Προσαρμοστικοί αλγόριθμοι για την βελτιστοποίηση της διαχείρισης πόρων σε αμιγώς οπτικά δίκτυα

• Κύριος συγγραφέας: Δημήτρης, Μονογιός
• Άλλοι συγγραφείς: Demetris, Monoyios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Οπτικά δίκτυα; Γενετικοί αλγόριθμοι; Optical networks; Genetic algorithms

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, ο τομέας των δικτύων αναπτύχθηκε σε τεράστιο βαθμό. Η γρήγορη επέκταση του Διαδικτύου και η αυξανόμενη ζήτηση για τις πληροφορίες πολυμέσων συμβάλει στην άμεση ανάγκη για την ανάπτυξη νέων δικτύων μεγάλης χωρητικότητας. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν τρόποι και τεχνικές για την βελτιστοποίηση της διαχείριση πόρων σε αμιγώς οπτικά δίκτυα τα οποία είναι ικανά να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις για μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων. Ειδικότερα έχουν μελετηθεί τα δίκτυα οπτικής μεταγωγής ριπής (OBS), τα διαφανή οπτικά δίκτυα ανάθεσης μήκους κύματος, καθώς και τα παθητικά οπτικά δίκτυα. Στα δίκτυα OBS προτείνεται ένα νέο σχήμα δέσμευσης πόρων, που προσομοιώνει τη μονόδρομη (one-way) δέσμευση και το οποίο στηρίζεται σε ένα πρωτόκολλο αμφίδρομης (two-way) δέσμευσης και σε ένα μηχανισμό πρόβλεψης μήκους οπτικής ριπής-μεγέδους δεδομένων αποστολής, με χρήση φίλτρου N-order Normalized LMS (Least Mean Square). Τα αποτελέσματα του προτεινόμενου σχήματος συγκρίνονται με τα συμβατικά πρωτόκολλα δέσμευσης πόρων στα δίκτυα OBS, ενώ παράλληλα στα πλαίσια της διατριβής έγινε αποτίμηση των αποτελεσμάτων με στατικά πειράματα για την μελέτη της ταχύτητας σύγκλισης και της ακρίβειας του φίλτρου πρόβλεψης που προτείνεται, όπως επίσης και αποτίμησης των αποτελεσμάτων σε ένα μεγάλης κλίμακας δίκτυο με έμφαση στην επιτυχή λειτουργία-αποστολή δεδομένων, δηλαδή την χωρίς απώλεια πακέτου. Από τα αποτελέσματα αποδεικνύεται ότι το προτεινόμενο πρωτόκολλο μπορεί να εγγυηθεί μηδενικές απώλειες δεδομένων σε καλύτερους χρόνους μετάδοσης συγκριτικά με το κλασικό πρωτόκολλο της αμφίδρομης (two-way) δέσμευσης. Στη συνέχεια μελετήθηκε η δέσμευση πόρων σε πλήρες οπτικό επίπεδο. και ειδικότερα ο τρόπος αντιμετώπιση του προβλήματος ανάθεσης μήκους κύματος - routing and wavelength assignment (RWA), χρησιμοποιώντας γενετικού αλγορίθμους (GA). Η μελέτη που έγινε, επικεντρώνεται στη βελτίωση της απόδοσης μετάδοσης δεδομένων καθώς και τη μείωση του υπολογιστικού χρόνου επίλυσης του προβλήματος. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος βελτιώνει την απόδοση καθώς και τον χρόνο εκτέλεσης, χρησιμοποιώντας πιθανές λύσης του προβλήματος κατά την αρχικοποίηση του πληθυσμού, λαμβάνοντας υπόψη τη μέγιστη ποσότητα Edge Disjoint Paths (EDPs), τα οποία προ-υπολογίζονται κατά την επίλυση του προβλήματος. Η προτεινόμενη προσέγγιση έχει αξιολογηθεί στην τοπολογία δικτύου NSF και είναι συγκρίσιμη με άλλες μεθόδους. Η πιο πάνω έρευνα εμπλουτίστηκε με τη μελέτη του προβλήματος RWA με επίγνωση των εξασθενήσεων (impairment aware RWA - IA-RWA) χρησιμοποιώντας κλασσική στρατηγική βελτιστοποίησης πολλαπλών στόχων (classical multi-objective optimization (MOO) strategy) με σκοπό να λαμβάνονται έμμεσα υπόψη οι αλλοιώσεις-εξασθενήσεις οι οποίες συνυπολογίζονται στο πρόβλημα βελτιστοποίησης, οδηγώντας σε αποτελέσματα που βελτιώνουν σημαντικά τον συντελεστή αποτυχίας μετάδοσης (blocking ratio). Επιπρόσθετα, αποδεικνύεται ότι ο προτεινόμενος MOGA (multi-objective optimization genetic algorithm) συγκλίνει προς μια καθολικά βέλτιστη λύση (Pareto-optimal solution), όταν λαμβάνεται υπόψη ένα επαρκές μέγεθος πληθυσμού