Performance evaluation of optical burst-switched (OBS) networks

Abstract

Photonische Netze werden als die beste und kosteneffektivste Lösung angesehen, um den wachsenden Bedarf nach Transportkapazität für die stark nachgefragten Breitband-Dienste bereitzustellen. Die Möglichkeiten der WDM-Technologie werden erst durch das Multiplexen von hunderten Wellenlängenkanälen auf einer Glasfaser voll ausgenutzt. Wird jeder Wellenlängenkanal mit sehr hoher Bitrate betrieben, so wird die enorme Transportkapazität von über 50 Tbit/s je Glasfaserverbindung bereitgestellt.<br />Die erste Generation von WDM Netzen bedarf eine teurere elektrische Signal-Konvertierung (Photonen/Elektronen/Photonen) in jedem Knoten des Netzes. Die zweite und dritte Generation von photonischen Netzen nutzt hingegen das Schalten optischer Signale (rein optisch) ohne elektrische Zwischenkonvertierung der Signale.<br />Aktuelle Internet Dienste benötigen ein dynamisches und flexibles optisches Netz das sowohl geblockten, stoßartigen (bursty) Verkehr verträgt als auch Dienstqualität (quality-of-service - QoS) den Anwendungen zur Verfügung stellt. Optische Leitungsvermittlung (optical circuit switching - OCS) ist dazu nicht geeignet da deren Verbindungen statisch sind und sich der Dynamik stoßartigen Verkehrs nicht anpassen können. Optische Blockvermittlung (optical burst switching - OBS) hingegen verwendet statistisches Multiplexen, um eine hohe Ressourcen-Nutzung der Wellenlängenkanäle einer mit WDM betriebenen Glasfaser zu erreichen.<br />Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Überprüfung der Effizienz der OBS-Technologie welche Breitband-Zugang zu Glasfaserverbindungen bereitstellt ohne dass dabei optische Puffern, wie in optischer Paketvermittlung (optical packet switching - OPS), benötigt werden. Die Vermeidung von optischen Puffern kann durch die Gruppierung mehrerer pakete in einen Block (burst) an den Zugangsknoten eines OBS-Netzes, und die Abspaltung der Kontroll-Information erreicht werden.<br />Datenübertragung in OBS-Netzen basiert auf paketierter Kontrolle in der Elektronik. Kontrollinformation wird in einem, um eine Vorlaufzeit vor dem Datenpaket transportierten, Kontrollpaket gesendet. Die Vorlaufzeit ermöglicht die Verarbeitung des Kontrollpaketes sowie die Konfiguration der Transitknoten vor den bevorstehenden Signal-Block (data burst).<br />Damit wird das Durchschalten insofern vereinfacht, als dass optisches Puffern und elektrische Zwischenkonvertierung an jedem Transferknoten vermieden werden. Die zeitliche Trennung von Daten und Kontrollinformation in den Transferknoten ermöglicht es die Knoten entlang des Pfades zwischen Quelle und Ziel rechtzeitig zu konfigurieren. Eine Übersicht über die photonischen Vermittlungstechnologien ist ebenfalls in dieser Doktorarbeit enthalten um die jeweiligen Stärken und Schwächen aufzuzeigen.<br />Es folgt eine Übersicht über OBS-Netze in Bezug auf existierende Mechanismen um Blöcke zu generieren, Protokolle zur Ressourcen Reservierung, Auswahl von Wellenlängenkanälen, Strategien zur Staukontrolle, und Mechanismen für Dienstqualität, um deren Relevanz für die erfolgreiche Errichtung von OBS-Netzen aufzuzeigen.<br />Passende analytische und simulative Modelle sind im Entwurfsprozess extrem hilfreich. Einige analytische Modelle zur Messung der Block-Verluste je OBS-Transferknoten werden in dieser Arbeit untersucht zusammen mit der Entwicklung eines Modelles basierend auf Makov-Ketten für die Effizienzüberprüfung eines neu vorgeschlagenen OBS Vermittlungsprinzips mit Kanal-Verkettung (OBS with channel bonding - OBS-CB). Die Doktorarbeit präsentiert auch einen neuen Mechanismus zur gemischten Block-Generierung der die Differenzierung von Diensten in hohe und niedrige Priorität ermöglicht.<br />Letztlich wird ein Abschaltungsschwellenwert Mechanismus für die Wellenlängen-Ablaufplanung vorgeschlagen, der Dienstqualität und Überlastabwehr für priorisierten Verkehr bereitstellt. Ein Markov-Ketten Modell wird in einer Art entwickelt die es ermöglicht OBS-Transferknoten mit N Arten von Verkehrsklassen zu untersuchen. Dieses analytische Modell kann zur Dimensionierung von OBS-Transferknoten mit dem Abschaltungsschwellenwert Mechanismus verwendet werden um die angestrebte Dienste QoS-Differenzierung für verschiedene Dienstklassen zu erreichen.<br />Durch die Untersuchung einiger Kernpunkte von OBS, und optischer Transportnetzen im allgemeinen wird das Potential dieser neuen Technologie klar. Die vorgeschlagenen neuen Schemata und Mechanismen könnten einen erfolgreichen Einsatz der OBS Technologie in naher Zukunft wesentlich unterstützen.<br />

