Inter-class service differentiation and intra-class fairness in WDM optical burst switching networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Algorithms for quality of service provisioning and enhancement in optical burst switched networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Connection routing and configuration in optical burst switching networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Trends in optical burst switching

One print or electronic copy may be made for personal use only. Systematic or multiple reproduction, distribution to multiple locations via electronic or other means, duplication of any material in this paper for a fee or for commercial purposes, or modi¯cation of the content of the paper are prohibited

Quality of service enhancement in optical burst switching networks without full wavelength convension capability

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Routage adaptatif et qualité de service dans les réseaux optiques à commutation de rafales

Les réseaux optiques à commutation de rafales (OBS) sont des candidats pour jouer un rôle important dans le cadre des réseaux optiques de nouvelle génération. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et au provisionnement de la qualité de service dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la capacité du routage multi-chemins et du routage alternatif (par déflection) à améliorer les performances des réseaux OBS, pro-activement pour le premier et ré-activement pour le second. Dans ce contexte, nous proposons une approche basée sur l’apprentissage par renforcement où des agents placés dans tous les nœuds du réseau coopèrent pour apprendre, continuellement, les chemins du routage et les chemins alternatifs optimaux selon l’état actuel du réseau. Les résultats numériques montrent que cette approche améliore les performances des réseaux OBS comparativement aux solutions proposées dans la littérature. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons au provisionnement absolu de la qualité de service où les performances pire-cas des classes de trafic de priorité élevée sont garanties quantitativement. Plus spécifiquement, notre objectif est de garantir la transmission sans pertes des rafales de priorité élevée à l’intérieur du réseau OBS tout en préservant le multiplexage statistique et l’utilisation efficace des ressources qui caractérisent les réseaux OBS. Aussi, nous considérons l’amélioration des performances du trafic best effort. Ainsi, nous proposons deux approches : une approche basée sur les nœuds et une approche basée sur les chemins. Dans l’approche basée sur les nœuds, un ensemble de longueurs d’onde est assigné à chaque nœud du bord du réseau OBS pour qu’il puisse envoyer son trafic garanti. Cette assignation prend en considération les distances physiques entre les nœuds du bord. En outre, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour améliorer les performances des rafales best effort. Dans l’approche basée sur les chemins, le provisionnement absolu de la qualité de service est fourni au niveau des chemins entre les nœuds du bord du réseau OBS. À cette fin, nous proposons une approche de routage et d’assignation des longueurs d’onde qui a pour but la réduction du nombre requis de longueurs d’onde pour établir des chemins sans contentions. Néanmoins, si cet objectif ne peut pas être atteint à cause du nombre limité de longueurs d’onde, nous proposons de synchroniser les chemins en conflit sans le besoin pour des équipements additionnels. Là aussi, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour les rafales best effort. Les résultats numériques montrent que l’approche basée sur les nœuds et l’approche basée sur les chemins fournissent le provisionnement absolu de la qualité de service pour le trafic garanti et améliorent les performances du trafic best effort. En outre, quand le nombre de longueurs d’ondes est suffisant, l’approche basée sur les chemins peut accommoder plus de trafic garanti et améliorer les performances du trafic best effort par rapport à l’approche basée sur les nœuds.Optical Burst Switching (OBS) networks are candidates to play an important role in the context of next generation optical networks. In this thesis, we are interested in adaptive routing and quality of service provisioning for these networks. In the first part of the thesis, we study the capability of multi-path routing and alternative routing (deflection routing) to improve the performance of the OBS network proactively for the former and reactively for the latter. In this context, we propose a reinforcement learning-based approach where learning agents, placed in each OBS node, cooperate to learn, continuously, optimal routing paths and alternative paths according to the current state of the network. Numerical results show that the proposed approach improves the performance of the OBS network compared to existing solutions in the literature. In the second part of the thesis, we consider the problem of absolute quality of service provisioning for OBS networks where worst-case performance of high priority traffic is guaranteed quantitatively. Particularly, we are interested in the loss-free transmission, inside the OBS network, of high priority bursts, while preserving statistical multiplexing gain and high resources utilization of the OBS network. Also, we aim to improve the performance of best effort traffic. Hence, we propose two approaches: (a) the node-based approach; and (b) the path-based approach. In the node-based approach, we propose to assign a set of wavelengths to each OBS edge node that it can use to send its guaranteed traffic. This assignment takes into consideration physical distances between edge nodes. Furthermore, we propose a wavelength selection algorithm to improve the performance of best effort bursts. In the path-based approach, absolute quality of service provisioning is offered at end-to-end path level. To do this, we propose a routing and wavelength assignment approach which aims to reduce the number of wavelengths required to establish contention free paths. Nevertheless, if this objective cannot be reached because of the limited number of wavelengths in each fiber link, we propose an approach to synchronize overlapping paths without the need for additional equipments for synchronization. Here again, we propose a wavelength selection algorithm for best effort bursts. Numerical results show that both the node-based and the path-based approaches successfully provide absolute quality of service provisioning for guaranteed traffic and improve the performance of best effort traffic. Also, path-based approach could accommodate more guaranteed traffic and improve the performance of best effort traffic compared to node-based approach when the number of wavelengths is sufficient

