Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Πανταζή Κωνσταντίνου του Μιχαήλ Αριθμός Μητρώου: 6049 Θέμα Ανάλυση και αποτίμηση απόδοσης αμιγώς οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών Επιβλέπων ΜΙΧΑΗΛ ΛΟΓΟΘΕΤΗΣ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάιος 2011

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Ανάλυση και αποτίμηση απόδοσης αμιγώς οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΝΤΑΖΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ του ΜΙΧΑΗΛ Αριθμός Μητρώου: 6049 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 10/5/2011 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Μ. Λογοθέτης Ν. Φακωτάκης Καθηγητής Καθηγητής

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Ανάλυση και αποτίμηση απόδοσης αμιγώς οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών Φοιτητής: ΠΑΝΤΑΖΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Επιβλέπων: ΛΟΓΟΘΕΤΗΣ ΜΙΧΑΗΛ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και αξιολόγηση της απόδοσης των οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών με την μέθοδο της προσέγγισης μειωμένου φορτίου. Η μέθοδος αυτή είναι αρκετά ευέλικτη για να προσαρμοστεί σε ένα οπτικό δίκτυο μεταγωγής οπτικών ριπών το οποίο υιοθετεί 4 διαφορετικά είδη πολιτικών και οι οποίες είναι η JET, η κατάτμηση ριπής, όπως επίσης και δυο πολιτικές προτεραιοτήτων. Η ακρίβεια της μεθόδου επιβεβαιώνεται από την προσομοίωση και τέλος οι διάφορες πολιτικές συγκρίνονται μεταξύ τους. Το πρώτο κεφάλαιο αυτής της εργασίας έχει αφιερωθεί στο να εισάγει τον αναγνώστη σε βασικές έννοιες σχετικά με τις οπτικές ίνες και τα οπτικά δίκτυα από την πρώτη έως την τρίτη γενιά. Αναφέρεται στα τρία είδη οπτικής μεταγωγής που υπάρχουν και ακολούθως γίνεται μια σύγκριση αυτών των τεχνολογιών οπτικής μεταγωγής. Στο δεύτερο κεφάλαιο αυτής της εργασίας, γίνεται μια πιο ενδελεχής ανάλυση των δικτύων δρομολόγησης με οπτικές ριπές και παρουσιάζονται όλοι οι απαραίτητοι μηχανισμοί για την ύπαρξη και άρτια λειτουργία αυτών των δικτύων. Αναλυτικότερα, παρέχονται πληροφορίες για την επίλυση θεμάτων ανταγωνισμού και την σηματοδοσία την συναρμολόγηση των ριπών. Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση της μεθόδου προσέγγισης μειωμένου φορτίου για κλασσικά τηλεφωνικά δίκτυα. Σκοπός είναι να αναλυθεί εκτενώς ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος αυτή σε οπτικά δίκτυα μεταγωγής οπτικών ριπών και τι απαραίτητες αλλαγές πρέπει να γίνουν για την κάθε πολιτική που εφαρμόζεται ξεχωριστά. Παράλληλα, για κάθε πολιτική παρέχονται πίνακες με αποτελέσματα όπως και γραφήματα για να γίνουν πιο κατανοητά τα αποτελέσματα της μεθόδου. Έπειτα, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας όπως και διάφορες προτάσεις για το πώς μπορεί να αξιοποιηθεί η κάθε πολιτική με τον καλύτερο τρόπο. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται οι κώδικες των αναλυτικών μοντέλων για κάθε μια από τις πολιτικές που χρησιμοποιήθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού C, έτσι ώστε αν θέλει ο αναγνώστης να έρθει σε επαφή και με το προγραμματιστικό περιβάλλον του δικτύου που υλοποιήθηκε. 1

SYNOPSIS The subject of this Diploma Thesis is the analysis and evaluation of the performance of Optical Burst Switching Networks by using the method of reduced load approximation. This method is flexible enough to be adjusted to the type of networks mentioned above which normally adopt four different kinds of policies, like the JET policy, the burst segmentation policy and also two policies of priorities. Thus, the main goal of this project is the confirmation of the accuracy of this method by performing the necessary simulations in order to compare these different policies. The first chapter of the project is dedicated to the task of making the reader familiar with the basic elements of the science of optical fibers and optical networks in general, all the way from the very first generation of them to the third one that is widely used at present. During this chapter, the three types of optical switching networks are described. These types are further examined next, during the second chapter, where a thorough analysis of network routing with optical bursts is performed. In addition, all the necessary mechanisms for the existence and wellfunctioning of these networks are presented. Specifically, a wide range of information related to the solving of competition issues and signaling for the assembly of the bursts, is given. Then, during the third chapter, the method of reduced load approximation is presented for the classic telephony networks. This method can be used in optical burst switching networks, and different variations of it are used, according to each separate policy that is followed. Result tables accompanied by the appropriate charts are supplied in order to clarify the results of this method. Next, the results of this Diploma Thesis are aggregated and accompanied by proposals about reclaiming each policy the best way. In the last chapter, the programming codes of each analytical model of these four optical networks policies, expressed in the programming language C, are supplied, giving the reader the chance to get in touch with the programming environment that was used in order to derive the optical network that was simulated. 2

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ενσύρματης Τηλεπικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή κ. Λογοθέτη Μιχαήλ, που μου έδωσε την ευκαιρία της εκπόνησης της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας, μέσω της οποίας μου δόθηκε η δυνατότητα να ασχοληθώ διεξοδικά με ένα ως τότε άγνωστο για μένα πεδίο γνώσης, που όμως αποδείχθηκε εξαιρετικά ενδιαφέρον. Αναγνωρίζοντας παράλληλα την πολύτιμη συνεργασία και ενασχόλησή του με την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας μου, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον μεταπτυχιακό φοιτητή Βαρδάκα Ιωάννη. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου, που με την υλική αλλά κυρίως με την ηθική τους υποστήριξη, βοήθησαν στην αντιμετώπιση κάθε προβλήματος κατά τη διάρκεια της φοίτησής μου. 3

Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 1 SYNOPSIS... 2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 3 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 7 1.1 Οπτικά Δίκτυα... 8 1.1.1 Βασικές Έννοιες Οπτικών Ινών... 8 1.2 Οπτική πολυπλεξία... 10 1.2.1 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος - WDM... 10 1.2.2 Μετατροπή μήκους κύματος... 11 1.2.3 Από την 1 η στην 3 η γενιά οπτικών δικτύων... 13 1.3 Μεταγωγή στα οπτικά δίκτυα... 15 1.3.1 Μεταγωγή Οπτικού Κυκλώματος... 16 1.3.2 Μεταγωγή Οπτικών Πακέτων... 19 1.3.3 Μεταγωγή Οπτικών Ριπών... 24 2 Δίκτυα δρομολόγησης με οπτικές ριπές (OBS)... 29 2.1 Συναρμολόγηση ριπής (Burst assembly)... 29 2.1.1 Επιλογή του timer και του threshold.... 29 2.1.2 QoS (Quality of Service) περιορισμοί... 31 2.2 Επίλυση του ανταγωνισμού (Contention resolution)... 32 2.2.1 Οπτική αποθήκευση (Optical buffering)... 32 2.2.2 Μετατροπή μήκους κύματος (Wavelength conversion)... 33 2.2.3 Δρομολόγηση με εκτροπή (Deflection Routing)... 35 2.2.4 Κατάτμηση ριπής (Burst segmentation)... 36 2.2.5 Κατάτμηση με εκτροπή (Segmentation with Deflection)... 40 2.3 Σηματοδοσία (Signaling)... 44 2.3.1 Κατεύθυνση (Direction)... 44 2.3.2 Αρχικοποίηση (Initiation)... 46 2.3.3 Πόροι (Resource)... 47 2.3.4 Δέσμευση... 47 2.3.5 Απελευθέρωση (Release)... 47 2.3.6 Υπολογισμός (Computation)... 48 2.3.7 JET (Just-Enough-Time) one-way... 48 2.3.8 TAG (Tell-and-Go) one-way... 49 2.3.9 JIT (Just-in-Time) one-way... 49 4

