TÜM-OPTÝK BÝLGÝSAYAR AÐLARI ve YÖNLENDÝRÝCÝLERÝ

TÜM-OPTİK BİLGİSAYAR AĞLARI ve YÖNLENDİRİCİLERİ
Mehmet Erdal ÖZBEK, Mehmet Salih DİNLEYİCİ
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü,
Gülbahçe Köyü, 35437, Urla, İzmir
Tel: 232-4986581, Faks: 232-4986505
{ozbek, sdinleyi}@likya.iyte.edu.tr
ÖZET
İnternetin hızlı bir şekilde yaygınlaşmasıyla ortaya çıkan trafik artışı, her
geçen gün daha da artan bir bandgenişliği ve hız ihtiyacını gündeme getirmiştir. Bu
amaçla yararlanılan optik ağ teknolojisinin gelişimi de bu ihtiyaçların karşılanması
doğrultusunda olmaktadır. İnternetin paket temelli yapısına bağlı olarak optik paket
yönlendirme, ağ yapısının oluşumunda kullanılan önemli uygulama alanlarından biri
olarak görünmektedir. Çoklu-protokol etiket anahtarlama da bu alanda yapılan
çalışmalara yeni bir yön vermiştir. Bu çalışmada internet veri paketlerinin
yönlendirilmesine ilişkin yapılan çalışmalar incelenerek, gelecek nesil internet yapısı
hakkındaki öngörüler değerlendirilmiştir.
1. GİRİŞ
İki bilgisayarı birbirine bağlamakla başlanan ağ oluşumu günümüzde oldukça
yaygınlaşmış ve internet adıyla bütün dünyayı birbirine bağlayacak kadar genişlemiştir.
Dünyanın herhangi bir yerinden çok uzak başka bir yerine sadece bir telefon hattı
kullanarak bağlanmak artık çok kolaylaşmıştır. İnternetin bu kadar kolay ulaşılabilmesi
ve bu kadar hızlı yayılması sonucu kullanıcı sayısının yanı sıra daha hızlı ve kolay
kullanıma yönelik uygulamaların sayısı artmıştır. Bu durum ise artan bir bandgenişliği
ve hız ihtiyacını gündeme getirmiştir.
Fiber optiğin yaygın kullanımıyla, optiğin artan bandgenişliği ve hız ihtiyacını
karşılayabilecek potansiyeli hatırlanmış ve bilgisayar ağları gelişimini bu doğrultuda
sürdürmüştür. İki sabit nokta arasındaki optik ortam üzerinden verinin iletilmesi için
geliştirilmiş bulunan eşzamanlı optik ağ (SONET) linkleri ile yaygınlaşan fiber optik
iletişim, daha sonra hücre adı verilen küçük boyutlu (53 bayt) paketler aracılığıyla
bilginin iletildiği eşzamansız aktarım kipi (ATM) servislerini de destekler duruma
getirilmiş ve internet trafiği ya da daha sık kullanılan şekliyle internet protokolü (IP),
ATM, SONET katmanlarının biri veya birleşimi üzerinde taşınır hale getirilmiştir [1].
IP
ATM
IP
IP
SONET/SDH
ATM
SONET/SDH
IP
Optik
Optik
Optik
Optik
IP/ATM/SONET
IP/ATM
IP/SONET
IP/WDM
Şekil 1 Optik temelli IP taşıyan katman yapıları
2. FOTONİK PAKET ANAHTARLAMA
İletimin optik ortama taşınmasına rağmen anahtarlamanın elektronik ortamda
yapılması ve ağ düğümlerinde elektronik anahtarlamanın yeterince hızlı olamamasından
doğan darboğaz, düğüm yapılarının optik elemanlarca oluşturulması ile aşılmaya
çalışılmaktadır. Bu aşamada internetin paket temelli yapısına bağlı olarak fotonik paket
anahtarlama, optik ağ yapısının oluşumunda kullanılan önemli uygulama alanlarından
biri olarak görünmektedir. Fotonik paket anahtarlama ile ağ katmanındaki internet
protokolü başlığının paketten ayrıştırılıp, işlenmesi ve paketin bu bilgiye göre
yönlendirilmesi hızlı bir şekilde gerçekleşmektedir.
