Δρομολόγηση και αποδοτική ανάθεση χωρητικότητας σε ευρυζωνικά οπτικά δίκτυα
Authors: Χριστοδουλόπουλος Κωνσταντίνος 
Published: January 2014

Τα οπτικά δίκτυα αποτελούν την αποδοτικότερη επιλογή όσον αφορά την εγκατάσταση ευρυζωνικών δικτύων κορμού, καθώς παρουσιάζουν μοναδικά χαρακτηριστικά μετάδοσης. Διαθέτουν τεράστιο εύρος ζώνης, υψηλή αξιοπιστία, ενώ επίσης έχουν μειωμένο κόστος μετάδοσης ανά bit πληροφορίας σε σχέση με τα υπόλοιπα ενσύρματα δίκτυα. Σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στις προοπτικές μετάβασης από τα παραδοσιακά στατικά δίκτυα κυκλωμάτων, στα οποία χρησιμοποιείται από-σημείο-σε-σημείο οπτική μετάδοση, σε δίκτυα μετάδοσης δεδομένων που προσφέρουν δυναμική και γρήγορη επαναρύθμιση των οπτικών μονοπατιών και πρόσβαση σε χωρητικότητες κάτω του ενός μήκους κύματος, ανάλογα με τις απαιτήσεις των χρηστών και των εκάστοτε εφαρμογών. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει η τάση για δημιουργία δυναμικών και επαναρυθμιζόμενων οπτικών δικτύων μεταγωγής κυκλώματος (Optical Circuit Switching), τα οποία θα βασίζονται σε διαφανείς κόμβους μεταγωγής. Η μονάδα μεταγωγής των δικτύων οπτικής μεταγωγής κυκλώματος είναι τα οπτικά μονοπάτια (lightpaths) και το βασικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που σχετίζεται με την αποδοτική εκμετάλλευση της χωρητικότητας τέτοιων δικτύων είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Στα αμιγώς διαφανή (transparent) οπτικά δίκτυα κυκλώματος η μετάδοση του σήματος υποβαθμίζεται από μια σειρά φυσικών εξασθενήσεων (physical impairments), σε σημείο που η εγκατάσταση ενός οπτικού μονοπατιού να μην είναι αποδεκτή. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος στην παρούσα διατριβή προτείνουμε αλγόριθμους οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τους τις φυσικές εξασθενήσεις (Impairment Aware RWA ή ΙΑ-RWA algorithms) τόσο για στατική όσο και για δυναμική κίνηση. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε έναν IA-RWA αλγόριθμο για στατική κίνηση, ο οποίος βασίζεται στην τεχνική της LP-χαλάρωσης και χρησιμοποιεί αποδοτικές μεθόδους για την παραγωγή ακεραίων λύσεων. Εκφράζουμε τις φυσικές εξασθενήσεις μέσω επιπλέον περιορισμών στην LP μοντελοποίηση του RWA προβλήματος, επιτυγχάνοντας την διαστρωματική βελτιστοποίηση (cross-layer optimization) πάνω στο φυσικό επίπεδο και στο επίπεδο δικτύου. Στη συνέχεια, προτείνουμε έναν IA-RWA αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων (multi-cost) για δυναμική κίνηση. Ορίζουμε ένα διάνυσμα από κόστη για κάθε σύνδεσμο και τις πράξεις συσχέτισης αυτών, ώστε να μπορούμε να υπολογίσουμε το διάνυσμα από κόστη ενός μονοπατιού και μέσω αυτού να αξιολογήσουμε την ποιότητα μετάδοσης των διαθέσιμων μηκών κύματος του μονοπατιού. Για την εξυπηρέτηση μιας νέας αίτησης σύνδεσης, ο αλγόριθμος πολλαπλών κριτηρίων υπολογίζει το σύνολο των μη κυριαρχούμενων