Μητροπολιτικά Οπτικά Δίκτυα. 11.1. Εισαγωγή

Μητροπολιτικά Οπτικά Δίκτυα 11.1. Εισαγωγή Τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα είναι διαιρεμένα σε μια ιεραρχία τριών επιπέδων: Στα δίκτυα πρόσβασης, τα μητροπολιτικά δίκτυα και τα δίκτυα κορμού. Τα δίκτυα κορμού καλύπτουν παγκόσμιες αποστάσεις (1000 km και πάνω), ενώ στον αντίποδα βρίσκονται τα δίκτυα πρόσβασης τα οποία συνδέουν τους πελάτες με τα «Central Offices (COs)» και έχουν μήκος το πολύ μερικά χιλιόμετρα. Κάπου στη μέση βρίσκονται τα μητροπολιτικά δίκτυα, τα οποία καλύπτουν αποστάσεις 10 100km και διασυνδέουν τα δίκτυα πρόσβασης με τα δίκτυα κορμού. Σήμερα, τα μητροπολιτικά δίκτυα βασίζονται στην αρχιτεκτονική των SONET ιεραρχικών δακτυλίων. Συγκεκριμένα μικρότεροι βοηθητικοί δακτύλιοι χαμηλού ρυθμού διαμεταγωγής (π.χ. OC 3, OC 12) συγκεντρώνουν την κίνηση από τα Central Offices και την αθροίζουν σε κεντρικούς δακτυλίους υψηλού ρυθμού διαμεταγωγής (π.χ. OC 48). Μπορούμε να πούμε ότι το SONET υπήρξε πολύ επιτυχημένο στη μεταφορά δεδομένων φωνής. Όμως, η έκρηξη της Internet κίνησης έχει πραγματικά φτάσει τα μητροπολιτικά δίκτυα στα όριά τους. Η αναβάθμιση των δικτύων πρόσβασης, με την έλευση του DSL δίνει τη δυνατότητα πλέον στους χρήστες να ανταλλάσουν δεδομένα με το δίκτυο με ρυθμούς μερικών Mbps, σε σχέση με τα μερικά kbps που είχαν στη διάθεσή τους στο παρελθόν. Τα δίκτυα κορμού ήταν τα πρώτα που αντιμετώπισαν προβλήματα συμφόρησης, και γι αυτό το λόγο προέβησαν σε σημαντικές επεκτάσεις, επενδύοντας στην τεχνολογία WDM. Η συγκεκριμένη τεχνολογία έχει την ιδανική αναλογία κόστους προς χωρητικότητα για τα δίκτυα κορμού, με αποτέλεσμα τα τελευταία να έχουν πλέον στη διάθεσή τους χωρητικότητες της τάξης των Tbps στις γραμμές τους. Εικόνα 1: Τυπική αρχιτεκτονική Μητροπολιτικού δικτύου. Οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι μισθώνουν γραμμές για τη διασύνδεση των πελατών τους με το δίκτυο κορμού. Είναι φανερό ότι απαιτούνται νέες λύσεις και για τα μητροπολιτικά δίκτυα που θα προσφέρουν καλύτερες προοπτικές επέκτασης, παρέχοντας μικρότερη αναλογία κόστους προς χωρητικότητα απ ότι το SONET, καθώς και υποστήριξη για πολλαπλά πρωτόκολλα. Επίσης, δεδομένων των επενδύσεων που έχουν ήδη γίνει στα μητροπολιτικά δίκτυα, αυτές οι νέες λύσεις θα πρέπει να εκμεταλεύονται τις υπάρχουσες υποδομές, προσφέροντας προς τα πίσω συμβατότητα. Αυτές τις προϋποθέσεις τις πλοιρεί σε μεγάλο βαθμό η τεχνολογία WDM, και γι αυτό έχει αρχίσει από καιρό να υιοθετείται σε πολλά μητροπολιτικά δίκτυα. Πάντως, παρ όλα τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας WDM, η ενσωμάτωσή της στα μητροπολιτικά δίκτυα είναι αρκετά πολύπλοκη. Η τεχνολογία WDM προσφέρεται για μεγάλα μητροπολιτικά δίκτυα κορμού, όπου απαιτείται η εγκατάσταση συνδέσεων διακριτότητας του ενός μήκους κύματος. Το WDM είναι σε θέση να παρέχει σχεδόν ανεξάντλητη χωρητικότητα (της τάξης των Tbps ανά τηλεπικοινωνιακή γραμμή), να ελαχιστοποιήσει την ανάγκη

