ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΠΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΛΙΚΟΥ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΠΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΛΙΚΟΥ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Τεχνικές Συναρμολόγησης Ριπών για Ποιότητα Υπηρεσιών σε Δίκτυα Οπτικής Μεταγωγής Ριπών Αγγελική Σιδέρη Α.Μ 78 Επιβλέπων καθηγητής: Εμμανουήλ Βαρβαρίγος Τριμελής Επιτροπή: Γιώργος Αλεξίου Εμμανουήλ Βαρβαρίγος Κωνσταντίνος Μπερμπερίδης Πάτρα, Ιούνιος 2007

Στον πατέρα μου

Ευχαριστίες Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών Ολοκληρωμένα Συστήματα Υλικού και Λογισμικού. Για την εκπόνηση αυτής της μεταπτυχιακής εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Εμμανουήλ Βαρβαρίγο για την υποστήριξη και την πολύτιμη βοήθειά του και την τεράστια υπομονή που έδειξε κατά τη διάρκεια της εργασίας. Ευχαριστώ επίσης τον Κώστα Χριστοδουλόπουλο για την σημαντική βοήθεια και τον χρόνο που μου διάθεσε στα πρώτα βήματα της διπλωματικής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια και του φίλους μου για την τόσο απαραίτητη συμπαράστασή τους. 5

6

Περιεχόμενα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 11 2. ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ... 13 2.1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΈΝΝΟΙΕΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ... 13 2.2. ΟΠΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ... 15 2.3. WDM ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΣΕΝΑΡΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ... 17 2.4. ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΡΙΠΩΝ... 19 2.4.1. Συναρμολόγηση Ριπών και Δρομολόγηση... 19 2.4.2. Πρωτόκολλα Σηματοδότησης (Signaling Protocols) για OBS δίκτυα... 22 2.4.2.1. JΕΤ πρωτόκολλο... 23 2.4.2.2. JIT πρωτόκολλο... 24 2.4.2.3. Time Label πρωτόκολλο... 25 2.4.3. Επίλυση συγκρούσεων (contention resolution) στα OBS δίκτυα... 26 3. ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΤΑ OBS ΔΙΚΤΥΑ... 29 3.1. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΜΕΓΙΣΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ T MAX... 30 3.2. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΜΕΓΙΣΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΡΙΠΗΣ LMAX... 31 3.3. ΥΒΡΙΔΙΑ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ TMAX ΚΑΙ LΜΑΧ... 32 3.3.1. Αλγόριθμος Συναρμολόγησης Μέγιστου Χρόνου με Μέγιστο Μήκος (Max-Time-Max-Length Burst Assembly)... 32 3.4. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΜΕΣΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΠΑΚΕΤΟΥ (Τ AVE )... 34 4. Η ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΣΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟΥ (TRAFFIC PREDICTION) ΩΣ ΛΥΣΗ ΣΤΟΥΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥΣ ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ... 36 4.1. ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΣΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ... 36 4.2. ΓΡΑΜΜΙΚΟΙ ΠΡΟΒΛΕΠΤΕΣ... 37 4.2.1. Γραμμικός Αλγόριθμος Ελαχίστων Μέσων Τετραγώνων (Least Mean Squares-LMS)... 38 4.3. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ LONG-RANGE DEPENDENCE ΣΤΗΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ... 40 4.4. ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΠΑΚΕΤΩΝ ΚΑΙ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΡΙΠΩΝ... 41 5. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ... 43 5.1. ΒΑΣΙΚΗ ΙΔΕΑ... 43 5.2. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΠΑΚΕΤΩΝ. (FIXED ADDITIONAL PACKET THRESHOLD ALGORITHM - N MIN )... 44 7

5.3. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΠΟΣΟΣΤΙΑΙΟΥ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΠΑΚΕΤΩΝ (PROPORTIONAL ADDITIONAL PACKETS THRESHOLD ALGORITHM- ΑL)... 46 5.4. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ ΜΕΣΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ (AVERAGE DELAY THRESHOLD ALGORITHM-T A )... 47 5.5. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΜΕΣΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΠΑΚΕΤΟΥ (AVERAGE PACKET DELAY IMPROVEMENT PREDICTION ALGORITHM-L MIN )... 50 6. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ... 54 6.1. ΠΗΓΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ (TRAFFIC GENERATING SOURCE)... 54 6.2. ΑΠΟΔΟΣΗ ΠΡΟΒΛΕΠΤΗ... 55 6.3. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ... 58 7. QUALITY OF SERVICE (QOS)... 69 7.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 69 7.1.1. Class I: Network & Computational resource priority... 69 7.1.2. Class II: Peak Network & computational service provisioning... 70 7.1.3. Class III: Long term quality network & Computational requirements. 70 7.1.4. Class IV: Intermediate quality network & Computational requirements. 70 7.1.5. Class V: Best effort network & computational requirements... 71 7.2. ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ QOS ΜΕΣΩ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΤΑ OBS ΔΙΚΤΥΑ 71 7.2.1. Υποστήριξη QoS στους προτεινόμενους αλγόριθμους... 72 8. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 75 9. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 76 9.1. ΕΚΘΕΤΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ... 76 9.1.1. Χαρακτηριστικά... 77 9.2. PARETO ΚΑΤΑΝΟΜΗ... 79 9.2.1. Χαρακτηριστικά... 80 9.3. SELF SIMILARITY... 81 9.4. ΚΩΔΙΚΑΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ... 84 9.4.1. Προτεινόμενοι αλγόριθμοι... 84 9.4.2. Υλοποίηση αλγορίθμων βιβλιογραφίας... 91 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 94 8

Πίνακας Εικόνων Εικόνα 6.1: Απόδοση του LMS προβλεπτή ως προς το διάστημα πρόβλεψης τ...57 Εικόνα 6.2: Απόδοση του LMS προβλεπτή ως προς την τάξη h του LMS φίλτρου-προβλεπτή...58 Εικόνα 6.3: Μέσο μέγεθος burst για αλγόριθμους συναρμολόγησης σε "ίχνη" κίνησης με traffic load p=0.03 και Η=0.9...59 Εικόνα 6.4: Παράμετροι εισόδου των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης για ίχνη με traffic load p=0.03, burstiness Η=0.9..60 Εικόνα 6.5:Μέσο μέγεθος burst για αλγόριθμους συναρμολόγησης σε "ίχνη" κίνησης με traffic load p=0.1 και Η=0.9...60 Εικόνα 6.6: Παράμετροι εισόδου των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης για ίχνη με traffic load p=0.1, burstiness Η=0.9....61 Εικόνα 6.7:Μέσο μέγεθος burst για αλγόριθμους συναρμολόγησης σε "ίχνη" κίνησης με traffic load p=0.3 και Η=0.9...61 Εικόνα 6.8: Παράμετροι εισόδου των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης για ίχνη με traffic load p=0.3, burstiness Η=0.9....62 Εικόνα 6.9: Μέσο μέγεθος burst για αλγόριθμους συναρμολόγησης σε "ίχνη" κίνησης με traffic load p=0.03 και Η=0.75...62 Εικόνα 6.10: Παράμετροι εισόδου των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης για ίχνη με traffic load p=0.03, burstiness Η=0.75.63 Εικόνα 6.11: Μέσο μέγεθος burst για αλγόριθμους συναρμολόγησης σε "ίχνη" κίνησης με traffic load p=0.1 και Η=0.75...63 Εικόνα 6.12: Παράμετροι εισόδου των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης για ίχνη με traffic load p=0.1, burstiness Η=0.75..64 Εικόνα 6.13: Μέσο μέγεθος burst για αλγόριθμους συναρμολόγησης σε "ίχνη" κίνησης με traffic load p=0.3 και Η=0.75...64 Εικόνα 6.14: Παράμετροι εισόδου των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης για ίχνη με traffic load p=0.3, burstiness Η=0.75..65 Εικόνα 7.2: Μεταβλητότητας (variance) της μέσης καθυστέρησης των πακέτων που προκύπουν από την εφαρμογή των προτεινόμενων αλγορίθμων σε ίχνη με traffic load p=0.1 και H=0.9...74 9