All-optical networks are envisioned as the most appropriate cost effective solution to provide the much needed high bandwidth capacity to meet the growing bandwidth requirements in the Internet. The potential of wavelength-division multiplexing (WDM) fiber links can fully be realized by multiplexing hundreds of wavelength channels, each operating at a very-high speed, for providing an enormous bandwidth capacity, over 50 Tbit/s, on each link.<br />First generation WDM networks require expensive O/E/O conversion at each core node. In second and third generation optical networks, data can be switched all-optically without undergoing O/E/O conversion.<br />New Internet applications require dynamic and flexible optical network with the capability to carry bursty traffic and provisioning of quality-of-service to these applications. For this purpose, the optical circuit-switched (OCS) networks are unsuitable due to static connections which cannot adapt according to the dynamics of bursty traffic. Whereas, optical burst switching (OBS) employs statistical multiplexing to achieve high utilization of the wavelength channels available in a WDM fiber link.<br />This thesis focuses on the performance evaluation of the optical burst switching technology that provides high-speed access to the fiber links without requiring optical-buffering, as it is required in the optical packet-switched (OPS) networks. Elimination of optical buffering can be achieved by aggregating multiple packets in a burst at the edge of the OBS network and separating its control information.<br />Data transmission in the OBS networks relies on packetized control in the electronic domain. Control information is sent inside a control packet an offset time ahead of the data burst. This offset time allows the processing of control packet and transit core nodes are set for the imminent burst.<br />Thus, switching is simplified by avoiding optical buffering and O/E/O conversion at each core node. Temporal separation of data and control information in the core network allows to setup the transit core switches along the path between source destination pair. In this thesis, a survey on all-optical switching technologies is given. These technologies are reviewed to highlight the merits and demerits associated with each of them.<br />Then, an overview of the OBS networks with respect to the existing burst assembly mechanisms, resource reservation protocols, wavelength channel scheduling algorithms, contention resolution strategies, and quality-of-service mechanisms is presented in order to highlight the significance of these mechanisms for the successful deployment of OBS networks.<br />Appropriate analytical and simulation models are extremely useful in the design process. Several analytical models for measuring the burst loss rate at the OBS core node are studied in this thesis along with developing the Markov chain model for the performance evaluation of a novel proposal on optical burst switching with channel bonding (OBS-CB).<br />This thesis also contributes a novel composite burst assembly mechanism to provide service differentiation between high- and low-priority traffic.<br />Finally, it proposes the cut-off threshold mechanism for wavelength scheduling to provide QoS support and overload protection for high-priority traffic. The Markov chain model is developed in a way that it can evaluate the OBS core nodes with N types of traffic classes. This analytical model can be used in dimensioning an OBS core node, which employs cut-off priority mechanism, to attain the target quality-of-service differentiation for different classes of traffic.<br />Having studied several of the core problems of OBS and optical networks in general, the potential of this emerging technology is clarified and the proposed new schemes and mechanisms could foster successful deployment of OBS in the near future.