2.3.10 Γενικά... 50 2.3.11 TAW (Tell-and-Wait) two-way... 50 2.3.12 Σύγκριση TAW-JET τεχνικών... 51 2.3.13 INI (Intermediate Node Initiated)... 51 3 Πιθανότητα απωλειών ενός OBS δικτύου χρησιμοποιώντας την προσεγγιστική μέθοδο μειωμένου φορτίου.... 53 3.1 Εισαγωγή... 53 3.2 Ανάλυση της προσεγγιστικής μεθόδου μειωμένου φορτίου για ένα κλασικό τηλεφωνικό δίκτυο... 53 3.3 Ανάλυση της προσεγγιστικής μεθόδου μειωμένου φορτίου για ένα OBS δίκτυο 55 3.4 Παράδειγμα... 58 3.4.1 JET πολιτική... 60 3.4.2 Πολιτική κατάτμησης ριπής... 67 3.4.3 Πολιτική με προτεραιότητες... 78 3.5 Συμπεράσματα... 83 4 Παράρτημα... 85 4.1 JET αναλυτικό μοντέλο στην γλώσσα C... 85 4.2 SEGMENTATION αναλυτικό μοντέλο στην γλώσσα C... 89 4.3 MTHF και LRHF αναλυτικό μοντέλο στην γλώσσα C.... 92 5 Βιβλιογραφία... 97 Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1.1 Πλευρική όψη οπτικής ίνας... 9 Σχήμα 1.2 Ανάκλαση οπτικής ίνας... 9 Σχήμα 1.3 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος: a) Χωρίς Μετατροπή, b) Σταθερή Μετατροπή, c) Περιορισμένη Μετατροπή, d)πλήρης Μετατροπή μηκών κύματος... 13 Σχήμα 1.4 Ένα WDM σύστημα μετάδοσης σημείου-προς-σημείο με 4 κανάλια και οπτικούς ενισχυτές.... 14 Σχήμα 1.5 Οπτικός διακόπτης 4 μηκών κύματος με δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος.... 16 Σχήμα 1.6 Ένα οπτικό WDM δίκτυο με εγκατεστημένα lightpaths.... 17 Σχήμα 1.7 Σχηματική αναπαράσταση αμιγώς οπτικού OBS δικτύου... 26 Σχήμα 2.1 Επίδραση του φορτίου σε συνδυαστικές τεχνικές timer-based και threshold-based... 31 Σχήμα 2.2 Ανάλυση ενός segment header... 36 5

Σχήμα 2.3 Επιλεκτική απόρριψη τμημάτων για δυο αντιμαχόμενες ριπές... 37 Σχήμα 2.4 Λειτουργία trailer packet.... 39 Σχήμα 2.5 Αναποτελεσματική λειτουργία trailer packet... 40 Σχήμα 2.6 Κατάτμηση με εκτροπή για δυο αντιμαχόμενες ριπές... 42 Σχήμα 2.7 Το πλαίσιο τεχνικών σηματοδοσίας... 45 Σχήμα 2.8 Αναλυτικό παράδειγμα για την κατανόηση των reservations και των releases... 48 Σχήμα 2.9 Σύγκριση α) JET και β) JIT σηματοδοσίας... 50 Σχήμα 3.1 Το δίκτυο κορμού NSFNET (T3, 45 Mb/s, April 1995)... 59 Σχήμα 3.2 Αποτελέσματα ανάλυσης και προσομοίωσης της μέσης τιμής των απωλειών των διαδρομών του δικτύου υπό την πολιτική JET.... 61 Σχήμα 3.3 Ουρά M/G/... 69 Σχήμα 3.4 Αποτελέσματα ανάλυσης και προσομοίωσης της μέσης τιμής των απωλειών των διαδρομών του δικτύου υπό την πολιτική SEGMENTATION.... 78 Σχήμα 3.5 Αποτελέσματα ανάλυσης της μέσης τιμής των απωλειών των διαδρομών του δικτύου υπό την πολιτική JET-SEGMENTATION-MTHF-LRHF... 83 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1.1 Σύγκριση των τεχνολογιών οπτικής μεταγωγής... 25 Πίνακας 2.1 Σύγκριση των τεχνικών σηματοδοσίας... 52 Πίνακας 3.1 Διαδρομές... 59 Πίνακας 3.2 Αποτελέσματα JET... 60 Πίνακας 3.3 Αποτελέσματα Segmentation... 71 Πίνακας 3.4 Αποτελέσματα MTHF... 82 Πίνακας 3.5 Αποτελέσματα LRHF... 82 6

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι εξελίξεις που σημειώνονται τα τελευταία χρόνια στον τομέα των τηλεπικοινωνιών και των δικτύων υπολογιστών είναι ραγδαίες. Η σύγκλιση των τεχνολογιών της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών, έβαλε τις βάσεις για προηγμένες και καινοτόμες εφαρμογές και συνεχίζει να διαμορφώνει νέες συνθήκες στο διαρκώς μεταβαλλόμενο κοινωνικό και οικονομικό περιβάλλον, με τα δίκτυα οπτικών ινών να πρωταγωνιστούν, καταγράφοντας την πιο δυναμική παρουσία στο χώρο των τηλεπικοινωνιακών υποδομών, που μέλλει να αλλάξει τον τρόπο επικοινωνίας, ψυχαγωγίας και πραγματοποίησης συναλλαγών. Ιδιαίτερα στις μέρες μας, όπου οι επικοινωνίες δεδομένων αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι των καθημερινών επιχειρησιακών διαδικασιών και οι σύγχρονοι οργανισμοί καλούνται να παρέχουν πρωτοποριακές λύσεις και αξιόπιστες υπηρεσίες σε ένα έντονα ανταγωνιστικό περιβάλλον, όπου οι συνθήκες στις οποίες δραστηριοποιούνται, τόσο στην ελληνική όσο και στη διεθνή αγορά, μεταβάλλονται ταχύτατα, η ανάγκη διαρκούς ευθυγράμμισης με τις τεχνολογικές εξελίξεις αυξάνεται διαρκώς. Τα δίκτυα οπτικών ινών, που περιλαμβάνονται στα δίκτυα δεδομένων τελευταίας γενιάς, χαρακτηρίζονται από ικανότητα μεταφοράς τεράστιας ποσότητας δεδομένων με υψηλή ταχύτητα, σε μεγάλες αποστάσεις, με μικρότερο ταυτόχρονα κόστος, συγκρινόμενα με αντίστοιχα δίκτυα παραδοσιακών χάλκινων καλωδίων. Τα δίκτυα αυτά προκάλεσαν ουσιαστικά την μετάβαση της τεχνολογίας των επικοινωνιών από το χώρο των ηλεκτρονίων στο χώρο των φωτονίων. Η μεταφορά φωτονίων στα οπτικά δίκτυα, αντί της μεταφοράς ηλεκτρονίων στα καλώδια χαλκού και συνακόλουθα τα χαρακτηριστικά που τα διαφοροποιούν είναι οι παράμετροι στις οποίες εδράζεται το τεχνολογικό αυτό επίτευγμα. 7

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου 1.1 Οπτικά Δίκτυα Ανατρέχοντας στην ιστορική εξέλιξη της τεχνολογίας του καλωδίου οπτικής ίνας, πρέπει να αναφερθούμε στην οπτική γυάλινη ίνα, που χρησιμοποιείται από τα οπτικά δίκτυα και βασίζεται στην αρχή της καθολικής εσωτερικής ανάκλασης, γνωστή από τη δεκαετία του 1850. Οι Kao και Hockham το 1966, την χρησιμοποίησαν πρώτη φορά για επικοινωνίες, ενώ από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 εισβάλλει στον χώρο των δικτύων τηλεπικοινωνίας, καθώς είναι πιο συμφέρουσα οικονομικά λύση, σε σχέση με τα μέχρι τότε ισχύοντα. Γύρω στα τέλη του 1980 και αρχές της δεκαετίας του 1990 λανσάρονται τα πρώτα οπτικά δίκτυα, χρησιμοποιώντας την οπτική ίνα, αντί του καλωδίου χαλκού αποσκοπώντας στην επίτευξη υψηλών ταχυτήτων μεταφοράς δεδομένων καθώς και σε καλύτερη ποιότητα δικτύων, σε σχέση με τα παραδοσιακά. Η υψηλή διείσδυση της τεχνολογίας των οπτικών ινών στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες δεν είναι τυχαία, αλλά αντίθετα οφείλεται στον μεγάλο αριθμό πλεονεκτημάτων της. 1.1.1 Βασικές Έννοιες Οπτικών Ινών Μια βασική αρχή των οπτικών δικτύων είναι η μετατροπή των δεδομένων σε bits φωτός (φωτόνια) και εν συνεχεία η μετάδοσή τους μέσω οπτικών ινών [1]. Η οπτική ίνα αποτελείται από τρία μέρη: 1. Την κεντρική γυάλινη κυλινδρική ίνα, που ονομάζεται πυρήνας και είναι το τμήμα στο οποίο διαδίδεται το φως. 2. Την επικάλυψη (απλή ή πολλαπλή), που είναι ένας ομόκεντρος με τον πυρήνα γυάλινος κύλινδρος. Έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα και ονομάζεται μανδύας 3. Το περίβλημα, που είναι ένα αδιαφανές πλαστικό, που προστατεύει το γυαλί. Η αναλογία των δεικτών διάθλασης της εξωτερικής επένδυσης και του πυρήνα προσδιορίζει μια σημαντική γωνία, γνωστή ως θ c. Η καθολική εσωτερική ανάκλαση, σύμφωνα με την οποία όταν μία ακτίνα φωτός από τον πυρήνα πλησιάζει στην επιφάνεια πυρήνα-επένδυσης με γωνία μικρότερη από θ c, η ακτίνα ανακλάται πλήρως πίσω στον πυρήνα, αποτελεί βασική αρχή λειτουργίας της οπτικής ίνας. 8