μονοπατιών, από την πηγή στο ζητούμενο προορισμό, και μετά εφαρμόζει μια πολιτική για να επιλέξει το βέλτιστο οπτικό μονοπάτι. Προτείνουμε και αξιολογούμε την απόδοση μιας σειράς από πολιτικές επιλογής, η κάθε μια από τις οποίες ουσιαστικά αντιστοιχεί σε έναν διαφορετικό δυναμικό IA-RWA αλγόριθμο. Στη συνέχεια, στρέφουμε την προσοχή μας στα δίκτυα οπτικής μεταγωγής καταιγισμών (Optical Burst Switching – OBS), τα οποία θεωρούνται ότι αποτελούν το επόμενο στάδιο των δικτύων οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, όπου η δέσμευση της χωρητικότητας γίνεται για μικρότερο χρονικό διάστημα. Στα OBS δίκτυα, τα πακέτα που έχουν τον ίδιο προορισμό και παρόμοιες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας συναθροίζονται σε καταιγισμούς (bursts). Οι καταιγισμοί μεταδίδονται πάνω από αμιγώς οπτικά μονοπάτια, τα οποία ρυθμίζονται με τη χρήση πακέτων ελέγχου που μεταδίδονται πριν από τους αντίστοιχους καταιγισμούς και τα οποία επεξεργάζονται ηλεκτρονικά οι ενδιάμεσοι κόμβοι. Επικεντρώνουμε την προσοχή μας σε δυο βασικά στοιχεία ενός δικτύου οπτικής μεταγωγής καταιγισμών, την διαδικασία συναρμολόγησης καταιγισμών και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας, και παραθέτουμε δύο προτάσεις για την αποδοτική ανάθεσης χωρητικότητας σε αυτά τα δίκτυα. Συγκεκριμένα, προτείνουμε και αξιολογούμε ένα νέο αλγόριθμο συναρμολόγησης καταιγισμών που βασίζεται στη μέση καθυστέρηση των πακέτων που αποτελούν έναν καταιγισμό. Δείχνουμε ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος συναρμολόγησης καταιγισμών μειώνει την διασπορά της καθυστέρησης των πακέτων (packet delay jitter), η οποία είναι σημαντική για μια σειρά από εφαρμογές. Στην συνέχεια προτείνουμε ένα νέο αμφίδρομο (two-way) πρωτόκολλο σηματοδοσίας που βασίζεται στις μελλοντικές (in-advance) και χαλαρωμένες χρονικά (relaxed timed) δεσμεύσεις χωρητικότητας. Στο προτεινόμενο πρωτόκολλο, κατά τη φάση εγκατάστασης της σύνδεσης οι δεσμεύσεις χωρητικότητας γίνονται για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από το χρόνο μετάδοσης του καταιγισμού, ώστε να αυξηθεί η πιθανότητα επιτυχούς εγκατάστασης στους επόμενους συνδέσμους του μονοπατιού. Συγκρίνουμε το προτεινόμενο πρωτόκολλο με τυπικά πρωτόκολλα που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία και δείχνουμε οτι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παροχή διαφοροποιημένης ποιότητα υπηρεσιών (QoS differentiation) στους χρήστες του OBS δικτύου. Στη συνέχεια, εξετάζουμε το πρόβλημα της δρομολόγησης και του χρονοπρογραμματισμού συνδέσεων με χαλαρό - μη συγκεκριμένο χρόνο εκκίνησης, πρόβλημα που εμφανίζεται υπό ελαφρώς διαφορετική μορφή σε δίκτυα οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, οπτικής μεταγωγής καταιγισμών αλλά και μεταγωγής πακέτου. Η εξυπηρέτηση αυτών των συνδέσεων γίνεται μέσω μελλοντικών δεσμεύσεων χωρητικότητας, τρόπος