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

Optical performance monitoring in optical packet-switched networks

Para poder satisfacer la demanda de mayores anchos de banda y los requisitos de los nuevos servicios, se espera que se produzca una evolución de las redes ópticas hacia arquitecturas reconfigurables dinámicamente. Esta evolución subraya la importancia de ofrecer soluciones en la que la escalabilidad y la flexibilidad sean las principales directrices. De acuerdo a estas características, las redes ópticas de conmutación de paquetes (OPS) proporcionan altas capacidades de transmisión, eficiencia en ancho de banda y excelente flexibilidad, además de permitir el procesado de los paquetes directamente en la capa óptica. En este escenario, la solución all-optical label switching (AOLS) resuelve el cuello de botella impuesto por los nodos que realizan el procesado en el dominio eléctrico. A pesar de los progresos en el campo del networking óptico, las redes totalmente ópticas todavía se consideran una solución lejana . Por tanto, es importante desarrollar un escenario de migración factible y gradual desde las actuales redes ópticas basadas en la conmutación de circuitos (OCS). Uno de los objetivos de esta tesis se centra en la propuesta de escenarios de migración basados en redes híbridas que combinan diferentes tecnologías de conmutación. Además, se analiza la arquitectura de una red OPS compuesta de nodos que incorporan nuevas funcionalidades relacionadas con labores de monitorización y esquemas de recuperación. Las redes ópticas permiten mejorar la transparencia de la red, pero a costa de aumentar la complejidad de las tareas de gesión. En este escenario, la monitorización óptica de prestaciones (OPM) surge como una tecnología capaz de facilitar la administración de las redes OPS, en las que cada paquete sigue su propia ruta en la red y sufre un diferente nivel de degradación al llegar a su destino. Aquí reside la importancia de OPM para garantizar los requisitos de calidad de cada paquete.Vilar Mateo, R. (2010). Optical performance monitoring in optical packet-switched networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8926Palanci

Content-Aware Multimedia Communications

The demands for fast, economic and reliable dissemination of multimedia information are steadily growing within our society. While people and economy increasingly rely on communication technologies, engineers still struggle with their growing complexity. Complexity in multimedia communication originates from several sources. The most prominent is the unreliability of packet networks like the Internet. Recent advances in scheduling and error control mechanisms for streaming protocols have shown that the quality and robustness of multimedia delivery can be improved significantly when protocols are aware of the content they deliver. However, the proposed mechanisms require close cooperation between transport systems and application layers which increases the overall system complexity. Current approaches also require expensive metrics and focus on special encoding formats only. A general and efficient model is missing so far. This thesis presents efficient and format-independent solutions to support cross-layer coordination in system architectures. In particular, the first contribution of this work is a generic dependency model that enables transport layers to access content-specific properties of media streams, such as dependencies between data units and their importance. The second contribution is the design of a programming model for streaming communication and its implementation as a middleware architecture. The programming model hides the complexity of protocol stacks behind simple programming abstractions, but exposes cross-layer control and monitoring options to application programmers. For example, our interfaces allow programmers to choose appropriate failure semantics at design time while they can refine error protection and visibility of low-level errors at run-time. Based on some examples we show how our middleware simplifies the integration of stream-based communication into large-scale application architectures. An important result of this work is that despite cross-layer cooperation, neither application nor transport protocol designers experience an increase in complexity. Application programmers can even reuse existing streaming protocols which effectively increases system robustness.Der Bedarf unsere Gesellschaft nach kostengünstiger und zuverlässiger Kommunikation wächst stetig. Während wir uns selbst immer mehr von modernen Kommunikationstechnologien abhängig machen, müssen die Ingenieure dieser Technologien sowohl den Bedarf nach schneller Einführung neuer Produkte befriedigen als auch die wachsende Komplexität der Systeme beherrschen. Gerade die Übertragung multimedialer Inhalte wie Video und Audiodaten ist nicht trivial. Einer der prominentesten Gründe dafür ist die Unzuverlässigkeit heutiger Netzwerke, wie z.B.~dem Internet. Paketverluste und schwankende Laufzeiten können die Darstellungsqualität massiv beeinträchtigen. Wie jüngste Entwicklungen im Bereich der Streaming-Protokolle zeigen, sind jedoch Qualität und Robustheit der Übertragung effizient kontrollierbar, wenn Streamingprotokolle Informationen über den Inhalt der transportierten Daten ausnutzen. Existierende Ansätze, die den Inhalt von Multimediadatenströmen beschreiben, sind allerdings meist auf einzelne Kompressionsverfahren spezialisiert und verwenden berechnungsintensive Metriken. Das reduziert ihren praktischen Nutzen deutlich. Außerdem erfordert der Informationsaustausch eine enge Kooperation zwischen Applikationen und Transportschichten. Da allerdings die Schnittstellen aktueller Systemarchitekturen nicht darauf vorbereitet sind, müssen entweder die Schnittstellen erweitert oder alternative Architekturkonzepte geschaffen werden. Die Gefahr beider Varianten ist jedoch, dass sich die Komplexität eines Systems dadurch weiter erhöhen kann. Das zentrale Ziel dieser Dissertation ist es deshalb, schichtenübergreifende Koordination bei gleichzeitiger Reduzierung der Komplexität zu erreichen. Hier leistet die Arbeit zwei Beträge zum aktuellen Stand der Forschung. Erstens definiert sie ein universelles Modell zur Beschreibung von Inhaltsattributen, wie Wichtigkeiten und Abhängigkeitsbeziehungen innerhalb eines Datenstroms. Transportschichten können dieses Wissen zur effizienten Fehlerkontrolle verwenden. Zweitens beschreibt die Arbeit das Noja Programmiermodell für multimediale Middleware. Noja definiert Abstraktionen zur Übertragung und Kontrolle multimedialer Ströme, die die Koordination von Streamingprotokollen mit Applikationen ermöglichen. Zum Beispiel können Programmierer geeignete Fehlersemantiken und Kommunikationstopologien auswählen und den konkreten Fehlerschutz dann zur Laufzeit verfeinern und kontrolliere