Başlangıçta fotonik paket anahtarlama teknikleri ve optik iletim tek
dalgaboyunda daha hızlı ve verimli bir iletişimi sağlamak için yapılmaktayken,
çalışmalar bir tek fiberin birden çok dalgaboyunu taşıyabildiğinin farkına varılması
sonucu oluşturulan dalgaboyu bölüşümlü çoğullama (WDM) tekniği ile geliştirilmiş,
optik ekle-çıkart çoğullayıcılar (OADM), optik çapraz bağlayıcıların (OXC) yanı sıra
optik anahtarlar ve yönlendiriciler bu tekniğin üzerine tasarlanır olmuşlardır. İlk başta
tek fiberde 8 olan dalgaboyu çeşitliliği, yoğun dalgaboyu bölüşümlü çoğullama
(DWDM) tekniği ile birkaç yüz seviyesine çıkmıştır. Örneğin, Lucent Teknoloji’nin
geliştirdiği WaveStar LambdaRouter yönlendiricisi, bir dizi mikroskobik aynanın optik
işaretleri yönlendirdiği mikro-elektromekanik sistem (MEMS) teknolojisi kullanılarak
gerçekleştirilmiş ve 256 kanalı desteklemektedir [2]. Şekil 2’de bu yapının temelini
oluşturan tek katman üzerine ışığı yönlendirmek için yerleştirilmiş elektrik kontrollü
mikroskobik aynaların çalışma yapısı gösterilmiştir [3]. Ancak kullanılan dalgaboyu
kanalları ve bu kanallar arası girişimin ortaya çıkmaması için gerekli frekans aralığı
önemli bir sınırlama oluşturmaktadır. Bu sınırlamalar uluslararası iletişim birliği (ITU)
tarafından standarda bağlanmış, dalgaboyları, 193,100 THz (1552,524 nm) frekansı
merkez alınarak yerleştirilmiş ve kanallar arası boşluk da ITU-T G.692’ye göre 100
GHz (0,8 nm) olarak önerilmiştir [4].
Giriş
Çıkış
Giriş
Çıkış
Çıkart
Ekle
V
V
Şekil 2 Mikroskobik ayna yapısı
Kullanılan dalgaboyu sayısının artışı ve standartlaşmanın sağlanması ile Gb/s
hızlarında çalışan sistemler geliştirilmiştir. Bunlardan 10 Gb/s hızında olanları piyasaya
sürülmüş ve kullanılmakta, 40 Gb/s hızındaki sistemler ise henüz test aşamasında
bulunmaktadır [5]. Daha hızlı sistemler üzerinde araştırmalar da devam etmektedir.
Ancak önemli olan gelişme, internet protokolünün dalgaboyu bölüşümlü çoğullama
kanalları üzerinden iletilmeye başlanması ve çok katmanlı iletişimin sadece IP ve optik
katmanlarının oluşturduğu iki katmanlı yapıya indirilmiş olmasıdır (Şekil 1). Bu şekilde
veri bağlantı katmanı ile ağ katmanı yapısı birleştirilmiş, anahtarlama ve yönlendirme
işlemleri tek katmanda bir araya getirilmiş olmaktadır.
Optik ekle-çıkart çoklayıcılar ve optik çapraz bağlayıcılar gibi elemanlardan
oluşan yoğun dalgaboyu bölüşümlü çoğullama yapısı bilindiği üzere devre temellidir.
Kanallar ve bu kanallardan gönderilen verilerin yolu belirlidir. Buna karşın IP paket
temelli bir yapıya sahiptir ve iletim yolu daha önceden belirlenmiş değildir. Her bir
yönlendirici kendisine gelen IP paketlerini RIP veya OSPF gibi iç ağ geçidi protokolleri
ya da BGP gibi dış ağ geçidi protokolü aracılığıyla değerlendirir, bu aşamada
oluşturduğu yönlendirme tablosu bilgileri ile de yönlendirmeyi gerçekleştirir. Elektronik
ortamda bu tablo rasgele erişimli bellekte (RAM) saklanır ve güncellenirken, optik
ortamda bu elemanın bulunmamasından dolayı fotonik paket anahtarlamada fiberlerle
geciktirici hatlar oluşturularak farklı tamponlama yöntemleri kullanılmaktadır. Veri
paketlerinin içeriği hakkında bilgi veren başlığın paketten ayrıştırılıp, işlenmesi ve
paketin bu bilgiye göre yönlendirilmesinin optik ortamda gerçekleşmesi fotonik paket
anahtarlamanın konusudur ve bu amaç için kullanılan yöntemler sayesinde fotonik paket
anahtarlama bize yüksek hızın yanı sıra, veri hızı ve biçiminde saydamlık
sağlamaktadır.
