Optical Burst Switching in WDM Ring Networks

Optical Burst Switching (OBS) is being envisaged as the next generation switching tech-nology to transmit Internet traffic directly over WDM networks with a fine granularity between Optical Circuit Switching (OCS) and Optical Packet Switching (OPS). It has higher bandwidth-efficiency than OCS. OBS is usually characterized by burstification, burst header packet (BHP) generation and data burst (DB) transmission. The burst header packet is transmitted first by the source to the destination followed by the data burst. Each intermediate node processes the header electronically so that the data burst corre-sponding to that BHP is transparently switched without requiring any O/E/O conversion. This unique feature of OBS requires a strict coordination between DB and BHP and thereby making it a challenging task. OBS has been implemented in WDM ring networks for FT-TR (Fixed tuned Transmitter and Tunable Receiver) systems and TT-FR (Tunable Transmitter and Fixed tuned Receiver) systems. In FT-TR systems, the number of chan-nel and destination collisions is higher whereas there is no source collision due to the fixed tuned nature of the transmitter. In TT-FR systems the number of channel collisions is large as multiple nodes communicate using the same channel but there is no destination collision. In this work I have implemented OBS in WDM ring networks for TT-TR (Tunable Transmitter and Tunable Receiver) systems. It has been shown that the pro-posed protocol is free from source and channel collisions, as well as reduces destination collision to a greater extent. The tunable transmitter and tunable receiver node architec-ture has been described. We compared the performance of TT-TR system with that of TT-FR system with respect to number of packets lost, average queuing delay and average propagation delay. It is found that the proposed protocol is more effective in avoiding collisions than the TT-FR

Multiservice QoS-Enabled MAC for Optical Burst Switching

The emergence of a broad range of network-driven applications (e.g., multimedia, online gaming) brings in the need for a network environment able to provide multiservice capabilities with diverse quality-of-service (QoS) guarantees. In this paper, a medium access control protocol is proposed to support multiple services and QoS levels in optical burst-switched mesh networks without wavelength conversion. The protocol provides two different access mechanisms, queue-arbitrated and prearbitrated for connectionless and connection-oriented burst transport, respectively. It has been evaluated through extensive simulations and its simplistic form makes it very promising for implementation and deployment. Results indicate that the protocol can clearly provide a relative quality differentiation for connectionless traffic and guarantee null (or negligible, and thus acceptable) burst loss probability for a wide range of network (or offered) load while ensuring low access delay for the higher-priority traffic. Furthermore, in the multiservice scenario mixing connectionless and connection-oriented burst transmissions, three different prearbitrated slot scheduling algorithms are evaluated, each one providing a different performance in terms of connection blocking probability. The overall results demonstrate the suitability of this architecture for future integrated multiservice optical networks

Architectures and protocols for sub-wavelength optical networks: contributions to connectionless and connection-oriented data transport

