All-Optical Packet Switching

All-Optical Packet Switching

Point-to-Point vs Wavelength Routed Point-to-Point WDM Electrical Packet Switching Packet processing overhead Efficient bandwidth utilization Poor scalability, Good flexibility High energy consumption Wavelength Routed Circuit switching (end-to-end) No packet processing Inefficient bandwidth utilization Good scalability, Mediocre flexibility Low energy consumption A A P2P WDM D OXC D P2P Opaque P2P WDM Transparent OXC P2P WDM OXC B C B C

Οπτικός μεταγωγέας πακέτων διαμοιραζόμενης μνήμης (Shared Memory Optical Packet Switch - SMOP) Recirculating-loop μνήμη με χρονοδρομολόγηση. Δεν είναι modular.

Ο Staggering μεταγωγέας

Μεταγωγέας με μεγάλους οπτικούς buffers (Switch with Large Optical Buffers - SLOB) αχρησιμοπ οίητα έξοδοι Βάθος buffer των m k -1 πακέτων, όπου k το πλήθος των επιπέδων. Modular σχεδιασμός.

SLOB

The Scheduling Switch Objectives we set: lossless communication (for traffic that satisfies a certain smoothness property) efficient utilization of the capacity and nonblocking design small processing times consistency with virtual circuit switching and packet arrival in the correct order modularity of the design small switch cost transparency at the payload bit rate

Μεταγωγέας χρονοδρομολόγησης (Scheduling Switch) Τα πακέτα αναδιατάσσονται από τον scheduler έτσι ώστε τα πακέτα που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της ίδιας σχισμής στις εξόδους του scheduler να απαιτούν διαφορετικούς εξερχόμενους συνδέσμους του crossbar. Η σειρά των πακέτων διατηρείται για ένα δεδομένο ζεύγος εισόδου-εξόδου.

(n,t) smoothness incoming link i T packet slots A B C incoming link i incoming link k incoming link l Scheduling Switch outgoing link j D E incoming link l incoming link k A B C D E outgoing link j Η σύνοδος είναι (n,t)-smooth, αν μπορεί να μεταδώσει το πολύ n πακέτα σε ένα πλαίσιο (frame) μεγέθους T). Αυτή η ιδιότητα διατηρείται και στους ακόλουθους συνδέσμους. O μέσος ρυθμός μιας (n,t)-smooth συνόδου είναι το πολύ nc/t Όσο μεγαλύτερο είναι το T, α. τόσο πιο καταιγιστική επιτρέπεται να είναι η σύνοδος. β. τόσο μεγαλύτερη είναι η ευελιξία στην ανάθεση ρυθμών. γ. Τόσο περισσότερες γραμμές καθυστέρησης χρειαζόμαστε. Για κάθε σύνδεσμο πρέπει να εξασφαλίζεται, ότι

n ij = αριθμός πακέτων που φτάνουν στην είσοδο i και προορίζονται για την έξοδο j στην διάρκεια ενός πλαισίου (frame) Ορίζουμε N={n ij } «frame matrix» Critical sum h of a matrix= max. of row sums and column sums. Για τον frame matrix ισχύει: h T. Αυτό συνεπάγεται ότι: Ν=Σ i=1 T P i, όπου οι P i είναι permutation matrices O πίνακας P i καθορίζει τα πακέτα που εμφανίζονται στην έξοδο του scheduler στο slot i. Τα permutation matrices εξασφαλίζουν ότι δεν υπάρχουν συγκρούσεις στις εξόδους

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 1 0 1 0 1 1 1 1 0 2 0 0 2 1 1 = 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 + 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 k=4 (number of I/Os) T=4 (frame size) 0 0 0 1 0 0 1 0 + + 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

Χρονοδρομολογητής (Scheduler) M=logT Υλοποιείται με N παράλληλα κλαδιά (branches), ένα για κάθε είσοδο. Κάθε κλαδί αποτελείται από 2logT-1 μπλοκ καθυστέρησης.

