Traffic shaping for contention control in OBS networks [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ahmad Rostami

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 7
• Langue: English
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Extrait

Traffic Shaping for Contention Control
in OBS Networks
vorgelegt von
Master of Science
Ahmad Rostami
von der Fakult¨at IV - Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universit¨at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
– Dr.-Ing. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Axel Ku¨pper
Berichter: Prof. Dr.-Ing. Adam Wolisz
Berichter: Prof. Dr. Maurice Gagnaire
Tage der wissenschaftlichen Aussprache: 11.11.2010
Berlin 2010
D83Abstract
Traffic volume in the Internet continues to grow exponentially, which necessitates
a transport network that can adapt to the increasing bandwidth requirements ac-
cordingly. The technology of choice for realizing such a transport network is optics.
Nonetheless, optics does not provide a good support for packet switching, which has
proven to be the most efficient method for transporting the varying traffic of the In-
ternet. Specifically, there are three major issues hindering realization of an all-optical
packet switching approach in the near future: low speed of all-optical switches, imma-
ture all-optical processors and lack of true optical buffers. One promising approach
to addressing these issues is optical burst switching (OBS). OBS consists in grouping
packets into bursts and out-of-band signaling that collectively eliminate the need for
fast optical switches and all-optical processors. It fails however to fully eliminate the
problem of buffering in the network. In fact, buffers are needed in packet switched
networks for two purposes. First, they are used to keep the packets in nodes while the
node controllers read and process the packets’ headers. Additionally, buffers are the
maintoolstomitigatethecontentionproblemovertheoutputportsofpacketswitches.
Although OBS eliminates the need to buffers with regards to their first role, it does
not provide an efficient solution for contention resolution.
In this dissertation we aim at addressing the burst contention problem in OBS
networks taking a traffic shaping approach. The work is presented in three parts. In
the first part, a review of major IP over WDM techniques including OBS is presented
and the contention problem associated to OBS networks is detailed. The second part
presents a thorough analysis and parameterization of traffic generated at the ingress
edge of the OBS network. This includes both analytical modeling of the traffic as
well as simulation experiments based on real packet traces. In the analytical part,
making some simplifying assumptions about the packet arrivals to the assembly unit,
we model the traffic at the output of a single burst assembly queue based on the burst
assembly parameters. The developed models are then utilized to study the impact of
burst assembly on contention resolution inside the network. It is concluded that in
order to address the burst contentions through traffic shaping the focus should be put
into aggregating traffic at the edge of the network into flows with higher capacities and
thereby reducing the number of traffic flows inside the networks. At the end of this
part we carry out sets of simulation experiments based on real measurement-based IP
packet traces to validate the results of our analytical analysis.
Based on the insights gained in the second part of the dissertation, in part three
we develop an advanced traffic shaping mechanism and incorporate it into the OBS
networkarchitecture. Thisresultsintheintroductionofanovelarchitectureforoptical
transport network that we call it virtual optical bus (VOB). VOB is an evolutionary
iiiarchitecture based on OBS, in which several traffic flows are grouped into clusters
and within each cluster a form of coordination (shaping) on burst transmission is
introduced. Specifically, different traffic sources belonging to the same cluster inject
their bursts into the network in such a way that burst collision within the cluster is
avoided. Additionally, clustering of flows and selection of paths for clusters are done
in a way that the interaction among routes of clusters in the network is minimized.
This leads to a large reduction of burst collisions in the network and also an increase
in the network throughput. This comes at the cost of marginal increase in the delay
that bursts experience at ingress edge of the network.
ivZusammenfassung
Der Internet-Datenverkehr w¨achst exponentiell, was ein Transportnetz erfordert, das
sichandiesteigendenBandbreitenanforderunganpassenkann. OptischeDatenu¨bertra-
gung ist die bevorzugte Technologie fu¨r die Realisierung solch eines Transportnet-
zes. Allerdings bietet optische Datenu¨bertragung keine gute Unterstu¨tzung fu¨r die
Paketvermittlung, die sich als das effizienteste Verfahren fu¨r den Transport des vari-
ablen Datenverkehr im Internet erwiesen hat. Es gibt drei konkrete Faktoren, die die
Realisierung einer rein optischen Paketvermittlung in der nahen Zukunft behindern:
Geringe Geschwindigkeit rein optischer Schalter, rudiment¨are rein-optische Prozes-
soren und der Mangel an echten optischen Puffern. Ein vielversprechender Ansatz
zur Bew¨altigung dieser Probleme ist die optische “Burst”-vermittlung (Optical Burst
Switching(OBS)).OBSfasstmehrerePaketeinBu¨ndeln(Bursts)zusammenundnutzt
zus¨atzlich eine Out-of-Band-Signalisierung, so dass schnelle optische Schalter und rein-
optischeProzessorennichtmehrnotwendigsind. DieserAnsatzvermagesjedochnicht,
dasProblemderPufferung imNetzvollst¨andig zul¨osen. Pufferwerden inpaketvermit-
telten Netzen fu¨r zwei Zwecke ben¨otigt: Erstens, um die Pakete im Knoten zu halten,
w¨ahrend der Controller den Header des Paketes liest und verarbeitet. Daru¨ber hinaus
sind Puffer die wichtigsten Instrumente um Kollisionen der Pakete an den Ausg¨angen
der Knoten aufzul¨osen. OBS stellt zwar eine L¨osung fu¨r das erste Problem dar, das
Verfahren bietet jedoch keine effiziente L¨osung fu¨r das zweite Problem.
