Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής

Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Διπλωματική Εργασία Στατικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα Καμίτσας Ευάγγελος Α.Μ.: 557 Επιβλέπων: Βαρβαρίγος Εμμανουήλ Τριμελής Επιτροπή: Βαρβαρίγος Εμμανουήλ Βλάχος Κυριάκος Κακλαμάνης Χρήστος Πάτρα, Φεβρουάριος 2009

2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Κατά την διάδοση του σήματος στα οπτικά δίκτυα η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος εξασθενεί λόγω των διαφόρων ειδών απωλειών που υπεισέρχονται κατά τη μετάδοση. Οι κυριότερες εξ αυτών είναι: ο θόρυβος λόγω των οπτικών ενισχυτών, η διαφωνία, η χρωματική διασπορά, η διασπορά τρόπων πόλωσης, η μείξη τεσσάρων κυμάτων, η αυτοδιαμόρφωση φάσης κτλ. Προκειμένου να επιτευχθεί αποδεκτή ποιότητα λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη είναι απαραίτητη, ιδιαίτερα για μεγάλα μονοπάτια, η χρήση οπτικών 3R αναγεννητών σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους για την περιοδική αναμετάδοση του σήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάζονται και υλοποιούνται στατικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Συγκεκριμένα, θεωρώντας μια δικτυακή τοπολογία, έναν αριθμό διαθέσιμων μηκών κύματος, μια μήτρα κίνησης και μια (αραιή) τοπολογία 3R αναγεννητών για το εξεταζόμενο δίκτυο (ή εκφράζοντάς το διαφορετικά έναν αριθμό ελεύθερων πομποδεκτών για κάθε κόμβο του δικτύου) επιχειρείται η μεγιστοποίηση του αριθμού των συνδέσεων που μπορούν να επιτευχθούν, διατηρώντας παράλληλα την επιθυμητή ποιότητα μετάδοσης. Έτσι, το πρόβλημα της επιλογής της ακολουθίας των αναγεννητών μέσα από τους οποίους θα δρομολογηθεί η κάθε αδιαφανής αίτηση σύνδεσης, μοντελοποιείται σαν ένα πρόβλημα εικονικής τοπολογίας (virtual topology problem). Στην συνέχεια το πρόβλημα αυτό επιλύεται με τη βοήθεια μιας σειράς αλγορίθμων από πολύπλοκους που βασίζονται σε σχηματισμούς ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Integer Linear Programming ILP) έως απλούστερους αλλά πάντα πρακτικούς ως προς την εύρεση λύσης, ευριστικούς αλγόριθμους. Ύστερα από την επιλογή της ακολουθίας των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών για κάθε αδιαφανή αίτηση σύνδεσης, η μήτρα κίνησης μετασχηματίζεται σε μια ισοδύναμη διαφανή, όπου κάθε αδιαφανής αίτηση έχει αντικατασταθεί από μια σειρά διαφανών συνδέσεων που τερματίζουν και ξεκινούν από τους συγκεκριμένους 3R κόμβους αναγέννησης. Ακολούθως, εφαρμόζεται ένας διαφανής IA-RWA αλγόριθμος για τη μετασχηματισμένη μήτρα κίνησης, ενώ τυχόν συνδέσεις που μποκάρονται ύστερα από την εφαρμογή του διαφανή αλγορίθμου επαναδρομολογούνται χρησιμοποιώντας τους υπολοιπόμενους αναγεννητές. Η Ποιότητα Μετάδοσης (Quality of Transmission QoT) των δημιουργουμένων lightpaths υπολογίζεται με τη βοήθεια ενός εκτιμητή της παραμέτρου Q του κάθε lightpath. Για την μοντελοποίηση των φυσικών περιορισμών του δικτύου χρησιμοποιούνται αναλυτικές φόρμουλες. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου υπολογίστηκε διεξάγοντας εξομοιώσεις για μια παραλλαγή του DTnet δικτύου εισάγοντας τη μοναδιαία μήτρα κίνησης. Η απόδοση του αλγορίθμου κρίνεται ικανοποιητική όχι μόνο για μεσαία, αλλά και για μεγάλης κλίμακας δίκτυα παρέχοντας βέλτιστες λύσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου εκτέλεσης του αλγορίθμου, οφείλεται στον υπολογισμό του διαφανούς IA- RWA αλγόριθμου της δεύτερης φάσης. Σχετικά με την απόδοση των εξεταζόμενων αλγορίθμων της πρώτης φάσης, φαίνεται ότι ο αλγόριθμος που παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα είναι αυτός που ελαχιστοποιεί τον μέγιστο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών μεταξύ των διαφορετικών κόμβων αναγέννησης του σήματος.

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή και επιβλέποντα της διπλωματικής, κ. Μ. Βαρβαρίγο, για τη δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον θέμα, και την ενεργή του συμμετοχή στη διαμόρφωση του τελικού αποτελέσματος καθώς και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Κ. Χριστοδουλόπουλο και Κ. Μανουσάκη για τη δημιουργική συνεργασία που είχαμε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της συγκεκριμένης εργασίας.

5 Περιεχόμενα 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...7 2 WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING...11 2.1 Αρχιτεκτονική WDM δικτύου...12 2.1.1 Οπτικά δίκτυα...13 2.1.2 Οπτικές ίνες...13 2.1.3 Ενισχυτές...15 2.1.4 Αναγεννητές...16 2.2 Φυσική τοπολογία ενός WDM δικτύου...18 2.2.1 Κόμβοι πρόσβασης...18 2.2.2 Κόμβοι μεταγωγής...19 2.2.3 Lightpaths...20 2.3 Μετατροπή μήκους κύματος...21 3 ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ...23 3.1 Περιορισμοί στη δρομολόγηση ενός συνόλου από lightpaths...24 3.2 Δυναμική Δρομολόγηση και Ανάθεση Μήκους Κύματος Dynamic case25 3.2.1 Fixed Routing...25 3.2.2 Fixed-Alternate Routing...26 3.2.3 Adaptive Routing...27 3.2.4 Ανάθεση μήκους κύματος Ευριστικοί αλγόριθμοι...28 3.3 Στατική Δρομολόγηση και Ανάθεση Μήκους Κύματος Static case...29 3.4 Δρομολόγηση και Ανάθεση Μήκους Κύματος με μετατροπή μήκους κύματος...31 3.5 Τεχνικές διαχωρισμού του RWA για την στατική περίπτωση...33 3.5.1 Δρομολόγηση...33 3.5.2 Ανάθεση Μήκους Κύματος Στατική περίπτωση...33 3.6 Μείωση Μεγέθους του Προβλήματος...35 3.6.1 Μείωση του χώρου...35 3.6.2 Μείωση του χρόνου...36 3.7 Πρακτική προσέγγιση του RWA...36 3.7.1 Εγκατάσταση ενός lightpath σε WDM δίκτυο...37 4 ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΕΙΣ...39 4.1 Γραμμικές εξασθενήσεις...39 4.1.1 Διασπορά Τρόπου Πόλωσης...40 4.1.2 Χρωματική Διασπορά...44 4.1.3 Θόρυβος ASE...52 4.1.4 Διαφωνία (Crosstalk)...55 4.2 Μη γραμμικά φαινόμενα...60 4.2.1 Μη Γραμμική Διάθλαση...60 4.2.2 Μείξη Τεσσάρων Κυμάτων...62 5 ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΑΜΙΓΩΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΒΑΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΕΩΝ...65 5.1 Δρομολόγηση ελεγχόμενη αποκλειστικά από το Στρώμα Δικτύου...66 5.2 Συνάρτηση κόστους ροής...68 5.3 Περιγραφή του αλγορίθμου...70

5.4 Τεχνικές της Τυχαίας διέγερσης και Σταθεροποίησης και Στρογγυλοποίησης των λύσεων...71 5.5 Το RWA πρόβλημα από φυσικής απόψεως...72 6 ΣΤΑΤΙΚΗ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΘΕΣΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΗΜΙΔΙΑΦΑΝΗ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ...77 6.1 Εναλλακτικές προσεγγίσεις...79 6.2 Φυσική και Εικονική Τοπολογία...81 6.3 Προτεινόμενος αλγόριθμος...82 6.4 Αποκτώντας τη διάφανη μήτρα αιτήσεων...84 6.5 ΙΑ-RWA δρομολόγηση της μετασχηματισμένης διαφανής μήτρας κίνησης (2 η Φάση)...91 6.6 Επαναδρομολόγηση των αιτήσεων που έχουν απορριφθεί (3 η Φάση)...93 7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ...95 7.1 Φυσική τοπολογία του εξεταζόμενου δικτύου...96 7.2 Πειράματα με απεριόριστο αριθμό αναγεννητών...97 7.3 Πειράματα με περιορισμένο αριθμό αναγεννητών...99 7.4 Πειράματα με περιορισμένο αριθμό διαθέσιμων μηκών κύματος...101 7.5 Συμπεράσματα...102 8 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...105 6

