Αρχιτεκτονικές και πρωτόκολλα οπτικών δικτύων με έμφαση στα δίκτυα WDM μεταγωγής ριπών

Abstract

The main goal of this thesis is the proposal of a novel WDM optical core network architecture, as well as of the accompanying protocols. This novel approach offers solutions to the problems of existing proposals in this field. More specifically, optical burst-switched networks, though designed for compromising the increasing burstiness of traffic with available optical technology, show extremely high loss rates even at extremely low network loads, as well as a high degree of complexity and cost. The proposed approach is an efficient and viable solution. The main idea is to exploit the already available electronic buffers at the edge nodes of the optical network and the acceptance of a controlled increaser of delay. Using the concept of slotting, pipelined two-way reservations and a clever scheduling mechanism, this system eliminates loss (except from the loss due to buffer overflows) and at the same time guarantees features that favor quality of service. The various aspects of the proposed system are analyzed in depth and its increased efficiency is proved using computer simulation as well as analytical modeling. Since the aforementioned proposal is applies to limited areas, another architecture is also proposed that implements distributed, all-optical switching of payload by dividing the core network into a number of limited size clusters, inside which traditional two-way reservation schemes become meaningful. Thus, inside such a cluster loss is eliminated, while traffic from many nodes can be assembled into bursts, increasing network efficiency. The lossless aggregation of traffic from many core nodes allows the application of bufferless transmission between clusters, combined with the use of electronic buffering at the network periphery. The end result is a triple improvement in burst loss, efficiency and cost. Finally, another goal of the thesis is the proposal of a novel traffic aggregation technique for optical burst-switched core networks, as well as its analytical modeling. Such mechanisms are critical for the efficient operation of core networks, since they affect critical parameters, such as delay and network resource utilization. The proposed method manages to guarantee the quality of service of demanding traffic while keeping the utilization at high levels.

Ο κυριότερος στόχος της διατριβής είναι η πρόταση μίας καινοτόμας αρχιτεκτονικής οπτικών δικτύων κορμού WDM μεταγωγής ριπών, καθώς και των πρωτοκόλλων που τη συνοδεύουν. Η νέα αυτή προσέγγιση έρχεται να δώσει λύσεις στα προβλήματα που εμφανίζουν οι ήδη υπάρχουσες προτάσεις στον τομέα αυτό. Πιο συγκεκριμένα, τα οπτικά δίκτυα κορμού μεταγωγής ριπών, αν και είναι σχεδιασμένα για να συμβιβάσουν την αυξανόμενη εκρηκτικότητα της κίνησης με τη διαθέσιμη οπτική τεχνολογία, παρουσιάζουν πολύ υψηλά ποσοστά απωλειών ακόμα και σε πολύ χαμηλά φορτία δικτύου, καθώς και υψηλό βαθμό πολυπλοκότητας και κόστους. Η προτεινόμενη προσέγγιση αποτελεί μία εξαιρετικά αποδοτική και εφαρμόσιμη λύση. Η βασική ιδέα έγκειται στην εκμετάλλευση της διαθέσιμής ηλεκτρονικής ενταμίευσης στους ακραίους κόμβους του οπτικού δικτύου και η αποδοχή μίας ελεγχόμενης αύξησης στην καθυστέρηση. Χρησιμοποιώντας την έννοια των χρονοσχισμών και κάνοντας χρήση παραλληλισμένων διμερών δεσμεύσεων και ενός έξυπνου μηχανισμού χρονοδρομολόγησης, το σύστημα αυτό καταργεί τις απώλειες (εκτός από αυτές που οφείλονται σε υπερχείλιση των ακραίων ηλεκτρονικών ενταμιευτών), αλλά ταυτόχρονα εξασφαλίζει χαρακτηριστικά που ευνοούν την ποιότητα των υπηρεσιών. Οι διάφορες πτυχές του προτεινόμενου συστήματος αναλύονται σε βάθος και η βελτιωμένη απόδοσή του αποδεικνύεται με τη βοήθεια προσομοιώσεων σε υπολογιστή, αλλά και με τη χρήση μαθηματικής μοντελοποίησης. Καθώς η προαναφερθείσα πρόταση αναφέρεται σε δίκτυα περιορισμένης χωρικής έκτασης, προτείνεται επιπλέον και μία αρχιτεκτονική η οποία υλοποιεί κατανεμημένη, αμιγώς οπτική μεταγωγή του φορτίου, διαιρώντας το δίκτυο κορμού σε ένα πλήθος περιφερειών ή ομάδων περιορισμένης γεωγραφικής έκτασης, μέσα στις οποίες παραδοσιακά σχήματα διμερούς δέσμευσης πόρων, αποκτούν νόημα. Έτσι, μέσα σε κάθε τέτοια ομάδα οι απώλειες εξαλείφονται, ενώ κίνηση από πολλούς κόμβους μπορεί να συσσωματωθεί σε ριπές, βελτιώνοντας την απόδοση του δικτύου. Η χωρίς απώλειες συγκέντρωση της κίνησης από αρκετούς κόμβους κορμού επιτρέπει τη χρήση συμφέρουσας μεταφοράς χωρίς ενταμίευση μεταξύ των περιφερειών, σε συνδυασμό με τη χρήση ηλεκτρονικής ενταμίευσης στην περιφέρεια του συστήματος. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία τριπλή βελτίωση, στις πιθανότητες απωλειών, στην απόδοση και στο κόστος. Τέλος, ένας ακόμα στόχος της διατριβής είναι η πρόταση μίας νέας τεχνικής για συγκέντρωση κίνησης σε οπτικά δίκτυα κορμού μεταγωγής ριπών καθώς και η αναλυτική μοντελοποίηση αυτής. Η σημασία των μηχανισμών αυτών είναι γενικά ζωτική για την αποδοτική λειτουργία των δικτύων κορμού, καθώς επηρεάζουν σημαντικές παραμέτρους, όπως η καθυστέρηση και η χρησιμοποίηση των πόρων του δικτύου. Η προτεινόμενη μέθοδος καταφέρνει να εξασφαλίζει την ποιότητα υπηρεσίας απαιτητικών μορφών κίνησης, διατηρώντας παράλληλα τη χρησιμοποίηση σε υψηλά επίπεδα.