για αναγέννηση του σήματος, και να παρέχει ανεξαρτησία από την κωδικοποίηση του οπτικού σήματος. Η οπτική τεχνολογία έχει «εκτοπίσει» τις ηλεκτρονικές διατάξεις στα άκρα των μητροπολιτικών δικτύων. Εκεί συγκεντρώνεται η κίνηση από τους πελάτες, η οποία είναι ιδιαίτερα ετερογενής, τόσο ως προς το εύρος ζώνης ως και προς το πρωτόκολλο μετάδοσης δεδομένων. Γι αυτό το λόγο στα άκρα του δικτύου απαιτούνται «έξυπνες» και πολύπλοκες οπτο ηλεκτρονικές συσκευές, που πρέπει να προσφέρουν υποστήριξη πολλαπλών πρωτοκόλλων μετάδοσης αλλά και συγκέντρωσης κίνησης σε lightpaths. Ουσιαστικά, τα άκρα ενός μητροπολιτικού οπτικού δικτύου γεφυρώνουν το χάσμα μεταξύ του (σχετικά χαμηλού) ρυθμού πρόσβασης των χρηστών και του πολύ υψηλού ρυθμού διαμεταγωγής (της τάξης των αρκετών Gbps) του δικτύου κορμού. 11.2. Συγκέντρωση Κίνησης σε SONET Δίκτυα Δακτυλίων Τα SONET δίκτυα δακτυλίων, είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη οπτική αρχιτεκτονική σήμερα. Σε έναν SONET δακτύλιο, η τεχνολογία WDM χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο για τη μετάδοση δεδομένων σημείο προς σημείο. Κάθε μήκος κύματος σε ένα SONET/WDM δίκτυο λειτουργεί σε κάποιο ρυθμό OC N, (π.χ. OC 192) και είναι σε θέση να μεταφέρει πολυπλεγμένα πολλαπλά OC M κανάλια, όπου Μ Ν. Ο λόγος του Ν προς την μικρότερη τιμή του Μ ονομάζεται «λόγος συγκέντρωσης». Ηλεκτρονικοί ADMs (Add Drop Multiplexers) χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή / τερματισμό κίνησης στα / από τα υψηλής χωρητικότητας μήκη κύματος. Σε ένα παραδοσιακό SONET δίκτυο δακτυλίων, χρειάζεται ένας ADM για κάθε μήκος κύματος σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο του δικτύου, για να είναι εφικτή η εισαγωγή κίνησης και ο τερματισμός κίνησης σε αυτό το μήκος κύματος. Όμως με την πρόοδο της τεχνολογίας WDM μπορούν στην ίδια οπτική ίνα να βρίσκονται πάνω από 100 μήκη κύματος. Είναι επομένως υπερβολικά δαπανηρό να τοποθετηθεί σε κάθε κόμβο ένας τόσο μεγάλος αριθμός ADMs, τη στιγμή που το κόστος ενός ADM δεν είναι καθόλου αμελητέο. Στατιστικά τα περισσότερα μήκη κύματος είναι διερχόμενα από έναν κόμβο, δηλαδή δεν μεταφέρουν κίνηση γι αυτόν και δεν δέχονται κίνηση από αυτόν. Επομένως εκτός από δαπανηρή, η προσθήκη ADMs για όλα τα μήκη κύματος σε ένα κόμβο είναι και περιτή. Με την εμφάνιση οπτικών διατάξεων όπως οι OADMS (Optical Add Drop Multiplexers) είναι πλέον εφικτό τα διερχόμενα οπτικά κανάλια να «παρακάμπτουν» με οπτικό τρόπο έναν κόμβο, χωρίς να χρειάζεται ο τερματισμός και η μετατροπή τους στο ηλεκτρονικό πεδίο σ αυτόν τον κόμβο. Σε ένα κόμβο τερματίζουν μόνο τα μήκη κύματος στα οποία πρέπει να εισαχθεί ή να τερματιστεί ένα τουλάχιστον TDM slot, και μόνο για αυτά τα μήκη κύματος (που είναι πολύ λιγότερα από το σύνολο) απαιτούνται ADMs. Έτσι αποφεύγεται ένα πολύ σημαντικό κόστος, καθώς στα SONET/WDM δίκτυα δακτυλίων το κυρίαρχο κόστος οφείλεται στα ADMs. Στο παρακάτω παράδειγμα (Εικόνα 2) βλέπουμε την αρχιτεκτονική ενός κόμβου, σε ένα δίκτυο με 3 μήκη κύματος. Από αυτά μόνο το ένα τερματίζει κάποιο TDM frame στον κόσμο, και άρα απαιτεί την ύπαρξη ενός ADM. Τα υπόλοιπα μήκη κύματος (λ1, λ2) παρακάμπτουν οπτικά τον κόμβο, χωρίς να απαιτούν ADMs. Το συμπέρασμα είναι ότι μια κατάλληλη διάταξη των OADMs μπορεί να μειώσει σημαντικά το κόστος του δικτύου. Το ζητούμενο επομένως είναι αν γνωρίζουμε ποιες είναι οι αιτήσεις σύνδεσης χαμηλού ρυθμού, να βρεθεί ποιες θα πρέπει να συγκεντρωθούν μαζί σε οπτικά κανάλια, και κάθε οπτικό κανάλι σε ποιους κόμβους θα τερματίζει, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί ο αριθμός των ADMs (και άρα το κόστος του δικτύου).

