Περιεχόμενα. Πρόλογος 9. Ευχαριστίες 15

1 Περιεχόμενα Πρόλογος 9 Ευχαριστίες 15 1 Εισαγωγή 17 1.1 Πλεονεκτήματα της Οπτικής Ίνας ως Μέσο Μετάδοσης 21 1.2 Βασικές Τεχνικές Πολύπλεξης 24 1.3 Ιστορική Εξέλιξη των Οπτικών Δικτύων Βασικοί Σταθμοί της Τεχνολογίας 30 1.4 Οπτικά Δίκτυα Πρώτης Γενιάς 34 1.5 Οπτικά Δίκτυα Δεύτερης Γενιάς Βασικές Κατηγόριες 40 1.6 Αναλυτική Παρουσίαση των Τοπικών WDM Δικτύων Εκπομπής -και- Επιλογής 84 Βιβλιογραφία 98 2 Τεχνολογίες Yλοποίησης 101 2.1 Εισαγωγή 102 2.2 Κατηγόριες Οπτικών Δικτύων 105 2.3 Συστατικά Στοιχεία Οπτικών Δικτύων 109 2.4 Περίληψη 151 Βιβλιογραφία 152

8 Περιεχόμενα 3 Πρωτόκολλα Ελέγχου Προσπέλασης Μέσου 157 3.1 Πρωτόκολλα Σταθερής Ανάθεσης 166 3.2 Πρωτόκολλα Τυχαίας Προσπέλασης 181 3.3 Πρωτόκολλα με Συντονισμό πριν από τη Μετάδοση 188 Βιβλιογραφία 258 4 Προσαρμόσιμα Πρωτόκολλα 263 4.1 Προσαρμόσιμα TDMA Πρωτόκολλα 266 4.2 Προσαρμόσιμα Πρωτόκολλα Τυχαίας Προσπέλασης 287 4.3 Προσαρμόσιμα Πρωτόκολλα με Συντονισμό πριν από τη Μετάδοση 306 4.4 Πρωτόκολλα με Κεντρικό Φιλτράρισμα των Πακέτων 315 Βιβλιογραφία 342 Ευρετήριο 347

40 ΕΙΣΑΓΩΓΗ εύρους ζώνης, αν απλώς σκεφτούμε το πόσο ευρέως εγκατεστημένες σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα σε όλο τον κόσμο είναι οι οπτικές ίνες. Αλλά γιατί όλη αυτή η ποσότητα της οπτικής ίνας δεν έχει χρησιμοποιηθεί με πιο παραγωγικό τρόπο; Αυτό είναι ένα εύλογο ερώτημα. Πρώτα από όλα, οι οπτικές ίνες κατά κανόνα δεν έχουν διασυνδεθεί σε μια κατάλληλη αρχιτεκτονική η οποία θα απέδιδε τα μέγιστα σύμφωνα με τις εξαιρετικές τους ιδιότητες. Επίσης, από την οπτική γωνία της επιστήμης των οικονομικών, έχει τουλάχιστον την ίδια βαρύτητα το γεγονός ότι οι επενδυτές σε νέες οπτικές τεχνολογίες που υποστηρίζουν νέους τύπους υπηρεσιών 9 έχουν φανεί μάλλον υπερβολικά επιφυλακτικοί, διότι για πολλά χρόνια πίστευαν πως δεν υπάρχει αγοραστικό κοινό γι αυτές τις υπηρεσίες (μιας και οι εν λόγω υπηρεσίες δεν υπήρχαν καν ακόμη). Είναι λογικό για αρκετούς φορείς να περιμένουν να δουν χειροπιαστές αποδείξεις για τις προοπτικές κέρδους, προτού αποφασίσουν να επενδύσουν μεγάλα ποσά χρημάτων, όσο πολλά υποσχόμενη και αν φαίνεται θεωρητικά μια καινούρια τεχνολογία. Εκτός από τους δυο προαναφερθέντες κύριους λόγους, έχουν υπάρξει και άλλα διάφορα νομικά, πολιτικά και τεχνολογικά θέματα που εμπόδισαν την αποδοτική εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των εγκατεστημένων οπτικών ινών. Όσον αφορά στην τεχνολογία, για παράδειγμα, η επέκταση του δικτύου μέχρι τον τελικό χρήστη (το επονομαζόμενο «τελευταίο μίλι») είναι τεχνολογικά πολύ πιο πίσω σε σχέση με τα οπτικά δίκτυα υψηλών ταχυτήτων του κορμού. Στην Ενότητα 1.1 παρουσιάστηκαν ορισμένα πλεονεκτήματα των οπτικών ινών. Όλα αυτά αποτελούν ταυτόχρονα και πλεονεκτήματα των οπτικών δικτύων γενικότερα έναντι άλλων τύπων δικτύων, τα οποία προκύπτουν απλώς και μόνο από τη χρησιμοποίηση της οπτικής ίνας ως μέσο μετάδοσης. Αν μάλιστα οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνταν με έναν πιο αποδοτικό τρόπο, τα οπτικά δίκτυα θα αποκτούσαν ακόμη περισσότερα πλεονεκτήματα, όπως μειωμένο κόστος, δυνατότητα να προσφέρουν υπηρεσίες σε επίπεδο μήκους κύματος (αντί για υπηρεσίες οπτικής ίνας) και ακόμη καλύτερες δυνατότητες αποκατάστασης βλαβών. Αυτά είναι πράγματι τα κύρια χαρακτηριστικά των οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς, τα οποία, μαζί με τις βασικές κατηγορίες τους, εξετάζονται αμέσως παρακάτω. 1.5 ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ Είναι γεγονός πως όταν γίνεται λόγος για «οπτικά δίκτυα» εννοούμε πλέον κατά κανόνα τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς. Αυτά τα δίκτυα είναι κάτι περισσότερο από ένα απλό σύνολο οπτικών ινών που τερματίζονται από ηλεκτρονικούς μεταγωγείς (switches), αφού οι λειτουργίες της δρομολόγησης και της μεταγωγής καθώς και η 9 Παραδείγματα τέτοιων υπηρεσιών με υψηλές απαιτήσεις αναφέρθηκαν στην αρχή αυτού του κεφαλαίου.

ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ 41 ευφυΐα του δικτύου μεταφέρονται πια στο οπτικό πεδίο, αυξάνοντας έτσι την αξιοποίηση των ινών. Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί εδώ ότι ο όρος «οπτικά δίκτυα» δεν υπονοεί απαραίτητα δίκτυα αμιγώς οπτικά. Είναι γεγονός ότι κάποιες λειτουργίες γίνονται καλύτερα από ηλεκτρονικά στοιχεία, τουλάχιστον με τη σημερινή υπεροχή της ηλεκτρονικής τεχνολογίας. Αυτές ονομάζονται μη γραμμικές λειτουργίες και περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, ορισμένες λειτουργίες που απαιτούν ειδική ευφυΐα, όπως είναι η επεξεργασία των κεφαλίδων των πακέτων, ο έλεγχος και η διαχείριση του δικτύου. Φαίνεται ότι τα ηλεκτρονικά στοιχεία είναι αργά αλλά έξυπνα, ενώ από την άλλη τα οπτικά είναι γρήγορα αλλά μάλλον λίγο κουτά. Ως εκ τούτου απαιτείται μια κατάλληλη συνεργασία για πρακτικές υλοποιήσεις οπτικών δικτύων. Η ηλεκτρονική τεχνολογία είναι επίσης απαραίτητη στους τελικούς κόμβους του δικτύου για τη μετατροπή του σήματος σε οπτική μορφή πριν την είσοδό του στο αμιγώς οπτικό κομμάτι του. Επιπλέον, είναι πιθανόν να απαιτείται ηλεκτρονική αναγέννηση σε μερικά δίκτυα, ιδιαίτερα κατά μήκους μεγάλων οπτικών διαδρομών. Ωστόσο, στα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς η ηλεκτρονική τεχνολογία απαλλάσσεται πλέον από ένα σημαντικό κομμάτι του φόρτου επιτέλεσης γραμμικών λειτουργιών σε αντίθεση με τα δίκτυα πρώτης γενιάς. Σε ένα δίκτυο σαν το δακτύλιο SONET του Σχήματος 1.8 (β), κάθε κόμβος πρέπει να χειριστεί ηλεκτρονικά όχι μόνο τα δεδομένα που προορίζονται γι αυτόν, αλλά επίσης και όλα τα δεδομένα που προορίζονται γι άλλους κόμβους και προσπαθούν απλώς να περάσουν από αυτόν. Μια βασική ιδέακλειδί για την ανάπτυξη πραγματικής οπτικής δικτύωσης 10 είναι να γίνεται η δρομολόγηση των δεδομένων τα οποία προορίζονται για άλλους κόμβους στο οπτικό πεδίο. Υπάρχουν διάφορα είδη (τεχνολογίες) οπτικών δικτύων κατάλληλα για όλες τις πιθανές κλίμακες δικτύωσης: δίκτυα πρόσβασης, τοπικά, μητροπολιτικά και ευρείας περιοχής δίκτυα, δίκτυα κορμού. Επίσης τα είδη οπτικών δικτύων που υπάρχουν διαφέρουν και ως προς το βαθμό κατά τον οποίο είναι σήμερα υλοποιήσιμα. Όπως θα δούμε, αυτά που βασίζονται στην τεχνική της πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος (WDM) είναι γενικά περισσότερο εφικτό να υλοποιηθούν και έχουν ήδη εξαπλωθεί στην πράξη ως ένα βαθμό (ειδικά ως δίκτυα κορμού). Από την άλλη τα δίκτυα με τεχνολογία οπτικής πολύπλεξης με διαίρεση χρόνου (OTDM) χρειάζονται ακόμη λίγο χρόνο για να ωριμάσουν πριν την εμπορική τους διάδοση. Οι κύριες κατηγορίες των οπτικών δικτύων 11 φαίνονται στο Σχήμα 1.9. 10 Από δω και στο εξής όταν αναφέρουμε τον όρο «οπτικά δίκτυα» θα εννοούμε οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς. 11 Υπάρχουν και κάποιοι άλλοι τύποι οπτικών δικτύων όπως τα δίκτυα οπτικής πολύπλεξης με διαίρεση κώδικα (Optical Code-Division Multiplexing ή OCDM). Αυτά θεωρούνται εκτός του πεδίου της εισαγωγής αυτής. Για την τεχνολογία OCDM ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης μπορεί για παράδειγμα να ανατρέξει στην εργασία [19].

