Performance of multicast packet aggregation with quality of service support in all-optical packet-switched ring networks

par Mohamad Chaitou

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Gérard Hébuterne.

  • Titre traduit

    Mécanismes d'agrégation multicast dans un MAN optique avec support de QoS


  • Résumé

    La technologie optique WDM (Wavelength Division Multiplexing) subit un grand succès grâce aux besoins croissants en debit du traffic basé sur le protocole IP (Inter- net Protocol). Une solution efficace pour l'adaptation du traffic IP au niveau WDM dans les reseaux metropolitains optiques (Metropolitan Area Networks-MANs) consiste µa l'utilisation de la commutation de paquets optiques (Optical Packet Switching-OPS), basee sur le multiplexage statistique des paquets optiques de taille fixe dans un environnement synchrone. Ce travail presente un nouveau mecanisme effcace pour supporter directement le traffc IP dans les reseaux WDM tout en respectant différents critrères de quallité de service (Quality of Service-QoS). L'approche consiste à agreger les paquets IP independamment de leurs destinations finales, dans un seul paquet optique de taille fixe qui sera efffectivement un paquet optique multicast. Le support de QoS est assuré par l'utilisation d'un temporisateur et par la repartition du traffc IP en plusieurs classes de service (Class of Service-CoS) dans les noeuds de bord du reseau optique (edge nodes). Après agregation, les paquets optiques construits appartiendront à la même classe de service ce qui simplifie le plan de contrôle du reseau optique. La complexite et la différentiation de services sont implementees dans les noeuds de bord. Nous quantifions la performance de plusieurs versions de la technique d'agrégation par plusieurs modèles analytiques, valides par des simulations. Chaque version correspond à un fonctionnement différent du temporisateur ou à la possibilité de segmentation ou pas d'un paquet IP dans le processus d'agrégation. Ceci est dû au fait que les paquets IP ont une taille variable, tandis que le paquet optique a une taille fixe. Les modèles analytiques proposés tiennent compte de cette variabilité ce qui présente une contribution importante de ce travail. Nous explorons parsuite l'influence du multicast sur les réseaux métropolitains ayant une architecture en anneau. Nous analysons en particulier deux familles de réseaux. La première est celle qui emploie la technique "destination stripping" et la deuxième emploie la technique "hub stripping". Nous développons des modèles analytiques pour évaluer la capacité, et les delais d'accès, et nous validons ces modèles par des simulations qui montrent aussi l'effet du tracé sporadique sur les résultats. Nous démontrons l'avantage de la technique d'agrégation multicast dans le MAN en la comparant au cas d'agrégation unicast et au cas où il n'y a pas d'agrégation. L'agrégation multicast offre une bonne utilisation de la bande passante sans introduire aucune complèxite dans le cas de la technique "hub stripping". En outre, une petite addition au niveau des informations de contrôle est nécessaire dans le cas du "destination stripping".


  • Résumé

    The explosive growth of the Internet Protocol (IP)-based traffic has accelerated the emergence of wavelength division multiplexing (WDM) technology. In order to provide a simple transport platform of IP traffic over WDM structure, optical packet switching (OPS), based on fixed-length packets and synchronous node operation, is regarded as a long term issue especially for metropolitan area networks (MANs) where the synchronization is easy to handle and relatively simple to maintain. In this context, this thesis presents a novel approach for efficiently supporting IP traffic with several quality of service (QoS) requirements into a synchronous WDM MAN layer. The claimed efficiency is achieved by aggregating IP packets regard-less of their final destinations which yields a multicast optical packet. To support QoS, a timer mechanism is used and a class-based scheme at the edge of optical network is adopted. Several analytical models have been developed to quantify the performance of different versions of the aggregation approach. The different versions correspond to different timer mechanisms and to the permission or the ban of IP packet segmentation by the aggregation process. This is because IP packets have variable size while optical packet is of fixed size. The length variability of IP traffic is included in the analytical models which represents an essential contribution of this thesis. We next investigate the impact of multicast on WDM slotted ring MANs. In particular we focus on two families of MANs. The first family enables destination stripping, while in the second one, ring nodes contain passive components and the stripping is attributed to the hub which separates two different sets of wave-length channels, one for transmission and one for reception. The capacity (maximum throughput) of each network is evaluated by means of an analytical model. The access delay is also investigated by using an approximate approach in the case of destination stripping and an exact approach in the case of hub stripping. Further-more, the impact of the optical packet format on the performance is depicted. We show the attractiveness of the multicast aggregation in MANs through a comparative study with the performance of unicast aggregation and no aggregation approaches therein. Multicast aggregation increases bandwidth efficiency due to the filling ratio improvement exhibited in optical packets. Furthermore, hub stripping networks match very well the multicast nature of the generated optical packets without the addition of any complexity in the node architecture. However, a small overhead complexity is added in the case of destination stripping networks. Note that all approximative analytical models have been validated by using extensive simulations, where two traffic profiles were investigated: Poisson and Self-Similar.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (124 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. [115]-124

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