Optik Ağlar ve Dayanıklılık Kavramına Giriş

İçinde bulunduğumuz bilgi çağının bir gereği olarak artık bilgiye olan ilgi ve gereksinim artmıştır. Yüksek kapasitede ve hızlı veri paylaşımına her zamankinden daha da fazla ihtiyaç duyulmaktadır. Kullanılan video uygulamaları, HDTV (High Definition Digital Television),  IPTV (Internet Protocol Television) gibi uygulamalar ile çoğulortam (multimedia) uygulamaları band genişliği ihtiyacını doğuran sistemlerdir. Bu ve benzeri uygulamaların gelişimi arttıkça veri trafiği de artmakta, bunun sonucu olarak yüksek band genişliği sağlayan güçlü sistemler için sürekli bir arayış söz konusu olmaktadır.

Artan hız ve kapasite ihtiyacına bir çözüm olarak günümüzde en çok üzerinde durulan teknoloji ise optik transmisyon sistemleridir. Çünkü görünüşe göre xDSL teknolojisi gibi altyapısı bakır kablo olan eski sistemler artık bir süre sonra ihtiyaçları karşılamada son derece yetersiz kalacaktır. Hem kullanılan elemanların bakım ve kullanım maliyetinin çok daha makul olması hem de yüksek hızlarda fazla verinin taşınabilmesine imkan vermesi sebebiyle, optik ağlar oldukça uygun bir çözüm olarak görülmektedir. Verinin çok daha uzun mesafelere güçlendirilmeye gerek kalmadan gönderilmesi,  daha düşük teknoloji maliyetleri, verinin istenmeyen kişilerin eline geçmesini önleme konusundaki yüksek güvenliği, yüksek band genişliği ihtiyacına yüksek veri taşıma kapasitesi ile cevap vermesi bu sistemin kullanışlı özelliklerindendir.

Optik ağlar konusundaki gelişmeler devam ederken; ağın, çalışma sırasında karşılaşabileceği arızalara karşı kendini koruyabilmesi de günümüzde çok önemli bir konu haline gelmiştir. Çünkü optik ağlar üzerinde çok yüksek kapasitede veri taşınması nedeniyle ağda oluşabilecek çok kısa süreli bir arıza bile çok fazla miktarda verinin kaybolmasına sebep olabilecek niteliktedir.  Ağın bu gibi hata durumlarında, kendi karar mekanizması ile sorunu hızlı bir şekilde giderebilmesi gerekir. Ağın arızalara karşı dirençli olup, taşıdığı verileri kaybetmeden istenen kalite şartlarına uygun bir şekilde iletime devam edebilmesi ise ağın dayanıklılığını ifade eder. Ağın dayanıklılığını temin etmek üzere kullanılabilecek çözümler önemli bir araştırma konusudur.

Arızalanan hat üzerindeki veriler, mili saniyeler mertebesindeki çok kısa bir süre içerisinde güvenli bir hatta yeniden yönlendirilmelidir. Bu hat, ağ üzerinde zaten kullanılmakta olan ve gerektiğinde başka bağlantıların da kullanabileceği bir yedek yol olabileceği gibi;  sadece hata oluştuktan sonra kullanılmak üzere belirlenmiş bir yedek hat da olabilir. Koruma amaçlı olarak bir bağlantıya yedek bir hat atanması, atamalı yol koruma (Dedicated Path Protection) olarak adlandırılır. Atamalı bir yedek hattın sağlanması, güvenli ve hızlı bir çözümdür; ancak kaynak paylaşımı açısından uygun bir çözüm değildir. Çünkü sistem bünyesindeki kaynak kapasitesinin bir bölümünün ne zaman oluşacağı belli olmayan bir sorun için kullanılmadan bekletilmesi, kaynakların verimsiz kullanılmasına sebep olur. Bu açıdan bakınca hattaki sorun giderilene kadar, veri trafiğinin zaten kullanımda olan uygun bir hatta aktarılması kaynak paylaşımı açısından daha uygun bir çözüm olarak görülmektedir. Bu çözüm paylaşımlı yol koruma (Shared Path Protection) olarak adlandırılır. 