Benes-ισοδύναμο δίκτυο

Optical Packet Switching Problems No.1 problem: lack of optical buffer (RAM) fiber delay lines (FDLs) are bulky and provide only limited & deterministic delays store-n-forward (with feed-back FDLs) leads to fixed packet length and synchronous switching tight coupling of header and payload requires stringent synchronization, and fast processing and switching (ns or less)

Έλεγχος ροής και πρωτόκολλα ελέγχου σύνδεσης σε οπτικά δίκτυα

Node-by-node παράθυρα για έλεγχο συμφόρησης Υπάρχει ένα ξεχωριστό παράθυρο για κάθε σύνδεσμο στο μονοπάτι που ακολουθεί ένα εικονικό κυκλωμα. Κάθε κόμβος μπορεί να αποθηκεύσει μέχρι και W πακέτα μιας συνόδου. πηγή σύνδεσμος με συμφόρηση προορισμός Για να προχωρήσει ένα πακέτο μιας συνόδου από τον i στον i+1, κάποιος χώρος στον buffer του i+1 πρέπει να αδειάσει (όταν αυτό συμβεί ένα permit στέλνεται στον κόμβο i). Αυτό δημιουργεί ένα παράθυρο μεγέθους W σε κάθε σύνδεσμο. Αν ένας σύνδεσμος υποστεί συμφόρηση, τα πακέτα αναμένουν στην ουρά και τα permits δε γυρίζουν στον προηγούμενο κόμβο ( backpressure ).

Προβλήματα με έλεγχο ροής παραθύρων σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων Σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων τα παράθυρα πρέπει να είναι πολύ μεγάλα. πχ r = 40 Gb/sec, L = 75 km c = ταχύτητα του φωτός στην ίνα, 450 bits/πακέτο πακέτα Αυτή η απαίτηση για αποθήκευση είναι για κάθε σύνοδο!

Είδη πρωτοκόλλων για εγκατάστασης σύνδεσης και δέσμευση χωρητικότητας IRVC: immediate reservation virtual circuit protocol (κλασσικό πρωτόκολλο εγκατάστασης σύνδεσης και δέσμευσης χωρητικότητας). ERVC: efficient reservation virtual circuit protocol (JET, Just Enough Time protocol ). Δεσμεύει χωρητικότητα με χρήση χρονικών κρατήσεων (timed reservations) και μελλοντικών κρατήσεων (advance reservations). RGVC: ready-to-go virtual circuit protocol. Μηδενικό pre-transmission delay. Κανονικά προυποθέτει την ύπαρξη σημαντικών buffers στους ενδιάμεσους κόμβους.

ERVC: efficient reservation virtual circuit protocol

Virtual Circuit Deflection Protocol Για περιπτώσεις όπου έχουμε ελάχιστο buffering (π.χ. ολικά οπτικά δίκτυα), και απαιτείται μηδενική απώλεια πακέτων, χωρίς εκ των προτέρων κρατήσεις. μονοπάτι του δεύτερου block πηγή προτιμώμενο μονοπάτι set-up πακέτα η σύνοδος χωρίζεται μονοπάτι του πρώτου block Αν το set-up πακέτο δεν μπορεί να ακολουθήσει το προτιμώμενο μονοπάτι, καταλαμβάνει έναν άλλο εξερχόμενο σύνδεσμο (με σειρά προτίμησης) και η σύνοδος εκτρέπεται. Το κενό ανάμεσα στο set-up πακέτο και στο πρώτο πακέτο δεδομένων πρέπει να είναι επαρκές για H ελέγχους των πινάκων δρομολόγησης, όπου H είναι ένα άνω όριο στο μήκος των μονοπατιών. Απλή αναδιάταξη (resequencing) των πακέτων τον προορισμό.

κόμβος συνολική εισερχόμενη χωρητικότητα = συνολική εξερχόμενη χωρητικότητα = Ctotal εισερχόμενη σύνοδος διαθέσιμη εξερχόμενη χωρητικότητα Εξερχόμενη χωρητικότητα τουλάχιστον ίση με r μπορεί πάντα να βρεθεί, πιθανόν με το κόστος της διακοπής συνόδων που έχουν πηγή τον A. Οι σύνοδοι που διακόπτονται, συνεχίζουν τη μετάδοση όταν η πηγή λάβει ένα μήνυμα απόρριψης. Μια σύνοδος μπορεί να χρειαστεί να χωριστεί σε k υποσυνόδους (η αναδιάταξη k μπλοκ πακέτων είναι ευκολότερη από την αναδιάταξη ανεξάρτητων πακέτων).

Burst Switching Concept