέχεται, υποδεικνύει τον αριθμό των δομών στο τμήμα του BWmap. Το PLOAM count, περιέχει επίσης έναν χωρίς πρόσημο ακέραιος αριθμός Ρ που υποδεικνύει τον αριθμό των μηνυμάτων PLOAM στο αντίστοιχο τμήμα. Τέλος, η δομή προστατεύεται από το πεδίο ανίχνευσης και δίορθωσης λαθών HEC. BWMap: Το πεδίο αποτελείται από μια σειρά δομών διανομής των 8-byte. Ο αριθμός των δομών αυτών δίνεται στο αντίστοιχο πεδίο του HLend. Το συνολικό του μέγεθος είναι 8 x N bytes. PLOAMd: Το πεδίο, εάν δεν είναι κενό, περιέχει μεταβλητού αριθμού μηνύματα PLOAM. Το μέγεθος κάθε PLOAΜ μηνύματος είναι 48 bytes δίνοντας ένα συνολικό μέγεθος 48 x Ρ bytes. Το πεδίο BWMap έχει ιδιαίτερη σημασία στη λειτουργία του προτύπου καθώς μέσω αυτού πραγματοποιείται η αξιοποίηση του εύρους ζώνης στην upstream κατεύθυνση. Το OLT χρησιμοποιεί το BWMap για να δώσει στις προσκείμενες ONUs και σε κάθε Alloc-ID, που περιέχεται σε μια ONU, ξεχωριστά ευκαιρίες μετάδοσης στην upstream κατεύθυνση. Η συχνότητα και το μέγεθος της διανομής σε κάθε ONU και κάθε Alloc-ID εξαρτάται από τις αντίστοιχες παραμέτρους της υπηρεσίας και την ενεργειακή κατάσταση λειτουργίας. Για το λόγο αυτό η δομή του, όπως φαίνεται στην Εικόνα 13 θα αναλυθεί λεπτομερώς στη συνέχεια. Βάση σχεδιασμού, κάθε BWMap πεδίο μπορεί να περιέχει το πολύ 2047 δομές διανομής. Κάθε δομή διανομής που υπάρχει στο πεδίο, ορίζει ανάθεση εύρους ζώνης σε μια συγκεκριμένη Alloc-ID. Μία ακολουθία μίας ή περισσότερων δομών διανομής που αφορούν κάποια Alloc-IDs που ανήκουν στην ίδια ONU και θα μεταδοθούν 20

35 Εικόνα 13: Δομή του Πεδίου BWmap στο Downstream Πλαίσιο [21] διαδοχικά, δομούν μια σειρά διανομής ριπών. Τα παρακάτω πεδία περιλαμβάνονται σε μια δομή διανομής: Alloc-ID: Το 14 bits πεδίο αυτό περιλαμβάνει έναν αριθμό ο οποίος αντιστοιχεί στο αναγνωριστικό του παραλήπτη του εύρους ζώνης (π.χ. μια συγκεκριμένη T-CONT). Flags: Το πεδίο περιέχει 2 bits. To DBRu bit καθορίζει εάν η ONU θα στείλει την αντίστοιχη αναφορά για το συγκεκριμένο Alloc-ID (το bit έχει την τιμή 1) ή όχι (το bit έχει την τιμή 0). Εάν το PLOAMu bit έχει τεθεί στην τιμή 1 στην πρώτη δομή διανομής που αφορά συγκεκριμένη σειρά διανομής ριπών, τότε η ONU μεταδίδει ένα PLOAM μήνυμα στην επικεφαλίδα της XGTC ριπής, η οποία θα πρέπει να έχει μέγεθος 52 bytes. Στην τιμή 0 δεν μεταδίδεται το PLOAM μήνυμα και η επικεφαλίδα έχει μέγεθος 4 bytes. Για τις υπόλοιπες δομές διανομής της ίδια ριπής η τιμή του πεδίου πρέπει να είναι 0 και να μην λαμβάνεται υπόψιν από τον παραλήπτη StartTime: Το πεδίο αυτό περιέχει ένα 16 bits αριθμό ο οποίος υποδεικνύει στο Alloc-ID στο οποίο απευθύνεται η δομή διανομής, το σημείο του αντίστοιχου upstream PHY πλαισίου, στο οποίο θα μεταδοθεί το πρώτο byte της συγκεκριμένης XGTC ριπής. Το εύρος των τιμών του StartTime είναι από το 0 (αντιστοιχεί στο 1 ο word του upstream PHY πλαισίου) έως 9719 (αντιστοιχεί στο τελευταίο word του upstream PHY πλαισίου). Τα βήματα αύξησης του StartTime είναι της τάξης του 1 word. GrantSize: Το GrantSize πεδίο περιέχει έναν 16 bits αριθμό που υποδεικνύει το μέγεθος του αντίστοιχου ωφέλιμου φορτίου δεδομένων που θα πρέπει να μεταδοθεί απο το Alloc-ID συμπεριλαμβανομένης της DBRu αναφοράς (δεν περιλαμβάνει το overhead της XGTC επικεφαλίδας, της ουράς ή του FEC). Η ελάχιστη τιμή που μπορεί να λάβει είναι 1 (αναφέρεται μόνο στη μετάδοση της DBRu αναφοράς). Η τιμή 0 ανατίθεται μόνο όταν πρόκειται να μεταδοθεί 21

36 PLOAM κίνηση. Τα βήματα αύξησης του GrantSize είναι της τάξης του 1 word. Forced Wake up Indication (WFI): Εάν η αντίστοιχη ONU υποστηρίζει κατάσταση εξοικονόμησης ενέργειας, το WFI τίθεται στο 1 για να επισπεύσει το ξύπνημα μιας ONU που έχει τεθεί σε αδράνεια. Όταν αυτό απαιτείται το FWI τίθεται κατάλληλα στην πρώτη δομή διανομής που αφορά συγκεκριμένη σειρά διανομής ριπών για την ONU. Τα FWI στις ακόλουθες δομές αγνοούνται από την ONU. BurstProfile: Το πεδίο περιέχει ένα 2 bits δείκτη που προσδιορίζει το προφίλ της ριπής που θα χρησιμοποιηθεί από το υπο-επίπεδο προσαρμογής στο PHY επίπεδο, της αντίστοιχης ONU, ώστε να δημιουργηθεί η PHY ριπή. Η τιμή του δείκτη αντιστοιχεί σε ισχύοντα προφίλ που έχουν μεταδοθεί από το κανάλι PLOAM μηνυμάτων. HEC: Το πεδίο ανίχνευσης και διόρθωσης λαθών που αφορά τη δομή διανομής. Είναι ένας συνδυασμός BCH(63, 12, 2) κώδικα που εφαρμόζεται στα πρώτα 63 bits της δομής και ενός bit ισοτιμίας. Αξίζει να σημειωθεί πως η αρχή ενός upstream PHY πλαισίου είναι ένα σημείο αναφοράς που δεν συσχετίζεται με κάποιον εξωγενή παράγοντα. (σε αντίθεση με την αρχή του downstream PHY πλαισίου που οριοθετείται με την αποστολή ή λήψη του πρώτου bit της PSync ακολουθίας). Επίσης, οι χρονικές στιγμές που το OLT και κάθε ONU τοποθετούν την αρχή του upstream PHY πλαισίου διαφέρουν. Στο πεδίο BWMap εισάγονται και συγκεκριμένοι περιορισμοί: Οι διάφορες σειρές διανομής ριπών στο BWMap τοποθετούνται με αύξουσα σειρά ως προς το StartTime Η ελάχιστη τιμή του StartTime είναι 0. Από αυτό συνεπάγεται πως το τμήμα του PSBu ενός upstream PHY πλαισίου μπορεί να ανήκει στο προηγούμενο PHY πλαίσιο Η μέγιστη τιμή του StartTime είναι 1. Από αυτό συνεπάγεται πως μια ριπή μπορεί να ξεπεράσει τα όρια ενός PHY πλαισίου Ο μέγιστος αριθμός δομών διανομής σε κάθε BWMap είναι 512 Ο μέγιστος αριθμός δομών διανομής για κάθε σειρά διανομής ριπών είναι 16 Ο μέγιστος αριθμός δομών διανομής για κάθε ONU σε ένα BWMap είναι 64 Ο μέγιστος αριθμός από σειρές διανομής ριπών για δεδομένων ONU σε ένα BWMap είναι 4 Η ONU θα πρέπει να μπορεί να διαχειρίζεται περιπτώσεις λανθασμένου BWMap που δεν μπορεί να διορθώσει ή με λάθη στη δομή του αναβάλλοντας τη μετάδοσή της ώστε να αποφευχθούν συγκρούσεις. Παραδείγματα τέτοιων περιπτώσεων είναι: η ανίχνευση λαθών που δεν μπορούν να διορθωθούν, η παραβίαση κάποιων κανόνων σχηματισμού του BWMap όπως αναφέρθηκαν παραπάνω, η ανίχνευση ανάθεσης σε αυτή μετάδοση για κάποιο Alloc-ID που δεν το αναγνωρίζει κτλ. Κατά την upstream κατεύθυνση, η διεπαφή μεταξύ του υπο-επιπέδου προσαρμογής στο PHY επίπεδο και του υπο-επιπέδου πλαισίωσης αναπαρίσταται από μια XGTC ριπή. Η XGTC ριπή που μεταδίδεται από κάθε ONU έχει μεταβλητό μέγεθος που 22

37 Εικόνα 14: Δομή XGTC Upstream Ριπής και των Πεδίων της [21] καθορίζεται δυναμικά και αποτελείται από την επικεφαλίδα (burst header), μία ή περισσότερες μονάδες δεδομένων από αντίστοιχες Alloc-IDs, όπως έχει καθοριστεί από το OLT μέσω του BWMap, και την έξοδο (burst trailer). Κάθε μονάδα δεδομένων αποτελείται από το ωφέλιμο φορτίο της ριπής και ένα πεδίο αναφοράς της κατάστασης της ουράς του αντίστοιχου Alloc-ID. Η δομή της XGTC ριπής παρουσιάζεται στην Εικόνα 14. Η λειτουργία των επιμέρους πεδίων είναι η εξής: XGTC burst header: Η επικεφαλίδα της ριπής περιλαμβάνει ένα σταθερό μέρος 4 bytes και ένα μεταβλητού μεγέθους. Στο σταθερό μέρος ανήκουν: το πεδίο με το αναγνωριστικό της ONU που μεταδίδει την ριπή (ONU-ID), το οποίο είναι ένας αριθμός 10 bit. Επίσης, περιέχει το Ind πεδίο με το οποίο η ONU, μέσω 9 bits, παρέχει αυτόματα πληροφορία σχετικά με τη κατάστασή της. Συγκεκριμένα, μέσω του bit 8 η ONU πληροφορεί το OLT για το αν παραμένoυν PLOAM μηνύματα προς μετάδοση ή όχι. Μέσω του bit 0 η ONU υποδεικνύει πως υπάρχει κάποιο τοπικό πρόβλημα που μπορεί να εμποδίζει την ανταπόκριση σε διανομές εύρους ζώνης. Η ένδειξη αυτή μπορεί να βοηθήσει το OLT να διακρίνει προβλήματα στην οπτική ίνα από προβλήματα στις τερματικές συσκευές του χρήστη. Τέλος, περιλαμβάνεται το σχετικό HEC πεδίο. Το μεταβλητό μέρος της επικεφαλίδας μπορεί να περιέχει ένα PLOAM μήνυμα (48 bytes) εάν αυτό έχει καθοριστεί από το OLT στο αντίστοιχο πεδίο PLOAMu του downstream XGTC πλαισίου. Overhead διανομής (DBRu): Το πεδίο αυτό έχει μεγάλη σημασία καθώς υποδεικνύει την πληρότητα της ουράς για ένα συγκεκριμένο Alloc-ID, βάσει της οποίας το OLT υπολογίζει την κατανομή του upstream εύρους ζώνης. Το πεδίο περιέχει ένα 3 bytes αριθμό (BuffOcc) ο οποίος αναπαριστά το συνολικό μέγεθος της κίνησης (SDU), σε μονάδες των 4 bytes λέξεων, από όλες τις ουρές που είναι ανατεθειμένες στο Alloc-ID που στέλνει τα δεδομένα. Συνεπώς, εάν μια SDU έχει μέγεθος L bytes τότε στην τιμή του BuffOcc θα συνεισφέρει κατά! εάν το L > 8 ή διαφορετικά κατά 2. Η! ακρίβεια της αναφοράς είναι πολύ σημαντική συνεπώς θα πρέπει να εκτιμάται κατά τη στιγμή αποστολής της, στην αρχή του Allocation. Το πεδίο 23

38 περιλαμβάνει επίσης και τα CRC bits προστασίας που υπολογίζονται μέσω πολυωνύμου CRC-8 (g(x) = x 8 + x 2 + x + 1) XGTC trailer: Το πεδίο εξόδου της XGTC ριπής περιλαμβάνει είναι το πεδίο εύρους 4-byte πολυπλεγμένου σε bit με άρτια ισοτιμία BIP (Bit-Interleaved even Parity) υπολογισμένο για ολόκληρη τη ριπή XGTC. Ο δέκτης στην OLT επαληθεύει τη BIP για την εκτιμήσει το ρυθμό σφαλμάτων BER στην οπτική άνω ζεύξη. Σημειώνεται ότι εκτίμηση BER με βάση τη BIP ισχύει μόνο όταν το FEC είναι απενεργοποιημένο. Όποτε το upstream FEC είναι ενεργοποιημένο στο υπόστρωμα PHY προσαρμογής, η εκτίμηση BER πρέπει αντ' αυτού να ληφθεί με βάση τα αποτελέσματα της διόρθωσης FEC. Υπο-επίπεδο XGTC προσαρμογής υπηρεσίας Πλαισίωση XGEM Σε ένα XG-PON σύστημα, οι SDUs, που είναι οι μονάδες που περιλαμβάνουν τα πλαίσια δεδομένων του χρήστη, δηλαδή η βασική πληροφορία, μεταφέρονται μέσω των τμημάτων ωφέλιμου φορτίου στα downstream XGTC πλαίσια και τις upstream XGTC ριπές. Οι μονάδες δεδομένων μορφοποιούνται στο πεδίο ωφέλιμου φορτίου μέσω της μεθόδου ενθυλάκωσης στο XGTC (XGTC Encapsulation Method XGEM). Η XGEM υποστηρίζει διαδικασίες κατακερματισμού των SDUs, ενθυλάκωσης, οριοθέτησης και εφαρμόζεται και στις δύο κατευθύνσεις μετάδοσης. Το μέγεθος του XGTC ωφέλιμου φορτίου σε ένα δεδομένο downstream πλαίσιο XGTC είναι ίσο με το μέγεθος του πλαισίου XGTC (το οποίο είναι σταθερό και ίσο με bytes) εάν αφαιρέσουμε το μέγεθος του δεδομένου πλαισίου επικεφαλίδας XGTC. Το μέγεθος του κάθε τμήματος ωφέλιμου φορτίου XGTC σε μια δεδομένη upstream ριπή είναι ίσο με το μέγεθος της αντίστοιχης διανομής εάν αφαιρέσουμε την επιβάρυνση αναφοράς των δεδομένων ουράς. Το ωφέλιμο φορτίο XGTC περιέχει ένα ή περισσότερα πλαίσια XGEM. Κάθε πλαίσιο XGEM, όπως φαίνεται στην Εικόνα 15, περιέχει μια επικεφαλίδα XGEM σταθερού μεγέθους και ένα πεδίο ωφέλιμου φορτίου XGEM μεταβλητού μεγέθους. Τα δύο μέρη δομούνται ως εξής: Η επικεφαλίδα του XGEM έχει μέγεθος 8 bytes και περιέχει τα πεδία: Payload Length Indication PLI: Το μήκος L, σε bytes, μιας SDU ή ενός τμήματος SDU στο ωφέλιμο φορτίο XGEM που ακολουθεί την επικεφαλίδα XGEM. Το πεδίο μήκους 14-bit επιτρέπει την αναπαράσταση ενός ακεραίου από 0 έως 16383, και, ως εκ τούτου, είναι επαρκής για να κωδικοποιήσει το Εικόνα 15: Δομή του XGTC Ωφέλιμου Φορτίου και του XGEM Πλαισίου [21] 24

39 μήκος ενός διευρυμένου πλαισίου Ethernet (έως 2000 bytes), καθώς και ένα πλαίσιο Ethernet jumbo (έως 9000 bytes). Η αξία του PLI είναι ακριβής σε ένα μόνο byte και δεν είναι απαραίτητα ίση με το μέγεθος του ωφέλιμου φορτίου XGEM το οποίο ακολουθεί τα όρια λέξεων 4-byte Key Index: Το 2 bits πεδίο αποτελεί την ένδειξη του κλειδιού κρυπτογράφησης δεδομένων που χρησιμοποιείται για την κρυπτογράφηση του ωφέλιμου φορτίου XGEM. Ανάλογα με το XGEM Port-ID, ο δείκτης κλειδιού αναφέρεται είτε σε ένα προς ένα εκπομπή (unicast) ή ευρεία μετάδοση (broadcast) του τύπου κλειδιού. Με έως και δύο κλειδιά κάθε τύπου έγκυρα σε κάθε δεδομένη στιγμή, η τιμή του δείκτη κλειδιού 01 αναφέρεται στο πρώτο κλειδί, ενώ η τιμή 10 αναφέρεται στο δεύτερο κλειδί. Η τιμή 00 υποδεικνύει ότι το ωφέλιμο φορτίο μεταδίδεται χωρίς κρυπτογράφηση η τιμή 11 είναι δεσμευμένη για μελλοντική χρήση. Εάν ο δείκτης κλειδιού ενός πλαισίου XGEM περιέχει μια δεσμευμένη τιμή ή δείχνει σε ένα άκυρο κλειδί, το ωφέλιμο φορτίο του πλαισίου XGEM απορρίπτεται XGEM port-id: Το 16 bits αναγνωριστικό της θύρας XGEM Port στην οποία ανήκει το πλαίσιο Options: Η χρήση αυτού του 18 bits πεδίου παραμένει για περαιτέρω μελέτη. Το πεδίο έχει ρυθμιστεί στο 0x00000 από τον πομπό και αγνοείται από τον δέκτη Last Fragment - LF: Η ένδειξη τελευταίου κομματιού. Εάν το κομμάτι που είναι ενσωματωμένο στο πλαίσιο XGEM είναι το τελευταίο τμήμα ενός SDU ή ένα πλήρες SDU, το bit LF ορίζεται σε 1 διαφορετικά, το LF bit είναι 0 HEC: Το πεδίο 13 bits ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων για την κεφαλίδα XGEM, το οποίο είναι συνδυασμός ενός κωδικού BCH (63, 12, 2) που ενεργεί στα 63 αρχικά bits της επικεφαλίδας καθώς και σε ένα μονό bit ισοτιμίας Το ωφέλιμο φορτίο XGEM είναι ένα πεδίο μεταβλητού μήκους που ελέγχεται από το πεδίο PLI της επικεφαλίδας XGEM. Σε ένα μη-κενό πλαίσιο XGEM, το μήκος P του ωφέλιμου φορτίου XGEM, σε bytes, σχετίζεται με την τιμή L, που καθορίζεται στο πεδίο PLI ως εξής: P = 4 L, 4 στην περίπτωση που L 8 8, στην περίπτωση που 0 < L < 8 0, στην περίπτωση που L = 0 Το ωφέλιμο φορτίο XGEM μπορεί να περιέχει ένα έως επτά byte συμπλήρωσης (padding) στις λιγότερο σημαντικές θέσεις byte. Ο πομπός γεμίζει τα byte συμπλήρωσης με 0x55. Τα bytes συμπλήρωσης απορρίπτονται από τη μηχανή λήψης XGEM. Κενά XGEM πλαίσια είναι αυτά που δεν περιέχουν κάποιο SDU ή μέρος αυτού. Κάτι τέτοιο μπορεί να προκύψει όταν ο αποστολέας δεν έχει κάποιες μονάδες να στείλει (συμπεριλαμβανομένων των περιπτώσεων μη επιλέξιμων SDUs από ένα μη συντηρητικό χρονοπρογραμματιστή) ή το μέγεθος των SDUs υπερβαίνει το διαθέσιμο τμήμα του XGTC ωφέλιμου φορτίου και η διαίρεσή του μπορεί να 25

40 παραβιάσει κάποιους κανόνες του προτύπου. Ο πομπός δημιουργεί κενά XGEM πλαίσια για να καλύψει το διαθέσιμο κενό τμήμα του XGTC ωφέλιμου φορτίου. Τα κενά XGEM πλαίσια αναγνωρίζονται από την τιμή του πεδίου XGEM Port-ID, η οποία θα πρέπει να είναι ίση με 0xFFFF. Το πεδίο PLI περιέχει το πραγματικό μέγεθος του φορτίου, το οποίο μπορεί να είναι από 0 έως το μέγιστο επιτρεπόμενο μέγεθος για SDU, σε πολλαπλάσια του 4. Επίσης, τα κενά πλαίσια μεταδίδονται ακρυπτογράφητα με το πεδίο Key_Index να το υποδεικνύει και το πεδίο LF να έχει τιμή 1. Έτσι, ο παραλήπτης αγνοεί τα πεδία αυτά και καθώς και το συγκεκριμένο XGEM πλαίσιο. Εάν το διαθέσιμο τμήμα στο τέλος του XGTC ωφέλιμου φορτίου είναι μικρότερο από το μέγεθος μιας XGEM επικεφαλίδας, ο αποστολέας θα πρέπει να δημιουργήσει ένα μικρό κενό πλαίσιο, το οποίο ορίζεται ως τέσσερα μηδενικά bytes. Η οριοθέτηση των πλαισίων XGEM βασίζεται στην ύπαρξη των XGEM επικεφαλίδων. Γνωρίζοντας ο παραλήπτης την θέση της πρώτης επικεφαλίδας στην αρχή του XGTC ωφέλιμου φορτίου, μπορεί μέσω του PLI πεδίου να καθορίσει τη θέση της επόμενης και κατά τον ίδιο τρόπο όλων των υπόλοιπων. Ο παραλήπτης ελέγχει αν ένα XGEM πλαίσιο έχει οριοθετηθεί σωστά εκτελώντας πιστοποίηση HEC στην επικεφαλίδα του επόμενου XGEM πλαισίου. Εάν η πιστοποίηση αποτύχει ο παραλήπτης πρέπει να απορρίψει το πλαίσιο αυτό και όλα όσα ακολουθούν. Το υπο-επίπεδο προσαρμογής υπηρεσίας υποστηρίζει τη δυνατότητα κατακερματισμού των δεδομένων. Δηλαδή, οι SDUs μπορούν να διαιρεθούν σε ένα ή περισσότερα τμήματα και καθένα από αυτά να μεταδοθεί σε διαφορετικά XGEM πλαίσια, όπως φαίνεται στην Εικόνα 16. Ο κατακερματισμός εφαρμόζεται κάτω από συγκεκριμένους κανόνες. Κατά την downstream κατεύθυνση, εαν το διαθέσιμο τμήμα του XGTC ωφέλιμου φορτίου στο τρέχον XGTC πλαίσιο είναι τουλάχιστον 16 bytes και το μέγεθος του προς μετάδοση SDU, συμπεριλαμβανομένης και της XGEM επικεφαλίδας, υπερβαίνει το διαθέσιμο ωφέλιμο φορτίο, το SDU θα πρέπει να διαιρεθεί σε δύο τμήματα, ώστε το πρώτο μέρος να συμπληρώνει το ωφέλιμο φορτίο ενώ το δεύτερο θα μεταδοθεί στο ωφέλιμο φορτίο XGTC του επόμενου XGTC πλαισίου. Εάν Εικόνα 16: Κατακερματισμός Μονάδων Δεδομένων [21] 26

41 το μέγεθος του δεύτερου τμήματος είναι μικρότερο των 8 bytes, τότε θα πρέπει να προστεθούν 8 bytes συμπλήρωσης για να δημιουργηθεί το ελάχιστο XGEM πλαίσιο που είναι 16 bytes. Επίσης, εάν προκύψει περίπτωση κατακερματισμού, τότε το δεύτερο τμήμα της SDU θα πρέπει να τοποθετηθεί πρίν από όλα τα υπόλοιπα SDUs. Κατά την upstream κατεύθυνση, εάν το διαθέσιμο τμήμα του XGTC ωφέλιμου φορτίου στο τρέχον XGTC πλαίσιο είναι τουλάχιστον 16 bytes και το μέγεθος του προς μετάδοση SDU, συμπεριλαμβανομένης και της XGEM επικεφαλίδας, υπερβαίνει το διαθέσιμο ωφέλιμο φορτίο, το SDU θα διαιρεθεί αντίστοιχα σε δύο τμήματα. Το πρώτο θα πρέπει να συμπληρώνει το διαθέσιμο τμήμα του ωφέλιμου φορτίου, ενώ το δεύτερο θα πρέπει να σταλεί με το ωφέλιμο φορτίο XGTC την επόμενη φορά που θα υπάρξει ανάθεση εύρους ζώνης στη συγκεκριμένη Alloc-ID. Όλα υπολειπόμενα τμήματα της Alloc-ID θα πρέπει να μεταδίδονται πριν από κάθε άλλη SDU στην επόμενη ευκαιρία ανάθεσης εύρους ζώνης για αυτή την Alloc-ID. Καθώς το XG-PON υποστηρίζει όλες τις υπηρεσίες δεδομένων, τα Ethernet και Multi-Protocol Label Switching (MPLS) πακέτα τοποθετούνται ως έχουν μέσα στο ωφέλιμο φορτίο του πλαισίου XGEM και μεταδίδονται είτε αυτούσια, είτε κατακερματισμένα. Στα Ethernet πακέτα αφαιρούνται τα πεδία IEEE 802 preamble και SFD πριν την ενθυλάκωσή τους. Χρονισμός downstream και upstream PHY πλαισίων Το χρονικό διάστημα, που παρατηρείται στο OLT, μεταξύ της μετάδοσης ενός downstream PHY πλαισίου και τη λήψη της αντίστοιχης upstream PHY ριπής από συγκεκριμένη ONU, αναφέρεται ως καθυστέρηση μετ επιστροφής (Round Trip Delay RTD) της ONU. Η καθυστέρηση αυτή περιλαμβάνει την μετ επιστροφής καθυστέρηση διάδοσης, η οποία είναι ανάλογη με την απόσταση της ίνας που συνδέει την συγκεκριμένη ONU με το OLT, και το χρόνο απόκρισης της ONU. Η RTD διαφέρει μεταξύ των ONUs. Για να εξασφαλιστεί πως οι ριπές από διαφορετικές ONUs στοιχίζονται στα όρια του ίδιου upstream PHY πλαισίου, κάθε ONU πρέπει να καθυστερήσει την μετάδοση της ριπής επιπλέον από την καθυστέρηση απόκρισης. Ο επιπλέον χρόνος αναφέρεται ως καθυστέρηση εξισορρόπησης (Equalization Delay - EqD). Η EqD υπολογίζεται από το OLT για κάθε ONU κατά τη φάση ενεργοποίησής της. Για να αποφευχθούν τυχόν συγκρούσεις με την κανονική upstream κίνηση κατά τη διάρκεια ανάθεσης σειριακών αριθμών των νεοεισελθέντων ONUs, το OLT πρέπει να παύει προσωρινά τις upstream μεταδόσεις από τις εν λειτουργία ONUs, για το χρονικό διάστημα που απαιτείται μέχρι μια νέα ONU να είναι έτοιμη για την αποστολή κάποιας ριπής. Κατά την διαδικασία ενεργοποίησης μιας ONUs εκτελούνται τρείς ενέργειες: Η φάση συγχρονισμού, κατά την οποία η ONU, παραμένοντας ανενεργή, αρχικοποιεί ένα τοπικό στιγμιότυπο της downstream κατάστασης συγχρονισμού και επιτυγχάνει συγχρονισμό στα downstream PHY πλαίσια Η φάση απόκτησης σειριακού αριθμού, κατά την οποία η ONU αρχίζει να μαθαίνει τις παραμέτρους του προφίλ της ριπής που θα χρησιμοποιείται για 27

42 την upstream μετάδοση. Η ONU δηλώνει την παρουσία της στο PON απαντώντας στις χορηγήσεις σειριακού αριθμού. Η χορήγησης σειριακού αριθμού είναι μια δομή ανάθεσης που βρίσκεται στο broadcast Alloc-ID και έχει ενεργοποιημένη τη σημαία PLOAMu. H φάση καθορισμού παραμέτρων (ranging), κατά την οποία η ONU ανταποκρίνεται στις αντίστοιχες στοχευμένες δομές. Μία δομή καθορισμού παραμέτρων είναι μια δομή ανάθεσης που προορίζεται για προεπιλεγμένη Alloc-ID της ONU και έχει ενεργοποιημένη τη σημαία PLOAMu. Το OLT εκτελεί μετρήσεις της καθυστέρησης μετ επιστροφής, υπολογίζει την καθυστέρηση εξισορρόπησης και τα επικοινωνεί στην ONU. Όλες οι μεταδόσεις από τις ONUs έχουν ως σημείο αναφοράς την αρχή του downstream PHY πλαισίου που μεταφέρει το BWMap το οποίο περιέχει τις αντίστοιχες δομές ανάθεσης των ριπών. Για το λόγο αυτό, κάθε ONU διατηρεί ένα συνεχές ρολόι upstream PHY πλαισίου το οποίο συγχρονίζεται με το ρολόι downstream PHY πλαισίου και ένα μέγεθος αντιστάθμισης (offset). Η τιμή του offset είναι το άθροισμα του χρόνου απόκρισης της ONU και της αναγκαίας καθυστέρησης. Το εύρος της τιμής απόκρισης της ONU είναι μια παράμετρος του συστήματος η οποία επιλέγεται έτσι, ώστε να δοθεί επαρκής χρόνος στην ONU να λάβει το downstream πλαίσιο, συμπεριλαμβανομένου και του BWMap, να εκτελέσει του ελέγχους FEC και να προετοιμάσει την upstream απάντηση. Συνεπώς, όλες οι ONUs απαιτείται να έχουν χρόνο απόκρισης 35 ± 1 μs. Την τιμή αυτή πρέπει να την γνωρίζει και η ONU. Με τον γενικό όρο «αναγκαία καθυστέρηση» χαρακτηρίζεται η συνολική επιπλέον καθυστέρηση στην οποία υπόκειται η ONU για τη μετάδοση της upstream ριπής. Η καθυστέρηση αυτή είναι απαραίτητη για να αντισταθμιστούν διαφορές στις καθυστερήσεις διάδοσης και επεξεργασία μεταξύ των διαφορετικών ONUs, ώστε να αποφευχθούν ή να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα συγκρούσεων μεταξύ upstream μεταδόσεων. Το OLT καθορίζει τιμές αυτές βάσει διαδοχικών μετρήσεων στο σύστημα. Οι σχετικοί χρόνοι παρουσιάζονται στην Εικόνα 17. Συγκεκριμένα, το OLT υπολογίζει το χρόνο που μεσολαβεί από την έναρξη αποστολής ενός downstream PHY πλαισίου που μεταφέρει ένα συγκεκριμένο BWMap και την έναρξη λήψης του αντίστοιχου upstream PHY πλαισίου στο οποίο αναφέρεται (T!"# ) βασισμένο στις παραμέτρους σχεδιασμού του ODN: T!"# RespTime!"# + (L!"# + D!"# ) (n!"## + n!"#$ ) c όπου η RespTime!"# είναι ο χρόνος απόκρισης, L!"# είναι το ελάχιστο μήκος της οπτικής ίνας, D!"# είναι η μέγιστη απόσταση της οπτικής ίνας μεταξύ της πλησιέστερης και της πιο απομακρυσμένης ONU, n!"## και n!"#$ οι δείκτες ταχύτητας ανάκλασης για τα μήκη κύματος φωτός στα 1577 nm και 1270 nm. c είναι η ταχύτητα του φωτός σε km/μs. Η τιμή του T!"# παραμένει σταθερή σε όλη τη ζωή του PON. 28