10

Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Η οπτική μεταγωγή ριπών (Optical Burst Switching-OBS) στοχεύει στον συνδυασμό των πλεονεκτημάτων της οπτικής μεταγωγής πακέτων και μεταγωγής κυκλώματος. Θεωρείται ως μια αρκετά υποσχόμενη τεχνολογία για την υλοποίηση του οπτικού Διαδικτύου της επόμενης γενιάς, με σκοπό να αντεπεξέλθει στην ταχεία ανάπτυξη της κίνησης του Διαδικτύου και στην αυξανόμενη υιοθέτηση νέων υπηρεσιών (π.χ VoIP τηλεφωνία, βίντεο κατά απαίτηση, υπολογισμός πλέγματος, ψηφιακά αποθηκευτικά μέσα). Στα OBS δίκτυα, τα πακέτα συναρμολογούνται σε ριπές και στέλνονται έτσι διαμέσου του δικτύου. Επομένως, ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η συναρμολόγηση των πακέτων σε ριπές, καθορίζει και τα χαρακτηριστικά του συνολικού δικτύου και επηρεάζει κυρίως την συνολική καθυστέρηση του κάθε πακέτου που στέλνεται διαμέσου αυτού. Στην παρούσα εργασία (μέρος της διπλωματικής εργασίας δημοσιεύτηκε στο [21]), θα προτείνουμε τέσσερις νέες τεχνικές συναρμολόγησης ριπών που στοχεύουν στην μείωση της μέσης καθυστέρησης που επιβαρύνονται τα πακέτα κατά τη διαδικασία της συναρμολόγηση τους σε ριπές (burstification), με βάση ενός δεδομένου μέσου μήκους των ριπών που παράγονται. Αυτές οι τεχνικές χρησιμοποιούν ένα γραμμικό φίλτρο πρόβλεψης για την παραγωγή μιας εκτίμησης του πλήθους των πακέτων που πρόκειται να εισέλθουν στο κόμβο του δικτύου, που λαμβάνει χώρα το burstification, κατά τη διάρκεια της επόμενης χρονικής περιόδου. Με βάση την εκτίμηση αυτή, αποφασίζουν αν ικανοποιείται ένα συγκεκριμένο κριτήριο, το οποίο είναι διαφορετικό για κάθε προτεινόμενη μέθοδο, και στέλνουν, αναλόγως, μία νέα ριπή στο δίκτυο. Η μείωση της καθυστέρησης της συναρμολόγησης των πακέτων, για ένα δεδομένο μέσο μήκος ριπής, είναι σημαντική για τις εφαρμογές πραγματικού χρόνου, οι οποίες έχουν αυστηρούς περιορισμούς στην συνολική καθυστέρηση των πακέτων. Αντίστοιχα, η αύξηση του μέσου μήκους των ριπών που δημιουργούνται σε ένα OBS δίκτυο, για μια δεδομένη μέση καθυστέρηση πακέτων, είναι σημαντική για την μείωση του αριθμού των ριπών που εισέρχονται σε αυτό. Μεγάλου μήκους ριπές συνεπάγονται μικρότερη επιβάρυνση σε επεξεργασία που διενεργείται από τους ενδιάμεσους κόμβους του δικτύου. Επίσης, στο παρόν κείμενο, θα αξιολογήσουμε την συμπεριφορά των προτεινόμενων τεχνικών συναρμολόγησης και θα αποδείξουμε ότι δύο από 11

Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή αυτές έχουν καλύτερη απόδοση (έως και 33% βελτίωση), σε σύγκριση με τους προηγουμένως προτεινόμενους από την βιβλιογραφία αλγόριθμους, ως προς την μέση καθυστέρηση πακέτων, για δεδομένο μήκος ριπής. Τέλος, θα συζητηθεί η δυνατότητα παροχής ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service- QoS) με την βοήθεια των προτεινόμενων αλγορίθμων συναρμολόγησης. Το υπόλοιπο του παρόντος κειμένου είναι οργανωμένο με βάση τα παρακάτω: Το δεύτερο κεφάλαιο σχολιάζει βασικές έννοιες των οπτικών δικτύων και περιγράφει την αρχιτεκτονική των οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στις ήδη προτεινόμενες τεχνικές συναρμολόγησης ριπών, από την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Στο τέταρτο κεφάλαιο, σχολιάζονται σημαντικές έννοιες των γραμμικών προβλεπτών, καθώς κι η δυνατότητα τους να εφαρμοστούν στην πρόβλεψη της κίνησης του δικτύου και υπό ποιες συνθήκες η χρήση τους είναι αποδοτική. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι περιγράφονται στο πέμπτο κεφάλαιο. Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζεται η απόδοση τους σε σχέση με τους υπάρχοντες αλγορίθμους και μελετάται η συμπεριφορά του επιλεγμένου γραμμικού προβλεπτή σε σχέση με τις παραμέτρους εισόδου που τον χαρακτηρίζουν. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο, περιγράφεται η παροχή του QoS στο δίκτυο και ερευνάται η δυνατότητα υποστήριξης της, με τη βοήθεια των προτεινόμενων τεχνικών συναρμολόγησης. 12

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα 2. Οπτικά Δίκτυα Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μια επανάσταση εισήχθη στον χώρο των δικτύων τηλεπικοινωνίας και διαδόθηκε χάρη στην σχετικά οικονομική τεχνολογία του καλωδίου οπτικής ίνας. Οι οπτικές γυάλινες ίνες που χρησιμοποιούνται στα οπτικά δίκτυα, βασίστηκαν στην αρχή της καθολικής εσωτερικής ανάκλασης, η οποία ήταν γνωστή από την δεκαετία του 1850 και παρουσιάστηκαν πρώτη φορά για ενδοσκοπούς στις αρχές των 1900. Η γυάλινη ίνα χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά για επικοινωνίες από τους Kao και Hockham το 1966, ενώ η κατασκευή της ξεκίνησε το 1970. Από τα τέλη του 1980 και αρχές των 1990 εμφανίστηκαν τα πρώτα οπτικά δίκτυα, τα οποία χρησιμοποίησαν την οπτική ίνα ως αντικαταστάτη για το καλώδιο χαλκό με σκοπό την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων. Η διάδοση αυτή οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα οπτικά δίκτυα ή αλλιώς δίκτυα οπτικής ίνας επιτυγχάνουν μεγαλύτερες ταχύτητες διάδοσης των δεδομένων από τα παραδοσιακά δίκτυα και προσφέρουν καλύτερη ποιότητα δικτύου. Από τότε, τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί μια ευρεία υιοθέτηση των οπτικών δικτύων στον τομέα των τηλεπικοινωνιών για την διακίνηση τεράστιου όγκου πληροφορίας. 2.1. Βασικές Έννοιες Οπτικών Ινών Στα οπτικά δίκτυα, τα δεδομένα μετατρέπονται σε bits φωτός (φωτόνια) και μεταδίδονται μέσω οπτικών ινών[1]. Η κάθε οπτική ίνα (Εικόνα 2.1) αποτελείται από τον γυάλινο πυρήνα, μέσω του οποίου διαδίδεται το φως, ο οποίος πυρήνας περιβάλλεται από γυαλί με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης για την διατήρηση του φωτός μέσα του, και ένα πλαστικό στρώμα που προστατεύει το περίβλημα γυαλιού. 13

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα Εικόνα 2.1 Πλευρική όψη μίας ίνας Η αναλογία των δεικτών διάθλασης της εξωτερικής επένδυσης και του πυρήνα καθορίζεται ορίζει μια κρίσιμη γωνία, γνωστή ως θ c. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η λειτουργία της οπτικής ίνας βασίζεται στην 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 όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2.2: Εικόνα 2.2: Ανάκλαση ίνας Υπάρχουν δυο ειδών οπτικών ινών: οι πολυτροπικές και οι μονοτροπικές ίνες. Στις πολυτροπικές ίνες, πολλές ακτίνες φωτός ανακλούνται με διαφορετικές γωνίες η κάθε μία (μικρότερες από θ c, για να ανακλούνται στο εσωτερικό του πυρήνα), και κάθε τέτοια ακτίνα λέγεται ότι έχει διαφορετική κατάσταση. Οι πολλαπλές καταστάσεις αναγκάζουν τις ακτίνες να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να περιορίζεται ο μέγιστος εφικτός ρυθμός μετάδοσης σε μια πολυτροπική ίνα. Στην μονοτροπική ίνα, 14

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα η διάμετρος του πυρήνα κατασκευάζεται πολύ μικρή, με αποτέλεσμα η ίνα να δρα σαν κατευθυντής των ακτίνων φωτός και το φως μπορεί να ταξιδέψει σε μια ευθεία γραμμή κατά μήκος του κεντρικού άξονα της ίνας. Οι μονοτροπικές ίνες είναι πιο ακριβείς και μπορούν να μεταδώσουν τα δεδομένα με ταχύτητα πολλών Gbits/second επί εκατοντάδες χιλιόμετρα. Στις πολυτροπικές ίνες ο πύρήνας έχει διάμετρο 50 microns (1 micron=10-6 m), ενώ στις μονοτροπικές ίνες ο πυρήνας έχει διάμετρο 8 με 10 microns. Με την χρήση των ινών, επιτυγχάνεται ταχύτατη μεταφορά δεδομένων συγκριτικά με τα παραδοσιακά δίκτυα (στα οποία τα δεδομένα μεταφέρονται μέσα από καλώδια χαλκού), επειδή τα φωτόνια είναι ελαφρύτερα από τα ηλεκτρόνια και επιπλέον δεν επιδρούν μεταξύ τους κατά την κίνηση τους στην ίνα, σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια στα οποία αλληλεπιδρά το ηλεκτρικό τους φορτίο. Επίσης, έχουν χαμηλή απαίτηση ισχύος, εφόσον η εξασθένηση του σήματος μέσα στην οπτική ίνα είναι ελάχιστη, και χαμηλό κόστος καθώς το γυαλί, από το οποίο αποτελείται η οπτική ίνα, είναι φθηνή πρώτη ύλη. Παράλληλα, επειδή οι οπτικές ίνες δεν παρουσιάζουν διαρροές φωτός, διαθέτουν μεγαλύτερη ασφάλεια από υποκλοπές σε σύγκριση με άλλα μέσα μετάδοσης. Τέλος, το εύρος ζώνης μετάδοσης που προσφέρει ένας δίαυλος οπτικής ίνας είναι έως και 30ΤHz σε μήκη κύματος στα 1.30 και 1.55 μm για χαμηλότερο ποσοστό εξασθένησης και χωρητικότητα κατά τάξεις μεγαλύτερη (έως και 1000 φορές) από αυτή που προσφέρουν τα παραδοσιακά μέσα μετάδοσης. 2.2. Οπτικό Σύστημα Μεταφοράς Ένα οπτικό σύστημα μετάδοσης δεδομένων αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία: τον πομπό (πηγή φωτός), το μέσο μετάδοσης (οπτική ίνα) και τον δέκτη (ανιχνευτή) (Εικόνα 2.3). Ο πομπός παράγει ένα παλμό φωτός για κάθε bit 1, ενώ δεν παράγει τίποτα για κάθε bit 0. Η δημιουργία του παλμού γίνεται με τη βοήθεια ενός laser ή μιας διόδου εκπομπής φωτός (LED). Το μέσο μετάδοσης μεταφέρει αυτούς τους παλμούς φωτός στον ανιχνευτή, ο οποίος δημιουργεί με τη σειρά του, ένα ηλεκτρικό παλμό όταν πέσει φως επάνω του. Η μεταφορά των παλμών μέσω της οπτικής ίνας γίνεται χωρίς διαρροές φωτός με τη βοήθεια της διάθλασης. Η ακτίνα φωτός που στέλνεται διαθλάται πάνω στην επιφάνεια του γυαλιού με γωνία πρόσπτωσης μεγαλύτερης της οριακής τιμής, ώστε να παγιδεύεται εντός της ίνας. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να διαδοθεί για χιλιόμετρα με σχεδόν μηδενική απώλεια. 15