Diese Dissertation befasst sich mit der Kollisionsau߬osung in OBS Netzwerken auf
derBasis eines Traffic-Shaping-Ansatzes. DieArbeitbesteht ausdreiTeilen. Imersten
¨Teil wird ein Uberblick u¨ber die wichtigsten IP-u¨ber-WDM-Techniken einschließlich
OBS pr¨asentiert und die Kollisionsaufl¨osung in Hinblick auf OBS Netze beschrieben.
Der zweite Teil enth¨alt eine gru¨ndliche Analyse und Parametrierung des Verkehrs wie
er am Eintrittspunkt eines OBS-Netzwerkes generiert wird. Dies umfasst sowohl eine
analytische Modellierung des Verkehrs als auch Simulationen, die unter Zuhilfenahme
von Ergebnissen realer Messungen durchgefu¨hrt wurden. Im analytischen Teil wird
mithilfe von vereinfachenden Annahmen u¨ber Paketankunftszeiten der Verkehr am
Ausgang einer einzelnen Burst-Aggregation-Warteschlange (Burst Assembly Queue) in
Abh¨angigkeitvonBurst-AggregationParameternmodelliert. Dieentwickelten Modelle
werden dann verwendet, um die Auswirkungen von Burst-Aggregation auf Kollision-
saufl¨osung zu studieren. Eine Schlussfolgerung ist, dass sobald Traffic-Shaping Strate-
gien eingesetzt werden, das Hauptaugenmerk auf der Zusammenfassung des Daten-
verkehrs am Rande des Netzwerkes in Datenstr¨ome mit h¨oheren Kapazit¨aten liegen
sollte, um die Anzahl der Datenstr¨ome im Netzwerken zu reduzieren. Am Ende
dieses Teils fu¨hren wir eine Reihe von Simulationen auf Grundlage von IP-basierten
Messergebnissen durch, um die Resultate der analytischen Verfahren zu validieren.
vAufbauendaufdenErkenntnissen ausdemzweitenTeilderDissertation, entwickeln
wir im dritten Teil einen erweiterten Traffic-Shaping-Mechanismus und integrieren ihn
in die OBS Netzwerkarchitektur. In diesem Zusammenhang fu¨hrenwir eine neuartigen
Architektur fu¨roptischeNetzwerke ein, densogenannten virtuellenoptischen Bus(Vir-
tual Optical Bus, VOB). VOB ist eine evolution¨are OBS-Architektur, in der mehrere
Verkehrsstr¨ome in Gruppen (Cluster) eingeteilt werden und innerhalb der einzelnen
¨Gruppen eine Form der Koordinierung (Shaping) der Burst-Ubertragung eingesetzt
wird. Geh¨oren verschiedene Quellen zu dem gleichen Cluster, wird deren Last in das
Netzwerk so eingefu¨hrt, dass Kollisionen innerhalb des Clusters vermieden werden.
Daru¨berhinaus werden einzelne Datenstr¨ome so zusammengefu¨hrt bzw. die Wegewahl
pro Cluster so durchgefu¨hrt, dass die Interaktion zwischen den Wegen der einzelnen
ClusterimNetzwerkminimiertwird. Diesfu¨hrtsowohlzueinerdeutlichenReduzierung
der Burst-Kollisionen im Netz als auch zu einer Erh¨ohung des Netzwerk-Durchsatzes.
Es geschieht auf Kosten einer marginalen Zunahme der Verz¨ogerung der Bursts am
Rand des Netzwerks.
viAcknowledgments
I would like to thank everyone who helped me during my doctoral study. First, I am
very grateful to my advisor Prof. Adam Wolisz for his support, guidance and valuable
criticism thathe provided throughoutthe course of this work. I am also thankful to all
myfriends,andmycolleaguesatTelecommunicationNetworksGroup(TKN),andIam
forever indebted to my parents for their continual understanding and encouragement
throughout all my years of study.
viiviiiContents
List of Figures xiii
List of Tables xvii
List of Abbreviations xix
1 Introductio