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου Σχήμα 1.1 Πλευρική όψη οπτικής ίνας Σχήμα 1.2 Ανάκλαση οπτικής ίνας. Οι οπτικές ίνες είναι μικρής απαίτησης σε ενέργεια, εφόσον η εξασθένηση του σήματος μέσα στην οπτική ίνα είναι μηδενική. Χαμηλού κόστους καθώς το γυαλί, από το οποίο αποτελείται η οπτική ίνα, είναι φθηνή πρώτη ύλη. Παρέχουν μεγαλύτερη ασφάλεια από υποκλοπές σε σύγκριση με άλλα μέσα μετάδοσης, επειδή οι οπτικές ίνες δεν παρουσιάζουν διαρροές φωτός. Επιπλέον ένας δίαυλος οπτικής ίνας προσφέρει εύρος ζώνης μετάδοσης αρκετών ΤHz σε μήκη κύματος στα 1.30 και 1.55 μm για χαμηλότερο ποσοστό εξασθένησης και χωρητικότητα έως και 1000 φορές μεγαλύτερη από αυτή των παραδοσιακών μέσων μετάδοσης [2]. Διακρίνουμε δυο είδη οπτικών ινών: τις μονοτροπικές και τις πολυτροπικές ίνες. Στις μονοτροπικές ίνες, ο πυρήνας κατασκευάζεται με πολύ μικρή διάμετρο, 8 με 10 microns, με αποτέλεσμα η ίνα να δρα σαν κατευθυντής των ακτίνων φωτός και να έχουμε έναν μόνο δυνατό τρόπο μετάδοσης του οπτικού σήματος, τον αξονικό. Οι μονοτροπικές ίνες είναι πιο ακριβείς και μπορούν να μεταδώσουν τα δεδομένα με ταχύτητα πολλών Gbits/second επί εκατοντάδες χιλιόμετρα. 9

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου Στις πολυτροπικές ίνες, όπου ο πυρήνας έχει διάμετρο 50 microns (1 micron=10-6 m), οι διάφορες ακτίνες του οπτικού σήματος ανάλογα με την είσοδο τους στην οπτική ίνα ταξιδεύουν ανακλώμενες υπό διαφορετικές γωνίες η κάθε μία, πάντα μικρότερες από θ c, προκειμένου να ανακλούνται στο εσωτερικό του πυρήνα, και κάθε τέτοια ακτίνα λέγεται ότι έχει διαφορετική κατάσταση. Εξ αιτίας των πολλαπλών αυτών καταστάσεων οι ακτίνες αναγκάζονται να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να περιορίζεται ο μέγιστος εφικτός ρυθμός μετάδοσης. 1.2 Οπτική πολυπλεξία Η θεωρητικά τεράστια χωρητικότητα που μπορεί να προσφέρει ένας δίαυλος οπτικής ίνας, δεν είναι πλήρως εκμεταλλεύσιμη. Η αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των οπτικών ινών περιορίζεται επειδή οι τελικοί σταθμοί εργασίας των οπτικών δικτύων εργάζονται σε πολύ χαμηλότερες ταχύτητες, εξαιτίας της ηλεκτρονικής τεχνολογίας που διαθέτουν (electronic bottleneck). Πρακτικά μόνο ταχύτητες μερικών gigabits ανά δευτερόλεπτο επιτυγχάνονται. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται, με τις τεχνικές οπτικής πολυπλεξίας, οι οποίες παρέχουν τη δυνατότητα μετάδοσης πολλαπλών οπτικών καναλιών μέσα στην ίδια οπτική ίνα. Οι βασικές τεχνικές, μέσω των οποίων επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση στη χωρητικότητα ενός οπτικού δικτύου επικοινωνιών χωρίς την εγκατάσταση νέων οπτικών ινών είναι τρείς: οπτική πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM), οπτική πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (Optical Time Division Multiplexing - OTDM) και η νέα τεχνική οπτικής πολυπλεξίας με διαίρεση κώδικα ( Optical Code Division Multiplexing - OCDM). 1.2.1 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος - WDM Τα οπτικά δίκτυα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM) είναι ο πιο σύγχρονος τύπος οπτικών δικτύων και έχουν ήδη αρχίσει να αξιοποιούνται σαν δίκτυα κορμού, στα οποία απαιτείται η μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων καθώς διαθέτουν τεράστια χωρητικότητα. Επί των ημερών μας, αυτά τα δίκτυα κορμού αποτελούνται κυρίως από αδιαφανή (opaque) WDM δίκτυα, εντός των οποίων το οπτικό σήμα αναγεννιέται σε κάθε κόμβο καθώς 10

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου υφίσταται οπτο-ηλεκρο-οπτική μετατροπή (OEO). Είναι αναγκαία η μείωσης της χρησιμοποίησης των ΟΕΟ μετατροπέων προκειμένου αφ ενός μεν να μειωθεί το κόστος υλοποίησης και λειτουργίας του δικτύου, αφ ετέρου δε να αυξηθεί η χρησιμοποιούμενη χωρητικότητα τους, πράγμα που τείνει στην κατασκευή ημιδιαφανών (translucent), και τελικώς αμιγώς διαφανών (transparent) οπτικών WDM δικτύων. Σε αυτά τα τελευταία δίκτυα το σήμα παραμένει στο οπτικό πεδίο καθώς περνάει από τους ενδιάμεσους κόμβους, σε όλο το μήκος αμιγώς οπτικών καναλιών, που ονομάζονται οπτικά μονοπάτια (lightpaths). Ένα WDM σύστημα επικοινωνίας συνοπτικά αποτελείται από τον πομπό, το μέσο μετάδοσης και τον δέκτη. Η επιτυχής λειτουργία του εξαρτάται κατά ένα μεγάλο βαθμό στα οπτικά στοιχεία που εμπλέκονται. Ο πομπός (transmitter) είναι δυνατό να αποτελείται από έναν ή περισσότερους οπτικούς πομπούς, που μπορούν να καθοριστούν εναλλακτικά σε ένα μόνο μήκος κύματος, ή να ρυθμιστούν σε ένα εύρος από μήκη κύματος. Κάθε οπτικός πομπός αποτελείται από ένα laser και ένα διαμορφωτή laser και για ρυθμιστικούς (tuning) σκοπούς, μπορεί να περιλαμβάνει και ένα οπτικό φίλτρο. Στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται πολλαπλοί οπτικοί πομποί, είναι απαραίτητος ένας πολυπλέκτης ή συζεύκτης προκειμένου να συνδυάζει τα σήματα από τους διαφορετικούς πομπούς laser σε μία οπτική ίνα. Το μέσο μετάδοσης (network medium ή transmission medium) μπορεί να ποικίλει από μία απλή οπτική ίνα, ή ένα συζεύκτη παθητικού αστέρα (passive star coupler) για ένα δίκτυο εκπομπής και επιλογής (broadcast and select), έως ένα δίκτυο από οπτικούς ή ηλεκτρονικούς μεταγωγείς και οπτικές ίνες. Ο δέκτης αποτελείται από ένα ρυθμιζόμενο φίλτρο, που συνοδεύεται από έναν φωτοφωρατή ή έναν αποπολυπλέκτη με συστοιχία από φωτοφωρατές [3], [4]. Απαιτείται όμως η επίλυση ειδικών θεμάτων σε σχέση με τις ιδιαιτερότητες και τη φύση των WDM δικτύων, για την αποδοτική αξιοποίηση της χωρητικότητάς τους. 1.2.2 Μετατροπή μήκους κύματος Η λειτουργία της μετατροπής μήκους κύματος (wavelength conversion) αποτελεί μια βαρύνουσας σημασίας λειτουργία για τα WDM οπτικά δίκτυα. Είναι δυνατόν το οπτικό σήμα αφού φτάσει σε έναν ενδιάμεσο κόμβο με ένα μήκος κύματος i, κατά την έξοδο του από τον κόμβο, να φεύγει με ένα άλλο μήκος κύματος j. Προκειμένου να συμβεί αυτό, ο κόμβος θα πρέπει να είναι εφοδιασμένος με έναν μετατροπέα μήκους κύματος (wavelength conversion) προκειμένου να υποστηρίζει τη μετατροπή 11