43 Εικόνα 17: Υπολογισμός της Καθυστέρησης Εξισορρόπισης για μια ONU [21]. Όταν το OLT αναθέτει μια δομή ranging σε μια ONU κατά τη φάση καθορισμού παραμέτρων, μετρά με ακρίβεια το χρόνο που μεσολαβεί μεταξύ του downstream PHY πλαισίου που περιέχει την ανάθεση και της upstream PHY ριπής που περιέχει την απόκριση (Δ!!"# ). Με δεδομένο το T!"#, η καθυστέρηση εξισορρόπησης της ONU i υπολογίζεται ως εξής: EqD! = T!"# RTD! = T!"# (Δ!!"# StartTime R!"# ) όπου R!"# είναι ο ονομαστικό ρυθμός μετάδοσης στην upstream κατεύθυνση σε words/μs. Εναλλακτικά, το OLT μπορεί να μετρήσει την καθυστέρηση εξισορρόπησης απευθείας, χρονομετρώντας το διάστημα μεταξύ του πραγματικού και του επιθυμητού χρόνου άφιξης της ριπής που περιέχει την απόκριση. Η ακρίβεια της καθυστέρησης εξισορρόπησης που έχει υπολογιστεί από το OLT και επικοινωνείται στην ONU είναι σε επίπεδο ενός bit ως προς τον ονομαστικό ρυθμός μετάδοσης στην upstream κατεύθυνση των Gb/s. Από τη στιγμή που η ONU έχει ενημερωθεί με την τιμή της καθυστέρησης εξισορρόπησης, θεωρείται συγχρονισμένη στην αρχή του upstream PHY πλαισίου και τα δεδομένα της μεταδίδονται με σημείο αναφοράς αυτή τη χρονική στιγμή. Στο εξής το OLT αναμένει τα δεδομένα της ONU να φτάνουν σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή, μέσα στο upstream PHY πλαίσιο, κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας. Ωστόσο, η φάση άφιξης της μετάδοσης μπορεί να ολισθήσει λόγω μεγάλου χρόνου λειτουργίας, αλλαγές θερμοκρασίας κτλ. Στις περιπτώσεις αυτές, η καθυστέρηση εξισορρόπησης μπορεί να επανυπολογιστεί και να προσαρμοστεί, χωρίς να μεταβεί η ONU στη φάση αρχικοποίησης. 29

44 Η αλλαγή της καθυστέρησης εξισορρόπησης είναι ίση με το διάστημα ολίσθησης με αντίθετο πρόσημο. Δηλαδή, αν η ριπή φτάσει νωρίτερα, το OLT αυξάνει αντίστοιχα την καθυστέρηση εξισορρόπησης. Εάν φτάσει αργότερα, τότε η καθυστέρηση εξισορρόπησης μειώνεται. Η νέα τιμή επικοινωνείται κατάλληλα στην ONU. Για την αποφυγή εξαιρετικά συχνών προσαρμογών και την εξασφάλιση της συμβατότητας της ONU, το OLT διαθέτει δύο κατώφλια ολίσθησης. Το κατώτερο κατώφλι ορίζει το ασφαλές διάστημα στο οποίο η ολίσθηση θεωρείται αποδεκτή και δεν απαιτείται κάποια μετρίαση. Όταν η ολίσθηση ξεπεράσει αυτό το κατώφλι, η παραπάνω διαδικασία υπολογισμού νέας καθυστέρησης εξισορρόπησης ενεργοποιείται. Το άνω κατώφλι καθορίζει το κρίσιμο σημείο πέρα από το οποίο η ολίσθηση μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τις μεταδόσεις των υπολοίπων ONUs στο PON. Εάν η ολίσθηση ξεπεράσει αυτό το κατώφλι τότε το OLT μεταδίδει προειδοποιητικά σήματα παρεμβολής και λαμβάνει πιο δραστικά μέτρα που μπορεί να περιλαμβάνουν την απενεργοποίηση της ONU που έχει παρεκτραπεί. Οι προτεινόμενες τιμές των κατωφλίων είναι, για ονομαστικό ρυθμό μετάδοσης στην upstream κατεύθυνση των Gb/s, ±8 bits για το κάτω και ±16 bits για το άνω κατώφλι. Πέρα από το συγχρονισμό των downstream και upstream PHY πλαισίων, πολύ σημαντικός είναι και ο ακριβής συντονισμός των ρολογιών των ONUs με του OLT. Η απαραίτητη ακρίβεια του ρολογιού στην ONU είναι ±1 μs. Για το συντονισμό των ρολογιών προβλέπει τα εξής: Υποθέτουμε πως το OLT έχει ένα ακριβές ρολόι πραγματικού χρόνου. Το OLT πληροφορεί την ONU για την ακριβή ώρα που θα καταγραφόταν εάν ένα συγκεκριμένο downstream PHY πλαίσιο έφτανε σε μια υποθετική ONU που είχε μηδενικές καθυστερήσεις. Το πλαίσιο αυτό αναγνωρίζεται από τον μετρητή N. Έχοντας μάθει η ONU την ώρα που μεταδίδει το πλαίσιο Ν, μπορεί να υπολογίσει με μεγάλη την σχετική ώρα με βάση την άφιξη ενός τυχαίου downstream πλαισίου και των αντίστοιχων καθυστερήσεων εξισορρόπησης και απόκρισης. Τα βήματα για το συγχρονισμό των slave ρολογιών των ONUs με το master ρολόι του OLT είναι τα εξής: Το OLT επιλέγει ένα downstream XGTC frame ως χρονική αναφορά. Το frame αυτό καθορίζεται από τον μετρητή superframe N και σχετίζεται με μία τιμή Tsend!, η οποία είναι η ακριβής χρονική στιγμή κατά την οποία θα αποσταλεί το πρώτο bit του frame. Συνίσταται το frame αυτό να είναι κάποιο από τα frames που θα αποσταλούν στα επόμενα δέκα δευτερόλεπτα. Έπειτα το OLT καθορίζει την τιμή Tstamp!, η οποία είναι η ακριβής χρονική στιγμή κατά την οποία θα φτάσει το πρώτο bit του πλαισίου N σε μια υποθετική ιδανική ONU με μηδενική EqD και καθυστέρηση επεξεργασίας (RspTime). Η τιμή υπολογίζεται ως εξής: όπου: Tstamp! = Tsend! + Δ!"# Δ!"# = T!"# n!"## n!"## + n!"#$ 30

45 n!"## n!"## + n!"#$ = Η δυάδα αυτή (Ν, Tstamp! ) αποθηκεύεται τοπικά στο OLT και αποστέλλεται σε μία ή περισσότερες ONUs Μία ONU i με βάση την Tstamp! υπολογίζει την ακριβή χρονική στιγμή κατά την οποία θεωρητικά θα έπρεπε να φτάσει σε αυτή το πρώτο bit του πλαισίου, ΤrecvN,ι, ώς εξής: όπου: Trecv!,! = Tstamp! Δ! n!"## Δ! = (EqD! + RespTime! ) n!"## + n!"#$ Όταν η ONU i λάβει κάποιο μεταγενέστερo downstream frame Κ, μπορεί να επαναπροσδιορίσει το ρολόι με βάση την τιμή Trecv!,! = Trecv!,! + Κ Ν 125 μs Η διαδικασία συγχρονισμού πρέπει να ολοκληρωθεί σε διάστημα 10 δευτερολέπτων. Προτυποποιημένος Μηχανισμός Πολλαπλής Πρόσβασης και Μηνύματα Ελέγχου Η ποιότητα υπηρεσίας είναι από τις βασικές απαιτήσεις που θα πρέπει να καλύπτει ένα PON. Σε ένα XG-PON σύστημα, η δυνατότητα παροχής ποιότητας υπηρεσίας υποστηρίζονται εξίσου από το OLT και την ONU και σχετίζονται με τον τρόπο και τα μέσα διανομής/ανάθεσης των διαθέσιμων πόρων του συστήματος, συμπεριλαμβανομένων της χωρητικότητας, του χώρου συγκέντρωσης της κίνησης και του ψηφιακού εύρους ζώνης, σε ξεχωριστές ροές κίνησης ή συγκέντρωσης ροών κίνησης. Μία ροή κίνησης χαρακτηρίζεται από ένα συγκεκριμένο σύνολο παραμέτρων υπηρεσίας στην upstream κατεύθυνση. Οι παράμετροι αυτές αναπαριστώνται από ένα διάνυσμα κίνησης το οποίο έχει τη γενική μορφή: όπου: D = (R!, R!, R!, χ!", P, ω) R! : είναι το σταθερό εύρος ζώνης σε bit/s R! : είναι το εξασφαλισμένο εύρος ζώνης σε bit/s R! : είναι μέγιστο εύρος ζώνης σε bit/s χ!" : είναι ένας τριαδικός δείκτης επιλεξιμότητας για την ανάθεση επιπλέον εύρους ζώνης: {κανένα, μη-εξασφαλισμένο (non-assured NA), βέλτιστης προσπάθειας (best-effort BE)}; P : δηλώνει την προτεραιότητα για χορήγηση εύρους ζώνης βέλτιστης προσπάθειας ω: είναι ο συντελεστής χορήγησης εύρους ζώνης βέλτιστης προσπάθειας Αναλυτικότερα οι παράμετροι ορίζονται ως εξής: 31

46 Σταθερό εύρος ζώνης RF 0, αντιπροσωπεύει το εξασφαλισμένο τμήμα της χωρητικότητας ζεύξης που διατίθενται για τη συγκεκριμένη ροή κυκλοφορίας, ανεξάρτητα από τη ζήτηση της κυκλοφορίας του και τις εν γένει συνθήκες κυκλοφοριακού φόρτου. Εξασφαλισμένο εύρος ζώνης, RA 0, αντιπροσωπεύει το τμήμα της χωρητικότητας ζεύξης που διατίθενται για τη συγκεκριμένη ροή της κυκλοφορίας, εφόσον η ροή έχει ανικανοποίητη ζήτηση κυκλοφορίας, ανεξάρτητα από τις συνολικές συνθήκες κυκλοφοριακής κίνησης. Μέγιστο εύρος ζώνης, RM > 0, αντιπροσωπεύει το ανώτατο όριο για το συνολικό εύρος ζώνης που μπορεί να διατεθεί για τη ροή κυκλοφορίας κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες κίνησης. Η ορισμένη γενική μορφή περιγραφής κίνησης επιτρέπει την υποστήριξη τόσο υπηρεσιών που βασίζονται σε ποσόστωση όσο και υπηρεσιών που βασίζονται σε προτεραιότητα, με την κατάλληλη ρύθμιση των προαναφερθέντων συντελεστών περιγραφής κυκλοφορίας. Συντελεστές περιγραφής κυκλοφορίας υποστηρίζονται επίσης για αθροιστικές ροές. Ποιότητα Υπηρεσίας στο XG-PON Σε συστήματα XG-PON η παροχή ποιότητας υπηρεσίας QoS (Quality of Service) εφαρμόζεται τόσο στις ONU όσο και στο OLT. Για το σκοπό αυτό, η κίνηση στο δίκτυο κατηγοριοποιείται ως εξής Κίνηση σταθερού εύρους ζώνης (fixed bandwidth): Η κίνηση σταθερού εύρους ζώνης εξυπηρετείται με σταθερό ρυθμό ανεξάρτητα από την κίνηση στο δίκτυο. Κίνηση εξασφαλισμένου εύρους ζώνης (assured bandwidth): Η κίνηση εγγυημένου εύρους ζώνης εξυπηρετείται με το ρυθμό που χρειάζεται κάθε χρονική στιγμή μέχρι ένα άνω όριο. Το όριο καθορίζεται από το επίπεδο ποιότητας υπηρεσίας που έχει αποφασιστεί κατά την εγκατάσταση των αντίστοιχων συνδέσεων SLA (Service Level Agreement). Λοιπή κίνηση (best-effort): Η κίνηση της κατηγορίας αυτή εξυπηρετείται μόνο εφόσον απομένει διαθέσιμο εύρος ζώνης από τις προηγούμενες. Στα πλαίσια του XG-PON η κατηγορία υποδιαιρείται σε δύο επιπλέον υποκατηγορίες, την υπο-κατηγορία μη-εγγυημένου εύρους ζώνης (non-assured) και την υποκατηγορία best-effort. Στην downstream κατεύθυνση, είναι στην αρμοδιότητα του OLT να μορφοποιήσει την κίνηση και να προσδώσει σε κάθε ONU και στις επιμέρους συνδέσεις, όπως καθορίζονται από τα XGEM port-ids τους. Στην ανοδική κατεύθυνση, χρησιμοποιείται η έννοια των T-CONT (Traffic Contrainer), τα οποία για τους σκοπούς της παροχής QoS ομαδοποιούν κίνηση με παρόμοια χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα: Τα T-CONT τύπου 1 παρέχουν σταθερό εύρος ζώνης και χρησιμοποιούνται για να πολυπλέξουν κίνηση σταθερού ρυθμού η οποία έχει ευαισθησία στην καθυστέρηση και τη διασπορά της. 32

47 Τα T-CONT τύπου 2 παρέχουν εγγυημένο εύρος ζώνης και χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν on-off κίνηση με γνωστές απαιτήσεις και η οποία δεν παρουσιάζει ευαισθησία στην καθυστέρηση και τη διασπορά της. Τα T-CONT τύπου 3 παρέχουν εγγυημένο εύρος ζώνης, αλλά έχουν επίσης και τη δυνατότητα να λάβουν επιπλέον εύρος ζώνης εφόσον αυτό περισσεύει. Χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν κίνηση ριπής (bursty) με σταθερές κατά μέσο όρο απαιτήσεις. Τα T-CONT τύπου 4 παρέχουν μη-εγγυημένο εύρος ζώνης και χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν κίνηση ριπής η οποία δεν παρουσιάζει ευαισθησία στην καθυστέρηση και τη διασπορά της. Τέλος, τα T-CONT τύπου 5 αποτελούν ένα συνδυασμό των παραπάνω και χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν κίνηση η οποία έχει γενικότερα χαρακτηριστικά και δεν εμπίπτει στις παραπάνω κατηγορίες. Πρακτικά, το OLT είναι υπεύθυνο για την ανάθεση εύρους ζώνης σε κάθε T-CONT, ανάλογα με τις απαιτήσεις των συνδέσεων που το συγκροτούν, και η διαδικασία επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλων αλγορίθμων ανάθεσης εύρους ζώνης. Πολλαπλή Πρόσβαση στο Ρεύμα Ανόδου Σε ένα σύστημα XG-ΡΟΝ, η πρόσβαση μέσου για την upstream κυκλοφορία ελέγχεται από την OLT. Το OLT δίνει εντολή σε κάθε ONU πότε να μεταδώσει στην upstream κατεύθυνση συμπεριλαμβάνοντας μια δομή χάρτη εύρους ζώνης (BWmap) σε κάθε downstream PHY πλαίσιο. Οι μεταδόσεις στην upstream κατεύθυνση συνδέονται με τη λήψη του downstream PHY πλαισίου που μεταδίδεται από την OLT κάθε 125 μs. Ωστόσο, ένα downstream PHY πλαίσιο που περιέχει το BWmap μπορεί να φθάσει στις διαφορετικές ONU σε διαφορετικούς χρόνους εξαιτίας της τοποθέτησης των ONU σε ποικίλες αποστάσεις από την OLT. Οι ατομικές καθυστερήσεις εξισορρόπησης, που αποφασίστηκαν κατά τη ranging φάση, συμβάλουν στο να στοιχίζονται κατάλληλα όλες οι ONUs, ώστε να αντιλαμβάνονται την αρχή του αντίστοιχου upstream PHY πλαισίου την ίδια χρονική στιγμή. Αυτό σημαίνει πως αν οποιεσδήποτε ONUs αποστείλουν δεδομένα την ίδια χρονική στιγμή ως προς το upstream πλαίσιο, τότε τα δεδομένα αυτά θα φτάσουν στο OLT ακριβώς την ίδια χρονική στιγμή. Μετά το ranging, όλες οι ONU συγχρονίζονται στο upstream πλαίσιο. Στη συνέχεια, μπορούν να μεταδώσουν στην upstream κατεύθυνση σύμφωνα με τις πληροφορίες που περιέχονται στο BWmap. Η δομή BWmap αποτελείται από μια σειρά δομών ανάθεσης. Κάθε δομή ανάθεσης απευθύνεται σε ένα συγκεκριμένο Alloc-ID μιας συγκεκριμένης ONU και μια σειρά τέτοιων αναθέσεων που προορίζονται για την ίδια ONU ονομάζεται σειρά αναθέσεων ριπής. Η σειρά αναθέσεων ριπής καθορίζει ακριβώς το σημείο εκκίνησης για την upstream ριπή μιας συγκεκριμένης ONU εντός του πλαισίου upstream PHY καθώς και μια ακολουθία μεγεθών ανάθεσης που επιτρέπεται να μεταδώσει η ONU. Οι δείκτες εκκίνησης αναφέρονται σε μετατοπίσεις εντός του πλαισίου upstream ΡΗΥ (στο υπόστρωμα προσαρμογής 33

48 Εικόνα 18: Μετάδοση Δεδομένων στο XG-PON ΡΗΥ), ενώ τα μεγέθη ανάθεσης αφορούν το ωφέλιμο φορτίο του πλαισίου XGTC (στο υπόστρωμα πλαισίου). Με τον τρόπο αυτό το OLT μπορεί να προσαρμόζει δυναμικά το μέγεθος και τη συχνότητα των αναθέσεων ελέγχοντας έτσι τις πραγματικές ταχύτητες δεδομένων των ONU στην upstream κατεύθυνση. Η διαδικασία παρουσιάζεται αναλυτικά στην Εικόνα 18. Πρωτόκολλα Δυναμικής Ανάθεσης Εύρους Ζώνης σε Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Η ανάθεση του εύρους ζώνης είναι η διαδικασία με την οποία το OLT αναθέτει μεταδόσεις δεδομένων στις ONUs. Ένας δυναμικός μηχανισμός ανάθεσης κατά τις γενικές περιπτώσεις προτιμάται, καθώς μπορεί να προσαρμόσει την διαμοίραση του εύρους ζώνης στις δυναμικές αλλαγές του φόρτου κίνησης που προκύπτει στις ONU, βελτιστοποιώντας κατά αυτό τον τρόπο την αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Συνεπώς, ο μηχανισμός δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης (DBA) που εκτελείται στο OLT πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις όλων των ONUs και να διαμοιράζει το διαθέσιμο εύρος ζώνης κατά τρόπο αποδοτικό και επιπλέον δίκαιο. Η διαδικασία αυτή αποτελείται από την εκτίμηση του ποσοστού του εύρους ζώνης που θα ανατεθεί σε κάθε ONU και επιπλέον από τον καθορισμό των χρονικών στιγμών έναρξης της μετάδοσης για κάθε ONU. H δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης στα XG-PON γίνεται με βάση αναγνωριστικά (Alloc-IDs), τα οποία ανατίθενται στις ONU με βάση τα T-CONT τα οποία έχουν δημιουργήσει. Ο αλγόριθμος δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης χρησιμοποιεί άμεσες (status reporting) ή έμμεσες (traffic monitoring) μεθόδους για να εκτιμήσει τις στιγμιαίες απαιτήσεις κάθε Alloc-ID, και έπειτα υπολογίζει το εύρος ζώνης που θα πρέπει να ανατεθεί σε κάθε ένα από αυτά με βάση τις παρακάτω προϋποθέσεις και με αυστηρή προτεραιότητα στην ιεραρχία των κλάσεων: 34

49 To ΟLT υποχρεωτικά αναθέτει το απαραίτητο εύρος ζώνης για όλα τα fixedbandwidth Alloc-IDs, ανεξάρτητα από το ατομικό φορτίο κίνησης αλλά και τις συνθήκες κίνησης συνολικά στο δίκτυο Στη συνέχεια το OLT ολοκληρώνει τη διαδικασία εξυπηρέτησης του εγγυημένου εύρους ζώνης αναθέτοντας το απαραίτητο εύρος ζώνης για όλα τα assured-bandwidth Alloc-IDs. Η ανάθεση δε μπορεί να υπερβαίνει το όριο εξυπηρέτησης που έχει τεθεί για κάθε Alloc-ID Το OLT υπολογίζει το υπολειπόμενο διαθέσιμο εύρος ζώνης που προκύπτει μετά την εξυπηρέτηση των δύο παραπάνω κατηγοριών. Εάν υπάρχει, το υπολειπόμενο εύρος ζώνης διαμοιράζεται σε Alloc-ID που μεταφέρουν κίνηση non-assured. Το εύρος ζώνης που θα λάβει κάθε Alloc-ID δεν θα πρέπει να ξεπερνάει το μέγιστο όριο Rm ή το ζητούμενο φορτίο της κάθε Alloc-ID. Το επιπλέον εύρος ζώνης διαμοιράζεται ανάλογα με το ρυθμό μετάδοσης RL κάθε Alloc-ID και βασίζεται στις αντίστοιχες παραμέτρους RF, RA, και RM. Συνεπώς, το εύρος ζώνης που ανατίθεται σε μια Alloc-ID i πληροί το κριτήριο κορεσμού:! R!" = min R!!, max R!!!, R! ενώ στη περίπτωση που το υπολειπόμενο διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι μικρότερο από τις non-assured απαιτήσεις, θα πρέπει να διαμοιράζεται δίκαια μεταξύ των διαφορετικών ONUs. Δηλαδή:! R!" R!!! + R = R!"! R!!! + R! Εφόσον εξακολουθεί να υπάρχει διαθέσιμο εύρος ζώνης, τότε αυτό διαμοιράζεται σε Alloc-ID που μεταφέρουν κίνηση best-effort. Συνεπώς, οι Alloc-IDs που έχουν επιλεγεί για best-effort εξυπηρέτηση, λαμβάνουν εύρος ζώνης μόνο εάν έχουν κορεστεί οι απαιτήσεις των non-assured Alloc-IDs. Το ποσό του εύρους ζώνης που μπορεί να διαμοιραστεί για best effort κίνηση είναι ίσο με το μέρος της άνω χωρητικότητας C που απομένει όταν οι απαιτήσεις των αντίστοιχων Alloc-IDs για σταθερή και εγγυημένη κίνηση έχουν κορεστεί: S!" = C R!!!!! R!" Το διαθέσιμο εύρος ζώνης διαμοιράζεται με βάση το ρυθμό μετάδοσης κάθε Alloc-ID μέχρι να κορεστούν οι απαιτήσεις τους. Εάν δεν είναι δυνατό να καλυφθούν θα πρέπει να διαμοιράζεται δίκαια και άρα να ισχύει:! R!"! R! (R!! + R!! ) = R!" R!! (R!! + R!! ) Σε αυτή την περίπτωση όλα τα Alloc-IDs θεωρούνται ισάξια. Ωστόσο, μέσω των παραμέτρων Pi και ωi, μπορούν να καθοριστούν διαφορετικές!! 35

50 προτεραιότες στην best effort κίνηση. Η διαμοίραση του διαθέσιμου εύρους ζώνης που απομένει για best effort κίνηση, θα πρέπει να συμμορφώνεται στις αντίστοιχες απαιτήσεις. Το OLT στην περίπτωση αυτή οφείλει να αναθέτει το εύρος ζώνης ανάλογα με το επίπεδο προτεραιότητα. Συνεπώς, εάν οι απαιτήσεις μιας Alloc-ID i με επίπεδο προτεραιότητας Pi δεν κορεστούν τότε η ανάθεση εύρους ζώνης σε Alloc-ID με μικρότερη προτεραιότητα θα πρέπει να είναι μηδενική. Παρομοίως, αν ONUs με την ίδια προτεραιότητα δεν μπορούν να εξυπηρετηθούν πλήρως τότε θα πρέπει η ανάθεσή τους να ικανοποιεί τον κανόνα δικαιοσύνης:! R!" ω! = R!" Με εξαίρεση την περίπτωση της κίνησης σταθερού εύρους ζώνης, οποία θα λάβει το συμφωνηθέν εύρος ζώνης ανεξάρτητα από την πραγματική κίνηση, η δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης καθίσταται εφικτή μόνον εφόσον το OLT έχει τη δυνατότητα να συλλέξει ή να συνάγει πληροφορία για τη χρονικά μεταβαλλόμενη κίνηση στις ONU. Οι δύο μηχανισμοί που έχουν προτυποποιηθεί για τους παραπάνω σκοπούς είναι οι εξής: Status Reporting (SR): εφόσον υλοποιείται ο συγκεκριμένος μηχανισμός, το OLT ζητάει περιοδικά (π.χ. σε κάθε καθοδικό πλαίσιο) από τις ONU αναφορά των απαιτήσεών τους σε εύρος ζώνης. Η αναφορά μεταφέρεται στις ανοδικές ριπές μαζί με τα δεδομένα της ONU (πεδίο DBRu). Traffic Monitoring (TM): σε αυτή την προσέγγιση, το OLT παρακολουθεί την κίνηση που φθάνει από τις ONU ώστε να εκτιμήσει αν κάθε μία από αυτές αξιοποιεί πλήρως το αποδιδόμενο εύρος ζώνης ή αν σπαταλώνται πόροι υπό μορφή αδρανών περιόδων. Σε κάθε περίπτωση, το OLT θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να διαχειριστεί αμφότερες προσεγγίσεις. Τέλος, το OLT δρα ως συντονιστής των μεταδόσεων στο ρεύμα ανόδου. Ο στόχος του συντονισμού στο XG-PON είναι διπλός: (α) αφενός τα πλαίσια ανόδου να αποκτήσουν σταθερή χρονοκαθυστέρηση σε σχέση με πλαίσια καθόδου, και (β) αφετέρου οι ανοδικές ριπές που ανήκουν σε κοινό πλαισίου ανόδου να μην υποστούν σύγκρουση. Αναφορικά με τις ONU, αυτές παρουσιάζουν περιορισμένη ευφυία στην ανοδική κατεύθυνση και κατ ουσίαν υπακούουν πλήρως στις εντολές που λαμβάνουν από το OLT. Συγκεκριμένα, καμμία ONU δεν έχει επίγνωση του φορτίου τηλεπικοινωνιακής κίνησης των υπολοίπων, καθώς και τους πιθανούς τους χρόνους μετάδοσης upstream ριπών. Οι βασικές λειτουργίες των ONU περιορίζονται (α) στο σχηματισμό κατάλληλης μορφής upstream ριπών με μέγεθος που αντιστοιχεί στην ανάθεση εύρους ζώνης που τους παρείχε το OLT, και (β) στην αναμονή κατά μεταβαλλόμενο χρονικό διάστημα πριν την αποστολή των ριπών, το οποίο επίσης καθορίζεται από το OLT.! ω! 36

51 Σχετική Βιβλιογραφία Οι μηχανισμοί διαμοίρασης του εύρους ζώνης, στο επίπεδο ελέγχου της πρόσβασης στο φυσικό μέσο των PON, είναι απαραίτητοι για την εξυπηρέτηση υπηρεσιών και την αποφυγή συγκρούσεων. Το OLT μπορεί να εφαρμόσει στατική ή δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης στους ξεχωριστούς χρήστες. Ωστόσο, η στατική ανάθεση είναι μη αποδοτική λόγω της bursty φύσης των PON. Αντίθετα, η δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης μπορεί να προσαρμοστεί ευκολότερα στις στιγμιαίες μεταβολές στις ανάγκες για εύρος ζώνης, παρέχοντας τα οφέλη της στατιστικής πολυπλεξίας. Υπάρχουν δύο γενικές προσεγγίσεις αλγορίθμων δυναμικής ανάθεσης πόρων σε PONs: η συγκεντρωτική (offline) και η άμεση (online) προσέγγιση. Στην πρώτη, το OLT θα πρέπει να περιμένει να ολοκληρωθεί η διαδικασία αναφοράς από όλες τις ONUs για να εκτελέσει τον αλγόριθμο ανάθεσης πόρων και χρονοπρογραμματισμού για τον αντίστοιχο επόμενο κύκλο. Στην δεύτερη προσέγγιση, η απόφαση ανάθεσης και χρονοπρογραμματισμού μιας ONU λαμβάνεται αμέσως μετά την λήψη της αντίστοιχης αναφοράς δεδομένων στην ουρά. Η απόφαση βασίζεται στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου η οποία μπορεί να αλλάξει αναλόγως. Η προσέγγιση αυτή ωστόσο είναι συμβατή μόνο με τα E-PONs στα οποία τα downstream πλαίσια είναι αυτόνομα για κάθε ONU. Στo XG-PON, όπου οι δομές ανάθεσης για όλες τις ONUs περιλαμβάνονται στην επικεφαλίδα κάθε downstream πλαισίου, αυτό δεν ισχύει. Συνεπώς, το OLT δεν μπορεί να ανταποκριθεί άμεσα στα αιτήματα των ONU, το οποίο θα πρέπει να περιμένει για την αποστολή του τρέχοντος upstream πλαισίου. Η διαφορετικές προσεγγίσεις στον τρόπο ανάθεσης εύρους ζώνης επηρεάζει σημαντικά και τη διαφορά της απόδοσης μεταξύ των προτύπων [23][24]. Σε αντίθεση με το E-PON, το οποίο έχει προσελκύσει αρκετό ερευνητικό ενδιαφέρον [25][26][27][28][29], περιορισμένος είναι ο αριθμός των αλγορίθμων που αφορούν αποκλειστικά αλγόριθμους δυναμικής ανάθεσης για XG-PONs [30][31][32][33][34]. Σημαντική, επίσης, έρευνα έχει γίνει για τα μεγάλης έκτασης PON και την προσαρμογή τεχνικών πολυπλεξίας με διαίρεση ορθογωνίων συχνοτήτων (Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) [35][36] [37] [38] [39]. Από τις αρχικές μελέτες που ασχολήθηκαν με την αποδοτική λειτουργία και αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης από τους αλγόριθμους διαμοίρασης, είναι ο αλγόριθμος εναλλάξιμων επιλογών με προσαρμοστικό κύκλο (Interleaved Polling with Adaptive Cycle IPACT) [40]. Η μέθοδος αυτή παρέχει διάφορα επίπεδα δυναμικότητας, ξεκινώντας από την limited εκδοχή, στην οποία οι ONUs μπορούν λάβουν πόρους με ένα προκαθορισμένο άνω όριο, και φτάνοντας στην gated εκδοχή, στην οποία οι ONUs λαμβάνουν το μέγεθος εύρους ζώνης που αιτήθηκαν. Οι διαφορετικές εκδοχές του IPACT επιτυγχάνουν διαφορετικές αποδόσεις ως προς την καθυστέρηση, με την gated να υπερτερεί σε αυτό έναντι των υπολοίπων, γεγονός το οποίο ώθησε μια πληθώρα μελετών με σκοπό την δημιουργία νέων σχημάτων διαμοίρασης του εύρους ζώνης που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την καθυστέρηση στα E-PONs [25][27]. Οι μελέτες αυτές περιλαμβάνουν σχήματα που διαχειρίζονται τυχόν αναξιοποίητο μέρος του διαθέσιμου εύρους διαμοιράζοντάς το σε υπερφορτωμένες ONUs [41][42], καθώς και τεχνικές πρόβλεψης της κίνησης στις οποίες ο DBA λαμβάνει υπόψιν περισσότερο μια εκτίμηση των απαιτήσεων (παρά τις αναφερθείσες) [43]. Μία ακόμη επέκταση του IPACT είναι ο διαχωρισμός 37