Εικόνα 2: Αρχιτεκτονική κόμβου σε SONET δακτύλιο 11.2.1. Single Hop Συγκέντρωση Κίνησης σε SONET/WDM Δακτυλίους Σε SONET δακτυλίους που χρησιμοποιούν μόνο SONET ADMs και όχι DXCs στους κόμβους μεταγωγής, έχουμε «single hop» συγκέντρωση κίνησης, δηλαδή οι ροές δεδομένων χαμηλού ρυθμού διανύουν ένα μόνο hop στην ιδεατή τοπολογία. Ένας SONET ADM δεν είναι σε θέση να πραγματοποιήσει «timeslot interchange», δηλαδή να ανταλλάξει τη σειρά TDM πλαισίων. Επίσης, η μετατροπή μήκους κύματος απαιτεί πρόσθετο (και αρκετά ακριβό) εξοπλισμό σε κάθε κόμβο. Έτσι στους SONET δακτύλιους που χρησιμοποιύν μόνο ADMs και όχι DXCs, και δεν έχουν τη δυνατότητα για μετατροπή μήκους κύματος, υποστηρίζεται συγκέντρωση κίνησης πολλών OC M συνδέσεων σε ένα OC N κανάλι, όπου όμως όλες οι OC M συνδέσεις έχουν τον ίδιο προορισμό. Η ικανοποίηση όλων των αιτήσεων σύνδεσης, και η ελαχιστοποίηση του αριθμού των ADMs είναι τα βασικά προβλήματα που θα πρέπει να επιλυθούν σε αυτού του τύπου τα δίκτυα. Εικόνα 3: Εναλλακτικές στρατηγικές ʺSingle Hopʺ συγκέντρωσης κίνησης σε SONET δακτύλιο Στη συνέχεια θα προσπαθήσουμε να προσεγγίσουμε το πρόβλημα της single hop συγκέντρωσης κίνησης με ένα παράδειγμα (εικόνα 3): Έστω ένας SONET δακτύλιος δύο κατευθύνσεων (δηλαδή με μια οπτική ίνα για κάθε κατεύθυνση) και δύο μήκη κύματος ανά οπτική ίνα. Θεωρούμε ότι έχουμε 10 αιτήσεις δύο κατευθύνσεων μεταξύ όλων των ζευγών κόμβων, ενώ το κάθε μήκος κύματος έχει αρκετή χωρητικότητα για την εξυπηρέτηση δύο αιτήσεων. Τα δύο μήκη κύματος ανά οπτική ίνα δημιουργούν δύο ιδεατούς δακτυλίους διπλής κατεύθυνσης. Κάθε μήκος κύματος απαιτεί και ένα ADM για τον κάθε κόμβο στον οποίο τερματίζει. Άρα, εφ όσον έχουμε 5 κόμβους και 2 μήκη κύματος στο δίκτυο θα χρειαστούν 10 ADMs στη χειρότερη περίπτωση. Το ερώτημα είναι ποιος είναι ο ελάχιστος αριθμός ADMs που απαιτούνται για την εξυπηρέτηση όλων των αιτήσεων; Στην εικόνα 3 (β) και (γ) βλέπουμε δύο πιθανούς τρόπους για τη συνάθροιση και μεταφορά των αιτήσεων πάνω από τα δύο μήκη κύματος. Στην εικόνα (β) απαιτούνται 9 ADMs, αφού το ένα μήκος κύματος δεν τερματίζει στον κόμβο 2, αλλά τον «παρακάμπτει» οπτικά. Στην εικόνα (γ) βλέπουμε ότι με μια απλή αναδιάταξη του