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου από το μήκος κύματος i στο μήκος κύματος j. Για την μετατροπή μήκους κύματος παρέχονται διάφορες δυνατότητες (Σχήμα 1.3). Στην πλήρη μετατροπή μήκους κύματος (full wavelength conversion) κάθε μήκος κύματος εισόδου μπορεί να μετατραπεί σε οποιοδήποτε μήκος κύματος εξόδου. Στην περιορισμένη μετατροπή μήκους κύματος (limited wavelength conversion), κάθε μήκος κύματος εισόδου, μπορεί να μετατραπεί σε ένα μόνο υποσύνολο των μηκών κύματος εξόδου. Η σταθερή μετατροπή μήκους κύματος (fixed wavelength conversion), όπου κάθε μήκος κύματος εισόδου μπορεί να μετατραπεί σε ακριβώς ένα άλλο μήκος κύματος, είναι μία ειδική περίπτωση της περιορισμένης μετατροπής. Με τη χρήση της μετατροπής μήκους κύματος αυξάνονται οι επιλογές δρομολόγησης για ένα οπτικό μονοπάτι με αποτέλεσμα να οδηγούμαστε σε μικρότερη πιθανότητα απωλειών (blocking probability), για την εξυπηρέτηση μιας αίτησης σύνδεσης, με την κατάλληλη μετατροπή κύματος σε ένα WDM δίκτυο, ενώ όταν δεν υπάρχει δυνατότητα μετατροπής, το μήκος κύματος εισόδου είναι υποχρεωτικά το ίδιο με το μήκος κύματος εξόδου. Συμπερασματικά, η μετατροπή μήκους κύματος είναι σημαντικός παράγοντας για καλύτερη και αποδοτικότερη χρησιμοποίηση (utilization) των διαθέσιμων μηκών κύματος του δικτύου, δεν μπορούμε όμως να παραβλέψουμε ότι πρόκειται για μία πολύπλοκη και υψηλού κόστους τεχνολογία, η οποία δεν αφήνει μεγάλα περιθώρια κέρδους, ειδικά στην περίπτωση που χρησιμοποιείται πλήρης μετατροπή μήκους κύματος στους κόμβους ενός δικτύου. Αντίθετα η περιορισμένη μετατροπή μήκους κύματος παρέχει τη δυνατότητα να περιοριστεί ο αριθμός των μεταγωγών, να μειωθεί ο αριθμός των wavelength converters, με αποτέλεσμα να μειώνεται και το κόστος της υλοποίησης. [5] 12

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου Σχήμα 1.3 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος: a) Χωρίς Μετατροπή, b) Σταθερή Μετατροπή, c) Περιορισμένη Μετατροπή, d)πλήρης Μετατροπή μηκών κύματος. 1.2.3 Από την 1 η στην 3 η γενιά οπτικών δικτύων Η εγκατάσταση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων βασισμένων στην πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing-WDM), όπου κάθε κανάλι λειτουργεί σε διαφορετική περιοχή του οπτικού φάσματος αξιοποίησε στην πράξη τα πλεονεκτημάτων της οπτικής τεχνολογίας. Στις πρώτες γενιές οπτικών δικτύων η χρήση αυτής της τεχνολογίας πολύπλεξης δικτύων, επέτρεψε τη μερική μόνο αξιοποίηση του τεράστιου εύρους ζώνης των οπτικών ινών. Η χρήση ηλεκτρονικών μέσων στους κόμβους, όπου λαμβάνουν χώρα λειτουργίες όπως η μεταγωγή (switching), η δρομολόγηση (routing), η μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion), η αναγέννηση οπτικών παλμών (pulse regeneration) και η ανάκτηση ρολογιού (clock recovery) [4], που πραγματοποιούνται στο ηλεκτρονικό επίπεδο, περιορίζει την ταχύτητα μετάδοσης. Αυτή η μετατροπή από την οπτική στην ηλεκτρική περιοχή μειώνει τις δυνατότητες της ίνας σε επίπεδο ρυθμού σφάλματος, ενώ δεν γίνεται πλήρης εκμετάλλευση της χωρητικότητάς, αφού η ταχύτητα επεξεργασίας περιορίζεται από την ύπαρξη ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (electronic bottleneck) [5]. Η οπτοηλεκτρονική μετατροπή των οπτικών σημάτων, επεκτείνεται και στα δεδομένα που περνούν από τον κόμβο, χωρίς να προστίθενται ή να αφαιρούνται δεδομένα στο μήκος κύματός τους, με αποτέλεσμα ένα επιπρόσθετο επίβαρο (overhead). Για την επεξεργασία των δεδομένων χρησιμοποιούνται ψηφιακοί 13

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου κατανεμητές (Digital Cross-Connects-DXCs). Η ταχύτητα μετάδοσης αυτών των δεδομένων μειώνεται επειδή εξαρτάται από την ταχύτητα λειτουργίας των ηλεκτρονικών διατάξεων, που είναι σαφώς μικρότερη από την ταχύτητα λειτουργίας των οπτικών ινών. Στα οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς η οπτική τεχνολογία χρησιμοποιείται μόνο για τη μετάδοση, την ζεύξη δηλαδή μεταξύ δύο κόμβων, πράγμα που έχει σαν αποτέλεσμα φυσικές μόνο ζεύξεις σημείου-προς σημείο (point-to-point). Για να συνδεθούν δύο κόμβοι μέσω οπτικών ινών χρησιμοποιείται είτε μία ίνα και WDM τεχνολογία, είτε πολλές ίνες που να λειτουργούν σε διαφορετική συχνότητα η κάθε μία. Σε αποστάσεις μικρότερες των 50 Km, η λύση των πολλών ινών είναι πιο οικονομική, ενώ για αποστάσεις μεγαλύτερες των 50 Km, πιο οικονομική θεωρείται η πρώτη μέθοδος [5]. Η σύνδεση κόμβων ευρισκομένων σε μεγάλη απόσταση επιτεύχθηκε αρχικά με χρήση αναγεννητών (regenerators), όπου πραγματοποιείται οπτοηλεκτρονική μετατροπή. Στη συνέχεια με την εξέλιξη της οπτικής τεχνολογίας, οι οπτικοί ενισχυτές (Optical AMPlifiers-OAMPs ),οι οποίοι παρέχουν ενίσχυση του οπτικού σήματος αποκλειστικά στην οπτική περιοχή, αντικατέστησαν τους αναγεννητές. Σχήμα 1.4 Ένα WDM σύστημα μετάδοσης σημείου-προς-σημείο με 4 κανάλια και οπτικούς ενισχυτές. 14

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου Στην δεύτερη γενιά οπτικών δικτύων, χρησιμοποιείται εξ ολοκλήρου οπτική τεχνολογία, οι δε συνδέσεις πραγματοποιούνται μέσω ενός ενιαίου φυσικού φορέα χωρίς την μεσολάβηση οπτοηλεκτρονικών μετατροπών, προκειμένου να αξιοποιηθεί πληρέστερα το μεγάλο εύρος ζώνης και ο χαμηλός ρυθμός σφαλμάτων, που προσφέρουν οι οπτικές ίνες. Στα δίκτυα αυτά στηρίχθηκε η ανάπτυξη αμιγώς οπτικών τηλεπικοινωνιών, προκειμένου να ξεπεραστούν τα εμπόδια που προκύπτουν από τη χρήση ηλεκτρονικών μέσων για τη μεταγωγή και τη δρομολόγηση πακέτων και τα οποία αδυνατούν να υποστηρίξουν τους υψηλούς ρυθμούς δεδομένων των οπτικών ινών. Σε αυτή τη δεύτερη γενιά οπτικών δικτύων επιτυγχάνεται η προσθήκη (add) ή τερματισμός (drop) των δεδομένων από ένα μήκος κύματος, με την υλοποίηση ηλεκτρονικών οπτικών πολυπλεκτών προσθαφαίρεσης (Optical Add Drop Multiplexers-OADMs). Βελτίωση επέρχεται επίσης από την δυνατότητα διακριτής διαχείρισης, ώστε μήκη κύματος που απλά περνούν από έναν κόμβο να μην υφίστανται οπτοηλεκτρονική μετατροπή, γεγονός που μειώνει το overhead, κυρίως στις περιπτώσεις δικτύων δακτυλίου, όπου η διερχόμενη κίνηση (bypass traffic) που δεν υφίσταται μετατροπή, είναι μεγαλύτερη. Για να πραγματοποιηθεί η μεταγωγή στους κόμβους από ένα μήκος κύματος εισόδου σε ένα μήκος κύματος εξόδου, χρησιμοποιείται ένας οπτικός κατανεμητής (Optical Crossconnect-OXC). Μια επιπρόσθετη επίσης λειτουργία μπορεί να χρησιμοποιείται αναφορικά με την μετατροπή ενός μήκους κύματος σε ένα άλλο πριν την εισαγωγή του στον πολυπλέκτη της ίνας εξόδου (Σχήμα 1.4), μέσω ενός διακόπτη μετατροπής μήκους κύματος (Wavelength-Convertible Switch-WCS). 1.3 Μεταγωγή στα οπτικά δίκτυα Στόχος της τεχνολογίας WDM 3ης γενιάς είναι η ασυνδεσμική υποστήριξη οπτικών δικτύων (connectionless). Η τεχνολογία αυτή στηρίζεται στην ανάπτυξη οπτικών δικτύων πρόσβασης (όπως τα παθητικά οπτικά δίκτυα) και οπτικών τεχνολογιών μεταγωγής, με τη γενική ορολογία οπτική μεταγωγή Χ (Optical X 15