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα Εικόνα 2.3: Οπτικό σύστημα μεταφοράς Συνεπώς, με την διασύνδεση μίας πηγής φωτός με τη βοήθεια μίας οπτικής ίνας με έναν ανιχνευτή, υλοποιείται ένα σύστημα μετάδοσης μονής κατεύθυνσης (από την πηγή φωτός στον ανιχνευτή), το οποίο δέχεται ένα ηλεκτρικό σήμα, το μετατρέπει σε παλμό φωτός και στη συνέχεια το ξαναμετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα. Κατά τη μετάδοση της ακτίνας φωτός στην ίνα, το σήμα είναι δυνατόν να υποστεί απώλεια ισχύος κατά μήκος μιας απόστασης. Η οπτική ίνα χαρακτηριζόταν από μια απώλεια εξασθένησης των 20 db/km όταν εφευρέθηκε το 1970, η οποία σήμερα έχει μειωθεί στα 0.2 db/km. Η εξασθένηση αυτή του φωτός εξαρτάται από το μήκος του κύματος που χρησιμοποιείται και οφείλεται κυρίως στις ακαθαρσίες (υδρατμοί) του γυαλιού της ίνας και στην σκέδαση Rayleigh (όταν το μέσο μετάδοσης δεν είναι απόλυτα ομοιόμορφο, προκαλεί μικρές διακυμάνσεις στον δείκτη διάθλασης, οι οποίες με τη σειρά τους αναγκάζουν το φως να διασκορπίζεται και συνεπώς να εξασθενεί το σήμα που μεταδίδεται). Για να αντιμετωπιστεί η εξασθένηση, χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικές γεννήτριες ενίσχυσης, γνωστοί ως επαναληπτές, ανάμεσα σε τμήματα ίνας, οι οποίοι ανανεώνουν το αλλοιωμένο σήμα. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι καθώς το φως μεταδίδεται μέσω της ίνας, οι παλμοί φωτός διευρύνονται, με αποτέλεσμα να αυξάνεται και η διάρκεια των παλμών. Αυτή η διεύρυνση ονομάζεται διασπορά και εξαρτάται από το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται. Η διασπορά μειώνει το ελάχιστο χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών παλμών και κατά συνέπεια και τον ρυθμό μετάδοσης. Συναντώνται δύο ειδών διασποράς σε 16

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα μια ίνα: η διατροπική και η χρωματική διασπορά. Η διατροπική διασπορά παρουσιάζεται στις πολυτροπικές ίνες, στις οποίες επειδή η ακτίνα φωτός ταξιδεύει σε πολλαπλές καταστάσεις κατά μήκος μίας ίνας, κάθε μια με διαφορετική ταχύτητα, ο παλμός αλλοιώνεται ύστερα από κάποια απόσταση. Από την άλλη, η χρωματική διασπορά προκαλείται από το laser του πομπού, το οποίο αδυνατεί να στείλει όλα τα φωτόνια ακριβώς στο ίδιο μήκος κύματος. Για τον λόγο αυτό, ένας παλμός ειδικού σχήματος, γνωστός ως soliton, έχει εφευρεθεί για να μπορεί να διατηρεί το σχήμα του καθώς διαδίδεται μέσα στην ίνα. 2.3. WDM Τεχνολογία και Σενάρια Οπτικών δικτύων Η τεράστια χωρητικότητα που μπορεί να προσφέρει ένας δίαυλος οπτικής ίνας δεν μπορεί να αξιοποιηθεί πλήρως και μόνο ταχύτητες μερικών gigabits ανά δευτερόλεπτο επιτυγχάνονται. Αυτό συμβαίνει διότι οι τελικοί σταθμοί εργασίας των οπτικών δικτύων εργάζονται σε πολύ χαμηλότερες ταχύτητες λόγω της ηλεκτρονικής τεχνολογίας από την οποία απαρτίζονται (electronic bottleneck). Για την αντιμετώπιση αυτής της αδυναμίας εισήχθη η τεχνική της Πολυπλεξίας Διαίρεσης Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing-WDM). H WDM τεχνολογία είναι παρόμοια της Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας (Frequency Division Multiplexing-FDM) και είναι μία μέθοδος στην οποία πολλαπλές δέσμες φωτός στέλνονται ταυτόχρονα μέσα από τον πυρήνα μίας οπτικής ίνας. Για την επίτευξη αυτού, οι δέσμες αυτές πρέπει να σταλθούν σε διαφορετικά μήκη κύματος. Συνεπώς, η WDM δίνει λύση στο πρόβλημα του electronic bottleneck, με το να διαιρεί το φάσμα της εκπομπής μίας οπτικής ίνας σε ένα πλήθος από μη επικαλυπτόμενα κανάλια μηκών κύματος, από τα οποία το κάθε ένα υποστηρίζει ένα μοναδικό κανάλι επικοινωνίας ταχύτητας ίσης με τη μέγιστη ηλεκτρονική ταχύτητα. Με την εισαγωγή της τεχνολογίας WDM, το ποσοστό διαθέσιμου εύρους ζώνης μετάδοσης στα οπτικά δίκτυα έχει αυξηθεί αρκετά. Παρόλα αυτά το ποσοστό αυτό δεν είναι αρκετό για την αντιμετώπιση των αυξανόμενων απαιτήσεων σε εύρος ζώνης (bandwidth) με ταυτόχρονη μείωση του κόστος, της εκθετικής ανάπτυξης των χρηστών του Διαδικτύου και της απαίτησης μηχανισμών που θα παρέχουν αξιόπιστη ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service-QoS). Για τον λόγο αυτό, διάφορα 17

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα σενάρια οπτικών δικτύων έχουν μελετηθεί. Από τα σενάρια αυτά, τα πιο βασικά είναι τα εξής τρία: Οπτικά δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος (Wavelength Routing Networks): Η διάδοση των δεδομένων βασίζεται στην δρομολόγηση μηκών κύματος όπου συνδέσεις κυκλωμάτων, γνωστά ως μονοπάτια φωτός (lightpaths) εγκαθίστανται μεταξύ των κόμβων του δικτύου. Η εγκατάσταση αυτών επιτυγχάνεται με την αφιέρωση ενός μήκους κύματος για κάθε σύνδεσμο μεταξύ πηγής και προορισμού. Παρά το γεγονός ότι είναι εύκολα στην υλοποίηση, ο βασικός περιορισμός των οπτικών δικτύων μεταγωγής κυκλώματος είναι ο περιορισμένος αριθμός των μηκών κύματος ανά δίαυλο το οποίο ανάγεται στην επίλυση του NP-πλήρους προβλήματος της δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος. Επίσης, τα δίκτυα αυτά μειονεκτούν σε ευελιξία στην αλλαγή της κατάστασης των συνδέσμων, ειδικά όταν η κίνηση του δικτύου (traffic) είναι συνεχώς μεταβλητή. Οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων (Optical Packet Switching Networks-OPSN): Στα δίκτυα αυτά, το traffic μεταφέρεται σε οπτικά πακέτα μαζί με πληροφορία ελέγχου. Ενώ η ανάλογη πληροφορία ελέγχου δημιουργείται και επεξεργάζεται είτε μόνο οπτικά είτε ηλεκτρονικά μέσω ενός Οπτικό/Ηλεκτρονικό μετατροπέα (Ο/Ε) σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο, το υπόλοιπο φορτίο δεδομένων (data payload) είναι υποχρεωμένο να περιμένει σε γραμμές καθυστέρησης του αντίστοιχου διαύλου για να προωθηθεί σε επόμενο κόμβο. Παρά το γεγονός ότι τα δίκτυα μεταγωγής πακέτων χαρακτηρίζονται από καλή απόδοση και μπορούν εύκολα να αντιμετωπίσουν προβλήματα όπως συμφόρηση (congestion) ή αποτυχία (failure) στην μετάδοση των πακέτων, η υλοποίηση τους είναι δύσκολη, καθώς η τεχνολογία των οπτικών αποθηκευτών (buffers) είναι ακόμα σε πρώιμα στάδια. Οπτικά δίκτυα μεταγωγής ριπών (Optical Burst Switching Networks - OBS): η πληροφορία στέλνεται με τη μορφή ριπών (bursts), τα οποία είναι μονάδες πακέτων μεταβλητού μήκους. Λόγω του μεγάλου μεγέθους των bursts, τα Δίκτυα Μεταγωγής Ριπών (OBS)[2,3] μπορούν να θεωρηθούν ως ένας συνδυασμός της μεταγωγής πακέτων και κυκλωμάτων. Αυτό συμβαίνει γιατί όταν η διάρκεια των bursts είναι μεγάλη, τα OBS λειτουργούν σαν τα WRNs, ενώ όταν η διάρκεια είναι πολύ μικρή έχουν παρόμοια συμπεριφορά με τα OPSNs. Από τα παραπάνω σενάρια, τα OBS δίκτυα έχουν θεωρηθεί ως μία από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες προς υλοποίηση, για την επόμενη γενιά του οπτικού Διαδικτύου, η οποία καλείται να αντιμετωπίσει την ταχέα 18

