Ιωάννης Καραµήτσος Υποψήφιος ιδάκτορας

ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΡΙΠΩΝ (Optical Burst Switching) Ιωάννης Καραµήτσος Υποψήφιος ιδάκτορας 16-17 Οκτώβρη 2003 Καρλόβασι, Σάµος 1

ΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Εισαγωγή-Εξέλιξη Οπτικών ικτύων Μέθοδοι Μεταγωγής (Switching Methods) οµή OBS δικτύου και Παραλλαγές του Μηχανισµοί Κατάληψης Ριπών (Burst reservation) Συναρµολόγηση Ριπών (Burst Assembly) Ερευνητικό Έργο Αποτελέσµατα Μελλοντική Εργασία 2

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με την ραγδαία ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιών, τα οπτικά δίκτυα δηµιούργησαν νέες τάσεις: 1. Αύξηση του ρυθµού µετάδοσης (Bit rate) 2. Εκθετική ανάπτυξη των χρηστών Internet 3. Απαίτηση µηχανισµών που θα παρέχουν αξιόπιστη ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service) 4. Απαίτηση ανάπτυξης των WDM µηχανηµάτων. 3

Εξέλιξη των Οπτικών ικτύων Optical Network Functionality Ring Networks Mesh Networks Optical Packet Switching Optical Burst Switching Wavelength Switching Label Switching Point to Point WDM Links 1995 2000 time 4

ΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Εισαγωγή-Εξέλιξη Οπτικών ικτύων Μέθοδοι Μεταγωγής (Switching Methods) Μηχανισµοί Κατάληψης Ριπών (Burst reservation) Συναρµολόγηση Ριπών (Burst Assembly) οµή OBS δικτύου και Παραλλαγές του Ερευνητικό Έργο Αποτελέσµατα Μελλοντική Εργασία 5

ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ Οι µέθοδοι µεταγωγής που µπορούν να χρησιµοποιηθούν στα οπτικά δίκτυα είναι οι ακόλουθοι: 1. Οπτική Μεταγωγή Πακέτου (Optical Packet Switching- OPS) 2. ροµολόγηση µήκους κύµατος (Wavelength Routing) 3. Οπτική Μεταγωγή Ριπών (Optical Burst Switching-OBS) 6

ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΠΑΚΕΤΟΥ Τα γενικά χαρακτηριστικά της Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου-OPS είναι τα ακόλουθα: Ταυτόχρονη µετάδοση δεδοµένων (payload) και επικεφαλίδας (header) Απαραίτητη χρησιµοποίηση αποθηκευτών (Buffers) Αυξηµένη ταχύτητα επεξεργασίας Χρησιµοποίηση µεθόδου Store-and-Forward 7

ΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (Wavelength Routing-WR) Η ροµολόγηση µήκους κύµατος βασίζεται στην µεταγωγή κυκλώµατος και τα χαρακτηριστικά είναι τα ακόλουθα: Καθορίζεται πρώτα η διαδροµή ενός µήκους κύµατος και ακολουθεί η µετάδοση δεδοµένων Στατιστική ιασύνδεση Αδυναµία χαρακτηρισµού bandwidth 8

ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΡΙΠΩΝ (Optical Burst Switching) Τα γενικά χαρακτηριστικά της Οπτικής Μεταγωγής Ριπών είναι τα ακόλουθα: Ξεχωριστή αποστολή της επικεφαλίδας µε τα δεδοµένα Επεξεργασία της επικεφαλίδας Μετάδοση δεδοµένων χωρίς να περιµένουµε απάντηση εν χρειάζονται αποθηκευτές (buffers) Τα δεδοµένα επεξεργάζονται σε οπτικό πεδίο ενώ η επικεφαλίδα σε ηλεκτρονικό πεδίο Σηµατοδοσία εκτός ζώνης (Out of band signaling) 9