7 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εποχή μας χαρακτηρίζεται σήμερα, περισσότερο ίσως από ο,τιδήποτε άλλο, από την αλματώδη εξέλιξη και τη μεγάλη πρόοδο στον τομέα των τηλεπικοινωνιών και των δικτύων υπολογιστών. Η συνάντηση των τεχνολογιών της πληροφορικής και των επικοινωνιών ήταν εκείνη που βοήθησε ουσιαστικά και συνέβαλε δυναμικά στη διαμόρφωση και την ανάπτυξη νέων συνθηκών και δεδομένων, μέσα στα οποία εξέχουσα θέση και ενεργή συμμετοχή έχουν σαφώς τα δίκτυα οπτικών ινών, που συγκαταλέγονται στα δίκτυα δεδομένων τελευταίας γενιάς. Τα δίκτυα αυτά με την τεράστια χωρητικότητα που διαθέτουν αποτελούν τη «ραχοκοκαλιά» όλων των διασυνδεδεμένων δικτύων. Τα κύρια χαρακτηριστικά που οδήγησαν στην υιοθέτηση των δικτύων οπτικών ινών είναι ότι μπορούν να μεταφέρουν δεδομένα με μεγάλη ταχύτητα σε μεγάλες αποστάσεις και με κόστος μικρότερο από αυτό που θα απαιτούνταν αν το δίκτυο υλοποιούνταν με τα παραδοσιακά χάλκινα καλώδια. Ο πιο σύγχρονος και περισσότερα υποσχόμενος τύπος οπτικών δικτύων, είναι τα οπτικά δίκτυα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing WDM). Τα δίκτυα αυτά διαθέτουν τεράστια χωρητικότητα και έχουν ήδη αρχίσει να αξιοποιούνται σαν δίκτυα κορμού στα οποία απαιτείται η μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων. Σήμερα τα δίκτυα κορμού απαρτίζονται κυρίως από αδιαφανή (opaque) WDM δίκτυα στα οποία το οπτικό σήμα αναγεννιέται σε κάθε κόμβο καθώς υφίσταται οπτο-ηλεκρο-οπτική μετατροπή (OEO). Για να μειωθεί το κόστος υλοποίησης και λειτουργίας του δικτύου και να αυξηθεί η χρησιμοποιούμενη χωρητικότητα τους, υπάρχει η ανάγκη μείωσης της χρησιμοποίησης των ΟΕΟ μετατροπέων που οδηγεί στην υλοποίηση ημιδιαφανών (translucent) με τελικό σκοπό την υλοποίηση αμιγώς διαφανών (transparent) οπτικών WDM δικτύων. Σε αυτά τα δίκτυα το σήμα παραμένει στο οπτικό επίπεδο καθώς περνάει από τους ενδιάμεσους κόμβους, πάνω από αμιγώς οπτικά κανάλια τα οποία ονομάζονται οπτικά μονοπάτια (lightpaths). Όμως, η αποδοτική αξιοποίηση της χωρητικότητας των WDM δικτύων απαιτεί την επίλυση ειδικών θεμάτων που σχετίζονται µε τις ιδιαιτερότητες και τη φύση αυτών των δικτύων. Το σημαντικότερο ίσως από αυτά είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment RWA), θέμα πάνω στο οποίο έχει αναπτυχθεί έντονη ερευνητική δραστηριότητα τα τελευταία χρόνια. Οι περιορισμοί που ορίζουν αυτό το πρόβλημα είναι οτι ένα μήκος κύματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο από ένα οπτικό μονοπάτι (distinct wavelength assignment) και οτι όταν δεν υπάρχουν μετατροπείς μήκους κύματος, το οπτικό μονοπάτι πρέπει να χρησιμοποιεί το ίδιο μήκος κύματος σε όλους τους συνδέσμους που το αποτελούν (wavelength continuity). Ένα άλλο θέμα που χρήζει ιδιαίτερης προσοχής στα αμιγώς διαφανή ή ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα είναι οι φυσικές εξασθενήσεις που υφίσταται το οπτικό σήμα κατά την διάδοση του πάνω σε ένα αμιγώς οπτικό μονοπάτι. Η πλειοψηφία των αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος που έχουν παρουσιαστεί μέχρι σήμερα, υποθέτουν ότι η μετάδοση του σήματος γίνεται πάνω από ένα ιδανικό φυσικό στρώμα, και επομένως είναι απαλλαγμένη από λάθη [29]. Φυσικά κάτι τέτοιο δεν έχει ισχύ σε ένα πραγματικό δίκτυο, καθώς η μετάδοση του σήματος επηρεάζεται σημαντικά και υποβαθμίζεται από μια πλειάδα φυσικών περιορισμών λόγω της μη ιδανικότητας της ίνας αλλά και των λοιπών οπτικών στοιχείων του δικτύου όπως διακόπτες, κόμβοι κτλ. Οι περιορισμοί αυτοί χωρίζονται σε γραμμικούς όπως ο θόρυβος αυθόρμητης

8 ενισχυμένης εκπομπής (ASE), η χρωματική διασπορά (CD), η διασπορά τρόπων πόλωσης (PMD), και η μη ιδανικότητα των φίλτρων (FC) και μη γραμμικούς όπως η αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM), η αλληλεπίδραση γειτονικών καναλιών (XPM) και η μείξη τεσσάρων κυμάτων (FWM). Έτσι, λόγω των επιδράσεων αυτών μειώνεται ο λόγος οπτικού σήματος προς θόρυβο (OSNR), με αποτέλεσμα να αυξάνεται σημαντικά και η συχνότητα εμφάνισης λαθών (BER) στον κόμβο προορισμού. Αν η παραπάνω συχνότητα εμφάνισης λαθών είναι μεγαλύτερη από ένα καθορισμένο όριο, τότε το οπτικό αυτό μονοπάτι θεωρείται μη εφικτό και η συγκεκριμένη σύνδεση θα πρέπει να απορριφθεί. Επομένως κατά την επίλυση του RWA προβλήματος σε αμιγώς διαφανή ή ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις που προκαλούνται στο σήμα λόγω των φυσικών εξασθενήσεων. Ανάλογα με την διάμετρο του δικτύου υπάρχει περίπτωση το σήμα πάνω από μονοπάτια μεγάλου μήκους να μην μπορεί να μεταδοθεί αμιγώς οπτικά. Η μόνη λύση σε αυτές τις περιπτώσεις είναι η χρήση αναγεννητών. Εκτός από τον περιορισμό της μέγιστης αμιγώς οπτικής μετάδοσης, επιπλέον παράγοντες που σχετίζονται με την αποδοτικότητα χρήσης των διαθέσιμων μήκων κύματος έχουν φέρει στο προσκήνιο τα ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Στα ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα υπάρχουν διαθέσιμοι 3R αναγεννητές σε κάποιους (και όχι όλους τους) κόμβους οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα οπτικά μονοπάτια που διατρέχουν αυτούς τους κόμβους. Στα δίκτυα αυτά εκτός του προβλήματος της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος υπάρχει το επιπλέον πρόβλημα της επιλογής του ποια οπτικά μονοπάτια θα χρησιμοποιήσουν αναγεννητές και ποιους αναγεννητές θα χρησιμοποιήσουν. Η παρούσα εργασία είναι συνέχεια προηγούμενης δουλειάς [30]-[32] που έχει πραγματοποιηθεί στο Εργαστήριο Δικτύων Επικοινωνιών όπου αντιμετωπίστηκε το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος για αμιγώς διαφανή δίκτυα. Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος σε ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Συγκεκριμένα, μελετώνται IA-RWA αλγόριθμοι για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα όπου οι αναγεννητές είναι τοποθετημένοι σποραδικά στο δίκτυο, σε κάποιους κόμβους οι οποίοι είναι εκ των προτέρων γνωστοί. Για την εύρεση της βέλτιστης δυνατής δρομολόγησης των αιτήσεων μοντελοποιούμε το πρόβλημα της επιλογής της ακολουθίας των αναγεννητών μέσα από τους οποίους θα δρομολογηθεί η κάθε σύνδεση, σαν ένα πρόβλημα εικονικής τοπολογίας (virtual topology problem). Στην συνέχεια το πρόβλημα αυτό επιλύεται με τη βοήθεια μιας σειράς αλγορίθμων από πολύπλοκους που βασίζονται σε σχηματισμούς ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Integer Linear Programming ILP) έως απλούστερους, αλλά πάντα πρακτικούς ως προς την εύρεση λύσης, ευριστικούς αλγόριθμους. Πιο συγκεκριμένα, ο προτεινόμενος IA-RWA αλγόριθμος για ετερογενή ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα αποτελείται από τρεις φάσεις. Στην πρώτη φάση, υπολογίζεται η ακολουθία των 3R αναγεννητών μέσα από την οποία πρέπει να διέλθει η κάθε αδιαφανής αίτηση σύνδεσης. Έτσι, κάθε αδιαφανής αίτηση μετασχηματίζεται σε μία ακολουθία διαφανών αιτήσεων. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, προτείνονται δυο αλγόριθμοι για την δρομολόγηση των αδιαφανών αιτήσεων σύνδεσης πάνω από την εικονική τοπολογία του δικτύου των αναγεννητών: (α) ένας σύνθετος και υπολογιστικά ακριβός αλγόριθμος όπου το πρόβλημα της εικονικής τοπολογίας διατυπώνεται με την μορφή ενός ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού, και (β) τεσσάρων «άπληστων» ευριστικών αλγορίθμων πρώτου ταιριάσματος (Greedy firstfit routing heuristic algorithm), καθένας από τους οποίους αντιστοιχεί σε μια διαφορετική επιλογή του κόστους των συνδέσμων της εικονικής τοπολογίας. Στο

