PrimeNet - Ein optisches Packetnetz auf Basis eines Arrayed Waveguide Gratings

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine neuartige Architektur optischer Multihop-Packetnetze und untersucht daraus hervorgehende Zugriffsprotokolle und Fairnessalgorithmen. Die Netzarchitektur basiert auf einem (NxN) AWG, einem passiven Bauelement, das ähnlich einem Prisma in der Lage ist, Wellenlängen zu demultiplexen bzw. zu multiplexen, allerdings mit einer zyklischen Vertauschung der Wellenlängen an den Ausgängen. Durch diese Vertauschung sind keinerlei Kollisionen von Signalen im Bauelement möglich und dieselbe Wellenlänge lässt sich von allen angeschlossenen Stationen gleichzeitig verwenden, was zu einer Vervielfachung der Bandbreite gegenüber einer passiven Sternkoppler-Architektur führt. Auf Basis einer physischen Sternarchitektur werden nunmehr logische Ringe auf jeder Wellenlänge gebildet. Es wird gezeigt, dass die Anzahl der Knoten im Netz eine Primzahl sein muss, damit alle Knoten auf allen (N-1) Ringen liegen. Der Ausbau des Netzes kann mit nur einer Wellenlänge (und nur einem Sender/Empfängerpaar pro Knoten) beginnen, um nach Bedarf weitere Ringe zu installieren. Die Reihenfolge der Knoten in den Ringen ist aber unterschiedlich, was bei einem vollen Ausbau zur Totalvermaschung des Netzes führt. Die Kapazität des Netzes wird analytisch als Funktion der Anzahl der Ringe berechnet. Es wird gezeigt, dass die totale Netzkapazität mehr als quadratisch mit der Zahl der Ringe wächst. Ein Vergleich mit einer Single-Hop-Architektur ergibt, dass im allgemeinen eine sehr geringe Anzahl (2-3) fester Sender/Empfängerpaare ausreicht, um dieselbe Kapazität wie mit einem Paar abstimmbarer Sender/Empfänger pro Knoten zu erreichen. Auf Basis der sich überlagernden Ringe wird dann eine Knotenarchitektur entwickelt, die ein einfaches Zugriffsprotokoll ermöglicht. Ein Vielfachzugriffsverfahren, basierend auf einer optischen Verzögerungsleitung und einer elektronischen Auswertung des Packetheaders, wird daraufhin simulativ untersucht. Um Zeit für die Auswertung des Headers und das optische Schalten zu gewinnen, werden kleinere Packete zu sogenannten "Jumbo"-Rahmen aggregiert. Zur Gewährleistung der Fairness beim Zugriff auf den Ring wird ein lokales Verfahren benutzt, das aus dem SRP-Protokoll hervorging. Dieses Verfahren musste an die optische Knotenarchitektur angepasst werden. Eine simulative Untersuchung zeigt Schwachstellen des Verfahrens auf, wenn statt eines unidirektionalen Datenverkehrs das tatsächliche Verhalten des TCP-Transportprotokolls nachgebildet wird. Die Einführung eines Alarmgebers, der die Wartezeit des ersten Segments in der Warteschlange überwacht, führt zu einem fairen Zugriff aller Knoten auf das Medium. Weitere Probleme treten durch das Umordnen von Aggregaten im Netz auf. TCP reagiert aufgrund des "fast-retransmit"-Mechanismus mit einer schnellen Wiederholung verloren "geglaubter" Packete und einer Reduktion der Senderate. Eine Diskussion der Möglichkeiten, TCP robust gegen solche Fehler zu machen, beschließt das Kapitel. Der letzte Teil der Arbeit bietet einen Ausblick auf Möglichkeiten, größere Netze auf PrimeNet-Basis zu entwerfen. Hierfür bieten sich die sogenannten Cayley-Graphen an, Permutationsgraphen, deren Eigenschaften wie maximale Fehlertoleranz und einfaches Routing von vornherein bekannt sind.This work presents PrimeNet, a novel architecture for optical multihop networks and investigates a Medium Access Control (MAC) protocol and a fairness algorithm for it. The network architecture is based on an Arrayed Waveguide Grating, a passive optical device that is used widely as wavelength multiplexer/demultiplexer, today. Relying on a physical star architecture logical rings are set up on each wavelength. The number of nodes N has to be a prime number to lead to (N-1)/2 pairs of counterdirectional rings. It is possible to start the deployment of the network with a single ring, and to add further rings when the demand increases. With the addition of new rings the mean hop distance in the multihop network decreases from N/2 down to 1, which is the full mesh. The capacity of this multihop network is compared to a single-hop network. It shows that a small number of fixed transmitters and receivers per node (2 to 3, mostly) are enough to gain the same capacity as a single-hop network with one tunable transmitter/receiver pair. On the basis of the proposed multi-ring architecture a node structure, a MAC protocol, and a fairness algorithm are developed and evaluated analytically and by simulation. An estimation of some physical parameters shows that the network is suitable for the local and metropolitan area. The MAC protocol is based on a carrier-sensing and a fiber delay line (FDL) large enough to store a full packet in order to allow for an unslotted, immediate access to the medium. An aggregation of smaller packets to so-called "Jumbo"-frames helps to reduce the overhead for optical switching. Because of the potentially very small mean hop distance, we favor local fairness algorithms over global. Among three candidates, the back-pressure based Spatial Reuse Protocol (SRP) was chosen for the fairness algorithm. It had to be modified to suit the optical node architecture. The simulations of the fairness algorithm were performed using unidirectional traffic with a packet size distribution that is typical for today's Internet. While a fair access to the medium can obviously be guaranteed for this kind of traffic, a modeling of "real" TCP revealed interactions between the MAC protocol and TCP that lead to unfairness for certain TCP connections. With the introduction of a head-of-line timer to avoid the blocking of the "slow start" mechanism of TCP, fairness can be guaranteed. Another problem arising from the optical node architecture are reorderings of "Jumbo" frames. These lead to spurious retransmissions of TCP segments. A discussion of possibilities to make TCP robust against packet reorderings concludes the chapter. At last we give an outlook on the design of large networks based on PrimeNets. Every AWG-based multihop network can be seen as a permutation or Cayley graph. This family of graphs incorporates many of known regular graphs, such as the ring, the hypercube, or the star graph