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου Σχήμα 1.5 Οπτικός διακόπτης 4 μηκών κύματος με δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος. Switching-OXS), όπου Χ =P (Packet) για μεταγωγή πακέτων, Β (Burst) για μεταγωγή οπτικών ριπών, L (Label) μεταγωγή ετικέτας, C (Circuit) για μεταγωγή κυκλώματος. Τα δίκτυα αυτά 3ης γενιάς, απαρτίζουν τον κύριο κορμό των σημερινών αλλά και τη βάση των μελλοντικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων, αποτελούν δε αντικείμενο ανάλυσης αυτής της μελέτης. 1.3.1 Μεταγωγή Οπτικού Κυκλώματος Η εγκαθίδρυση οπτικών διαδρομών (lightpaths) μεταξύ ενός ζεύγους κόμβων με τη χρήση μεταγωγής οπτικού κυκλώματος (Optical Circuit Switching- OCS), είναι το κύριο χαρακτηριστικό των οπτικών δικτύων δρομολόγησης μήκους κύματος. Μία σύνδεση που εγκαθίσταται από έναν κόμβο αφετηρίας σε έναν κόμβο προορισμού προκειμένου να μεταφέρει κίνηση με τη χρήση μεταγωγής οπτικού κυκλώματος, καλείται lightpath. Πρόκειται για οπτικό κανάλι, μια ακολουθία από unidirectional lightlinks από έναν κόμβο αφετηρίας s σε έναν κόμβο προορισμού d. Επειδή για την εγκαθίδρυση μίας σύνδεσης μεταξύ δύο κόμβων, θα πρέπει να πραγματοποιηθεί η εγκατάσταση ενός lightpath μεταξύ τους, οι όροι lightpath και σύνδεση χρησιμοποιούνται αλληλένδετα. Το lightpath περιλαμβάνει ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος της οπτικής ίνας εισόδου του κόμβου μεταγωγής s, ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος της οπτικής ίνας εξόδου του κόμβου μεταγωγής d και τα ενδιάμεσα lightlinks που χρησιμοποιούνται 16

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου για την επικοινωνία των ενδιάμεσων κόμβων. Κάθε χρησιμοποιούμενο lightpath θεωρητικά έχει χωρητικότητα c=1 μονάδα, που αντιστοιχεί στη χωρητικότητα ενός lightlink (wavelength), δηλαδή τη ροή που μπορεί να μεταφέρει το μήκος κύματος αυτό. Στην περίπτωση που κανένας κόμβος του δικτύου δεν έχει τη δυνατότητα για μετατροπή μήκους κύματος, τότε το lightpath θα πρέπει να υπακούει στον περιορισμό της διατήρησης του μήκους κύματος (wavelength continuity constraint), που υπαγορεύει ότι το lightpath θα πρέπει να καταλαμβάνει το ίδιο wavelength κατά μήκος όλων των συνδέσμων από τους οποίους διέρχεται μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό Ένα lightpath χαρακτηρίζεται all-optical μόνον όταν κατά μήκος του μονοπατιού το σήμα μεταδίδεται εξολοκλήρου στον οπτικό τομέα και δεν υφίσταται οπτοηλεκτρονική μετατροπή σε κάποιους κόμβους μεταγωγής (Σχήμα 1.6). Σχήμα 1.6 Ένα οπτικό WDM δίκτυο με εγκατεστημένα lightpaths. Πολλοί είναι οι παράγοντες που καθορίζουν την εγκαθίδρυση των lightpaths. Σαν τέτοιους μπορούμε να αναφέρουμε την τοπολογία του δικτύου, τον τρόπο δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος και την μέθοδο σηματοδοσίας. Το πρόβλημα της δρομολόγησης και της ανάθεσης μηκών κύματος (Routing and Wavelength Assignment-RWA), που συναντάται στα WDM δίκτυα εν γένει, αντιμετωπίζεται με τη καταγραφή της κατάστασης του δικτύου, σε σχέση αφ ενός 17

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου μεν με την κατανομή των πόρων που εισέρχονται στο δίκτυο και αφ ετέρου με τη διαθεσιμότητα των μηκών κύματος. Γενικά τις αιτήσεις σύνδεσης τις κατατάσσουμε σε δυο ευρείες κατηγορίες [8]: Στη στατική ανάθεση (Static Lightpath Establishment-SLA) και στη δυναμική ανάθεση (Dynamic Lightpath Establishment-DLA). Στην πρώτη των περιπτώσεων δηλαδή στη στατική ανάθεση (Static Lightpath Establishment-SLA) όλες οι συνδέσεις είναι καθορισμένες από την αρχή. Παράδειγμα αυτής της περίπτωσης είναι η δρομολόγηση της βραχύτερης διαδρομής (shortest path), την οποία υπολογίζουμε από την αρχή χρησιμοποιώντας γνωστούς αλγόριθμους (Dijkstra ή Bellman-Ford). Όταν δεν μπορεί να εγκατασταθεί ένα lightpath, θεωρείται φραγμένο. Η ανάθεση των μηκών κύματος πραγματοποιείται είτε εξαρχής, όταν ο αριθμός των μηκών κύματος είναι αρκετός για να καλύψει όλες τις συνδέσεις, είτε πραγματοποιείται κατά την αίτηση εγκαθίδρυσης του lightpath, οπότε και είναι τότε δυνατή η φραγή ενός lightpath. Σε αυτήν την περίπτωση το πρόβλημα που ανακύπτει για ανεύρεση ελεύθερων μηκών κύματος κατά μήκος του lightpath, με ελαχιστοποίηση της απώλειας συνδέσεων, αντιμετωπίζεται με την κατάλληλη επιλογή αφ ενός μεν του αριθμού των μηκών κύματος σε κάθε οπτική ίνα και αφ ετέρου του αριθμού των οπτικών ινών που χρησιμοποιούνται, εφόσον είναι γνωστές οι απαιτήσεις εύρους ζώνης κάθε σύνδεσης. Στα μειονεκτήματα στην περίπτωση της σταθερής δρομολόγησης πρέπει να αναφέρουμε τις μεγάλες πιθανότητες απώλειας, αφού είναι απαραίτητο το ίδιο μήκος κύματος σε όλες τις ζεύξεις τις διαδρομής και επομένως ανάγκη λειτουργίας περισσότερων μηκών κύματος σε κάθε οπτική ζεύξη, καθώς επίσης η αδυναμία διαχείρισης προβλημάτων που μπορεί να εμφανιστούν στο δίκτυο, όπως στην περίπτωση που μία ή περισσότερες ζεύξεις καταρρεύσουν [5]. Ένα άλλο παράδειγμα με καθορισμένες από την αρχή αιτήσεις των lightpaths, είναι η εναλλακτική δρομολόγηση των lightpaths (Fixed-Alternate Routing-FAR). Σε αυτή την περίπτωση, για τη σύνδεση δύο κόμβων χρησιμοποιείται ένα προκαθορισμένο σύνολο διαδρομών αντί μιας διαδρομής και κάθε κόμβος είναι εφοδιασμένος με ένα πίνακα διαδρομών με προκαθορισμένη σειρά. Ο κόμβος προέλευσης, όταν φθάσει σε αυτόν μια αίτηση σύνδεσης, προσπαθεί αρχικά να εγκαθιδρύσει μία σύνδεση στην αρχική διαδρομή. που αναφέρεται συνήθως ως συντομότερη διαδρομή (shortest path). Στη συνέχεια εφόσον αυτό δεν είναι εφικτό προσπαθεί να εγκαθιδρύσει μια σύνδεση στις εναλλακτικές. Έτσι ζητείται η εγκαθίδρυση μιας δεύτερης, και αν και αυτή αποτύχει να ζητείται τρίτη, τέταρτη κτλ. 18

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου και στην περίπτωση που αυτές δεν είναι διαθέσιμες η αίτηση σύνδεσης φράσσεται και χάνεται. Είναι επιθυμητό η επιλογή αυτών των εναλλακτικών διαδρομών να υλοποιείται με τρόπο που να μη διαθέτουν κοινές ζεύξεις, πράγμα που συνεπάγεται τη μείωση της πιθανότητας να αποτύχει η σύνδεση. Η μέθοδος ανάθεσης FAR έχει μικρό διαχειριστικό κόστος και ένα μικρό βαθμό ανοχής στις αποτυχίες των ζεύξεων, σε σχέση δε με την σταθερή δρομολόγηση μειώνεται σε μεγάλο βαθμό η πιθανότητα απώλειας. Οι απώλειες τέλος είναι μικρότερες στην περίπτωση που χρησιμοποιείται μικρός αριθμός εναλλακτικών διαδρομών, σε σχέση με την περίπτωση όπου οι κόμβοι διαθέτουν διατάξεις μετατροπής μήκους κύματος. Με την μέθοδο της δυναμικής ανάθεσης (Dynamic Lightpath Establishment- DLA), η ανάθεση ενός lightpath πραγματοποιείται με την άφιξη μίας αίτησης σύνδεσης, και το lightpath απελευθερώνεται με την εξυπηρέτηση της σύνδεσης. Η ελαχιστοποίηση της πιθανότητας απώλειας σύνδεσης αλλά και η μεγιστοποίηση του αριθμού των συνδέσεων και σε αυτή την περίπτωση, προσδιορίζεται αφ ενός μεν από τον τρόπο που έχει οριστεί το μέγεθος του δικτύου και αφ ετέρου από τη μέθοδο ανάθεσης των lightpaths. Η μέθοδος ανάθεσης των lightpaths που θα επιλεγεί είναι συνάρτηση των χαρακτηριστικών του δικτύου. Η χρήση στατικής ανάθεσης των lightpaths ενδέχεται να καταλήξει σε μη αποτελεσματική χρήση του εύρους ζώνης, εάν η προσφερόμενη κίνηση μεταβάλλεται δυναμικά, ενώ εάν επιλεγεί αποκλειστικά η δυναμική μέθοδος ανάθεσης, να επιβαρυνθεί σημαντικά ο έλεγχος του δικτύου λόγω της συνεχούς μεταβολής της κατάστασής του. 1.3.2 Μεταγωγή Οπτικών Πακέτων Μία λύση για τη μεταγωγή δεδομένων αποκλειστικά στην οπτική περιοχή, είναι η μέθοδος μεταγωγής οπτικών πακέτων (Optical Packet Switching-OPS), όπου τα πακέτα μετάγονται και δρομολογούνται ανεξάρτητα στο δίκτυο, χωρίς την ύπαρξη οπτοηλεκτρονικών μετατροπών. Η βάση αυτής της μεθόδου μεταγωγής είναι η χρησιμοποίηση αμιγώς οπτικών διατάξεων μεταγωγής, πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας, όπως για παράδειγμα οι συμβολομετρικές διατάξεις Sagnac, UNI (Ultrafast Nonlinear Interferometer) και Mach-Zehnder. Κάθε κόμβος απαρτίζεται από ένα σύνολο πολυπλεκτών, αποπολυπλεκτών, μία διεπαφή εισόδου, την κύρια 19