42 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οπτικά Δίκτυα (2 ης γενιάς) Δίκτυα WDM Οπτικά Δίκτυα Μεταγωγής Πακέτου / Δίκτυα Μεταγωγής Οπτικής Ριπής Συνδέσμων Από-Σημείοσε-Σημείο Εκπομπής- και- Επιλογής Δρομολόγησης Μήκους Κύματος (& Ζώνης Μηκών Κύματος) Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Σχήμα 1.9 Βασικές κατηγορίες οπτικών δικτύων. 1.5.1 ΔΙΚΤΥΑ WDM ΣΥΝΔΕΣΜΩΝ ΑΠΟ-ΣΗΜΕΙΟ-ΣΕ-ΣΗΜΕΙΟ Το πρώτο βήμα προς τη διείσδυση της οπτικής τεχνολογίας WDM στην υπάρχουσα υποδομή πρώτης γενιάς είναι φυσικά η αναβάθμιση των απλών μεμονωμένων συνδέσμων σε WDM συνδέσμους από-σημείο-σε-σημείο (WDM point-to-point links). Ωστόσο, σε αυτή την κατηγορία οπτικών δικτύων, οι WDM σύνδεσμοι διασυνδέονται μέσω μη οπτικού (δηλαδή ηλεκτρονικού) εξοπλισμού. Εξαιτίας της τεχνικής WDM, οι δυο κόμβοι που επικοινωνούν μέσω κάθε συνδέσμου WDM είναι ικανοί να ανταλλάξουν δεδομένα χρησιμοποιώντας πολλαπλά διαφορετικά κανάλια (μήκη κύματος) ταυτόχρονα. Αυτό επιτρέπει σε κάθε κόμβο να έχει πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Η επικοινωνία μέσω της οπτικής ίνας θα μπορούσε να είναι διπλής κατεύθυνσης ή εναλλακτικά θα μπορούσαμε να έχουμε έναν WDM από-σημείο-σε-σημείο σύνδεσμο διπλής οπτικής ίνας, όπου η κάθε ίνα θα χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά για τη ροή δεδομένων σε μια κατεύθυνση. Για την απεικόνιση της μετάδοσης μονής και διπλής κατεύθυνσης σε οπτική ίνα μπορείτε να αναφερθείτε και πάλι στο Σχήμα 1.5. Εδώ και κάποια χρόνια, οι περισσότεροι από τους κορυφαίους φορείς παροχής υ- πηρεσιών δικτύου στη Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη και την Ιαπωνία έχουν αρχίσει να επενδύουν πολλά χρήματα για να ακολουθήσουν αυτή την τάση αναβάθμισης σε WDM συνδέσμους. Τέτοιες αναβαθμίσεις συνεχίζονται με διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό γι αυτούς και γι άλλους νέους παροχείς υπηρεσιών δικτύου με την πάροδο του χρόνου. Τα κυριότερα γεγονότα που οδηγούν σε αυτή την επιλογή είναι οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης από τους πελάτες τους και το ότι οι WDM σύνδεσμοι από-σημείο-σε-σημείο συχνά φαίνεται να αποτελούν την πιο οικονομικά αποδοτική λύση σε σύγκριση με άλλες επιλογές για την επιθυμητή αύξηση της χωρητικότη-

ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ 43 Tx Rx Tx λ 2... WMUX WDMUX λ 2 Rx... Tx λ N λ N Rx Tx Rx : Μεταδότης : Αποδέκτης : Τερματικός Εξοπλισμός : EDFA (οπτικός ενισχυτής) Σχήμα 1.10 Παράδειγμα WDM συνδέσμου από-σημείο-σε-σημείο. τας. Για παράδειγμα, στο [21] γίνεται σύγκριση μεταξύ τριών πιθανών λύσεων για την αναβάθμιση της χωρητικότητας ενός συνδέσμου μετάδοσης από-σημείο-σε-σημείο, από τα 2.5 Gb/s (OC-48) στα 10 Gb/s (OC-192): 1. Εγκατάσταση πρόσθετων οπτικών ινών. 2. Χρησιμοποίηση ηλεκτρονικής TDM τεχνολογίας υψηλότερης ταχύτητας (OC-192). 