9 τέλος της πρώτης φάσης, η αρχική αδιαφανής μήτρα κίνησης έχει μετασχηματιστεί σε μια νέα ισοδύναμη διαφανή μήτρα, όπου όλες οι αιτήσεις σύνδεσης πηγήςπροορισμού είναι διάφανα συνδεδεμένες μεταξύ τους. Στην δεύτερη φάση του αλγορίθμου εφαρμόζεται ένας IA-RWA αλγόριθμος για αμιγώς οπτικά δίκτυα, με είσοδο της μετασχηματισμένη διαφανή μήτρα που έχει δημιουργηθεί στην έξοδο της πρώτης φάσης, προκειμένου να επιλεχθούν τα μονοπάτια και τα μήκη κύματος που θα χρησιμοποιηθούν. Τέλος, στην τρίτη φάση του αλγορίθμου επαναδρομολογούνται μέσω των υπολειπόμενων αναγεννητών της πρώτης φάσης, τυχόν συνδέσεις που έχουν απορριφθεί κατά την δεύτερη φάση λόγω των φυσικών περιορισμών του δικτύου (physical-layer blocking). Η Ποιότητα Μετάδοσης (Quality of Transmission QoT) των δημιουργουμένων lightpaths υπολογίζεται με τη βοήθεια ενός εκτιμητή της παραμέτρου Q του κάθε lightpath ο οποίος χρησιμοποιεί αναλυτικές φόρμουλες προκειμένου να μοντελοποιήσει όλους τους φυσικούς περιορισμούς του δικτύου. Αυτό το εργαλείο χρησιμοποιείται αφενός μεν στην πρώτη φάση του αλγορίθμου προκειμένου να διαχωριστούν οι διαφανείς αιτήσεις από τις αδιαφανείς, και αφετέρου στο τέλος της δεύτερης φάσης του αλγορίθμου για να εκτιμηθεί το κατά πόσο η υπολογισθείσα λύση έχει φυσική ισχύ. Τα lightpaths που απορρίπτονται λόγω χαμηλής ποιότητας μετάδοσης, θα πρέπει να επανεξετασθούν στην τρίτη φάση του αλγορίθμου. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου υπολογίστηκε διεξάγοντας πειράματα για ρεαλιστικές τοπολογίες και μήτρες κίνησης. Η απόδοση του αλγορίθμου κρίνεται ικανοποιητική όχι μόνο για μεσαία, αλλά και για μεγάλης κλίμακας δίκτυα παρέχοντας βέλτιστες ή σχεδόν βέλτιστες λύσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου εκτέλεσης του αλγορίθμου, οφείλεται στον υπολογισμό του IA-RWA αλγόριθμου της δεύτερης φάσης. Σχετικά με την απόδοση των εξεταζόμενων αλγορίθμων της πρώτης φάσης, φαίνεται ότι ο αλγόριθμος που ελαχιστοποιεί τον μέγιστο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών μεταξύ των διαφορετικών κόμβων αναγέννησης του σήματος παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα. Οι προτεινόμενοι ευριστικοί αλγόριθμοι παρέχουν γενικά γρήγορες λύσεις στο πρόβλημα της εικονικής τοπολογίας, ενώ η απόδοσή τους εξαρτάται από τον τύπο του εξεταζόμενου προβλήματος και το υιοθετούμενο κόστος των εικονικών συνδέσμων. Ωστόσο, η απόδοσή τους σε όλες τις περιπτώσεις κρίνεται ικανοποιητική. Συγκεκριμένα, όταν ο αριθμός των διαθέσιμων αναγεννητών είναι περιορισμένος, και ο περιορισμός αυτός αποτελεί τον κυρίαρχο του δικτύου, οι δυο ILP που ελαχιστοποιούν τον μέγιστο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών ανά κόμβο και τον συνολικό αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών στο δίκτυο παρουσιάζουν την καλύτερη απόδοση. Εάν υπάρχουν πολλοί αναγεννητές στο δίκτυο (κάτι που ίσως να σημαίνει ένα κακοσχεδιασμένο δίκτυο) και ο κυρίαρχος περιορισμός είναι ο αριθμός των διαθέσιμων μηκών κύματος, τότε οι δυο ILP αλγόριθμοι φαίνεται να παρουσιάζουν ξανά την καλύτερη συμπεριφορά, με τους ευριστικούς που ελαχιστοποιούν το μήκος και τον αριθμό των φυσικών κόμβων μέσα από τους οποίους διέρχεται το σήμα κατά την μετάδοσή του στο δίκτυο να εμφανίζουν την υποδεέστερη. Η παρούσα εργασία είναι οργανωμένη ως ακολούθως. Το 2 ο Κεφάλαιο αναφέρεται στην αρχιτεκτονική των WDM δικτύων και στο είδος των κόμβων (optical cross connects) που αποτελούν τα στοιχεία που το οικοδομούν. Τα βασικά χαρακτηριστικά του προβλήματος της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 3. Το είδος των φυσικών εξασθενίσεων που υπεισέρχονται της μετάδοσης του σήματος γι αυτού του είδους τα δίκτυα παρουσιάζονται στο

10 Κεφάλαιο 4. Στην συνέχεια, στο Κεφάλαιο 5 παρατίθεται ο αλγόριθμος δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος για διαφανή οπτικά δίκτυα, ο οποίος έχει αναπτυχθεί στο παρελθόν από την ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Δικτύων Επικοινωνιών, και χρησιμοποιείται κατά την δεύτερη φάση του προτεινόμενου αλγορίθμου για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Στο 6 ο Κεφάλαιο αναλύεται εκτενέστερα ο προτεινόμενος αλγόριθμος στατικής δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα, ο οποίος αποτελείται από τρεις φάσεις, και προτείνονται μια σειρά από αλγόριθμοι για να λύσουν το πρόβλημα εικονικής τοπολογίας που αποτελεί την πρώτη φάση του αλγορίθμου. Στο 7 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που διεξήχθησαν για τον υπολογισμό της απόδοσης του προτεινόμενου αλγορίθμου κάτω από αληθοφανή σενάρια, ενώ στο τελευταίο συνοψίζονται τα συμπεράσματα προτείνοντας ταυτόχρονα ανοιχτά ζητήματα για περεταίρω μελέτη.

11 2 WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING Η πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - (WDM)) είναι μία υποσχόμενη τεχνολογία για ταχύτερα και πιο αξιόπιστα δίκτυα επικοινωνιών [19]. Αν και παραδοσιακά μόνο ένα μικρό μέρος της χωρητικότητας της ίνας μπορούσε να χρησιμοποιηθεί, με τη βοήθεια της πολυπλεξίας διαίρεσης μηκών κύματος τα οπτικά δίκτυα έχουν ένα μεγάλο πλεονέκτημα [13]. Εκμεταλλεύονται πλήρως το πολύ μεγάλο εύρος ζώνης του οπτικού συνδέσμου. Αυτό επιτυγχάνεται ως εξής: Το εύρος ζώνης χωρίζεται σε n µη επικαλυπτόμενα διαστήματα, κάθε ένα από τα οποία εκτείνεται γύρω από ένα βασικό μήκος κύματος (wavelength). Στο πεδίο των συχνοτήτων, το εύρος συχνοτήτων που ορίζει το συγκεκριμένο εύρος ζώνης, χωρίζεται σε n ανεξάρτητα κανάλια, κάθε ένα από τα οποία αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Κάθε ένα από τα κανάλια αυτά διαμορφώνεται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Με άλλα λόγια, n πηγές εκπομπής σήματος μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους και εκπέμποντας η κάθε μία με διαφορετικό ρυθμό που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο μήκος κύματος που της έχει ανατεθεί, να μεταδώσουν ανεξάρτητα η μία από την άλλη πάνω από τον ίδιο σύνδεσμο. Τα n διαμορφωμένα μήκη κύματος, πολυπλέκονται μεταξύ τους στον κόμβο πρόσβασης (access node) και στέλνονται στο δίκτυο. Σε κάθε κόμβο προορισμού υπάρχει ένα φίλτρο που είναι συντονισμένο στο αντίστοιχο μήκος κύματος. Το λαμβανόμενο σήμα στη συνέχεια αποδιαμορφώνεται και ανακτάται το αρχικό σήμα. Σχήμα 2.1: Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος (WDM) Στην WDM τεχνική, πολλαπλά σήματα πληροφορίας προσαρμόζονται σε οπτικά σήματα διαφορετικού μήκους κύματος, με τα προκύπτοντα μήκη κύματος να συνδυάζονται και να εκπέμπονται ταυτόχρονα πάνω στην ίδια οπτική ίνα (Σχήμα 2.1).