Fiber Optik İletimin Kısa Bir Tarihçesi

İletişim için kullanılan yöntemler çok eski zamanlara dayanmaktadır. Önceleri insanlar iletmek istedikleri bilgileri ateş yakarak bir noktadan bir noktaya iletmişlerdir. Ateş yakarak oluşturulan bu ışık, çok gelişmiş bir ışık dedektörü olan insan gözü tarafından algılanıyor ve böylece bilgi bir tepeden bir tepeye aktarılmış oluyordu. Bu en ilkel haberleşme yönteminde en büyük zorluk; gönderilecek bilginin miktarının ve yol alabileceği mesafenin kısıtlı olmasıydı. Daha sonraları ise yapılan çalışmalar sonucu iletişimde önemli adımlar atıldı. Bilgi artık elektrik sinyallerle, iletken kablolar üzerinden aktarılır hale geldi. Son yıllarda ise iletişimde ışığın kullanılması oldukça önem kazandı ve yapılan çalışmalar sayesinde fiber optik iletimde önemli gelişmeler yaşandı. Son yıllarda iletişimde görülen hızlı sıçramanın temelinde ışığı kullanarak bilginin iletilmesini sağlayan optik sistemler yer almaktadır. 

Işığın hızı boşluktayken en büyük değerdedir. Işığın boşluktaki hızı saniyede 300,000 kilometredir ya da saniyede 186,000 mildir.

Optik iletimin tarihi Fransız Mucit Claude Chappe’ nin ilk optik işaret gönderebilen basit telgrafı icat ettiği  1970’ li yıllara kadar uzanmaktadır. 1880 yılında ise Alexander Graham Bell ise kendi icadı olan “Photophone” adı verilen optik telefon sistemi ile ilk kablosuz telefon mesajının iletilmesini gerçekleştirmiştir. Fotofon ses sinyallerini bir ışık demeti üzerinden ileten aynalardan ve selenyumlu dedektörlerden yapılmış bir aygıttı.  Ancak daha önceki icadı olan telefonun daha pratik ve somut bir kullanım olanağı olması nedeniyle Fotofon hiç kullanılmamış bir bilimsel icat olarak kalmıştır. 1920’ li yıllara gelindiğinde ise, John Logie Baird ve Clarence W. Hansell, görüntünün de elektromanyetik olarak aktarılabileceğini kanıtlayarak ilk elektromanyetik televizyonu icat etmişlerdir.

1954’ te ise Hollandalı bilim adamı Abraham Van Heel ile İngiliz bilim adamı Harold H. Hopkins, birbirinden bağımsız olarak görüntü paketleri konusunda çalışmalarını sundular. Hopkins üzeri kaplanmamış fiber kablo üzerindeki görüntü paketlerinin iletimi hakkındaki çalışmalarını sunmuştur. Abraham Van Heel ise, açık fiber kablonun üzerini daha düşük kırılma indisine sahip bir madde ile kaplamıştır. Böylece fiberin yansıma yüzeyinin dış çevrenin bozucu etkilerine karşı daha korunumlu bir hale geldiğini ve fiberler arasındaki elektromanyetik etkileşimin bozucu etkisinin (interferansın) önemli bir miktarda azaldığını göstermiştir.

1964 ’te Dr. Charles K. Kao, uzun mesafeli iletişimde kullanılan cihazlar için önemli ve teorik özellikleri oluşturmuştur. Buna göre ışık şiddeti kaybı kilometrede 10 veya 20 desibel olarak belirlendi. Ayrıca fiber için daha uygun bir cam yapısının kullanılmasıyla kayıpların çok daha azaltılabileceğini de belirtmiştir.

1970 yazında ise, bir grup araştırmacı, çok saf bir özelliğe sahip, aynı zamanda da yüksek erime noktası ve düşük kırılma idisi olan silis maddesi üzerinde deneyler yapmaya başladılar. Robert Maurer, Donald Keck ve Peter Schultz, fiber damarındaki kırılma indisini  kabuğuna göre çok az miktarda arttırarak günümüzde kullanılan fiber kabloları elde etmeye başladılar. Böylece ilk fiber optik kablo ya da “Fiber Optik Dalgakılavuzu” elde edilmiş oldu. Bu yapı, bakır kabloya göre 65 000 kat daha fazla bilgiyi, ışık dalgası formunda ve binlerce kilometre öteden dahi deşifre edilip kullanılabilecek şekilde iletebilmekteydi.

1970 'lerin sonu ile 1980' lerin başında ise daha iyi fiber optik kabloların yapılması ve daha kaliteli, daha ekonomik ışık kaynaklarının ve dedektörlerinin geliştirilmesi, yüksek kalite ve kapasiteli verimli fiber optik iletişim sistemlerinin geliştirilmesine imkan sağlamıştır.

