Fiber Bragg Izgaralar ile Fotonik Paket Anahtarlama

Fiber Bragg Izgaralar ile Fotonik Paket Anahtarlama
Mehmet Erdal ÖZBEK, Mehmet Salih DİNLEYİCİ
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Urla, İzmir
{ozbek, sdinleyi}@likya.iyte.edu.tr
Özetçe
İnternetin hızlı gelişimi ile artan bandgenişliği ve hız ihtiyacı optik ağ
teknolojisinin sahip olduğu potansiyel ile karşılanmaya çalışılmaktadır. Fotonik
paket anahtarlama, paket temelli internet yapısı dikkate alındığında bu amaç için
kullanılan önemli uygulama alanlarından birisidir. Bu çalışmada, internet veri
paketlerini yönlendirmek için fiber Bragg ızgaralardan oluşan bir anahtarlama/
yönlendirme yapısı sunulmuş, paket başlık bilgisinin değerlendirilerek yönlendirme
yapılabileceği benzetim aracılığıyla gösterilmiştir.
1. Giriş
İnternetin hızlı gelişmesi, her gün daha da artan bir bandgenişliği ve hız ihtiyacını gündeme
getirmektedir. Optik ağ teknolojisinin her iki ihtiyacın karşılanmasında sahip olduğu büyük
potansiyele dayanılarak, geleceğe yönelik çalışmalar optik altyapı üzerinde sürdürülmektedir. Tümoptik ağ olarak adlandırılan bu yapıda iletimin yanı sıra anahtarlamanın da optik ortamda
gerçekleştirilerek iletişimin tamamıyla optik ortamda yapılması öngörülmektedir.
Bilindiği gibi verinin taşındığı elektronik ortamın bandgenişliği ve hızı sınırlaması fiber optik
taşıyıcılar ile aşılmış, daha çok miktarda verinin daha hızlı bir şekilde iletilmesi sağlanmıştır. Ancak
tamamen elektronik ortamda gerçekleşen iletişimin ortasında yaratılmış bulunan bu optik taşıyıcı
arabirimi, iletim bütünlüğü için elektronikten optiğe ve optikten elektroniğe dönüşümleri gerekli
kılmıştır. Bunun yanında, anahtarlama ve yönlendirme aşamalarında elektronik anahtarlamanın
gereken optik hızına çıkamaması nedeniyle bir darboğaz oluşmakta, iletişim elektronik
anahtarlamanın hızına bağlı kalmaktadır. Bu yüzden elektronik-optik-elektronik dönüşümlerden
kurtulmak ve de anahtarlama darboğazını aşmak amacıyla anahtarlama ve yönlendirme noktaları
olan düğüm yapıları optik/fotonik elemanlarca gerçekleştirilmeye çalışılmaktadır.
İnternetin paket temelli yapısına bağlı olarak anahtarlama/yönlendirme işlemleri dalgaboyu
bölüşümlü çoğullama gibi devre temelli ya da fotonik paket anahtarlama gibi paket temelli olarak,
bağlantılı ya da bağlantısız işgörüler üzerinde gerçekleşmektedir. Dalgaboyu bölüşümlü çoğullama
ile iletim kapasitesi arttırılmakta ancak her bir dalgaboyu için kapasite optik yönlendiriciler/
anahtarlayıcılar nedeniyle sınırlı kalmaktadır. Fotonik paket anahtarlama ile açık sistemler
arabağlaşımı ağ katmanındaki internet protokolü başlığının paketten ayrıştırılıp işlenmesi ve paketin
bu bilgiye göre yönlendirilmesi hızlı bir şekilde gerçekleşmektedir [4,5]. Bugüne kadar ATMOS,
KEOPS gibi projelerde bir çok fotonik paket anahtarlama şemaları önerilmiştir [3,7]. Ancak bu
yaklaşımlarda optik fiberin hızına göre daha yavaş olan elektronik başlık ilave etme ve işleme
yöntemleri kullanılmıştır. Bu yöntemler saydam iletişimi etkilemeseler de, çok fazla miktardaki
trafiğin anahtarlanmasında optiğin sahip olduğu geniş potansiyeli sınırlamaktadırlar. Bu nedenle
optik başlık işlemenin kullanıldığı tüm-optik yönlendirme ve tüm-optik ağ yapısını oluşturma
amacıyla çalışmalar devam etmektedir [2,3,6].