12 2.1 Αρχιτεκτονική WDM δικτύου Η επιτυχία των WDM οπτικών δικτύων στηρίζεται σε μεγάλο ποσοστό στα διαθέσιμα οπτικά στοιχεία. Ένα διάγραμμα ενός WDM συστήματος επικοινωνίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.2. Το μέσο μετάδοσης (network medium ή transmission medium) μπορεί να είναι μία απλή οπτική ίνα, ένας συζεύκτης παθητικού αστέρα (passive star coupler) για ένα δίκτυο εκπομπής και επιλογής (broadcast and select), ή ένα δίκτυο από οπτικούς ή ηλεκτρονικούς μεταγωγείς και οπτικές ίνες. Ο πομπός (transmitter) αποτελείται από έναν ή περισσότερους οπτικούς πομπούς, που μπορούν είτε να καθοριστούν σε ένα μόνο μήκος κύματος, είτε μπορούν να ρυθμιστούν σε ένα εύρος από μήκη κύματος. Κάθε οπτικός πομπός αποτελείται από ένα laser και ένα διαμορφωτή laser και μπορεί επίσης να περιλαμβάνει ένα οπτικό φίλτρο για ρυθμιστικούς (tuning) σκοπούς. Εάν χρησιμοποιούνται πολλαπλοί οπτικοί πομποί τότε χρειάζεται ένας πολυπλέκτης ή συζεύκτης για να συνδυάζει τα σήματα από τους διαφορετικούς πομπούς laser σε μία οπτική ίνα. Ο δέκτης αποτελείται από ένα ρυθμιζόμενο φίλτρο το οποίο ακολουθείται από έναν φωτοφωρατή ή έναν αποπολυπλέκτη που ακολουθείται από μία συστοιχία από φωτοφωρατές [3], [5]. Σχήμα 2.2: Σχηματικό διάγραμμα ενός WDM συστήματος μετάδοσης Παραδείγματα μερικών WDM πομπών και δεκτών παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.3. Ενισχυτές μπορεί να χρειάζονται σε διάφορες θέσεις σε όλο το δίκτυο για να διατηρήσουν την ισχύ των οπτικών σημάτων. Σχήμα 2.3: Δομές πομπού και δέκτη

13 2.1.1 Οπτικά δίκτυα Τα οπτικά δίκτυα είναι ταχύτερα από τα παραδοσιακά δίκτυα, γιατί σε αντίθεση με την μεταφορά ηλεκτρονίων στα καλώδια χαλκού, στις οπτικές ίνες έχουμε μεταφορά φωτονίων. Τα φωτόνια είναι ελαφρύτερα από τα ηλεκτρόνια και επιπλέον τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους επειδή δεν έχουν φορτίο. Επίσης δεν επηρεάζονται από φωτόνια εκτός ίνας. Το φως χαρακτηρίζεται από υψηλότερες συχνότητες και συνεπώς από χαμηλότερα μήκη κύματος, με αποτέλεσμα περισσότερα bits πληροφορίας να μπορούν να μεταφερθούν μέσω της οπτικής ίνας έναντι του καλωδίου χαλκού. 2.1.2 Οπτικές ίνες Η οπτική ίνα αποτελείται από ένα πολύ λεπτό γυάλινο κύλινδρο (πυρήνας), μέσω του οποίου μεταφέρεται το φως. Ο πυρήνας περικλείεται από ένα ομόκεντρο επίπεδο γυαλιού (μανδύας), το οποίο προστατεύεται από ένα λεπτό πλαστικό περίβλημα (Σχήμα 2.4α). Ο πυρήνας χαρακτηρίζεται από ένα ελαφρώς μεγαλύτερο δείκτη διάθλασης σε σχέση με τον μανδύα. Ο λόγος των δεικτών διάθλασης καθορίζει την κρίσιμη γωνία θ c. Η λειτουργία της οπτικής ίνας στηρίζεται στην ολική εσωτερική ανάκλαση. Όταν μία ακτίνα φωτός απ τον πυρήνα πλησιάσει στην επιφάνεια μεταξύ του πυρήνα και του μανδύα με γωνία μικρότερη από θ c, η ακτίνα φωτός ανακλάται πλήρως στον πυρήνα (Σχήμα 2.4β). Σχήμα 2.4: α) Οπτική ίνα, β) ανάκλαση στην οπτική ίνα Εφόσον κάθε ακτίνα φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια μεταξύ του πυρήνα και του μανδύα με γωνία μικρότερη από θ c ανακλάται εσωτερικά, πολλές διαφορετικές ακτίνες φωτός στον πυρήνα θα ανακλώνται με διαφορετικές γωνίες. Κάθε ακτίνα χαρακτηρίζεται από έναν τρόπο και η ίνα με αυτή την ιδιότητα λέγεται πολύτροπη ίνα

14 (Σχήμα 2.5α). Οι διαφορετικοί τρόποι αναγκάζουν τις ακτίνες να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να περιορίζεται ο μέγιστος ρυθμός από bits σε μία τέτοια ίνα. Στην περίπτωση που η διάμετρος του πυρήνα γίνει πολύ μικρή, η ίνα δρα σαν κατευθυντής φωτονίων και το φως μπορεί να ταξιδέψει σε ευθεία γραμμή. Μία τέτοια ίνα καλείται μονότροπη ίνα (Σχήμα 2.5β). Οι μονότροπες ίνες είναι πιο γρήγορες και πιο ακριβές από τις πολύτροπες. Σχήμα 2.5: α) πολύτροπη ίνα β) μονότροπη ίνα Το Σχήμα 2.6 δείχνει τις δύο περιοχές χαμηλής εξασθένησης της ίνας. Με κέντρο περίπου τα 1300 nm υπάρχει ένα εύρος 200 nm στο οποίο η εξασθένηση είναι μικρότερη από 0.5 db ανά km. Με κέντρο περίπου τα 1550 nm υπάρχει ένα εύρος περίπου ίσου μεγέθους, στο οποίο η εξασθένηση είναι μικρότερη από 0.2 db ανά km. Όταν συνδυαστούν οι δύο αυτές περιοχές παρέχουν ένα θεωρητικό άνω όριο από 50 THz εύρους ζώνης [14]. Σχήμα 2.6: Οι περιοχές χαμηλής εξασθένησης μιας οπτικής ίνας.

15 2.1.3 Ενισχυτές Σε ένα σύστημα οπτικών επικοινωνιών, τα οπτικά σήματα που εκπέμπονται από τον πομπό εξασθενούν λόγω της μετάδοσής τους μέσα από την οπτική ίνα. Πριν από την εμφάνιση των οπτικών ενισχυτών, η μόνη επιλογή ήταν να αναπαραχθεί το σήμα και να αναμεταδοθεί. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται από τους αναγεννητές. Οι οπτικοί ενισχυτές δεν επηρεάζονται από τον ρυθμό μετάδοσης ή τη διαμόρφωση του σήματος. Παρόλο που ένα οπτικό σήμα μπορεί να διαδοθεί σε μια μεγάλη απόσταση προτού χρειαστεί ενίσχυση, τα δίκτυα μεγάλης απόστασης (long haul) και τα τοπικά οπτικά δίκτυα (local lightwave) μπορούν να ωφεληθούν από τους οπτικούς ενισχυτές. Η ολική-οπτική ενίσχυση μπορεί να διαφέρει από την οπτικό-ηλεκτρονική ενίσχυση καθώς μπορεί να ενεργήσει μόνο για να αυξήσει την ενέργεια ενός σήματος, και όχι να αποκαταστήσει τη μορφή ή το συγχρονισμό του σήματος. Αυτός ο τύπος ενίσχυσης είναι γνωστός ως 1R (αναγέννηση), και παρέχει συνολική διαφάνεια δεδομένων. Σε ένα WDM σύστημα, κάθε μήκος κύματος θα πρέπει να χωριστεί πριν να ενισχυθεί ηλεκτρονικά, και να επανασυνδεθεί πριν αναμεταδοθεί. Κατά συνέπεια, προκειμένου να εξαλειφθεί η ανάγκη για τους οπτικούς πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες στους ενισχυτές, οι οπτικοί ενισχυτές θα πρέπει να μπορούν να ενισχύσουν τη ισχύ των οπτικών σημάτων χωρίς να πρέπει πρώτα να μετατραπούν σε ηλεκτρικά σήματα. Ένα μειονέκτημα σε αυτή την περίπτωση είναι ότι μαζί με το σήμα ενισχύεται και ο θόρυβος. Μάλιστα, καθώς τα στάδια της ενίσχυσης αυξάνονται, ο συσσωρεμένος θόρυβος καθιστά απαγορευτική την αποτελεσματική αναγνώριση του σήματος. Η οπτική ενίσχυση χρησιμοποιεί την ιδιότητα της εξαναγκασμένης εκπομπής. Οι δύο βασικοί τύποι οπτικών ενισχυτών είναι οι ενισχυτές ημιαγωγών λέιζερ και οι ενισχυτές εμποτισμένοι με ιόντα ερβίου. Οι οπτικοί εμποτισμένοι ενισχυτές είναι οπτικές ίνες εμποτισμένες με ένα στοιχείο που μπορεί να ενισχύσει το φως (Σχήμα 2.7). Το πιο συνηθισμένο στοιχείο είναι το έρβιο, το οποίο παρέχει κέρδος για τα μήκη κύματος μεταξύ 1525nm και 1560nm. Στο τέλος της οπτικής ίνας, ένα λέιζερ μεταδίδει ένα ισχυρό σήμα σε ένα χαμηλότερο μήκος κύματος (το οποίο αναφέρεται ως μήκος κύματος άντλησης pump wavelength) ενισχύοντας την ίνα. Αυτό το σήμα άντλησης διεγείρει τα εμποτισμένα άτομα σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Στη συνέχεια, το σήμα των δεδομένων παρακινεί τα διεγερμένα άτομα να απελευθερώσουν φωτόνια. Οι περισσότεροι ενισχυτές ιόντων ερβίου (EDFAs) αντλούνται από λέιζερ με μήκος κύματος 980nm ή 1480nm. Το μήκος κύματος άντλησης στα 980nm έχει κέρδος γύρω στα 10dB/mW, ενώ το μήκος κύματος άντλησης στα 1480nm έχει κέρδος γύρω στα 5dB/mW. Τυπικά κέρδη είναι της τάξης των 25 db. Πειραματικά, έχει αποδειχθεί ότι οι EDFAs πετυχαίνουν κέρδος μέχρι 51 db.

