Performance study on multi-service optical metropolitan area network : MAC protocols and quality of service

par Viet Hung Nguyen

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Gérard Hébuterne.


  • Résumé

    L'émergence récente de nouveaux services " paquets " (e. X. Télévision à la demande, sauvegarde des données d'entreprise. . . ) a entraîné une augmentation sans précédent des demandes de bande de passante et de qualité de service (QoS) dans les réseaux métropolitains. Les opérateurs devront remplacer leurs anciennes infrastructures des réseaux MAN (i. E. Réseaux à commutation de circuit comme SONET/SDH) par des réseaux à commutation de paquet, qui supporteront mieux les trafics sporadiques tels que vidéo et données. Cette thèse est dédiée aux études sur la nouvelle génération des réseaux métropolitains multiservices à commutation de paquet optique. Nos études se sont concentrées sur les performances logiques des protocoles d'accès (MAC) et la faisabilité de transporter les circuits TDM classiques sur un réseau en anneau à commutation de paquet optique (Optical Packet Switching Ring - OPSR). En réalité, les réseaux OPSR, qui combinent la flexibilité et la mise à l'échelle de la technologie de commutation de paquet avec les avantages de la topologie en anneau tels que la restitution rapide du service en cas de panne et un bon gain de multiplexage statistique du trafic, promettraient une bonne solution pour les réseaux MAN du future. Nous avons d'abord proposé un modèle analytique, basé sur la théorie des files d'attente avec priorité, pour évaluer la performance d'un réseau OPSR employant le protocole d'accès CSMA/CA optique asynchrone (OU-CSMA/CA). Les résultats de cette étude nous ont permis d'identifier deux défauts principaux d'un tel réseau : la non-équité entre les nœuds de l'anneau à cause de la priorité positionnelle et la fragmentation de la bande de passante à cause des transmissions asynchrones. Ces deux défauts dégradent la performance du réseau. Afin d'améliorer la performance du réseau étudié, nous avons proposé deux nouveaux mécanismes d'accès. Le premier est Modified Packet Bursting (MPB), qui augmente l'efficacité de transmission du réseau (donc, le taux d'utilisation des ressources) grâce à la suppression des en-têtes optiques inutiles. En effet, MPB concatène des paquets électroniques ayant la même destination et les envoyer avec un seul en-tête optique. Le deuxième mécanisme est Dynamic Intelligent Medium Access Control (DI-MAC), qui essaie de résoudre les problèmes identifiés cidessus dans le réseau considéré. DI-MAC utilise un algorithme distribué pour espacer dynamiquement la transmission des paquets d'un nœud en amont, afin de ne pas fragmenter la bande de passante. Par conséquent, il réserve plus de bande de passante utilisable pour les nœuds en aval. L'évaluation de performance de ces mécanismes nous a montré qu'ils améliorent considérablement la performance du réseau (beaucoup plus élevée que celles obtenues avec OUCSMA/ CA), en termes d'un taux élevé d'utilisation des ressources ainsi que de bons paramètres de performance (e. X. Délai, perte). En plus, ils rendent le réseau plus stable et quasiment insensible aux différentes configurations et au changement de trafic. Enfin, pour garantir une qualité de service équivalente à celle des réseaux TDM classiques, nous avons introduit la technologie d'émulation de circuit (CES), (qui est en cours d'être standardisée par IETF, MEF, ITU. . . ), dans le réseau OPSR en question. Nous avons étudié la faisabilité de transporter le trafic TDM dans l'OPSR, avec l'aide des mécanismes d'accès comme MPB et DI-MAC, ainsi que l'impact de CES sur la qualité de service d'autres classes de service dans le réseau. Ctions.


  • Résumé

    Today's metropolitan area networks (MANs) are faced with a significant challenge; to maintain traditional circuit services (e. G. Voice) while, at the same time, enabling new, value-added packetbased services (i. E. Video and data) to be carried over the same packet-based network infrastructure. This challenge is the result of the unprecedented proliferation of packet-based services, which in turn has led to a rapid growth in demand in terms of bandwidth and sophisticated quality of service (QoS) requirements in metropolitan areas. MAN service providers must therefore renew their network infrastructures to adapt to these service requirements as well as deliver the bandwidth demanded. This dissertation has focused on performance analysis of the new generation of multiservice optical metropolitan networks. We have investigated, more specifically, the logical performance of medium access control (MAC) protocols and looked at the feasibility of transporting classical circuit-based TDM traffic over packet-based optical MANs using ring topology. In reality, optical packet switching ring (OPSR) networks, which combine the flexibility and scalability of packet switching technology with the well-known advantages of ring topology such as fast service restoration in cases of failure and high gain of statistical traffic multiplexing over the ring, appear to be the technology of choice for the next generation of MANs. To characterize the performance of an OPSR network employing the optical unslotted Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (OU-CSMA/CA) protocol, we have proposed a new analytical model based on priority queuing theory. Performance analysis of such systems has allowed us to identify the main drawbacks of the networks under study; unfairness among ring nodes due to positional priority and bandwidth fragmentation due to asynchronous transmissions. Both problems degrade the network performance, especially at most downstream ring nodes. We have proposed subsequently two access mechanisms that aim at improving the performance of the networks considered. The first one is the Modified Packet Bursting (MPB) mechanism, which improves network transmission efficiency, (hence, resource utilization) by concatenating client payloads having the same destination, and transmitting them with only one optical overhead. The second mechanism is the Dynamic Intelligent Medium Access Control (DI-MAC) protocol, which tries to solve the unfairness and bandwidth fragmentation problems stated earlier. DI-MAC uses a distributed algorithm to dynamically space out the transmission of local packets at an upstream node so as not to fragment the shared bandwidth inefficiently, hence releasing more usable bandwidth for downstream nodes. Performance analysis has shown that MPB and DI-MAC improve network performance remarkably, much higher than that obtained with OUCSMA/ CA, both in terms of resource utilization and performance parameters such as loss and delay. Additionally, these mechanisms render network performance more stable and almost insensitive to network configuration and traffic changes. Finally, to provide TDM-like quality for traditional TDM service in the OPSR network under study, we have introduced circuit emulation service (CES) technology into the network. CES is supported by a number of standards organizations such as IETF, MEF, ITU and the MPLS forum. We have proposed and analyzed a static segmentation method for large TDM frames in order for them to be transported by the underlying packet switching network. Moreover we have assessed the feasibility of providing CES over the OPSR considered employing MPB and DI-MAC, and the impact of such technology on the performance of other service classes.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XIV-139 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 135-139

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  • Cote : 004.6 NGU per
  • Bibliothèque : Télécom SudParis & Télécom Ecole de Management. Médiathèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : THESE-NGU-2006
  • Bibliothèque : Télécom SudParis & Télécom Ecole de Management. Médiathèque.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : THESE-NGU-2006
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