Performance evaluation of optical packet switching technology : access control, resource allocation and QoS management for metropolitan and access networks

par Tuan Dung Nguyen

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Tülin Atmaca.

  • Titre traduit

    Evaluation de performances de la technologie de commutation de paquets optiques : contrôle d'accès, allocation des ressources et qualité de service pour les réseaux métropolitains et d'accès


  • Résumé

    La croissance rapide des applications interactives et ses demandes en termes de bande passante et de (QoS), a motivé le déploiement de la technologie optique aux réseaux métropolitains. Beaucoup de dispositifs optiques intelligents sont créés pour gérer efficacement la capacité énorme du réseau. L'explosion de la bande passante est principalement attribuable à la croissance du trafic de données dont la nature devient de plus en plus complexe. Actuellement, la plupart des trafics de données sont transportés dans les réseaux qui sont dominées par la technologie de commutation de circuit optique. Néanmoins, cette technique a quelques inconvénients tels que les propriétés inflexibles. Technologie de commutation de paquets optiques (OPS), qui offre des gains significatifs en termes de capacité de passage à l’échelle et d'efficacité de gestion des ressources du réseau, peut surmonter ces limitations. Cela a motivé l'orientation de la commutation de circuit optique à la commutation de paquet optique dans l’infrastructure future du réseau. En réalité, un réseau en anneau à commutation de paquet optique ( 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. Une nouvelle architecture du réseau OPSR qui se base sur l’infrastructure tout optique a proposé par des équipes de recherche chez Alcatel-Lucent. La nouvelle architecture offre des fonctions intelligentes, avec un coût moins élevé en optimisant le temps de traitement. Elle est envisagée de remplacer les architectures optoélectroniques existantes tels que Resilient Packet Ring. L'élément fondamental du réseau est Packet Optical Add/Drop Multiplexer (POADM) qui est implémenté à l'intérieur des nœuds d’accès, permettant aux nœuds d'exploiter la transparence optique. Cette thèse se concentre donc sur l'évaluation des performances de la nouvelle génération des réseaux optiques métropolitains. Dans cette thèse, nous avons analysé des performances (en termes de délais d’accès et de la distribution du taux de l’occupation au tampon local des nœuds d'accès) d'un bus optique synchrone qui soutient des paquets à taille fixe. Nous avons modélisé chaque nœud d'accès par une chaîne de Markov à temps discret (EDTMC). La solution de l'EDTMC nous permet de calculer la probabilité approximative où les nœuds d'accès dans le bus peuvent "voir" slots libres dans la ligne de transit. En utilisant une technique d'analyse récursive, nous déduisons une formule mesurant le temps moyen d'attente des paquets du client venant de la couche supérieure, ainsi que la distribution du taux de l’occupation au tampon local des nœuds d'accès pour les deux cas: avec et sans garantie QoS). Pour caractériser des performances d'un réseau OPSR asynchrone, nous avons évalué l'impact de la création de containeur optique à taille fixe sur les performances du réseau. L’analyse des performances de ce système nous a permis d'identifier une combinaison raisonnable de certains paramètres (la durée de timeslot, les valeurs d’expiration des temporisateurs, le profil du trafic client, la charge du réseau) qui peuvent améliorer l'utilisation de la bande passante du réseau. Le point le plus important que nous avons mentionné dans la thèse est la comparaison entre deux approches architecturales: le modèle de Variable Length - Optical Packet Format (VL-OPF) versus le modèle de Fixed Length - Optical Packet Format (FL-OPF). En plus de Cos-Upgrade Mécanisme (CUM) qui est proposé d'améliorer le taux de remplissage du conteneur optique, nous avons proposé un nouveau mécanisme appelé Dynamic Upgrade Cos-Mécanisme (DCUM), où les valeurs des temporisateurs sont modifiés dynamiquement en fonction de l'état des tampons locaux aux nœuds d’accès et le trafic circulant dans le réseau


  • Résumé

    The rapid growth in client application demands, in terms of bandwidth and (QoS), has motivated the deployment of the optical technology at Metro Access and Metro Core Networks. More diverse and more intelligent optic devices are required for efficiently management of huge capacity in the network. The explosion in demand for network bandwidth is mainly due to the growth in data traffic whose nature is also becoming more and more complex. In general, most of service-based traffics are transported in networks which are now being dominated by the optical switching technology. Nevertheless, such technology has some drawbacks such as inflexible and non-scalable properties. (OPS), which offers significant benefits in terms of both network efficiency and control scalability, may overcome these limitations. This has motivated the orientation from optical circuit switching to optical packet switching in the future network infrastructure. In reality, optical packet switching ring (OPSR) networks, which combine the 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 Metro Area Networks. A new OPSR architecture which is based on the all-optical infrastructure that offers intelligent features with lower cost while maximizing processing time and is now considering being replaced existing opto-electronic architectures such as Resilient Packet Ring, have been presented in the scope of the dissertation. The key element of such network is Packet Optical Add/Drop Multiplexer (POADM) which is implemented inside a ring node, allowing the node to exploit the optical transparency. This dissertation hence focuses on the performance evaluation of the new generation of OPSR network. In this dissertation, we have investigated the performance analysis (in terms of packet delay and queue-length distribution of access nodes) of an optical synchronous bus-based metropolitan network supporting fixed-size packets. We have modeled each access node by an embedded discrete time Markov chain (EDTMC). The solution of the EDTMC allows us to compute the approximate probability that access nodes on the bus “see” free slots in the transit line. Using a recursive analysis technique, we approximately outline the mean waiting time of client packets coming from the upper layer as well as an approximate queue-length distribution of local buffers at access nodes in two cases: with and without QoS guarantees. To characterize the performance of an asynchronous OPSR network, we have evaluated the impact of Optical fixed-Size Packet Creation on the network performance without and with different quality of services (QoS) requirements. Performance analysis of such systems has allowed us to identify a reasonable combination of some parameters (timeslot duration, timer expiration values, profile of client traffic and network load) which may be able to improve the bandwidth utilization of the network for a given traffic matrix. The most important point that we have mentioned in the dissertation is the comparison of two architectural approaches: Variable Length – Optical Packet Format (VL-OPF) model supporting empty packets versus Fixed Length – Optical Packet Format (FL-OPF) model. In addition to CoS-Upgrade Mechanism (CUM) which is proposed to improve the filling ratio of the optical container, we have proposed a novel mechanism named Dynamic CoS-Upgrade Mechanism (DCUM) where timers are dynamically changed according to the state of the local buffer of network nodes and the traffic circulating in the network, in order to create containers with a high filling ratio while limiting the time needed for their creation.


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