La ràpida evolució d’Internet i l’àmplia gamma de noves aplicacions (per exemple, multimèdia, videoconferència, jocs en línia, etc.) ha fomentat canvis revolucionaris en la manera com ens comuniquem. A més, algunes d’aquestes aplicacions demanden grans quantitats de recursos d’ample de banda amb diversos requeriments de qualitat de servei (QoS). El desenvolupament de la multiplexació per divisió de longitud d’ona (WDM) en els anys noranta va fer molt rendible la disponibilitat d’ample de banda. Avui dia, les tecnologies de commutació òptica de circuits són predominants en el nucli de la xarxa, les quals permeten la configuració de canals (lightpaths) a través de la xarxa. No obstant això, la granularitat d’aquests canals ocupa tota la longitud d’ona, el que fa que siguin ineficients per a proveir canals de menor ample de banda (sub-longitud d’ona). Segons la comunitat científica, és necessari augmentar la transparència dels protocols, així com millorar l’aprovisionament d’ample de banda de forma dinàmica. Per tal de fer això realitat, és necessari desenvolupar noves arquitectures. La commutació òptica de ràfegues i de paquets (OBS/OPS), són dues de les tecnologies proposades. Aquesta tesi contribueix amb tres arquitectures de xarxa destinades a millorar el transport de dades sub-longitud d’ona. En primer lloc, aprofundim en la naturalesa sense connexió en OBS. En aquest cas, la xarxa incrementa el seu dinamisme a causa de les transmissions a ràfega. A més, les col·lisions entre ràfegues degraden el rendiment de la xarxa fins i tot a càrregues molt baixes. Per fer front a aquestes col·lisions, es proposa un esquema de resolució de col·lisions pro actiu basat en un algorisme d’encaminament i assignació de longitud d’ona (RWA) que balanceja de forma automàtica i distribuïda la càrrega en la xarxa. En aquest protocol, el RWA i la transmissió de ràfegues es basen en l’explotació i exploració de regles de commutació que incorporen informació sobre contencions i encaminament. Per donar suport a aquesta arquitectura, s’utilitzen dos tipus de paquets de control per a l’encaminament de les ràfegues i l’actualització de les regles de commutació, respectivament. Per analitzar els beneficis del nou algorisme, s’utilitzen quatre topologies de xarxa diferents. Els resultats indiquen que el mètode proposat millora en diferents marges la resta d’algorismes RWA en funció de la topologia i sense penalitzar altres paràmetres com el retard extrem a extrem. La segona contribució proposa una arquitectura híbrida sense i orientada a connexió sobre la base d’un protocol de control d’accés al medi (MAC) per a xarxes OBS (DAOBS). El MAC ofereix dos mètodes d’accés: arbitratge de cua (QA) per a la transmissió de ràfegues sense connexió, i pre-arbitratge (PA) per serveis TDM orientats a connexió. Aquesta arquitectura permet una àmplia gamma d’aplicacions sensibles al retard i al bloqueig. Els resultats avaluats a través de simulacions mostren que en l’accés QA, les ràfegues de més alta prioritat tenen garantides zero pèrdues i latències d’accés molt baixes. Pel que fa a l’accés PA, es reporta que la duplicació de la càrrega TDM augmenta en més d’un ordre la probabilitat de bloqueig, però sense afectar en la mateixa mesura les ràfegues sense connexió. En aquest capítol també es tracten dos dels problemes relacionats amb l’arquitectura DAOBS i el seu funcionament. En primer lloc, es proposa un model matemàtic per aproximar el retard d’accés inferior i superior com a conseqüència de l’accés QA. En segon lloc, es formula matemàticament la generació i optimització de les topologies virtuals que suporten el protocol per a l’escenari amb tràfic estàtic. Finalment, l’última contribució explora els beneficis d’una arquitectura de xarxa òptica per temps compartit (TSON) basada en elements de càlcul de camins (PCE) centralitzats per tal d’evitar col·lisions en la xarxa. Aquesta arquitectura permet garantir l’aprovisionament orientat a connexió de canals sub-longitud d’ona. En aquest capítol proposem