3. Αναβάθμιση σε ένα WDM σύνδεσμο από-σημείο-σε-σημείο με τέσσερα κανάλια (μήκη κύματος). Αποδείχθηκε ότι για αποστάσεις μεγαλύτερες από 50 km η τρίτη λύση ήταν η πιο αποδοτική οικονομικά. Για παράδειγμα, σε σύγκριση με την πρώτη επιλογή, προσφέρει τέσσερις «εικονικές ίνες» λόγω της τεχνικής WDM, και συνεπώς αποφεύγει την ακριβή εγκατάσταση νέων ινών στο έδαφος. Να σημειωθεί ότι σε αυτό το παράδειγμα η ίνα που συνδέει τα δυο τελικά σημεία του WDM συνδέσμου χρησιμοποιήθηκε για μετάδοση μονής κατεύθυνσης. Ένα παράδειγμα WDM συνδέσμου από-σημείο-σε-σημείο με μία μόνο οπτική ίνα για μετάδοση μονής κατεύθυνσης απεικονίζεται στο Σχήμα 1.10. Γενικά, ένας WDM σύνδεσμος από-σημείο-σε-σημείο αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία, τα περισσότερα από τα οποία φαίνονται επίσης στο Σχήμα 1.10: Δύο κόμβους (στα δυο άκρα του συνδέσμου) που έχουν πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Διαφορετικά interfaces (διασυνδέσεις) ανά θύρα που επιτρέπουν την επικοινωνία μέσω διαφόρων πρωτοκόλλων πάνω από το σύνδεσμο. Ηλεκτρο-οπτικούς μετατροπείς οι οποίοι περιλαμβάνουν λέιζερ στα δυο άκρα του συνδέσμου για μετάδοση σε διαφορετικά μήκη κύματος (κανάλια). Τους κατάλληλους αποδέκτες για κάθε μήκος κύματος, οι οποίοι μετατρέπουν το σήμα σε ηλεκτρονική μορφή στα άκρα του συνδέσμου.

44 ΕΙΣΑΓΩΓΗ WDM πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες (WMUXs/WDMUXs) τοποθετημένους αμέσως μετά τους μεταδότες (για WDM πολύπλεξη) και αμέσως πριν το οπτικό σήμα φτάσει τους αποδέκτες (για WDM αποπολύπλεξη). Ενισχυτές που εξασφαλίζουν επαρκή ισχύ σήματος κατά τη διαδρομή του από το ένα άκρο στο άλλο. Να σημειωθεί ότι συσκευές όπως τα λέιζερ, οι αποδέκτες και οι WDM πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες αποτελούν μέρος της τεχνολογίας υλοποίησης και, γι αυτό, θα εξεταστούν στο Κεφάλαιο 2. 1.5.2 WDM ΔΙΚΤΥΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΚΑΙ-ΕΠΙΛΟΓΗΣ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα WDM δίκτυα εκπομπής-και-επιλογής (broadcast-and-select) είναι το βασικό αντικείμενο αυτού του βιβλίου. Ένα παράδειγμα δικτύου αυτής της κατηγορίας εικονίζεται στο Σχήμα 1.11. Το δίκτυο αποτελείται από έναν οπτικό N N παθητικό συζεύκτη αστέρα (passive star coupler) και Ν κόμβους, κάθε ένας εκ των οποίων είναι εξοπλισμένος με έναν σταθερά συντονισμένο (fixed-tuned) μεταδότη και ένα συντονιζόμενο ή μεταβλητό (tunable) αποδέκτη. Οι μεταδότες και οι αποδέκτες συνδέονται με τον οπτικό συζεύκτη αστέρα μέσω ξεχωριστών οπτικών ινών. Επομένως, όπως φαίνεται και στο σχήμα, κάθε κόμβος ουσιαστικά χρησιμοποιεί ένα ζευγάρι ινών για να επικοινωνεί με τον κεντρικό συζεύκτη αστέρα. Προτού περιγράψουμε τη λειτουργία του δικτύου εκπομπής-και-επιλογής του σχήματος πρέπει να εξηγήσουμε ορισμένα χαρακτηριστικά συσκευών όπως οι συζεύκτες αστέρα, οι μεταδότες και οι αποδέκτες, που αποτελούν μέρος της λεγόμενης τεχνολογίας υλοποίησης (enabling technology) των ο- πτικών δικτύων. Φυσικά θα αναφέρουμε μόνο όσα απαιτούνται για να κατανοήσουμε τη λειτουργία των δικτύων αυτής της σημαντικής κατηγορίας, καθώς οι συσκευές αυτές και γενικότερα η τεχνολογία υλοποίησης αποτελεί από μόνη της μια ξεχωριστή ενότητα με πολύ μεγάλη έκταση που εξετάζεται στο επόμενο κεφάλαιο. Ένας σταθερά συντονισμένος μεταδότης, όπως φαίνεται και από το όνομά του, έχει την ικανότητα να μεταδίδει μόνο σε ένα σταθερό μήκος κύματος, στο οποίο θεωρείται πως είναι μονίμως συντονισμένος εξαρχής. Οι μεταβλητοί αποδέκτες είναι ικανοί να λαμβάνουν σε διάφορα μήκη κύματος, αφού μπορούν να ρυθμίζονται όταν χρειάζεται, δηλαδή να συντονίζονται στο μήκος κύματος (κανάλι) που είναι επιθυμητό κάθε φορά (αρκεί αυτό να είναι μέσα στην περιοχή συντονισμού τους). Ο οπτικός N N παθητικός