52 των εργασιών και παρουσιάστηκαν μοντέλα που λαμβάνουν υπόψιν την ενδο-onu κατηγοριοποίηση των πακέτων καταλήγοντας σε επίπεδες ή ιεραρχικές υλοποιήσεις [44][45]. Στο πεδίο των XG-PON αλγορίθμων, οι συγγραφείς της εργασίας [31] προτείνουν έναν DBA αλγόριθμο για εμφωλευμένα PONs (δίκτυα δηλαδή στα οποία το G-PON αποτελεί μέρος του XG-PON ώστε να επιτραπεί η συνύπαρξή τους), ο οποίος επιτυγχάνει υψηλή χρησιμοποίηση του εύρους ζώνης, δικαιοσύνη μεταξύ των χρηστών και εγγυημένη εξυπηρέτηση υπηρεσιών ποιότητα. Στο προτεινόμενο σχήμα, η κίνηση μεταξύ G-PON και XG-PON διαχωρίζεται μέσω της κλάσης T-CONT 5. Συγκεκριμένα, η κλάση αυτή χρησιμοποιείται για αναφορά δεδομένων της G-PON κίνησης και αντίστοιχα δίνεται η προτεραιότητα εξυπηρέτησης. Θέτοντας κατάλληλα τις παραμέτρους της T-CONT (το ποσοστό στο οποίο κάθε μία από τις υπόλοιπες T-CONT συμμετέχουν στην τύπου 5) διαμοιράζεται το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Στον προτεινόμενο αλγόριθμο, η ανάθεση εύρους ζώνης για τις T-CONT των κλάσεων μη εγγυημένου και καλύτερης προσπάθειας. Στη μελέτη [32], προτείνεται ένας αλγόριθμος αποδοτικής διαμοίρασης εύρους ζώνης με σκοπό την αύξηση της χρησιμοποίησής του (EBU). Η βασική ιδέα του αλγορίθμου είναι η διατήρηση μετρητών από το OLT (αντίστροφων μετρητών και μετρητών bytes) για κάθε ουρά, ώστε να διαμοιράζει το εύρος ζώνης που αντιστοιχεί σε κάθε μία στους διάφορους διαδοχικούς κύκλους ανάλογα με τις απαιτήσεις της. Σε κάθε ουρά ανατίθεται εύρος ζώνης που αντιστοιχεί στην ελάχιστη τιμή μεταξύ της αναφοράς της και της μέγιστης τιμή της μετρικής ανάθεσης όσο ο αντίστροφος μετρητής είναι μεγαλύτερος του μηδενός. Για κάθε ανάθεση ο μετρητής byte μειώνεται με το αντίστοιχο ποσό ανάθεσης και αυξάνεται στην αρχική του τιμή όταν ο αντίστροφος μετρητής μηδενίσει. Η καινοτομία του EBU έγκειται στο ότι διαθέσιμο εύρος ζώνης που δεν χρησιμοποιείται από κάποια ουρά μπορεί να διατεθεί σε κάποιες άλλες αν αυτό είναι απαραίτητο. Αυτό καθορίζεται από τους αντίστοιχους μετρητές. Επιπλέον, οι συγγραφείς προσπαθούν μέσω του EBU να εκμεταλλευτούν όλο το εύρος ζώνης με τον καλύτερο τρόπο και για το λόγο αυτό, οι ουρές δεν αποστέλλουν τακτικές αναφορές σε κάθε αποστολή δεδομένων. Αντίθετα, στέλνουν μόνο βάση προϋποθέσεων, ώστε να μην σπαταλάται το αντίστοιχο εύρος ζώνης για αναφορές εν αναμονή δεδομένων. Οι συγγραφείς στην εργασία [33] παρουσιάζουν ένα γενικευμένο μηχανισμό χρονοπρογραμματισμού για διαμοίραση εύρους ζώνης για συστήματα TDM, WDM, TDM/WDM, G-PONs και XG-PONs. Σκοπός του μηχανισμού Κ-out-of-N, όπως ονομάζεται, είναι η δίκαιη και αποτελεσματική διαμοίραση που επιτυγχάνει μικρή μέση καθυστέρηση. Σε αυτή τη μέθοδο, ο χρόνος χωρίζεται σε διαφορετικούς κύκλους χρονοπρογραμματισμού, η καθεμία από τις οποίες έχει διάρκεια δεδομένων Κ χρονοσχισμών και διάρκεια ελέγχου Ν χρονοσχισμών. Κατά τη διάρκεια των χρονοσχισμών ελέγχου το OLT αποστέλλει μηνύματα αίτησης (request) στις ONUs οι οποίες απαντούν στις αντίστοιχες χρονοσχισμές με το μέγεθος των απαιτήσεών τους. Στη συνέχεια, το OLT επιλέγει τις K από τις ONUs για την αποστολή δεδομένων στην επόμενη upstream περίοδο. Ειδικά για την περίπτωση των TDM PONs, το πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η μείωση του αριθμού των αιτημάτων αξιοποιώντας καλύτερα το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Στην [34], προτείνεται ένας αλγόριθμος ευέλικτης διαίρεσης του G-PON 38

53 μέσου, που υποστηρίζει υπηρεσίες με οποιοδήποτε QoS. Ο αλγόριθμος διαμοιράζει το εύρος ζώνης με βάση τέσσερις παραμέτρους υπηρεσιών ώστε να υπολογίσει το μερίδιο για κάθε T-CONT. Οι παράμετροι αυτοί είναι: η μέγιστη και ελάχιστη περίοδος εξυπηρέτησης, τα ελάχιστα και τα επιπλέον bytes διαμοίρασης για κάθε ουρά. Αναφορικά με τη δικαιοσύνη σε PON συστήματα, οι συγγραφείς στις μελέτες [45][46] προτείνουν αλγόριθμους δίκαιης διαμοίρασης ως πρός το χρήστη και ως πρός τις ουρές, οι οποίοι είναι εφαρμόσιμοι κυρίως σε E-PON συστήματα. Συγκεκριμένα, στην [45]προτείνεται ένας αλγόριθμος δίκαιης ουράς που βασίζεται σε φακέλους εξυπηρέτησης. Ένα φάκελος εξυπηρέτησης είναι μια λειτουργία που αναπαριστά το μέγεθος των πόρων που έχουν ανατεθεί σε ένα κόμβο ώστε να ικανοποιείται μια γενική συνθήκη του δικτύου, στη συγκεκριμένη περίπτωση μια παράμετρος ικανοποίησης. Στην [46], ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιτυγχάνει δικαιοσύνη σε ένα ανοιχτό σύστημα από δομές E-PON. Δηλαδή, κάθε χρήστης μπορεί να συμμετέχει σε περισσότερα του ενός E-PON. Ο σκοπός του είναι να υπάρχει δικαιοσύνη τόσο στην πλευρά των χρηστών όσο και στην πλευρά των παρόχων. Συνεπώς, ο αλγόριθμος σε πρώτη φάση διαμοιράζει το εύρος ζώνης μεταξύ των παρόχων μέσω πολιτικής max-min δικαιοσύνης ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις των συμβολαίων υπηρεσιών (Service Level Agreement SLA) και στη συνέχεια με την αντίστοιχη πολιτική διαμοιράζεται το επιπλέον εύρος ζώνης στους χρήστες.. Οι προαναφερθέντες αλγόριθμοι DBA για XG-PON, επικεντρώνονται είτε στην βελτιστοποίηση της μέσης καθυστέρησης εξυπηρέτησης, είτε στην δίκαιη διαμοίραση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Στην εργασία αυτή εξετάζονται καινοτόμες μέθοδοι που επιτυγχάνουν δίκαιη διαμοίραση του διαθέσιμου εύρους ζώνης, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τη μέση καθυστέρηση εξυπηρέτησης των πακέτων. Οι μέθοδοι βασίζονται στις τεχνικές max-min δικαιοσύνης (max-min fair) και δικαιοσύνης ουρών (fair queuing). Παρόλο που οι τεχνικές αυτές έχουν μελετηθεί αρκετά για την επίτευξη επικοινωνιών πολλαπλής πρόσβασης, για την ίδρυση μονοπατιών δρομολόγησης και την βελτιστοποίηση της διαμοίρασης πόρων του δικτύου [47][48][49][50], δεν έχουν εξεταστεί για την περίπτωση των XG-PON. Οι προσεγγίσεις αυτές είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για την αποδοτική εξυπηρέτηση των κλάσεων που διαμοιράζονται το εύρος ζώνης που περισσεύει (non assured και best effort), καθώς η διαδικασία ανάθεσης εύρους ζώνης στις υπόλοιπες (fixed και assured) είναι δεδομένη και απλή, όπως περιγράφηκε στο προηγούμενο υποκεφάλαιο. Τα προτεινόμενα σχήματα δεν βασίζονται στις μεθόδους ανάθεσης πόρων αναλογικά με το ρυθμό της κίνησης σε κάθε ONU ή με βάση συγκεκριμένες προτεραιότητες για τις δύο κλάσεις, καθώς η πρώτη μέθοδος θα μπορούσε να οδηγήσει σε αδικίες και η δεύτερη μπορεί να συμπεριληφθεί στο προτεινόμενο DBA. Μηχανισμός Αποδοτικής και Δίκαιης Διαμοίρασης του Διαθέσιμου Εύρους Ζώνης με Πρόβλεψη Κίνησης Ο στόχος ενός αλγορίθμου ανάθεσης εύρους ζώνης είναι ο υπολογισμός των τιμών των παραμέτρων GrantSize και StartTime. Αυτός είναι και ο στόχος εκτέλεσης του 39

54 Πίνακας II: Παράμετροι Αλγορίθμου Χρονοπρογραμματισμού BW n C t R t n W t n W t n B L S m BW residual ST t n Συνολικό διαθέσιμο upstream εύρος ζώνης Αναφορά ουράς της ONU n κατά το πλαίσο t Απαιτήσεις ουράς της ONU n κατά το πλαίσο t Ανάθεση μεγέθους ωφέλιμου φορτίου για την ONU n κατά το πλαίσο t Ανάθεση μεγέθους ωφέλιμου φορτίου για την ONU n κατά το πλαίσο t, μετά την επαναδιαμοίραση του αχρησιμοποίητου εύρους ζώνης Διαθέσιμο υπολειπόμενο εύρος ζώνης από τις ONUs Το σύνολο των ONUs που δεν έχουν εξυπηρετηθεί πλήρως Συνολικός αριθμός ONUs Αδιάθετο εύρος ζώνης μετά την εξυπηρέτηση των απαιτήσεων των ONUs Λέξη έναρξης της μετάδοσης μιας ONU n για το πλαίσιο t αλγορίθμου που προτείνεται εδώ. Ο αλγόριθμος αυτός ανήκει στην κατηγορία των offline μεθόδων και καθορίζει δυναμικά τις τιμές αυτές με βάση την κίνηση σε κάθε ONU. Για να εξασφαλίσουμε την εξυπηρέτηση όλων των ONUs σε ένα XG-PON και να διαμοιραστεί το εύρος ζώνης αποδοτικά και δίκαια εκμεταλλευόμαστε τις ιδιότητες της max-min πολιτικής. Η μέθοδος αυτή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την εφαρμογή της σε XG-PON συστήματα καθώς το upstream εύρος ζώνης είναι κοινό με βάση τα ακόλουθα κριτήρια [51]: 1. Οι πόροι κατανέμονται στους χρήστες κατά αύξουσα σειρά απαιτήσεων. 2. Κανένας χρήστης δε λαμβάνει περισσότερους πόρους από αυτούς που ζήτησε. 3. Οι χρήστες που δεν εξυπηρετούνται πλήρως λαμβάνουν ίδιο μερίδιο από πόρους που δε χρησιμοποιούνται από άλλους χρήστες. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα του max-min αλγορίθμου είναι χαμηλή (πολυωνυμική), γεγονός που τον καθιστά πρακτικό, καθώς ορισμένες φορές το OLT έχει περιορισμένο χρόνο εκτέλεσης του DBA. Η βασική ιδέα του προτεινόμενο σχήματος είναι η διαμοίραση του εύρους ζώνης που έχει απομείνει από τις κλάσεις με μεγαλύτερη προτεραιότητα, για το επόμενο upstream πλαίσιο των 125 μs, παρέχοντας παράλληλα στις υπερφορτωμένες ONUs επιπλέον εύρος ζώνης λαμβάνοντας υπόψιν την εισερχόμενη κίνηση σε αυτές. Ένας υβριδικός μηχανισμός εκτίμησης των απαιτήσεων των ONUs εφαρμόζεται, ώστε οι μακρινές ONUs, των οποίων οι αναφορές λαμβάνονται με μεγαλύτερη καθυστέρηση, να λαμβάνουν το μερίδιο που τους αντιστοιχεί. Ο μηχανισμός αυτός 40

55 λαμβάνει υπόψιν και τις δύο μεθόδους αναφοράς δεδομένων (status reporting, traffic monitoring). Επιπλέον, το προτεινόμενο σχήμα φροντίζει της δίκαιης μεταχείρισης και των ONUs για τις οποίες δεν έχει ληφθεί αναφορά κατά τρέχουσα διαδικασία ανάθεσης εύρους ζώνης. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος εκτελείται από το OLT κάθε 125 μs και υπολογίζει! αρχικά το μέγεθος GrantSize W! για μια ONU n που σχετίζεται με το downstream πλαίσιο t ως εξής (Ο Πίνακας Ι συνοψίζει τις παραμέτρους του αλγορίθμου): Αρχικοποίηση: Οι ONUs ταξινομούνται σε αύξουσα σειρά με κριτήριο την απαίτησή τους σε εύρος ζώνης R!! και τοποθετούνται σε ένα σύνολο S. Τα GrantSize W!! αρχικοποιούνται στην τιμή μηδέν. Βήμα 1: Υπολόγισε το διαθέσιμο επιπλέον εύρος ζώνης ΒL ως εξής: B! = BW!!!! W!!, S όπου (i) BW είναι το συνολικό εύρος ζώνης που είναι διαθέσιμο για διαμοίραση στην ανοδική κατεύθυνση (9720 words μείον επικεφαλίδες και guard times), (ii) m είναι ο συνολικός αριθμός των ONUs στο PON, και (iii) S είναι το πλήθος των στοιχείων στο σύνολο S. Βήμα 2: Για όλες τις ONUs στο S, πρόσθεσε το B! στην τρέχουσα τιμή του GrantSize. Ενημέρωσε τις τιμές των GrantSize W!! ως εξής: W!! = min {R!!, W!! + B! }. Συνέπεια του βήματος αυτού είναι κάθε ONU να λαμβάνει αυτό που ζήτησε αν υπάρχει διαθέσιμο εύρος ζώνης ή διαφορετικά ένα δίκαιο μερίδιο του διαθέσιμου upstream εύρους ζώνης. Βήμα 3: Διέγραψε από το S όλες τις ONUs των οποίων οι απαιτήσεις έχουν ικανοποιηθεί και για τις οποίες ισχύει: W!! = R!!. Στη περίπτωση αυτή, το GrantSize ισούται με τις απαιτήσεις της ONU και δεν χρειάζεται να ληφθεί υπόψιν για περεταίρω ανάθεση εύρους ζώνης. Βήμα 4: Εάν το επιπλέον εύρος ζώνης BL έχει μη-μηδενική τιμή και εξακολουθούν να υφίστανται στοιχεία στο σύνολο S ( S >0) τότε επανέλαβε τη διαδικασία από το βήμα 1. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο προτεινόμενος αλγόριθμος δυναμικής ανάθεσης απαιτεί από τον OLT να έχει συνεχή γνώση των απαιτήσεων εύρους! ζώνης R! όλων των ONUs στο PON. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους: (i) μέσω της ρητής αναφοράς της κατάστασης των ουρών από τις ONUs στο OLT (status reporting - SR), ή (ii) μέσω της εκτίμησης των απαιτήσεων κίνησης κάθε ONU από το OLT. Η εκτίμηση προκύπτει από την καταγραφή του προφίλ κίνησης στο ρεύμα ανόδου (traffic monitoring TM). Στην προσέγγισή μας χρησιμοποιούμε 41

56 έναν υβριδικό μηχανισμό. Συγκεκριμένα, το OLT ζητά συνεχείς αναφορές από τις ONUs σχετικά με το μέγεθος της ουράς της, ώστε να είναι ενήμερο με τις στιγμιαίες αλλαγές στην κίνηση. Όπως όμως φαίνεται στην Εικόνα 18, η αποστολή ενός donwnstream πλαισίου περιστασιακά συμβαίνει πρίν φτάσουν κάποια burst. Κατά συνέπεια το OLT δεν έχει δεδομένα αναφοράς για κάποιες ONUs γεγονός που οδηγεί σε μη αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης. Για τη βελτίωση της χρησιμοποίησης, εφαρμόζουμε ένα μηχανισμό πρόβλεψης της κίνησης στις ONUs που δεν έχουν αναφέρει αποκλειστικά το μέγεθος της ουράς! τους C! κατά το τελευταίο upstream πλαίσιο. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση, το! OLT αναθέτει σε αυτές τις ONUs ένα εικονικό μέγεθος απαιτήσεων R! το οποίο υπολογίζεται με δύο μεθόδους: i. Μέσω των αναθέσεων προηγούμενων πλαισίων ώς εξής [Εκδοχή Max - Min βασισμένο στις αναθέσεις (Max Min Based on Grants MMBoG)]: ii. R!! =!! C!, if C! null and C!! > 0!!!!!!!!! t 1, else Μέσω των αναφορών προηγούμενων πλαισίων ώς εξής [Εκδοχή Max - Min βασισμένο στις αναφορές (Max Min Based on Reports MMBoR)]: R!! =!! C!, if C! null and C!! > 0!!!!!!!!! t 1, else Με τον τρόπο αυτό, σε κάθε δημιουργία του BWmap, το OLT έχει σαφείς υποδείξεις για τις απαιτήσεις των ONUs, είτε μέσω συγκεκριμένων αναφορών της διαδικασίας status reporting, είτε μέσω εκτιμήσεων της διαδικασίας traffic monitoring. Επιπλέον, οι τεχνικές πρόβλεψης εφαρμόζονται και στις ONUs που έχουν αναφέρει μηδενικό μέγεθος ουράς έτσι ώστε (i) τυχόν κίνηση που έχει φτάσει σε αυτές πρίν το επόμενο upstream πλαίσιο να εξυπηρετηθεί άμεσα και (ii) να επιβάλλεται σε όλες τις ONUs να αναφέρουν το μέγεθος της ουράς τους σε κάθε πλαίσιο. Σε επόμενο βήμα, ο αλγόριθμος ανάθεσης διαμοιράζει εκ νέου τυχόν εύρος ζώνης που έχει απομείνει στο upstream πλαίσιο μετά την εκτέλεση του max-min DBA (BW residual), με δεδομένο πως οι αρχικές απαιτήσεις των ONUs έχουν ικανοποιηθεί πλήρως. Η διαδικασία στοχεύει στην μεγιστοποίηση της χρησιμοποίησης των πόρων του δικτύου κατά τις περιπτώσεις μικρού φόρτου ενισχύοντας τις ONUs με επιπλέον εύρος ζώνης, το οποίο σε άλλη περίπτωση θα είχε μείνει ανεκμετάλλευτο λόγω της σταθερής διάρκειας 125 μs του upstream πλαισίου. Στην προσέγγισή μας, το επιπλέον εύρος ζώνης ανατίθεται με βάση την αναλογία στο ρυθμό της κίνησης για κάθε ONU (Rate Proportional RP). Αυτό σημαίνει πως οι ONUs με μεγαλύτερες απαιτήσεις σε χωρητικότητα θα λαμβάνουν μεγαλύτερο μέρος του διαθέσιμου υπολειπόμενου εύρους BW residual. Η ιδέα της αναλογικής διαμοίρασης είναι πως ONUs με μεγαλύτερο στιγμιαίο φορτίο μπορούν να εκμεταλλευτούν αποδοτικότερα το 42

57 επιπλέον εύρος ζώνης, απ ότι ONUs με μικρό φόρτο. Κατά την προσέγγιση οι τιμές των GrantSizes ανανεώνονται ως εξής: W!! = W!! + = W!! +! R!!!!!! R!! R!!!!!! R! BW!"#$%&'( =!! (BW W! ) Η μέθοδος αποτελεί επέκταση της προηγούμενης μεθόδου με πρόβλεψη κίνησης δίνοντας τις συνολικές μεθόδους MMBoG-RP και MMBoR-RP αντίστοιχα. Τέλος, μετά τον υπολογισμό του εύρους ζώνης που θα ανατεθεί σε κάθε ONU, το OLT πρέπει να καθορίσει το σημείο έναρξης StartTime (ST) κάθε upstream ριπής. Ο αλγόριθμος εξετάζει δύο περιπτώσεις καθορισμού της σειράς έναρξης της αποστολής των ριπών από τις ONUs: (α) Κατά την πρώτη προσέγγιση οι ONUs εξυπηρετούνται με αύξουσα σειρά ως πρός την απόστασή τους από τον OLT (ή αντίστοιχα ως πρός την καθυστέρηση διάδοσης). Ο σκοπός της προσέγγισης είναι να δοθεί μια μικρή προτεραιότητα στις ONUs που βρίσκονται πιο κοντά ώστε να αντισταθμιστεί η μεγαλύτερη καθυστέρηση στην οποία υπόκεινται λόγω του μεγάλου EqD, μειώνοντας έτσι την στατική καθυστέρηση σε χαμηλό φόρτο. (β) Στην δεύτερη προσέγγιση η σειρά αποστολής κάθε ONU αλλάζει κυκλικά σε κάθε πλαίσιο. Συγκεκριμένα, ξεκινώντας με σειρά αύξουσα ως πρός την απόσταση, σε κάθε πλαίσιο ανόδου πραγματοποιείται μια δεξιά κύλιση της προηγούμενης σειράς μετάδοσης. Σκοπός της μεθόδου αυτής είναι να μειώσει επιπλέον τη μέση τιμή της διασποράς της καθυστέρησης (jitter) σε υψηλό φόρτο. Τα StartTime και στις δύο περιπτώσεις υπολογίζονται άμεσα ώς εξής:!!! ST!! = ST!!!! + W!!!! + GuardTime Εικόνα 19: Μοντέλο Προσομοίωσης στο OMNET++ 43

58 Πειραματική Αξιολόγηση της Απόδοσης του Μηχανισμού Προκειμένου να αξιολογήσουμε την αποδοτικότητα του προτεινόμενου αλγορίθμου στις διάφορες παραλλαγές, αναπτύξαμε ένα περιβάλλον προσομοιώσεων σε OMNET++ [52] και τον συγκρίναμε με περιπτώσεις του IPACT. Εξετάσαμε δύο τοπολογίες δικτύων που ακολουθούν το υπόδειγμα της Εικόνας 19. Ένα είναι το OLT και στις δύο περιπτώσεις, το οποίο μέσω ενός οπτικού διαχωριστή στη μία συνδέεται με 10 ONUs και στην άλλη με 32 ONUs. Η απόσταση μεταξύ των ONUs και του OLT ποικίλει μεταξύ 1 και 20 χιλιομέτρων, επιλεγμένη τυχαία. Οι ρυθμοί μετάδοσης για downstream και upstream μετάδοση είναι Gb/s και Gb/s αντίστοιχα., όπως επιβάλλει το πρότυπο. Επιπλέον, τα upstream και downstream πλαίσια αναπτύχθηκαν και δομούνται όπως ακριβώς παρουσιάστηκαν σε προηγούμενη υπο-ενότητα. Οι βασικές λειτουργίες της μονάδας OLT που αναπτύχθηκε είναι οι παρακάτω: To OLT δημιουργεί ένα καθοδικό πλαίσιο κάθε 125 μsec. Κάθε πλαίσιο μεταφέρει έγκυρα πεδία BWmap με StartTimes και GrantSizes προς όλες τις ONU. To OLT λαμβάνει ασύγχρονες ανοδικές ριπές από τις ONU και απομονώνει τα Εικόνα 20: a) Μέση καθυστέρηση, b) Μέση απόκλιση καθυστέρησης και c) Μέση Ρυθμαπόδοση ανά ONU για την MMBoG εκδοχή 44

59 πεδία DBRu με σκοπό την εξαγωγή των απαιτήσεων για εύρος ζώνης. Ακριβώς πριν τη δημιουργία του καθοδικού πλαισίων το OLT εκτελεί το max-min fair DBA αλγόριθμο, υπολογίζει τα StartTimes και GrantSizes και δημιουργεί το πεδίο BWmap. Ως οπτικός διαχωριστής δημιουργήθηκε μια μονάδα αντιγραφής και προώθησης των πλαισίων. Κατά την downstream κατεύθυνση, το μοντέλο δημιουργεί ένα πλήθος αντιγράφων των δομών που αναπαριστούν τα πλαίσια, ίσο με το πλήθος των ONUs και τα προωθεί σε κάθε μία που είναι συνδεδεμένη. Στην upstream κατεύθυνση, προωθεί τις δομές των ριπών από τις εισερχόμενες θύρες στην εξερχόμενη που είναι συνδεδεμένο το OLT. Η μονάδα ONU που αναπτύχθηκε έχει τις παρακάτω λειτουργίες: Λήψη των σύγχρονων δομών downstream πλαισίων και απομόνωση των πεδίων GrantSize και StartTime που αντιστοιχεί σε κάθε μία Ενθυλάκωση των πακέτων στην ουρά με συνολικό μέγεθος το αντίστοιχο GrantSize σύμφωνα με τις οδηγίες κατακερματισμού του προτύπου, δημιουργία της upstream ριπής και αναστολή για χρόνο EqDi + StartTime Μετά την έλευση του χρόνου αναμονής, υπολογισμός του πεδίου DBRu με Εικόνα 21: a) Μέση καθυστέρηση, b) Μέση απόκλιση καθυστέρησης και c) Μέση Ρυθμαπόδοση ανά ONU για την MMBoR εκδοχή 45

60 βάση τα πακέτα στην ουρά και αποστολή της ριπής από τη θύρα εξόδου. Επίσης αναπτύχθηκε και κατάλληλη μονάδα γέννησης κίνησης για την διοχέτευση δεδομένων χρηστών στις ONUs. Η κίνηση δημιουργείται με τη μορφή πακέτων σταθερού μεγέθους, των οποίων οι χρόνοι άφιξης ακολουθούν Poisson κατανομή με μέση τιμή λ η οποία υπολογίζεται με βάση το επιθυμητό φορτίο για κάθε ONU ρ!"#, ώς εξής: ρ!"# = ρ!"# m = λ L m R!/! όπου το ρ!"# είναι το συνολικό φορτίο του PON, το R!/! αποτελεί τον upstream ρυθμό μετάδοσης και L είναι το μέγεθος κάθε πακέτου (ίσο με 1000 bytes). Με βάση το μοντέλο αυτό, πραγματοποιήσαμε ένα πλήθος πειραμάτων προσομοίωσης της λειτουργίας του δικτύου με σκοπό να καθορίσουμε τη μέση καθυστέρηση των πακέτων, την απόκλιση της καθυστέρησης και τη ρυθμαπόδοση. Η καθυστέρηση ενός πακέτου υπολογίζεται ως ο χρόνος παρέρχεται από τη στιγμή που το λαμβάνει η ONU έως την μετάδοσή του. Η απόκλιση ορίζεται ως η τυπική απόκλιση της καθυστέρησης ενός πακέτου από τη μέση τιμή της καθυστέρησης. Τέλος, η ρυθμαπόδοση καθορίζεται από το συνολικό αριθμό δεδομένων που Εικόνα 22: Σύγκριση των MMBoG και MMBoR εκδοχών ως προς την a) Μέση καθυστέρηση, την b) Μέση απόκλιση καθυστέρησης και την c) Μέση Ρυθμαπόδοση 46

61 μεταδόθηκαν (σε bits) κατά την upstream κατεύθυνση στην εικονική διάρκεια διεξαγωγής της προσομοίωσης. Οι Εικόνες 20 και 21 συνοψίζουν τη απόδοση των προτεινόμενων MMBoG και MMBoR DBA αλγορίθμων ως πρός την καθυστέρηση, την απόκλιση και την ρυθμαπόδοση, σε αντιπαραβολή με το φόρτο της κίνησης όταν εφαρμόζεται σειρά εξυπηρέτησης με βάση την απόσταση των ONUs από το OLT. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται αφορούν την τοπολογία των 10 ONUs για λόγους ευκρίνειας. Ωστόσο, παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν και για την περίπτωση των 32 ONUs. Οι εικόνες παρουσιάζουν τη συμπεριφορά του αλγορίθμου για κάθε ONU ξεχωριστά και επιβεβαιώνουν πως οι δύο τεχνικές έχουν παρόμοια λειτουργία στην εξυπηρέτηση της κίνησης των ONUs, ενώ με μικρή διαφορά η MMBoR παρουσιάζει καλύτερη απόδοση σε μεσαία φορτία, γεγονός που οφείλεται στην κάπως καλύτερη ακρίβεια της πρόβλεψης σε αυτό το σύστημα. Είναι, επίσης, φανερό πως η καθυστέρηση είναι πάντα μικρότερη της διάρκειας τριών πλαισίων (375 μs) για όλες τις ONUs ακόμη και όταν ο φόρτος πλησιάζει το 80%. Επιπλέον, παρατηρούμε πως οι αλγόριθμοι επιτυγχάνουν παρόμοιους χρόνους καθυστέρησης και ταυτόσημη ρυθμαπόδοση για όλες τις ONUs, ανεξαρτήτως της απόστασής τους από το OLT, το οποίο αναμένεται να ισχύει στη λειτουργία του XG-PON και των καθυστερήσεων εξισορρόπησης που παρατηρούνται στις ONUs. Αυτό αποτελεί και μια σαφή ένδειξη (i) της δίκαιης εξυπηρέτησης των ONUs από τον αλγόριθμο (κάτι που επίσης επιβεβαιώνεται από την Εικόνα 22) και (ii) οτι η διαδικασία εκτίμησης τείνει να εξαλείψει την εξυπηρέτηση κατά προτεραιότητα των κοντινότερων ONUs, οι οποίες δύναται να αναφέρουν συντομότερα σε σχέση με τις απομακρυσμένες. Επίσης, παρατηρούμε μια φραγμένη συμπεριφορά της απόκλισης. Αν και δεν μπορεί να εξαλειφθεί τελείως λόγω της ασύγχρονης λειτουργίας των PON, τα αποτελέσματα δείχνουν πως η απόκλιση φράσσεται από την διάρκεια ενός πλαισίου (125 μs) για όλες τις ONUs καθώς ο φόρτος του δικτύου αυξάνει. Αυτό έχει πρακτική αξία καθώς τα XG-PON προορίζονται για την παροχή ποιότητας υπηρεσιών και ορισμένες εφαρμογές ευαίσθητες στην καθυστέρηση (π.χ. IPTV και Εικόνα 23: Σύγκριση των MMBoG και MMBoR με έναν αλγόριθμο που δεν αναθέτει εύρος ζώνης αν δεν ζητηθεί πέρα από αυτό που χρειάζεται για να αναφέρει απαιτήσεις ουράς (ΜΜR), ως προς τη a) Μέση καθυστέρηση και τη b) Μέση απόκλιση για 10 και 32 ONUs. 47

