Fiber Bragg Izgaralar ile Fotonik Paket Anahtarlama

Transkript

1 Fiber Bragg Izgaralar ile Fotonik Paket Anahtarlama Mehmet Erdal ÖZBEK, Mehmet Salih DİNLEYİCİ İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Urla, İzmir {ozbek, 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

2 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 λ B =2n e Λ (1) olarak verilir. Burada n e 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). giriş kontrol Bragg ızgara çıkış 3. Yönlendirme Modeli Şekil 1 Fiber ve Bragg ızgara yapısı 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.

3 DB Fiber geciktirici hatlar Optik anahtar A B 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.

4 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 C çıkışı Şekil 4 Giriş kelimelerine karşılık çıkışlar

5 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 , Ekim [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 , Mart [3] Pattavina A., Martinelli M., Maier G. ve Boffi P., Techniques and Technologies Towards All- Optical Switching, Optical Networks Magazine, s , Nisan [4] Ramaswami R. ve Sivarajan K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann, San Francisco, A.B.D., [5] Tanenbaum A. S., Computer Networks, Prentice-Hall, New Jersey, A.B.D., [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 , Mart [7] Yao S., Mukherjee B. ve Dixit S., Advances in Photonic Packet Switching: An Overview, IEEE Communications Magazine, s , Şubat 2000.