Multi-layer traffic engineering in optical networks under physical layer impairments

Bu araştırmada Çoklu Protokol Etiket Anahtarlaması (Multiprotocol Label Switching MPLS)/Dalga Boyu Bölüşümlü Çoğullama (Wavelength Division Multiplexing: WDM) ağlarında trafik mühendisliği (Traffıc Engineering: TE) incelenmiş ve çok katmanlı bir TE yöntemi önerilmiştir. MPLS, IP ağları için güçlü TE özellikleri sağlamaktadır ve omurga ağlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. WDM, optik fiberlerin iletim kapasitesini çok yüksek miktarlara çıkarabilir, bu yüzden optik katmanda kullanılan hakim çoğullama teknolojisidir.Önerilen çok katmanlı TE çözümü, ağ kaynaklarının MPLS ve WDM katmanlarındaki TE mekanizmalarının eşgüdümlü çalıştığı verimli kullanımına olanak sağlamaktadır. Sabit bir WDM katmani ve trafik beklentisinin önceden mevcut olduğu farzedilmiştir. Ele alınan senaryoda ortaya çıkan TE problemi, Sanal Topoloji Tasarımı (Virtual Topology Design: VTD) problemidir ve kurulacak WDM ışıkyollarının belirlenmesi, MPLS Etiket Anahtarlamalı Yollarının (Label Switched Path: LSP) ortaya çıkan sanal topolojide yönlendirilmesi ve fiziksel topolojı üzerinde sanal topolojıdeki ışıkyollarına karşılık gelen yol ve dalgaboylarının hesaplanmasını içerir. Gün içinde saate göre değişen bir trafik modeli farzedilmiştir ve amaç tüm gün boyunca sunulan trafiğin mümkün olduğunca çoğunu karşılayan sabit bir sanal topolojı tasarlamaktır.Önerilen çözümde çok katmanlı VTD problemi, her biri tek bir katmana karşılık gelen iki alt probleme ayrıştırılarak çözülmektedir. Bu tezde kullanılan ayrıştırma yaklaşımının sebebi, birleşik çözümün gerçek ağlar için getirdiği büyük hesaplama yüküdür. MPLS katmanındaki alt problem ışıkyolu topolojisinin tasarımı ve sanal topoloji üzerindeki LSP yollarının hesaplanmasıdır. Bu problemin NP-tam olduğu bilinmektedir ve en iyi çözümünün bulunması yalnızca küçük boyutlu ağlar için olanaklıdır. Bu problemin kaynak yönelimli ve başarım yönelimli olmak üzere iki versiyonunu çözmek için Tabu Araştırmaya dayalı buluşsal bir yöntem geliştirilmiştir. Alt ve üst sınırlar elde etmek için Tamsayılı Doğrusal Programlama (Integer Linear Programming: ILP) gevşetimleri de geliştirilmiştir. Üretilen çözümler ile alt ve üst sınırlar arasındaki farkın kaynak ve başarım yönelimli problemler için sırasıyla %10 ve %7 civarında olduğu gösterilmiştir.Gerçek trafik beklenti değerlerinden sapmalar gösterebileceği için trafik akımlarındaki dalgalanmaları dengelemek amacıyla bir MPLS katmanında çalışan bir çevrimiçi TE yöntemi de geliştirilmiştir. Önerilen yöntemde LSP'ler özel tasarlanmış bir gider fonksiyonu kullanılarak dinamik bir şekilde yeniden yönlendirilmektedir. Sayısal sonuçlar, tasarlanan gider fonksiyonunun kullanımının literatürde yaygın olarak kullanılan İlk Önce En Geniş En Kısa Yol ve İlk Önce Uygun En Kısa Yol yaklaşımlarının kullanımından çok daha düşük engellemelere yol açtığını göstermektedir.Çok katmanlı VTD probliminin WDM katmanına karşılık gelen alt problemi Sabit Işık Yolu Kurulumu (Static Lightpath Establishment: SLE) problemidir. Kapasite ve dalgaboyu sürekliliği kısıtları ile beraber zayıflama, polarize mod saçılımı ve anahtar çapraz girişimi gibi fiziksel katman bozukluklarından kaynaklanan Bit Hata Oranı (Bit Error Rate: BER) kısıtları da göznüne alınmıştır. Bu problem, BER kısıtları olmadığı durumda bile NP-tamdır. Buluşsal bir çözüm yöntemi önerilmiş ve eksiksiz bir ILP formülasyonu geliştirilmiştir. Önerilen yöntem, en iyi çözümlerinin ILP formülasyonu çözülerek bulunabildiği durumlarda en iyi çözümlere yakın çözümler üretmektedir.Daha sonra, tek katmanlı alt problemler için önerilen bu çözüm yöntemleri, her iki katmandaki problemleri birleşik olarak çözmek için çok katmanlı bir TE tasarımında birleştirilmiştir. Önerilen TE tasarımı, fiziksel katman kısıtlamalarını ve optik bozulmaları göz önünde bulundurmaktadır. Bu TE tasarımı, her katmanın bilgilerini diğer katmandan saklı tutarak uygulanabilmektedir fakat benzetimler göstermektedir ki fiziksel katman bilgisi MPLS katmanıyla paylaşıldığında daha verimli ve etkili çözümler üretebilmektedir. Bozulma özellikleri açısından birörnek olmayan optik bileşenlerin etkisi de incelenmiştir. Sayısal sonuçlar, ağdaki bütün bileşenlerin makul ölçüde bozulma özelliklerine sahip olduğu durumlarda bazı bileşenlerin daha iyi, bazılarının ise daha kötü bozulma özellikleri olduğu duruma gore daha fazla trafiğin yönlendirilebildiğini göstermektedir.