Σύγκριση µεταξύ Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου και Οπτικής Μεταγωγής Ριπών Optical burst switching Optical packet switching Packet congestions are resolved using optical buffers, wavelength conversion or proper routing schemes (i.e. deflection routing) 10

Σύγκριση Οπτικών Τεχνικών Μεταγωγής Τεχνικές Μεταγωγής Wavelength Routing Οπτική Μεταγωγή Πακέτου (OPS) Οπτική Μεταγωγή Ριπών (OBS) High Bandwidth No Yes Yes Utilization Low Latency No Yes Yes Low Overhead Yes No Yes High Adaptively No Yes Yes Qos Support Yes No Yes Buffer Memory None Required None 11

ΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Εισαγωγή-Εξέλιξη Οπτικών ικτύων Μέθοδοι Μεταγωγής (Switching Methods) οµή OBS δικτύου και οι παραλλαγές του Μηχανισµοί Κατάληψης Ριπών (Burst reservation) Συναρµολόγηση Ριπών (Burst Assembly) Ερευνητικό Έργο Αποτελέσµατα Μελλοντική Εργασία 12

ΟΜΗ OBS ΙΚΤΥΟΥ Edge Nodes (αποτελούνται από τα ακόλουθα τµήµατα: Συναρµολογητή Ριπών (Burst Assembly) Μηχανισµοί Κατάληψης Ριπών (Burst Reservation) Core Nodes (αποτελείται από την µήτρα µεταγωγής) Η κατάληψη γίνεται στέλνοντας πρώτα από την επικεφαλίδα και έπειτα από µία καθυστέρηση (offset) τα δεδοµένα. 13

ΠΑΡΑΛΛΑΓΗ OBS ΙΚΤΥΟΥ-Wavelength Routed OBS (WR-OBS) Η WR-OBS εξασφαλίζει την δροµολόγηση των ριπών µέσω ενός µήκους κύµατος γνωρίζοντας όλη την δροµολόγηση του. Μετατροπή µήκους κύµατος και επεξεργασία των ριπών στους ενδιάµεσους κόµβους καταργείται. Η WR-OBS είναι µια αρχιτεκτονική βασισµένη στην µεταγωγή κυκλώµατος και παρέχει χαµηλή πιθανότητα απώλειας ριπών (burst dropping probability) καθώς επίσης και περιορισµένη end-to-end καθυστέρηση Η WR-OBS µπορεί να παρέχει επίσης διάφορες υπηρεσίες (differentiated services) και QoS. 14

Wavelength Routed OBS (WR-OBS)- οµή του Edge node Τα πακέτα ταξινοµούνται στην είσοδο των edge nodes σύµφωνα µε το τύπο υπηρεσίας-class of service (CoS) και τοποθετούνται σε ξεχωριστούς αποθηκευτές (buffers). Στους Edge nodes τα παρακάτω λογικά τµήµατα υπάρχουν: Τhe electronic pre-sorting, the non-blocking output-buffered switch and tuneable wavelength section 15

Wavelength Routed OBS (WR-OBS)- οµή του Core node Ο Core Node λαµβάνει τις απαιτήσεις από τους edge nodes και ερευνά για το βέλτιστο µήκος κύµατος και δροµολόγηση και µεταδίδει επιβεβαίωση ή απόρριψη (acknowledgements/rejection) στους edge nodes, και αποτελείται από τα ακόλουθα τµήµατα: Request Sorter & Scheduler DRWA block 16