62 VoIP) απαιτούν μια σταθερή καθυστέρηση και ένα άνω όριο στην απόκλιση. Παρόμοια συμπεριφορά ως πρός την καθυστέρηση και την απόκλιση παρατηρείται και όταν ο αριθμός των ONUs αυξηθεί στις 32, για φορτίο έως και 80%, όπως φαίνεται στην Εικόνα 22 που συνοψίζει τη μέση καθυστέρηση και απόκλιση στο δίκτυο. Μια λογική αύξηση της καθυστέρησης παρατηρείται στην περίπτωση αυτή καθώς το δίκαιο μερίδιο του διαθέσιμου εύρους ζώνης για κάθε ONU περιορίζεται και απαιτείται συχνότερος κατακερματισμός των πακέτων. Όσο αναφορά τη μέση ρυθμαπόδοση, τα αποτελέσματα δείχνουν πως οι δύο εκδοχές του προτεινόμενου αλγορίθμου αποδίδουν εξίσου καλά, ανεξαρτήτως του αριθμού των ONUs, γεγονός που αποδεικνύει πως η έννοια της max-min δικαιοσύνης δεν επηρεάζεται από τα επιπλέον χαρακτηριστικά του DBA και πολύ περισσότερο από τους μηχανισμούς πρόβλεψης. Σχετικά με την απαίτηση για πρόβλεψη, κάποιος θα μπορούσε να αμφισβητήσει το όφελος μιας τεχνικής πρόβλεψης με δεδομένο πως η διάρκεια των επιμέρους πλαισίων στο XG-PON είναι αρκετά μικρή. Ωστόσο, η Εικόνα 23 επιδεικνύει πως οι τεχνικές πρόβλεψης MMBoG και MMBoR παρέχουν σημαντικό όφελος ως πρός την καθυστέρηση και την απόκλιση σε σχέση με αντίστοιχο DBA στον οποίο οι ONUs που έχουν μηδενικές απαιτήσεις λαμβάνουν GrantSize μόνο για αποστολή του DBRu (Max-Min with Report only MMR). Όπως είναι αναμενόμενο, το όφελος είναι μεγαλύτερο όταν το φορτίο του δικτύου είναι χαμηλότερο, ενώ Εικόνα 24: a) και c) Μέση καθυστέρηση πακέτων, b) και d) Μέση απόκλιση για 10 και 32 ONUs, αντίστοιχα με και χωρίς την εφαρμογή της RP επέκτασης 48

63 όταν το δίκτυο έχει περισσότερες ONUs το όφελος είναι μεγαλύτερο καθώς το φορτίο σε κάθε μία, για δεδομένη τιμή φορτίου συνολικά στο δίκτυο, είναι ακόμη μικρότερο. Επίσης, σημαντική επιπλέον βελτίωση στην καθυστέρηση και την απόκλιση μπορεί να επιτευχθεί εάν εφαρμοστεί η τεχνική RP επαναδιαμοίρασης του εύρους ζώνης, όπως φαίνεται στην Εικόνα 24. Η τεχνική αυτή στοχεύει στον υπερεφοδιασμό, με εύρος ζώνης, των στιγμιαία φορτωμένων ONUs όποτε υπάρχει διαθέσιμο εύρος ζώνης μετά την εκτέλεση του βασικού προτεινόμενου αλγορίθμου διαμοίρασης. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως η εφαρμογή του μηχανισμού βελτιώνει σημαντικά τη μέση καθυστέρηση και απόκλιση κυρίως όταν το φορτίο είναι κάπως χαμηλό στην τοπολογία των 10 ONUs. Η επίδραση της μεθόδου είναι περιορισμένη για την τοπολογία των 32 ONUs καθώς στην περίπτωση αυτή το φορτίο σε κάθε ONU είναι αρκετά μικρό για να έχει αντίκτυπο η μέθοδος. Επιπλέον, σε μεγάλα φορτία η RP επαναδιαμοίραση επίσης δεν επηρεάζει τη λειτουργία του DBA και τα συνέπεια τα αντίστοιχα βασικά χαρακτηριστικά του (δικαιοσύνη και καθυστέρηση/απόκλιση) Μέσω προσομοιώσεων μελετήθηκε και η επίδραση των μεθόδων προτεραιότητας στη σειρά έναρξης της αποστολής δεδομένων (με βάση την απόσταση και με κυκλική ανάθεση). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στην Εικόνα 25 που δείχνει Εικόνα 25: a) Μέση καθυστέρηση, b) Μέση απόκλιση καθυστέρησης και c) Μέση Ρυθμαπόδοση ανά ONU για την MMBoG εκδοχή επιλέγοντας κυκλική σειρά αποστολής 49

64 την απόδοση της τεχνικής κυκλικής ανάθεσης. Όπως φαίνεται η τεχνική αυτή μειώνει σημαντικά τις διαφορές στην καθυστέρηση και απόκλιση μεταξύ των διαφορετικών ONUs σε σχέση με την τεχνική όπου δίνεται προτεραιότητα στις ONUs με μικρότερη καθυστέρηση διάδοσης (Εικόνες 18 και 19). Παράλληλα, η μέση καθυστέρηση και απόκλιση είναι παρόμοιες με μια μικρή αύξηση να παρατηρείται στην καθυστέρηση για όλες τις ONUs. Η Εικόνα παρουσιάζει αποτελέσματα για την εφαρμογή της τεχνικής στον MMBoG DBA, ωστόσο τα αποτελέσματα είναι ίδια και στην εφαρμογή της στον MMBoR DBA. Τέλος, αξιολογήσαμε την απόδοση του προτεινόμενου DBA συγκρίνοντάς με το δύο Εικόνα 26: Σύγκριση μεθόδων DBA για 10 (αριστερή στήλη) και 32 (δεξιά στήλη) ONUs 50

65 πολύ γνωστές εκδοχές του IPACT την limited και την gated. Επιλέξαμε αυτές τις εκδοχές καθώς η απόδοση της limited είναι χαρακτηριστική για τον αλγόριθμο (παρόμοια με όλες τις υπόλοιπες), ενώ ο gated παρουσιάζει σε γενικές γραμμές την μικρότερη καθυστέρηση. Στην IPACT limited εκδοχή κάθε ONU λαμβάνει εύρος ζώνης ίσο με αυτό που αιτήθηκε εφόσον δεν ξεπερνάει μια μέγιστη τιμή W!"#. Συνεπώς υπολογίζεται ως εξής: W!! = R!!, if R!! W!"# W!"#, Στην υλοποίησή μας του αλγορίθμου, θέτουμε την τιμή του W!"#, ίση με το συνολικό upstream εύρος ζώνης (9720 words) διαιρεμένο με τον αριθμό των ONUs (10 ή 32). Από τη άλλη, η IPACT gated εκδοχή εξυπηρετεί πλήρως μια ONU πρίν πάει στην επόμενη. Δηλαδή αναθέτει σε κάθε μία το μέγεθος που αιτήθηκε. Άρα ισχύει: W!! = R!! Για να υπάρχει ακολουθία με τα διακριτά σταθερής διάρκειας upstream πλαίσια του XG-PON, όταν το μέγεθος του GrantSize ξεπερνάει τα όρια του ενός πλαισίου, ορίσαμε στην υλοποίηση να γίνεται η μετάδοσή του σε όσα διαδοχικά πλαίσια απαιτείται ώστε να εξυπηρετηθεί πλήρως. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης παρουσιάζονται στην Εικόνα 26, η οποία συνοψίζει την μέση (μεταξύ όλων των ONUs) καθυστέρηση, απόκλιση και ρυθμαπόδοση που επιτυγχάνεται από όλες τις DBA μεθόδους, για και τις δύο τοπολογίες των 10 και 32 ONUs. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως ο προτεινόμενος DBA ξεπερνά σε επιδόσεις τις εκδοχές του IPACT τόσο σε καθυστέρηση όσο και σε απόκλιση, ενώ η διαφορά αυξάνει περισσότερο όσο αυξάνει και ο φόρτος του δικτύου. Ξεκάθαρα, ο IPACT χρειάζεται τουλάχιστον ένα επιπλέον πλαίσιο για φορτία από 80% και πάνω, ενώ η limited εκδοχή ξεφεύγει από την έννοια περιορισμού την απόκλισης. Παράλληλα, παρατηρείται από τις εικόνες οτι όλοι οι DBAs αποδίδουν την ίδια ακριβώς ρυθμαπόδοση, γεγονός που αποδεικνύει πως ο προτεινόμενος DBA δεν υποχρησιμοποιεί την διαθέσιμη χωρητικότητα του XG-PON. Μηχανισμός Δίκαιης Εξυπηρέτησης των Ριπών και Αποδοτικής Αξιοποίησης του Εύρους Ζώνης Οι τεχνικές max-min fair δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης που παρουσιάστηκαν προηγουμένως, δεν λαμβάνουν υπόψιν τους χρόνους ολοκλήρωσης της αποστολής των ριπών, αλλά ούτε τους χρόνους έναρξης της εξυπηρέτησης από την πλευρά του OLT. Κατά συνέπεια αν κάποια ONU δεν είχε εξυπηρετηθεί πλήρως σε ένα πλαίσιο, τότε οι εναπομείνασες απαιτήσεις θα ανταγωνιστούν, με το ίδιο βάρος, με τις νεοαφιχθείσες απαιτήσεις από επόμενα upsteam πλαίσια. Στην προσέγγιση αυτή λαμβάνουμε υπόψη τη σειρά άφιξης των απαιτήσεων, αναφορικά με τα upstream πλαίσια στα οποία μεταφέρθηκαν, καθώς και το χρόνο λήξης της μετάδοσης μιας ριπής σύμφωνα με κανόνες που ορίζονται από την μέθοδο δίκαιης ουράς (FQ), ώστε να μειώσουμε περεταίρω την καθυστέρηση αναμονής της μετάδοσης των πακέτων. Η FQ μέθοδος εξασφαλίζει πως όλες οι αιτήσεις θα εξυπηρετηθούν με δίκαιο και αποδοτικό τρόπο εξομοιώνοντας την bit-ανά-bit εξυπηρέτηση [53]. Πλήθος else 51

66 εκδοχών της FQ έχει καταγραφεί προηγουμένων [54][55][56][57], καθώς και πλήθος εφαρμογών του σε ενσύρματα και ασύρματα δίκτυα [58][59][60]. Πέρα από τη βασική λειτουργία ενός DBA αλγορίθμου τόσο σε Ε-PON όσο και σε XG-PON, η οποία συνιστά την αποδοτική διαμοίραση του εύρους ζώνης και τον καθορισμό των χρόνων έναρξης κάθε μετάδοσης για την αποφυγή συγκρούσεων, ένας DBA θα πρέπει να λαμβάνει υπόψιν και τη δίκαιη μεταχείριση ώστε καμμία ONU να μην εξυπηρετείται με προτεραιότητα, χωρίς αυτό να υποδεικνύεται από κάποιο συμβόλαιο. Σε αυτή την κατεύθυνση, προτείνουμε τον αλγόριθμο ριπήςανά-ριπή δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης (Burst-by-Burst DBA BUDA), ο οποίος υπολογίζει τις τιμές των πεδίων GrantSize και StartTime εφαρμόζοντας τις αρχές της FQ τεχνικής. Σύμφωνα με το απόλυτο ορισμό της FQ, τα πακέτα που βρίσκονται σε τοπικές ουρές εξυπηρετούνται με κυκλικό (round robin) τρόπο bitανά-bit. Ο τρόπος αυτός, ωστόσο, δεν είναι εφικτός σε πραγματικά δίκτυα, όπου οι χρόνοι άφιξης των πακέτων και το μέγεθός τους είναι τυχαία, προτάθηκε εναλλακτικά η γενική διαμοίραση επεξεργαστή (Generalised Processor Sharing GPS) [53]. Σύμφωνα με αυτή τη προσέγγιση, ο εξυπηρετητής έχοντας πλήρη γνώση των πακέτων που βρίσκονται στις ουρές του, εκτελεί μια εικονική FQ διαδικασία βάση της οποίας υπολογίζει του αντίστοιχους χρόνους εξυπηρέτησης κάθε πακέτου FT, δηλαδή τις χρονικές στιγμές που θα ολοκληρωνόταν η εξυπηρέτηση κάθε πακέτου εάν εφαρμοζόταν bit-ανά-bit μετάδοση. Στη συνέχεια τα πακέτα εξυπηρετούνται κατά αύξουσα σειρά ως πρός τα FT που έχουν υπολογιστεί. Η υλοποίηση ενός FQ αλγορίθμου σε PONs αποτελεί μεγάλη πρόκληση αν ληφθεί υπόψιν η κατανεμημένη φύση τους, καθώς το OLT δεν είναι εφικτό να έχει συνεχή γνώση των αφίξεων των πακέτων στη ουρά κάθε ONU και κατά συνέπεια της κατάστασης της ουράς. Ακολουθώντας, ωστόσο, μια λογική παρόμοια με την GPS, είναι δυνατόν να εφαρμόσουμε την τεχνική FQ στη συνολική αναφορά δεδομένων που μεταδίδεται σε κάθε upstream ριπή, αντί για την εφαρμογή της σε κάθε πακέτο, και να υπολογιστούν με αυτό τον τρόπο οι FT των ξεχωριστών burst. Η μέθοδος αυτή αποτυπώνει με λιγότερη ακρίβεια την FQ τεχνική από ότι η GPS και η επιτυχία του θα βασιστεί από την συχνότητα αναφοράς κάθε ONU των δεδομένων που βρίσκονται στην ουρά τους. Εάν εφαρμοζόταν ένα σχήμα αναφοράς, όπως για παράδειγμα το πολυ-νηματικό [61], τότε το OLT θα μπορούσε να γνωρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια την κατάσταση της ουράς κάθε ONU και ο προτεινόμενος αλγόριθμος θα έδινε ακριβέστερα αποτελέσματα. Ωστόσο, στα συμβατικά E-PON και XG-PON συστήματα η διαδικασία αναφοράς εκτελείται σε μεγαλύτερα βήματα και μια φορά σε κάθε κύκλο μετάδοσης. Με δεδομένο πως ένας κύκλος σε ένα E- PON μπορεί να διαρκέσει κάποια ms [40], η μέθοδος χρονοπρογραμματισμού με βάση το FQ μπορεί να είναι αναποτελεσματική. Αντίθετα, τα XG-PONs επιβάλλουν αυστηρό συγχρονισμό μεταξύ των πλαισίων με αποτέλεσμα οι αναφορές των ουρών να μην ξεφεύγουν πολύ από την τάξη των 125 μs. Συνεπώς, η εφαρμογή ενός αλγορίθμου βασισμένου στην FQ τεχνική είναι καταλληλότερη για XG-PON συστήματα. Στον BUDA, το OLT προϋποθέτει την συνεχή αναφορά της κατάστασής της ουράς των ONUs και στη συνέχεια εξομοιώνει μια bit-ανά-bit διαδικασία εξυπηρέτησης 52

67 στα αναφερθέντα δεδομένα, βλέποντάς τα πλέον ως ενιαίες ριπές, προκυμμένου να υπολογίσει το μέγεθος των GrantSize που θα ανατεθούν σε κάθε ONU με δεδομένο το όριο μετάδοσης που θέτει το upstream πλαίσιο. Εν συνεχεία ο BUDA καθορίζει το SrartTime κάθε ριπής ώστε να εξασφαλιστεί ασφαλής μετάδοση χωρίς συγκρούσεις. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψιν το περιορισμένο εύρος ζώνης σε κάθε upstream πλαίσιο, είναι δεδομένο πως θα υπάρχουν απαιτήσεις από ONUs που θα εξυπηρετηθούν μερικώς. Στη παρούσα προσέγγιση, το μέρος των απαιτήσεων που απομένει ανεξυπηρέτητο θα πρέπει να συμμετέχει αποκλειστικά στην επόμενη διαδικασία ανάθεσης εύρους ζώνης. Για τον τρόπο συμμετοχής αυτού του τμήματος στην διαδικασία του επόμενου πλαισίου, εξετάζουμε δύο εκδοχές: i. Κατά την πρώτη, τόσο οι εναπομείνασες απαιτήσεις όσο και οι πιό πρόσφατες αναφορές, συμμετέχουν στην εικονική διαδικασία εξυπηρέτησης με ίδιο χρονικό σημείο εκκίνησης (FQ-Align). Διαισθητικά, σε αυτή την προσέγγιση, οι ριπές στοιχίζονται ως όλες να είχαν φτάσει την ίδια χρονική στιγμή στην εικονική ουρά του OLT. ii. Στην δεύτερη εκδοχή, οι εναπομείνασες απαιτήσεις εξυπηρετούνται με προτεραιότητα σε σχέση με τις νεο-αφιχθείσες αναφορές (FQ-Spatial). Κάθε νέα αναφορά πλέον λαμβάνει ένα εικονικό χρόνο άφιξης που αντιστοιχεί είτε στον εικονικό χρόνο λήξης της εναπομείνασας ριπής για την ίδια ONU, είτε όλες οι νέες εικονικές ριπές στοιχίζονται στον μέγιστο εικονικό χρόνο μεταξύ όλων των εναπομείναντων εικονικών ριπών. Μια σημαντική λειτουργία του πρωτοκόλλου αφορά τη σχέση των νέων με τις εναπομείνασες απαιτήσεις. Λόγω των μεγάλων καθυστερήσεων διάδοσης που ξεπερνούν το χρόνο που μεσολαβεί μεταξύ των αναφορών, οι ONU δεν έχουν ακριβή εικόνα των πακέτων που έχουν εξυπηρετηθεί και αυτών που έχουν κανονιστεί για μετάδοση σε επόμενο πλαίσιο. Συνεπώς, το OLT θα πρέπει σε κάθε περίπτωση να έχει πλήρη εικόνα των εικονικών ριπών που έχουν ανατεθεί, αυτών που βρίσκονται προς αποστολή και αυτών που έχουν μείνει ανεξυπηρέτητες. Έτσι, σε κάθε αναφορά που λαμβάνει από μια ONU μπορεί να υπολογίσει το τμήμα που αφορά τα πραγματικά νέα δεδομένα και μόνο. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγονται περιπτώσεις πακέτων να συμμετέχουν σε παραπάνω από μια διαδικασίες ανάθεσης εύρους ζώνης. Επιπλέον, σε κάθε BWmap συμπεριλαμβάνονται όλες οι ONUs. Εάν για κάποιες ONUs το OLT δεν έχει λάβει συγκεκριμένες αναφορές για απαιτήσεις ή Πίνακας III: Παράμετροι Αλγορίθμου Χρονοπρογραμματισμού BUDA Ν(δ) F(n! )! R!! BW! τ(u! ) Σύνολο ταυτόχρονα εξυπηρτεούμενων ριπων στο γεγονός δ Χρονική στιγμή λήξης της ριπής i της ONU n Δεδομένα που έχουν απομείνει μετά από j-1 γεγονότα Ανάθεση μεγέθους ωφέλιμου φορτίου για την ONU n κατά το πλαίσο t Χρονκή στιγμή τερματισμού του πλαισίου ανόδου t 53

68 αυτές που θα προκύψουν από το συμψηφισμό παλαιότερων και νέων είναι μηδενικές, σε αυτές τις ONUs ανατίθεται το απαραίτητο DBRu. Έτσι εξασφαλίζεται πως όλες οι ONUs θα αναφέρουν την κατάσταση της ουράς τους σε κάθε upstream πλαίσιο. Ανεξάρτητα από την εκδοχή που θα επιλεγεί για τον τρόπο έναρξης της εικονικής εξυπηρέτησης των νέων αναφορών και αυτών που έχουν μείνει από προηγούμενα πλαίσια, η διαδικασία που εκτελεί ο αλγόριθμος BUDA για τον υπολογισμό των GrantSize είναι η ακόλουθη (Ο Πίνακας ΙΙI συνοψίζει τις παραμέτρους του αλγορίθμου και συμπληρώνει τον Πίνακα ΙI): Αρχικοποίηση: Δημιουργία ενός διανύσματος Ε στο οποίο αποθηκεύονται όλα τα γεγονότα που προκύπτουν για κάθε ριπή ταξινομημένα ως προς τον εικονικό χρόνο δημιουργίας τους. Ως γεγονός ορίζουμε τη χρονική στιγμή έναρξης μιας εικονικής εξυπηρέτησης ή τη λήξη της. Αρχικά το διάνυσμα περιέχει μόνο γεγονότα έναρξης για κάθε ριπή όπως έχουν εκτιμηθεί προηγουμένως. Στην συνέχεια ακολουθούν επαναληπτικά τα βήματα επεξεργασίας των γεγονότων έως το τελευταίο. Βήμα 1: Σε ένα γεγονός δ, καθόρισε το τρέχον σύνολο Ν(δ), των ριπών που εξυπηρετούνται παράλληλα. Ν δ 1 n Ν(δ) =! if δ = έναρξη εξυπηρέτησης της ριπής n! Ν δ 1 n! if δ = τερματισμός εξυπηρέτησης της ριπής n! Βήμα 2: Για κάθε ριπή ni του νέου συνόλου υπολόγισε τους νέους χρόνους τερματισμού F n! ως εξής: F n! =!!! R!! BW!!!! R!! = R! BW!! τ δ! δ!!! BW!! = BW δ!! όπου τ δ! δ!!! είναι η χρονική περίοδος μεταξύ διαδοχικών γεγονότων, δ! είναι τα γεγονότα έναρξης ή λήξης αποστολής ριπών τα οποία συμπίπτουν με! την εξυπηρέτηση της ριπή n. R! είναι τα δεδομένα που έχουν απομείνει μετά από j-1 γεγονότα και BW!! είναι το μέγεθος του εύρους ζώνης που είναι! διαθέσιμο σε κάθε ριπή όταν εξυπηρετούνται ταυτόχρονα δ! ριπές. 54

69 Βήμα 3: Ενημέρωσε το σύνολο Ε με τα νέα γεγονότα λήξης που έχουν προκύψει από το προηγούμενο βήμα. Επανέλαβε τη διαδικασία από το Βήμα 1 για το επόμενο γεγονός του διανύσματος και μέχρι να φτάσεις στο τέλος του πίνακα Ε. Βήμα 4: Όταν ολοκληρωθεί η παραπάνω διαδικασία το διάνυσμα Ε περιέχει όλους τους έγκυρους χρόνους έναρξης και λήξης των ριπών. Υπολόγισε με βάση τα γεγονότα του διανύσματος Ε το εύρος ζώνης που μπορεί να ανατεθεί στην κάθε ONU λαμβάνοντας υπόψιν τον περιορισμό του ορίου του αντίστοιχου πλασίου ανόδου ως εξής:!(!! ) W!! = BW!! τ δ! δ!!!!!! όπου τ(u! ) είναι η χρονκή στιγμή τερματισμού του αντίστοιχου πλαισίου ανόδου Βήμα 5: Υπολόγισε τυχόν απαιτήσεις ριπών που απομένουν ώστε να ληφθούν υπόψιν στην επόμενη διαδικασία ανάθεσης εύρους ζώνης από τον OLT. Ο BUDA επίσης περιλαμβάνει τη διαδικασία υπερεφοδιασμού με εύρος ζώνης, που αναφέρθηκε στον προηγούμενο αλγόριθμο, ώστε να μεγιστοποιηθεί η εκμετάλλευση του διαθέσιμου upstream εύρους ζώνης όταν το σύνολο των απαιτήσεων είναι μικρότερο του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Σύμφωνα με αυτή την επέκταση, τυχόν αδιάθετο εύρος ζώνης BW residual, το οποίο παραμένει ανεκμετάλλευτο μετά τη διαδικασία εκτίμησης των GrantSize και που σε άλλη περίπτωση απλά θα χανόταν, επαναδιανέμεται στις ONUs ανάλογα με τον ρυθμό της κίνησης που έχει εκτιμηθεί για κάθε ONU σύμφωνα με τις τελευταίες αναφορές απαιτήσεων (Rate Proportional RP). Συγκεκριμένα, οι νέες τιμές των GrantSize υπολογίζονται ως εξής: W!! = W!! + = W!! +! R!!!!!! R!! R!!!!!! R! BW!"#$%&'( =!! (BW W! ) Με τον τρόπο αυτό μπορούν να εξυπηρετηθούν πακέτα που έχουν φτάσει στην ONU, με ρυθμό παρόμοιο με τα προηγούμενα χρονικά διαστήματα, αλλά δεν έχουν αναφερθεί ακόμα. Έτσι αποφεύγεται η επιπλέον καθυστέρηση Τeqd και κατά συνέπεια μειώνεται η καθυστέρηση πακέτων όταν το φορτίο είναι χαμηλό. Επισημαίνουμε πως η επέκταση αυτή δεν επηρεάζει την δίκαιη λειτουργία του αλγορίθμου καθώς εκτελείται μόνο όταν υπάρχει τυχόν διαθέσιμο εύρος ζώνης αφού έχουν εξυπηρετηθεί οι αναφορές.!!! 55

70 Εικόνα 27: Μέση καθυστέρηση και ρυθμαπόδοση της BUDA FQ-Spatial εκδοχής για σειρά εξυπηρέτησης με βάση το FT (a, b) και κυκλική σειρά εξυπηρέτησης (c, d) 10 ONUs. Εφόσον τα GrantSize έχουν υπολογιστεί για όλες τις ONUs, το OLT πρέπει να υπολογίσει τις τιμές των StartTime για κάθε ριπή ώστε οι μεταδόσεις να συγχρονιστούν κατάλληλα και να μην υπάρξουν συγκρούσεις. Εξετάσαμε δύο προσεγγίσεις για τον καθορισμό της σειράς έναρξης της αποστολής των ριπών από τις ONUs: (α) Κατά την πρώτη προσέγγιση οι ONUs εξυπηρετούνται με αύξουσα σειρά ως πρός τους εικονικούς χρόνους λήξης μετάδοσης των αντίστοιχων ριπών. Στην προσέγγιση αυτή οι κοντινότερες ONUs προς το OLT εξυπηρετούνται με προτεραιότητα στην περίπτωση που τα FT είναι ίδια. (β) Στην δεύτερη προσέγγιση η σειρά αποστολής κάθε ONU αλλάζει κυκλικά σε κάθε πλαίσιο. Συγκεκριμένα, ξεκινώντας με σειρά αύξουσα ως πρός την απόσταση, σε κάθε πλαίσιο ανόδου πραγματοποιείται μια δεξιά κύλιση της προηγούμενης σειράς μετάδοσης. Σκοπός της μεθόδου αυτής είναι να μειώσει επιπλέον τη μέση τιμή της διασποράς της καθυστέρησης (jitter) σε υψηλό φόρτο. Τα StartTime και στις δύο περιπτώσεις υπολογίζονται ώς εξής: ST!! = ST!!!! + W!!!! + GuardTime 56

71 Εικόνα 28: Μέση καθυστέρηση και ρυθμαπόδοση της BUDA FQ-Spatial εκδοχής για σειρά εξυπηρέτησης με βάση το FT (a, b) και κυκλική σειρά εξυπηρέτησης (c, d) 32 ONUs Πειραματική Επιβεβαίωση της Απόδοσης του Μηχανισμού Για να αξιολογήσουμε την απόδοση του προτεινόμενου σχήματος χρησιμοποιήσαμε τις μονάδες που αναπτύξαμε στο περιβάλλον προσομοίωσης OMNET++ (OLT, ONU, Οπτικός διασπαστής, Γεννήτορες κίνησης). Εξετάστηκαν οι δύο τοπολογίες των 10 και 32 ONUs συνδεδεμένων με το OLT. Κάθε γεννήτρια κίνησης η οποία συνδέεται με μία ONU παράγει πακέτα διαφορετικού μεγέθους ακολουθώντας ένα δυϊκό μοντέλο [62] κατά την οποία (ι) το 40% αυτών αντιστοιχεί σε TCP πακέτα επιβεβαίωσης και έχουν μέγεθος 40 bytes, (ιι) 40% έχουν μέγεθος 1500 bytes (όσο είναι το μέγιστο μέγεθος των Ethernet πακέτων) και (ιιι) το υπόλοιπο 20% αποτελεί πακέτα με μέγεθος ομοιόμορφα κατανεμημένο μεταξύ των 40 και 1500 bytes (οι τιμές αυτές δεν συμπεριλαμβάνονται). Οι χρόνοι άφιξης των πακέτων είναι εκθετικοί (Poisson κατανομή) με μέση τιμή λ η οποία υπολογίζεται για το επιθυμητό φορτίο ρ!"# για κάθε ONU, ώς εξής: ρ!"# = ρ!"# m = λ L!" m R!/! όπου το ρ!"# είναι το συνολικό φορτίο του PON, m είναι το σύνολο των ONUs, το R!/! αποτελεί τον upstream ρυθμό μετάδοσης και L!" είναι το μέσο μέγεθος κάθε πακέτου στη δυϊκή προσέγγιση (ίσο με 770 bytes). Στα πειράματα προσομοίωσης 57