ο οποίος είναι τυπικός για να παραχθεί εγγυημένη ποιότητα υπηρεσίας (QoS) στους χρήστες ενός δικτύου. Θεωρούμε ότι μας δίνεται μια σύνδεση με γνωστή πηγή και προορισμό, γνωστό ή άγνωστο όγκο δεδομένων και γνωστό ρυθμό μετάδοσης και ζητείται να αποφασίσουμε το μονοπάτι που θα ακολουθήσουν τα δεδομένα και το χρόνο που θα αρχίσει η μετάδοση. Διακριτοποιούμε το χρόνο και χρησιμοποιούμε κατάλληλα διανύσματα ως δομές δεδομένων για να αναπαραστήσουμε τη διαθεσιμότητα των συνδέσμων του δικτύου ως συνάρτηση του χρόνου. Χρησιμοποιούμε αυτά τα διανύσματα σε ένα αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και το χρονοπρογραμματισμό των συνδέσεων. Αρχικά, παρουσιάζουμε έναν αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων μη πολυωνυμικής πολυπλοκότητας, ο οποίος βασίζεται στην έννοια των μη-κυριαρχούμενων μονοπατιών. Μετά προτείνουμε δύο ευριστικούς αλγορίθμους πολυωνυμικής πολυπλοκότητας, ορίζοντας κατάλληλες σχέσεις ψευδο-κυριαρχίας οι οποίες μειώνουν το χώρο των λύσεων. Επίσης, προτείνουμε ένα μηχανισμό branch-and-bound, ο οποίος μπορεί να μειώσει το χώρο λύσεων στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε μια συγκεκριμένη συνάρτηση βελτιστοποίησης για όλες τις συνδέσεις. Η απόδοση των προτεινόμενων αλγορίθμων αξιολογήθηκε σε ένα δίκτυο οπτικής μεταγωγής καταιγισμών, ωστόσο τα συμπεράσματα και η εφαρμοσιμότητα του προτεινόμενου αλγόριθμου επεκτείνεται και σε άλλου είδους οπτικά δίκτυα. Τέλος, εξετάζουμε το πρόβλημα του συνδυασμένου χρονοπρογραμματισμού των δικτυακών και υπολογιστικών πόρων που απαιτούνται για την εκτέλεση μιας διεργασίας σε ένα Δίκτυο Πλέγματος (Grid Network). Τα Δίκτυα Πλέγματος θεωρούνται το επόμενο βήμα στον τομέα των κατανεμημένων συστημάτων, εισάγοντας την έννοια της “κοινής” χρήσης γεωγραφικά κατανεμημένων και ετερογενών πόρων (υπολογιστικών, αποθηκευτικών, δικτυακών, κλπ.). Υποθέτουμε ότι η εκτέλεση μιας διεργασίας αποτελείται από δύο διαδοχικά στάδια: (α) Τη μεταφορά των δεδομένων εισόδου της διεργασίας από μια αποθηκευτική μονάδα σε μια συστοιχία υπολογιστών (cluster), (β) την εκτέλεση της διεργασίας στη συστοιχία υπολογιστών. Επεκτείνουμε τον αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και το χρονοπρογραμματισμό συνδέσεων που περιγράφηκε προηγουμένως, έτσι ώστε να χειρίζεται με ένα συνδυασμένο τρόπο δικτυακούς και υπολογιστικούς πόρους για την εκτέλεση των διεργασιών. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιστρέφει: (i) τη συστοιχία υπολογιστών όπου θα εκτελεστεί η διεργασία, (ii) το μονοπάτι το οποίο θα ακολουθήσουν τα δεδομένα εισόδου, (iii) τη χρονική στιγμή εκκίνησης μετάδοσης και (iv) τη χρονική στιγμή εκκίνησης εκτέλεσης της διεργασίας στη συστοιχία υπολογιστών. Ξεκινάμε παρουσιάζοντας έναν αλγόριθμο μη πολυωνυμικού χρόνου και μετά, αφού μειώσουμε κατάλληλα το χώρο λύσεων, δίνουμε έναν ευριστικό αλγόριθμο πολυωνυμικής πολυπλοκότητας.