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου διάταξη μεταγωγής, που μπορεί να περιέχει μονάδες προσωρινής αποθήκευσης (π.χ. οπτικές ίνες καθυστέρησης) και μετατροπείς μήκους κύματος, μία διεπαφή εξόδου και τη μονάδα ελέγχου μεταγωγής [10]. Μετά την απόπλεξη, σε επίπεδο μήκους κύματος, τα οπτικά πακέτα κατευθύνονται στη μονάδα μεταγωγής. Παρά τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση αμιγώς οπτικών δικτύων μεταγωγής μήκους κύματος, δεν μπορούν να παραβλεφθούν και δύο σημαντικά μειονεκτήματα. 1. Ο μεγάλος αριθμός μηκών κύματος που απαιτούνται για την εξυπηρέτηση όλων των αιτήσεων σύνδεσης, ιδιαίτερα σε μεγάλα δίκτυα. 2. Ο αυστηρά σταθερός ρυθμός μετάδοσης, που μπορεί να υποστηρίξει ένα δίκτυο, με αποτέλεσμα την πενιχρή εκμετάλλευση των πόρων του δικτύου. Στα πλαίσια υπερπήδησης αυτών των εμποδίων επελέγησαν λύσεις που να συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη διέλευση οπτικών σημάτων σε διαφανή δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος, με τη στατιστική πολυπλεξία [9]. Με αυτόν τον συνδυασμό, ένα lightpath διατηρείται αποκλειστικά στο οπτικό επίπεδο ενώ οι πόροι του διαμοιράζονται και από τους ενδιάμεσους κόμβους. Το κάθε πακέτο περιλαμβάνει την κύρια πληροφορία και την επικεφαλίδα, που έχει την ευθύνη δρομολόγησης του πακέτου στο οπτικό δίκτυο. Η μονάδα ελέγχου μεταγωγής, αφού αναγνωρίσει την επικεφαλίδα, προσδιορίζει την κατάλληλη έξοδο και το μήκος κύματος που θα χρησιμοποιηθεί και ακολούθως το αποστέλλει στη διάταξη μεταγωγής για τη δρομολόγησή του. Εάν η διάταξη μεταγωγής δεν καταφέρει να δρομολογήσει το πακέτο, τότε χρησιμοποιείται μία μονάδα προσωρινής αποθήκευσής του, η οποία χρησιμοποιεί μνήμη που διαφέρει από τις ηλεκτρονικές διατάξεις αποθήκευσης δεδομένων, καθώς δεν παρέχεται τυχαία προσπέλαση. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται μία ίνα καθυστέρησης (Fiber Delay Line-FDL), που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση οπτικών δεδομένων, αποτελούμενη από ένα βρόγχο ίνας, στον οποίο οδηγούνται τα πακέτα, και τον οποίο αφού διανύσουν, κατευθύνονται στη μονάδα μεταγωγής. Αποτέλεσμα αυτού, η αποθήκευση των πακέτων διαρκεί ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, το οποίο ισούται με το χρόνο που απαιτείται για να διανύσει το πακέτο την FDL. Το πακέτο μπορεί να ανακτηθεί μόνο όταν εξέλθει από την FDL. Σε πειραματικό ακόμα στάδιο βρίσκονται παραδείγματα αμιγώς οπτικών διατάξεων αποθήκευσης δεδομένων, βασιζόμενα όχι στα μεγάλα μήκη ίνας των FDL 20

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου τα οποία και θα πρέπει να μεταβάλλονται ανάλογα με το χρόνο καθυστέρησης, αλλά στο συνδυασμό συμβολομετρικών διατάξεων και ημιαγωγικών οπτικών ενισχυτών (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) [11]. Στις περιπτώσεις όπου οι πόροι του δικτύου δεν είναι αρκετοί ώστε να καλύψουν τις αιτήσεις συνδέσεων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μετατροπείς μήκους κύματος, με αποτέλεσμα μικρή μόνο πιθανότητα απώλειας σύνδεσης, καθώς οι μονάδες μετατροπής μήκους κύματος (Wavelength Converters) προσφέρουν τη δυνατότητα μετάβασης ενός οπτικού σήματος με συγκεκριμένο μήκος κύματος εισόδου σε ένα διαφορετικό μήκος κύματος εξόδου και έτσι ένα οπτικό σήμα μπορεί να δρομολογηθεί σε οποιοδήποτε ελεύθερο μήκος κύματος εξόδου, ενώ στην περίπτωση που δεν υπάρχει ελεύθερο μήκος κύματος, τα δεδομένα αποθηκεύονται σε μία FDL. Προκειμένου να περιοριστούν κατά το δυνατόν τα αίτια απώλειας πακέτων (Packet Loss Ratio-PLR) και με δεδομένο την απουσία αξιόπιστων οπτικών διατάξεων μνήμης τυχαίας προσπέλασης, αναπτύχθηκαν διάφορες τεχνικές που διακρίνονται 3 γενικές κατηγορίες [12]: 1. Η τεχνική κατά την οποία τα πακέτα που δεν μπορούν να μεταδοθούν από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος σε μία συγκεκριμένη χρονοθυρίδα, χρησιμοποιούν ένα άλλο ελεύθερο μήκος κύματος με χρήση μετατροπέων μήκους κύματος. Στην τεχνική αυτή δεν αυξάνεται η καθυστέρηση ούτε γίνεται επαναπροσδιορισμός της σειράς των πακέτων. 2. Η τεχνική σύμφωνα με τη οποία τα πακέτα που αδυνατούν να μεταδοθούν από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος σε μία συγκεκριμένη χρονοθυρίδα, τοποθετούνται σε γραμμή καθυστέρησης, και μετά την παρέλευση καθορισμένου χρονικού διαστήματος κάνουν νέα προσπάθεια να μεταδοθούν. Με την τεχνική αυτή προκαλείται επιπλέον καθυστέρηση ενώ ενδεχομένως επαναπροσδιορίζεται η σειρά των πακέτων. 3. Η τεχνική σύμφωνα με τη οποία τα πακέτα που δεν καθίσταται δυνατό να μεταδοθούν από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, σε μία συγκεκριμένη χρονοθυρίδα, μεταδίδονται μέσω άλλης οπτικής ίνας στο ίδιο μήκος κύματος και στην ίδια χρονοθυρίδα. Η νέα ίνα ενδέχεται να καταλήγει σε διαφορετικό κόμβο από τον προκαθορισμένο κόμβο αποστολής, με συνέπεια τα πακέτα να κατευθύνονται στον προορισμό τους, μέσα από μια διαφορετική από την προκαθορισμένη διαδρομή. Με την τεχνική αυτή 21