δακτυλίου (ως προς τα οπτικά κανάλια που εγκαθίστανται και τις συνδέσεις που συγκεντρώνονται σε αυτά) απαιτούνται μόλις 8 ADMs καθώς το ένα μήκος κύματος παρακάμπτει δύο κόμβους. Έχει αποδειχθεί ότι το γενικό πρόβλημα της συγκέντρωσης κίνησης είναι ένα πρόβλημα NP Complete. Μπορεί να διατυπωθεί σαν ένα πρόβλημα γραμμικού προγραμματισμού βελτιστοποίησης, και άρα στην πράξη η βέλτιστη λύση μπορεί να βρεθεί μόνο για σχετικά μικρά δίκτυα λόγω της υψηλής υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Σε μεγάλα δίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρετικοί αλγόριθμοι, για την προσέγγιση του προβλήματος. 11.2.2. Multi Hop συγκέντρωση κίνησης σε SONET/WDM Δακτυλίους Η μεγάλη αδυναμία της Single Hop αρχιτεκτονικής είναι το γεγονός ότι δεν επιτρέπει τη μεταγωγή μιας χαμηλού ρυθμού σύνδεσης από ένα μήκος κύματος σε κάποιο άλλο. Αυτή την αδυναμία βελτιώνει η αρχιτεκτονική της ʺMulti Hopʺ συγκέντρωσης κίνησης η οποία προτείνει την εισαγωγή DXCs σε μερικούς κόμβους, οι οποίοι ονομάζονται hub κόμβοι. Σε αυτούς τους κόμβους κίνηση από ένα μήκος κύματος μπορεί να υποστεί μεταγωγή σε ένα οποιοδήποτε άλλο μήκος κύματος. Φυσικά αυτού του είδους η μεταγωγή γίνεται στο ηλεκτρονικό πεδίο, και άρα η κίνηση διανύει περισσότερα του ενός hops στην εικονική τοπολογία (εξ ού και ο όρος Multi Hop). Σε ένα δίκτυο μπορούν να υπάρχουν ένας ή περισσότεροι hub κόμβοι. Η λογική του multi hop grooming θυμίζει τη δρομολόγηση πτήσεων των αεροπορικών εταιριών. Συνήθως δεν υπάρχουν απ ευθείας γραμμές που να συνδέουν δύο προορισμούς με χαμηλή κίνηση (για παράδειγμα δύο μικρά νησιά) καθώς τα έσοδα δε θα δικαιολογούσαν τη δρομολόγηση ενός ολόκληρου αεροσκάφους. Συνήθως γραμμές με χαμηλή κίνηση εξυπηρετούνται με ενδιάμεση στάση σε κομβικό αεροδρόμιο, στο οποίο γίνεται αλλαγή αεροσκάφους. Με την ίδια λογική, δύο κόμβοι δικτύου που δε συνδέονται με απ ευθείας lightpath γιατί δεν το δικαιολογεί η μεταξύ τους κίνηση (ή για άλλους λόγους) μπορούν να επικοινωνήσουν μέσω κάποιου hub κόμβου ο οποίος συνδέεται με απʹ ευθείας lightpath και με τους δύο. Μια ακραία περίπτωση της Multi Hop αρχιτεκτονικής είναι κάθε κόμβος του δακτυλίου να είναι hub κόμβος, οπότε οδηγούμαστε σε μια ειδική κατηγορία δικτύου που λέγεται «σημείο προς σημείο WDM δακτύλιος». Μια ενδιαφέρουσα ερευνητική εργασία που συγκρίνει λεπτομερώς το single hop grooming δακτύλιο, το multi hop grooming δακτύλιο με ένα ή πολλά hubs και το σημείο προς σημείο WDM δακτύλιο, καταλήγει στα εξής συμπεράσματα: Όταν ο λόγος συγκέντρωσης είναι μεγάλος (δηλαδή πολλές χαμηλού ρυθμού συνδέσεις συγκεντρώνονται σε ένα οπτικό κανάλι) τότε η multi hop grooming τεχνική χρησιμοποιεί τα λιγότερα ADMs. Όταν ο λόγος συγκέντρωσης είναι μικρός, τότε η single hop grooming τεχνική χρησιμοποιεί τα λιγότερα ADMs. Σε γενικές γραμμές, η multihop τεχνική χρησιμοποιεί περισσότερα μήκη κύματος απ ότι η single hop τεχνική. 11.3. Διασυνδεδεμένα WDM δίκτυα δακτυλίων Προκειμένου να παρέχουν εκτεταμένη γεωγραφική κάλυψη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλοί SONET δακτύλιοι διασυνδεδεμένοι μεταξύ τους. Σε μια τέτοια δικτυακή αρχιτεκτονική, κάνουμε διάκριση ανάμεσα στους διασυνδετικούς