στο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Προτείνεται επίσης και ένας δεύτερος μονού κριτηρίου (single objective) αλγόριθμος GA για το πρόβλημα IA-RWA,) που χρησιμοποιεί τον συντελεστή εξασθένησης σήματος Q, για να αξιολογήσει την ποιότητα του σήματος. Αν και αυτή η προσέγγιση είναι έντονη υπολογιστικά, είναι επιτυχής τόσο στην επίλυση του στατικού-offline προβλήματος IA-RWA όσο και στην αποτίμηση της ευρετικής-heuristic προσέγγισης MOGA. Επιπρόσθετα, η έρευνα στα διαφανή οπτικά δίκτυα επεκτάθηκε προτείνοντας τη χρήση ενός γενετικού αλγορίθμου ο οποίος επιλύει τα προβλήματα RWA με σκοπό την μείωση της αλληλεπίδρασης των παρεμβολών εμπλοκής εντός και εκτός εύρους (in-band and out-of-band). Ο προτεινόμενος γενετικός αλγόριθμος συγκρίνεται με τη μέθοδο επίλυσης Integer Linear Program (ILP) που σχεδιάστηκε για τον ίδιο σκοπό, όπως επίσης και με ένα παραδοσιακό RWA που έχει ως στόχο μόνο την μείωση των χρησιμοποιούμενων μηκών κύματος. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι ο νέος γενετικός αλγόριθμος που προτείνεται, δίνει λύσεις πολύ κοντινές με τις λύσεις της μεθόδους ILP. Επιπλέων τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι ο αλγόριθμος RWA που λαμβάνει υπόψη τις παρεμβολές (crosstalk aware) επιτυγχάνει σημαντική μείωση των επιπτώσεων των αλληλεπιδράσεων εντός και εκτός εύρους (in-band and out-of-band interactions) στη περίπτωση των διαφανών δικτύων WDM. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίλυση του προβλήματος δρομολόγησης με επίγνωση επιθέσεων (attack aware) κατά την ανάθεση μήκους κύματος (wavelength assignment). Για τη μελέτη αυτή, αναπτύχθηκε ένας νέος ILP αλγόριθμος (ILP-MP), ο οποίος κάνει ταυτόχρονη τοποθέτηση εξοπλισμού Παρακολούθησης Οπτικής Απόδοσης - Optical Performance Monitoring (OPM) με σκοπό την ελαχιστοποίηση της επίπτωσης των επιθέσεων εμπλοκής του φυσικού επιπέδου στα οπτικά δίκτυα. Επιπλέον, προτείνεται ένας νέος γενετικός αλγόριθμος (GA-MP) για την επίλυση του ίδιου προβλήματος βελτιστοποίησης, ο οποίος συγκρίνεται με τον προτεινόμενο ILP καθώς επίσης και με έναν απλό αλγόριθμο RWA ο οποίος δεν έχει επίγνωση των επιθέσεων (attack-unaware) και που έχει ως στόχο μόνο την ελαχιστοποίηση του αριθμού των απαιτούμενων μηκών κύματος (GA-simple). Τα αποτελέσματα προσομοίωσης υποδεικνύουν ότι ο προτεινόμενος GA-MP, μειώνει τον αριθμό των αλληλεπιδράσεων μεταξύ οπτικών διαδρομών με απόδοση παρόμοια με αυτή του ILP-MP αλγορίθμου, ενώ ταυτόχρονα η απόδοση σε όρους συνολικού αριθμού χρήσης μηκών κύματος για να δημιουργηθούν οι απαιτούμενες συνδέσεις στο δίκτυο είναι κοντά σε αυτή του απλού GA-simple. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν ότι με την χρήση αλγορίθμων RWA που έχουν επίγνωση των εμπλοκών, επιτυγχάνεται σημαντική μείωση στην επίδραση των εντός και εκτός εύρους αλληλεπιδράσεων καναλιών και στον αριθμό των απαιτούμενων μηχανισμών παρακολούθησης σε διαφανή δίκτυα WDM. Τέλος μελετήθηκε η αποδοτικότερη διαχείριση πόρων στα παθητικά οπτικά δίκτυα και ειδικότερα στις τοπολογίες δακτυλίου με πολυπλεξία μήκους κύματος (Ring based WDM-PONs). Στα WDM-PONs όλα τα δικτυακά στοιχεία (ONU) ενώνονται κατά μήκος του δακτυλίου με μία επιπλέον οπτική ίνα για να παρέχεται ενδοεπικοινωνία μεταξύ τους. Προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος για δυναμική δέσμευση χωρητικότητας με στόχο την αποδοτικότερη ενδοεπικοινωνία χωρίς επιπλέον κόστος. Η νέα λογική λαμβάνει υπόψη τη τοποθεσία κάθε οπτικού στοιχείου στο δακτύλιο και τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αποτελεσματική ενδοεπικοινωνία μεταξύ των ONU σε δακτυλίους WDM-PON.