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου μπορεί να παρατηρηθούν μεγάλες καθυστερήσεις αλλά και προβλήματα επαναπροσδιορισμού της σειράς των πακέτων στον κόμβο προορισμού. Συγκριτικά, βασικά μειονεκτήματα και των 3 τεχνικών είναι το αυξημένο κόστος εξοπλισμού, λόγω της πολυπλοκότητας και η καθυστέρηση στη μετάδοση των πακέτων. Επίσης έχει αποδειχθεί ότι το PLR, μπορεί να μειωθεί σημαντικά με τον συνδυασμό μετατροπέων μήκους κύματος και ινών καθυστέρησης, ενώ χρησιμοποιώντας διαφορετική οπτική ίνα, έχουμε περιορισμένη μόνο μείωσή του [13]. Για να εγγυηθούμε την παροχή ποιοτικών υπηρεσιών σε ένα OPS δίκτυο θα πρέπει να καθορίσουμε κάποια απόλυτα όρια PLR για όλες τις προτεραιότητες (absolute guarantees), ή κάποια σχετικά όρια μεταξύ των προτεραιοτήτων (relative guarantees). Στην πρώτη περίπτωση των απόλυτων ορίων, υπάρχουν γενικά 3 κατηγορίες προσδιορισμού του PLR: ο περιορισμός πρόσβασης (access restriction), η δέσμευση πόρων πριν από άλλους (preemption) και η απόρριψη πακέτων (packet dropping). 1. Στην τεχνική περιορισμού πρόσβασης ένα σύνολο από τους διαθέσιμους πόρους του δικτύου, όπως μήκη κύματος, μετατροπείς μήκους κύματος κ.τ.λ., δεσμεύονται αποκλειστικά και μόνο για εξυπηρέτηση της κίνηση υψηλής προτεραιότητας, με συνέπεια αυτή να χρησιμοποιεί περισσότερους διαθέσιμους πόρους και επομένως να μειώνεται το PLR, σε βάρος βέβαια της κίνησης χαμηλής προτεραιότητας. 2. Στις preemptive τεχνικές όλοι οι ελεύθεροι πόροι του δικτύου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε όλες τις προτεραιότητες κίνησης. Συγκεκριμένα, όταν όλοι οι πόροι είναι κατειλημμένοι, ένα πακέτο υψηλής προτεραιότητας μπορεί να δεσμεύσει τους πόρους ενός πακέτου χαμηλής προτεραιότητας, το οποίο και απορρίπτεται., ενώ δεν μπορεί να συμβεί το ίδιο από ένα πακέτο χαμηλής προτεραιότητας. Επιπλέον στη περίπτωση που όλοι οι πόροι είναι κατειλημμένοι από πακέτα υψηλής προτεραιότητας, η μετάδοση αυτή δεν πραγματοποιείται και το πακέτο υψηλής προτεραιότητας απορρίπτεται. Η preemptive τεχνική καθορίζεται από μία πιθανότητα p, η οποία αναφέρεται στην περίπτωση που όλοι οι πόροι του δικτύου είναι κατειλημμένοι, ένα πακέτο υψηλής προτεραιότητας είναι έτοιμο προς αποστολή, δεδομένου ότι πακέτα χαμηλής προτεραιότητας μεταδίδονται εκείνη τη στιγμή. 22

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου 3. Στην τεχνική απόρριψης πακέτων, πακέτα χαμηλής προτεραιότητας απορρίπτονται, με συγκεκριμένη πιθανότητα, πριν προσπαθήσουν να χρησιμοποιήσουν τους πόρους του δικτύου, με συνέπεια τη σημαντική μείωση του PLR για τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας. Ευνόητο είναι ότι η μείωση αυτή εξαρτάται από την πιθανότητα απόρριψης των πακέτων χαμηλής προτεραιότητας. Ένα άλλο στοιχείο που καθορίζει την ποιότητα υπηρεσιών των οπτικών δικτύων είναι η καθυστέρηση των πακέτων. Επειδή σε ένα αμιγώς οπτικό δίκτυο, η μετάδοση των πακέτων πραγματοποιείται αποκλειστικά στο οπτικό επίπεδο, οι κόμβοι πυρήνα (core nodes) του δικτύου δεν διαθέτουν αξιόπιστα συστήματα αποθήκευσης οπτικών δεδομένων, που να παρέχουν τυχαία προσπέλαση. Μόνον στους κόμβους παρυφής (edge nodes) υπάρχουν αποθηκευτικά μέσα όπου τα δεδομένα αποθηκεύονται σε ηλεκτρονική μορφή πριν τη μετατροπή τους σε οπτικά σήματα με συνέπεια να καθίσταται απαραίτητη η ύπαρξη πολιτικών δέσμευσης, ενός δρόμου (one-way) ή δύο δρόμων (two-way). Στη δέσμευση ενός δρόμου το οπτικό πακέτο αποστέλλεται μετά από τον προκαθορισμένο χρόνο μετατόπισης, χωρίς να υπάρχει επιβεβαίωση της δέσμευσης μήκους κύματος για την μετάδοσή του, ενώ στη δέσμευση δύο δρόμων, το οπτικό πακέτο αποστέλλεται μετά από τη λήψη ενός πακέτου επιβεβαίωσης (acknowledgement) [14]. Στην πρώτη περίπτωση δέσμευσης το βασικό μειονέκτημα είναι η ύπαρξη πιθανότητας απώλειας (blocking probability) των πακέτων, ενώ στην two-way πολιτική δέσμευσης, σημαντικό μειονέκτημα είναι η αύξηση της καθυστέρησης στη μετάδοση των πακέτων. Ο χρόνος μετάδοσης, ο χρόνος μετατροπής των ηλεκτρονικών δεδομένων σε οπτική πληροφορία, αλλά και ο χρόνος για την αντίστροφη διαδικασία, όταν τα δεδομένα φθάσουν στον τελικό προορισμό τους, καθορίζουν την καθυστέρηση των πακέτων. Ο καθορισμός της συνολικής καθυστέρησης εξαρτάται επίσης από την αποθήκευση των δεδομένων στους κόμβους παρυφής, καθώς επίσης και από την πολιτική δέσμευσης των πόρων του δικτύου. Τέλος η καθυστέρηση στην ουρά αναμονής των πακέτων εξαρτάται από την γνώση της διαδικασίας άφιξής τους, καθώς και από την πολιτική κατανομής του χρόνου εξυπηρέτησής τους. Η αμιγώς οπτική ανταλλαγή ετικέτας σηματοδοσίας (All Optical Label Swapping AOLS) είναι μια τεχνολογία, που αναφέρεται στην οπτική μεταγωγή πακέτων [15]. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί εκεί που η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων είναι μεγαλύτερη από το ανώτατο όριο ταχύτητας επεξεργασίας ηλεκτρονικών διατάξεων 23

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου που χρησιμοποιούνται σε μη αμιγώς οπτικά δίκτυα και δεν εξαρτάται από το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας, τη διαμόρφωση κώδικα και το μήκος των πακέτων. Η κωδικοποίηση των ετικετών σηματοδοσίας στα πακέτα πραγματοποιείται με διάφορες τεχνικές. Σε μια από αυτές γίνεται η εισαγωγή μίας ετικέτας σηματοδοσίας χαμηλού ρυθμού στο μπροστινό τμήμα του πακέτου, οπότε το πακέτο είναι ανεξάρτητο από το ρυθμό μετάδοσης της ετικέτας. Η ετικέτα σηματοδοσίας, η οποία περιέχει μόνο την πληροφορία δρομολόγησής του μέσα στο οπτικό επίπεδο του δικτύου, ανιχνεύεται και επεξεργάζεται με τη χρήση ηλεκτρονικών διατάξεων, προκειμένου να ληφθούν αποφάσεις για τη δρομολόγηση του πακέτου, ενώ το πακέτο περιέχει την αρχική πληροφορία σχετικά με τον προορισμό του (π.χ. την IP διεύθυνση). Τα δίκτυα με τεχνολογία AOLS μπορούν να εφοδιαστούν με FDLs και μετατροπείς μήκους κύματος ώστε να μειωθεί η πιθανότητα απώλειας πακέτων. 1.3.3 Μεταγωγή Οπτικών Ριπών Το γεγονός ότι στα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος είναι απαραίτητη αφ ενός μεν η εγκαθίδρυση της σύνδεσης πριν ακόμα εκκινήσει η μετάδοση της πληροφορίας, αφ ετέρου δε η διατήρησή της σε όλη τη διάρκεια της σύνδεσης, ακόμη και αν δεν υπάρχει μεταφορά δεδομένων, μπορεί να οδηγήσει σε χαμηλή χρήση του εύρους ζώνης του δικτύου, κυρίως στις περιπτώσεις όπου η κίνηση χαρακτηρίζεται από την παρουσία οπτικών ριπών (bursts). Πολλές έρευνες έχουν δείξει ότι η κίνηση δεδομένων έχει το χαρακτήρα ριπής, καθώς η ποσότητα της κίνησης αυτής μεταβάλλεται σε μικρά χρονικά διαστήματα [16]. Μία αποτελεσματική λύση για τις περιπτώσεις όπου η κίνηση στο δίκτυο χαρακτηρίζεται από την παρουσία οπτικών ριπών, είναι τα οπτικά δίκτυα που χρησιμοποιούν τη μεταγωγή οπτικών ριπών (Optical Burst Switching-OBS) [5]. Βασικό πλεονέκτημα της OBS τεχνολογίας είναι ότι η δέσμευση των πόρων του συστήματος, γίνεται για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα, σε αντίθεση προς τις προηγούμενες τεχνολογίες. Έτσι αυξάνεται η αξιοποίηση (utilization) του διαθέσιμου εύρους ζώνης και η στατιστική πολυπλεξία επιτυγχάνεται σε πολύ υψηλό βαθμό. Συμπερασματικά, η OBS υπερτερεί της OCS καθώς μπορεί να αντιμετωπίσει με επιτυχία τις αδυναμίες και τους περιορισμούς της στατικής ανάθεσης των lightpaths και συγχρόνως να αξιοποιήσει σε μεγαλύτερο βαθμό το εύρος ζώνης αυτών. Συγχρόνως η OBS υπερτερεί και της OPS, καθώς με την μετάδοση μεγάλου μήκους 24