16 Σχήμα 2.7: Ενισχυτής εμποτισμένος με ιόντα ερβίου. Το φυσικό μήκος (physical length) ενός lightlink ορίζεται ως το μήκος της αντίστοιχης οπτικής ίνας. Το μήκος ενίσχυσης (amplifier length) ενός lightlink ορίζεται ως ο αριθμός των ενισχυτών κατά μήκος του lightlink. Το φυσικό μήκος ενίσχυσης ενός οπτικού μονοπατιού, ορίζεται ως το άθροισμα των αντίστοιχων φυσικών μηκών ενίσχυσης των lightlinks που απαρτίζουν το συγκεκριμένο οπτικό μονοπάτι. Το φαινόμενο της διασποράς (dispersion) και άλλοι παράγοντες θέτουν ένα άνω όριο στο μέγιστο επιτρεπτό φυσικό μήκος ενός οπτικού μονοπατιού. Επίσης, υπάρχει ένα άνω όριο και στο μήκος ενίσχυσης ενός οπτικού μονοπατιού, πριν το σήμα υποστεί οπτοηλεκτρονική μετατροπή. Το μήκος ενίσχυσης ενός οπτικού μονοπατιού είναι συνήθως ανάλογο µε το φυσικό του μήκος, δεδομένου ότι οι ενισχυτές συνήθως τοποθετούνται σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους. Στην περίπτωση αυτή, τα δύο παραπάνω είδη περιορισμών θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν σαν ένας, μειώνοντας έτσι την πολυπλοκότητα του προβλήματος της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος. 2.1.4 Αναγεννητές Όπως προείπαμε η αντιστάθμιση της ποιότητας του σήματος λόγω της διάδοσής του στο εσωτερικό της ίνας μπορεί να γίνει είτε με ενισχυτές ή με αναγεννητές. Η χρήση των αναγεννητών σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους, ιδιαίτερα για τα μονοπάτια μεγάλου μήκους φαίνεται να είναι προς το παρόν αναπόφευκτη. Σε αντίθεση με έναν ενισχυτή ο οποίος απλά ενισχύει τη στάθμη του σήματος, εισάγοντας παράλληλα ανεπιθύμητο θόρυβο, ένας αναγεννητής μπορεί να αναδημιουργήσει το σήμα μετατρέποντας το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό σήμα, καθαρίζοντας το, και μετατρέποντας το πάλι σε οπτικό σήμα για την μετάδοση του. Ένας αναγεννητής δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένα ζευγάρι δέκτη-πομπού, που ανιχνεύει το εισερχόμενο οπτικό σήμα, ανακτά το ηλεκτρικό ρεύμα bit και τότε το μετατρέπει πάλι σε οπτική μορφή, διαμορφώνοντας την οπτική πηγή. Το είδος των αναγεννητών που εξετάζονται στην παρούσα εργασία είναι οι αναγεννητές ενίσχυσης, ανασχηματισμού και επαναχρονισμού (re-amplifying, reshaping and re-timing) των οπτικών παλμών, γνωστοί σαν 3R αναγεννητές.

17 Σχήμα 2.8: Ζεύξεις οπτικών ινών σημείο προς σημείο με περιοδική αντιστάθμιση απώλειας μέσω α) αναγεννητών και β) οπτικών ενισχυτών. Ένας αναγεννητής αποτελείται από έναν δέκτη συνοδευόμενο από έναν πομπό. Ανάλογα με τον αριθμό των κόμβων του δικτύου που είναι εφοδιασμένοι με 3R αναγεννητές, τα οπτικά δίκτυα χωρίζονται σε ημιδιαφανή και αδιαφανή. Στα αδιαφανή (opaque) οπτικά δίκτυα (Σχήμα 2.9 (b)), το σήμα αναγεννάται σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο κατά μήκος ενός μονοπατιού με τη βοήθεια της οπτικήςηλεκτρονικής-οπτικής (ΟΕΟ) μετατροπής, κάτι που καθιστά το δίκτυο αρκετά δαπανηρό. Το κόστος του δικτύου θα μπορούσε να μειωθεί εάν χρησιμοποιούνταν αναγεννητές μόνο σε κάποιους συγκεκριμένους κόμβους του δικτύου αντί για όλους. Σε αυτή την περίπτωση είναι δυνατός ο τεμαχισμός των μονοπατιών μεγάλου μήκους σε έναν αριθμό μικρότερων μονοπατιών, εφόσον φυσικά υπάρχουν ελεύθεροι αναγεννητές σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους. Ο αναγεννητής στο τέλος του κάθε επιμέρους μονοπατιού λειτουργεί σαν σταθμός ανεφοδιασμού του σήματος έτσι ώστε να ανακτάται η αρχική ποιότητα του σήματος. Αυτού του είδους τα δίκτυα όπου μερικές αιτήσεις εξυπηρετούνται αποκλειστικά στην οπτική περιοχή, ενώ κάποιες άλλες με τη βοήθεια μιας ακολουθίας αναγεννητών είναι γνωστά σαν ημιδιαφανή (translucent) οπτικά δίκτυα (Σχήμα 2.9 (c)).

18 Σχήμα 2.9: Οπτικά δίκτυα (a) Διαφανή, (b) Αδιαφανή και (c) Ημιδιαφανή 2.2 Φυσική τοπολογία ενός WDM δικτύου 2.2.1 Κόμβοι πρόσβασης Οι κόμβοι πρόσβασης (access nodes) είναι οι κόμβοι στους οποίους συγκεντρώνεται η κίνηση και οι αιτήσεις των χρηστών, συνδέονται µε τους διακόπτες του υπόλοιπου οπτικού δικτύου, µέσω κάποιων από τις ίνες εισόδου και εξόδου. Κάθε access node συνδέεται με κάποιο routing node μέσω μιας συγκεκριμένης ίνας εισόδου σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Αν απαιτείται διαφορετικό μήκος κύματος, τότε θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion). Οι κόμβοι πρόσβασης των WDM δικτύων διαθέτουν lasers και φίλτρα, για την εκπομπή και λήψη αντίστοιχα του οπτικού σήματος, τα οποία ρυθμίζονται κατάλληλα ώστε να λειτουργούν στην επιθυμητή συχνότητα που αντιστοιχεί στο μήκος κύματος που έχει ανατεθεί στην κάθε σύνδεση. Ένας κόμβος πρόσβασης μπορεί να μεταδίδει ταυτόχρονα σε πολλά μήκη κύματος. Τα διαφορετικά αυτά σήματα πολυπλέκονται µε τη βοήθεια κατάλληλων πολυπλεκτών μήκους κύματος (wavelength multiplexers) και μεταδίδονται μαζί πάνω από την ίδια οπτική ίνα.

19 2.2.2 Κόμβοι μεταγωγής Στους ενδιάμεσους κόμβους μεταγωγής (routing/switching nodes), χρησιμοποιούνται οπτοηλεκτρονικά switches (optical cross connects OXCs) για τη δρομολόγηση του σήματος στον τελικό προορισμό. Ένα OXC παίρνει σαν είσοδο ένα οπτικό σήμα σε κάθε ένα από τα μήκη κύματος σε μία από τις εισόδους του, και μπορεί να το κάνει μεταγωγή σε μία συγκεκριμένη έξοδο, ανεξάρτητα από άλλα μήκη κύματος. Ένα OXC με N εισόδους και N εξόδους ικανό να χειρίζεται W μήκη κύματος για κάθε port είναι ισοδύναμος με W ανεξάρτητους N N μεταγωγείς. Αυτοί οι μεταγωγείς πρέπει να βρίσκονται μετά από έναν αποπολυπλέκτη μήκους κύματος και να ακολουθούνται από έναν πολυπλέκτη μήκους κύματος για να υλοποιούν έναν OXC όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.10. Επομένως, ένας OXC μπορεί να συνδέσει τα διαφορετικά μήκη κύματος από την είσοδο στη έξοδο, όπου ο τύπος σύνδεσης του κάθε μήκους κύματος είναι ανεξάρτητος από τους υπολοίπους. Με κατάλληλη διαμόρφωση των OXC κατά μήκος ενός φυσικού μονοπατιού, λογικές συνδέσεις (lightpaths) μπορούν να εγκατασταθούν μεταξύ οποιουδήποτε ζευγαριού από υποδίκτυα. Πολλές φορές, πριν το σήμα επαναμεταδοθεί και προωθηθεί στον επόμενο κόμβο, ενδέχεται να έχει διανύσει μεγάλη απόσταση και να έχει χάσει μέρος της ενέργειας του, λόγω των φαινομένων της εξασθένισης και της διασποράς, και πρέπει να ενισχυθεί. Για το σκοπό αυτό, υπάρχουν οπτικοί ενισχυτές που επιτελούν αυτή τη λειτουργία εξολοκλήρου στον οπτικό τομέα, χωρίς το σήμα να μετατρέπεται σε ηλεκτρικό. Σχήμα 2.10: Οπτικοί μεταγωγείς με δύο μήκη κύματος ανά ίνα.