ΠΑΡΑΛΛΑΓΗ OBS ΙΚΤΥΟΥ-Labeled OBS (LOBS) Η LOBS προτάθηκε από τον C.Qiao και βασίζεται στην επεξεργασία ετικέτας (label) τα δε γενικά χαρακτηριστικά είναι τα ακόλουθα: Όµοια µε την MPLS (π.χ διαφορετικά LOBS δροµολογήσεις µπορούν να διαχειριστούν το ίδιο µήκος κύµατος). Τα πακέτα ελέγχου µεταφέρουν εκτός από την πληροφορία των ριπών και τις ετικέτες. Electronic Layer Opto-electronic layer Optical layer IP LOBS(MPLS) Physical layer ΙΡ επίπεδο πραγµατοποιεί λειτουργίες τρίτου επιπέδου (π.χ. δροµολογήσεις) LOBS επίπεδο πραγµατοποιεί OBS /MPLS λειτουργίες. Το φυσικό επίπεδο πραγµατοποιεί λειτουργίες για την µεταγωγή ριπών, µετατροπή του µήκους κύµατος, καθυστέρηση ριπών και οπτική ενίσχυση. 17

ιάφοροι Μηχανισµοί Κατάληψης Two-way reservation One-way Reservation Burst length Not known Burst length known Burst length Not known Burst length known Unlimited size Size Bursts Duser/Bayvel Limited-Size Bursts Duser/Bayvel Just-in-Time (JIT) Wei et al. Just-Enough-Time (JET) Qiao et al. Void Filling Xiong et al. Horizon Turner et al. 19

οµή ενός Συναρµολογητή Ριπών (Burst Assembler) Οι µηχανισµοί που έχουν προταθεί για την συναρµολόγηση των ριπών είναι βασισµένοι στην φιλοσοφία, όπου κάθε Edge node έχει ουρές, όπου µε την βοήθεια του Burst Scheduler συναρµολογούνται τα πακέτα εισόδου σε µορφή ριπών. 21

Προτεινόµενοι Αλγόριθµοι Συναρµολόγησης Ριπών (Burst Assembly Algorithms) 1. Fixed-Assembly-Period (FAP): O Edge Node συναρµολογεί τα ΙΡ πακέτα σε ριπές µε µία σταθερή χρονική περίοδο και δηµιουργεί και το αντίστοιχο πακέτο ελέγχου. 2. Adaptive-Assembly-Period-Algorithm (AAP): Σε αυτό τον αλγόριθµο η χρονική περίοδο µεταβάλλεται δυναµικά και µε αυτό τον τρόπο η µέθοδος ΑΑΡ προσπαθεί να συγχρονίσει µε την εισερχόµενη TCP κίνηση. 3. Min-Burst length-max-assembly-period (MBMAP), αλγόριθµος όπου το πακέτο ελέγχου δηµιουργείται είτε όταν υπερβαίνει το ελάχιστο µήκος ριπής (minimum burst length) είτε όταν η χρονική περίοδος συναρµολόγησης τερµατίζει. 22

ΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Εισαγωγή-Εξέλιξη Οπτικών ικτύων Μέθοδοι Μεταγωγής (Switching Methods) οµή OBS δικτύου και Παραλλαγές του Μηχανισµοί Κατάληψης Ριπών (Burst reservation) Συναρµολόγηση Ριπών (Burst Assembly) Ερευνητικό Έργο Αποτελέσµατα Μελλοντική Ερευνητική Εργασία 23

ΠΟΡΕΙΑ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΕΡΓΟΥ Η ερευνητική µου δραστηριότητα βασίστηκε στα ακόλουθα σηµεία: 1. Μελέτη του QoS σε OBS δίκτυα 2. Μελέτη πρωτοκόλλων δροµολόγησης (Routing protocols) σε LOBS δίκτυα 3. Μελέτη µηχανισµού συναρµολόγησης ριπών. 24

Μελέτη του QoS σε OBS δίκτυα Με την εισαγωγή των OBS δικτύων για να υποστηρίξουν QoS τρεις νέες απαιτήσεις παρουσιάστηκαν και είναι οι εξής: 1. Υπάρχει περιορισµένος χρόνος για την επεξεργασία της επικεφαλίδας της ριπής στον Core Node 2. εν υπάρχουν αποθηκευτές µπροστά από τις µήτρες µεταγωγής 3. Χρησιµοποιώντας τον τύπο κατάληψης One-reservation στερεί την δυνατότητα στο Core Node να δίνει αναφορά σε τι κατάσταση βρίσκεται προς τους Edge Nodes. 25

