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 λ 3 λ 1 λ 2 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] Rajiv Ramaswami & Kumar N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998. [2] Bell Labs Technology: Trends & Developments, Vol. 4, No. 2, 2000.
[3] 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. [4] Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, McGraw-Hill, Boston, 2000. [5] Sudhir Dixit & Yinghua Ye, Streamlining the Internet-Fiber Connection, IEEE Spectrum, Vol.38, No. 4, Nisan 2001. [6] 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. [7] 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. [8] David K. Hunter et al., WASPNET: A Wavelength Switched Packet Network, IEEE Communications Magazine, s. 120, Mart 1999. [9] M. Erdal Özbek, Optical Routing in Packet Switched Networks, Yüksek lisans tezi, Ağustos 2001. [10] 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. [11] E. Rosen, A. Viswanathan, R. Callon, Multiprotocol Label Switching Architecture, RFC 3031, Ocak 2001. [12] A. Banerjee et al., Generalized Multiprotocol Label Switching: An Overview of Routing and Management Enhancements, IEEE Communications Magazine, s.144, Ocak 2001. [13] Masayuki Murata & Ken-ichi Kitayama, A Perspective on Photonic Multiprotocol Label Switching, IEEE Network, s.56, Temmuz/Ağustos 2001.