20 2.2.3 Lightpaths Lightpath καλείται μία σύνδεση που εγκαθίσταται από έναν κόμβο αφετηρίας σε έναν κόμβο προορισμού προκειμένου να μεταφέρει circuit switched κίνηση. Ένα lightpath είναι στην ουσία μια ακολουθία από unidirectional lightlinks από έναν κόμβο αφετηρίας s σε έναν κόμβο προορισμού d (Σχήμα 2.11). Το lightpath αποτελείται από ένα συγκεκριμένο wavelength της οπτικής ίνας εισόδου του κόμβου μεταγωγής s, ένα συγκεκριμένο wavelength της οπτικής ίνας εξόδου του κόμβου μεταγωγής d και τα ενδιάμεσα lightlinks που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία των ενδιάμεσων κόμβων. Κάθε lightpath που χρησιμοποιείται για μια σύνδεση θεωρείται ότι έχει χωρητικότητα c = 1 μονάδα, που αντιστοιχεί στη χωρητικότητα ενός lightlink (wavelength), δηλαδή τη ροή που μπορεί να μεταφέρει το wavelength αυτό. Αν κανένας κόμβος του δικτύου δεν έχει τη δυνατότητα για wavelength conversion, 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 μπορεί να είναι all-optical ή όχι, ανάλογα µε το αν κατά μήκος του μονοπατιού το σήμα μεταδίδεται εξολοκλήρου στον οπτικό τομέα, ή σε κάποιους κόμβους μεταγωγής υφίσταται οπτοηλεκτρονική μετατροπή. Σχήμα 2.11: Ένα οπτικό WDM δίκτυο με εγκατεστημένα lightpaths.

21 2.3 Μετατροπή μήκους κύματος Ιδιαίτερα σημαντική για τα WDM οπτικά δίκτυα, είναι η λειτουργία της μετατροπής μήκους κύματος (wavelength conversion). Το οπτικό σήμα φτάνοντας σε έναν ενδιάμεσο κόμβο από έναν σύνδεσμο εισόδου με μήκος κύματος λ i, είναι δυνατόν κατά την έξοδο του από τον κόμβο, να φύγει σε ένα άλλο μήκος κύματος λ j του συνδέσμου εξόδου, µε λi λj. Για να γίνει η μετάβαση αυτή από το ένα μήκος κύματος στο άλλο, θα πρέπει ο κόμβος να είναι εφοδιασμένος µε έναν μετατροπέα μήκους κύματος (wavelength conversion) που να υποστηρίζει τη μετατροπή από το μήκος κύματος i στο μήκος κύματος j. Υπάρχουν διαφορετικά είδη μετατροπής μήκους κύματος (Σχήμα 2.12). Η πλήρης δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος (full wavelength conversion) σημαίνει ότι κάθε μήκος κύματος εισόδου μπορεί να μετατραπεί σε οποιοδήποτε μήκος κύματος εξόδου. Η περιορισμένη μετατροπή μήκους κύματος (limited wavelength conversion) σημαίνει ότι κάθε μήκος κύματος εισόδου μπορεί να μετατραπεί σε ένα μόνο υποσύνολο των μηκών κύματος εξόδου. Μία ειδική περίπτωση της περιορισμένης μετατροπής είναι η σταθερή μετατροπή μήκους κύματος (fixed wavelength conversion), όπου κάθε μήκος κύματος εισόδου μπορεί να μετατραπεί σε ακριβώς ένα άλλο μήκος κύματος. Η μετατροπή μήκους κύματος αυξάνει της επιλογές δρομολόγησης για ένα οπτικό μονοπάτι και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να οδηγούμαστε σε μικρότερη blocking probability του δικτύου. Όταν δεν υπάρχει δυνατότητα για μετατροπή μήκους κύματος, το μήκος κύματος εισόδου θα πρέπει να είναι το ίδιο με το μήκος κύματος εξόδου. Σχήμα 2.12: a) Χωρίς Μετατροπή, b) Σταθερή Μετατροπή, c) Περιορισμένη Μετατροπή, d) Πλήρης Μετατροπή μηκών κύματος. Η μετατροπή του μήκους κύματος σε έναν κόμβο μπορεί να απαιτείται για μια σύνδεση που φτάνει από έναν κόμβο μεταγωγής του δικτύου και θα πρέπει να κατευθυνθεί σε έναν άλλο (continuing connection), ή για µία σύνδεση που φτάνει από έναν κόμβο πρόσβασης (originating connection), ή για µία σύνδεση που καταλήγει σε έναν κόμβο πρόσβασης (terminating connection) [25].

22 Η μετατροπή μήκους κύματος μπορεί να επιτελέσει σπουδαίο ρόλο για καλύτερη και αποδοτικότερη χρησιμοποίηση (utilization) των διαθέσιμων μηκών κύματος του δικτύου. Παράλληλα µε την κατάλληλη μετατροπή κύματος σε ένα WDM δίκτυο, είναι δυνατό να μειωθεί η blocking probability της εξυπηρέτησης μιας αίτησης σύνδεσης. Ωστόσο, η μετατροπή μήκους κύματος είναι γενικά µία πολύπλοκη και ακριβή επεξεργασία. Γενικά, όσον αφορά την πολυπλοκότητα, το πιο εύκολο ως προς την υλοποίηση είναι η no wavelength conversion και κατόπιν κατά αύξουσα σειρά πολυπλοκότητας, η fixed wavelength conversion, η limited wavelength conversion και η full wavelength conversion. Ειδικά για την περίπτωση που η μετατροπή μήκους κύματος γίνεται αμιγώς οπτικά (all-optical), κάθε μετατροπή και ειδικά η full wavelength conversion, είναι εξαιρετικά πολύπλοκη και δαπανηρή. Υπάρχει μια στενή συσχέτιση του αριθμού των μεταγωγών που απαιτούνται για τη δρομολόγηση και της δυνατότητας για μετατροπή του μήκους κύματος που διαθέτουν οι κόμβοι του δικτύου. Στη γενική περίπτωση, ένας ορισμένος βαθμός μετατροπής μπορεί να επιτευχθεί µε έναν κατάλληλο συνδυασμό από μεταγωγείς και μετατροπείς μήκους κύματος. Αποτελέσματα ερευνών έχουν δείξει ότι γενικά δεν υπάρχει πολύ μεγαλύτερο κέρδος όταν χρησιμοποιείται πλήρης μετατροπή μήκους κύματος στους κόμβους ενός δικτύου. Έτσι λοιπόν η περιορισμένη μετατροπή μήκους κύματος δίνει τη δυνατότητα να περιορίσει τον αριθμό των μεταγωγών, να μειώσει τον αριθμό των wavelength converters σε σχέση µε την πλήρη μετατροπή μήκους κύματος και συνεπώς να μειωθεί και το κόστος της υλοποίησης. Αξίζει να σημειωθεί ότι έστω και η περιορισμένη χρήση της μετατροπής μήκους κύματος αυξάνει το κόστος υλοποίησης, τις απαιτήσεις του δικτύου σε υλικό και την πολυπλοκότητα υπολογισμού σε σχέση µε τη no wavelength conversion. Στην περίπτωση που η μεταγωγή, η ενίσχυση και η μετατροπή μήκους κύματος γίνονται αμιγώς στον οπτικό τομέα, τότε αναφερόμαστε στα αμιγώς οπτικά (alloptical) WDM οπτικά δίκτυα, που σαν αποτέλεσμα έχουν την εξασφάλιση της διαφάνειας (transparency) της λειτουργίας του δικτύου και τη σημαντική αύξηση της ταχύτητάς του. Αυτό συμβαίνει γιατί τα ηλεκτρονικά στοιχεία ενός οπτικού δικτύου, λειτουργούν σε πολύ μικρότερους ρυθμούς από την ταχύτητα μετάδοσης του σήματος μέσα στον σύνδεσμο. Όταν υπάρχει λοιπόν οπτοηλεκτρονική μετατροπή μέσα στο δίκτυο, η καθυστέρηση οφείλεται περισσότερο στην επεξεργασία του σήματος στους ενδιάμεσους κόμβους και λιγότερο στην ίδια τη μετάδοση του σήματος. Η τεχνολογία βέβαια δεν έχει φτάσει ακόμα σε σημείο που να υποστηρίζει εξολοκλήρου και σε ικανοποιητικό βαθμό την all-optical μετάδοση του σήματος, αλλά ερευνητικές και εργαστηριακές μελέτες δείχνουν ότι κάτι τέτοιο δε θα αργήσει να επιτευχθεί. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η συμπεριφορά οπτικών δικτύων απουσία μετατροπέων μήκους κύματος. Μετατροπή μήκους κύματος είναι έτσι εφικτή μόνο στους κόμβους αναγέννησης του σήματος.