 Optik iletimin tarihi Fransız Mucit Claude Chappe’ nin ilk optik işaret gönderebilen basit telgrafı icat ettiği  1970’ li yıllara kadar uzanmaktadır. 1880 yılında ise Alexander Graham Bell ise kendi icadı olan “Photophone” adı verilen optik telefon sistemi ile ilk kablosuz telefon mesajının iletilmesini gerçekleştirmiştir. Fotofon ses sinyallerini bir ışık demeti üzerinden ileten aynalardan ve selenyumlu dedektörlerden yapılmış bir aygıttı.  Ancak daha önceki icadı olan telefonun daha pratik ve somut bir kullanım olanağı olması nedeniyle Fotofon hiç kullanılmamış bir bilimsel icat olarak kalmıştır. 1920’ li yıllara gelindiğinde ise, John Logie Baird ve Clarence W. Hansell, görüntünün de elektromanyetik olarak aktarılabileceğini kanıtlayarak ilk elektromanyetik televizyonu icat etmişlerdir.

1954’ te ise Hollandalı bilim adamı Abraham Van Heel ile İngiliz bilim adamı Harold H. Hopkins, birbirinden bağımsız olarak görüntü paketleri konusunda çalışmalarını sundular. Hopkins üzeri kaplanmamış fiber kablo üzerindeki görüntü paketlerinin iletimi hakkındaki çalışmalarını sunmuştur. Abraham Van Heel ise, açık fiber kablonun üzerini daha düşük kırılma indisine sahip bir madde ile kaplamıştır. Böylece fiberin yansıma yüzeyinin dış çevrenin bozucu etkilerine karşı daha korunumlu bir hale geldiğini ve fiberler arasındaki elektromanyetik etkileşimin bozucu etkisinin (interferansın) önemli bir miktarda azaldığını göstermiştir.

1964 ’te Dr. Charles K. Kao, uzun mesafeli iletişimde kullanılan cihazlar için önemli ve teorik özellikleri oluşturmuştur. Buna göre ışık şiddeti kaybı kilometrede 10 veya 20 desibel olarak belirlendi. Ayrıca fiber için daha uygun bir cam yapısının kullanılmasıyla kayıpların çok daha azaltılabileceğini de belirtmiştir.

1970 yazında ise, bir grup araştırmacı, çok saf bir özelliğe sahip, aynı zamanda da yüksek erime noktası ve düşük kırılma idisi olan silis maddesi üzerinde deneyler yapmaya başladılar. Robert Maurer, Donald Keck ve Peter Schultz, fiber damarındaki kırılma indisini  kabuğuna göre çok az miktarda arttırarak günümüzde kullanılan fiber kabloları elde etmeye başladılar. Böylece ilk fiber optik kablo ya da “Fiber Optik Dalgakılavuzu” elde edilmiş oldu. Bu yapı, bakır kabloya göre 65 000 kat daha fazla bilgiyi, ışık dalgası formunda ve binlerce kilometre öteden dahi deşifre edilip kullanılabilecek şekilde iletebilmekteydi.

1970 'lerin sonu ile 1980' lerin başında ise daha iyi fiber optik kabloların yapılması ve daha kaliteli, daha ekonomik ışık kaynaklarının ve dedektörlerinin geliştirilmesi, yüksek kalite ve kapasiteli verimli fiber optik iletişim sistemlerinin geliştirilmesine imkan sağlamıştır.

Telekom Ağlarına Genel Bakış

Telekom ağları, Erişim Ağı (Access Network), Metropol Alan Ağı (Metropolitan-Area Network) ve Omurga Ağ (Backbone Network) olarak adlandırılmaktadır. Şekil, telekom ağları konusunda bir bilgi  vermektedir.

      Uzun mesafe

    100 – 1000 km arası

   Karmaşık (Mesh)

        

    Metro (ofisler arası)

    10-100 km arası

     Halkalar şeklinde

     Erişim, kullanıcılar

    Birkaç km kadar

       PON’lar, hubbed ring

Erişim ağı (Access Network), son kullanıcıların ağın diğer kısmına erişmesini sağlayan yapıdır. Son kullanıcılar evlerinden internete bağlanan kimseler olabileceği gibi bir ofiste çalışan personel de olabilir. Erişim ağı ancak 20 km’ ye kadar bir alan tarar, bu alanda Local Exchange Carriers (LECs) adı verilen bölgesel Telekom şirketlerinin kullanılması uygun olur.