72 Εικόνα 29: Μέση καθυστέρηση της BUDA FQ-Spatial εκδοχής με RP για 10 ONUs και a) σειρά εξυπηρέτησης με βάση το FT, b) κυκλική σειρά εξυπηρέτησης και 32 ONUs αντίστοιχα (c, d) μετρήθηκε η μέση καθυστέρηση των πακέτων και η ρυθμαπόδοση που επιτυγχάνει ο BUDA. Η μέση καθυστέρηση αντιστοιχεί στο χρόνο που μεσολαβεί από την άφιξη ενός πακέτου έως την μετάδοσή του στην upstream κατεύθυνση. Η ρυθμαπόδοση μετρήθηκε από τον μέσο αριθμό των πακέτων (σε bytes) που μεταδόθηκαν στη διάρκεια της προσομοίωσης ως πρός το χρόνο της προσομοίωσης. Οι Εικόνες 27 και 28 παρουσιάζουν τα αποτελέσματα της μέσης καθυστέρησης και της ρυθμαπόδοσης που επιτυγχάνεται από την εκδοχή FQ-Spatial του BUDA όταν εφαρμόζονται οι προσεγγίσεις FT και κυκλικής σειράς μετάδοσης, αντίστοιχα. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν και για την εκδοχή FQ-Align. Λόγω της μικρής διαφοράς στην ομοιότητα των αποτελεσμάτων δεν παρουσιάζονται ξεχωριστά. Όπως φαίνεται, ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιτυγχάνει μικρή καθυστέρηση η οποία ακόμη και στα υψηλά φορτία δεν ξεπερνούν τα πέντε πλαίσια. Επιπλέον, μεταξύ των διαφορετικών ONUs παρατηρείται σχεδόν πανομοιότυπη καθυστέρηση. Συγκεκριμένα, η μέγιστη απόκλιση καθυστέρησης μεταξύ των ONUs μόλις που ξεπερνά το 1/5 της διάρκειας ενός upstream πλαισίου για την FT προσέγγιση, ενώ η κυκλική προσέγγιση εξαλείφει σχεδόν τελείως τις διαφορές μεταξύ των ONUs με κόστος μια μικρή αύξηση στη μέση καθυστέρηση. Σημαντική βελτίωση της καθυστέρησης εμφανίζεται όταν εφαρμοστεί η RP επέκταση κυρίως στα χαμηλά φορτία όπως φαίνεται στην Εικόνα 29. Από την εικόνα διακρίνεται βελτίωση έως και 80% στην τοπολογία των 10 ONUs, ενώ η 58

73 Εικόνα 30: Απόδοση BUDA όταν οι ONUs διαφέρουν στην ποσότητα της κίνησης βελτίωση είναι λιγότερο σημαντική όταν οι ONUs αυξάνουν σε 32. Αυτό οφείλεται τόσο στο γεγονός οτι το επιπλέον διαθέσιμο εύρος ζώνης που μπορεί να αναδιανεμηθεί είναι λιγότερο σε κάθε περίπτωση λόγω του επιπλέον overhead που αυξάνει όσο αυξάνουν οι ONUs, όσο και στο γεγονός πως ο μέσος ρυθμός άφιξης πακέτων σε κάθε ONU, για συγκεκριμένο φορτίο του δικτύου, είναι μικρότερος από ότι σε τοπολογίες με λιγότερες ONUs με αποτέλεσμα το επιπλέον εύρος ζώνης να μην αξιοποιείται καθώς οι ουρές είναι κενές. Ως πρός τη ρυθμαπόδοση, οι Εικόνες δείχνουν ξεκάθαρα πως όλες οι ONUs λαμβάνουν κατά μέσο όρο την ίδια ποσότητα εύρους ζώνης. Επιπλέον, φαίνεται πως ο BUDA δεν σπαταλά εύρος ζώνης καθώς το εξυπηρετούμενο φορτίο συμπίπτει με το αιτούμενο. Για παράδειγμα στη Εικόνα 25b, η ρυθμαπόδοση αυξάνει κατά 25 Mb/s για κάθε 0.1 αύξηση του φόρτου, η οποία ισούται με την αύξηση του ρυθμού κίνησης ανά ONU στην τοπολογία των 10 ONUs. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται αποδεικνύουν οτι ο BUDA διατηρεί τα ζητήματα δικαιοσύνης του FQ και οτι οι ONUs λαμβάνουν δίκαιη μεταχείριση ως πρός την καθυστέρηση και την ρυθμαπόδοση. Για να εξετάσουμε περισσότερο αυτά τα δεδομένα, δημιουργήσαμε σενάρια προσομοίωσης στα οποία το φορτίο μεταξύ των ONUs δεν είναι ίδιο, αλλά διαφέρει ανά ομάδες ONUs. Στην τοπολογία των 10 ONUs δημιουργήθηκαν δύο ομάδες φορτίων (χαμηλή και υψηλή κίνηση) στις οποίες οι ONUs με υψηλή κίνηση παρήγαγε τη διπλάσια κίνηση σε σχέση με την άλλη 59

74 Εικόνα 31: Σύγκριση των μεθόδων BUDA, IPACT και EBU ως προς την μέση καθυστέρηση και την ρυθμαπόδοση για 10 (a, b) και 32 (c, d) ONUs ομάδα. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για το σενάριο αυτό παρουσιάζονται στις Εικόνες 30a, 30b και δείχνουν πως ο BUDA προσαρμόζεται πλήρως στην κίνηση από τις ONUs χωρίς να σπαταλά εύρος ζώνης. Για παράδειγμα, στο 90% του φορτίου που αντιστοιχεί σε 2.25 Gb/s, οι ONUs με υψηλό φόρτο λαμβάνουν 300 Mb/s έκαστη και οι ONUs με χαμηλό φόρτο 150 Mb/s. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρούνται για την τοπολογία των 32 ONUs με τέσσερις διαφορετικές ροές κίνησης (Εικόνες 30c και 30d). Στο σενάριο αυτό κάθε η δεύτερη, η τρίτη και τέταρτη ομάδα παράγουν αντίστοιχα δύο, τρείς και τέσσερις φορές την κίνηση που παράγει η πρώτη χαμηλού φόρτου ομάδα. Άμεσα συμπεραίνουμε πως αντίστοιχη αναλογία υπάρχει και στην ανάθεση εύρους ζώνης προς τις ONUs χωρίς να παρατηρείται κάποια σπατάλη στο διαθέσιμο εύρος ζώνης. Αναφορικά με την καθυστέρηση, από τις Εικόνες 30a, c, παρατηρούμε πως οι ONUs με μεγαλύτερες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης υφίστανται μεγαλύτερη καθυστέρηση σε σχέση με τις χαμηλού φόρτου ONUs. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει πως ο BUDA διατηρεί την FQ δικαιοσύνη, η οποία επιτάσσει (ι) οι ONUs να εξυπηρετούνται με αύξουσα σειρά ως πρός τις απαιτήσεις τους, (ιι) οι ONUs να λαμβάνουν το αιτούμενο εύρος ζώνης μακροπρόθεσμα και όχι ανα upstream πλαίσιο. Συγκεκριμένα, οι μεγάλες αιτήσεις από τις ONUs με υψηλό φόρτο εξυπηρετούνται τμηματικά ανά upstream πλαίσιο. Μέρος των απαιτήσεων αναβάλλονται για την εξυπηρέτησή τους σε επόμενο πλαίσιο. Άρα, από πρακτική άποψη, τα 60

75 αποτελέσματα δείχνουν πως ο BUDA λαμβάνει υπόψιν του τις εκάστοτε συμβάσεις των συνδρομητών. Επιπλέον, εάν μια ONU με εσφαλμένη συμπεριφορά προσπαθεί να μονοπωλήσει την χωρητικότητα του πλαισίου τότε θα «τιμωρείται» από τον BUDA ως προς την καθυστέρηση, καθώς θα δίνεται προτεραιότητα πάντα στις ONUs με «φυσιολογικές» απαιτήσεις. Η δικαιοσύνη αυτή δεν είναι δεδομένη από όλους τους αλγόριθμους δυναμικής ανάθεσης καθώς DBA επιλογής όπως ο IPACT και συγκεκριμένα η gated εκδοχή του, δεν προσαρμόζονται δίκαια στις απαιτήσεις των ONUs με αποτέλεσμα όλες οι ONUs να υφίστανται καθυστερήσεις που μπορεί να εισάγει μια ONU με εσφαλμένη συμπεριφορά. Για την περαιτέρω αξιολόγηση της απόδοσης του προτεινόμενου αλγορίθμου, συγκρίνουμε τη συμπεριφορά του με τον IPACT και τον DBA αλγόριθμο αποδοτικής εκμετάλλευσης του εύρους ζώνης (Efficient Bandwidth Utilisation EBU) για XG- PON συστήματα. Αναφορικά με τον IPACT, μελετήθηκαν οι εκδοχές limited και gated όπως παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη υπο-ενότητα. Η σύγκρισή του BUDA με τον IPACT φαίνεται στην Εικόνα 31, όπου είναι ξεκάθαρο πως και οι δύο εκδοχές του BUDA έχουν καλύτερη απόδοση ως πρός την καθυστέρηση. Συγκεκριμένα, το όφελος μπορεί να φτάσει το 20% ως πρός τον IPACT limited και το 7.5% ως πρός τον IPACT gated για την τοπολογία των 10 ONUs. Αντίστοιχα η διαφορά στην τοπολογία των 32 ONUs μπορεί να φτάσει το 68% και 9.5% ως πρός την καθυστέρηση. Παρόμοια αποτελέσματα εμφανίζονται και για την περίπτωση που εφαρμόζεται η RP επέκταση στους αλγορίθμους, όπου ο BUDA παρουσιάζει καλύτερη απόδοση στα χαμηλά φορτία. Αναφορικά με το EBU, ο αλγόριθμος μοιάζει με την εκδοχή ελαστικών υπηρεσιών του IPACT και προσπαθεί να διαμοιράσει το εύρος ζώνης που αντιστοιχεί σε μια περίοδο εξυπηρέτησης (Service Interval SI) πολλαπλάσια του ενός πλαισίου (ακέραια πολλαπλάσια των 125 μs). Κατά τη διάρκεια μιας SI, μια ONU μπορεί να λάβει ένα μέγιστο μέγεθος εύρους ζώνης (Allocation Bytes AB), ώστε η μέση ρυθμαπόδοση να είναι ίδια για κάθε ONU (AB/SI), αλλά να υπάρχει η δυνατότητα η ρυθμαπόδοση αιχμής κάποιας ONU να είναι SI φορές μεγαλύτερο σε κάποιο upstream πλαίσιο, υποθέτοντας πως οι απαιτήσεις όλων των υπόλοιπων ONUs είναι μηδενικές. Ο EBU χρησιμοποιεί δύο αντίστροφους μετρητές για την καταγραφή των διαθέσιμων bytes σε μια SI (μετρητής VB) και του αριθμού των υπόλοιπων upstream πλαισίων στο τρέχον SI (μετρητής SI_timer). Κάθε ONU σε ένα upstream πλαίσιο λαμβάνει είτε τον αριθμό των bytes που αιτήθηκε, είτε το μέγεθος AB (το ελάχιστο μεταξύ των δύο). Η ανάθεση για κάποια ONU προϋποθέτει (ι) πως το VB που τη αφορά δεν είναι μηδενικό και (ιι) πως υπάρχει χώρος στο τρέχον πλαίσιο που διαμοιράζεται. Σύμφωνα με την διαδικασία αυτή υπονοείται πως το VB μπορεί να λάβει αρνητικές τιμές γεγονός που σημαίνει πως η αντίστοιχη ONU μπορεί να εκμεταλλευτεί το εύρος ζώνης που δεν χρειάζεται κάποια άλλη. Ο μετρητής VB αρχικοποιείται στην τιμή AB κάθε φορά που ο SI_timer φτάσει στο μηδέν. Ο SI_timer επίσης αρχίζει να μετράει από την αρχή. Σε περιπτώσεις που κάποια ONU έχει λάβει επιπλέον εύρος ζώνης (αρνητική τιμή για τον VB) που δεν μπορεί να καλυφθεί από μη χρήση του από άλλες ONUs τότε η διαφορά αφαιρείται από το AB κατά την επόμενη αρχικοποίηση του VB. 61

76 Ο EBU έχει τη δυνατότητα προσαρμογής της διαμοίρασης του εύρους ζώνης στις στιγμιαίες αλλαγές της κίνησης στις ONUs και αναμένεται μεγαλύτερες τιμές στο SI να επιφέρουν καλύτερα αποτελέσματα, καθώς οι ONUs έχουν περισσότερες επιλογές για την αποστολή των δεδομένων τους πρίν μηδενιστεί ο μετρητής. Ωστόσο, αν κάποια ONU σε κάποιο σημείο της περιόδου SI δεν έχει αναφέρει κάποιες απαιτήσεις, τότε ο EBU τη θεωρεί ανενεργή και δεν μπορεί να αναφέρει απαιτήσεις έως ότου μηδενιστεί ο μετρητής. Αυτό σημαίνει πως οι μεγάλες τιμές SI θα πρέπει να αποφεύγονται καθώς οι ONUs μπορεί να ξεμείνουν από μεταδόσεις. Αντίθετα, πολύ μικρά SI (κοντά στη μονάδα) παρέχουν μικρότερη ευελιξία κατά τη διαδικασία διαμοίρασης του εύρους ζώνης με αποτέλεσμα ο EBU να έχει αντίστοιχη συμπεριφορά με τον IPACT limited, όπως τον μελετήσαμε στην εργασία αυτή, για SI ίσο με τη μονάδα. Η υλοποίησή μας περιλαμβάνει τρείς εκδοχές του EBU με τιμές του SI ίσες με 1, 5 και 10 πλαίσια., ώστε να παρουσιαστούν αποτελέσματα για μικρά και μεγάλα SI. Οι τιμές του AB υπολογίζονται ως εξής: AB = SI BW m Η συμπεριφορά του EBU ως πρός το SI και η σύγκρισή του με τον BUDA συνοψίζονται στην Εικόνα 31 Για μικρό SI η συμπεριφορά του αλγορίθμου είναι παρόμοια με αυτή του IPACT limited, ενώ δεν πλησιάζει καθόλου την απόδοση του BUDA. Αυτό αληθεύει ιδιαίτερα για χαμηλά φορτία, όπου οι ONUs συχνά υποτίθενται ως ανενεργές σύμφωνα με τον EBU για το υπόλοιπο SΙ διάστημα και αναγκάζονται να περιμένουν χωρίς λόγο. Η συμπεριφορά του EBU θα βελτιωνόταν αρκετά σε συνθήκες σταθερής κίνησης, όπως ένα τηλεφωνικό δίκτυο, όπου οι ONUs δεν μένουν ποτέ ανενεργές. 62

77 Υπολογιστικά Κέντρα Δεδομένων με Οπτικές Διασυνδέσεις Τα τελευταία χρόνια, η εκθετική αύξηση της κίνησης μέσω διαδικτύου, η οποία οφείλεται στην εξέλιξη των πολυμεσικών εφαρμογών όπως η διαμοίραση βίντεο, η κοινωνική δικτύωση και τα σύννεφα υπολογιστών, δημιούργησε την ανάγκη για υπολογιστικά κέντρα με τεράστιες δυνατότητες. Πέρα από την υπολογιστική ισχύ που είναι αναγκαία σε αυτά τα υπολογιστικά κέντρα για την άμεση επεξεργασία μεγάλου όγκου δεδομένων και την εκτέλεση πολύπλοκων εφαρμογών, θα πρέπει να διαθέτουν μεγάλες δυνατότητες ανταλλαγής της πληροφορίας. Οι εφαρμογές που είναι εγκατεστημένες στα υπολογιστικά κέντρα βασίζονται στην άμεση πληροφορία που παράγεται και χρειάζεται άμεση επικοινωνία των διαφόρων συστημάτων που χειρίζονται δεδομένα. Η συνεχής επικοινωνία που υφίσταται δημιουργεί την ανάγκη μεγάλου εύρους ζώνης και μικρής καθυστέρησης στην επικοινωνία του τοπικού δικτύου ενός υπολογιστικού κέντρου. Η υλοποίηση σύγχρονων υπολογιστικών κέντρων απαιτεί την εγκατάσταση εκατοντάδων εξυπηρετητών υψηλής απόδοσης και αντίστοιχα ταχύτατων μεταγωγέων που εξασφαλίζουν την αποδοτική διασύνδεση των εξυπηρετητών. Η Οπτική Τεχνολογία στον Εξοπλισμό των Υπολογιστικών Κέντρων Δεδομένων Η οπτική τεχνολογία, η οποία προσφέρει υψηλό εύρος ζώνης, χαμηλή απώλεια μετάδοσης και αποδοτικότητα ως προς την κατανάλωση ενέργειας, αποτελεί μια σημαντική λύση για την ανάπτυξη υπολογιστικών κέντρων που θα μπορούν εξυπηρετήσουν μεγάλο όγκο δεδομένων. Τα οπτικά μέσα επικοινωνίας έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε δίκτυα μεγάλων αποστάσεων (WAN) και σε μητροπολιτικά δίκτυα (MAN) τηλεπικοινωνιών παρέχοντας χαμηλή απαιτούμενη ισχύ και καθυστέρηση και αυξημένη ρυθμαπόδοση. Αρχικά τα κανάλια χαλκού αντικαταστάθηκαν από οπτικές ίνες για την από-σημείου-προς-σημείο επικοινωνία με μεγάλο εύρος ζώνης. Στην περίπτωση αυτή, οπτικό-ηλεκτρο-οπτική αναγέννηση του σήματος λάμβανε χώρα σε κάθε κόμβο του δικτύου. Τα δίκτυα μεγάλων αποστάσεων και τα μητροπολιτικά δίκτυα έχουν πλέον εξελιχθεί σε πλήρως-οπτικά (χρησιμοποιώντας μεταγωγή κυκλώματος) για την αποφυγή ενεργοβόρων μετατροπών του σήματος από ηλεκτρικό σε οπτικό και αντίστροφα. Η χρήση της οπτικής τεχνολογίας έχει επεκταθεί για να καλύψει μικρότερες αποστάσεις σε τοπικά δίκτυα (LAN), καθώς και στα δίκτυα διασύνδεσης των υπολογιστικών κέντρων. Επί του παρόντος, οι οπτικές διασυνδέσεις έχουν αντικαταστήσει τις ηλεκτρικές για την επικοινωνία μεταξύ των ToR μεταγωγέων, επιτυγχάνοντας έτσι σε κάποιο βαθμό μεγαλύτερο εύρος ζώνης, και μειώνοντας κάπως την κατανάλωση ενέργειας και την καθυστέρηση. Παρόλα αυτά, η κατανάλωση ενέργειας για τα δίκτυα επικοινωνίας δεδομένων εξακολουθεί να είναι αποθαρρυντική. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν τόσο οι περιορισμοί ενέργειας όσο και το εύρος ζώνης των ηλεκτρικών διασυνδέσεων, οι οπτικές τεχνολογίες πρέπει να εισχωρήσουν σε ακόμη μικρότερες αποστάσεις στο εγγύς μέλλον: η οπτική τεχνολογία γίνεται σταδιακά λιγότερο 63

78 Εικόνα 32: Απεικόνιση ενός παραδείγματος εφαρμογής της οπτικής τεχνολογίας σε δίκτυα διασύνδεσης: ενεργά οπτικά καλώδια (Active Optical Cables - AOC), οπτικές πλακέτες και οπτικά ολοκληρωμένα. κοστοβόρα για τα επίπεδα επικοινωνίας πλακέτας-με-πλακέτα, επί-της-πλακέτας ακόμη και για το επίπεδο επι-του-ολοκληρωμένου. Αυτή η νέα εποχή φέρνει μια εντελώς νέα τεχνολογία για τα δομικά στοιχεία του δικτύου για την επικοινωνία σε μικρές αποστάσεις. Αυτές περιλαμβάνουν Οπτικές πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (Optical Printed Circuit Boards-OPCBs) στις οποίες βρίσκονται ενσωματωμένοι πολύ-τροπικοί (multi-mode) κυματοδηγοί (συνήθως από πολυμερές) ή μονοτροπικοί (single-mode) κυματοδηγοί (συνήθως από πολυμερές ή γυαλί), τεχνολογίες σύζευξης ολοκληρωμένου-σε-πλακέτα, οπτικά ολοκληρωμένα με οπτικούς πομποδέκτες (π.χ. εξοπλισμένα με VCSELs για Tx, και PD - φωτοδιόδους για Rx), φωτονικούς μεταγωγείς και δρομολογητές, στοιχεία πολυπλεξίας, επιλεκτικοί διακόπτες μήκους κύματος (WSS), πολυπλέκτες AWG (Arrayed Waveguide Gratings), οπτικές μνήμες RAM, μεταξύ άλλων. Ένα παράδειγμα εφαρμογής οπτικών στοιχείων σε ένα in-the-box δίκτυο (όπως ένα υπολογιστικό κέντρο ή ένα HPC σύστημα) απεικονίζεται στην Εικόνα 32, όπου ικριώματα διασυνδέονται μέσω ενεργών οπτικών καλωδίων (Active Optical Cables - AOC) και ολοκληρωμένα με ενσωματωμένους οπτικούς πομποδέκτες, τοποθετημένα σε πλακέτες με ενσωματωμένους οπτικούς κυματοδηγούς. 64

79 Αρχιτεκτονικές Δικτύων Διασύνδεσης στα Υπολογιστικά Κέντρα Ένα κέντρο δεδομένων αποτελείται από πληθώρα εξυπηρετητών, τοποθετημένων σε διάφορα ικριώματα, οι οποίοι επικοινωνούν μέσω του δικτύου διασύνδεσης. Τα πακέτα των εφαρμογών ξεκινούν από τα τερματικά των χρηστών, οι οποίοι αποτελούν τους πελάτες των εξυπηρετητών, και προωθούνται μέσω του διαδικτύου σε κατάλληλες διεπαφές του κέντρου δεδομένων ώστε να καταλήξουν σε κάποιο διαθέσιμο κατάλληλο εξυπηρετητή. Ένα συγκεκριμένο αίτημα μπορεί να απαιτεί τη συμμετοχή και συνεργασία περισσότερων του ενός εξυπηρετητή, με αποτέλεσμα να είναι αναγκαία μια συνεχής ανταλλαγή δεδομένων. Συνεπώς, η αποδοτικότερη εξυπηρέτηση ενός αιτήματος εξαρτάται σημαντικά από την αρχιτεκτονική του αντίστοιχου κέντρου δεδομένων, ώστε η καθυστέρηση μετάδοσης των πακέτων να είναι ελάχιστη αλλά και να αξιοποιούνται αποδοτικά οι πόροι του συστήματος. Συμβατικές Αρχιτεκτονικές Δικτύων Το δίκτυο διασύνδεσης των υπολογιστικών κέντρων είναι συνήθως ένα δίκτυο τύπου fat-tree 2 ή 3 επιπέδων. Δυο προσεγγίσεις ακολουθούνται στα fat-tree δίκτυα: (i) η κλασική fat tree προσέγγιση χρησιμοποιώντας μεταγωγείς υψηλότερων ταχυτήτων ανά θύρα όσο πλησιάζουμε στη ρίζα του δέντρου (όπου εκεί υπάρχουν οι υψηλότερες ταχύτητες) ή (ii) η χρήση μεταγωγέων διαθέσιμων στο εμπόριο με χαμηλότερες ταχύτητες, διασυνδεδεμένων σε μια folded Clos τοπολογία, ώστε να παρέχονται πολλαπλά μονοπάτια χαμηλών ταχυτήτων μεταξύ των εξυπηρετητών [63](Εικόνα 33). Η πρώτη προσέγγιση θεωρείται μη πρακτική για μεγάλα υπολογιστικά κέντρα, καθώς η υποστήριξη μεγάλου αριθμού από εξυπηρετητές απαιτεί μεταγωγείς με πάρα πολλές θύρες, με τεράστιες ταχύτητες στη ρίζα του δέντρου, ενώ το κόστος αυξάνει καθώς απαιτούνται μεταγωγείς υψηλής τεχνολογίας. Επιπλέον, ένα δίκτυο κατασκευασμένο με τον πρώτο τρόπο δεν μπορεί να επεκταθεί εύκολα ώστε να υποστηρίζονται περισσότεροι εξυπηρετητές, ενώ τυχόν δυσλειτουργίες σε ένα σημείο της αρχιτεκτονικής (τη Εικόνα 33: Τυπική αρχιτεκτονική του δίκτυού διασύνδεσης των υπολογιστικών κέντρων. 65

80 ρίζα) επιφέρουν τη δυσλειτουργία ολόκληρου του δικτύου. Για αυτό το λόγο η πιο δημοφιλής προσέγγιση στα πραγματικά υπολογιστικά κέντρα είναι η δεύτερη (Clos), η οποία περιορίζει το κόστος χρησιμοποιώντας αρκετούς αλλά φθηνούς μεταγωγείς του εμπορίου στα πιο ψηλά επίπεδα του δέντρου, παρέχοντας πολλαπλά μονοπάτια για την αντιμετώπιση προβλημάτων δυσλειτουργίας σε σημεία στο δίκτυο, ή ένας συνδυασμός των δυο (μια τοπολογία Clos με μεταγωγείς υψηλότερων ταχυτήτων στα υψηλότερα επίπεδα της τοπολογίας). Τα σημερινά υπολογιστικά κέντρα, περιέχουν δεκάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες servers, τοποθετημένους σε ικριώματα (racks), με το καθένα να περιλαμβάνει συνήθως μεταξύ 20 και 40. Μια σειρά από ικριώματα μπορούν λογικά ή φυσικά να ομαδοποιούνται σε PODs (Performance Optimized Datacenters): λογικά σημαίνει ότι ανήκουν στο ίδιο υποδίκτυο και διασυνδέονται με τα ίδιους POD μεταγωγείς (δεύτερο επίπεδο του δέντρου), ενώ φυσικά σημαίνει ότι βρίσκονται στο ίδιο δωμάτιο-κοντέινερ. Εταιρείες όπως οι HP, IBM, Sun, κλπ τοποθετούν εξυπηρετητές και δικτυακό εξοπλισμό σε κοντέινερ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αυτόνομα μικρά υπολογιστικά κέντρα ή μπορούν να διασυνδεθούν ως μια ενότητα ενός μεγαλύτερου κέντρου δεδομένων. Ο αριθμός των ικριωμάτων ανά POD είναι τυπικά μεταξύ 40 και 60, αλλά μπορεί να είναι και μεγαλύτερος. Οι εξυπηρετητές οι οποίοι είναι βρίσκονται σε ένα ικρίωμα διασυνδέονται μεταξύ τους με ένα ToR (Top-of-the-Rack) μεταγωγέα (ή edge μεταγωγέα όπως λέγεται). Αυτοί οι ToR μεταγωγείς διασυνδέονται περαιτέρω μεταξύ τους μέσω μεταγωγέων στο παραπάνω επίπεδο (aggregation) με ταχύτητες 10 Gbps ή 40 Gbps. Σε τοπολογίες 3 επιπέδων, προστίθεται ένα ακόμη επίπεδο, στο οποίο οι μεταγωγείς του 2 ου (aggregate) επιπέδου διασυνδέονται σε μια τοπολογία τύπου fat-tree χρησιμοποιώντας 10 Gbps ή 40 Gbps συνδέσμους, σχηματίζοντας έτσι το 3 ο (core) επίπεδο. Συνδέοντας κάθε ToR μεταγωγέα σε παραπάνω από ένα μεταγωγέα του 2 ου επιπέδου, και στη συνέχεια, κάθε μεταγωγέα του 2 ου επιπέδου σε παραπάνω από ένα μεταγωγέα του 3 ου επιπέδου, και χρησιμοποιώντας δρομολόγηση πολλαπλών μονοπατιών [63] είναι δυνατόν να παρέχεται το πλήρες εύρος ζώνης διχοτόμησης (full bisection bandwidth) στους εξυπηρετητές. Αρχιτεκτονικές Οπτικών Διασυνδέσεων Οι οπτικές διασυνδέσεις έχουν μελετηθεί ως εξέλιξη των παραδοσιακών δικτύων δεδομένων και κατά συνέπεια έχουν δημιουργηθεί διάφορες αρχιτεκτονικές που προσφέρουν άμεση υποστήριξη σε υπάρχουσες τεχνολογίες. Ωστόσο, καθώς οι δικτυακές συσκευές εξελίσσονται και απαλλάσσονται από την ανάγκη υποστήριξής τους από ηλεκτρικά κυκλώματα, τα δίκτυα δεδομένων τείνουν να γίνονται εξ ολοκλήρου οπτικά. Οι διάφορες αρχιτεκτονικές που έχουν προταθεί παρουσιάζονται παρακάτω. Υβριδικές (ηλεκτρονικές/οπτικές) αρχιτεκτονικές Στο [64] παρουσιάστηκε η αρχιτεκτονική c-through (Εικόνα 34). Προτάθηκε σαν ενίσχυση της αρχιτεκτονικής των υπαρχόντων υπολογιστικών κέντρων. Στη c- Through αρχιτεκτονική, οι ToR μεταγωγείς συνδέονται τόσο σε ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτων όσο και σε ένα δίκτυο οπτικής μεταγωγής κυκλώματος 66

81 Εικόνα 34: Αρχιτεκτονική c-through [64]. (ουσιαστικά έναν οπτικό μεταγωγέα τεχνολογίας MEMS). Οι MEMS (Micro-Electro- Mechanical Systems) οπτικοί μεταγωγείς είναι μηχανικές συσκευές οι οποίες περιστρέφουν μικροσκοπικούς καθρέφτες (μητρώα από καθρέφτες) οι οποίοι βρίσκονται εντός τους. Με αυτό τον τρόπο κατευθύνονται κατάλληλα οι ακτίνες φωτός μέσα στον οπτικό μεταγωγέα έτσι ώστε να εγκαθιδρύονται συνδέσεις μεταξύ εισόδων και εξόδων. Ο χρόνος ρύθμισης/αλλαγής κατάστασης των μεταγωγέων είναι σχετικά μεγάλος. Ο οπτικός μεταγωγέας στο c-through πρέπει να ρυθμίζεται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε συνδέσεις απαιτητικές σε εύρος ζώνης να πραγματοποιείται μέσω αυτού. Για αυτό το σκοπό απαιτείται ένα σύστημα παρακολούθησης της κίνησης το οποίο βρίσκεται εγκατεστημένο στους hosts. Αυτό το σύστημα εκτιμά τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης για τη σύνδεση με άλλους hosts. Ένας διαχειριστής του οπτικού μεταγωγέα συλλέγει αυτές τις μετρήσεις και διαμορφώνει κατάλληλα τον οπτικό μεταγωγέα βάσει των απαιτήσεων της κίνησης. Αυτός ο διαχειριστής βρίσκεται συνδεδεμένος στον οπτικό μεταγωγέα (σαν επίπεδο ελέγχου). Δεδομένου του μητρώου-κίνησης, ο οπτικός διαχειριστής πρέπει να αποφασίσει για το πώς θα συνδέσει τα racks των servers μέσω οπτικών μονοπατιών έτσι ώστε να μεγιστοποιήσει το σύνολο της κίνησης η οποία περνά μέσω του οπτικού μεταγωγέα. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να διατυπωθεί σαν ένα maximum weight perfect matching πρόβλημα. Το μητρώο-κίνησης μεταξύ racks μπορεί να περιγραφεί σαν ένας γράφος G = (E, V), όπου V είναι το σύνολο των κόμβων και E το σύνολο των συνδέσμων. Κάθε κόμβος του V είναι ένα rack. Το βάρος w(e) ενός συνδέσμου e είναι το σύνολο της κίνησης μεταξύ των racks. Ένα ταίριασμα M στον γράφο G για ένα ζεύγος κόμβων, είναι ένα σύνολο από συνδέσμους στο οποίο δυο σύνδεσμοι δε μοιράζονται κάποιο κοινό κόμβο. Ένα τέλειο ταίριασμα προκύπτει όταν όλοι οι κόμβοι συμπεριλαμβάνονται σε αυτό. Έτσι, το πρόβλημα διαμόρφωσης του οπτικού μεταγωγέα μπορεί να εκφραστεί σαν ένα πρόβλημα τέλειου ταιριάσματος με το μέγιστο δυνατό βάρος (maximum weight perfect matching). Ο αλγόριθμος ο οποίος επιλέχθηκε στην αρχιτεκτονική c-through είναι ο αλγόριθμος του Edmond [65]. Μετά τη διαμόρφωση του οπτικού μεταγωγέα, ο διαχειριστής ειδοποιεί τους ToR μεταγωγείς έτσι ώστε να δρομολογήσουν κατάλληλα τα πακέτα τους. Η κίνηση στους ToR μεταγωγείς από-πολυπλέκεται χρησιμοποιώντας VLAN- 67