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα άνοδο της κίνησης του Διαδικτύου και την αυξανόμενη χρήση νέων απαιτητικών υπηρεσιών όπως VoIP τηλεφωνία, video on demand, grid computing. 2.4. Οπτικά Δίκτυα Μεταγωγής Ριπών Στα OBS, οι ριπές (bursts), οι οποίες είναι μεταβλητού μεγέθους και αποτελούνται από έναν ακέραιο αριθμό από πακέτα, μεταγωγούνται οπτικά μέσα στο δίκτυο. Τα OBS αποτελούνται από ένα σύνολο οπτικών κόμβων ραχοκοκαλιάς (backbone optical nodes), οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την προώθηση των bursts μέσα στο οπτικό δίκτυο, και από ένα σύνολο ακραίων κόμβων που είναι γνωστοί ως ingress και egress κόμβοι (Εικόνα 2.4). Εικόνα 2.4: Ένα OBS δίκτυο 2.4.1. Συναρμολόγηση Ριπών και Δρομολόγηση Οι ingress και egress κόμβοι είναι υπεύθυνοι για την συναρμολόγηση και την αποσυναρμολόγηση των bursts αντίστοιχα, όπως φαίνεται στα Εικόνα 2.5 και 2.6. 19

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα Εικόνα 2.6: Συναρμολόγηση ριπών Εικόνα 2.5: Αποσυναρμολόγηση Ριπών Η συναρμολόγηση ενός burst είναι ουσιαστικά η διαδικασία συγκέντρωσης πακέτων από διαφορετικές πηγές σε μία μόνο ριπή. Όταν ένα burst ολοκληρώνει τον σχηματισμό του σε έναν ingress κόμβο, ένα πακέτο ελέγχου στέλνεται μέσω του backbone δικτύου με σκοπό να δεσμεύσει τους απαραίτητους πόρους και έπειτα από ένα διάστημα καθυστέρησης (offset time interval) ακολουθεί το burst. Η αρχιτεκτονική ενός ingress κόμβου, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την συναρμολόγηση αυτή φαίνεται στην Εικόνα 2.5. Η μονάδα μεταγωγής προωθεί τα εισερχόμενα πακέτα στις ουρές συναρμολόγησης και τα πακέτα με προορισμό τον ίδιο egress κόμβο, συγκεντρώνονται στην ίδια ουρά συναρμολόγησης. Αν υπάρχουν διαφορετικές κλάσεις προτεραιότητας για την κίνηση του δικτύου, τότε υπάρχει μία ξεχωριστή ουρά συναρμολόγησης για κάθε μια από αυτές. Ο δρομολογητής ριπών (burst scheduler) είναι υπεύθυνος για την δημιουργία των bursts και των πακέτων ελέγχου που τους αντιστοιχεί, την ρύθμιση του offset time για κάθε burst, την δρομολόγηση των bursts στον κάθε δίαυλο εξόδου και την προώθηση των bursts και των πακέτων ελέγχου τους στο OBS δίκτυο [4]. 20

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα Εικόνα 2.7: Αρχιτεκτονική Ingress κόμβου Ένα βασικό χαρακτηριστικό των OBS δικτύων είναι ότι τα bursts επεξεργάζονται μόνο στους ingress και egress κόμβους του δικτύου χωρίς καμία περαιτέρω επεξεργασία στο backbone δίκτυο και η μεταφορά τους γίνεται μόνο σε οπτικό επίπεδο. Σε αντίθεση, τα πακέτα ελέγχου που προηγούνται των bursts απαιτούν επεξεργασία από τους εσωτερικούς κόμβους. Για το λόγο αυτό, μεταδίδονται σε διαφορετικά κανάλια (wavelengths) από αυτών των δεδομένων. Επειδή τα πακέτα ελέγχου είναι αρκετά μικρά σε σχέση με τα bursts, ένα κανάλι ελέγχου είναι αρκετό για την διάδοση του, με αποτέλεσμα οι δαπανηρές μετατροπές δεδομένων ελέγχου από οπτικό επίπεδο σε ηλεκτρονικό και στη συνέχεια και πάλι σε οπτικό (Ο/Ε/Ο μετατροπή), να περιορίζονται μόνο σε λίγα κανάλια ελέγχου αντί του τεράστιου αριθμού καναλιών δεδομένων. Στην Εικόνα 2.8 απεικονίζεται ο διαχωρισμός των δεδομένων και των σημάτων ελέγχου μέσα στο εσωτερικό ενός OBS δικτύου. Εικόνα 2.8: Αποστολή πακέτων ελέγχου και burst 21

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα Στον ingress κόμβο [13] ένας αλγόριθμος δρομολόγησης των ριπών είναι υπεύθυνος για τον καθορισμό του χρονικού διαστήματος (offset time) που μεσολαβεί μεταξύ αποστολής πακέτου ελέγχου και του αντίστοιχου burst, την δρομολόγηση των bursts σε κάθε σύνδεσμο εξόδου και για την προώθηση των bursts και των πακέτων ελέγχου τους στο OBS δίκτυο. Το offset time πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να υπάρχει αρκετός χρόνος για το πακέτο ελέγχου να επεξεργαστεί και να ρυθμιστεί αναλόγως από τον ενδιάμεσο κόμβο. Αν ο χρόνος αυτός είναι αρκετά μεγάλος, το burst θα μεταδοθεί τελείως οπτικά (all-optically) χωρίς να χρειαστεί να καθυστερήσει σε κάποιο ενδιάμεσο κόμβο, με αποτέλεσμα να μην απαιτείται η ύπαρξη οπτικών RAM (οι οποίες δεν υπάρχουν) ή διαύλων καθυστέρησης (Fiber Delay Lines-FDLS). Δυο βασικές στρατηγικές δέσμευσης πόρων που συναντώνται συχνά στην βιβλιογραφία [2] είναι η First Fit (FF) και η Latest Available Unused Channel (LAUC). Η FF τεχνική ψάχνει σε όλα τα κανάλια δεδομένων με σταθερή σειρά και αναθέτει το πρώτο διαθέσιμο κανάλι που βρίσκει για να μεταφέρει τα δεδομένα. Το πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι η απλότητα της. Μόλις βρει ένα ελεύθερο κανάλι, δεν χρειάζεται να ελέγξει τα υπόλοιπα. Στον αλγόριθμο LAUC, διατηρείται για κάθε μήκος κύματος ένας μοναδικός ορίζοντας δρομολόγησης (scheduling horizon), ο οποίος είναι η πρόσφατη χρονική στιγμή στην οποία το μήκος κύματος είναι δρομολογημένο να χρησιμοποιηθεί. Ο ορίζοντας αυτός ανανεώνεται κάθε φορά που πραγματοποιείται η δέσμευση για το επόμενο burst. Η βασική ιδέα του αλγορίθμου είναι να ελαχιστοποιήσει τα κενά στο εύρος ζώνης, που δημιουργούνται από τις νέες δεσμεύσεις. 2.4.2. Πρωτόκολλα Σηματοδότησης (Signaling Protocols) για OBS δίκτυα Ένα πρωτόκολλο σηματοδότησης είναι η διαδικασία με την οποία οι υπηρεσίες του δικτύου παρέχονται. Σε ένα signaling πρωτόκολλο συμπεριλαμβάνεται η εγκατάσταση του μονοπατιού μεταγωγής και η οποιαδήποτε διαγραφή του και μετατροπή του. Με την χρήση ενός τέτοιου πρωτοκόλλου, το πακέτο ελέγχου μπορεί να δεσμεύσει πόρους για το αντίστοιχο burst. Στα οπικά δίκτυα υπάρχουν δυο ειδών signaling 22