23 3 ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Μία αίτηση για σύνδεση χαρακτηρίζεται από το σημείο έναρξης στο δίκτυο, το σημείο τερματισμού στο δίκτυο και τη χρονική περίοδο για την οποία θέλουμε να εγκατασταθεί η συγκεκριμένη σύνδεση. Σε ένα WDM δίκτυο η δρομολόγηση δεν αφορά μόνο την εύρεση ενός μονοπατιού από την πηγή στον προορισμό, αλλά και στον καθορισμό των μηκών κύματος κατά μήκος των συνδέσμων που θα καταλαμβάνει το σήμα [18], [21]. Δεδομένου μιας τοπολογίας λοιπόν, ενός WDM δικτύου και ενός συνόλου αιτήσεων προς εξυπηρέτηση, το πρόβλημα του καθορισμού των μονοπατιών και τα μηκών κύματος όλων των συνδέσεων που θα πρέπει να εγκατασταθούν για να ικανοποιηθούν οι αιτήσεις ονομάζεται πρόβλημα Δρομολόγησης και Ανάθεσης Μήκους Κύματος (Routing and wavelength Assignment) [20],[27]. Αν θέλαμε να αντιστοιχίσουμε το πρόβλημα της Δρομολόγησης και Ανάθεσης Μήκους Κύματος με το οδικό δίκτυο και την ρύθμιση της κυκλοφορίας, θα λέγαμε ότι στο κυκλοφοριακό ανάλογο το RWA πρόβλημα αντιστοιχεί στην επιλογή του κατάλληλου δρόμου και της κατάλληλης λωρίδας κυκλοφορίας, ώστε να λαμβάνονται υπόψη οι διάφοροι περιορισμοί που επιβάλλονται από τη φύση των οπτικών δικτύων και που για παράδειγμα έχουν να κάνουν με τη σύνδεση μεταξύ των δρόμων (switches στους κόμβους μεταγωγής), τον αριθμό των λωρίδων κυκλοφορίας (αριθμός των wavelengths), τη χωρητικότητα των λωρίδων κυκλοφορίας (διάστημα του κάθε wavelength), τα σημεία όπου επιτρέπεται αλλαγή λωρίδας (κόμβοι που θα διαθέτουν wavelength converters) κλπ. [25]. Τυπικά, οι τύποι κίνησης μπορεί να είναι τριών ειδών: Στατικός (Static), Αυξανόμενος (Incremental) και Δυναμικός (Dynamic). Στον στατικό τύπο, το σύνολο των αιτήσεων είναι γνωστό εκ των προτέρων. Γνωρίζουμε δηλαδή για το χρονικό διάστημα στο οποίο θέλουμε να κάνουμε τη δρομολόγηση, τον πίνακα ροής (traffic matrix) Λ sd, ο οποίος είναι ένας ακέραιος πίνακας που δίνει τον αριθμό των συνδέσεων που θα πρέπει να εγκατασταθούν για κάθε ζεύγος πηγής-προορισμού. Το πρόβλημα είναι τότε να εγκαταστήσουμε τα lightpaths για αυτές τις αιτήσεις με έναν καθολικό τρόπο κάνοντας ελαχιστοποίηση των πόρων του δικτύου, όπως είναι ο αριθμός των μηκών κύματος στο δίκτυο. Εναλλακτικά, το πρόβλημα είναι ισοδύναμο με το να εγκατασταθούν όσες περισσότερες αιτήσεις γίνεται για έναν σταθερό αριθμό από μήκη κύματος. Το RWA πρόβλημα για τον στατικό τύπο είναι γνωστό ως Static Lightpath Establishment (SLA) πρόβλημα. Στον Αυξανόμενο τύπο, οι αιτήσεις προς εξυπηρέτηση φτάνουν ακολουθιακά, ένα lightpath εγκαθίσταται για κάθε αίτηση και το lightpath παραμένει επ άπειρο. Για τον δυναμικό τύπο, ένα lightpath εγκαθίσταται για κάθε αίτηση καθώς έρχεται στο δίκτυο και το lightpath ελευθερώνεται μετά από πεπερασμένο διάστημα. Ο αντικειμενικός σκοπός (Objective) στον Αυξανόμενο και στον Δυναμικό τύπο είναι να εγκατασταθούν μονοπάτια και να ανατεθούν μήκη κύματος με τρόπο που ελαχιστοποιείται η blocking probability ή μεγιστοποιείται ο αριθμός των συνδέσεων στο δίκτυο κάθε στιγμή. Αυτό το πρόβλημα αναφέρεται ως Dynamic Lightpath Establishment (DLE) πρόβλημα [28]. Το SLE πρόβλημα μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ένα πρόγραμμα μικτού-ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού, που είναι NP-complete. Λόγω της πολυπλοκότητας του προβλήματος, συχνά συνηθίζεται να διαχωρίζεται το RWA πρόβλημα σε δύο

24 επιμέρους υποπροβλήματα. Αυτό της ανεύρεσης ενός κατάλληλου μονοπατιού δρομολόγησης μεταξύ δύο κόμβων (routing) και της ανάθεσης των κατάλληλων μηκών κύματος (wavelength assignment). Η επίλυση του προβλήματος της δρομολόγησης ανεξάρτητα από εκείνο της ανάθεσης του κατάλληλου μήκους κύματος, δε δίνει πάντα βέλτιστα αποτελέσματα. Συχνά όμως, στις περισσότερες προσεγγίσεις χρησιμοποιείται αυτή η τεχνική, γιατί απαιτεί μικρότερη υπολογιστική δύναμη και δίνει σε πολλές περιπτώσεις ικανοποιητικά αποτελέσματα αναφορικά µε τους στόχους και τις ανάγκες που θέλουμε να ικανοποιήσουμε. Το DLE πρόβλημα είναι πιο δύσκολο να επιλυθεί και γι αυτό για την επίλυσή του χρησιμοποιούνται συνήθως ευριστικές μέθοδοι. Ευριστικές μέθοδοι υπάρχουν και για τα δύο υποπροβλήματα. Για το routing πρόβλημα, υπάρχουν τρεις βασικές προσεγγίσεις στην βιβλιογραφία: fixed routing, fixed-alternate και adaptive routing. Ανάμεσα στις τρεις προσεγγίσεις το fixed routing είναι το πιο απλό, ενώ το adaptive routing οδηγεί σε καλύτερη απόδοση. Το alternate routing προσφέρει έναν ανταγωνισμό ανάμεσα στην πολυπλοκότητα και την απόδοση. Για το wavelength assignment πρόβλημα έχουν προταθεί αρκετοί ευριστικοί αλγόριθμοι. Αυτοί είναι οι ακόλουθοι: Random Wavelength Assignment, First Fit, Least-Used/SPREAD, Most Used/PACK, Min- Product, Least Loaded, MAX-SUM, Relative Capacity Loss, Wavelength Reservation και Protection Threshold. Κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας εξετάστηκαν αποκλειστικά στατικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος και συγκεκριμένα για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. 3.1 Περιορισμοί στη δρομολόγηση ενός συνόλου από lightpaths Η λύση του RWA προβλήματος είναι ένα σύνολο από lightpaths. Τα lightpaths αυτά θα πρέπει να πληρούν ένα σύνολο από περιορισμούς. Θα πρέπει λοιπόν να ισχύουν τα παρακάτω: 1. Διαδοχικοί σύνδεσμοι στο lightpath είτε θα πρέπει να καταλαμβάνουν το ίδιο μήκος (wavelength-continuity constraint) κύματος είτε θα πρέπει να υπάρχει στον ενδιάμεσο κόμβο ένας κατάλληλος μετατροπέας μήκους κύματος ή ένας αναγεννητής για τη μετατροπή από το μήκος κύματος εισόδου σε ένα άλλο μήκος κύματος εξόδου. 2. Δύο διαφορετικά lightpaths δεν μπορούν να χρησιμοποιούν το ίδιο μήκος κύματος στην ίδια οπτική ίνα (distinct wavelength assignment constraint). 3. Όταν ένας σταθμός πρόσβασης μεταδίδει/λαμβάνει δεδομένα προς/από έναν κόμβο μεταγωγής, το μήκος κύματος εισόδου/εξόδου θα πρέπει ή να είναι το ίδιο µε το μήκος κύματος εξόδου/εισόδου του κόμβου μεταγωγής, ή θα πρέπει να χρησιμοποιείται κάποιος κατάλληλος μετατροπέας μήκους κύματος. 4. Το φυσικό μήκος και το μήκος ενίσχυσης ενός lightpath θα πρέπει να είναι μικρότερα από τα αντίστοιχα άνω όρια που θέτουν τα χαρακτηριστικά της οπτικής ίνας και του ενισχυτή (π.χ. crosstalk, ASE).