Offset time-emulated architecture for optical burst switching-modelling and performance evaluation

L'evolució de les xarxes publiques de transport de dades destaca per el continu augment de la demanda de tràfic a la que estan sotmeses. La causa és la imparable popularització d'Internet i del seu ús per a tot tipus d'aplicacions. Les xarxes de commutació de ràfegues òptiques (OBS: Optical Bursts Switching) són una solució extraordinàriament prometedora per la pròxima generació de xarxes, tant per la flexibilitat que ofereixen com per el seu alt rendiment fruit de l'explotació de la multiplexació estadística en el domini òptic.Aquesta tesi presenta l'anàlisi, modelització i avaluació de les xarxes de commutació de ràfegues òptiques basades en l'emulació del temps de compensació (emulated offset time: E-OBS). El concepte d'E-OBS defineix una arquitectura de xarxa OBS per al transportar i commutar ràfegues òptiques en una xarxa troncal en la que, al contrari de l'arquitectura convencional (C-OBS) en la que el temps de compensació s'introdueix des dels nodes d'accés, el temps de compensació s'introdueix en cadascun dels nodes de la xarxa per mitjà d'un retardador de fibra addicional. L'arquitectura E-OBS permet superar algunes de les desavantatges inherents a arquitectures C-OBS, però la seva gran virtut és la compatibilitat amb les xarxes de commutació de circuits òptics (OCS: Optical Circuit Switching) actuals i les futures xarxes de commutació de paquets òptics (OPS: Optical Packet Switching), de manera que les xarxes OBS basades en una arquitectura E-OBS) poden facilitat enormement la transició de unes a les altres.A ala vista dels principals requeriments de disseny de les xarxes OBS, que són la resolució de contencions en el domini òptic, la provisió de qualitat de servei (QoS) i l'òptim encaminament de les ràfegues per tal de minimitzar la congestió de la xarxa, . en aquesta tesi es proposa un disseny de l'arquitectura E-OBS basada en (i) un mètode viable per a la provisió del temps de compensació, (ii) una qualitat alta global de servei, i (iii) un mecanisme d'encaminament que minimitzi congestió de xarxa.- La primera part d'aquesta tesi proporciona la informació documental necessària per al disseny d'E-OBS.- La segona part se centra en l'estudi de la funcionalitat i viabilitat de l'arquitectura E-OBS. S'introdueixen els principis d'operació d'E-OBS i s'identifiquen els principals esculls que presenten les arquitectures C-OBS i que deixen de ser-ho en una arquitectura E-OBS. Alguns d'aquests esculls són la dificultat d'utilitzar un algorisme d'encaminament amb rutes alternatives, la complexitat dels algoritmes de reserva de recursos i la seva falta d'equitat, la complexitat en la provisió de la QoS, etc. En aquesta segona part es constata que l'arquitectura E-OBS redueix la complexitat dels de reserva de recursos i es verifica la viabilitat d'operació i de funcionament de la provisió del tremps de compensació en aquesta arquitectura a partir de figures de comportament obtingudes amb retardadors de fibra comercialment disponibles.- La tercera part encara el problema de la provisió de la QoS. Primer s'hi revisen els conceptes bàsics de QoS així com els mecanismes de tractament de la QoS per a xarxes OBS fent-ne una comparació qualitativa i de rendiment de tots ells. Com a resultat s'obté que el mecanisme que presenta un millor comportament és el d'avortament de la transmissió de les ràfegues de més baixa prioritat quan aquestes col·lisionen amb una de prioritat més alta (es l'anomenat Burst Preemption mechanism), el qual en alguns casos presenta un problema de senyalització innecessària. Aquesta tercera part es conclou amb la proposta d'un mecanisme de finestra a afegir al esquema de Burst Preemption que només funciona sobre una arquitectura E-OBS i que soluciona aquest problema.