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα πρωτόκολλα δέσμευσης, τα μονόδρομα (one-way) και αμφίδρομα (twoway). Στην αμφίδρομη δέσμευση, ένα πακέτο ελέγχου συλλέγει πληροφορία για την κατάσταση των συνδέσμων και για την τοπολογία τους, αντί να δεσμεύει τους πόρους για το burst των δεδομένων. Στη συνέχεια, ένα πακέτο επιβεβαίωσης (acknowledgement packet) στέλνεται από τον κόμβο προορισμού στον κόμβο πηγής (source node) και δεσμεύει όλους τους απαραίτητους πόρους για το αντίστοιχο burst, καθώς αυτό διασχίζει το αντίστροφο μονοπάτι. Έπειτα, ο κόμβος πηγής ξεκινάει την αποστολή του burst κατά μήκος του δεσμευμένου μονοπατιού, μόλις λάβει το πακέτο επιβεβαίωσης από τον κόμβο του προορισμού. Ένα παράδειγμα two-way πρωτοκόλλου δέσμευσης είναι το Tell-and-Wait [2]. Στην μονόδρομη δέσμευση, ένα πακέτο ελέγχου δεσμεύει πόρους για το αντίστοιχο burst δεδομένων χωρίς την ύπαρξη επιβεβαίωσης. Επειδή, η one-way δέσμευση είναι πιο ευέλικτη, έχει μικρότερη καθυστέρηση και είναι πιο αποδοτική σε σύγκριση με αυτή της αμφίδρομης, έχει υιοθετηθεί κυρίως στα OBS δίκτυα. Υπάρχουν τρία τυπικά πρωτόκολλα δέσμευσης σε αυτή την κατηγορία είναι ονομαστικά τα Just Enough Time (JET) [15][16], Just In Time (JIT) [14] και Time Label (TL) [17]. 2.4.2.1. JΕΤ πρωτόκολλο Το JET προτάθηκε από 1997[15],[16] και έτυχε μεγάλου ενδιαφέροντος από την ερευνητική κοινότητα. Αποτελεί ένα κατανεμημένο πρωτόκολλο για τα OBS δίκτυα το οποίο δεν απαιτεί οπτικούς αποθηκευτές ή κάποια καθυστέρηση μεταξύ των ενδιάμεσων κόμβων. Αυτό το κατορθώνει με το να αφήνει το κάθε πακέτο ελέγχου να μεταφέρει την πληροφορία για το offset χρόνο του burst. Με βάση την πληροφορία αυτή, πραγματοποιεί μια καθυστέρημένη δέσμευση (γνωστή ως delayed reservation) για το αντίστοιχο burst, δηλαδή η δέσμευση λαμβάνει χώρα κατά την έναρξη του αναμενόμενου χρόνου άφιξης του burst, ο οποίος παράγεται από έναν μηχανισμό πρόβλεψης. Στο παράδειγμα της Εικόνας 2.9, το εύρος ζώνης δεσμεύεται με βάση για το πρώτο burst βάσει των μελλοντικών χρόνων άφιξης των bursts και όχι βάσει των χρόνων άφιξης των πακέτων ελέγχου. Σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο, ο offset χρόνος ανανεώνεται για να ληφθεί υπόψη και ο πραγματικός χρόνος επεξεργασίας του πακέτου ελέγχου και ο χρόνος ρύθμισης μεταγωγέα (switchconfiguration), όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2.9. Πρέπει να σημειωθεί ότι η καθυστέρηση που μπορεί ένα πακέτο ελέγχου να υποστεί, μπορεί να ποικίλει για διάφορους λόγους. Επιπροσθέτως, θεωρώντας την deflection 23

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα δρομολόγηση σε ένα OBS δίκτυο, ο ελάχιστος offset χρόνος για το πρωτεύον μονοπάτι μπορεί να μην είναι αρκετός αν το burst χρειαστεί ένα μακρύτερο εναλλακτικό μονοπάτι. Σε μια τέτοια περίπτωση, ένας επιπλέον offset χρονος μπορεί να προστεθεί [3]. Ένα επιπλέον σημαντικό χαρακτηριστικό του JET είναι ότι η πληροφορία του μήκους του burst μεταφέρεται επίσης από το πακέτο ελέγχου, κάτι που το καθιστά ικανό να πραγματοποιήσει μία δέσμευση που θα διαρκέσει όσο χρειάζεται για να προωθηθεί το burst και θα τερματιστεί αυτόματα (closed-ended), αντί να να περιμένει ένα σήμα απελευθέρωσης. H closed-ended δέσμευση βοηθάει τον ενδιάμεσο κόμβο να πραγματοποιήσει 'έξυπνες' αποφάσεις για το αν είναι δυνατή μία δέσμευση για ένα νέο burst. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται η αποδοτική εκμετάλλευση του εύρους ζώνης. Ένας περιορισμός του JET οφείλεται στα σφάλματα εκτίμησης που παράγει ο μηχανισμός εκτίμησης για τον χρόνο επεξεργασίας των πακέτων ελέγχου από τους ενδιάμεσους κόμβους. Εικόνα 2.9: JET πρωτόκολλο 2.4.2.2. JIT πρωτόκολλο Το JIT προτάθηκε αρχικά το 1999 [20]. Ένα παράδειγμα του πρωτοκόλλου φαίνεται στην Εικόνα 2.10. Το πρωτόκολλο JIT μπορεί να 24

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα θεωρηθεί ως μία παραλλαγή του TAW και απαιτεί κάθε αίτηση για μετάδοση burst δεδομένων να στέλνονται σε έναν κεντρικό δρομολογητή. Έπειτα, ο δρομολογητής ενημερώνει κάθε αιτούμενο κόμβο με τον ακριβή χρόνο στον οποίο πρέπει να μεταδώσουν το burst δεδομένων. Στο πρωτόκολλο αυτό, ο όρος Just-In-Time σημαίνει ότι τη στιγμή που ένα burst φθάνει στον ενδιάμεσο κόμβο, ο μεταγωγέας έχει ήδη ρυθμιστεί κατάλληλα. Το πρόβλημα με το JIT, ότι σε ένα εκτεταμένο ΟΒS δίκτυο, οι δρομολογητές δεν είναι συγχρονισμένοι και μοιράζονται την πληροφορία για την κατάσταση των συνδέσμων, καθιστώντας την υλοποίηση τους δύσκολη. Εικόνα 2.10: JIT πρωτόκολλο 2.4.2.3. Time Label πρωτόκολλο Το πρωτόκολλο Time Label προτάθηκε για τα OBS δίκτυα στο [17]. Σύμφωνα με αυτό, η στιγμή που φθάνει ένα burst σε κάθε κόμβο ορίζεται ως ένα Time Label(TL). Τότε με βάση το μέγεθος του burst και το αντίστοιχο TL, καθορίζεται η ακριβής χρονική στιγμή, κατά την οποία το burst αναχωρεί από τον κόμβο. Με τον τρόπο αυτό δεν εισάγεται κανένας οπτικός αποθηκευτής στο OBS δίκτυο και το burst προωθείται μέσα στο δίκτυο σε ταχύτητα φωτός χωρίς κάποια επιπλέον καθυστέρηση. 25

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα Επομένως, αφού καθοριστεί ο TL στην πηγή, στον επόμενο ενδιάμεσο κόμβο ο TL καθορίζεται σύμφωνα με την hop απόσταση μεταξύ των δύο κόμβων, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2.11. Ο TL δεν επηρεάζεται από λάθη πρόβλεψης κατά τη διάρκεια της δέσμευσης πόρων. Επίσης, απαιτεί συγχρονισμό των κόμβων, το οποίο είναι εύκολο να υλοποιηθεί. Ο TL θεωρείται καλύτερος συγκριτικά με τον JET, κυρίως γιατί ο πρώτος βασίζεται στη καθυστέρησης της διάδοσης μεταξύ δύο κόμβων ενώ ο δεύτερος στην πρόβλεψη του χρόνου επεξεργασίας του πακέτου ελέγχου σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο. Στη πρώτη περίπτωση η απόκλιση είναι της τάξεως 10-8 sec, ενώ στη δεύτερη είναι 10-6 sec, η οποία είναι σαφώς μεγαλύτερη. Εικόνα 2.11: TL πρωτόκολλο 2.4.3. Επίλυση συγκρούσεων (contention resolution) στα OBS δίκτυα Σε ένα OBS δίκτυο, συνήθως η δέσμευση του εύρους ζώνης σε μία μονόδρομη διαδικασία (δηλαδή όταν το burst ξεκινάει την μετάδοσή του χωρίς να περιμένει για επιβεβαίωση δέσμευσης). Αυτό απαιτεί από ένα OBS δίκτυο να επιλύσει τα ζητήματα των πιθανών συγκρούσεων που λαμβάνουν 26

