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

Construcció d'una maqueta de xarxa OBS. Disseny i Implementació del Pla de Control

Aquest document presenta el disseny i la implementació del Pla de Control d’una xarxa de Commutació de Ràfegues Òptiques (OBS, Optical Burst Switching). En aquests tipus de xarxes, les dades d’usuari s’ensamblen en ràfegues de major longitud en els nodes frontera d’ingrés, i es transmeten passat un temps d’offset. Aquest temps d’offset permet que un paquet de control realitzi la senyalització i reserva de recursos òptics per a que la ràfega pugui commutar-se des del node frontera d’origen al node destí, on es realitzarà el desensamblatge de la ràfega en les seves unitats de dades originals. L’objectiu d’aquest projecte és la creació del Pla de Control que governa la senyalització del camí entre origen i destinació pel qual la ràfega viatjarà, el qual es concep per a ser utilitzat indiferentment en qualsevol tipus de node OBS (frontera o central). Paral·lelament en el document s’explica el protocol de missatges desenvolupat i la forma en que s’assignen i reserven els recursos òptics en els commutadors i en els elements de transmissió i recepció de les ràfegues. La realització del projecte implica part de disseny hardware (VHDL) i programació del software de control (en C). La implementació del Pla de Control s’ha realitzat sobre unes plaques de desenvolupament hardware/software que integren una FPGA Virtex-II Pro de Xilinx. Aquest Projecte de Fi de Carrera s’emmarca dins d’un projecte de disseny i implementació d’una maqueta de xarxa OBS, com a part del projecte TIC2003-09042-C03-02, finançat pel Ministeri de Ciència i Tecnologia, juntament amb el projecte Machine de la Fundació i2CAT

An ant-based algorithm for distributed routing and wavelength assignment in dynamic optical networks

Future optical communication networks are expected to change radically during the next decade. To meet the demanded bandwidth requirements, more dynamism, scalability and automatism will need to be provided. This will also require addressing issues such as the design of highly distributed control plane systems and their associated algorithms to respond to network changes very rapidly. In this work, we propose the use of an ant colony optimization (ACO) algorithm to solve the intrinsic problem of the routing and wavelength assignment (RWA) on wavelength continuity constraint optical networks. The main advantage of the protocol is its distributed nature, which provides higher survivability to network failures or traffic congestion. The protocol has been applied to a specific type of future optical network based on the optical switching of bursts. It has been evaluated through extensive simulations with very promising results, particularly on highly congested scenarios where the load balancing capabilities of the protocol become especially efficient. Results on a partially meshed network like NSFNET show that the ant-based protocol outperforms other RWA algorithms under test in terms of blocking probability without worsening other metrics such as mean route length.Peer ReviewedPostprint (published version

An Optical Burst Switching Control Plane Architecture and its Implementation

This paper proposes a new design and implementation of a control plane for Optical Burst Switched networks. The design is based on the principles of generality, transparency, portability and efficiency. In this way, the control plane is designed to be easily reused in any type of network node, low-level Data Plane or high-level Wavelength Reservation Scheme. Making efforts to address these issues, we implement a general-purpose, flexible and feasible OBS network testbed using field programmable gate arrays (FPGA).Peer Reviewe

Distributed Resources Assignment for Optical Burst Switching without Wavelength Conversion (Invited Paper)

The amount of bursty Internet traffic leads to develop new architectures and technologies, such as Optical Burst Switching (OBS), to efficiently satisfy future bandwidth requirements. Burst loss probability is an important quality of service metric for OBS due to its bufferless characteristic, even more critical without wavelengths converters. So, resource assignment is an important issue to solve in OBS networks. In this paper, two distributed resources assignment schemes without wavelength conversion capability are proposed. Whereas the first one is applied at the edge nodes to achieve a loss-free core network, the second is an enhanced routing and wavelength assignment scheme applied at core nodes. Simulation results indicate that the first scheme offers a loss-free solution with blocking probability only at ingress nodes and high traffic load. The second one reduces the network-wide burst loss probability significantly compared with other schemes.Postprint (published version

Construcció d'una maqueta de xarxa OBS. Disseny i Implementació del Pla de Control

Aquest document presenta el disseny i la implementació del Pla de Control d’una xarxa de Commutació de Ràfegues Òptiques (OBS, Optical Burst Switching). En aquests tipus de xarxes, les dades d’usuari s’ensamblen en ràfegues de major longitud en els nodes frontera d’ingrés, i es transmeten passat un temps d’offset. Aquest temps d’offset permet que un paquet de control realitzi la senyalització i reserva de recursos òptics per a que la ràfega pugui commutar-se des del node frontera d’origen al node destí, on es realitzarà el desensamblatge de la ràfega en les seves unitats de dades originals. L’objectiu d’aquest projecte és la creació del Pla de Control que governa la senyalització del camí entre origen i destinació pel qual la ràfega viatjarà, el qual es concep per a ser utilitzat indiferentment en qualsevol tipus de node OBS (frontera o central). Paral·lelament en el document s’explica el protocol de missatges desenvolupat i la forma en que s’assignen i reserven els recursos òptics en els commutadors i en els elements de transmissió i recepció de les ràfegues. La realització del projecte implica part de disseny hardware (VHDL) i programació del software de control (en C). La implementació del Pla de Control s’ha realitzat sobre unes plaques de desenvolupament hardware/software que integren una FPGA Virtex-II Pro de Xilinx. Aquest Projecte de Fi de Carrera s’emmarca dins d’un projecte de disseny i implementació d’una maqueta de xarxa OBS, com a part del projecte TIC2003-09042-C03-02, finançat pel Ministeri de Ciència i Tecnologia, juntament amb el projecte Machine de la Fundació i2CAT

An Ant-based Algorithm for Distributed RWA in Optical Burst Switching

To meet the demanded bandwidth requirements of future optical communication networks, more dynamism, scalability and automatism will need to be provided, which will require, as well, new control plane designs to respond to network changes very rapidly. In this work, we propose the use of an ant colony optimization (ACO) algorithm to support the routing and wavelength assignment in wavelength continuity constraint optical burst-switched networks. The main advantage of the protocol is its distributed nature, which provides higher survivability to network failures or traffic congestion. From the results we see that the new protocol responds effectively to congestion while at the same time providing better performance in comparison to the shortest path routing with random wavelength assignment.Peer Reviewe

An ant-based algorithm for distributed RWA in optical burst switching

To meet the demanded bandwidth requirements of future optical communication networks, more dynamism, scalability and automatism will need to be provided, which will require, as well, new control plane designs to respond to network changes very rapidly. In this work, we propose the use of an ant colony optimization (ACO) algorithm to support the routing and wavelength assignment in wavelength continuity constraint optical burst-switched networks. The main advantage of the protocol is its distributed nature, which provides higher survivability to network failures or traffic congestion. From the results we see that the new protocol responds effectively to congestion while at the same time providing better performance in comparison to the shortest path routing with random wavelength assignment.Peer Reviewe

Report- Committee on the Departments of Textile Industries and Colour Chemistry and Dyeing in the University of Leeds

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre- DSC:7405.52(1987-88) / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Prediction and measurement of the frictional torque characteristics of radially and axially loaded radial cylindrical roller bearings

Available from British Library Document Supply Centre-DSC:DXN053165 / BLDSC - British Library Document Supply CentreSIGLEGBUnited Kingdo