82 Εικόνα 35: Αρχιτεκτονική Helios [66]. based δρομολόγηση. Χρησιμοποιούνται δυο διαφορετικά VLANs, ένα για το δίκτυο μεταγωγής πακέτων και ένα για το δίκτυο οπτικής μεταγωγής κυκλώματος. Αν τα πακέτα τα οποία προορίζονται για κάποιο rack, το οποίο συνδέεται με την πηγή των πακέτων μέσω του οπτικού μεταγωγέα, τότε αυτά δρομολογούνται χρησιμοποιώντας το δεύτερο VLAN. Στο [66] προτάθηκε μια ακόμη υβριδική αρχιτεκτονική για υπολογιστικά κέντρα. Η αρχιτεκτονική (Helios) απεικονίζεται στο Εικόνα 35. Η Helios αρχιτεκτονική μοιάζει αρκετά με τη c-through, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιεί WDM συνδέσμους. Η αρχιτεκτονική του Helios είναι ένα fat tree 2-επιπέδων. Αποτελείται από Pod μεταγωγείς (αντίστοιχοι των ToR. Το Helios προτάθηκε για modular υπολογιστικά κέντρα στα οποία υπάρχουν Pods) και μεταγωγείς κορμού (core). Οι Pod μεταγωγείς είναι κλασικοί μεταγωγείς πακέτων, ενώ οι core μεταγωγείς είναι οπτικοί μεταγωγείς κυκλώματος MEMS. Οι μεταγωγείς πακέτων χρησιμοποιούνται κανονικά για την επικοινωνία όλων-με-όλους, ενώ οι οπτικοί μεταγωγείς χρησιμοποιούνται για απαιτητικές σε εύρος ζώνης συνόδους οι οποίες αλλάζουν αργά στο χρόνο. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 34, κάθε Pod μεταγωγέας έχει τόσο απλούς οπτικούς πομποδέκτες όσο και WDM οπτικούς μεταγωγείς. Οι WDM οπτικοί πομποδέκτες πολυπλέκονται μέσω ενός παθητικού οπτικού πολυπλέκτη σχηματίζοντας υπερσυνδέσμους (Εικόνα 35). Αυτοί οι υπερσύνδεσμοι μπορούν να μεταφέρουν μέχρι w*10gbps, όπου w είναι ο αριθμός των διαφορετικών μηκών κύματος (τα οποία μπορεί να είναι από 1 μέχρι 32). Τα δομικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής Helios είναι τα εξής: ο διαχειριστής τοπολογίας, ο διαχειριστής μεταγωγέα κυκλώματος (MEMS), ο διαχειριστής Pod μεταγωγέα (δηλαδή του μεταγωγέα πακέτων). Ο διαχειριστής τοπολογίας χρησιμοποιείται για να παρακολουθεί την κίνηση στο υπολογιστικό κέντρο και βασίζεται σε απαιτήσεις σε κίνηση (αριθμός ενεργών συνδέσεων, απαιτήσεις σε κίνηση, ) για να βρει την καλύτερη διαμόρφωση του οπτικού μεταγωγέα κυκλώματος. Οι απαιτήσεις σε κίνηση βασίζονται στην κίνηση που χρειάζεται να στείλει ο κάθε server στους υπόλοιπους, ενώ ο αριθμός των ενεργών ροών είναι ο μέγιστος αριθμός των συνδέσεων οι οποίες μπορούν να είναι ταυτόχρονα ενεργές. Ο διαχειριστής μεταγωγής κυκλώματος λαμβάνει τον γράφο των συνδέσεων και διαμορφώνει το MEMS μεταγωγέα κατάλληλα. Ο διαχειριστής Pod μεταγωγέα βρίσκεται στους Pod 68

83 Εικόνα 36: Αρχιτεκτονική του RAPID: (α) πλακέτα, συστάδα (β) σύνδεση συστάδων με AWG [67]. μεταγωγείς και διασυνδέεται με τον διαχειριστή τοπολογίας. Βάσει των αποφάσεων του διαχειριστή τοπολογίας, ο διαχειριστής Pod μεταγωγέα δρομολογεί τα πακέτα είτε στον μεταγωγέα πακέτων (μέσω των απλών πομποδεκτών) ή στον οπτικό μεταγωγέα κυκλώματος (μέσω WDM πομποδεκτών). Η διαμόρφωση του οπτικού μεταγωγέα βασίζεται σε ένα απλό μητρώο ζήτησης στο οποίο πρέπει να υπολογιστεί ο διγράφος του. Αρχιτεκτονική RAPID Μια προτεινόμενη αρχιτεκτονική για υπολογιστικά κέντρα χρησιμοποιώντας οπτικές διασυνδέσεις είναι η αρχιτεκτονική RAPID [67]. Το σχήμα μεταγωγής είναι μεταγωγή οπτικού κυκλώματος. Ένα RAPID σύστημα ορίζεται σαν ένα (C, B, D) σύστημα, όπου C είναι ο αριθμός των συστάδων (clusters) στο σύστημα, B o αριθμός των πλακετών ανά συστάδα και D το πλήθος των κόμβων/servers ανά πλακέτα. Ο συνολικός αριθμός των κόμβων είναι N = C x B x D. Οι κόμβοι πάνω σε μια πλακέτα διασυνδέονται με οπτικό δίκτυο διασύνδεσης (Εικόνα 36α). Η τοπολογία του δικτύου μεταξύ των πλακετών είναι από-σημείο-σε-σημείο. Πολλές συστάδες μπορούν να διασυνδεθούν πολυπλέκοντας μήκη κύματος, χρησιμοποιώντας AWGs (Arrayed-Waveguide Grating) αμφίδρομης επικοινωνίας (Εικόνα 36β). Τα AWGs είναι παθητικές συσκευές, ανεξάρτητες του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων οι οποίες διαθέτουν θύρες εισόδου-εξόδου. Δρομολογούν κάθε μήκος κύματος μιας εισόδου σε κάποια άλλη έξοδο. Στα WDM τηλεπικοινωνιακά συστήματα, στα οποία πολυπλέκονται πολλαπλά μήκη κύματος, τα AWGs χρησιμοποιούνται σαν αποπολυπλέκτες για το διαχωρισμό των επιμέρους μηκών κύματος ή σαν πολυπλέκτες για να τα συνδυάσουν. Έτσι, η χρήση τους στην RAPID αρχιτεκτονική εξοικονομεί μήκη κύματος: δε χρειάζονται παραπάνω μήκη κύματος για την επικοινωνία μεταξύ των συστάδων (Εικόνα 36β). Το RAPID μπορεί να επαναδιαμορφωθεί δυναμικά: οι εκπομποί μπορούν να εκπέμπουν σε διαφορετικά μήκη κύματος ώστε να επικοινωνήσουν με διαφορετικές πλακέτες. Για την επικοινωνία μεταξύ των πλακετών χρησιμοποιείται το μήκος κύματος λ! (!,!), όπου i είναι το μήκος κύματος, s είναι η πλακέτα πάνω στην οποία βρίσκεται ο αποστολέας, και c είναι η συστάδα στην οποία ανήκει ο αποστολέας. Στην περίπτωση που απαιτείται περισσότερο εύρος ζώνης, μπορούν 69

84 Εικόνα 37: Αρχιτεκτονική του Petabit οπτικού μεταγωγέα [68]. να χρησιμοποιηθούν περισσότερα μήκη κύματος για την από-κόμβο-σε-κόμβο επικοινωνία, αυξάνοντας έτσι το συνολικό εύρος ζώνης του συνδέσμου. Στο επίπεδο ελέγχου υπάρχει ένας RWA (Routing and Wavelength Allocation) διαχειριστής για τον έλεγχο των εκπομπών και των παραληπτών. Το RAPID επιτυγχάνει χαμηλότερη καθυστέρηση και υψηλότερη ρυθμαπόδοση για πολλά σενάρια κίνησης (traffic patterns) σε σχέση με αρκετά ηλεκτρονικά δίκτυα (όπως fat-trees, tori, hypercubes). Το χειρότερο σενάριο κίνησης για το RAPID είναι η συμπληρωματική κίνηση (complement traffic). Σε αυτό το σενάριο ο κάθε κόμβος μιλάει με τον κόμβο ο οποίος έχει σαν διεύθυνση το συμπλήρωμα της (δυαδικής) διεύθυνσης του αποστολέα. Στο RAPID, σε αυτή την περίπτωση, αντιστοιχεί στο σενάριο κίνησης στο οποίο όλοι οι κόμβοι μιας πλακέτας θέλουν να επικοινωνήσουν με όλους τους κόμβους οι οποίοι βρίσκονται σε κάποια άλλη πλακέτα. Αποτέλεσμα αυτού είναι ότι υπάρχει μεγάλος ανταγωνισμός για το μήκος κύματος το οποίο συνδέει αυτές τις δυο πλακέτες, κάτι το οποίο οδηγεί σε χαμηλή ρυθμαπόδοση και μεγάλη καθυστέρηση. To RAPID βασίζεται σε VCSEL εκπομπούς, η κατανάλωση ισχύος των οποίων μπορεί να ρυθμιστεί ανάλογα με τον φόρτο της κίνησης. Petabit οπτικός μεταγωγέας Στο [68] παρουσιάζεται ένας οπτικός μεταγωγέας πακέτων για υπολογιστικά κέντρα. Η αρχιτεκτονική του μεταγωγέα (Εικόνα 37) βασίζεται σε AWGs και σε ρυθμιζόμενους μετατροπείς μήκους κύματος (TWC Tunable Wavelength Converters). Ο μεταγωγέας είναι στην ουσία ένα Clos δίκτυο τριών σταδίων. Κάθε στάδιο αποτελείται από ένα πίνακα από AWGs τα οποία χρησιμοποιούνται για την παθητική δρομολόγηση των πακέτων. Στο πρώτο στάδιο, ρυθμιζόμενοι εκπομποί laser χρησιμοποιούνται για να δρομολογήσουν τα πακέτα ανάμεσα στα AWGs, ενώ στο δεύτερο και στο τρίτο στάδιο ρυθμιζόμενοι μετατροπείς μήκους κύματος χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του μήκους κύματος και την κατάλληλη δρομολόγηση του πακέτου στη θύρα εξόδου. Σε αυτή την αρχιτεκτονική δεν χρησιμοποιούνται καθόλου buffers εντός του μεταγωγέα, αποφεύγοντας έτσι ενεργοβόρες οπτο-ηλεκτρονικές μετατροπές. Αντίθετα, η αρχιτεκτονική του μεταγωγέα συνδυάζεται με ηλεκτρονικό buffering και χρονοδρομολόγηση στις line cards οι οποίες συνδέονται στις εισόδους του μεταγωγέα, δηλαδή πριν την είσοδο 70

85 Εικόνα 38: Αρχιτεκτονική του Osmosis οπτικού μεταγωγέα [69]. τους στον μεταγωγέα. Τα πακέτα στις Line cards αποθηκεύονται σε εικονικές ουρές εξόδου (virtual output queues) βάσει της διεύθυνσης του προορισμού. Osmosis Στο [69] παρουσιάζεται μια αρχιτεκτονική οπτικού μεταγωγέα πακέτου (Εικόνα 38), η οποία χρησιμοποιεί ημι-αγώγιμους οπτικούς ενισχυτές (SOAs Semiconductor Optical Amplifiers) και οπτικούς συζεύκτες. Ο οπτικός συζεύκτης είναι μια παθητική συσκευή η οποία έχει πολλές εισόδους και εξόδους, και χρησιμοποιείται για τον συνδυασμό και το διαχωρισμό σημάτων σε ένα οπτικό δίκτυο. Οι SOAs είναι οπτικοί ενισχυτές οι οποίοι βασίζονται σε p-n συνενώσεις πυριτίου. Το φως ενισχύεται όταν διαχέει τον SOA στην ενεργή του περιοχή. Οι SOAs μπορούν να θεωρηθούν, σε γενικές γραμμές, τα οπτικά αντίστοιχα των τρανζίστορ. Η αρχιτεκτονική του [69] βασίζεται σε πολυπλεξία μήκους κύματος και χώρου και ακολουθεί μια B&S (Broadcast-and Select) λογική. Η B&S φιλοσοφία υλοποιείται σε δυο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, πολλά μήκη κύματος πολυπλέκονται σε μια WDM γραμμή και μεταδίδονται (broadcasting) σε όλα τα modules του δεύτερου σταδίου. Στο δεύτερο στάδιο οι SOAs χρησιμοποιούνται σαν θύρες επιλογής ίνας, για να επιλέξουν το μήκος κύματος το οποίο θα προωθηθεί στην έξοδο. Στην αρχιτεκτονική που προτάθηκε στο [69], πραγματοποιήθηκε ένα σχήμα διασύνδεσης για 64 κόμβους (οι οποίοι μπορούν να είναι ToR μεταγωγείς στην περίπτωση ενός υπολογιστικού κέντρου) στο οποίο συνδυάζονται 8 μήκη κύματος σε 8 ίνες ώστε να επιτευχθούν 64 διαφορετικές επιλογές μεταγωγής. Η μεταγωγή πραγματοποιείται με ένα στάδιο 8:1 επιλογής ίνας το οποίο ακολουθείται από ένα στάδιο 8:1 επιλογής μήκους κύματος. Οι 64 θύρες εισόδου και εξόδου λειτουργούν στα 40 Gbps. Κάθε κάρτα εξόδου έχει δυο δέκτες (Rx) για καλύτερη επίδοση. Proteus Η αρχιτεκτονική του Proteus [70] βασίζεται σε ένα πίνακα μεταγωγής ο οποίος βασίζεται σε MEMS τεχνολογία και σε WSS μεταγωγείς (Waveguide Selective Switch). Ένας WSS μεταγωγέας είναι ένα 1 x N οπτικό στοιχείο, το οποίο μπορεί να διαχωρίσει το εισερχόμενο σύνολο των μηκών κύματος σε διαφορετικές θύρες. Δηλαδή, κάθε μήκος κύματος μπορεί να ανατεθεί σε διαφορετική θύρα. Η 71

86 Εικόνα 39: Αρχιτεκτονική του Proteus [70]. αρχιτεκτονική του Proteus φαίνεται στην Εικόνα 39. Ακολουθεί λογική μεταγωγής οπτικού κυκλώματος. Κάθε ToR μεταγωγέας διαθέτει οπτικούς πομποδέκτες οι οποίοι λειτουργούν σε διαφορετικά μήκη κύματος. Τα μήκη κύματος συνδυάζονται χρησιμοποιώντας έναν πολυπλέκτη και δρομολογούνται σε ένα WSS. Κάθε WSS πολυπλέκει κάθε μήκος κύματος σε διαφορετικά (μέχρι k) γκρουπ και κάθε γκρουπ συνδέεται σε μια θύρα στο MEMS οπτικό μεταγωγέα. Έτσι, μια από-σημείο-σεσημείο σύνδεση εγκαθιδρύεται μεταξύ των ToR μεταγωγέων. Στον παραλήπτη, τα μήκη κύματος αποπολυπλέκονται και δρομολογούνται στον οπτικό πομποδέκτη. Η διαμόρφωση του MEMS μεταγωγέα καθορίζει ποιοι ToR μεταγωγείς συνδέονται απευθείας. Σε περίπτωση που ένας ToR μεταγωγέας θέλει να επικοινωνήσει με κάποιον ToR μεταγωγέα με τον οποίο δε συνδέεται απευθείας, εφαρμόζεται απόκόμβο-σε-κόμβο επικοινωνία. Για αυτό το λόγο πρέπει να εξασφαλίζεται ότι ο ToR γράφος είναι συνεκτικός όταν διαμορφώνεται ο MEMS οπτικός μεταγωγέας Αρχιτεκτονική βασισμένη σε 2x2 SOAs μεταγωγείς Στο [71] παρουσιάστηκε μια αρχιτεκτονική η οποία βασίζεται σε SOAs 2x2 μεταγωγείς αμφίδρομης επικοινωνίας η οποία μπορεί να κλιμακωθεί σε μια δενδρική τοπολογία. Η αρχιτεκτονική ενός 2x2 οπτικού μεταγωγέα φαίνεται στην Εικόνα 40 δεξιά. Βασίζεται σε έξι SOAs. Κάθε θύρα μπορεί να εγκαθιδρύσει σύνδεση με τις άλλες θύρες σε nanoseconds (οπτικά κυκλώματα πολύ σύντομης διάρκειας). Αυτοί οι κόμβοι συνδέονται σε μια Banyan τοπολογία (k-ary, n-trees) υποστηρίζοντας k n επεξεργαστές. Στην Εικόνα 40 αριστερά φαίνεται μια 2-ary, 3- δενδρική τοπολογία για 8 υπολογιστικούς κόμβους. Ο κάθε υπολογιστικός κόμβος Εικόνα 40: Αρχιτεκτονική βασισμένη σε 2x2 SOAs μεταγωγείς. Αριστερα: 2x2 μεταγωγέας. Δεξιά: 2-ary 3-tree για οκτώ υπολογιστικούς κόμβους [71]. 72

87 Εικόνα 41: Αρχιτεκτονική του Data Vortex. Αριστερά: Data Vortex δίκτυο με A=3, H=4, C=3. Δεξιά: Data Vortex δίκτυο με A=5, H=16, C=5 [72]. μπορεί να είναι ένας ToR μεταγωγέας στην περίπτωση των υπολογιστικών κέντρων. Data Vortex Η Data Vortex τοπολογία [72] βασίζεται σε 2x2 SOAs μεταγωγείς οι οποίοι μπορούν να δρομολογούν τόσο πακέτα όσο και κίνηση μεταγωγής κυκλώματος. Οι μεταγωγείς λειτουργούν σαν cross-points για τη δρομολόγηση ενός πακέτου σε μια από τις δυο εξόδους χωρίς buffering. Η τοπολογία χωρίζεται σε C ιεραρχίες ή κυλίνδρους ανάλογες με τα στάδια ενός τυπικού banyan δικτύου (Εικόνα 41). Κάθε στάδιο (ή κύλινδρος) περιέχει A κόμβους στην περιφέρειά του και H = 2C -1 κόμβους προς τα κάτω. Η τοπολογία συμπεριλαμβάνει συνολικά N = AHC κόμβους, όπου κόμβος μπορούμε να θεωρήσουμε ότι είναι ένας ToR μεταγωγέας. Τα πακέτα εισάγονται μόνο σε συγκεκριμένες χρονοσχισμές και ένα πακέτο πρέπει να χωράει ακριβώς σε μια χρονοσχισμή. Η αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί δρομολόγηση εκτροπής (deflection routing). DOS οπτικός μεταγωγέας Η μεταγωγή στην DOS αρχιτεκτονική [73] βασίζεται σε δρομολογητή δομημένο από AWGs επιτρέποντας την επίλυση ανταγωνισμού για μήκη κύματος. Η χρήση AWGs επιτρέπει διαφορετικές εισόδους να φτάνουν στην ίδια έξοδο ταυτόχρονα. Ο DOS οπτικός μεταγωγέας (Εικόνα 42) αποτελείται από ένα πίνακα από (TWC Tunable Wavelength Converters) ρυθμιζόμενους μετατροπείς μήκους κύματος (έναν για κάθε κόμβο), έναν ΑWG δρομολογητή και ένα κοινό loopback buffer. Ο κάθε κόμβος μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι ένας ToR μεταγωγέας. Κάθε κόμβος μπορεί να έχει πρόσβαση σε οποιονδήποτε άλλο κόμβο διαμέσου του AWG δρομολογητή, ρυθμίζοντας κατάλληλα το μήκος κύματος του ρυθμιζόμενου μετατροπέα μήκους κύματος. Η ρύθμιση γίνεται από το επίπεδο ελέγχου, το οποίο χρησιμοποιείται και για την επίλυση του ανταγωνισμού. Όταν λαμβάνεται ένα πακέτο, η επικεφαλίδα του πακέτου διαχωρίζεται από το πακέτο, και μετατρέπεται σε ηλεκτρονική μορφή. Στο επίπεδο ελέγχου, η επικεφαλίδα αποθηκεύεται, και ρυθμίζεται 73

88 Εικόνα 42: Αρχιτεκτονική του DOS Μεταγωγέα [73] κατάλληλα ο ρυθμιζόμενος μετατροπέας μήκους κύματος ώστε το πακέτο να φτάσει στην επιθυμητή έξοδο. IRIS οπτικός μεταγωγέας Η αρχιτεκτονική του IRIS [74] βασίζεται σε ένα μεταγωγέα τριών σταδίων (Εικόνα 43). Κάθε ToR μεταγωγέας συνδέεται σε μια θύρα του πρώτου σταδίου χρησιμοποιώντας N μήκη κύματος. Το πρώτο στάδιο αποτελείται από ένα πίνακα από μεταγωγείς μήκους κύματος και κάθε τέτοιος μεταγωγέας βασίζεται σε ένα πίνακα πλήρως οπτικών μετατροπέων μήκους κύματος, βασισμένων σε SOAs για τη δρομολόγηση μήκους κύματος. Το δεύτερο στάδιο είναι ένας χρονικός μεταγωγέας ο οποίος αποτελείται από ένα πίνακα buffers στο χρόνο. Ο χρονικός μεταγωγέας αποτελείται από ένα πίνακα οπτικών μετατροπέων και δυο AWGs διασυνδεδεμένων με οπτικές γραμμές, κάθε μια με διαφορετική καθυστέρηση. Βάσει της καθυστέρησης η οποία πρέπει να προστεθεί, ο μετατροπέας μήκους κύματος μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος το οποίο προωθείται στον AWG με τη ζητούμενη καθυστέρηση. Τα καθυστερούμενα σήματα πολυπλέκονται σε ένα δεύτερο AWG και δρομολογούνται στο τρίτο στάδιο (ένας δεύτερος μεταγωγέας στο χώρο). Βάσει της τελικής θύρας εξόδου, το σήμα μετατρέπεται στο απαραίτητο μήκος κύματος για την AWG δρομολόγηση. Εικόνα 43: Αρχιτεκτονική του IRIS [74] 74

89 Χρησιμοποιώντας 40Gbps ταχύτητες και 80x80 AWGs, η αρχιτεκτονική επιτυγχάνει τον ρυθμό των 802 x 40 Gb/s = 256 Tb/s. Αρχιτεκτονική βασισμένη σε μεταγωγή στο χώρο Στο [75] παρουσιάστηκε μια αρχιτεκτονική η οποία βασίζεται σε μεταγωγή στο χώρο. Για τη μεταγωγή στο χώρο, χρειάζεται ένας εκπομπός (fixed) laser ανά θύρα και ένας non-blocking οπτικός μεταγωγέας ο οποίος βασίζεται σε SOAs για την εγκαθίδρυση συνδέσεων. Σε δυο διαφορετικές εκδοχές της αρχιτεκτονικής, η μεταγωγή στο χώρο συνδυάζεται με μεταγωγή μήκους κύματος ή μεταγωγή στο χρόνο (βλέπε Εικόνα 44). Στη μεταγωγή μήκους κύματος τα πακέτα μεταδίδονται στις κατάλληλες θύρες εξόδου, σε διαφορετικό μήκος κύματος. Η μεταγωγή μήκους κύματος υλοποιείται είτε με χρήση πολλών fixed εκπομπών laser ή με χρήση ενός ρυθμιζόμενου laser. Στη μεταγωγή στο χρόνο χρησιμοποιούνται χρονοσχισμές για τη μετάδοση των πακέτων. Και στις δυο αρχιτεκτονικές οι ToR μεταγωγείς συνδέονται αριστερά στην Εικόνα 44, ενώ στα δεξιά βρίσκεται ο μεταγωγέας (στο χώρο) ο οποίος βασίζεται σε SOAs. Στην περίπτωση μεταγωγής μήκους κύματος μεταγωγής στο χώρο, κάθε ToR μεταγωγέας διαθέτει μέχρι N θύρες και κάθε θύρα συνδέεται διαμέσου ενός scheduler σε ένα πίνακα από fixed εκπομπούς laser, κάθε ένας από τους οποίους εκπέμπει σε διαφορετικό μήκος κύματος. Κάθε laser συνδέεται σε ένα οπτο-ηλεκτρικό πομποδέκτη, οι οποίοι με τη σειρά τους συνδέονται στον 1xM SOAs μεταγωγέα. Στον δέκτη, κάθε θύρα διαθέτει έναν fixed δέκτη ρυθμισμένο σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Έτσι, για τη μεταγωγή ενός πακέτου από τη θύρα εισόδου στη θύρα εξόδου, η κάρτα-προορισμός επιλέγεται από το SOAs μεταγωγέα (μεταγωγή στο χώρο), ενώ η θύρα-προορισμός πάνω στην κάρτα-προορισμό επιλέγεται βάσει του μήκους κύματος. Ο χρονοδρομολογητής επιλέγει ένα πακέτο από την κάθε θύρα εισόδου και το εισάγει σε ένα πίνακα ο οποίος αναπαριστά τις κάρτες και τις θύρες, με τέτοιο τρόπο ώστε το πολύ ένα πακέτο από την ίδια κάρτα να υπάρχει στην ίδια στήλη. Στην παραλλαγή της αρχιτεκτονικής με μεταγωγή στο χρόνο, χρησιμοποιείται μεταγωγή στο χρόνο για την επιλογή θυρών πάνω στην ίδια κάρτα. Η επιλογή της κάρτας γίνεται και πάλι Εικόνα 44: Αριστερά: μεταγωγή μήκους κύματος μεταγωγή στο χώρο. Δεξιά: μεταγωγή μήκους κύματος μεταγωγή στο χρόνο [75] 75

90 από το SOAs μεταγωγέα. Τα WDM πακέτα πάνω στην κάρτα του αποστολέα, δημιουργούνται από σειρές ηλεκτρονικών πακέτων διάρκειας T. Τα WDM πακέτα μεταδίδονται σε χρονοσχισμές μήκους T/N και πολυπλέκονται στο χρόνο (πάνω στην κάρτα) από έναν N:1 οπτικό συζεύκτη. Στην κάρτα του δέκτη χρησιμοποιούνται 1:N οπτικοί διαχωριστές για την επιλογή της θύρας εξόδου. Αρχιτεκτονική δικτύων σε πλακέτα και πλακέτας με πλακέτα. Η ανάπτυξη οπτικών διασυνδέσεων για τα επίπεδα ιεραρχίας πάνω-σε-πλακέτα (on-opcb) και πλακέτας-με-πλακέτα (OPCB-to-OPCB) είναι ένα ενεργό ερευνητικό πεδίο, το οποίο περιλαμβάνει την έρευνα σε ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών, όπως οπτικούς κυματοδηγούς (single-mode ή / και multi-mode) από διάφορα υλικά (πολυμερές, γυαλί,...), οπτικούς πομπούς (π.χ. VCSELs), διάφορες τεχνικές σύζευξης, κλπ. Ένας αριθμός (κυρίως παθητικών) αρχιτεκτονικών διασύνδεσης έχουν προταθεί για χρήση σε οπτικά backplanes όπως μεγάλες συστοιχίες παράλληλων κυματοδηγών [76][77], μια δομή οπτικού bus [78], αρχιτεκτονικές πλέγματος [79]μια shared-bus αρχιτεκτονική [80] και μια αρχιτεκτονική αναγεννητικού διαύλου [81]. Η μελέτη αρχιτεκτονικών για αυτό το επίπεδο ιεραρχίας είναι ένα ερευνητικό πεδίο που θα προσελκύσει περισσότερο το ενδιαφέρον της έρευνας στο μέλλον, προκειμένου να καθοριστεί η επόμενη γενιά οπτικών αρχιτεκτονικών για υπολογιστικά κέντρα τα οποία θα βασίζονται σε οπτικές διασυνδέσεις που εκτείνονται από τα υψηλότερα επίπεδα ιεραρχίας μέχρι τα χαμηλότερα. Κατανάλωση Ενέργειας των Δικτύων Διασύνδεσης στα Υπολογιστικά Κέντρα Είναι γεγονός ότι οι ICT δικτυακές υποδομές (τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και υπολογιστικά κέντρα) ευθύνονται για ένα μεγάλο κομμάτι της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας, με τα υπολογιστικά κέντρα (τόσο η δικτυακή υποδομή τους όσο και οι εξυπηρετητές οι οποίοι εκτελούν τις εργασίες) να είναι υπεύθυνα για το μεγαλύτερο κομμάτι αυτής. Η κατανάλωση ενέργειας στα υπολογιστικά κέντρα θα πρέπει να είναι συμβατή με τα διεθνή πρότυπα που ορίζουν τα πλαίσια λειτουργίας, αλλά και να περιορίζεται το κόστος λειτουργίας τους. Η αποδοτικότητα των δικτύων αποτελεί στις μέρες μας ένα σημαντικό ζήτημα που μπορεί να συμβάλει στην ανάγκη μείωσης του κόστους λειτουργίας και της προστασίας του περιβάλλοντος και των πόρων. Έχει υπολογιστεί πως η κατανάλωση ενέργειας στα δίκτυα επικοινωνιών και στα υπολογιστικά κέντρα το 2007 ήταν 293 και 330 δισεκατομμύρια kwh αντίστοιχα, με προβλέψεις για αύξηση των τιμών σε 952 και 1012 δισεκατομμύρια kwh το 2020 (δηλαδή 1964 δισεκατομμύρια kwh συνολικά) [82] (βλέπε Πίνακα ΙV). Συγκριτικά, η συνολική κατανάλωση ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση το 2013 ήταν 2798 δισεκατομμύρια kwh. Ένα επιπλέον ενδιαφέρον στατιστικό στοιχείο είναι ότι το μεγαλύτερο κομμάτι της κίνησης των υπολογιστικών κέντρων (76%) παραμένει εντός του υπολογιστικού κέντρου [83], ενώ το υπόλοιπο (μικρότερο) ποσοστό της 76