συζεύκτης αστέρα είναι γενικά μια παθητική συσκευή που δε χρειάζεται τροφοδοσία, άρα είναι εξαιρετικά αξιόπιστη στη λειτουργία της και εύκολη στο χειρισμό. Η λειτουργία του συζεύκτη απεικονίζεται στο Σχήμα 1.12 για Ν = 4, δηλαδή στο σχήμα απεικονίζεται ένας 4 4 παθητικός συζεύκτης αστέρα [24]. Η ισχύς ενός σήματος που μεταδίδεται σε συγκεκριμένο μήκος κύματος και εισέρχεται από μια ίνα εισόδου διαιρείται και διανέμεται ισομερώς μεταξύ όλων των θυρών εξόδου, στις οποίες εμφανίζεται ακριβώς στο ίδιο μήκος κύματος. Για παράδειγμα το Σχήμα 1.12 απεικονίζει τον τρόπο με τον οποίο ένα σήμα στο μήκος κύματος από την ίνα εισόδου 1 και ένα άλλο στο μήκος κύματος λ 4 από την ίνα εισόδου 4 εκπέμπονται σε όλες τις ίνες

ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ 45 Κόμβος 1 Κόμβος 2 Tx Tx Rx λ 2 Rx, λ 2,..., λ N λ N Οπτικός N x N Συζεύκτης Αστέρα, λ 2,..., λ N. Κόμβος N, λ 2,..., λ N Tx... Rx Tx: Μεταδότης (σταθερά συντονισμένος) Rx: Αποδέκτης (μεταβλητός) Σχήμα 1.11 Παράδειγμα ενός δικτύου WDM εκπομπής-και-επιλογής με τοπολογία αστέρα με Ν κόμβους. Κάθε κόμβος έχει ένα μεταδότη σταθερά συντονισμένο σε ένα από τα Ν διαθέσιμα μήκη κύματος και ένα μεταβλητό αποδέκτη. Ίνα Εισόδου 1 Ίνα Εξόδου 1 Ίνα Εισόδου 2 λ1,..., λ 4 Ίνα Εξόδου 2 λ 2,..., λ 4 Ίνα Εισόδου 3 Ίνα Εξόδου 3 λ 3 Ίνα Εισόδου 4 λ 4 λ 4 λ 4 λ 4 λ 4,..., λ 4 Ίνα Εξόδου 4,..., λ 4 Παθητικός Συζεύκτης Αστέρας Σχήμα 1.12 Η λειτουργία ενός 4 4 παθητικού συζεύκτη αστέρα [24]. ( 2000 IEEE)

46 ΕΙΣΑΓΩΓΗ εξόδου. Να σημειωθεί ότι οι υπόλοιπες εκπομπές, δηλαδή αυτές μέσω των ινών εισόδου 2 και 3, παριστάνονται με διακεκομμένες γραμμές για να διατηρηθεί κάπως η ευκρίνεια του σχήματος. Ας επιστρέψουμε στο WDM δίκτυο εκπομπής-και-επιλογής του Σχήματος 1.11. Στο δίκτυο αυτό, που παρεμπιπτόντως είναι αρκετά αντιπροσωπευτικό παράδειγμα της συγκεκριμένης κατηγορίας, κάθε κόμβος i (i = 1,..., Ν) χρησιμοποιεί το μεταδότη του (Tx) για να μεταδώσει ένα σήμα σε ένα ξεχωριστό μήκος κύματος λ i το οποίο θεωρείται ότι του ανατίθεται από την αρχή για αποκλειστική χρήση (γενικά λοιπόν ο μεταδότης Tx του κόμβου i είναι σταθερά συντονισμένος στο μήκος κύματος λ i ). Ο οπτικός N N συζεύκτης αστέρα που βρίσκεται στο κέντρο του δικτύου του Σχήματος 1.11 συνδυάζει τα σήματα τα οποία λαμβάνει από κάθε κόμβο μέσω των ινών αποστολής (βέλη προς το συζεύκτη στο σχήμα) και στέλνει πίσω σε καθένα από τους κόμβους το αποτέλεσμα (τη μίξη των σημάτων) μέσω των οπτικών ινών λήψης (βέλη προς τους κόμβους στο σχήμα). Ο τρόπος που λειτουργεί ο συζεύκτης εξηγεί τον όρο εκπομπή (broadcast) στην ονομασία των δικτύων αυτής της κατηγορίας και γενικώς σε κάθε άλλο δίκτυο με αρχιτεκτονική εκπομπής: το δίκτυο εκπέμπει τα σήματα που λαμβάνει από κάθε κόμβο σε όλους τους κόμβους. Στη συνέχεια, κάθε κόμβος πρέπει να χρησιμοποιήσει τον οπτικό αποδέκτη του (Rx στο σχήμα), ο οποίος θεωρείται ότι είναι ένα συντονιζόμενο φίλτρο, για να επιλέξει (select) το μήκος κύματος που του αντιστοιχεί. Έτσι λοιπόν εξηγείται πως προέκυψε ο όρος δίκτυα «εκπομπής-και-επιλογής» (broadcast-and-select). Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα αυτής της κλάσης δικτύων είναι ότι μπορούν εύκολα να υποστηρίξουν μεταδόσεις πολυεκπομπής (multicast, ένας προς πολλούς) εκτός από τις συνήθεις απλές μεταδόσεις (unicast, ένας προς έναν). Οι αντίστοιχες υπηρεσίες α- πεικονίζονται και στο Σχήμα 1.13. Οι υπηρεσίες multicast υποστηρίζονται με άμεσο τρόπο αν απλώς όλοι οι κόμβοι-προορισμοί μιας πολυεκπομπής που γίνεται σε κάποιο μήκος κύματος συντονίσουν τους αποδέκτες τους σε αυτό το μήκος κύματος. Πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι στα δίκτυα εκπομπής-και-επιλογής, δυο σταθμοί που θέλουν να στείλουν οπτικά σήματα την ίδια χρονική στιγμή πρέπει να διαλέξουν διαφορετικά μήκη κύματος (κανάλια) για να μεταδώσουν. Αυτός ο περιορισμός ονομάζεται περιορισμός ανάθεσης διακριτού καναλιού και αποτελεί χαρακτηριστικό στοιχείο της αρχιτεκτονικής εκπομπής-και-επιλογής. Σε διαφορετική περίπτωση λέμε ότι συμβαίνει μια σύγκρουση (collision), που σημαίνει ότι το ένα σήμα παρεμβάλλεται στο άλλο και η πληροφορία φτάνει αλλοιωμένη, και συνεπώς άχρηστη, στους αποδέκτες. Προφανώς τέτοιου είδους συγκρούσεις είναι ανεπιθύμητες και θα ήταν καλό να αποφεύγονται. Στα δίκτυα εκπομπής-και-επιλογής τα διαθέσιμα μήκη κύματος (κανάλια) αποτελούν έναν πόρο που πρέπει να διαμοιραστεί μεταξύ των διαφόρων κόμβων, δηλαδή των χρηστών του δικτύου. Κάθε όμως διαμοιραζόμενος πόρος απαιτεί ένα σύνολο κανόνων (πρωτόκολλο στην περίπτωσή μας), το οποίο έχει τη δυνατότητα να παρέχει συντονισμό μεταξύ των επίδοξων χρηστών του και να καθορίζει τους τρόπους χρήσης του. Τα πρωτόκολλα είναι λοιπόν απαραίτητα και στα δίκτυα εκπομπής-και-επιλογής,

ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ 47 Unicast (απλή μετάδοση) Multicast (πολυεκπομπή) Σχήμα 1.13 Υπηρεσίες unicast (απλής μετάδοσης) και multicast (πολυεκπομπής) που προσφέρονται από ένα WDM δίκτυο εκπομπής-και-επιλογής. και μάλιστα είναι αρκετά σύνηθες να προσπαθούν να εμποδίσουν την εμφάνιση συγκρούσεων, με στόχο την επίτευξη αποδοτικότερης χρησιμοποίησης του διαμοιραζόμενου μέσου. Εκτός του περιορισμού ανάθεσης διακριτών καναλιών, υπάρχει και ένας ακόμη περιορισμός που συνδέεται με την κατηγορία οπτικών δικτύων υπό εξέταση και έχει να κάνει με το μέγεθος του Ν (πλήθος κόμβων δικτύου). Μια συνέπεια της χρήσης οπτικού N N παθητικού συζεύκτη αστέρα, είναι ότι μόνο ένα κλάσμα της ισχύος των σημάτων τα οποία φτάνουν στις θύρες εισόδου του συζεύκτη παραδίδεται τελικά στις θύρες εξόδου του. Συγκεκριμένα, εάν υποθέσουμε ότι και οι N κόμβοι μεταδίδουν την ίδια χρονική στιγμή χρησιμοποιώντας τα μήκη κύματος που τους έχουν ανατεθεί, ο συζεύκτης γενικά θα παραδώσει στις θύρες εξόδου του μόνο το 1/Ν της ισχύος κάθε σήματος που φτάνει στις εισόδους του. Για το λόγο αυτό η αρχιτεκτονική εκπομπήςκαι-επιλογής είναι κατάλληλη μόνο για τοπικά και μητροπολιτικά δίκτυα (LANs και MANs) όπου το Ν κατά κανόνα δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλο. Προφανώς, δε θα ήταν δυνατό να έχουμε μόνο ένα συζεύκτη αστέρα και χιλιάδες ή εκατομμύρια χρήστες συνδεδεμένους σε αυτόν, όπως θα απαιτούνταν στην περίπτωση δικτύων ευρείας περιοχής (WANs), καθώς η ισχύς των σημάτων στις εξόδους του συζεύκτη θα ήταν πολύ μικρή (1/Ν, για Ν πολύ μεγάλο). Τέλος, αξίζει να κάνουμε άλλη μια παρατήρηση σχετικά με τον αριθμό των καναλιών και τον εξοπλισμό (σε μεταδότες και αποδέκτες) των κόμβων για τα δίκτυα αυτής της κατηγορίας. Παρατηρούμε πως ο συνολικός αριθμός των διαθέσιμων μηκών κύματος στο δίκτυο του Σχήματος 1.11 είναι ίσος με τον αριθμό των κόμβων (Ν) και ότι κάθε κόμβος έχει ακριβώς ένα μεταδότη και έναν αποδέκτη, με τις ιδιότητες που περιγράφηκαν παραπάνω. Πρέπει να τονίσουμε όμως ότι στη γενική περίπτωση ενός δι-