25 3.2 Δυναμική Δρομολόγηση και Ανάθεση Μήκους Κύματος Dynamic case Σε αυτή την περίπτωση η κίνηση που θα εξυπηρετήσει το δίκτυο δεν είναι εκ των προτέρων γνωστή. Κάθε φορά που έρχεται µία αίτηση για σύνδεση, το δίκτυο προσπαθεί να την ικανοποιήσει µε τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται κάθε φορά για τη λήψη της καλύτερης απόφασης μπορεί να είναι διαφορετικά και πάνω σε αυτό έχουν προταθεί διαφορετικές προσεγγίσεις και έχει αναπτυχθεί έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον [15],[26]. Αν µε κανένα τρόπο το δίκτυο δεν μπορεί να διεκπεραιώσει τη δρομολόγηση, η ζητούμενη σύνδεση µπλοκάρεται. Το πρόβλημα αυτό είναι γνωστό ως dynamic RWA [12]. Παρόλο που το RWA πρόβλημα είναι δύσκολο (hard), μπορεί να απλοποιηθεί χωρίζοντας το σε δύο υποπροβλήματα: το routing υποπρόβλημα και το wavelength assignment υποπρόβλημα. 3.2.1 Fixed Routing Ο πιο απλός τρόπος για την δρομολόγηση μιας σύνδεσης είναι να επιλέγουμε πάντα την ίδια σταθερή διαδρομή για ένα δοσμένο ζευγάρι πηγής προορισμού. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας προσέγγισης είναι η σταθερή δρομολόγηση συντομότερου μονοπατιού (fixed shortest-path routing). Το συντομότερο μονοπάτι για κάθε ζεύγος πηγής-προορισμού υπολογίζεται off-line χρησιμοποιώντας γνωστούς αλγορίθμους συντομότερου μονοπατιού, όπως ο Dijkstra ή ο Bellman-Ford. Έτσι κάθε σύνδεση μεταξύ ενός ζεύγους κόμβων εγκαθίσταται χρησιμοποιώντας την προκαθορισμένη διαδρομή. Στο Σχήμα 3.1 απεικονίζεται το σταθερό συντομότερο μονοπάτι από τον κόμβο 0 στον κόμβο 2. Σχήμα 3.1: Fixed routing, συντομότερο μονοπάτι από τον κόμβο 0 στον κόμβο 2. Αυτή η προσέγγιση είναι πολύ απλή, εντούτοις το μειονέκτημα μιας τέτοιας προσέγγισης είναι ότι, εάν οι πόροι (μήκη κύματος) κατά μήκος του μονοπατιού καταναλωθούν θα οδηγήσει σε μεγάλη blocking probability. Επίσης, το fixed routing ίσων να μην είναι ικανό να διαχειριστεί καταστάσεις όπως η πτώση κάποιου συνδέσμου στο δίκτυο. Για να διαχειριστεί μία τέτοια κατάσταση θα πρέπει είτε να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά μονοπάτια είτε να βρεθεί το μονοπάτι δυναμικά. Στο Σχήμα 3.1 μία αίτηση για δρομολόγηση θα απορριφθεί εάν ένα κοινό μήκος κύματος δεν είναι διαθέσιμο και στους δύο συνδέσμους στην σταθερή διαδρομή ή εάν κάποιος από τους δύο συνδέσμους πέσει.

26 3.2.2 Fixed-Alternate Routing Μία προσέγγιση στην δρομολόγηση που λαμβάνει υπόψη πολλαπλές διαδρομές είναι το fixed alternate routing. Στο fixed alternate routing, κάθε κόμβος στο δίκτυο χρειάζεται να διατηρεί έναν πίνακα δρομολόγησης που να περιέχει μία διατεταγμένη λίστα από σταθερές διαδρομές (fixed routes) για κάθε κόμβο προορισμού. Για παράδειγμα, αυτές οι διαδρομές μπορεί να περιλαμβάνουν τις k-συντομότερες διαδρομές. Μία κύρια διαδρομή μεταξύ ενός κόμβου πηγής s και ενός κόμβου προορισμού d ορίζεται ως η πρώτη διαδρομή στην λίστα των διαδρομών προς τον κόμβο d στον πίνακα δρομολόγησης του κόμβου s. Μία εναλλακτική διαδρομή μεταξύ του s και d είναι κάθε διαδρομή που δεν μοιράζεται κανέναν σύνδεσμο (link disjoint) με την πρώτη διαδρομή στον πίνακα δρομολόγησης του s. Ο όρος εναλλακτικές διαδρομές (alternate routes) χρησιμοποιείται για να περιγράψει όλες τις διαδρομές (περιλαμβάνοντας και την κύρια διαδρομή) από τον κόμβο πηγής στον κόσμο προορισμού. Το Σχήμα 3.2 απεικονίζει μία κύρια διαδρομή από τον κόμβο 0 στον κόμβο 2 και μία εναλλακτική διαδρομή από τον κόμβο 0 στον κόμβο 2. Σχήμα 3.2: Κύριο και εναλλακτικό (διακεκομμένη) μονοπάτι από τον κόμβο 0 στον κόμβο 2. Όταν μία αίτηση για δρομολόγηση φτάσει, ο κόμβος πηγή προσπαθεί να εγκαταστήσει την σύνδεση σε μία από τις διαδρομές που υπάρχουν στον πίνακα δρομολόγησης ακολουθιακά, μέχρι να βρεθεί μία διαδρομή με κάποια έγκυρη ανάθεση μήκους κύματος. Εάν δεν βρεθεί κάποια διαδρομή από το σύνολο των εναλλακτικών διαδρομών, τότε η αίτηση για δρομολόγηση απορρίπτεται και χάνεται. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι πίνακες δρομολόγησης σε κάθε κόμβο ταξινομούνται σύμφωνα με τον αριθμό των συνδέσμων (hops) προς τον προορισμό. Επομένως το συντομότερο μονοπάτι προς τον προορισμό είναι η πρώτη διαδρομή στον πίνακα δρομολόγησης. Όταν υπάρχουν συγκρούσεις για την απόσταση μεταξύ διαφορετικών διαδρομών, επιλέγεται τυχαία μία διαδρομή. Το fixed-alternate routing παρέχει απλότητα στην διαχείριση της εγκατάστασης και απεγκατάστασης των lightpaths και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει κάποιο βαθμό ανοχής σε σφάλματα, όπως η βλάβη κάποιου συνδέσμου. Ένα άλλο πλεονέκτημα του fixedalternate routing είναι ότι μπορεί να μειώσει σημαντικά την blocking probability συγκρινόμενο με το fixed routing. Επίσης, έχει δειχθεί ότι για ορισμένα δίκτυα έχοντας λίγα, ακόμη και δύο, εναλλακτικά μονοπάτια παρέχεται σημαντικά μικρότερη blocking probability από το να έχουν πλήρη μετατροπή μήκους κύματος σε κάθε κόμβο με fixed routing.

27 3.2.3 Adaptive Routing Στο adaptive routing, η διαδρομή από έναν κόμβο πηγής σε έναν κόμβο προορισμού επιλέγεται δυναμικά, ανάλογα με την κατάσταση του δικτύου. Η κατάσταση του δικτύου καθορίζεται από το σύνολο όλο των συνδέσεων που είναι σε εξέλιξη. Μία μορφή του adaptive routing είναι το adaptive shortest-path routing, το οποίο είναι κατάλληλο για χρήση στα wavelength-converted δίκτυα. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση, κάθε σύνδεσμος που δεν χρησιμοποιείται έχει κόστος ίσο με 1, κάθε σύνδεσμος που χρησιμοποιείται έχει κόστος και κάθε wavelength-converter σύνδεσμος έχει κόστος c μονάδες. Εάν το wavelength conversion δεν είναι διαθέσιμο, τότε c =. Όταν φτάσει μία σύνδεση, το συντομότερο μονοπάτι επιλέγεται. Εάν υπάρχουν πολλά μονοπάτια με το ίδιο κόστος, ένα από αυτά επιλέγεται τυχαία. Επιλέγοντας κατάλληλα το κόστος c wavelength-conversion, υπάρχει η εγγύηση ότι οι διαδρομές wavelength-converted επιλέγονται μόνο όταν wavelength-continuous μονοπάτια δεν είναι διαθέσιμα. Στο adaptive routing συντομότερου μονοπατιού, μία σύνδεση απορρίπτεται μόνο όταν δεν υπάρχει καμία διαδρομή (ούτε wavelength continuous ή wavelength converted), από τον κόμβο πηγή στον κόμβο προορισμού του δικτύου. Το adaptive routing χρειάζεται μεγάλη υποστήριξη από control και management πρωτόκολλα για να ανανεώνουν συνεχώς τους πίνακες δρομολόγησης στους κόμβους. Ένα πλεονέκτημα του adaptive routing είναι ότι έχει μικρότερη blocking probability από το fixed και το fixed-alternate routing. Για το δίκτυο του 4,2 είναι απασχολημένοι, Σχήματος 3.3, εάν οι σύνδεσμοι του δικτύου ( 1,2 ) και ( ) τότε ο αλγόριθμος του adaptive routing μπορεί ακόμη να εγκαταστήσει μία σύνδεση μεταξύ των κόμβων 0 και 2, ενώ οι άλλοι δύο αλγόριθμοι όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.3 θα απέρριπταν την σύνδεση. Μία άλλη μορφή του adaptive routing είναι το μονοπάτι ελάχιστης συμφόρησης (least-congested-path routing LCP). Παρόμοια με το alternate routing, για κάθε ζεύγος πηγής-προορισμού, μία ακολουθία από διαδρομές επιλέγεται. Η συμφόρηση ενός συνδέσμου μετριέται από τον αριθμό των διαθέσιμων μηκών κύματος στον σύνδεσμο. Η συμφόρηση ενός μονοπατιού είναι ανάλογη με αυτή του συνδέσμου που έχει την μεγαλύτερη συμφόρηση. Μία εναλλακτική υλοποίηση είναι να δίνεται προτεραιότητα στα συντομότερα μονοπάτια και όταν υπάρχει σύγκρουση να χρησιμοποιείται ο LCP. Ένα μειονέκτημα του LCP είναι η υπολογιστική πολυπλοκότητα καθώς θα πρέπει να εξεταστούν όλα τα υποψήφια μονοπάτια. Μία παραλλαγή του LCP εξετάζει τους πρώτους k συνδέσμους για κάθε μονοπάτι. Σχήμα 3.3: Adaptive routing από τον κόμβο 0 στον κόμβο 2.