91 κίνησης αφορά τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ χρήστη και υπολογιστικού κέντρου ή μεταξύ υπολογιστικών κέντρων. Αυτό σημαίνει ότι πέρα από τις ενεργειακές απαιτήσεις υπάρχουν σοβαρές απαιτήσεις και σε εύρος ζώνης εντός των υπολογιστικών κέντρων. Η κατανάλωση ενέργειας είναι επίσης κρίσιμη και για Υπολογιστές Υψηλών Επιδόσεων (High Performance Computing): έρευνες του 2010 εκτιμούσαν πως ένα HPC μηχάνημα 10PF θα καταναλώνει 5ΜW το 2012 [65]. Ο K- Computer, ένα από τα κορυφαία συστήματα 10PF HPC που ξεκίνησε τη λειτουργία του το 2011, απαιτεί τη διπλάσια ενέργεια από την προβλεπόμενη [84]. Γίνεται, συνεπώς, σαφές πως η κατανάλωση ενέργειας σε όλα τα επίπεδα δικτύων επικοινωνίας και δεδομένων πρέπει να αντιμετωπιστεί με ιδιαίτερη προσοχή. Αυτό απαιτεί την ανάπτυξη ενεργο-αποδοτικών τεχνικών σε όλα τα επίπεδα συστημάτων: από το φυσικό επίπεδο έως το επίπεδο αλγορίθμων δρομολόγησης, πρωτοκόλλων και εφαρμογών Πίνακας IV: Εκτιμήσεις ενεργειακής κατανάλωσης υπολογιστικών κέντρων και τηλεπικοινωνιακών δικτύων 2007 (In billion Kwh) 2020 (In billion Kwh) Data Centers Telecom Total Σύγκριση Ηλεκτρικών και Οπτικών Τεχνολογιών Διασύνδεσης ως Προς την Ενεργειακή Κατανάλωση Τα οπτικά μέσα θεωρούνται οικονομικότερα ως πρός την κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τα αντίστοιχα ηλεκτρικά κυκλώματα. Αυτό οφείλεται σε κάποιο βαθμό στις επιπλέον διαδικασίες εξισορρόπησης κυκλώματος που απαιτούνται, στις ηλεκτρικές μεταδόσεις, ώστε να ξεπεραστούν οι μεγάλης συχνότητας απώλειες στο κανάλι, αλλά και σε επιπρόσθετες επεξεργασίες των δεδομένων, όπως η forward error correction (FEC) ώστε να βελτιωθεί ο λόγος σήματος πρός θόρυβο (SNR). Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια σύγκριση, βασισμένη σε θεωρητική μελέτη, της κατανάλωσης διαφόρων εκδοχών fat tree τοπολογίας υλοποιημένη με ηλεκτρικούς μεταγωγείς του εμπορίου στη μία περίπτωση και στην άλλη υλοποιημένη μέσω των οπτικών αρχιτεκτονικών που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Σχεδιασμός fat-tree τοπολογίας Αρχικά παραθέτουμε τον τρόπο υπολογισμού των κατάλληλων παραμέτρων για το σχεδιασμό δικτυακής τοπολογίας τύπου fat-tree σαν ένα folded Clos δίκτυο το οποίο παρέχει το μέγιστο εύρος ζώνης στους εξυπηρετητές (full bisection bandwidth). Σε ό,τι ακολουθεί, Ν είναι ο αριθμός των εξυπηρετητών/endhosts, k είναι το πλήθος των θυρών των μεταγωγέων, D είναι το βάθος του δέντρου (αριθμός των βαθμίδων), Nmax είναι ο μέγιστος αριθμός των υποστηριζόμενων 77

92 εξυπηρετητών, R είναι ο αριθμός των ικριωμάτων (δηλαδή ο αριθμός των ToR μεταγωγέων), Si είναι ο αριθμός των μεταγωγέων στο επίπεδο i του δέντρου, S είναι ο συνολικός αριθμός των μεταγωγέων και C είναι ο συνολικός αριθμός των καλωδίων. Υποθέτουμε ότι οι μισές θύρες των ToR μεταγωγέων χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση με διακομιστές εντός του ικριώματος, και οι άλλες μισές για τη διασύνδεση με υψηλότερα επίπεδα του δένδρου, καθώς και ότι ο συνολικός αριθμός των εξυπηρετητών σε ένα ικρίωμα είναι ακριβώς k/2, έτσι ώστε να μην μένουν κενές θύρες στον ToR μεταγωγέα. Δεδομένων των Ν και k, προκειμένου να καταλήξουμε σε ένα fat tree με πλήρες εύρος ζώνης διχοτόμησης (full bisection bandwidth) χρησιμοποιώντας τον ελάχιστο αριθμό από μεταγωγείς υπολογίζουμε τις υπόλοιπες παραμέτρους ως ακολούθως: 1 η Περίπτωση: Κατασκευή μιας folded Clos τοπολογία με Si = R μεταγωγείς σε κάθε επίπεδο, εκτός από το υψηλότερο επίπεδο στο οποίο έχουμε R/2 s μεταγωγείς. D = log! N 1 / log! k 1 (1) N!"# = 2 k 2! (2) R = N = 2N 3 k k 2 R, i D S! = R 2, i = D (4) S = R D 1 + R 2 (5) 2 η Περίπτωση: Καθώς θα εξετάσουμε σενάρια στα οποία χρησιμοποιούνται μεταγωγείς με διαφορετικό πλήθος θυρών στο πρώτο επίπεδο (ToR) από ότι στα υπόλοιπα, έχουμε τροποποιήσει τις παραπάνω σχέσεις κατάλληλα. Χρησιμοποιώντας μεταγωγείς με k1 θύρες στο 1 ο επίπεδο (ToR) και μεταγωγείς με k θύρες για τα πιο πάνω επίπεδα, οι παραπάνω σχέσεις τροποποιούνται ως εξής: N!"# = 2 S! = k! 2 k 2!!! R = N = k! 2 R, i = 1 R k! k R k! 2 k = k! k 2!!! 2N k! (7), i 1, i D, i 1, i = D (8) (6) 78

93 S = R + R k! k (D 2) + R k! 2 k Και στις δυο περιπτώσεις το πλήθος των απαιτούμενων καλωδίων είναι το ίδιο: C = D N (10) Αν θεωρήσουμε ότι η διασύνδεση μεταξύ των ικριωμάτων γίνεται με οπτικό τρόπο (πχ οπτική ίνα και SFP πομποδέκτες, ), τότε ο αριθμός των οπτικών ινών είναι ο εξής: C!"# = D N S! κ! (11) 2 Στην πρώτη περίπτωση, όπου παντού στο fat tree χρησιμοποιούνται μεταγωγείς με πλήθος θυρών k, τότε απλώς έχουμε k1=k στη σχέση (11). Κατανάλωση Ενέργειας στο Δίκτυο Δεδομένων Η κατανάλωση ενέργειας σε μια δικτυακή τοπολογία υπολογίζεται με βάση τις ενεργές συσκευές που χρησιμοποιούνται. Συνεπώς η επιμέρους κατανάλωση ενέργειας για κάθε μια από τις οπτικές αρχιτεκτονικές (DOS, Petabit, IRIS, Osmosis και η αρχιτεκτονική βασισμένης σε 2x2 SOAs) υπολογίζεται ως εξής (Ο Πίνακας V συνοψίζει τις παραμέτρους): (9) E!"# = ne!"# + ne!"# + 0.2n E!" + E!" + E!"#$% (12) E!"#$%&# = ne!!!"# + 2nE!"# (13) Πίνακας V: Παράμετροι μετρικών κατανάλωσης ενέργειας n E TRX E T-TRX E TWC E OE, E EO E SDRAM: E WSS E MEMS E SOA E OPTAMP Πλήθος θυρών Κατανάλωση ενέργειας οπτικού πομποδέκτη Κατανάλωση ενέργειας του ρυθμιζόμενου οπτικού πομποδέκτη Κατανάλωση ενέργειας του ρυθμιζόμενου μετατροπέα μήκους κύματος Κατανάλωση ενέργειας των οπτο-ηλεκτρονικών (O/E) και ηλεκτροοπτικών μετατροπέων (E/O) Κατανάλωση ενέργειας της SDRAM Κατανάλωση ενέργειας ενός WSS μεταγωγέα (Waveguide Selective Switch) κατανάλωση ενέργειας των MEMS μεταγωγέων Κατανάλωση ενέργειας των MEMS μεταγωγέων Κατανάλωση ενέργειας των οπτικών ενισχυτών τύπου SOA Κατανάλωση ενέργειας WDM οπτικού ενισχυτή 79

94 E!"!# = ne!"# + 3nE!"# (14) E!"#$"%" = ne!"# + 2nE!"# + n 8 E!"#$%" (15) E!"#!!"#! = E!"# + 2(logn n 2 )E!"# (16) Η κατανάλωση ενέργειας για τα επιμέρους δομικά στοιχεία των αρχιτεκτονικών σεναρίων που εξετάζονται παρατίθενται στον Πίνακα VI. Οι τιμές των ηλεκτρικών μεταγωγέων 48 και 64 θυρών βασίζονται στη μέση τιμή του εύρους κατανάλωσης που παρουσιάζεται στις εργασίες [85][86] αντίστοιχα. Για να μπορέσουμε να έχουμε μια περιεκτική σύγκριση για την συμπεριφορά των διαφορετικών τεχνολογιών, θα εξετάσουμε επτά fat tree τοπολογίες οι οποίες θα υλοποιούνται με διαφορετικό τύπο μεταγωγέων. Με βάση τον αριθμό των εξυπηρετητών που θα μελετήσουμε (9600 και 96000) και τον αριθμό των θυρών για τους διαφορετικούς μεταγωγείς, θα υπολογίσουμε από τις προηγούμενες σχέσεις το απαραίτητο πλήθος επιπέδων, μεταγωγέων και καλωδίων ώστε να εξάγουμε τις τιμές κατανάλωσης ενέργειας σε κάθε περίπτωση. Υποθέτουμε οπτικούς μεταγωγής 512 θυρών καθώς οι αρχιτεκτονικές που παρουσιάστηκαν παραπάνω μπορούν να επεκταθούν σε αυτό το πλήθος θυρών. Αυτός ήταν εξάλλου και ο σκοπός υιοθέτησης οπτικών διασυνδέσεων για τη δημιουργία οπτικών μεταγωγέων για υπολογιστικά κέντρα: μεγάλο πλήθος θυρών υψηλών ρυθμών μετάδοσης, κάτι το οποίο θα οδηγήσει σε πιο επίπεδες δενδρικές αρχιτεκτονικές. Πίνακας VI: Ενεργειακή κατανάλωση των δομικών στοιχείων των οπτικών αρχιτεκτονικών Δομικό Στοιχείο Κατανάλωση ενέργειας (W) 10G TRX (SFP+) 1.5 T-TRX 3.5 SOA 0.5 TWC 1.5 SDRAM 0.9 OE, EO μετατροπείς 2.5 Ηλεκτρικός μεταγωγέας 48 θυρών 400 Ηλεκτρικός μεταγωγέας 64 θυρών

95 Τα σενάρια που εξετάσαμε είναι τα εξής: 1. Fat-tree τοπολογία χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς μεταγωγείς 48 θυρών. 2. Fat-tree τοπολογία χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς μεταγωγείς 64 θυρών. 3. Fat-tree τοπολογία χρησιμοποιώντας οπτικούς μεταγωγείς 48 θυρών. 4. Fat-tree τοπολογία χρησιμοποιώντας οπτικούς μεταγωγείς 64 θυρών. 5. Fat-tree τοπολογία χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς μεταγωγείς 48 θυρών για το 1 ο επίπεδο του δέντρου (ToR) και οπτικούς μεταγωγείς 512 θυρών 6. Fat-tree τοπολογία χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς μεταγωγείς 64 θυρών για το 1 ο επίπεδο του δέντρου (ToR) και οπτικούς μεταγωγείς 512 θυρών 7. Fat-tree τοπολογία χρησιμοποιώντας οπτικούς μεταγωγείς 512 θυρών. Πίνακας VII: Ενεργειακή Κατανάλωση για Folded Clos Δίκτυα K N Nmax R D S C Copt 1 η Περίπτωση η Περίπτωση 48/ (400 ηλεκτρικοί μεταγωγείς και 19 οπτικοί) 48/ (4000 ηλεκτρικοί μεταγωγείς

96 και 563 οπτικοί) 64/ (300 ηλεκτρικοί μεταγωγείς και 19 οπτικοί) 64/ (3000 ηλεκτρικοί μεταγωγείς και 563 οπτικοί) (οπτικοί μεταγωγείς) (οπτικοί μεταγωγείς) Ο Πίνακας VII δίνει τις τιμές για τις αντίστοιχες περιπτώσεις folded Clos. Αντίστοιχα η Εικόνα 45 παρουσιάζει συγκριτικά την κατανάλωση ενέργειας στις διαφορετικές τοπολογίες. Όπως φαίνεται στις Εικόνες 45a, b η κατανάλωση ενέργειας είναι μικρότερη για τις αρχιτεκτονικές βασισμένες σε οπτικές διασυνδέσεις. Συγκεκριμένα, για τα σενάρια 1, 3 η βελτίωση σε απαιτούμενη ενέργεια είναι της τάξης του 64% για τους μεταγωγείς 48 θυρών (και για τους 9600 όσο και τους κόμβους) και της τάξης του 75% για τους μεταγωγείς 64 θυρών (και για τους 9600 όσο και τους κόμβους). Ωστόσο, το ουσιαστικό πλεονέκτημα στην κατανάλωση ενέργειας προκύπτει από τη χρήση οπτικών μεταγωγέων με μεγαλύτερο πλήθος θυρών, κάτι το οποίο οδηγεί σε λιγότερα επίπεδα στην τοπολογία fat-tree. Η βελτίωση στην κατανάλωση ενέργειας όπως φαίνεται στις Εικόνες 45c, d είναι μέχρι και 83% για την περίπτωση των 9600 κόμβων και 88% για την περίπτωση των κόμβων. Ενεργο-αποδοτική Δρομολόγηση σε Δίκτυα με Οπτικές Διασυνδέσεις Από τα προηγούμενα γίνεται αντιληπτό πως τα οπτικά κέντρα δεδομένων παρέχουν δυνατότητες ανάπτυξης μονάδες με σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, πέρα από τις προσπάθειες ανάπτυξης υλικού που ενδογενώς απαιτεί μικρή ισχύ για τη λειτουργία τους, βασικός παράγοντας είναι και ο τρόπος χρήση των διαφόρων συσκευών που συμβάλει στην κατανάλωση ενέργειας των συσκευών. Αναφερόμενοι σε δικτυακές συσκευές που χρησιμοποιούνται σε κέντρα δεδομένων, η συχνή ανταλλαγή δεδομένων και οι απαιτητικοί ρυθμοί μετάδοσης 82

97 a) b) c) d) Εικόνα 45: Κατανάλωση ενέργειας για τα σενάρια a) 1, 3 και b) 2,4. Σύγκριση της κατανάλωσης ενέργειας ως προς τον αριθμό των θυρών για c) 9600 και d) κόμβους έχουν ως αποτέλεσμα την λειτουργία των συσκευών στη μέγιστη απόδοση, η οποία συνεπάγεται και μέγιστη κατανάλωση, χωρίς αυτό να είναι πάντα επιθυμητό. Σε αυτό το κεφάλαιο μελετάμε το πρόβλημα της βελτιστοποίησης του ενεργειακού κόστους σε δικτυακές τοπολογίες που διασυνδέονται με μεταγωγείς που έχουν τη δυνατότητα να μεταβάλουν δυναμικά το ρυθμό μετάδοσης και κατά συνέπεια την κατανάλωση ενέργειας ρυθμίζοντας δυναμικά την απαραίτητη παροχή ρεύματος. Συγκεκριμένα, προτείνουμε ένα βέλτιστα ενεργο-αποδοτικό αλγόριθμο δρομολόγησης (με το προσωνύμιο OMEGAS) ο οποίος προορίζεται για οπτικά δίκτυα των οποίων οι κόμβοι διασυνδέονται οπτο-ηλεκτρονικά χρησιμοποιώντας Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) ως πομπούς και φωτοδιόδους ως δέκτες. Ο αλγόριθμος αξιοποιεί τη δυνατότητα των VCSEL να προσαρμόζουν την κατανάλωση ενέργειας (κυρίως μεταβάλλοντας κατάλληλα την παροχή ρεύματος) στον απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης ενώ παράλληλα εξισορροπεί αποδοτικά το φόρτο κίνησης του δικτύου μεταξύ των συνδέσμων, επιτυγχάνοντας υψηλό throughput και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Για το σκοπό αυτό, εκμεταλλευόμαστε την έννοια της βέλτιστης δρομολόγησης [47]με δεδομένο λεπτομερές μοντέλο κατανάλωσης ενέργειας για VCSELs ως συνάρτηση κόστους προς ελαχιστοποίηση. Επιπλέον πραγματοποιήσαμε ένα πλήθος προσομοιώσεων που δείχνουν πως ο προτεινόμενος αλγόριθμος κατανέμει βέλτιστα την κίνηση μεταξύ μονοπατιών, ώστε κανένας σύνδεσμος να μην φορτώνεται δυσανάλογα με 83

98 τους υπόλοιπους, και αξιοποιεί αποδοτικά τους διαθέσιμους πόρους του δικτύου με αποτέλεσμα να επιτυγχάνονται τα βέλτιστα φορτία σε κάθε σύνδεσμο στα οποία ο ρυθμός μετάδοσης που απαιτείται για τη λειτουργία τους αποδίδει την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, ενώ παράλληλα επιτυγχάνεται μεγαλύτερο throughput σε σύγκριση με τους αλγορίθμους ελάχιστου μονοπατιού (ενεργειακά αποδοτικών ή μη) Τα VCSEL αποτελούν μια δημοφιλή, ενεργειακά αποδοτική, τεχνολογία οπτικών πομπών που έχει αναπτυχθεί στην βιομηχανία των δικτύων δεδομένων και χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συνδέσμων για παραπάνω από μια δεκαετία. Μπορούν να τοποθετηθούν σε οπτικές ίνες και έχουν τη δυνατότητα λειτουργίας σε ρυθμούς μετάδοσης έως 40 Gb/s με χαμηλή ενέργεια κατανάλωσης, ενώ μπορούν να υποστηρίξουν αποστάσεις έως και 1000m [87]. Συνεπώς, τα VCSELs αποτελούν μια συνεχώς αναπτυσσόμενη τεχνολογία σε μια ευρεία περιοχή εφαρμογών. Μερικά παραδείγματα αποτελούν: η εγκατάστασή τους σε Active Optical Cables (AOCs) για rack-to-rack διασυνδέσεις, χρησιμοποιούνται για την δημιουργία οπτικών I/O διεπαφών σε ASIC ηλεκτρονικά chip δρομολογητών [88] και επίσης εκτιμάται πως μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις Οπτικές Δικτυακές Μονάδες (ONUs) που υπάρχουν στα σύγχρονα παθητικά οπτικά δίκτυα με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας [89]. Επιπλέον, τα VCSELs παρέχουν τη δυνατότητα δημιουργίας συνδέσμων στους οποίους η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να προσαρμόζεται στις απαιτήσεις κίνησης. Σχετική Βιβλιογραφία Η κατανάλωση ενέργειας για τη λειτουργία των δικτυακών συσκευών αποτελούσε πάντα ζήτημα έρευνας. Υπάρχει αρκετά μεγάλη βιβλιογραφία σχετική με την κατανάλωση ενέργειας σε ασύρματα και κινητά ad-hoc δίκτυα [90] όπως επίσης και στην ανάπτυξη ενεργο-αποδοτικών πρωτοκόλλων για ενσύρματα δίκτυα [91]. Αντίστοιχα, η κατανάλωση ενέργειας προσέλκυσε σημαντικό ενδιαφέρον στα οπτικά δίκτυα καθώς μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία των WDM συσκευών και αντίστοιχων τεχνολογιών μεταγωγής [92]. Αναφορικά με τα δίκτυα δεδομένων, δύο είναι οι κύριες γενικές προσεγγίσεις που προτείνονται στη βιβλιογραφία για την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας [93], [94]. Σύμφωνα με την πρώτη οι δικτυακές συσκευές ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται ανάλογα με τις περιόδους λειτουργίας τους. Η μέθοδος στo [95] συγκεντρώνει τις αντίστροφα συσχετιζόμενες ροές κίνησης στο ίδιο μονοπάτι με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται ένα υποσύνολο των διασυνδεδεμένων συσκευών, δίνοντας τη δυνατότητα απενεργοποίησης των υπόλοιπων ανενεργών συσκευών. Αντίστοιχα, στo [96] οι συγγραφείς δείχνουν πως με την συγκέντρωση των χρησιμοποιούμενων μονοπατιών μπορεί να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και προτείνουν κατάλληλους offline και online αλγορίθμους που απενεργοποιούν δυναμικά στοιχεία του δικτύου (όπως δρομολογητές και συνδέσμους) για την εξοικονόμηση ενέργειας. Κατά την δεύτερη προσέγγιση, ο κύριος στόχος είναι η μείωση του ρυθμού μετάδοσης σε κάθε σύνδεσμο, με σκοπό τη μείωση της απαιτούμενης ενέργειας για 84

99 τη μετάδοση δεδομένων πάνω από τους συνδέσμους. Κάποιες θεωρητικές μελέτες που αφορούν την κατανάλωση ενέργειας για θεωρητικά ενεργειακά προφίλ [97] [98], (κυρίως ενεργειακά προφίλ μεταβολής του ρυθμού μετάδοσης, αλλά και on-off τεχνικών) παρουσιάζουν τη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας, συμπεραίνοντας πως η αποδοτικότητα των τεχνικών της βέλτιστης ως προς την εξοικονόμηση ενέργειας δρομολόγησης εξαρτάται κυρίως από: (i) την τοπολογία του δικτύου και την κίνηση σε αυτό, (ii) την τεχνολογία των συσκευών και τα αντίστοιχα μοντέλα κατανάλωσης ενέργειας. Οι μελέτες αυτές βασίζονται μόνο σε θεωρητικά μοντέλα κατανάλωσης ενέργειας σε σχέση με το φορτίο του δικτύου και δεν αντικατοπτρίζουν συγκεκριμένες υπάρχουσες συσκευές. Ένα λεπτομερές αντίστοιχο μοντέλο ωστόσο παρουσιάζεται στα [99] [100] και αφορά την κατανάλωση ενέργειας σε οπτικό-ηλεκτρονικούς συνδέσμους βασισμένους σε VCSELs. Σε αυτές τις εργασίες ερευνώνται οι δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας, σε αντίστοιχους συνδέσμους, μεταβάλλοντας τα επίπεδα παροχής ρεύματος των VCSELs ανάλογα με το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων από αυτό. Συγκεκριμένα, οι συγγραφείς στη [99] συνδυάζουν τεχνικές δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης με τεχνικές δυναμικής διαχείρισης ενέργειας για την βελτίωση της απόδοσης των οπτικό-ηλεκτρονικών διασυνδέσεων μεταξύ πλακετών και ικριωμάτων ως προς τη ρυθμαπόδοση και την καθυστέρηση, καταναλώνοντας παράλληλα λιγότερη ενέργεια. Η εργασία δείχνει πως περισσότερα επίπεδα ενέργειας με τους αντίστοιχους ρυθμούς μετάδοσης μπορούν να βελτιώσουν περεταίρω την απόδοση του δικτύου καθώς η μετάβαση μεταξύ επιπέδων ενέργειας μπορεί να ακολουθήσει τις αλλαγές στην κίνηση με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ωστόσο, δεν εξετάζεται μια βέλτιστη στρατηγική που εγγυάται τους ελάχιστους δυνατούς ρυθμούς μετάδοσης στα κανάλια. Στην [101] προτείνεται μια τεχνική δυναμικής μεταβολής επιπέδου του παρεχόμενου ρεύματος βασισμένη σε ιστορικά δεδομένα, η οποία προσαρμόζει τις συχνότητες και την παροχή ρεύματος στους συνδέσμους με βάση προηγούμενες χρήσεις. Επίσης εξετάζεται ο αντίκτυπος της δυναμικής μεταβολής των επιπέδων παροχής ρεύματος στους συνδέσμους στην ενεργο-αποδοτικότητα του δικτύου για διαφορετικές τιμές παροχής ρεύματος και συχνότητας μετάδοσης δεδομένων. Οι εργασίες αυτές, ωστόσο, δεν εξετάζουν πως μπορεί να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση ως προς την κατανάλωση ενέργειας, εφαρμόζοντας κατάλληλες τεχνικές δρομολόγησης. Στην [102] οι συγγραφείς εφαρμόζουν τεχνικές προσαρμογής του ρυθμού δεδομένων σε πράσινα κέντρα δεδομένων (μη οπτικά), προτείνοντας αλγόριθμους που βελτιστοποιούν τον χρονοπρογραμματισμό και τη δρομολόγηση των ροών δεδομένων και προσαρμόζουν δυναμικά του ρυθμούς μετάδοσης στις δικτυακές συσκευές σύμφωνα με το φορτίο τους. Ωστόσο, υιοθετούν ένα υποθετικό μοντέλο ενέργειας, το οποίο πιστεύουν πως θα ισχύει σε μελλοντικές δικτυακές συσκευές του εμπορίου με δυνατότητα προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης. Γενικά, τόσο η προσέγγιση μεταβολής του ρυθμού μετάδοσης όσο και η προσέγγιση απενεργοποίησης των ανενεργών συσκευών συμβάλουν σημαντικά στην εξοικονόμηση ενέργειας στα δίκτυα, ωστόσο αυτή που θα προτιμηθεί μεταξύ των δύο εξαρτάται από το προφίλ κατανάλωσης ενέργειας και από το φόρτο του δικτύου [93]. 85

100 Εδώ μελετάμε έναν αλγόριθμο βέλτιστης, ως προς την κατανάλωση ενέργειας, δρομολόγησης που διαμοιράζει βέλτιστα την κίνηση μεταξύ των συνδέσμων του δικτύου ώστε να επιτευχθούν οι μικρότεροι ρυθμοί μετάδοσης σε κάθε VCSEL πομπό και κατά συνέπεια η βέλτιστη κατανάλωση ενέργειας. Μοντέλο Κατανάλωσης Ενέργειας σε Οπτικά Κανάλια με VCSEL πομποδέκτες Το βασικό στοιχείο της αρχιτεκτονικής των διασυνδεδεμένων συστημάτων, ένας οπτικό-ηλεκτρονικός σύνδεσμος αποτελείται από έναν πομπό, ένα δέκτη και ένα οπτικό κανάλι. Υποθέτοντας πως το οπτικό κανάλι είναι παθητικό, το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται σε έναν σύνδεσμο καταναλώνεται από τα στοιχεία του πομπού και του δέκτη. Συγκεκριμένα, στον πομπό τα ενεργοβόρα στοιχεία είναι: (i) μία πηγή laser η οποία στην παρούσα μελέτη υποθέτουμε πως υλοποιείται από VCSEL, της οποίας η λειτουργία είναι η μετατροπή των 0 και 1 σε χαμηλές και υψηλές τάσεις, αντίστοιχα, και (ii) ένας οδηγός VCSEL που ρυθμίζει το ρεύμα οδηγό στο VCSEL με βάση την ακολουθία bit στην είσοδο. Στο άλλο άκρο, στον δέκτη, η κατανάλωση ενέργειας προέρχεται από: (i) τα κυκλώματα του φωτοανιχνευτή (Photo Detector) που μετατρέπει την οπτική ακολουθία από bit σε σήματα ηλεκτρικού ρεύματος και υλοποιείται από μια φωτοδίοδο, (ii) ένα ενισχυτή διαμπέδησης (TIA Transimpedance Amplifier) που μετατρέπει σήματα ηλεκτρικού ρεύματος που προέρχονται από τη φωτοδίοδο σε ενισχυμένης τάσης σήματα και (iii) το κύκλωμα ρολογιού και ανάκτησης δεδομένων (CDR Clock and Data Recovery) [99][100]. Ένας οπτικός σύνδεσμος όπως περιγράφηκε παραπάνω παρουσιάζεται στην Εικόνα 46. Συνεπώς η συνολική κατανάλωση ενέργειας σε ένα οπτικό-ηλεκτρονικό σύνδεσμο δίνεται ως εξής: P! = P! + P!" + P!" + P!"# + P!"# (1) το οποίο αποτελεί το σύνολο της κατανάλωσης ενέργειας των επιμέρους στοιχείων όπως περιεγράφηκαν προηγουμένως. Αναλυτικότερα, η κατανάλωση ενέργειας σε κάθε ένα από τα παραπάνω κυκλώματα δίνεται στη συνέχεια: a) Η συνολική κατανάλωση ενέργειας στο VCSEL εξαρτάται από το κατώφλι ρεύματος It, πάνω από το οποίο διεγείρεται το laser και εκπέμπει φως. Η ένταση του φωτός συνεπώς εξαρτάται στο ρεύμα μετατροπέα Id που τροφοδοτείται από τον οδηγό. Συνεπώς, η κατανάλωση στο VCSEL έχει ως εξής: P! = (I! + εi! )(V! + V! + V!! V!" ) (2) Εικόνα 46: Αρχιτεκτονική ενός opto-electronic συνδέσμου που χρησιμοποιεί VCSEL. 86

