Оптикалық IP коммутациясы: Желілерде ағын негізіндегі жылдам байланыс

Кіріспе

Оптикалық IP коммутациялау (OIS) – ағынға негізделген тәсілді пайдалана отырып, желі түйіндері арасында мөлдір оптикалық байланыстар құрудың жаңа әдісі. IP ағыны – бір көзден бір мақсатқа баратын IP пакеттердің жиынтығы: IP пакеттердің алмасуы – бұл Интернет арқылы ақпарат тасымалдауға мүмкіндік беретін механизм. Жақында жүргізілген зерттеулер көрсеткендей, Интернет трафигінде ауыр құйрық таралуы байқалады, онда ағындардың аз ғана саны үлкен көлемде деректерді тасымалдайды. Бұл, осы ауыр ағындарды тасымалдау үшін оптикалық байланыстарды динамикалық түрде бейімдеу мүмкіндігін көрсетеді. Қазіргі уақытта пакет мақсатына жету үшін бірнеше маршрутизатордан өтуі керек, ал желі маршрутизаторлары әрбір пакетті талдап, оны мақсатты түйінге қарай жіберуі керек. Алайда, ағын бір көзден бір мақсатқа баратын пакеттер тізбегі ретінде анықталғандықтан, егер маршрутизатор ағынды танитын болса, ол бір IP ағысына жататын барлық пакеттерге талдаусыз, тікелей дұрыс бағытқа жүруге мүмкіндік беретін «ауыстырылған» байланыс құру арқылы қысқа жол жасауға болады. Бұл жалпы идея IP коммутациясы деп аталады. Егер қысқа жол оптикалық деңгейде жасалса, процесс оптикалық IP коммутациялауға айналады. OIS-тің артықшылығы сонда, бүгінгі таңда пакеттер екі нүкте арасында оптикалық жолмен жіберіледі, бірақ әрбір маршруттау станциясында оларды электр сигналына айналдырып, маршруттаудан кейін оптикалық талшық арқылы жалғаса беру үшін қайтадан оптикалық сигналға айналдыру қажет. Егер маршрутизатор ағынды тани алса, ол тікелей оптикалық деңгейде қысқа жол («cut through connection») құра алады, сонда сол ағынға жататын барлық пакеттер оптикалықтан электрлік түрлендіру процесінсіз дұрыс мақсатқа бағытталады. Бұл маршрутизатордың уақытын, энергиясын, жадын және өңдеу ресурстарын үнемдейді. OIS тұжырымдамасының негізгі іске асырылуы – IP трафигін бақылайтын оптикалық маршрутизатор. Егер белгілі бір сипаттамалары бар ағын пайда болса, маршрутизатор өзінің жоғары және төменгі көршілері арасында оптикалық кесу жолын құрады, сондай-ақ жоғары ағыстағы түйінен ағынға жататын барлық пакеттерді жаңа жолға орналастыруды сұрайды. Жаңа құрылған жол маршрутизатордың IP қабатын айналып өтеді, себебі пакеттер үстіртке қарай төменгі көршіге қарай мөлдір түрде ағылады. Осыған ұқсас процедурадан кейін жолды үш түйіннен астамға кеңейтуге болады, бірақ бұл шешім әр маршрутизатормен дербес қабылданады және кездесетін трафикке, сондай-ақ жергілікті қолда бар ресурстарға байланысты болады. Алайда, оптикалық сілтеме секундына бірнеше гигабит деректерді тасымалдауға мүмкіндік беретіндіктен, оптикалық жолдың жолағын пайдалана алатын ағынды табу қиын болуы мүмкін. Осы себепті, OIS желісінің жұмыс істеуі үшін көп IP ағындарын бір арнаулы жолға біріктіру өте маңызды. Біріктіру IP ағындарының санын біріктіруге болатын және оларды қамтитын оптикалық жолдың ұзындығы арасындағы сауда-саттыққа әкеледі. Жақсы өнімділікке жету үшін тек желілік шұңқырлардың едәуір санын бөлісетін оптикалық ағымдар бір жолға біріктірілуі тиіс. Оптикалық IP коммутациялауды іске асыратын негізгі түйін электрлік өңдеу және жад ресурстарымен (стандартты IP маршрутизатор ретінде), оптикалық қабылдағыштардың өзгермелі санымен және оптикалық коммутациялау элементімен (әдетте MEMS негізделген құрылғы) қамтамасыз етілуі тиіс. Шеткі түйінге оптикалық коммутациялау құрылғысы қажет емес, өйткені ол тек оптикалық ағынның көзі немесе мақсаты ретінде жұмыс істей алады. OIS-ке ең жақын бақылау протоколы GMPLS болуы мүмкін, оны IETF стандарттады. GMPLS клиенттің немесе желілік инженерлік қызметтің нақты сұранысынан кейін аяқтан аяққа байланысты құруға бағытталған. Бұл OIS-тен негізгі айырмашылықты құрайды, онда оптикалық сынақтар кездесетін трафикке байланысты автоматты түрде іске қосылады; олар бастапқыда үш көрші түйін арасында пайда болады, содан кейін үлестірілген шешім бойынша кеңейтіледі.