Μελέτη του QoS σε OBS δίκτυα (συνέχεια) Για την επίλυση των παραπάνω απαιτήσεων µέχρι σήµερα έχουν προταθεί οι ακόλουθοι µηχανισµοί: ΥΠΑΡΧΟΝΤΕΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ Offset based Contention based Active Dropping 26

Μελέτη του QoS σε OBS δίκτυα (συνέχεια) Ο προτεινόµενος µηχανισµός βασίζεται να χρησιµοποιήσουµε για control plane την MPLS τεχνική, όπου η ετικέτα (label) ενσωµατώνεται στο πακέτο της επικεφαλίδας και δίνει την πληροφορία της δροµολόγησης στον επόµενο κεντρικό κόµβο Οπτική Μεταγωγή Ριπών Control Packet Forwarding Engine & Control Plane MPLS IP traffic Assembly Mechanism Edge Node Reservation Mechanism Switch Fabric Data Wavelengths Core Node 27

Μελέτη του QoS σε OBS δίκτυα (συνέχεια) Η δοµή του πακέτου ελέγχου (control packet) που µεταφέρει την πληροφορία στο κεντρικό κόµβο είναι η ακόλουθη όπως φαίνεται και στο ακόλουθο σχήµα: N ode x LSP (link x,y) LSP A OBS Core IP header Packet C ontrol Packets Shim Label A Forw arding (y,1) info N odes O ffset 1 LSP B N ode y IP header Packet Shim Label B Forw arding (y,n) info O ffset n IP header Packet Shim Label A Forwarding (x,y) info O ffset IP header Packet Shim Label B Forwarding (x,y) info O ffset 28

Μελέτη πρωτοκόλλων δροµολόγησης σε LOBS δίκτυα Πραγµατοποιήθηκε η µελέτη και η σύγκριση δύο πρωτοκόλλων δροµολόγησης τα οποία είναι τα εξής: MPLS explicit routing Interior Gateway Protocol (IGP) 29

Μελέτη Προσοµοίωσης-Τοπολογία ικτύου Η τοπολογία δικτύου αποτελείται από τους κόµβους 1,3 τύπου ΙΡ όπου υποστηρίζουν κίνηση τύπου TCP και UDP, ενώ ο κόµβος 2 είναι ο κεντρικός κόµβος OBS. Ο κεντρικός κόµβος υποστηρίζει 13 µήκη κύµατος OC-12 (622Mbit/s ανά µήκος κύµατος), και ο ρυθµός µετάδοσης είναι 80 Gb/s. TCP IP Node Core 1 IP Node TCP UDP 1 2 3 UDP OC-12 OC-12 30

Μελέτη Προσοµοίωσης-Μετρήσεις Σε αυτή την γραφική παράσταση υπολογίζουµε το throughput για τα πρωτόκολλα δροµολόγησης και παρατηρούµε ότι το MPLS είναι 42% περισσότερο από το IGP. MPLS IG P 80 70 Throughput (Gbps) 60 50 40 30 20 10 0 64 128 512 1024 2048 4096 8192 M essage size (M bit/s) 31

Μελέτη Προσοµοίωσης- Μετρήσεις Οι γραφικές παραστάσεις υπολογίζουν τον Round trip time (RTT) για κίνηση τύπου TCP, UDP. Από τις µετρήσεις παρατηρούµε ότι το RTT αυξάνεται δραµατικά 57% όταν χρησιµοποιούµε IGP σε σχέση µε το MPLS. IGP MPLS IGP MPLS 140 140 120 120 100 100 RTT (ms) 80 60 40 20 0 64 128 512 1024 2048 4096 8192 Message size (Mbit/s) RTT (ms) 80 60 40 20 0 64 128 512 1024 2048 4096 8192 Message size (Mbit/s) TCP UDP 32

