Slotted ring networks: performance analysis and protocol design

Abstract

In den letzten Jahren sind unterschiedliche Arten von Medienzugriffsprotokollen (MAC) entwickelt und analysiert worden. Die Schwierigkeit, gleichzeitig hohen Durchsatz, niedrige Ende-zu-Ende-Verzögerungen, Fairness und Skalierbarkeit zu gewährleisten, war und ist Ziel vieler Protokollvorschläge. Obwohl unterschiedliche physikalische Topologien verwendet werden, sind die Zugriffsmechanismen von MAC-Protokollen meist eine Kombination aus einigen wenigen Techniken.<br />Ringnetze sind einerseits aufgrund ihres niedrigen Vermaschungsgrades der Knoten kostengünstig und andererseits in hohem Maße ausfallsicher. Sie werden daher in der kommerziellen Anwendung bevorzugt. Ein Beispiel hierfür findet sich in der SONET/SDH-Technologie. Neben den hohen Anschaffungskosten ist SONET/SDH auf Grund verbindungsorientierter Übertragungstechnologie nicht für paketorientierten Verkehr (z.B. IP-Verkehr) geeignet. Um diese Nachteile zu kompensieren, wurde ein neuer Standard von der IEEE 802.17 Arbeitsgruppe entwickelt.<br />Ausgangspunkte dieser Arbeit waren zum einen die verschiedenen Zugriffsmechanismen von MAC-Protokollen in Ringnetzen, zum anderen die Entwicklung des IEEE 802.17 Standards. Die Arbeit beschäftigt sich mit Fairness-, Durchsatzund Ende-zu-Ende-Verzögerungs-Analysen, sowie mit Protokolldesign und der Vermaschung von Ringen. Es wird gezeigt, dass Fairness auf verschiedene Arten definiert werden kann und jede dieser Definitionen ihre Berechtigung hat.<br />Die Ende-zu-Ende-Verzögerungs-Analyse liefert als Hauptergebnis das Worst- Case-Verkehrsszenario für Ringnetze. Nach einer Einführung in die Prinzipien des IEEE 802.17 Standards und der Diskussion bezüglich seiner Nachteile, wird ein neues Ringprotokoll definiert und für das Worst-Case-Verkehrsszenario analysiert. Um Durchsatzsteigerungen zu erreichen wird die Vermaschung von Ringen anhand von sogenannten Chord-Ringen demonstriert.<br />

Over the past years, a remarkable number of medium access control (MAC) protocols has been developed and analyzed. The difficulty of simultaneously achieving high throughput, low end-to-end delays, fairness and scalability is addressed in many MAC protocol proposals. Although, the underlying network topologies differ, access mechanisms of various MAC protocols are based on a clever combination of some few techniques.<br />Among the different topologies, the ring topology is one of the most attractive.<br />On the one hand, fault tolerance is simple to implement. On the other hand nodes of a ring network are only connected to their neighbors, not to certain points like in mesh networks and thus deployment costs are kept low.<br />Besides the academic interests in MAC protocols for ring networks, also economical aspects have to be considered. In today's networks, mostly synchronous optical network/synchronous digital hierarchy (SONET/SDH) technology is used, but the equipment is still expensive. Furthermore, due to time-division multiplexing (TDM) and symmetric circuit provisioning, SONET/SDH technology is not suitable for packet based asymmetric data traffic. To overcome these drawbacks a new IEEE standard for ring networks, which is evolved by the IEEE 802.17 working group, has been developed. Within the standard a packet based MAC protocol supporting various priorities and fairness for ring networks has been developed.<br />On the one hand the interest in MAC protocols for ring networks and on the other hand the development of the IEEE 802.17 standard have been the motivation of this thesis. The first part of the thesis deals with fairness, throughput and delay analysis in ring networks, the second part with protocol design and meshing of ring networks. As an example of a meshed ring network, a symmetric chord network is embedded in an arrayed waveguided grating multiplexer (AWGM) star network.<br />It is shown, that fairness can be defined in several ways and that none of them is to prefer. The result of the delay analysis is the identification of the worstcase scenario, which should be the test scenario of every ring protocol analysis.<br />An alternative protocol proposal is developed and analyzed for the worst-case scenario. Finally, to enhance overall throughput design criteria for embedding chord networks in AWGM star networks are given.