End-to-end scheduling for all-optical data centers

Abstract—This paper considers the end-to-end scheduling for all-optical data center networks with zero in-network buffer and non-negligible reconfiguration delay. It is known that in the regime where the scheduling reconfiguration delay is non-negligible, the rate of schedule reconfiguration should be limited in such a way as to minimize the impact of reduced duty-cycles and to ensure bounded delay. However, when the scheduling rate is restricted, the existing literature also tends to restrict the rate of monitoring and decision processes. We first present a framework for scheduling with reconfiguration delay that decouples the rate of scheduling from the rate of monitoring. Under this framework, we then present two scheduling algorithms for switches with reconfiguration delay, both based on the well-known MaxWeight scheduling policy. The first one is the Periodic MaxWeight (PMW), which is simpler in computation, but requires prior knowledge of traffic load. The other is the Adaptive MaxWeight (AMW), which, in contrast, requires no prior knowledge. We show the stability condition for both algorithms and evaluate their delay performance through simulations. I

Packet switch architecture for efficient unicast and multicast traffic switching

У дисертацији је предложена једноставна архитектура свича као и алгоритми за ефикасно распоређивање и комутацију уникаст и мултикаст саобраћаја, што је од великог значаја за савремене телекомуникационе мреже у којима количина саобраћаја константно расте. Први дио доприноса ове дисертације чини приједлог рјешења свича за ефикасно управљање уникаст саобраћајем. Ово рјешење је развијено комбинујући најбоље особине постојећих рјешења, при том избјегавајући одређене њихове недостатке. Циљ је да се омогући што брже прослијеђивање пакета уз прихватљив ниво хардверске комплексности. Свич који је развијен у овој дисертацији представља комбинацију свичева са баферима на улазу и свичева који користе Биркхоф-фон Нојман принцип детерминистичког конфигурисања комутационог модула па се не захтијева прорачун конфигурација комутатора. При томе, за разлику од већине рјешења која користе Биркхоф-фон Нојман принцип конфигурисања, у предложеном рјешењу могуће је користити само један физички комутациони модул који би обављао функције оба логичка комутациона модула. Да би се гарантовало да није дошло до поремећаја редослиједа пакета, предложен је и једноставан алгоритам за одабир пакета за слање. Такође, дат је и приједлог унапријеђења подршке за фер сервис првобитно предложеног рјешења за комутацију уникаст саобраћаја. У другом дијелу дисертације, пажња је посвећена унапријеђењу предложеног рјешења за ефикасно управљање и мултикаст саобраћајем. Потреба за овим се јавила као посљедица развоја нових сервиса (нпр. IPTV, онлајн игре итд.) који генеришу такав тип саобраћаја. Како је удио мултикаст саобраћаја у мрежи постао незанемарљив, перформансе свичева који су развијени примарно за уникаст саобраћај значајно опадају. Рјешење које је предложено у првом дијелу дисертације је унапријеђено додавањем модула који служи за управљање мултикаст саобраћајем. Овдје је идеја да се оптерећење са улазног порта који прима мултикаст пакете распореди на више портова који треба да приме те пакете. Овако је на релативно једноставан начин омогућено ефикасно управљање мултикаст саобраћајем. У оквиру дисертације су урађене софтверске симулације које су показале да ова рјешења постижу врло добре перформансе у односу на постојећа. Такође, урађена је и хардверска имплементација предложеног основног уникаст рјешења која је показала релативно скромне захтјеве у погледу хардверских ресурса.The dissertation proposes a simple switch architecture as well as algorithms for efficient scheduling and switching of unicast and multicast traffic, which is of great importance for modern telecommunication networks because their traffic load is constantly and rapidly increasing. The first part of the dissertation’s contributions comprises a proposed switch which efficiently manages unicast traffic. The proposed switch is developed by using the best characteristics of the existing solutions while avoiding some of their drawbacks. The aim is to enable fast packet forwarding while achieving an acceptable level of hardware complexity. The proposed solution combines architecture with buffers at input ports and Birkhoff-von Neumann architecture based on deterministic switch module configurations. Hence, calculation of switch module configurations is not needed. Also, folded architecture is possible, which means that only one physical switching module is used for both switching stages of Birkhoff-von Neumann architecture. A simple algorithm for packet scheduling has been developed in order to avoid packet out-of-sequence problems. Finally, fair service support improvement is introduced for the originally proposed switch solution. The second part of the dissertation is devoted to the enhancement of the proposed unicast switch for efficient management of multicast traffic. The need for multicast support has emerged as a consequence of the development and introduction of new services (such as IPTV, online gaming, etc.) that generate multicast traffic. As the amount of multicast traffic is not negligible anymore, the performance of packet switches that were primarily developed for the unicast traffic is significantly degraded. The solution proposed in the first part of the diseration is enhanced with the module used for multicast traffic management. Here, the idea is that the multicast load at some input port is distributed over ports that are also destination for the multicast packets. This approach enables relatively simple but efficient management of multicast traffic. In this dissertation, software simulations were conducted, which confirmed that proposed solutions achieve very good performances compared to existing solutons. Furthermore, hardware implementation of the proposed basic unicast switch solution shows modest requirements in terms of needed hardware resources