Μελέτη Μηχανισµού συναρµολόγησης ριπών (Burst Assembly Mechanism) Μέχρι σήµερα έχουµε παρατηρήσει ότι οι βασικοί παράµετροι που επηρεάζουν την απόδοση ενός OBS δικτύου είναι: Η καθυστέρηση που παρατηρείται στους Edge nodes κατά την συναρµολόγηση των ριπών Ο χρόνος round-trip-time που χρειάζεται για την σηµατοδοσία Ο χρόνος επεξεργασίας που χρειάζονται τα µήκη κύµατος Από τους παραπάνω παραµέτρους η πιο βασική και η οποία δεν έχει ερευνηθεί πλήρως είναι η συναρµολόγηση των ριπών. 33

Μελέτη Μηχανισµού συναρµολόγησης ριπών (Burst Assembly Mechanism) Μέχρι σήµερα για την συναρµολόγηση των ριπών έχουν προταθεί, Συναρµολόγηση ριπών βασισµένη σε χρονική περίοδο (Timer-based Burst Assembly) Συναρµολόγηση ριπών βασισµένη σε κατώφλι (Threshold-based Burst Assembly) Επίσης η συναρµολόγηση και το µέγεθος των ριπών επηρεάζει την πιθανότητα απώλειας πακέτων (Packet Loss Probability). Μεγάλο µέγεθος ριπών µειώνει δραστικά το συνολικό αριθµό των ριπών που εισάγονται στο OBS δίκτυο, αλλά από την άλλη πλευρά στην περίπτωση συγκρούσεων (contention) ο µέσος αριθµός χαµένων πακέτων ανά σύγκρουση αυξάνεται δραστικά. Μικρό µέγεθος ριπών αυξάνει δραστικά το συνολικό αριθµό των ριπών που εισάγονται στο OBS δίκτυο, και ο αριθµός των συγκρούσεων (contention) αυξάνεται δραστικά και αυξάνεται η πιθανότητα απώλειας πακέτων. 34

Μελέτη Μηχανισµού συναρµολόγησης ριπών (Burst Assembly Mechanism) Ι ΕΑ:Για να επιτύχουµε βελτιστοποίηση στην απόδοση του OBS δικτύου, προτείνουµε µια τεχνική όπου τα εισερχόµενα πακέτα να συναρµολογούνται σε ριπές µε βέλτιστο µήκος.την τεχνική την ονοµάσαµε: Feedback Adaptive Burst Assembly (FABA) 35

Χαρακτηριστικά Feedback Adaptive Burst Assembly (FABA) Κεντρική ιδέα: Feedback mechanism ανάµεσα στη συναρµολόγηση των ριπών και στην κατανοµή του µήκους κύµατος Πιο συγκεκριµένα: Όταν τα µήκη κύµατος είναι λίγα, οι ριπές που δηµιουργούνται στους Edge Nodes θα είναι πιο επεκτάσιµες και έτσι η ίδια ποσότητα κίνησης θα χρειάζεται λιγότερα µήκη κύµατος για να µεταφερθεί. Όταν ο Core Node έχει πλεόνασµα µήκος κύµατος, τοποθετούνται σε αυτό το µήκος κύµατος τα µικρότερα πακέτα ριπών που υπάρχουν και έτσι έχουµε καλύτερη εκµετάλλευση των πόρων και µειώνεται η καθυστέρηση end-to-end. 36

Μελλοντική Ερευνητική Εργασία 1. Καθορισµός µοντέλου για τον προτεινόµενο µηχανισµό FABA 2. Υπολογισµός απόδοσης (performance) του FABA σε σύγκριση µε τους προτεινόµενους µηχανισµούς κατάληψης ριπών (JET,JIT etc) 37

Σας ευχαριστώ! 38