Bu zamana kadar bir çok fotonik paket anahtarlama sistemi önerilmiş ve
gerçekleştirilmiştir. Bunlardan ATMOS, KEOPS ve WASPNET çalışmaları içinde
gerçekleştirilenler örnek olarak gösterilebilir [6,7,8]. Ancak bu yaklaşımların hepsinde
optik fiberin iletim hızına göre daha yavaş olan elektronik başlık işleme yöntemleri
kullanılmaktadır. Bu yöntemler saydam iletimi etkilemeseler de çok fazla miktardaki
trafiğin anahtarlanmasında optiğin sahip olduğu geniş potansiyeli sınırlarlar. Bu nedenle
optik başlık işlemenin kullanıldığı ve tüm-optik yönlendirme ve tüm-optik ağ yapısını
oluşturma amacıyla araştırmalar devam etmektedir.
Bu yöndeki çalışmalardan biri olarak, genel bir fotonik paket anahtarlama
şeması üzerinde yönlendirme yapmak amacıyla fiber Bragg ızgaraları kullanmayı
önermiştik [9]. Bu çalışmada, başlığı optik olarak işleme amacını esas alarak, fiber
Bragg ızgaralar aracılığıyla iletim yönünü değiştirmek üzere bir fotonik anahtarlama
modeli tasarlanmış ve bu modelin yönlendirmeyi gerçekleştirdiği, VPI firmasının özel
benzetim yazılımı ile gösterilmiştir.
3. ÇOKLU-PROTOKOL ETİKET ANAHTARLAMA
Tüm-optik ağ yapısı kurulmaya çalışılırken, eş sürede internet protokol
yapılarını geliştirmek için çalışmalar da devam etmektedir. Şu anda kullanılmakta olan
internet protokolünün dördüncü versiyonu (IPv4) yerine daha çok adres kapasitesine,
daha iyi hizmet kalitesine (QoS) ve güvenlik özelliklerine sahip altıncı versiyonu (IPv6)
üzerine çalışmalar devam etmektedir. Aynı zamanda şu anda kullanılmakta olan IPv4’ü
daha etkinleştirmek yönünde çalışmalar da sürmektedir. Bunlardan en son ve de önemli
olanı çoklu-protokol etiket anahtarlama (MPLS) üzerinedir.
IP’ye bağlantı merkezli yapının özelliklerini getiren çoklu-protokol etiket
anahtarlama, internete standart koyan bir grup olan IETF tarafından IP ağlarının kontrol
edilebilirliği, verimliliği, güvenirliği ve dolayısıyla yararını arttırmak amacıyla
geliştirildi. Esas olarak IP paket başlığının daha kısa bir şekilde ifade edilerek
yönlendirilmede kullanılması amacını güder. Bu kısa ifade etiket olarak adlandırılır ve
paket başlığının taşıdığı hedef adres bilgisine göre yönlendirilmesinde olduğu gibi
paketler bu etiketlere göre yönlendirilir. Bu yönlendirmede etiketler atandıkları
yönlendirme eşdeğerlik sınıfını (FEC) ifade ederler ve yönlendirme etiket anahtarlama
yolları (LSP) üzerinden etiket anahtarlama yönlendiriciler (LSR) tarafından
gerçekleştirilir (Şekil 3) [10,11].
LSR-1
LSR-2
LSR-3
λ3
λ2
λ1
LSR-6
IP yönlendirici
LSR-4
LSR-5
Şekil 3 Etiket anahtarlama yönlendiricileri ile yönlendirme
Çoklu-protokol etiket anahtarlama üzerine yapılan son çalışmalar ile veri
bağlantı katmanı ile ağ katmanı arasında bu iki katmanı birleştiren bir kontrol katman
yapısı yaratılmaktadır. Bu katman ile iletiler farklı bağlantı yapılarına göre ya da farklı
iletim amaçlarına göre gruplandırılmakta, bu amaçla kullanılan etiketlerin birbirleriyle
yer değiştirmesi, iç içe geçmesi veya yığınlaşması gibi teknikler sayesinde yönlendirme
basitleşmektedir. Bu basitleşme, var olan işaret ve yönlendirme protokollerine bazı
eklemeler gerektirmekle beraber, trafik yönetiminde kolaylıklar sağlamaktadır
[10,11,12,13].
Gelen sinyalin dalgaboyu etiket olarak kullanıldığında genelleştirilmiş çokluprotokol etiket anahtarlama (GMPLS) da denilen çoklu-protokol lambda anahtarlama
(MPλS) ortaya çıkmaktadır. Çoklu-protokol lambda anahtarlama, çoklu-protokol etiket
anahtarlamanın getirdiği avantajlarla, IP paketlerinin optik düğümlerden oluşan optik
ağlar ile iletilmesidir. Bu amaçla optik çapraz bağlayıcılar ve optik ekle-çıkart
çoklayıcılar gibi elemanların oluşturduğu düğüm noktaları arasında ışık yolları
kurularak oluşturulacak kanallar ile yönlendirme sağlanmaktadır. Bu amaçla oluşturulan
protokole etiket dağıtım protokolü (LDP) adı verilmektedir ve bağlantı sağlama ve hata
yalıtımı için kullanılan bağlantı yönetim protokolü (LMP) ile birlikte genelleştirilmiş
çoklu-protokol etiket anahtarlamanın gerçekleşmesinde önemli rol oynarlar [12,13].