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα χώρα όταν δύο ή παραπάνω bursts ταυτόχρονα ανταγωνίζονται για τον ίδιο δίαυλο εξόδου στο ίδιο μήκος κύματος την ίδια χρονική στιγμή. Μία λύση είναι η Γραμμή Καθυστέρησης Διαύλου (Fiber Delay Line- FDL), η οποία είναι ένας διαδεδομένος οπτικός αποθηκευτής στο πεδίο του χρόνου στα οπτικά δίκτυα. Όταν ένα burst οδηγείται μέσω ενός FDL, δεν είναι δυνατόν να προωθηθεί αν δεν φτάσει πρώτα στο τέλος της γραμμής ενός FDL. Το μειονέκτημα με το τα FDL είναι η απώλεια ισχύος που επιβαρύνεται το σήμα όταν προωθείται μέσω ενός FDL. Για να αντιμετωπιστεί η απώλεια ισχύος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενισχυτές ή αναγεννήτορες σήματος. Η πρώτη μεθόδου οδηγεί σε θόρυβο ενώ η δεύτερη είναι ακριβή. Μια δεύτερη μέθοδος αντιμετώπισης είναι ο δρομολόγηση εκτροπής, γνωστή ως hot-potato δρομολόγηση, η οποία δεν χρησιμοποιεί καθόλου αποθηκευτές. Αν μια σύγκρουση λάβει χώρα και ένα burst δεν μπορεί να μεταγωγηθεί μέσω της σωστής εξόδου, δρομολογείται μέσω μιας εναλλακτικής εξόδου. Αν το burst σταθεί τυχερό, βρίσκει ένα άλλο μονοπάτι μέχρι τον κόμβο προορισμού. Η μέθοδος αυτή λειτουργεί καλά σε μικρά δίκτυα με υψηλή συνδεσιμότητα, δηλαδή αν οι κόμβοι έχουν αρκετούς γείτονες. Αν το δίκτυο έχει χαμηλή συνδεσιμότητα, υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα το burst που έχει εκτραπεί, να μην φθάσει σύντομα στον προορισμό του. Επειδή στην τεχνική της εκτροπής, είναι δυνατόν το burst να χρησιμοποιήσει πολλούς πόρους κατά την εκτροπή μέχρι να βρει τον κόμβο του προορισμού του, η προηγούμενη μέθοδος θεωρείται καλύτερη σε αυτή την περίπτωση. Επίσης, αν ο φόρτος της κίνησης είναι υψηλός, τα burst που εκτρέπονται δημιουργούν επιπλέον φόρτο και μειώνουν την αποδοτικότητα του δικτύου. Μια εναλλακτική λύση είναι η μετατροπή μήκους κύματος. Αν συμβεί μια σύγκρουση σε ένα σύστημα χρησιμοποιεί μετατροπή κύματος, ένα πακέτο εισέρχεται στο επιθυμητό μήκος κύματος ενώ το άλλο οδηγείται μέσω της ίδια θύρας αλλά σε διαφορετικό μήκος κύματος. Η μέθοδος αυτή είναι η βέλτιστη γιατί κανένα burst δεν καθυστερεί. Αν καμιά από τις παραπάνω τεχνικές δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί, τότε το πακέτο απορρίπτεται. Επίσης είναι πιθανό το εισερχόμενα πακέτο να ματαιώσει ένα άλλο υπάρχον πακέτο με βάση την προτεραιότητα τους στο δίκτυο. Μια άλλη προσέγγιση είναι η τμηματοποίηση του burst, στην οποία ένα μέρος του burst απορρίπτεται. Η πιο αποδοτική λύση είναι ο συνδυασμός εκτροπής σήματος, η χρήση αποθηκευτών και η μετατροπή μήκους κύματος μαζί. Επειδή, όμως, 27

Κεφάλαιο 2. Οπτικά Δίκτυα υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί σε κάποια πρωτόκολλα σηματοδότησης και δρομολόγησης (π.χ δεν υπάρχουν μετατροπείς κύματος σε JET και ΤL), οι μετατροπείς μήκους κύματος θα πρέπει να αποφεύγονται. Η πιο ωφέλιμη αντιμετώπιση του contention είναι μέσω σωστών πρωτοκόλλων σηματοδότησης και δρομολόγησης. 28

Κεφάλαιο 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα Ένα σημαντικό ζήτημα στον σχεδιασμό των OBS δικτύων είναι η στρατηγική συναρμολόγησης των bursts, που εφαρμόζεται από τους ακραίους κόμβους (edge nodes). Η διαδικασία της συναρμολόγησης ξεκινάει από τη στιγμή που το πρώτο πακέτο φθάνει στον ingress κόμβο και συνεχίζεται μέχρι να ικανοποιηθεί το κριτήριο που έχει καθοριστεί. Ο τρόπος με τον οποίο τα πακέτα συναρμολογούνται σε bursts επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του δικτύου όπως και την συνολική απόδοση. Υπάρχουν δύο σημαντικοί αντικειμενικοί στόχοι στις στρατηγικές συναρμολόγησης ριπών: Αύξηση του μεγέθους των bursts (Burst Size). Το πλήθος των bursts που εισάγονται στο εσωτερικό του OBS δικτύου και ο αριθμός των απαιτούμενων πακέτων ελέγχου είναι μικρότερος. Με τον τρόπο αυτό, η ανάλογη επιβάρυνση σε επεξεργασία από τους ενδιάμεσους κόμβους του OBS δικτύου μειώνεται σημαντικά. Μείωση της καθυστέρησης της διαδικασίας συναρμολόγησης bursts (Average Packet Delay). Η συνολική καθυστέρηση των πακέτων μειώνεται. Οι παραπάνω στόχοι αναιρούν ο ένας με τον άλλον, αφού σε έναν οποιαδήποτε λογικό αλγόριθμο συναρμολόγησης ριπών, η καθυστέρηση που οφείλεται στο burstification αυξάνεται σε αναλογία με το μέγεθος των bursts που παράγεται. Επομένως, ένας αλγόριθμος συναρμολόγησης θα πρέπει να κρίνεται με βάση το ποσοστό βελτίωσης κάποιου από τα παραπάνω μετρά απόδοσης για μια δεδομένη τιμή του άλλου μέτρου απόδοσης. 29

Κεφάλαιο 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα Εικόνα 3.1: Απόδοση "καλού" και "κακού" αλγόριθμου Στο παραπάνω σχήμα απεικονίζεται η απόδοση ενός καλού και ενός κακού αλγόριθμου συναρμολόγησης burst. Ο καλός αλγόριθμος συναρμολόγησης ριπών παράγει μεγαλύτερα bursts από τον κακό αλγόριθμο, για μία δοσμένη μέση τιμή καθυστέρησης κατά τη διάρκεια του burstification ή αντίστοιχα, δίνει μικρότερη μέση καθυστέρηση του burstification για μία δεδομένη επιθυμητή μέση τιμή του μήκους του burst. Επομένως, ένας καλός αλγόριθμος πρέπει να επιδιώκει, για παράδειγμα, όχι μόνο την μείωση της μέσης καθυστέρησης των πακέτων (γιατί αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πολλά burst μικρού μήκους, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα ενός contention), αλλά και την ταυτόχρονη αύξηση ή την διατήρηση του μήκους του burst. Κατά καιρούς έχουν προταθεί διάφοροι αλγόριθμοι συναρμολόγησης, από τους οποίους ο καθένας προσπαθεί να βελτιστοποιήσει την αναλογία Average Packet Delay/Burst Size. Από αυτούς, επιλέχθηκαν οι πιο σημαντικοί [5],[6],[7] και περιγράφονται εκτενώς μαζί με τα μειονεκτήματα τους, στις παραγράφους που ακολουθούν. 3.1. Αλγόριθμος Μέγιστου Χρόνου T MAX Στον αλγόριθμο αυτό, ο χρόνος συναρμολόγησης του burst είναι σταθερός και ίσος με Τ ΜΑΧ. Κάθε ουρά συναρμολόγησης είναι εξοπλισμένη 30

Κεφάλαιο 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα με έναν χρονικό μετρητή, ο οποίος ξεκινάει από μηδέν (t = 0) όταν ένα πακέτο φθάσει σε μία άδεια ουρά συναρμολόγησης. Τα υπόλοιπα πακέτα, που εισέρχονται στην ουρά, συλλέγονται σε ένα burst μέχρι ο μετρητής να γίνει ίσος με T ΜΑΧ. Τότε το burst είναι έτοιμο και φεύγει από την ουρά, ενώ ο μετρητής της ουράς μηδενίζεται και παραμένει μηδέν μέχρι να φθάσει ένα νέο πακέτο. Ο παρακάτω ψευδοκώδικας περιγράφει τον αλγόριθμο: Γεγονός::Ένα πακέτο εισέρχεται στην ουρά Q Αν η ουρά συναρμολόγησης είναι άδεια και ο χρονομετρητής δεν τρέχει Εκκίνηση του χρονομετρητή σε t=0 Τέλος Συναρμολόγηση του εισερχόμενου πακέτου στη αντίστοιχη ουρά; Γεγονός:: Λήξη Χρονομετρητή (t = T MAX ) Ολοκλήρωση συναρμολόγησης του burst; Αποστολή του πακέτου ελέγχου στο κανάλι ελέγχου; Δρομολόγηση του burst να σταλθεί μετά από ένα offset time; Καθαρισμός του Χρονομετρητή Συναρμολόγησης; Υποστήριξη του QoS πραγματοποιείται, επιλέγοντας διαφορετικά T ΜΑΧ για κάθε κλάση. Η μικρότερη κλάση θα έχει μικρότερο T ΜΑΧ από το αντίστοιχο της μεγαλύτερης κλάσης. Δηλαδή ισχύει T i ΜΑΧ < T j ΜΑΧ όπου i και j ο βαθμός της κλάσης που ανήκουν και i < j. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η πιο γρήγορη εξυπηρέτηση των πακέτων των χαμηλότερων κλάσεων. Η μέθοδος αυτή, ενώ επιτυγχάνει τον περιορισμό της μέγιστης καθυστέρησης ενός πακέτου σε T ΜΑΧ είναι πιθανό να παράγει burst με ανεπιθύμητο μήκος (πολύ μεγάλο σε βαρύ traffic load ή πολύ μικρό σε ελαφρύ traffic load). 3.2. Αλγόριθμος Μέγιστου Μήκους Ρίπης LMAX Στον αλγόριθμο αυτό, τα πακέτα συλλέγονται σε burst σε μία ουρά μήκους L ΜΑΧ. Όταν το μήκος το πακέτων στην ουρά φθάσει την τιμή L MAX τότε το burst είναι έτοιμο και φεύγει ενώ η συναρμολόγηση ενός νέου burst αρχίζει στην ουρά. 31