Erişim katmanı için günümüzde hala kullanılmakta olan mevcut çözümler ise çevirmeli (dial-up) modemler, yüksek hızlı hatlar (T1 / E1 gibi), Sayısal Abone Hattı (DSL) ve kablolu modemdir. Bununla beraber, erişim katmanı ağ için bir darboğaz teşkil etmektedir ve erişim katmanındaki kullanıcılar cihazlarına daha büyük band genişliği dağıtılmasını talep etmeye devam etmektedirler. Daha büyük bir band genişliği sağlanırken, bunun maliyet açısından da uygunluğunun göz önünde bulundurulması gerekir. Bu aşama, araştırma ve geliştirme çalışmasının kilit noktasıdır. Ucuz, daha evvel denenmiş ve her yerde bulunan Ethernet teknolojisini pasif optik ağlarda kullanmak günümüzde uygun çözüm yollarından birisi olarak görülmektedir. Bu teknoloji Ethernet Pasif Optik Ağ (EPON) teknolojisi olarak adlandırılır.

Metropol alan ağı ise bir şehri ya da daha büyük bir yerleşkeyi kapsayacak büyüklüktedir. Yerel hizmet sağlayıcıları (LECs-Local Exchange Carriers) tarafından sağlanan köklü Sonet/SDH halka (ring) ağlarının yapısını, çoklu dalga boylu halini metro ağlara  uygulamak mümkündür. Bu yapıda bulunan “göbek” (hub) düğüm,  tıpkı bir merkezi ofis (Central Office-CO) gibi, halka üzerinde bulunan diğer düğümlere servis sağlar. Koordinasyonu daha kolay bir hale getirmesi nedeniyle “göbekli halka” (hubbed ring) yapı, erişim ağı katmanında da kullanılmaktadır. Omurga ağ ise çok uzun mesafeleri kapsar. Her bir link, birkaç yüz metre ile birkaç bin metre arasında değişebilmektedir.

    

Optik Ağlarda İletişim Teknolojileri ve Dayanıklılık

İçinde bulunduğumuz bilgi çağının bir gereği olarak artık bilgiye olan ilgi ve gereksinim artmıştır. İnsanlar artık yüksek kapasitede ve hızlı veri paylaşımına her zamankinden daha da fazla ihtiyaç duymaktadır. Kullanılan video uygulamaları, HDTV (High Definition Digital Television), IPTV (Internet Protocol Television) gibi uygulamalar ile çoğulortam (multimedia) uygulamaları bu band genişliği ihtiyacını doğuran sistemlerdir. Bu ve benzeri uygulamaların gelişimi arttıkça veri trafiği de artmakta, bunun sonucu olarak yüksek band genişliği sağlayan sistemler için bir arayışa girilmektedir.

Artan bu hız ve kapasite ihtiyacına bir çözüm olarak günümüzde en çok üzerinde durulan teknoloji ise optik transmisyon sistemleridir. Çünkü görünüşe göre xDSL teknolojisi gibi altyapısı bakır kablo olan eski sistemler artık bir süre sonra ihtiyaçları karşılamada son derece yetersiz kalacaktır. Gerek kullanılan elemanların bakım ve kullanım maliyetinin çok daha makul olması gerekse yüksek hızlarda fazla verinin taşınabilmesine imkan vermesi sebebiyle, optik ağlar oldukça uygun bir çözüm olarak görülmektedir. Optik ağlar, yüksek hızda ve uzun mesafeli veri taşıması sebebiyle mevcut sistemlere göre hem çok ucuz hem de çok daha güvenli bir sistemdir.

90’lı yıllardan itibaren çokça üzerinde durulan ve hala en popüler teknoloji olarak geliştirilen optik sistemler teknik açıdan oldukça gelişmiş özelliklere sahiptir. Günümüzde artık tüm dünyanın uzun mesafedeki ses ve veri trafiğinin %80’ den de fazla kısmı optik fiber kablolar üzerinden taşınmaktadır. Verinin çok daha uzun mesafelere güçlendirilmesine gerek kalmadan gönderilmesi, daha düşük teknoloji maliyetleri, verinin istenmeyen kişilerin eline geçmesini önleme konusundaki yüksek güvenliği, yüksek band genişliği ihtiyacına yüksek veri taşıma kapasitesi ile cevap vermesi bu sistemin kullanışlı özelliklerindendir. Transmisyon teknolojilerindeki ve optik ağ yönetim ve kontrolündeki gelişmelerle birlikte optik ağlar uygulama alanında hızla büyümüştür. Bu büyüme sırasında en önemli noktalardan biri de optik ağ mimarisi olmuştur. Oluşturulacak optik ağ mimarisinin ihtiyaçları karşılaması, düşük maliyetli olması ve gelecekte yapılacak çalışmalara uyum gösterebilmesi gerekir. Bunun yapılabilmesi için optik ağ sisteminin altyapısının iyi tasarlanmış olması ve ağın kendi kendini yönetebilmesi için akıllı optik ağ sisteminin geliştirilmiş olması gerekir.