i simulem tres arquitectures GMPLS/PCE/TSON. A causa del enfocament centralitzat, el rendiment de la xarxa depèn en gran mesura de l’assignació i aprovisionament de les connexions. Amb aquesta finalitat, es proposen diferents algorismes d’assignació de ranures temporals i es comparen amb les corresponents formulacions de programació lineal (ILP) per al cas estàtic. Per al cas de tràfic dinàmic, proposem i avaluem mitjançant simulació diferents heurístiques. Els resultats mostren els beneficis de proporcionar flexibilitat en els dominis temporal i freqüencial a l’hora d’assignar les ranures temporals.The rapid evolving Internet and the broad range of new data applications (e.g., multimedia, video-conference, online gaming, etc.) is fostering revolutionary changes in the way we communicate. In addition, some of these applications demand for unprecedented amounts of bandwidth resources with diverse quality of service (QoS). The development of wavelength division multiplexing (WDM) in the 90's made very cost-effective the availability of bandwidth. Nowadays, optical circuit switching technologies are predominant in the core enabling the set up of lightpaths across the network. However, full-wavelength lightpath granularity is too coarse, which results to be inefficient for provisioning sub-wavelength channels. As remarked by the research community, an open issue in optical networking is increasing the protocol transparency as well as provisioning true dynamic bandwidth allocation at the network level. To this end, new architectures are required. Optical burst/packet switching (OBS/OPS) are two such proposed technologies under investigation. This thesis contributes with three network architectures which aim at improving the sub-wavelength data transport from different perspectives. First, we gain insight into the connectionless nature of OBS. Here, the network dynamics are increased due to the short-lived burst transmissions. Moreover, burst contentions degrade the performance even at very low loads. To cope with them, we propose a proactive resolution scheme by means of a distributed auto load-balancing routing and wavelength assignment (RWA) algorithm for wavelength-continuity constraint networks. In this protocol, the RWA and burst forwarding is based on the exploitation and exploration of switching rule concentration values that incorporate contention and forwarding desirability information. To support such architecture, forward and backward control packets are used in the burst forwarding and updating rules, respectively. In order to analyze the benefits of the new algorithm, four different network topologies are used. Results indicate that the proposed method outperforms the rest of tested RWA algorithms at various margins depending on the topology without penalizing other parameters such as end-to-end delay. The second contribution proposes a hybrid connectionless and connection-oriented architecture based on a medium access control (MAC) protocol for OBS networks (DAOBS). The MAC provides two main access mechanisms: queue arbitrated (QA) for connectionless bursts and pre-arbitrated (PA) for TDM connection-oriented services. Such an architecture allows for a broad range of delay-sensitive applications or guaranteed services. Results evaluated through simulations show that in the QA access mode highest priority bursts are guaranteed zero losses and very low access latencies. Regarding the PA mode, we report that doubling the offered TDM traffic load increases in more than one order their connection blocking, slightly affecting the blocking of other connectionless bursts. In this chapter, we also tackle two of the issues related with the DAOBS architecture and its operation. Firstly, we model mathematically the lower and upper approximations of the access delay as a consequence of the connectionless queue arbitrated access. Secondly, we formulate the generation of the virtual light-tree overlay topology for the static traffic case.Postprint (published version