Κεφάλαιο 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα Ο ψευδοκώδικας του αλγορίθμου παρατίθεται παρακάτω: Γεγονός::Ένα πακέτο εισέρχεται στην ουρά Q Αν η ουρά συναρμολόγησης είναι άδεια L = 1; αλλιώς L = L + 1; Τέλος Αν L L MAX Ολοκλήρωση συναρμολόγησης του burst; Αποστολή του πακέτου ελέγχου στο κανάλι ελέγχου; Δρομολόγηση του burst να σταλθεί μετά από ένα offset time; Τέλος Για υποστήριξη QoS, εφαρμόζεται η ίδια διαδικασία με τον προηγούμενο αλγόριθμο μονό που αντί για διαφορετικά T ΜΑΧ έχουμε διαφορετικά L ΜΑΧ. Έτσι κι εδώ, οι μικρότερες κλάσεις έχουν μικρότερο L ΜΑΧ και τα bursts τους φεύγουν πιο γρήγορα. Το μειονέκτημα της παραπάνω μεθόδου είναι ότι, ενώ τα μεγέθη των burst είναι σταθερά και διευκολύνεται η δέσμευση των πόρων στο backbone δίκτυο, σε ελαφρύ traffic load παράγει burst με μεγάλη καθυστέρηση. 3.3. Υβρίδια Αλγορίθμων TMAX και LΜΑΧ Στην βιβλιογραφία [5],[7] έχουν προταθεί υβρίδια βασισμένα στον Τ ΜΑΧ και στον L ΜΑΧ αλγόριθμο, καθώς και τα οι δυο παράμετροι μπορούν να επηρεάζουν την καθυστέρηση των πακέτων. Ενδεικτικά θα περιγραφεί ένας τέτοιος αλγόριθμος. 3.3.1. Αλγόριθμος Συναρμολόγησης Μέγιστου Χρόνου με Μέγιστο Μήκος (Max-Time-Max-Length Burst Assembly) Στον Max-Timed-Max-Length αλγόριθμο συναρμολόγησης burst, χρησιμοποιείται ένα σταθερό χρονικό κατώφλι T MAX ως κύριο κριτήριο συναρμολόγησης. Δηλαδή, το burst ολοκληρώνει την συναρμολόγηση του σίγουρα, μόλις ο χρόνος παραμονής του πρώτου πακέτου του burst, στην ουρά γίνει ίσος με Τ ΜΑΧ. Για να μειωθεί, όμως, η καθυστέρηση στα πακέτα 32

Κεφάλαιο 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης, ορίζεται ένα μέγιστο κατώφλι για το μέγεθος του κάθε burst L MAX. Συγκεκριμένα, το burst στέλνεται μόλις το μήκος του φθάσει ή υπερβεί το δεδομένο μέγιστο μήκος L MAX, ακόμα και αν δεν έχει ολοκληρωθεί το χρονικό διάστημα Τ ΜΑΧ. Πιο λεπτομερώς, θεωρούμε ένα σταθερό χρονικό παράθυρο συναρμολόγησης μήκους Τ ΜΑΧ και ένα ελάχιστο κατώφλι μήκους του burst L MΑΧ. Πρέπει να ισχύει L MΑΧ > Τ ΜΑΧ λ, όπου λ είναι η μέση συχνότητα άφιξης του traffic. Περισσότερες λεπτομέρειες του αλγορίθμου παρουσιάζονται στον ψευδοκώδικα που ακολουθεί. Γεγονός::Ένα πακέτο εισέρχεται στην ουρά Q Αν η ουρά συναρμολόγησης είναι άδεια και ο χρονομετρητής δεν τρέχει L = 1; Εκκίνηση του χρονομετρητή σε t=0 αλλιώς L = L + 1; Τέλος Αν L L MAX Ολοκλήρωση συναρμολόγησης του burst; Αποστολή του πακέτου ελέγχου στο κανάλι ελέγχου; Δρομολόγηση του burst να σταλθεί μετά από ένα offset time; Καθαρισμός του Χρονομετρητή; Τέλος Γεγονός:: Λήξη Χρονομετρητή(t=T MAX ) Ολοκλήρωση συναρμολόγησης του burst; Αποστολή του πακέτου ελέγχου στο κανάλι ελέγχου; Δρομολόγηση του burst να σταλθεί μετά από ένα offset time; Καθαρισμός του Χρονομετρητή ; Πρέπει να σημειωθεί ότι αν η τιμή του T MAX είναι πολύ μικρή συγκριτικά με το μέγιστο μέγεθος του burst L MAX, το μήκος του συναρμολογούμενου burst δε θα μπορεί ποτέ να φθάσει την τιμή του L MAX πριν λήξει ο χρονομετρητής. Σε αυτή την περίπτωση ο αλγόριθμος συμπεριφέρεται ως απλός T MAX αλγόριθμος. Το ίδιο συμβαίνει αν το κατώφλι L MAX είναι πολύ μικρό σχετικά με το Τ MAX, όπου σε αυτή την 33

Κεφάλαιο 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα περίπτωση συμπεριφέρεται ως απλός L MAX αλγόριθμός, αφού το μήκος του burst θα φθάνει το L MAX όριο πριν προλάβει να λήξει ο χρονομετρητής. 3.4. Αλγόριθμος Μέσης Καθυστέρησης Πακέτου (Τ AVE ) Ο αλγόριθμος T AVE [6] χρησιμοποιεί ένα χρονικό κατώφλι όπως ο Τ MAX, με τη διαφορά ότι το κατώφλι αυτό αναφέρεται στην μέση χρονική καθυστέρηση του πακέτου μέσα στο burst και όχι στη συνολική καθυστέρηση συναρμολόγησης του burst. Με βάση το [6], όταν ο ένα πακέτο εισέλθει μέσα σε μια άδεια ουρά, ένας υπολογιστής της Τρέχουσας Μέσης Καθυστέρησης (Running Average Delay-RAD) τίθεται σε λειτουργία. Συγκεκριμένα, ο RAD των πακέτων που βρίσκονται μέσα στη ουρά συναρμολόγησης, την χρονική στιγμή t ορίζεται ως: T1 ( t) + T2 ( t) +... + T RAD( t) = L( t) n ( t) = n( t) i= 1 T ( t) i L( t), (3.1) όπου Τ i (t) = t-s i είναι η τρέχουσα καθυστέρηση του i-οστού πακέτου στην ουρά, S i η χρονική στιγμή της άφιξης του πακέτου στο burst και n(t) είναι ο αριθμός των πακέτων που βρίσκονται στο burst την χρονική στιγμή t. Η τιμή του RAD(t) υπολογίζεται συνέχεια και όταν η τιμή του γίνει ίση με το ορισμένο κατώφλι Τ AVE, το burst ολοκληρώνεται και εγκαταλείπει την ουρά. Συνεπώς, η συναρμολόγηση του burst τερματίζει όταν ισχύει για πρώτη φορά: RAD ( t) = T AVE Με αυτόν τον τρόπο, ο Τ ΑVE φροντίζει να διατηρεί σε σταθερή τιμή τη μέση καθυστέρηση πακέτων σταθερή, ανεξάρτητα από το φόρτο του traffic ανά διαστήματα. Με βάση το [6], ο RAD αυξάνεται αναλογικά με τον χρόνο και με κλίση ίση με όταν δεν εισέρχονται πακέτα μέσα στην ουρά. Συνεπώς, ο αλγόριθμος μπορεί να περιγραφεί με τον ακόλουθο ψευδοκώδικα, χωρίς να χρειαστεί να συμπεριληφθεί η συνεχής παρακολούθηση του χρονομετρητή RAD. 34

Κεφάλαιο 3. Στρατηγικές Συναρμολόγησης στα OBS Δίκτυα Γεγονός::Ένα πακέτο εισέρχεται στην ουρά Q σε χρόνο CT Αν η ουρά συναρμολόγησης είναι άδεια και ο χρονομετρητής δεν τρέχει L = 1; RAD = 0; PAT = CT; Εκκίνηση του χρονομετρητή σε t=0; αλλιώς L ( RAD + ( CT PAT)) RAD = ; L + 1 L = L + 1; PAT=CT; Ενημέρωση του χρονομετρητή με την τιμή RAD Τέλος Γεγονός:: Λήξη Χρονομετρητή(t=T AVE ) Ολοκλήρωση συναρμολόγησης του burst; Αποστολή του πακέτου ελέγχου στο κανάλι ελέγχου; Δρομολόγηση του burst να σταλθεί μετά από ένα offset time; Καθαρισμός του Χρονομετρητή ; Στον παραπάνω ψευδοκώδικα, L είναι ο τρέχων αριθμός πακέτων που υπάρχουν μέσα στην ουρά συναρμολόγησης και PAT είναι η χρονική στιγμή άφιξης του προηγούμενου πακέτου. Ένα μειονέκτημα της μεθόδου T AVE μπορεί να θεωρηθεί το γεγονός ότι το burst φεύγει τη στιγμή στην οποία η μέση καθυστέρηση των πακέτων του θα γίνει ίση με Τ AVE, αποκλείοντας την περίπτωση στο άμεσο μέλλον να έρθει τέτοιο πλήθος πακέτων που να διατηρήσει τη μέση καθυστέρηση των πακέτων του burst στο ίδιο επίπεδο, παρά το γεγονός ότι θα έχει παραμείνει κι άλλο στην ουρά. Επίσης, απαιτεί τον συνεχή υπολογισμό της τιμής του RAD(t) επιβαρύνοντας το υπολογιστικό κόστος της διαδικασίας συναρμολόγησης των bursts. 35