2. Fiber Bragg Izgaralar
Çalışmamızda genel bir fotonik paket anahtarlama şeması üzerinde anahtarlama/yönlendirme
yapmak üzere fiber Bragg ızgaraların kullanılması önerilmektedir. Bilindiği gibi fiber Bragg
ızgaralar, çoğullayıcılar, çoklayıcılar ve bağlayıcılar oluşturmakta kullanılan yapılardır. Kırılma
indisinin fiber uzunluğu boyunca dönemli değişimi olarak tanımlanabilen ızgara yapısında kırılma
indis değişimi, morötesi lazer ışımanın fotoduyarlı fiber çekirdeğinde yarattığı girişim saçakları ile
de oluşturulabilmektedir. İndis değişiminin en güçlü olarak gözlendiği frekans, Bragg dalgaboyu
λB=2neΛ
(1)
olarak verilir. Burada ne fiberin etkin kırılma indisi ve Λ ızgaradaki kırılma indis değişiminin
aralığıdır. Fiberin içinde ileri kip yayılımı ve geri kip yayılımı arasında bağlaşım, bu uzunluğun
ve/veya indis değişiminin ayarlanması ile kontrol edilebilir [1,4]. Başka bir deyişle, ızgarayı
etkileyen lazer kaynağı ile fiber içindeki optik dalga, kısaca ışık ile ışık, kontrol edilmekte, fiber
içindeki iletim yönü ve gücü değiştirilebilmektedir (Şekil 1).
kontrol
Bragg
ızgara
çıkış
giriş
Şekil 1 Fiber ve Bragg ızgara yapısı
3. Yönlendirme Modeli
Çalışmamızda bu şekilde çalışan fiber Bragg ızgaraları anahtar görevini gerçeklemek için kullanıp,
bu anahtarlarla paket başlık bilgisinin değerlendirilerek yönlendirme yapılabileceği benzetim
aracılığıyla gösterilmiştir. Bu amaçla ilk önce bir fotonik paket işleme modeli tasarlanmıştır (Şekil
2). Burada paket seviyesinde, bit seviyesinde ve yol atama çizelgesi güncellemesinde olmak üzere
üç seviyeli bir hız sıradüzeni sunulmaktadır. Doğal olarak paket anahtarlamayı en hızlı şekilde
gerçekleştirmek amaçtır. Bit seviyesinde anahtarlama ise başlık tanımada ve başlık bitlerini
yeterince hızlı elde etmekte gerekmektedir. Diğer yanda yol atama çizelgesi güncellemesi için o
kadar hızlı gerçeklenme gereği duyulmamaktadır ve güncelleme yönlendiricinin hızını düşürmeden
elektronik ortamda gerçekleştirilebilir. Sistemimizde paket hızı esas alınarak yönlendirme
gerçekleştirilirken, paket fiber gecikme hatları ile yönlendirme işlemi süresince geciktirilmiş, yol
atama çizelgesi güncelleme zamanı ise elektronik kontrol biriminin düzenlemesine bırakılmıştır.
DB
Fiber geciktirici hatlar
A
B
Optik
anahtar
C
BT
S/P
Optik
İşleme
Birimi
Sürücü
Kontrol Birimi
DB: Demet bölücü, BT: Başlık tanıyıcı, S/P: Seriden paralele dönüştürücü
Şekil 2 Fotonik paket anahtarlama/yönlendirme modeli
Modelimizde fiber üzerinden gelen internet protokol başlık bilgisi dört bit olarak ele alınmaktadır.
Seri olarak gelen bu bilgi öncelikle paralele çevrilerek anahtarlama sistemine beslenmektedir.
Anahtarlama sistemi Tablo 1’de de gösterildiği gibi, dört bitin olası on altı farklı durumuna göre üç
farklı yöne yönlendirme yapacak şekilde ayarlanmıştır. (Farklı yön sayısı yönlendiricinin bağlı
olduğu diğer yönlendiricilerin sayısına bağlı olarak değişebilir ancak biz sıradan bir yönlendirici
için bunu üç olarak kullandık).