48 ΕΙΣΑΓΩΓΗ κτύου εκπομπής-και-επιλογής ο συνολικός αριθμός των κόμβων μπορεί να είναι μεγαλύτερος από αυτόν των μηκών κύματος και, επίσης, κάθε κόμβος μπορεί να έχει πολλαπλούς μεταδότες ή/και αποδέκτες, οι οποίοι μπορεί να είναι σταθερά συντονισμένοι ή μεταβλητοί. Επιπλέον, το δίκτυο δεν είναι απαραίτητο να έχει τοπολογία αστέρα. Περισσότερες λεπτομέρειες για τις τοπολογίες, τους πομποδέκτες και άλλα ενδιαφέροντα θέματα των WDM δικτύων εκπομπής-και-επιλογής παρατίθενται στο τέλος αυτού του κεφαλαίου, όπου αυτή η ενδιαφέρουσα κατηγορία WDM δικτύων εξετάζεται σε μεγαλύτερο βάθος. 1.5.3 WDM ΔΙΚΤΥΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ & ΖΩΝΗΣ ΜΗΚΩΝ ΚΥΜΑΤΟΣ Στην αρχή της ενότητας περί οπτικών δικτύων αναφέραμε ότι η ιδέα-κλειδί για να προχωρήσουμε σε πραγματική οπτική δικτύωση είναι να έχουμε μεταφορά τμήματος των λειτουργιών δρομολόγησης (routing) και μεταγωγής (switching) καθώς και της γενικότερης ευφυΐας του δικτύου στο οπτικό πεδίο. Το κύριο τμήμα αυτής της μεταφοράς υλοποιείται στα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος (wavelength routing networks). Οι WDM σύνδεσμοι από-σημείο-σε-σημείο που εξετάσαμε είναι ουσιαστικά απλώς ένα πρώτο βήμα προς τη σταδιακή διείσδυση της αρχιτεκτονικής δρομολόγησης μήκους κύματος στο δίκτυο, ενώ τα δίκτυα εκπομπής-και-επιλογής είναι μάλλον στατικά στη φύση τους και δεν προσφέρουν δυνατότητα κλιμάκωσης σε μεγάλα μεγέθη (scalability). Η αρχιτεκτονική των WDM δικτύων δρομολόγησης μήκους κύματος εμφανίζεται σαν μια πιο γενική και λιγότερο στατική πρόταση που στοχεύει να βρει ως πεδίο εφαρμογής κυρίως το τμήμα κορμού (backbone) του δικτύου, το οποίο μπορεί να καλύπτει πολύ ευρείες περιοχές, π.χ. μια χώρα ή ακόμη και ένα μεγάλο τμήμα της υ- φηλίου. Έτσι, μια πιθανή μορφή που μπορεί να λάβει το συνολικό δίκτυο στο μέλλον είναι ένας συνδυασμός τοπικών οπτικών WDM δικτύων εκπομπής-και-επιλογής συνδεδεμένων μεταξύ τους μέσω οπτικού δικτύου δρομολόγησης μήκους κύματος (ενώ φυσικά δεν αποκλείονται και άλλες καθιερωμένες τεχνολογίες για τα τοπικά δίκτυα). Ένα βασικό σημείο υπεροχής των δικτύων δρομολόγησης μήκους κύματος έναντι αυτών της εκπομπής-και-επιλογής είναι το γεγονός ότι υποστηρίζουν επαναχρησιμοποίηση μηκών κύματος σε διαφορετικά μέρη του δικτύου. Αυτό δεν ισχύει για τα δίκτυα εκπομπής-και-επιλογής, όπως αυτό του Σχήματος 1.11. Ας υποθέσουμε για παράδειγμα ότι ο κόμβος 2 στο Σχήμα 1.11 μεταδίδει δεδομένα στο μήκος κύματος λ 2 προς τον κόμβο 1 και ο κόμβος Ν θέλει να επικοινωνήσει με έναν άλλο κόμβο (εκτός των κόμβων 1 και 2). Ο κόμβος Ν έχει τον περιορισμό να μη χρησιμοποιήσει γι αυτό το σκοπό το μήκος κύματος λ 2 στο οποίο έγινε η αρχική μετάδοση, παρά το ότι μια τέτοια επικοινωνία αφορά ένα άλλο τμήμα του δικτύου (οι κόμβοι 1 και 2 δεν έ- χουν καμιά σχέση). Αυτό οφείλεται στην εκπομπή (broadcast) των σημάτων που γίνεται μέσω του συζεύκτη αστέρα προς κάθε κόμβο, την οποία και εξηγήσαμε στην προηγούμενη ενότητα. Συγκεκριμένα, αν ο κόμβος Ν μετέδιδε επίσης στο κανάλι λ 2, τα δεδομένα του θα εκπέμπονταν σε όλους τους άλλους κόμβους, συμπεριλαμβανομένου

ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ 49 και του κόμβου 1, ο οποίος εκείνη τη στιγμή θα λάμβανε ακόμη δεδομένα στο ίδιο κανάλι από τον κόμβο 2. Αντιθέτως, όπως σημειώσαμε και θα δούμε παρακάτω, η επαναχρησιμοποίηση μηκών κύματος είναι εφικτή στα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος. Στη βάση αυτής της ιδιότητας επιτυγχάνεται η κλιμάκωση των δικτύων αυτών σε μεγάλους αριθμούς χρηστών που εξυπηρετούνται από σχετικά λίγα κανάλια (περίπου 160 ανά οπτική ίνα). Προτού μπούμε στις λεπτομέρειες των δικτυακών στοιχείων που συνιστούν ένα δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος, ας εξετάσουμε πώς λειτουργεί ένα τέτοιο δίκτυο και τι είδους υπηρεσίες μπορεί να προσφέρει στους χρήστες του. Γι αυτό το σκοπό ας θεωρήσουμε το Σχήμα 1.14 (α) που απεικονίζει ένα παράδειγμα μικρού δικτύου δρομολόγησης μήκους κύματος με τοπολογία πλέγματος. Πέντε ενδιάμεσοι κόμβοι (δρομολόγησης μήκους κύματος) αναπαρίστανται σχηματικά με κύκλους στο σχήμα και αριθμούνται από το 1 έως το 5. Αυτοί συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας μια απλή φυσική τοπολογία πλέγματος και, επίσης, κάθε ένας από αυτούς συνδέεται με έναν από πέντε τελικούς κόμβους που συμβολίζονται με ορθογώνια, από Α έως και Ε, όπου ο ενδιάμεσος κόμβος 1 συνδέεται με τον τελικό κόμβο Α κ.ο.κ. Να σημειωθεί εδώ ότι στη γενική περίπτωση δικτύου αυτής της κατηγορίας, μερικοί ενδιάμεσοι κόμβοι δρομολόγησης μήκους κύματος μπορεί να μη συνδέονται με κανέναν τελικό κόμβο. Οι τελικοί κόμβοι είναι οι πηγές (αποστολείς) και οι προορισμοί (παραλήπτες) της κίνησης δεδομένων που μεταφέρεται στο δίκτυο. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι αποτελούν ένα αμιγώς οπτικό δίκτυο (all-optical network) αφού η κίνηση παραμένει συνεχώς σε οπτική μορφή σε όλη την έκτασή του και απλώς μετατρέπεται σε ηλεκτρονική μορφή μόνο στα άκρα (στους τελικούς κόμβους). Έτσι, είναι απαραίτητο κάθε τελικός κόμβος να είναι εξοπλισμένος με οπτικούς μεταδότες και αποδέκτες, οι οποίοι του επιτρέπουν να μετατρέπει, πρώτον, τα ηλεκτρονικά δεδομένα που παράγει σε οπτική μορφή πριν τη μετάδοσή τους στον επιθυμητό προορισμό (μέσω του ενδιάμεσου κόμβου με τον οποίο συνδέεται) και, δεύτερον, τα οπτικά δεδομένα που λαμβάνει από το γειτονικό ενδιάμεσο κόμβο σε ηλεκτρονική μορφή προκειμένου να τα επεξεργαστεί. Θα πρέπει να παρατηρήσουμε ότι ένα τέτοιο αμιγώς οπτικό δίκτυο (πλην των τελικών κόμβων) δεν είναι εφικτό στην πράξη για μεγάλες εκτάσεις. Στην πραγματικότητα κάποιες οπτοηλεκτρονικές μετατροπές μπορεί να απαιτούνται και να διεξάγονται π.χ. μέσα σε ηλεκτρονικούς αναγεννητές σήματος (electronic regenerators) μετά από μεγάλες αποστάσεις διάδοσης. Έτσι, είναι πιο σύνηθες στην πράξη να έχουμε κάποιες νησίδες αμιγώς οπτικών υποδικτύων που διασυνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν το συνολικό δίκτυο. Αυτό συχνά χαρακτηρίζεται ως ένα αδιαφανές δίκτυο (opaque network), εξαιτίας της απώλειας της διαφάνειας δεδομένων από τη χρήση ηλεκτρονικής τεχνολογίας στα σύνορα-συνδέσμους των αμιγώς οπτικών νησίδων-υποδικτύων του συνολικού αδιαφανούς δικτύου. Το δίκτυο του Σχήματος 1.14 (α) θα μπορούσε για μεγαλύτερη ακρίβεια να θεωρηθεί ως μια τέτοια νησίδα-υποδίκτυο κάποιου μεγαλύτερου αδιαφανούς δικτύου.