Κεφάλαιο 4. Η Γραμμική Πρόβλεψη στην Κίνηση του Διαδικτύου (Traffic Prediction) ως Λύση στους Αλγόριθμους Συναρμολόγησης 4. Η Γραμμική Πρόβλεψη στην Κίνηση του Διαδικτύου (Traffic Prediction) ως Λύση στους Αλγόριθμους Συναρμολόγησης Το κύριο πρόβλημα των περισσοτέρων από τους βασικούς αλγόριθμους συναρμολόγησης που συζητήθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο είναι ότι τα κριτήρια απόφασης τους δεν προσαρμόζονται στις μεταβολές των χαρακτηριστικών της κίνησης του διαδικτύου που δέχονται ως είσοδο. Για παράδειγμα, ο L MAX διατηρεί το κατώφλι του σταθερό ανεξάρτητα αν η είσοδος του είναι μικρού ή μεγάλου φόρτου, με αποτέλεσμα σε πολύ μικρού φόρτου κίνηση να παράγει bursts πολύ μεγάλης καθυστέρησης, ενώ σε εισόδους πολύ μεγάλου φόρτου να μην μπορεί να εκμεταλλευτεί την δυνατότητα κατασκευής bursts μεγάλου μήκους με αποδεκτή μέση καθυστέρησης. Ο T AVE αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα διατηρώντας την μέση καθυστέρηση των πακετών σταθερή ανεξάρτητα από τον φόρτο της κίνησης που δέχεται. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό θα ήταν η δυνατότητα πρόβλεψης της μελλοντικής συμπεριφοράς του traffic, δηλαδή η δυνατότητα εκτίμησης του πλήθους των πακέτων που θα εισέλθουν στην ουρά την επόμενη χρονική στιγμή t. Με τον τρόπο αυτό, ο αλγόριθμος συναρμολόγησης θα γνώριζε αν θα έπρεπε να περιμένει ή όχι για τα επόμενα πακέτα και να προσαρμόσει αναλόγως την περίοδο αναμονής του burst στην ουρά. 4.1. Δυνατότητα εφαρμογής πρόβλεψης στην κίνηση του δικτύου Ο στόχος του traffic prediction είναι να προβλέψει την μελλοντική μεταβλητότητα της συχνότητας της κίνησης (traffic rate). Η δυνατότητα της πρόβλεψης της συμπεριφοράς του traffic βρίσκει πολύ καλή εφαρμογή σε διάφορα ζητήματα του σχεδιασμού διαδικτύου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό των απαιτήσεων σε χωρητικότητα (bandwidth), στο σχεδιασμό της τοπολογίας του δίκτυο, στην αποδοχή των συνδέσεων που μπορεί να επηρεάσουν την ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service- QoS) του υπάρχοντος traffic, στον έλεγχο του traffic και στην διαχείριση των buffers. 36

Κεφάλαιο 4. Η Γραμμική Πρόβλεψη στην Κίνηση του Διαδικτύου (Traffic Prediction) ως Λύση στους Αλγόριθμους Συναρμολόγησης Η εφαρμοσιμότητα του traffic prediction αναλύεται στο [8], το οποίο εξετάζει πόσο βαθιά στο μέλλον μπορεί να προβλεφθεί μια διαδικασία συχνότητας κίνησης (traffic rate process) με φραγμένο σφάλμα και ποιο είναι το ελάχιστο σφάλμα πρόβλεψης με συγκεκριμένο διάστημα πρόβλεψης (prediction time interval). Η ποιότητα της πρόβλεψης ορίζεται με την ανακρίβεια που χαρακτηρίζει την πρόβλεψη και μετριέται με την διασπορά του σφάλματος πρόβλεψης. Η ανακρίβεια αυτή εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως το μέγεθος του ιστορικού της κίνησης (traffic history), το είδος του προβλεπτή και το είδος της κίνησης στην οποία εφαρμόζεται. Στο [8] προκύπτει ότι η απόδοση του traffic prediction και η δυνατότητα του να εφαρμοστεί περιορίζεται από την ακρίβεια της πρόβλεψης, η οποία επιδεινώνεται όσο το διάστημα της πρόβλεψης μεγαλώνει. Για τις εφαρμογές πραγματικού χρόνου, η διαδικασία της πρόβλεψης πρέπει να πραγματοποιείται αρκετά γρήγορα και με βάση το ελάχιστο ποσοστό αποθηκευμένης πληροφορίας του traffic. Επίσης, το χρονικό διάστημα της πρόβλεψης πρέπει να έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να συμπεριλαμβάνει τον χρόνο που απαιτείται για να επεξεργαστεί η πληροφορία ελέγχου και την round-trip καθυστέρηση που λαμβάνει χώρα μέχρι η πληροφορία που δίνεται να εκμεταλλευτεί κατάλληλα. Τέλος, η διαδικασία της πρόβλεψης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν ακριβής ώστε να μην αναλωθούν οι πόροι του δικτύου (bandwidth, buffers) και να διατηρηθεί η συνολική ποιότητα που παρέχεται από τις λειτουργίες της διαχείρισης του traffic. 4.2. Γραμμικοί Προβλεπτές Οι γραμμικοί αλγόριθμοι πρόβλεψης είναι απλοί στην υλοποίηση και αποτελεσματικοί. Διακρίνονται από τη μέθοδο πρόβλεψης και το χρονικό διάστημα τ στο οποίο εφαρμόζεται η πρόβλεψη (prediction interval). Αν Χ(t) είναι η τυχαία διαδικασία που δίνει το πλήθος των bytes που παράγονται από την πηγή της 'κίνησης' (traffic source) κατά την χρονική περίοδο [0, t) τότε X tτ είναι η εκτίμηση της διαδικασίας για την χρονική στιγμή t+τ. Θεωρώντας ότι Υ[n] = X(nτ) - Χ((n-1)τ) = Χ(t) Χ(t-τ), n=0,1,2 N-1 με t = nτ, η γενική μέθοδος που ακολουθούν οι γραμμικοί αλγόριθμοι για να υπολογίσουν την εκτίμηση Y ) ( n +1) είναι η παρακάτω: 37

Κεφάλαιο 4. Η Γραμμική Πρόβλεψη στην Κίνηση του Διαδικτύου (Traffic Prediction) ως Λύση στους Αλγόριθμους Συναρμολόγησης ) h Y ( n + 1) = w1 Y ( n) + w2 ( n 1) +... + why ( n h + 1) = wy i ( n i + 1), (4.1) όπου h το μήκος του προβλεπτή και w i συντελεστές (1 i h) που ορίζουν το φίλτρο πρόβλεψης. Οι συντελεστές του φίλτρου προκύπτουν από τον πίνακα συσχέτισης της πληροφορίας Υ n με βάση την παρακάτω εξίσωση: i= 1 R yw = r dy, (4.2) όπου ο πίνακας αυτοσυσχέτισης R είναι ένας γραμμικός, κυκλικός πίνακας με στοιχεία R ij =r y (i-j) και r dy είναι ένα διάνυσμα που προκύπτει από τη συνάρτηση ετεροσυσχέτισης, όπου d είναι το μελλοντικό δείγμα Υ(n+1): r dy ( k) = E[ d( n) y( n k)] = E[ y( n + 1) y( n k)]. Ο τρόπος επίλυσης της Εξ. 4.2 για την εύρεση του διανύσματος των συντελεστών, χαρακτηρίζει τον γραμμικό αλγόριθμο που έχει επιλεχθεί. 4.2.1. Γραμμικός Αλγόριθμος Ελαχίστων Μέσων Τετραγώνων (Least Mean Squares-LMS) Ένας ευρέως διαδεδομένος προσαρμοζόμενος γραμμικός αλγόριθμος που έχει χρησιμοποιηθεί για traffic prediction ([8], [9], [10]) είναι ο αλγόριθμος ελάχιστων μέσων τετραγώνων (Least Mean Square LMS). Αποτελεί έναν από τους πιο απλούς γραμμικούς προσαρμοζόμενους (Adaptive) αλγορίθμους, ο οποίος παρουσιάζει καλή απόδοση με μικρό υπολογιστικό κόστος και έχει εφαρμογή σε πολλούς τομείς (prediction, echo cancellation, system identification κτλ). Για να πάρει μία εκτίμηση Y ) ( n +1) για την χρονική περίοδο t=(n+1)τ χρησιμοποιεί την Εξ. 4.1. Με την άφιξη της πραγματική πληροφορίας, υπολογίζεται το σφάλμα e(n+1) σύγκρισης με την εκτίμηση του αλγορίθμου: e ( n + 1) = Y ( n + 1) Yˆ( n + 1) και στη συνέχεια οι συντελεστές του προβλεπτή ανανεώνονται: 38