Tablo 1 Başlık bilgisine göre anahtarlama
Giren Başlık Bilgisi
Çıkış
0001, 0101, 1001, 1100
A
0010, 0110, 1000, 1010, 1101, 1110, 1111
B
0000, 0011, 0100, 0111, 1011
C
Başlıktan elde edilen her bir bit karşılık gelen lazer kaynaklarını sürmektedir (Şekil 3). Bu
kaynaklardan beslenen fiberler üzerindeki Bragg ızgaraların kırılma indisleri, kontrol birimi
lazerlerinin ışımasıyla değiştirilebilmektedir. Bu sayede kırılma indis değerlerine göre ızgaralar
başlık bitlerinden gelen giriş gücünü iletmekte ya da yansıtmakta, böylece kontrol biriminin
lazerleri ile giriş lazerleri kontrol edilerek ızgaralar üzerinde anahtarlama sağlanmış olmaktadır. Bu
şekilde çıkışa yönlendirilen giriş gücü kontrol biriminin lazerlerinin uyguladığı anahtarlama
ışımasına göre önceden tasarlanmış çıkışı seçmiş olmaktadır.
ızgara
giriş
çıkış
Bilgi lazer
kaynakları
Kontrol lazer kaynakları
Şekil 3 4 bit giriş için benzetim modeli
4. Benzetim Sonuçları
Benzetmemizde internet hattından gelen başlık bilgisi olarak rasgele seçilmiş dört bitlik bilginin,
Tablo 1’de verilmiş bulunan, kendisi için belirlenmiş çıkışı seçmesi gösterilmiştir.
“1000”, “1100” ve “0111” olarak tekrarlı verilen üç giriş kelimesi için belirlenen şekilde sırasıyla B
çıkışının, A çıkışının ve C çıkışının aktif olması Şekil 4’te gösterilmiştir.
Giriş: “1000”, “1100” ve “0111”
A çıkışı
B çıkışı
Şekil 4 Giriş kelimelerine karşılık çıkışlar
C çıkışı
Bu işlemler süresince fiber geciktirici hatlarda bekletilen paketin belirlenen çıkışa yönlendirilmesi,
fotonik paket anahtarlama modelimizdeki sürücü aracılığıyla sağlanmaktadır. Böylece başlık
bilgisine göre paketin istenilen yöne yönlendirilmesi gerçekleşmiş olmaktadır.
5. Sonuç ve Gelecek
Çalışmamızda internet veri paketlerinin, taşıdıkları başlık bilgilerine dayanılarak, fiber Bragg
ızgaralar kullanılarak yönlendirilebileceği benzetim aracılığıyla gösterilmiştir. Benzetmede başlık
bilgisi tasarım kolaylığı açısından dört bit olarak ele alınmıştır. Ancak tasarımın esas amacı 32 bit
internet protokol adreslerini kullanarak yönlendirme yapılabileceğini göstermektir. Bu düşünceyle
tasarımımız, 32 bit için genişletilebilir ancak bu aşamada kullanılacak eleman ve bağlantı sayısının
çok olmasından ötürü, internet protokol adreslerinin dört adet sekiz bit olarak sınıflara ayrıldığı
altsınıf ağları biçiminde ya da ayarlanabilir boyutlarda sınıfsız olarak kullanılabilir. Bunun yanı sıra,
çoklu-protokol etiket anahtarlama tekniği de, bu dört bit ya da fazlasının etiket olarak kullanılması
ile gerçekleştirilebilir.
Kaynakça:
[1] Hibino Y., “Passive Optical Devices for Photonic Networks”, IEICE Trans. Commun., s. 21782190, Ekim 2000.
[2] O’Mahony M. J., Simeonidou D., Hunter D. K. ve Tzanakaki A., “The Application of Optical
Packet Switching in Future Communication Networks”, IEEE Communications Magazine, s. 128135, Mart 2001.
[3] Pattavina A., Martinelli M., Maier G. ve Boffi P., “Techniques and Technologies Towards AllOptical Switching”, Optical Networks Magazine, s. 75-93, Nisan 2000.
[4] Ramaswami R. ve Sivarajan K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan
Kaufmann, San Francisco, A.B.D., 1998.
[5] Tanenbaum A. S., Computer Networks, Prentice-Hall, New Jersey, A.B.D., 1996.
[6] Veeraraghavan M., Karri R., Moors T., Karol M. ve Grobler R.“Architectures and Protocols that
Enable New Applications on Optical Networks”, IEEE Communications Magazine, s. 118-127,
Mart 2001.
[7] Yao S., Mukherjee B. ve Dixit S., “Advances in Photonic Packet Switching: An Overview”,
IEEE Communications Magazine, s. 84-94, Şubat 2000.