- En la quarta part s'afronta el problema de l'encaminament en xarxes OBS. S'estudia el comportament dels algoritmes d'encaminament adaptatius, els aïllats amb rutes alternatives i els multicamí distribuïts, sobre xarxes E-OBS. A la vista dels resultats no massa satisfactoris que s'obtenen, es planteja una solució alternativa que es basa en model d'optimització no lineal. Es formulen i resolen dos models d'optimització per als algoritmes encaminament de font multicamí que redueixen notablement la congestió en les xarxes OBS.Finalment, aquesta tesi conclou que l'arquitectura E-OBS és factible, que és més eficient que la C-OBS, que proveeix eficaçment QoS, i que és capaç d'operar amb diverses estratègies d'encaminament i de reduir eficaçment la congestió de xarxa.The fact that the Internet is a packet-based connection-less network is the main driver to develop a data-centric transport network. In this context, the optical burst switching (OBS) technology is considered as a promising solution for reducing the gap between transmission and switching speeds in future networks.This thesis presents the analysis, modelling, and evaluation of the OBS network with Emulated offset-time provisioning (E-OBS). E-OBS defines an OBS network architecture to transport and switch optical data bursts in a core network. On the contrary to a conventional offset-time provisioning OBS (C-OBS) architecture, where a transmission offset time is introduced in the edge node, in an E-OBS network the offset time is provided in the core node by means of an additional fibre delay element. The architecture is motivated by several drawbacks inherent to C-OBS architectures. It should be pointed out that the E-OBS has not been studied intensively in the literature and this concept has been considered rather occasionally.Due to the limitations in optical processing and queuing, OBS networks need a special treatment so that they could solve problems typical of data-centric networks. Contention resolution in optical domain together with quality of service (QoS) provisioning for quality demanding services are, among other things, the main designing issues when developing OBS networks. Another important aspect is routing problem, which concerns effective balancing of traffic load so that to reduce burst congestion at overloaded links. Accounting for these requirements, the design objectives for the E-OBS architecture are (i) feasibility of offset-time provisioning, (ii) an overall high quality of service, and (iii) reduction of network congestion. These objectives are achieved by combining selected concepts and strategies, together with appropriate system design as well as network traffic engineering.The contributions in this thesis can be summarized as follows.- At the beginning, we introduce the principles of E-OBS operation and we demonstrate that C-OBS possesses many drawbacks that can be easily avoided in E-OBS. Some of the discussed issues are the problem of unfairness in resources reservation, difficulty with alternative routing, complexity of resources reservation algorithms, efficiency of burst scheduling, and complexity in QoS provisioning. The feasibility of E-OBS operation is investigated as well; in this context, the impact of congestion in control plane on OBS operation is studied. As a result, we confirm the feasibility of E-OBS operation with commercially available fibre delay elements.- Then, we provide both qualitative and quantitative comparison of the selected, most addressed in the literature, QoS mechanisms. As an outcome a burst preemption mechanism, which is characterized by the highest overall performance, is qualified for operating in E-OBS. Since the preemptive mechanism may produce the overbooking of resources in an OBS network we address this issue as well. We propose the preemption window mechanism to solve the problem. An analytical model of the mechanism legitimates correctness of our solution.- Finally, we concern with a routing problem - our routing objective is to help the contention resolution algorithms in the reduction of burst losses. We propose and evaluate two isolated alternative routing algorithms designed for labelled E-OBS networks. Then we study multi-path source routing and we use network optimization theory to improve it. The presented formulae for partial derivatives, to be used in a non-linear optimization problem, are straightforward and very fast to compute. It makes the proposed non-linear optimization method a viable alternative for linear programming formulations based on piecewise linear approximations.Concluding, E-OBS is shown to be a feasible OBS network architecture of profitable functionality, to support efficiently the QoS provisioning, and to be able to operate with different routing strategies and effectively reduce the network congestion

Quality of service in optical burst switching networks

Tese dout., Engenharia Electrónica e Computação, Universidade do Algarve, 2009Fundação para e Ciência e a Tecnologi

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