Optical IP Switching (OIS), is a novel method of creating transparent optical connections between network nodes using a flow based approach. An IP flow is a collection of IP packets going from the same source to the same destination: the exchange of IP packets is the mechanism that allows the transport of information over the Internet. Recent studies have shown that Internet traffic presents a heavy tail distribution, where a small number of flows carries a huge amount of data. This suggests the possibility of dynamically adapting the optical connections to carry these heavy flows. Currently a packet has to traverse a certain number of routers, before reaching its destination and the network routers must analyze each packet and forward it towards the direction of the destination node. However, since a flow is defined as a sequence of packets going from the same source to the same destination, if the router recognises the flow it could create a short cut by creating a “switched” connection allowing all the packets belonging to the same IP flow to proceed directly towards the correct direction without being analyzed one after the other. This general idea is known as IP switching. If the shortcut however occurs at an optical level, the process becomes Optical IP Switching. The advantage of OIS comes from the fact that today packets are transmitted optically between two points but at each routing station they have to be converted into electrical signal, routed and converted back into optical to continue their travel over the optical fiber. If instead the router is able to recognise a flow, it could create a shortcut (“cut through connection”) directly at the optical level, and all the packets belonging to the same flow could be directed to the right destination without the optical to electrical conversion process. This would save time, energy, memory and processing resources on the router. A basic implementation of the OIS concept sees an optical router that monitors IP traffic and if a flow appears with specific characteristics the router establishes an optical cut through path between its upstream and downstream neighbours, requesting the upstream node to place all the packets belonging to the flow into the new path. The newly generated trail bypasses the IP layer of the router, as the packets transparently flow from the upstream to the downstream neighbour. Following a similar procedure the path can then be extended to more than three nodes, but this decision is always autonomously taken by each router and depends on the traffic encountered and on the resources locally available. Since an optical link however can carry several gigabits of data per second, it may be difficult to find a flow that alone can exploit the bandwidth offered by an optical trail. For this reason, aggregating more IP flows into the same dedicated path is essential for the performance of an OIS network. The aggregation introduces a trade off between the number of IP flows that can be aggregated together and the length of the optical trail that accommodates them. In order to achieve good performance only optical flows sharing a significant number of network hops should be aggregated into the same path. A core node implementing optical IP switching must be endowed with electrical processing and memory resources (as a standard IP router), a variable number of optical transceivers and an optical switching element (usually a MEMS based device). An edge node instead does not need an optical switching device because it could only function as source or destination of the optical flow. The control protocol nearest to OIS is probably GMPLS, which is being standardized by the IETF. GMPLS aims at creating end to end connections after an explicit request from a customer or a network engineering service. This constitutes the main difference with OIS where the optical trials are automatically triggered by the encountered traffic; they are initially generated between three adjacent nodes, and then extended following a distributed decision.