κόμβους, οι οποίοι συνδέονται με δύο δακτυλίους, και τους μη διασυνδετικούς κόμβους. Στους διασυνδετικούς κόμβους χρησιμοποιούνται οπτικοί διασυνδέτες (OXCs) για τη μεταγωγή κίνησης μεταξύ δύο δακτυλίων. Όσον αφορά την αρχιτεκτονική των οπτικών διασυνδετών, υπάρχουν οι εξής επιλογές: Να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία SONET για τη μεταγωγή της κίνησης μεταξύ δύο δακτυλίων. Οι διασυνδετικοί κόμβοι αποτελούνται από ένα OADM για προσθήκη και τερματισμό οπτικών καναλιών, SONET ADMs για προσθήκη και τερματισμό TDM πλαισίων στα οπτικά κανάλια, καθώς και ένα DXC. Το DXC είναι υπεύθυνο για τη μεταγωγή των TDM πλαισίων από τον ένα δακτύλιο στον άλλο. Η κίνηση που φτάνει σε ένα διασυνδετικό κόμβο και είτε προορίζεται για αυτόν, είτε κατευθύνσεται στο γειτονικό δακτύλιο, τερματίζεται μέσω του OADM και τα TDM frames μετάγονται μέσω του DXC στον τελικό προορισμό τους. Νέες τεχνολογίες στην κατασκευή οπτικών διασυνδετών, επιτρέπουν τη μεταγωγή ολόκληρων οπτικών καναλιών και όχι TDM πλαισίων, όπως στην τεχνολογία SONET. Η μεταγωγή των οπτικών καναλιών μπορεί να γίνει είτε με πλήρως οπτικό τρόπο (οπότε αποφεύγεται η μετατροπή στο ηλεκτρονικό πεδίο και η σχετική επιβάρυνση) είτε με ηλεκτρονικό τρόπο. Ο τελεταίος απαιτεί μετατροπή στο ηλεκτρικό πεδίο, και έχει το πλεονέκτημα ότι παρέχει σχετικά εύκολα πλήρη μετατροπή μηκών κύματος. Η οπτική τεχνολογία δεν είναι ακόμα ώριμη να παρέχει πλήρη μετατροπή μηκών κύματος και με χαμηλό κόστος. Εικόνα 4: Αρχιτεκτονικές κόμβων μεταγωγής για SONET δακτυλίους, (α) έσω της τεχνολογίας SONET, και (β) με πλήρως οπτικό τρόπο. 11.3.1. Στρατηγικές Διασύνδεσης Δύο δακτύλιοι μπορούν να διασυνδέονται σε ένα ή περισσότερα από ένα σημεία. Συνήθως, επιθυμητή θεωρείται η διασύνδεση σε δύο σημεία για λόγους αντοχής σε σφάλματα. Έτσι, ακόμα και αν ο ένας διασυνδετικός κόμβος αποτύχει λόγω βλάβης, θα είναι εφικτή η μεταγωγή κίνησης μεταξύ των δύο δακτυλίων μέσω του άλλου διασυνδετικού κόμβου. Στην εικόνα 5 βλέπουμε τρεις εναλλακτικές στρατηγικές διασύνδεσης δακτυλίων. Η στρατηγική (α) υιοθετεί διασύνδεση σε ένα σημείο, ενώ οι στρατηγικές (β) και (γ) διασύνδεση σε 2 σημεία. Η διαφορά των (β) και (γ) είναι το αν τα δύο σημεία διασύνδεσης είναι γειτονικά (β), ή μη γειτονικά (γ).

Εικόνα 5: Εναλλακτικές στρατηγικές διασύνδεσης δακτυλίων.