Ethernet - a survey on its fields of application

During the last decades, Ethernet progressively became the most widely used local area networking (LAN) technology. Apart from LAN installations, Ethernet became also attractive for many other fields of application, ranging from industry to avionics, telecommunication, and multimedia. The expanded application of this technology is mainly due to its significant assets like reduced cost, backward-compatibility, flexibility, and expandability. However, this new trend raises some problems concerning the services of the protocol and the requirements for each application. Therefore, specific adaptations prove essential to integrate this communication technology in each field of application. Our primary objective is to show how Ethernet has been enhanced to comply with the specific requirements of several application fields, particularly in transport, embedded and multimedia contexts. The paper first describes the common Ethernet LAN technology and highlights its main features. It reviews the most important specific Ethernet versions with respect to each application field’s requirements. Finally, we compare these different fields of application and we particularly focus on the fundamental concepts and the quality of service capabilities of each proposal

Convergencia de tecnologías ópticas y Ethernet en LAN, MAN y SAN: nuevas arquitecturas, análisis de prestaciones y eficiencia energética

Mención Internacional en el título de doctorThe development of Information Technologies in the last decades, especially the last two, together with the introduction of computing devices to the mainstream consumer market, has had the logical consequence of the generalisation of the Internet access. The explosive development of the smartphone market has brought ubiquity to that generalisation, to the point that social interaction, content sharing and content production happens all the time. Social networks have all but increased that trend, maximising the diffusion of multimedia content: images, audio and video, which require high network capacities to be enjoyed quickly. This need for endless bandwidth and speed in information sharing brings challenges that affect mainly optical Metropolitan Area Networks (MANs) and Wide Area Networks (WANs). Furthermore, the wide spreading of Ethernet technologies has also brought the possibility to achieve economies of scale by either extending the reach of Ethernet Local Area Networks (LANs) to the MAN and WAN environment or even integrating them with Storage Area Networks (SANs). Finally, this generalisation of telecommunication technologies in every day life has as a consequence an important rise in energy consumption as well. Because of this, providing energy efficient strategies in networking is key to ensure the scalability of the whole Internet. In this thesis, the main technologies in all the fields mentioned above are reviewed, its core challenges identified and several contributions beyond the state of the art are suggested to improve today’s MANs andWANs. In the first contribution of this thesism, the integration between Metro Ethernet and Wavelength Division Multiplexion (WDM) optical transparent rings is explored by proposing an adaptation architecture to provide efficient broadcast and multicast. The second contribution explores the fusion between transparent WDM and OCDMA architectures to simplify medium access in a ring. Regarding SANs, the third contribution explores the challenges in SANs through the problems of Fibre Channel over Ethernet due to buffer design issues. In this contribution, analysis, design and validation with FCoE traces and simulation is provided to calculate buffer overflow probabilities in the absence of flow control mechanisms taking into account the bursty nature of SAN traffic. Finally, the fourth and last contribution addresses the problems of energy efficiency in Plastic Optical Fibres (POF), a new kind of optical fibre more suitable for transmission in vehicles and for home networking. This contribution suggests two packet coalescing strategies to further improve the energy effiency mechanisms in POFs.El desarrollo de las Tecnologías de la Información en las últimas décadas, especialmente las últimas dos, junto con la introducción de dispositivos informáticos al mercado de masas, ha tenido como consecuencia lógica la generalización del acceso a Internet. El explosivo desarrollo del mercado de teléfonos inteligentes ha añadido un factor de ubicuidad a tal generalización, al extremo de que la interacción social, la compartición y producción de contenidos sucede a cada instante. Las redes sociales no han hecho sino incrementar tal tendencia, maximizando la difusión de contenido multimedia: imágenes, audio y vídeo, los cuales requieren gran capacidad en las redes para poder obtenerse con rapidez. Esta necesidad de ancho de banda ilimitado y velocidad en la compartición de información trae consigo retos que afectan principalmente a las Redes de Área Metropolitana (Metropolitan Area Networks, MANs) y Redes de Área Extensa (Wide Area Networks, WANs). Además, la gran difusión de las tecnologías Ethernet ha traído la posibilidad de alcanzar economías de escala bien extendiendo el alcance de Ethernet más allá de las Redes de Área Local (Local Area Networks, LANs) al entorno de las MAN y las WAN o incluso integrándolas con Redes de Almacenamiento (Storage Area Networks, SANs). Finalmente, esta generalización de las tecnologías de la comunicación en la vida cotidiana tiene también como consecuencia un importante aumento en el consumo de energía. Por tanto, desarrollar estrategias de transmisión en red eficientes energéticamente es clave para asegurar la escalabilidad de Internet. En esta tesis, las principales tecnologías de todos los campos mencionados arriba serán estudiadas, sus más importantes retos identificados y se sugieren varias contribuciones más allá del actual estado del arte para mejorar las actuales MANs y WANs. En la primera contribución de esta tesis, se explora la integración entre Metro Ethernet y anillos ópticos transparentes por Multiplexión en Longitud de Onda (Wavelength Division Multiplex, WDM) mediante la proposición de una arquitectura de adaptación para permitir la difusión y multidifusión eficiente. La segunda contribución explora la fusión entre las arquitecturas transparentes WDM y arquitecturas por Accesso Dividido Múltiple por Códigos Ópticos (OCDMA) para simplificar el acceso en una red en anillo. En lo referente a las SANs, la tercera contribución explora los retos en SANs a través de los problemas de Fibre Channel sobre Ethernet debido a los problemas en el diseño de búferes. En esta contribución, se provee un análisis, diseño y validación con trazas FCoE para calcular las probabilidades de desbordamiento de buffer en ausencia de mecanismos de control de flujo teniendo en cuenta la naturaleza rafagosa del tráfico de SAN. Finalmente, la cuarta y última contribución aborda los problemas de eficiencia energética en Fibras Ópticas Plásticas (POF), una nueva variedad de fibra óptica más adecuada para la transmisión en vehículos y para entornos de red caseros. Esta contribución sugiere dos estrategias de agrupamiento de paquetes para mejorar los mecanismos de eficiencia energética en POFs.Programa Oficial de Posgrado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Luca Valcarenghi.- Secretario: Ignacio Soto Campos.- Vocal: Bas Huiszoo