Analysis and optimization of a new futuristic optical network architecture

par Amira Kamli

Thèse de doctorat en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Tülin Atmaca.

Soutenue le 13-11-2019

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris , en partenariat avec SAMOVAR - Services répartis, Architectures, MOdélisation, Validation, Administration des Réseaux (laboratoire) , Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux / SAMOVAR (laboratoire) , Département Réseaux et Services de Télécommunications / RST (laboratoire) et de Institut Polytechnique de Paris / IP Paris (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Lepers.

Le jury était composé de Thomas Begin, Guy Pujolle, Dominique Chiaroni, Stefano Secci, Tadeusz Czachórski.

Les rapporteurs étaient Thomas Begin, Guy Pujolle.

  • Titre traduit

    Analyse et optimisation d'une nouvelle architecture de réseau optique futuriste


  • Résumé

    La demande en débit dans les réseaux augmente en raison de la croissance continue de trafic mondial et l'émergence de nouveaux services avec des exigences de plus en plus élevées. Dans ce contexte, la capacité du réseau devrait être augmenté tout en prenant en compte la consommation énergétique, son coût de construction et de maintenance. La combinaison des réseaux optiques avec un traitement orienté paquet pourrait répondre avantageusement à ces exigences. Cependant, à cause de l’absence de mémoire tout optique pratique, la commutation de paquets est le plus souvent exécutée électriquement rendant l'architecture plus cher et moins performante.De ce fait, dans le cadre du projet ANR/N-GREEN, une nouvelle architecture de commutateur/routeur, qui apporte des solutions à ces contraintes, a été proposée par une équipe de recherche à Nokia Bell Labs. L'architecture a été conçu pour répondre aux exigences strictes de 5G telle qu'un délai de bout en bout de mois de 10μs, mais aussi pour répondre à l'augmentation des trafics prévue spécialement dans la partie métropolitaine de réseau(MAN).Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'analyse et l'amélioration des performances de cette nouvelle architecture de noeud quand elle est utilisé dans la partie métro de réseau. En effet, considérons cette partie, un réseau en anneau à commutation de slot optique OSS(Optical slot Switching), combinant la flexibilité, la mise à l'échelle de la technique de commutation de slot avec les avantages de la topologie en anneau promettraient une bonne solution pour les réseaux MAN du futur. Cette nouvelle architecture offre des fonctions intelligentes, avec un coût moins élevé en optimisant le type/nombre des composants utilisés. Le rendant ainsi un bon candidat pouvant remplacer les architectures optoélectroniques existantes telles que Ethernet ou d'autres architectures prometteuses proposées dans la littérature telle que POADM (Paquet Optical Add Drop Multexplwing) ou TWIIN (Time-domaine Wavelength Interleaved Networking (TWIN). L'élément fondamental du réseau est le WSADM (Wavelenght Slotted Add Drop Muliptexer) qui est implémenté à l'intérieur des noeuds des réseaux. Ceci permet de garantir la transparence optique et donc une commutation plus rapide et une réduction de consommation énergétique.Dans cette thèse, nous avons analysé les performances en matière de délais d'accès et d'efficacité d'utilisation des ressources d'un réseau en anneau composé d'un certain nombre de noeuds NGREEN. Les résultas préliminaires montrent que le réseau est surdimonsionné provoquant ainsi une large valeur de latence et une dégradation des performances sous certaines conditions telle que des modèles des trafics complexes. Afin d'adapter l'architecture aux différents types de trafics, nous avons utilisé quelques méthodes d'optimisation telle que Nelder Mead Simplex calculant ainsi les valeurs optimales des timers (temps d'attente moyen d'un paquet avant d'être inséré dans l'anneau optique). Trois différents modèles de trafics ont été considérés dans cette étude: outre que le modèle le plus connue Poisson, on a considéré deux modèles basés sur des traces de trafic réel déduite à partir de trace de CAIDA.En ayant recours aux régulateurs mono boucles, nous avons essayé par la suite de trouver un moyen afin d'auto-adapter les réseaux aux changements constants des trafics. Comme on parle d’une adaptation constante de la stratégie dans des conditions bruyantes, nous avons proposé un modèle de trafic très variable, beaucoup plus variable que celui tiré de trace CAIDA composé d'un ou plusieurs générateur de trafics différents. En observant l'effet de changement de fréquence de l’un des coefficients qui réagissent sur la stratégie de transmission des paquets sur les performances momentanées du réseau; nous avons essayé de déduire une relation entre ces deux paramètres.


  • Résumé

    The demand for network throughput is increasing due to the continued growth of global traffic and the emergence of new services with ever higher requirements. In this context, the capacity of the network should be increased while taking into account the energy consumption, its cost of construction and maintenance. The combination of optical networks with packet-oriented processing could meet these requirements. However, because of the lack of all practical optical memory, packet switching is most often performed electrically causing the architecture to be costly expensive and less efficient.Thereby, as part of the ANR / N-GREEN project, a new switch/router architecture that provides solutions to these constraints has been proposed by a research team at Nokia Bell Labs. The architecture was designed to meet the stringent requirements of 5G such as end-to-end delay of 10μs but also to meet the traffic increase planned especially in the Metropolitan Area Network (MAN). Such architecture can therefore be used not only in the access/core part of the MAN but also in the core as well as in the Xhaul consider the 5G technology . In this dissertation, we have been interested in analyzing and improving the performance of this new node design when it is used in the MAN part.Indeed, taking this into consideration, an Optical Slot Switching (OSS) ring network, combining the flexibility and scaling of slot switching technique with the advantages of ring topology such as fast service restoration in case of failure and a good gain in static multiplexing of traffic, would promise a good solution for MAN networks of the future. This new architecture offers intelligent functions, with a lower cost by optimizing the type / number of components used. Such an architecture can replace existing optoelectronic technology such as Ethernet or other promising solution proposed in the literature such as POADM (Optical Package Add Drop Muliplexing) or TWIIN (Time-Domain Wavelength Interleaved Networking (TWIN). The fundamental element of the network is the WSADM (Wavelength Slotted Add Drop Muliptexer) which is implemented inside the nodes of the networks, guaranteeing hence the optical transparency and a faster switching.In this thesis, we analyzed the performance in terms of mean access delay and resource efficiency of a ring network composed of a number of NGREEN nodes. We have used some optimization methods such as Nelader Mead Simplex calculating dynamically the optimal values of the timers (average waiting time of a packet before being inserted in the optical ring), adapting thus the architecture to different types of traffic. Three different models of traffics were considered in this study: besides the most well-known Poisson model, two models based on traces of real traffic deduced from CAIDA traces were considered.Inspired by the idea of the loop controllers, we tried later to find a way to self-adapt the network facing constant changes in traffic. As we talk about a constant adaptation of the strategy in noisy conditions, we proposed a very variable traffic model, more variable than the one drawn from CAIDA trace. Observing the effect of the changing frequency of one of the coefficients that govern the strategy of packets ‘transmission on the momentary performance of the network; allowed to find a frequency range, where an instantaneous dependency between the stimulus and the response direct a self-adaptation scheme of the proposed strategyThe performance analysis of this architecture, taking into account different traffic models, shows that, thanks to the methods proposed and the application of optimization, the network responds to users' needs in terms of packet loss rates, latency.


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