101 b) Η ενέργεια που καταναλώνεται από τον οδηγό VCSEL είναι δυναμική και προκύπτει από την φόρτιση της αλυσίδας αντιστροφέα για κάθε μετάδοση. Ένας οδηγός VCSEL αποτελείται από ένα σύνολο κλιμακωτών αντιστροφέων, με το μέγεθος καθενός να είναι γ φορές μεγαλύτερο από του προηγούμενου. Συνεπώς, η κατανάλωση ενέργειας στον οδηγό μπορεί να μοντελοποιηθεί ως: P!" = εc!" V!!! T!" (3) όπου ε είναι ο συντελεστής μεταγωγής, V!!! είναι η παρεχόμενη τάση, TLR είναι ο ρυθμός μετάδοσης στο σύνδεσμο και CVD είναι η συνολική χωρητικότητα των αντιστροφέων του οδηγού VCSEL (το άθροισμα της χωρητικότητας εισόδου και εξόδου) η οποία προκύπτει ως:!!! C!" = C! C!" + C!" + C!"# ε!!!! όπου CL είναι το φορτίο χωρητικότητας της αλυσίδας αντιστροφέων, τα Cin και Cout είναι οι χωρητικότητες εισόδου και εξόδου αντίστοιχα c) Ο φωτοανιχνευτής στην πλευρά του δέκτη είναι υπεύθυνος για τη μετατροπή του οπτικού σήματος σε ρεύμα. Για την διασφάλιση της επιτυχούς ανίχνευσης, ο φωτοανιχνευτής πρέπει να λειτουργεί σε μια ελάχιστη ισχύ ανίχνευσης δέκτη Rmin που είναι ανάλογη με το ρυθμό μετάδοσης. Συνεπώς, η κατανάλωση ενέργειας του VCSEL εξαρτάται από την ανάγκη του δέκτη για συγκεκριμένο Vdd για δεδομένο TLR. Με δεδομένο πως η κατανάλωση ενέργειας της φωτοδιόδου PPH (<1mW) είναι αρκετά μικρότερη από αυτή των υπόλοιπων στοιχείων, τη θεωρούμε αμελητέα και δεν τη λαμβάνουμε υπόψη d) Η ενέργεια που καταναλώνεται στον TIA υπολογίζεται ως εξής: P!"# = I!"#$ V!! + I! V!! + ε(αβ)! R! (5) Ωστόσο, η κατανάλωση στον TIA κυριαρχείται από τον πρώτο όρο του αθροίσματος και η ισότητα μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής: P!"# = I!!"# V!! (6) όπου Ibias είναι το ρεύμα του εσωτερικού ενισχυτή e) Τέλος, η ισχύς που καταναλώνεται από τη μονάδα CDR δίνεται ως εξής: P!"# = εc!"# V!!! T!" (7) όπου CCDR είναι η χωρητικότητα της μονάδας CDR. Ενεργο-αποδοτικός Αλγόριθμος Βέλτιστης Δρομολόγηγησης Η συνολική κατανάλωση ενέργειας σε κάθε οπτικό-ηλεκτρονικό σύνδεσμο εξαρτάται άμεσα από το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στον οποίο λειτουργούν τα επιμέρους κυκλώματα. Συγκεκριμένα, η παρεχόμενη τάση σε κάθε ένα από τα προαναφερθέντα στοιχεία ενός συνδέσμου μπορεί να περιοριστεί ανάλογα, όταν ο ρυθμός μετάδοσης που απαιτείται είναι μικρότερος από τη χωρητικότητά του [99]. Αυτό σημαίνει πως σημαντικές μειώσεις στην κατανάλωση ενέργειας μπορούν να (4) 87

102 επιτευχθούν καθορίζοντας τον κατάλληλο ρυθμό μετάδοσης που απαιτείται ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις κίνησης του δικτύου πληρώντας παράλληλα τις προϋποθέσεις στην καθυστέρηση και το throughput. Για την ανάλυσή μας υποθέτουμε την ύπαρξη ενός κεντρικού ελεγκτή που πραγματοποιεί δυναμική διαχείριση της ισχύος σε όλα τα κανάλια (παρομοίως με την υπόθεση στα [99] [100]). Αυτό συνεπάγεται πως το ηλεκτρικό τμήμα των οπτικό-ηλεκτρονικών συσκευών (παρομοίως με το [103]) επιτρέπει τον επαναπροσδιορισμό των χαρακτηριστικών των ενσωματωμένων οπτικών συνδέσμων όπως περιγράφηκαν στην Ενότητα 3.1. Η προϋπόθεση αυτή γίνεται εφικτή υπό την έννοια των Software Defined Networks (SDN) [104] που υπόσχεται κεντρικοποιημένο έλεγχο του δικτύου, εως τώρα πλήρως ανεπτυγμένη και εφαρμοσμένη σε διάφορους τύπους δικτύων (οπτικών, δίκτυα IP, ασύρματα, DC, κτλ.). Με δεδομένα την συνάρτηση κόστους (κατανάλωσης ενέργειας) σύμφωνα με την (18) και ροές κίνησης που μεταφέρουν Fs,d μονάδες δεδομένων (π.χ. bits/sec) από κάποιο κόμβο πηγή s σε κάποιο κόμβο προορισμό d, το ζητούμενο είναι η εύρεση του συνόλου των μονοπατιών Ps,d που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την δρομολόγηση της κίνησης με σκοπό την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας συνολικά στο δίκτυο εξυπηρετώντας το σύνολο της κίνησης. Η βασική ιδέα έγκειται στο γεγονός πως διαμοιράζοντας τη συνολική (s, d) κίνηση μεταξύ των διαφορετικών μονοπατιών από το s στο d και συγχρόνως βελτιστοποιώντας κατάλληλα την κατανάλωση ενέργειας για κάθε ζεύγος πηγής προορισμού στο δίκτυο, η ποσότητα της συνολικής ροής σε κάθε σύνδεσμο ελαχιστοποιείται με συνέπεια ο απαιτούμενος ρυθμός μετάδοσης από κάθε VCSEL να ελαχιστοποιείται μειώνοντας την συνολική κατανάλωση ενέργειας. Κατά συνέπεια το πρόβλημα μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: minimize P = P!!"!,! (T!"!" ) (8) subject to f!!!!,! = F!,! όπου T!"!" είναι η συνολική ροή κίνησης σε bits/sec στο σύνδεσμο (i, j), P!"! (T!"!" ) είναι η κατανάλωση ενέργειας στο σύνδεσμο (i, j) και fp είναι η ροή πάνω από το μονοπάτι p. Ο συνολικός ρυθμός μετάδοσης T!"!" που προκύπτει από όλες τις ροές που διαπερνούν το σύνδεσμο (i, j) δίνεται πλέον ως εξής: T!"!" = f!!""!!.!. (!,!) ͼ! (9) Υποθέτουμε πως ο ρυθμός μετάδοσης T!"!" μεταξύ δύο κόμβων i, j γεννάται από διαμορφώσιμα και πανομοιότυπα VCSELs και συνεπώς η συνάρτηση κατανάλωσης ενέργειας P!"!"! T!" είναι ίδια για όλους τους συνδέσμους (i, j) και δίνεται από την σχέση (18), ωστόσο η τιμή της εξαρτάται από του ρυθμό μετάδοσης στο σύνδεσμο. Αντικαθιστώντας την (9) στην εξίσωση (8) εκτιμούμε πως τελικά συσχετίζεται η 88

103 ροή κίνησης με την κατανάλωση ενέργειας, για ένα διάνυσμα που περιέχουν κάποιες ροές f! όπως φαίνεται παρακάτω:!" P(F) = P! ( f! ) (10)!,!!""!!.!.!,! ͼ! Επιπλέον, επιτυγχάνοντας τους βέλτιστους ρυθμούς μετάδοσης σε κάθε σύνδεσμο μπορούμε να προσαρμόσουμε την παρεχόμενη τάση στο VCSEL στο απαιτούμενο επίπεδο ώστε να υπάρξει επιτυχής επικοινωνία μεταξύ δύο κόμβων, γεγονός που συνεπάγεται σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη μετάδοση. Όπως αναφέρεται στις εργασίες [99][100] η παρεχόμενη τάση μεταβάλλεται ανάλογα σε σχέση με την μεταβολή του ρυθμού μετάδοσης. Συγκεκριμένα, για ρυθμό μετάδοσης 5 Gb/s η απαραίτητη παρεχόμενη τάση έχει την τιμή 0.9V. Αν ο ρυθμός μετάδοσης διπλασιαστεί στα 10 Gb/s η αντίστοιχη παρεχόμενη τάση πρέπει επίσης να διπλασιαστεί. Συνεπώς, μπορούμε να απλοποιήσουμε περαιτέρω την σχέση (18) αντικαθιστώντας την παρεχόμενη τάση ρεύματος ως εξής: V!! = V!!(!"#)!" T T!"!"(!"#) (11) όπου T!"(!"#) είναι ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης που μπορεί να υποστηριχτεί από το σύνδεσμο και εξαρτάται από τη χωρητικότητα του συνδέσμου και τις δυνατότητες του VCSEL. V!!(!"#) είναι η αντίστοιχη μέγιστη παρεχόμενη τάση ρεύματος που απαιτείται για ρυθμό μετάδοσης T!"(!"#). Συνεπώς, αντικαθιστώντας τις σχέσεις (20), (21), (22), (23), (24), (27) στην (18), η συνάρτηση κόστους δίνεται από την παρακάτω σχέση: P!"! = I! + εi! V! + V! + V!!!"# T!" T!" V!" + εc!" ( V!!!"# )! (T!"!"!"# T!" )!!"!"# V!!!"# + I!"#$ T!" V!!!"# T!" + εc!"#!"!"# T!"!!"! (T!"!" )! (12) Η βέλτιστη λύση για το multicommodity πρόβλημα που διατυπώνεται στην (8) μπορεί να βρεθεί υπολογίζοντας τη βέλτιστη δρομολόγηση ως προς την τιμή της πρώτης παραγώγου του (ενεργειακού) κόστους P!"! ως προς τις ροές f!. Με βάση τη μεθοδολογία που αναπτύσσεται στην μελέτη [47], η πρώτη παράγωγος (P!"! ) του κόστους συνδέσμου ως πρός τη ροή T!"!", θα καλείται το (πρώτης παραγώγου) ενεργειακό μήκος του συνδέσμου (i, j). Παραγωγίζοντας την συνάρτηση κόστους (8), ως προς τη ροή f! έχουμε: P F = (P!" f! ) (13)!!""!"#$%!,!!"! Έτσι το ενεργειακό κόστος του μονοπατιού p ως προς τη ροή f! μας δίνει το ενεργειακό μήκος του μονοπατιού, το οποίο σύμφωνα με την (13) ισούται με το άθροισμα των αντίστοιχων ενεργειακών μηκών (P!"! ) όλων των συνδέσμων (i, j) 89

104 που το αποτελούν. Παρατηρούμε πως η συνάρτηση (12) είναι μια κυρτή γνησίως αύξουσα ως προς το T!"!" που αυξάνει απότομα όσο το T!"!" προσεγγίζει την μέγιστη χωρητικότητα του συνδέσμου (i, j), από τη στιγμή που οι δεύτεροι παράγωγοι υπάρχουν και είναι θετικές στο εύρος [0, TLRmax]. Αυτό συνεπάγεται πως υπάρχει διάνυσμα F * το οποίο περιέχει τις βέλτιστες ροές στα μονοπάτια που το αποτελούν, ώστε να ελαχιστοποιείται η συνάρτηση κόστους ικανοποιώντας τον αντίστοιχο περιορισμό. Ένας αναγκαίος περιορισμός για να είναι βέλτιστη η λύση F = {f! } είναι ο εξής: P F Δ = β f!! P(F ) f!! P F β f! 0 P F f!, p! p (14) όπου β είναι ένα μικρό ποσό κίνησης και p είναι ένα διαφορετικό μονοπάτι. Το Δ είναι ένας βαθμωτός που καθορίζει την αλλαγή του ενεργειακού κόστους από την μετατόπιση κίνησης από το p στο p και θα πρέπει να είναι μη αρνητικός ώστε να μην παραβιάζεται ο περιορισμός βέλτιστης τιμής του F. Από την (14) προκύπτει πως η βέλτιστη λύση μπορεί να εξαχθεί μόνο αν η κίνηση μετατοπίζεται προς το μονοπάτι ελάχιστου ενεργειακού μήκους για κάθε ζεύγος πηγής προορισμού. Με άλλα λόγια, τα μονοπάτια που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά της κίνησης πρέπει να είναι ελάχιστου μήκους με βάση το ενεργειακό μήκος κάθε συνδέσμου ως προς τη ροή κίνησης σε αυτόν. Συνεπώς, εάν μεταδίδεται κίνηση μέσω κάποιου μη βέλτιστου μονοπατιού, τότε μέρος της κίνησης μπορεί να μετατοπιστεί προς το ελάχιστου μήκους πρώτης παραγώγου μονοπατιού ώστε να προσεγγιστεί η βέλτιστη λύση. Ωστόσο, καθώς το ενεργειακό μήκος των μονοπατιών εξαρτάται το μέγεθος της κίνησης που το διαπερνά, το μήκος των μονοπατιών αλλάζει μετά από κάθε μετατόπιση κίνησης με αποτέλεσμα να αλλάζει ενδεχομένων και το μονοπάτι ελαχίστου μήκους. Το πρόβλημα όπως έχει περιγραφεί μπορεί να επιλυθεί βέλτιστα εφαρμόζοντας μεθόδους όπως η Frank-Wolfe (μετατόπιση κίνησης) ή η απότομης κλίσης. Σε αυτή την περίπτωση, με δεδομένο ένα αρχικό (μη βέλτιστο) διάνυσμα F με τυχαία κίνηση μεταξύ των μονοπατιών, η βέλτιστη λύση μπορεί να βρεθεί μετατοπίζοντας επαναληπτικά β μονάδες κίνησης προς τα ελάχιστα μονοπάτια ως εξής: F = F + β(f F) όπου β [0, 1]. Οι επαναλήψεις συνεχίζονται έως ότου να μην υπάρχει κάποιο ποσό β το οποίο να μπορεί να μετατοπιστεί σε ξεχωριστό ελάχιστο μονοπάτι ώστε να βελτιωθεί η τιμή της (8). Η τιμή της β μπορεί να υπολογιστεί υπολογίζοντας την σειρά Taylor δεύτερης τάξης της συνάρτησης G β = P(F + β F F ) η οποία γύρω από το β = 0 δίνει την τιμή: β = min[1,!,!!,! T!"!" T!"!!" P!" T!"!" T!"!"! P!"!! ] 90

105 όπου οι αντίστοιχες τιμές πρώτης και δεύτερης παραγώγου της συνάρτησης κόστους είναι:! P!" =! I! + εi!!!"#! + 3εC!!" (!!!!"# )! (T!"!"!"#!!" )!! + I!!!"#!"#$ + 3εC!"!"#!!"# (!!!!"# )! (T!"!"!"#!!" )!!"!"# P!!!" = 6εC!" ( V!!!"# )! T!" T!" + +6εC!"# ( V!!!"# )!!" T!"!"# T!"!"!"# Προφανώς η τιμή του β δεν μπορεί να ξεπερνάει τη μονάδα καθώς έτσι θα παραβιαζόταν ο περιορισμός βέλτιστης λύσης. Ο αλγόριθμος ελαχιστοποίησης της ενέργειας σε κάθε βήμα μετατοπίζει ένα μέρος β της κίνησης από ένα μη βέλτιστο μονοπάτι προς το βέλτιστο για κάθε ζεύγος πηγής προορισμού. Με τον τρόπο αυτό το σύνολο της κίνησης εξισορροπείται μεταξύ όλων των συνδέσμων, επιτυγχάνοντας έτσι τους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης εξασφαλίζοντας τη μετάδοση όλης της κίνησης που εισέρχεται στο δίκτυο. Πειραματική Αξιολόγηση της Απόδοσης του Αλγορίθμου Για την αξιολόγηση της απόδοσης της προτεινόμενης τεχνικής βελτιστοποίησης πραγματοποιήθηκε μια σειρά πειραμάτων προσομοίωσης για την εκτίμηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο, το σύνολο της χαμένης (μη εξυπηρετούμενης) κίνησης και τη απόκλιση του φορτίου σε κάθε σύνδεσμο από τη μέση τιμή για διαφορετικές τιμές φόρτου κίνησης. Ως συνολική κατανάλωση ενέργειας ορίζουμε το άθροισμα της ενέργειας όλων των συνδέσμων του δικτύου, όπως υπολογίζεται από τη σχέση (18), που είναι απαραίτητη για τη μετάδοση στον κατάλληλο ρυθμό μετάδοσης ώστε να εξυπηρετηθεί η κίνηση που αναλογεί σε κάθε σύνδεσμο. Η κατανάλωση ενέργειας υπολογίζεται σε Watts (Joule/s) που προκύπτει από τη μονάδα κίνησης την οποία ορίζουμε σε Gb/s. Στο δίκτυο μπορεί να προκύψει μη εξυπηρετήσιμη κίνηση όταν το σύνολο της κίνησης που έχει ανατεθεί σε ένα σύνδεσμο από τον αλγόριθμο δρομολόγησης, υπερβαίνει την μέγιστη χωρητικότητα του συνδέσμου. Η απόκλιση φορτίου ορίζεται ως μετρική για την εκτίμηση της ποιότητας της εξισορρόπησης φορτίου που επιτυγχάνει κάθε αλγόριθμος δρομολόγησης και δείχνει πως η τιμή του φορτίου αποκλίνει μεταξύ των συνδέσμων. Περιβάλλον Προσομοίωσης και Τοπολογίες Δικτύων Το περιβάλλον προσομοίωσης αναπτύχθηκε στο OMNET++ για δύο σενάρια τοπολογιών: (α) Ένα των 16 κόμβων τοποθετημένων σε τοπολογία 4x4 mesh (οι τοπολογίες τύπου mesh είναι αρκετά δημοφιλείς σε HPC συστήματα) και (β) Ένα μεγαλύτερο δίκτυο 30 κόμβων τυχαία τοποθετημένων, συνδεδεμένων με 37 συνδέσμων διπλής κατεύθυνσης. Οι mesh-like αρχιτεκτονικές είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς σε HPC συστήματα (για παράδειγμα οι υπερυπολογιστές IBM, CRAY και ο Fujitsu k-computer). Για παράδειγμα ένα σύστημα CRAY 16 κόμβων [105] αντιστοιχεί σε 4 πλακέτες, κάθε μια από τις οποίες φιλοξενεί 4 κόμβους (ένα ικρίωμα αποτελείται από 24 πλακέτες ή 96 κόμβους). Κάθε κόμβος αποτελείται από στοιχεία επεξεργασίας και δρομολογεί την κίνηση μέσω προεγκατεστημένων 91

106 chip δρομολογητών. Εδώ υποθέτουμε πως κάθε κόμβος είναι εξοπλισμένος με VCSEL πομπούς και φωτοανιχνευτές (PhotoDetectors PD) που δημιουργούν ένα σύνδεσμο επικοινωνίας. Συνεπώς, κάθε VCSEL-PD σύνδεση ορίζει μια μοναδική επικοινωνία μεταξύ κόμβων. Η μέγιστη χωρητικότητα ενός συνδέσμου ορίζεται να αντιστοιχεί το μέγιστο ρυθμό που μπορεί να αποδώσει το VCSEL και συγκεκριμένα στα 10 Gb/s. Συνεπώς, στην περίπτωση που η συνολική ροή που ανατίθεται σε ένα σύνδεσμο υπερβαίνει την μέγιστη χωρητικότητα, η αντίστοιχη κατανάλωση ενέργειας υπολογίζεται με βάση το μέγιστο ρυθμό μετάδοσης, ενώ η επιπλέον ροή θεωρείται πως χάνεται. Μοντέλα Κίνησης Στις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα κίνησης: (α) τα δύο αναπαριστούν κίνηση που παράγεται σε HPC εφαρμογές (FFTW [106], SuperLU [107]) και (β) ένα συνθετικό μοντέλο (bit complement). Τα HPC προφίλ κίνησης λήφθηκαν χρησιμοποιώντας το εργαλείο IPM (Integrated Performance Monitoring), το οποίο καταγράφει θέματα απόδοσης και χρησιμοποίηση πόρων σε ένα παράλληλο διατηρώντας χαμηλό φόρτο. Το FFTW είναι μια υλοποίηση του διακριτού μετασχηματισμού Fourier (DFT). Η συμπεριφορά του πλησιάζει αρκετά το μοντέλο Ομοιόμορφης Τυχαίας Κατανομής (Uniform Random Traffic) κατά την οποία κάθε κόμβος θεωρείται πως επικοινωνεί με όλους τους υπόλοιπους (ένας προς έναν, όχι broadcast). Έτσι, το συνολικό φορτίο L! που παράγεται από ένα κόμβο n, διανέμεται ισάξια μεταξύ των ζευγών επικοινωνίας. Συνεπώς, κάθε κόμβους n στέλνει L! /(N 1) μονάδες κίνησης σε κάθε ένα κόμβο από τους υπόλοιπους. Το SuperLU είναι μια βιβλιοθήκη αξιολόγησης μηχανημάτων υψηλής απόδοσης, που διαθέτει μεγάλα, αραιά και μη-συμμετρικά συστήματα γραμμικών εξισώσεων. Το μοντέλο αυτό αποδίδει μεγάλο φόρτο τοπικά. Τέλος το bit complement είναι ένα μοντέλο μεταθέσεων στο οποίο ένας κόμβος στέλνει όλη την κίνησή του στο πιό μακρινό παραλήπτη. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιείται ως μέτρο για την απόδοση στην χειρότερη περίπτωση [108]. Υλοποιημένος Αλγόριθμος Ο αλγόριθμος που υλοποιήθηκε βασίζεται στον αλγόριθμο μετατόπισης κίνησης Frank Wolfe και περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα: Για την αρχικοποίηση του αλγορίθμου, ορίζουμε το διάνυσμα F (0) με ροές μονοπατιών για κάθε ζυγός πηγής προορισμού (s, d) που προκύπτουν από την υπόθεση πως η δρομολόγηση γίνεται μέσω των μονοπατιών μικρότερου μήκους. Ο αλγόριθμος πλέον εκτελεί επαναληπτικά τα παρακάτω βήματα και σε κάθε βήμα μεταθέτει ένα μέρος της συνολικής κίνησης προς τη βέλτιστη δρομολόγηση. Με δεδομένο το διάνυσμα F (!!!) που έχει προκύψει μετά από (k-1) επαναλήψεις, για κάθε ζεύγος (s, d) τα βήματα που ακολουθούνται είναι τα εξής: Βήμα 1: Βρες το τρέχον ελάχιστο μονοπάτι του ζεύγους όπως προκύπτει από τον υπολογισμό του μήκους πρώτης παραγώγου ως εξής: 92

107 P(F!" ) f! = P!"!!""!"#$%!,!!!!"#!! Βήμα 2: Υπολόγισε το βέλτιστο μήκος βήματος β που καθορίζει το ποσό της κίνησης που πρέπει να μεταφερθεί ως εξής: β = min[1,!,!!,! f!!" f!" P!" f! ]!!!" f!" P!" Βήμα 3: Υπολόγισε το νέο σύνολο ροών κάθε μονοπατιού ως εξής: F (!) = F + β F (!!!) F (!) f! f! f! = f! f! f! + β f! (!!!) f! f! (!!!) f! f! (!!!) f! Βήμα 4: Υπολόγισε τις νέες τιμές T!"!" σύμφωνα με τη σχέση (9) Βήμα 5: Υπολόγισε την συνολική ενέργεια κατανάλωσης σύμφωνα με τη συνάρτηση κόστους Βήμα 6: Επανέλαβε τη διαδικασία από το Βήμα 1 έως ότου να συναντηθεί το παρακάτω όριο P F (!) P F (!!!) P F (!) P F (!!!) λ, όπου ως λ ορίζεται μια σταθερά με σκοπό τον περιορισμό του αριθμού των επαναλήψεων σε σχέση με τη σύγκλιση στη βέλτιστη λύση. Εναλλακτικές Προσεγγίσεις Για την περαιτέρω αξιολόγηση της απόδοσης του προτεινόμενου ενεργοαποδοτικού αλγόριθμου βέλτιστης δρομολόγησης (OptiMal EnerGy Aware routing algorithm over VCSELs - OMEGA), πραγματοποιήσαμε σχετικές συγκρίσεις με την απόδοση τεσσάρων αλγορίθμων δρομολόγησης: (a) τον βασικό αλγόριθμο ελαχίστων μονοπατιών (BSP), ο οποίος δρομολογεί όλη την κίνηση μέσω του μονοπατιού που περιέχει το μικρότερο αριθμό συνδέσμων μεταξύ πηγής και προορισμού χωρίς ενεργειακή εξοικονόμηση (με την έννοια πως η ισχύς στους συνδέσμους δεν προσαρμόζεται με το ρυθμό μετάδοσης), (b) την αντίστοιχη παραλλαγή αυτού (ESP) στην οποία τα μονοπάτια επιλέγονται όπως στον BSP αλλά στη συνέχεια η ισχύς στους συνδέσμους προσαρμόζεται στην κατάλληλη τιμή ώστε να εξυπηρετείται ο απαραίτητος συνολικός ρυθμός μετάδοσης, όπως παρουσιάζεται στην προηγούμενη υπο-ενότητα, ώστε να εξοικονομείται ενέργεια. Στον BSP η τιμή του Vdd παραμένει σταθερή στα 1.8 V, που αντιστοιχεί στην απαραίτητη τιμή για επιτυχή αποστολή δεδομένων με ρυθμό μετάδοσης 10 Gb/s. Επιπλέον, εκτελέσαμε και δύο αλγορίθμους οι οποίοι εφαρμόζουν μεθόδους 93

108 εξισορρόπησης της κίνησης: (c) τον αλγόριθμο Valiant [108] και (d) έναν εξισορρόπησης της κίνησης μεταξύ ελαχίστων μονοπατιών (LB). Στον Valiant, κάθε πακέτο που αποστέλεται από κάποιο κόμβο πηγή φτάνει πρώτα σε ένα τυχαίο ενδιάμεσο κόμβο μέσω του ελάχιστου μονοπατιού και από εκεί στον τελικό κόμβο προορισμό πάλι μέσω του ελάχιστου μονοπατιού. Με αυτόν τον τρόπο ο συνολικός φόρτος του δικτύου διανέμεται σε όλο το δίκτυο και επιτυγχάνεται μέσω της τυχαιότητας το μέγιστο throughput στην χειρότερη περίπτωση κίνησης στο δίκτυο. Στον LB αλγόριθμο το φορτίο ενός ζεύγους επικοινωνίας ισο-κατανέμεται μεταξύ των μονοπατιών ελαχίστου μήκους. Και στους δύο αυτούς αλγορίθμους εφαρμόζεται προσαρμογή της ισχύος του συνδέσμου στο ρυθμό μετάδοσης. Αποτελέσματα Προσομοίωσης Όπως ήταν αναμενόμενο, ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιτυγχάνει την βέλτιστη διαμοίραση του συνολικού φόρτου μεταξύ των συνδέσμων ώστε να υπάρχει η βέλτιστη εξοικονόμηση ενέργειας (όπως φαίνεται στην Εικόνα 47). Οι πόροι του δικτύου αξιοποιούνται κατάλληλα ώστε να εξυπηρετηθεί η απαιτούμενη κίνηση, διατηρώντας την κατανάλωση σε χαμηλά επίπεδα. Όπως δείχνει η Εικόνα 47α, για την περίπτωση της FFTW/URT κίνησης οι ενεργο- (a) (b) (c) Εικόνα 47: Συνολική (a) κατανάλωση, (b) χαμένη κίνηση και (c) απόκλιση φορτίου του δικτύου για την 4x4 mesh τοπολογία για το FFTW/URT μοντέλo κίνησης. 94

109 αποδοτικοί αλγόριθμοι αποδίδουν ξεκάθαρα καλύτερα από τους BSP και Valiant, ενώ ο OMEGA επιτυγχάνει επιπλέον εξοικονόμηση ενέργειας σε σύγκριση με τον ESP, της τάξης του 19%, ακόμη και όταν το φορτίο στους κόμβους αυξάνει αρκετά ώστε να υπάρχουν σύνδεσμοι που δεν μπορούν να εξυπηρετήσουν την κίνηση (περίπου στα 5 Gb/s για τον ESP όπως φαίνεται στην Εικόνα 47b). Σε σχέση με τον Valiant η εξοικονόμηση φτάνει το 70%. Η LB προσέγγιση έχει καλή απόδοση για χαμηλά φορτία (εμφανίζοντας απώλειες για φορτία 8 Gb/s και πάνω) και πάλι όμως ο OMEGA είναι κατά 7% καλύτερος. Επιπλέον, η μέση απόκλιση του φόρτου των συνδέσμων από τη μέση τιμή είναι αρκετά μικρότερη στην περίπτωση του προτεινόμενου πρωτοκόλλου, όπως φαίνεται από την Εικόνα 47c, επιτυγχάνοντας με αυτόν τον τρόπο μηδενική χαμένη κίνηση και καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου, όπως παρουσιάζει την Εικόνα 47b. Η αποδοτικότητα ως προς το εύρος ζώνης επιτυγχάνεται λόγω της βέλτιστης εξισορρόπησης της κίνησης μεταξύ των διαφορετικών διαθέσιμων μονοπατιών για κάθε ζεύγος πηγής προορισμού, με αποτέλεσμα να εξισορροπείται αντίστοιχα το συνολικό φορτίο του δικτύου μεταξύ των συνδέσμων. Η εξισορρόπηση αυτή φαίνεται παραστατικά στην Εικόνα 48, που αντιστοιχεί στην τοπολογία τύπου mesh, η οποία παρουσιάζει την εικόνα της κίνησης στους συνδέσμους στο σημείο κατά το οποίο ο αλγόριθμος ελάχιστου μονοπατιού φτάνει το δίκτυο στο σημείο κορεσμού κάποιων συνδέσμων. Να σημειώσουμε πως το φορτίο που ανατίθεται σε κάθε σύνδεσμο είναι αποτέλεσμα του αλγορίθμου δρομολόγησης και συνεπώς οι αλγόριθμοι BSP και ESP, που εφαρμόζουν ίδια δρομολόγηση, επιτυγχάνουν τον ίδιο (a) (b) Εικόνα 48: Φορτίο συνδέσμων για τους (a) OMEGAS και (b) SP αλγορίθμους (c) 95

110 φόρτο στους συνδέσμους. Η εξοικονόμηση ενέργειας στην περίπτωση του SP επιτυγχάνεται λόγω την προσαρμογής της τάσης ρεύματος ανάλογα με το ρυθμό μετάδοσης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν και για το μοντέλο κίνησης SuperLU όπως φαίνεται στην Εικόνα 49. Η κατα κάποιον τρόπο τοπικότητα της κίνησης ωφελεί την δρομολόγηση ελαχίστου μονοπατιού. Ο OMEGA εμφανίζεται οριακά καλύτερος από τον LB ως προς την κατανάλωση ενέργειας. Το γεγονός πως και οι δύο αλγόριθμοι σε αυτό το μοντέλο χρησιμοποιούν τα ίδια ελάχιστα μονοπάτια δρομολόγησης, ο OMEGA επιτυγχάνει οριακά καλύτερη διαμοίραση του φόρτου των συνδέσμων όπως φαίνεται στην Εικόνα 49c. Στην bit complement κίνηση η απόδοση όλων των αλγόριθμοι υποβαθμίζεται σημαντικά. Για τους αλγόριθμους BSP και ESP το δίκτυο αρχίζει να εμφανίζει υπερφορτωμένους συνδέσμους από το 1.66 Gb/s, ενώ ο LB από τα 3.22 Gb/s. Με δεδομένο πως η συνολική κατανάλωση του δικτύου υπολογίζεται μέχρι τα 10 Gb/s για κάθε σύνδεσμο, η σύγκριση με τον OMEGA δεν είναι εφικτή καθώς σε αυτό εξυπηρετείται περισσότερη κίνηση με αποτέλεσμα η συνολική κατανάλωση να είναι μεγαλύτερη. Ο Valiant, ωστόσο, εμφανίζει την ίδια συμπεριφορά με την Εικόνα 49 όπου το δίκτυο αρχίζει τον κορεσμό στα 5 Gb/s. Μέχρι αυτή την τιμή ο OMEGA επιτυγχάνει 30% εξοικονόμηση (a) (b) (c) Εικόνα 49: Συνολική (a) κατανάλωση, (b) χαμένη κίνηση και (c) απόκλιση φορτίου του δικτύου για την 4x4 mesh τοπολογία για το SuperLU μοντέλo κίνησης. 96