Οργάνωση και διαχείριση αποθηκευτικού χώρου σε δίκτυα πακέτων

Abstract

The dissertation deals with the issues of data storage and buffer management in packet network nodes. The dissertation is organized as follows: Initially, the two dominant packet networking technologies: ATM and IP, are described. After that the issues of Quality of Service (QoS) provisioning are analysed. Specifically, we analyze the embedded QoS mechanisms that are ultilized in ATM networks, and the mechanisms that have been recommended / adopted for QoS provisioning in IP networks. Then, based on the nature of the aforementioned networks and on the requirement of QoS provisioning, we define the requirements of data storage and buffer management in network nodes. Based, on the similarities of the data handling requirements in both networking technologies, we unify the problem and we define the required functionality that needs to be supported by the buffer structures in the various network nodes. Then we propose specific solutions and architectural structures that are able to support the particular requirements. We analyze and compare algorithms that have been proposed in the literature, and modifications of the algorithms so that they can be applied in real systems and in order to lower the implementation costs. Then, we present implementations of the above algorithms, based on state-of-the-art integrated circuit technologies (Very Deep SubMicron CMOS ASICs) and commercial memory devices. Finally, we present an indicative data-storage subsystem of a core-switch line-card, which supports all the required functionality. The innovation and contribution of the dissertation is a) the selection of suitable algorithms able to support all data storage and buffer management requirements of today's high-speed packet networks, b) the required modifications of these algorithms so that they can be applied in real systems, and c) the cost efficient implementation of these algorithms. In the end, we present results that have been derived from during the execution of this work.

The dissertation deals with the issues of data storage and buffer management in packet network nodes. The dissertation is organized as follows: Initially, the two dominant packet networking technologies: ATM and IP, are described. After that the issues of Quality of Service (QoS) provisioning are analysed. Specifically, we analyze the embedded QoS mechanisms that are ultilized in ATM networks, and the mechanisms that have been recommended / adopted for QoS provisioning in IP networks. Then, based on the nature of the aforementioned networks and on the requirement of QoS provisioning, we define the requirements of data storage and buffer management in network nodes. Based, on the similarities of the data handling requirements in both networking technologies, we unify the problem and we define the required functionality that needs to be supported by the buffer structures in the various network nodes. Then we propose specific solutions and architectural structures that are able to support the particular requirements. We analyze and compare algorithms that have been proposed in the literature, and modifications of the algorithms so that they can be applied in real systems and in order to lower the implementation costs. Then, we present implementations of the above algorithms, based on state-of-the-art integrated circuit technologies (Very Deep SubMicron CMOS ASICs) and commercial memory devices. Finally, we present an indicative data-storage subsystem of a core-switch line-card, which supports all the required functionality. The innovation and contribution of the dissertation is a) the selection of suitable algorithms able to support all data storage and buffer management requirements of today's high-speed packet networks, b) the required modifications of these algorithms so that they can be applied in real systems, and c) the cost efficient implementation of these algorithms. In the end, we present results that have been derived from during the execution of this work.

Η παρούσα εργασία διερευνά το θέμα της αποθήκευσης στα δίκτυα πακέτων. Μελετώνται οι δύο κυρίαρχες δικτυακές τεχνολογίες πακέτων, ATM και IP, καθώς και το πλαίσιο παροχής ποιότητας υπηρεσίας σε αυτές. Αναλύονται οι ενσωματωμένοι μηχανισμοί που παρέχει το ATM για παροχή ποιότητας υπηρεσίας και οι μηχανισμοί που έχουν προταθεί / ιοθετηθεί προκειμένου να υποστηριχτεί αυτή στα IP δίκτυα. Βασιζόμενοι στη φύση των εν'λόγω δικτύων και στην απαίτηση για δυνατότητα παροχής ποιότητας υπηρεσίας, οριοθετείται το πρόβλημα της οργάνωσης και διαχείρισης του αποθηκευμένου χώρου στους διάφορους δικτυακούς κόμβους. Στη συνέχεια, λόγω των ομοιοτήτων που παρουσιάζουν οι δυό τεχνολογίες σχετικά με τις απαιτήσεις αποθήκευσής, ενοποιείται το πρόβλημα και εξάγεται η απαιτούμενη λειτουργικότητα που οφείλουν να υποστηρίζουν οι αποθηκευτικές δομές στα διάφορα κομβικά σημεία. Προτείνονται αλγόριθμοι και αρχιτεκτονικές δομές ικανές να υποστηρίξουν τις συγκεκριμένες απαιτήσεις. Μελετώνται και συγκρίνονται αλγόριθμοι οι οποίοι έχουν προταθεί στην διεθνή βιβλιογραφία καθώς και τροποποιήσεις αυτών οι οποίες έχουν μικρότερο κόστος υλοποίησης. Παρουσιάζονται βέλτιστες υλοποιήσεις των διαφόρων αλγορίθμων, χρησιμοποιώντας σημερινές τεχνολογίες υλικού και εμπορικών ολοκληρωμένων μνήμης. Τέλος παρουσιάζονται ενδεικτικά ολοκληρωμένα συστήματα αποθήκευσης καρτών- γραμμής διακοπτών, τα οποίαενσωματώνουν τους παραπάνω αλγόριθμους.

Η παρούσα εργασία διερευνά το θέμα της αποθήκευσης στα δίκτυα πακέτων. Μελετώνται οι δύο κυρίαρχες δικτυακές τεχνολογίες πακέτων, ATM και IP, καθώς και το πλαίσιο παροχής ποιότητας υπηρεσίας σε αυτές. Αναλύονται οι ενσωματωμένοι μηχανισμοί που παρέχει το ATM για παροχή ποιότητας υπηρεσίας και οι μηχανισμοί που έχουν προταθεί / ιοθετηθεί προκειμένου να υποστηριχτεί αυτή στα IP δίκτυα. Βασιζόμενοι στη φύση των εν'λόγω δικτύων και στην απαίτηση για δυνατότητα παροχής ποιότητας υπηρεσίας, οριοθετείται το πρόβλημα της οργάνωσης και διαχείρισης του αποθηκευμένου χώρου στους διάφορους δικτυακούς κόμβους. Στη συνέχεια, λόγω των ομοιοτήτων που παρουσιάζουν οι δυό τεχνολογίες σχετικά με τις απαιτήσεις αποθήκευσής, ενοποιείται το πρόβλημα και εξάγεται η απαιτούμενη λειτουργικότητα που οφείλουν να υποστηρίζουν οι αποθηκευτικές δομές στα διάφορα κομβικά σημεία. Προτείνονται αλγόριθμοι και αρχιτεκτονικές δομές ικανές να υποστηρίξουν τις συγκεκριμένες απαιτήσεις. Μελετώνται και συγκρίνονται αλγόριθμοι οι οποίοι έχουν προταθεί στην διεθνή βιβλιογραφία καθώς και τροποποιήσεις αυτών οι οποίες έχουν μικρότερο κόστος υλοποίησης. Παρουσιάζονται βέλτιστες υλοποιήσεις των διαφόρων αλγορίθμων, χρησιμοποιώντας σημερινές τεχνολογίες υλικού και εμπορικών ολοκληρωμένων μνήμης. Τέλος παρουσιάζονται ενδεικτικά ολοκληρωμένα συστήματα αποθήκευσης καρτών- γραμμής διακοπτών, τα οποίαενσωματώνουν τους παραπάνω αλγόριθμους.