Son yapılan çalışmalar ise iki temel yöntem üzerine yoğunlaşmıştır. Bunlardan
biri optik çapraz bağlayıcılar, optik ekle-çıkart çoklayıcıların kullanıldığı,
dalgaboylarının çoklanarak kullanılmasına dayalı dalgaboyu bölüşümlü çoğullama
(WDM) tabanlı çoklu-protokol lambda anahtarlama (MPλS), diğeri de fotonik paket
(etiket) anahtarlama tekniklerine (yan taşıyıcı çoklama, zaman-dalgaboyu haritalama)
dayanan çoklu-protokol etiket anahtarlama (MPLS) tabanlı optik kod etiket
anahtarlamadır (OC-MPLS) [13]. Her iki yöntem de IP-optik bütünleşmesini
gerçeklemeyi amaç edinmiş ve her iki yaklaşımın da çözülmesi gereken sorunları
üzerinde çalışmalar sürdürülmektedir.
4. GELECEK
Optik internetin temeli olan optik iletişimin tam anlamıyla elde edilebilmesi
için optik iletimin yanı sıra optik işlemenin de gerçeklenmesi gerekmektedir. Optik ağ
düğümlerinde paketlerin optik elemanlar tarafından işlenmesi ile gerçekleşecek tümoptik iletişim için çalışmalar devam etmektedir. Genelleştirilmiş çoklu-protokol etiket
anahtarlama (GMPLS) ve ona bağlı diğer çalışmalar ile bu alanda yeni bir yöne gidilmiş
ve IP’nin dalgaboyu bölüşümlü çoğullama (WDM) temeli üzerine oturtulmasıyla
başlanan altyapı, çoklu-protokol etiket anahtarlama (MPLS) ile veri bağlantı ve ağ
katmanlarının birleştiği bir yapıyı oluşturmuştur. Bu iki katmanın birleşmesi ile optiğin
hız, saydamlık gibi getirileri daha da etkinleştirilmiş ve gelecekte kaçınılmaz olarak
kullanılacağını düşündüğümüz optik internet altyapısı kurulmuş olmaktadır.
KAYNAKLAR
[1]
[2]
Rajiv Ramaswami & Kumar N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical
Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998.
Bell Labs Technology: Trends & Developments, Vol. 4, No. 2, 2000.
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
J. E. Ford, V. A. Aksyuk, D. J. Bishop, J. A. Walker, “Wavelength Add-Drop
Switching Using Tilting Micromirrors”, Journal of Lightwave Technology, Vol.
17, No. 5, s. 904, Mayıs 1999.
Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, McGraw-Hill, Boston, 2000.
Sudhir Dixit & Yinghua Ye, “Streamlining the Internet-Fiber Connection”, IEEE
Spectrum, Vol.38, No. 4, Nisan 2001.
F. Masetti et al., “High Speed, High Capacity ATM Optical Switches for Future
Telecommunication Transport Networks”, IEEE Journal of Selected Areas in
Communications, Vol. 14, No. 5, s. 979, Haziran 1996.
Christian Guillemot et al., “Transparent Optical Packet Switching: The European
ACTS KEOPS Project Approach”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 16,
No. 12, s. 2117, Aralık 1998.
David K. Hunter et al., “WASPNET: A Wavelength Switched Packet Network”,
IEEE Communications Magazine, s. 120, Mart 1999.
M. Erdal Özbek, “Optical Routing in Packet Switched Networks”, Yüksek lisans
tezi, Ağustos 2001.
M. A. Ali et al., “Architectural Options for the Next-Generation Networking
Paradigm: Is Optical Internet the Answer?”, Photonic Network Communications,
Vol. 3, No. 1, s.7, 2001.
E. Rosen, A. Viswanathan, R. Callon, “Multiprotocol Label Switching
Architecture”, RFC 3031, Ocak 2001.
A. Banerjee et al., “Generalized Multiprotocol Label Switching: An Overview of
Routing and Management Enhancements”, IEEE Communications Magazine,
s.144, Ocak 2001.
Masayuki Murata & Ken-ichi Kitayama, “A Perspective on Photonic
Multiprotocol Label Switching”, IEEE Network, s.56, Temmuz/Ağustos 2001.