Optical Switching for Scalable Data Centre Networks

This thesis explores the use of wavelength tuneable transmitters and control systems within the context of scalable, optically switched data centre networks. Modern data centres require innovative networking solutions to meet their growing power, bandwidth, and scalability requirements. Wavelength routed optical burst switching (WROBS) can meet these demands by applying agile wavelength tuneable transmitters at the edge of a passive network fabric. Through experimental investigation of an example WROBS network, the transmitter is shown to determine system performance, and must support ultra-fast switching as well as power efficient transmission. This thesis describes an intelligent optical transmitter capable of wideband sub-nanosecond wavelength switching and low-loss modulation. A regression optimiser is introduced that applies frequency-domain feedback to automatically enable fast tuneable laser reconfiguration. Through simulation and experiment, the optimised laser is shown to support 122×50 GHz channels, switching in less than 10 ns. The laser is deployed as a component within a new wavelength tuneable source (WTS) composed of two time-interleaved tuneable lasers and two semiconductor optical amplifiers. Switching over 6.05 THz is demonstrated, with stable switch times of 547 ps, a record result. The WTS scales well in terms of chip-space and bandwidth, constituting the first demonstration of scalable, sub-nanosecond optical switching. The power efficiency of the intelligent optical transmitter is further improved by introduction of a novel low-loss split-carrier modulator. The design is evaluated using 112 Gb/s/λ intensity modulated, direct-detection signals and a single-ended photodiode receiver. The split-carrier transmitter is shown to achieve hard decision forward error correction ready performance after 2 km of transmission using a laser output power of just 0 dBm; a 5.2 dB improvement over the conventional transmitter. The results achieved in the course of this research allow for ultra-fast, wideband, intelligent optical transmitters that can be applied in the design of all-optical data centres for power efficient, scalable networking

STCP: A New Transport Protocol for High-Speed Networks

Transmission Control Protocol (TCP) is the dominant transport protocol today and likely to be adopted in future high‐speed and optical networks. A number of literature works have been done to modify or tune the Additive Increase Multiplicative Decrease (AIMD) principle in TCP to enhance the network performance. In this work, to efficiently take advantage of the available high bandwidth from the high‐speed and optical infrastructures, we propose a Stratified TCP (STCP) employing parallel virtual transmission layers in high‐speed networks. In this technique, the AIMD principle of TCP is modified to make more aggressive and efficient probing of the available link bandwidth, which in turn increases the performance. Simulation results show that STCP offers a considerable improvement in performance when compared with other TCP variants such as the conventional TCP protocol and Layered TCP (LTCP)