Ağın altyapısının sağlam olması ve kendi kendini yönetebilir olması ise ağın dayanıklılığının en önemli unsurudur. Ağdaki bir hat üzerinden veriler iletilirken, hatta oluşacak bir hata veri kaybına sebep olmamalıdır. Verilerin iletilmekte olduğu hat, mili saniyeler mertebesindeki çok kısa bir zaman dilimi içerisinde başka güvenli bir yola sevk edilmelidir. Bu sevk edilen hat, ağ üzerinde zaten kullanımda olan paylaşımlı bir yedek yol olabileceği gibi, sadece hatta bir kopma olması durumunda kullanılmak üzere tayin edilmiş atamalı bir yedek hat da olabilir. Atamalı bit yedek hattın sağlanması, daha güvenli ve daha uygun bir çözüm gibi görünse de sistem bünyesindeki kapasitenin bir bölümünün ne zaman oluşacağı belli olmayan bir sorun için ayrılması kaynakların kullanımı açısından verimli değildir. Bu açıdan bakınca hattaki sorun giderilene kadar, veri trafiğinin zaten kullanımdaki ve bağımsız bir hatta aktarılması da bir çözüm olarak görülmektedir. Bu çözüm paylaşımlı yol korunumu (shared path protection) olarak adlandırılır.

90’ lı yılların sonundan itibaren telekom sektöründe genel olarak görülen hızlı gelişmeye ek olarak, optik haberleşme kendi içerisinde hızlı bir gelişim süreci geçirmektedir. Optik teknolojilerin geniş bir şekilde incelenmesi, bu konudaki mevcut teknolojilerin neler olduğunun öğrenilmesi ve bir mühendis olarak bilgi toplumunun ihtiyaç duyduğu mertebedeki yüksek band genişliklerini karşılayabilecek güvenilir çözümlere ulaştıracak bilgi altyapısınının oluşturulması gerekmektedir.Yüksek kapasite ihtiyacını karşılamada bir çözüm olarak optik haberleşmede kullanılan ve Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama (Wavelength Division Multiplexing) olarak adlandırılan WDM teknolojisi kapasitenin etkin bir şekilde kullanılmasını sağlayan ve en yaygın kullanılan çoğullama yöntemidir.Oluşturulan sistemin ise dayanıklı olması gerekir. Dayanıklılık altyapının sürekliliğini ve güvenilirliğini ifade eder.

Dayanıklılık konusu daha optik ağın tasarlanması aşamasında düşünülmesi gereken önemli bir konudur; çünkü veriler hızlı bir şekilde ağ üzerinde transfer edilirken hatta herhangi bir kopma olması verilerin kaybolmasına sebep olabilir. Ağda yüksek kapasitede verinin transfer ediliyor olması nedeniyle en ufak bir kesinti çok yüksek miktarlarda veri kaybına sebep olabilecek niteliktedir. Bu durumun engellenmesi için hattın iyi tasarlanması ve herhangi bir kesinti halinde sistemin kendi karar mekanizmasını en kısa zamanda devreye sokabilmesi gerekmektedir.

Verilerin gönderildiği hat üzerinde bir hata oluşursa hemen alternatif uygun bir hat seçilerek en kısa sürede verilerin güvenli bir şekilde aktarımına devam edilmelidir. Buradaki uygunluk, sözü edilen hat çökse dahi hazır şekilde bekleyen ve aynı anda düşmüş olma ihtimali son derece az olan hattın mantıklı bir şekilde seçilmiş olmasını ifade eder. Örneğin milyonlarca insanın hesaplarını barındıran bir bankanın bu hesaplarla ilgili verileri nasıl bir hassaslıkta ve veri kaybetmeden gerekli yere transfer etmesi gerektiği düşünülünce, hattaki sürekliliğin önemi daha iyi anlaşılır.