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου οπτικών ριπών μειώνεται η ανάγκη για ταχύτατους οπτικούς μεταγωγείς, οι οποίοι είναι απαραίτητοι σε οπτικά δίκτυα με OPS τεχνολογία [17]. Στον Πίνακα 1 γίνεται σύγκριση των χαρακτηριστικών των τριών μεθόδων μεταγωγής. Παράδειγμα Οπτικής Μεταγωγής Μεταγωγή Οπτικού Κυκλώματος Μεταγωγή Οπτικών Πακέτων Μεταγωγή Οπτικών Ριπών Αξιοποίηση Επίβαρο Καθυστέρηση Ταχύτητας Προσαρμοστικότητα Εύρους Συγχρονισμού / Διαμόρφωσης Μεταγωγής σε μορφές κίνησης Ζώνης Επεξεργασίας Χαμηλή Υψηλή Μικρή Χαμηλό Χαμηλή Υψηλή Χαμηλή Μεγάλη Υψηλό Υψηλή Υψηλή Χαμηλή Μέτρια Χαμηλό Υψηλή Πίνακας 1.1 Σύγκριση των τεχνολογιών οπτικής μεταγωγής. Η αρχιτεκτονική ενός αμιγώς οπτικού δικτύου με τεχνολογία OBS, περιλαμβάνει OBS κόμβους, οι οποίοι συνδέονται φυσικά με οπτικές ίνες. Η τεχνολογία WDM που χρησιμοποιείται δίνει τη δυνατότητα σε κάθε οπτική ζεύξη να υποστηρίξει πολλαπλά κανάλια. Οι OBS κόμβοι είναι δύο ειδών: κόμβοι παρυφής (edge nodes) και κόμβοι πυρήνα (core nodes), όπως φαίνεται στην Σχήμα 1.7. Οι κόμβοι παρυφής έχουν την ευθύνη της συλλογής των δεδομένων, της δημιουργίας των οπτικών ριπών και του προγραμματισμού της μετάδοσής τους στο δίκτυο. Οι κόμβοι πυρήνα είναι υπεύθυνοι για τη μεταγωγή των οπτικών ριπών από τις θύρες εισόδου σε θύρες εξόδου, βάσει της επικεφαλίδας της ριπής, και τη διαχείριση των συνδέσεων. Κάθε κόμβος μπορεί να υποστηρίξει δύο μορφές κίνησης: την κίνηση μεταξύ κόμβων παρυφής, όπου τα δεδομένα υφίστανται οπτοηλεκτρονική μετατροπή, και την αμιγώς οπτική κίνηση, μέσω των κόμβων πυρήνα. Οι κόμβοι εισόδου (ingress nodes), συγκεντρώνουν τα πακέτα δεδομένων από τους χρήστες του δικτύου και διαμορφώνουν τις οπτικές ριπές. Ακολούθως, οι ριπές μεταδίδονται στο δίκτυο πυρήνα αμιγώς οπτικά, χωρίς να απαιτείται η ύπαρξη αποθηκευτικών μέσων στους ενδιάμεσους κόμβους πυρήνα. Με τη λήψη της οπτικής ριπής, ο κόμβος εξόδου (egress node) αποσυναρμολογεί την ριπή και προωθεί τα πακέτα στους τερματικούς κόμβους προορισμού. 25

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου Σχήμα 1.7 Σχηματική αναπαράσταση αμιγώς οπτικού OBS δικτύου. Η βασική σύλληψη της OBS αφορά την αμιγώς οπτική μετάδοση οπτικών ριπών, οι οποίοι αποτελούνται από ένα συγκεκριμένο αριθμό IP (Internet Protocol) πακέτων [8]. Η OBS στοχεύει στο συνδυασμό των πλεονεκτημάτων της μεταγωγής οπτικού κυκλώματος και της μεταγωγής οπτικών πακέτων. Όταν συγκεντρώνονται δεδομένα από πολλούς χρήστες με ίδιο κόμβο προορισμού, δημιουργείται μια οπτική ριπή στον κόμβο αποστολής. Πριν ξεκινήσει η μετάδοση των οπτικών ριπών, αποστέλλεται από τον κόμβο προέλευσης ένα πακέτο ελέγχου (control packet), προκειμένου να διαμορφώσει τους μεταγωγείς κατά μήκος της διαδρομής της οπτικής ριπής. Αυτό το πακέτο ελέγχου υφίσταται ηλεκτρονική επεξεργασία στους ενδιάμεσους κόμβους, με τρόπο ώστε να δεσμεύσει τους απαραίτητους πόρους του δικτύου, να εξασφαλίσει δηλαδή τη χρήση ενός μήκους κύματος σε όλη τη διαδρομή της οπτικής ριπής, ή εναλλακτικά τη χρήση διαφορετικών μηκών κύματος, εάν το δίκτυο έχει τη δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος στους κόμβους [18]. Όσον αφορά τις διεργασίες δέσμευσης, αυτές είναι ίδιες με αυτές που περιγράφονται στη μεταγωγή οπτικού πακέτου, μπορεί δηλαδή να είναι είτε ενός δρόμου (one-way) είτε δύο δρόμων (two-way). Η οπτική ριπή μετάγεται αποκλειστικά στο οπτικό επίπεδο. Μία χρονική μετατόπιση (offset time) μεταξύ πακέτου ελέγχου και οπτικής ριπής, με διάρκεια τέτοια, ώστε να προλάβει να γίνει η επεξεργασία του πακέτου ελέγχου στους ενδιάμεσους κόμβους (η οποία εμπεριέχει 26

Κεφάλαιο:1: Διπλωματική εργασία Πανταζή Κωνσταντίνου και οπτοηλεκτρονική μετατροπή, που αυξάνει το χρόνο επεξεργασίας), επιτρέπει τη διάρθρωση των μεταγωγέων πριν φθάσει η ριπή σε αυτούς. Με την αποστολή του πακέτου ελέγχου πριν την οπτική ριπή εκμηδενίζεται η ανάγκη ύπαρξης ηλεκτρονικών ή οπτικών μέσων αποθήκευσης στους ενδιάμεσους κόμβους. Το πακέτο ελέγχου μπορεί να είναι εφοδιασμένο με την πληροφορία σχετικά με τη διάρκειας της οπτικής ριπής, ώστε να ενημερώνονται οι κόμβοι για την αναγκαία διαμόρφωση των μεταγωγέων τους. Εφόσον γίνει η απαιτούμενη δέσμευση των πόρων του δικτύου σε όλο το μήκος της προβλεπόμενης διαδρομής, η οπτική ριπή μεταδίδεται επιτυχώς στον προορισμό της, άλλως το πακέτο ελέγχου και η οπτική ριπή απορρίπτονται σε κάποιο ενδιάμεσο κόμβο της διαδρομής. Στη συνέχεια, μετά την επιτυχή μετάδοσή της, η οπτική ριπή αποσυναρμολογείται στον οπτικό κόμβο προορισμού και τα πακέτα προωθούνται στους παραλήπτες τους. Έχουν προταθεί διάφορα πρωτόκολλα σχετικά με τη σηματοδοσία στα OBS δίκτυα, με το καθένα να χαρακτηρίζεται από διαφορετικές παραμέτρους και τεχνικές. Στο πρωτόκολλο Just-In-Time (JIT), γίνεται δέσμευση του απαιτούμενου εύρους ζώνης από έναν κόμβο αμέσως μόλις ληφθεί το πακέτο ελέγχου, ενώ αμέσως μετά την εξυπηρέτηση της οπτικής ριπής αυτό το εύρος ζώνης αποδεσμεύεται. Στο πρωτόκολλο Just-Enough-Time (JET) η δέσμευση του εύρους ζώνης πραγματοποιείται συγχρόνως με την άφιξη της οπτικής ριπής στον κόμβο. Και στα δύο πρωτόκολλα η οπτική ριπή μεταδίδεται μετά από χρόνο ίσο με το χρόνο μετατόπισης, και δεν αναμένει κάποιο πακέτο επιβεβαίωσης (one-way reservation process). Η OBS παρουσιάζει αδιαμφισβήτητα σοβαρά πλεονεκτήματα. Για τη χρήση της σε αμιγώς οπτικά δίκτυα, πρέπει συγχρόνως να διευθετούνται σημαντικά θέματα, όπως είναι η δημιουργία της οπτικής ριπής (burst assembly), η υιοθέτηση συγκεκριμένης τεχνολογίας σηματοδοσίας (signalling), η επίλυση διαμάχης μεταξύ ριπών (contention resolution), ο προγραμματισμός των οπτικών ριπών (burst scheduling) και η ποιότητα υπηρεσίας (Quality of Service - QoS). Όσον αφορά τον καθορισμό της ποιότητας υπηρεσίας η αντιμετώπιση του θέματος ανάγεται στον προσδιορισμό προτεραιοτήτων μεταξύ των διαφορετικών υπηρεσιών. Για παράδειγμα η μετάδοση φωνής, ή το video πραγματικού χρόνου, δηλαδή υπηρεσίες που αναφέρονται σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου, θα πρέπει να διαθέτουν μεγαλύτερη προτεραιότητα, σε σχέση με μη πραγματικού χρόνου υπηρεσίες, όπως η μεταφορά δεδομένων. Μία οπτική ριπή υψηλής προτεραιότητας θα 27