Ontwerp en analyse van optische pakketschakelende netwerken

Transcriptie

1 Ontwerp en analyse van optische pakketschakelende netwerken Chris Develder UNIVERSITEIT GENT Vakgroep Informatietechnologie (INTEC) Universiteit Gent - IMEC, België

2 Communicatie vandaag Residentiële gebruikers: - telefonie - internet (web, ...) -TV - video op aanvraag - communicatienetwerk Bedrijven: - telefonie - internet (web, ...) - bedrijfsnetwerk - videoconferentie - Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 2

3 Netwerk-architectuur Hiërarchische opbouw: - toegangsnetwerk: verzamelt en bundelt verkeer van eindgebruikers toegansnetwerk - metro(pool): regionaal netwerk; 10-tallen tot paar honderd kilometer (bv. Vlaanderen) MAN - ruggengraat: paar honderd tot duizenden kilometers (bv. pan-europees netwerk) WAN Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 3

4 Telefonie Klassieke telefonie: -vaste bandbreedte - connectie-georiënteerd - circuit is gereserveerd voor de duur van het gesprek - kwaliteit van de verbinding is gegarandeerd -lokaal karakter Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 4

5 Internet server gegevens Internet Protocol (IP): - variabele bandbreedte - connectieloos - enkel gegevens versturen wanneer nodig - geen kwaliteitsgaranties (pakket kan vertraagd worden of verloren gaan) - geen lokaal karakter hoofding (vgl. adres op brief) Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 5 PC

6 Internet en telefoonverkeer Internet vs telefonie: - sinds ca. 2001: meer internet- dan telefoonverkeer - bandbreedte groeit nog steeds zeer sterk - sterke opmars breedband internet (kabel, ADSL, etc.) (jaarlijks ca. +130% in Europa, dixit Dr. C. Eurescom Summit, sep. 2003) Gbit/s internationaal verkeer in regio Azië Stille Oceaan telefonie internet Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 6

7 Behoefte Er is nood aan een ondersteunend netwerk voor verkeer - van hoge capaciteit - dat dynamisch sterk varieert in tijd en ruimte Oplossing vandaag : -optische technologie is zeer efficiënt voor het schakelen van grote bandbreedtes (kost per bit slechts in zeer geringe mate afhankelijk van bandbreedte) laser lichtintensiteit glasvezel detector Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 7

8 Behoefte Er is nood aan een ondersteunend netwerk voor verkeer - van hoge capaciteit - dat dynamisch sterk varieert in tijd en ruimte Oplossing vandaag : -optische technologie is zeer efficiënt voor het schakelen van grote bandbreedtes (kost per bit slechts in zeer geringe mate afhankelijk van bandbreedte) A B A C E D B A golflengte op link = gereserveerd voor geg. connectie C Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 8

9 Behoefte Er is nood aan een ondersteunend netwerk voor verkeer - van hoge capaciteit - dat dynamisch sterk varieert in tijd en ruimte Oplossing morgen : -optische technologie - pakketschakelen is doeltreffend om de aanwezige bandbreedte zo efficiënt mogelijk te benutten B A alle bandbreedte op link = gedeeld over alle connecties C Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 9

10 Optische pakketschakelende netwerken UNIVERSITEIT GENT

11 Optische schakelaar structuur: - ingang = hoofding lezen, signaal herstellen, - schakelaar = in- en uitgang verbinden - uitgang = bv. nieuwe hoofding snelheid: nanoseconden (=1 miljardste seconde) ingangsinterface: hoofding lezen... schakelen uitgangsinterface (bv. nieuwe hoofding) controle-eenheid Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 11

12 Hoe ziet pakket eruit? vaste/variabele lengte: - pro variabel = geen fragmentering/wedersamenstelling, geen opvulling, minder hoofding-overlast - contra = lange pakketten kunnen vele korte blokkeren variabele lengte label : (pakkethoofding) vaste lengte (bv bytes) Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 12

13 Hoe ziet pakket eruit? vaste/variabele lengte: - pro variabel = geen fragmentering/wedersamenstelling, geen opvulling, minder hoofding-overlast - contra = lange pakketten kunnen vele korte blokkeren slot-gebaseerd of niet: slot slot-gebaseerd niet slot-gebaseerd Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 13

14 Technologie: MEMS Gangbare implementaties van optische schakelaars: MEMS: MEMS (=micro-electro-mechanische systemen) SOA AWG -principe: minuscuul spiegeltje Lucent, e.g. OFC karakteristieken beperkt lichtverlies goed schaalbaar maar te traag voor OPS (MEMS = milliseconde(n)) Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 14

15 Technologie: verdeel-en-selecteer Gangbare implementaties van optische schakelaars: principe: MEMS SOA, bv. verdeel-en-selecteer AWG karakteristieken: verdeel selecteer - splitsingsverlies: lichtsignaal moet geregenereerd worden - kan gelijktijdig signaal naar meerdere uitgangen versturen (multicast) Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 15

16 Doel: Doctoraat - studie van conceptuele problemen bij OPS, hoofdzakelijk vanuit functioneel oogpunt (eerder dan de implementatie met behulp van optische componenten) Vragen die we hier zullen behandelen: - hoe ziet schakelknoop in een OPS metro-netwerk eruit? 1 - hoe zullen we de schakelbeslissingen nemen in een OPS knoop? 2 vaste lengte, slot-gebaseerd variabele lengte, slot-gebaseerd variabele lengte, niet slot-gebaseerd - hoe reageert internet-verkeer op acties in het (optische) netwerk? ruggengraat 3 metro Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 16

17 UNIVERSITEIT GENT Knooparchitectuur

18 Passieve knoop Metro: ringen met OPADMs en Hub ruggengraat metro D Hub A C B Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 18

19 Passieve knoop Metro: ringen met OPADMs en Hub Passieve knooparchitectuur: - aparte golflengten voor zenden (Tx) en ontvangen (Rx) D Hub B C D B A WAN A - knoop kan pakket niet verwijderen van de ring - enkel splitsen en bundelen van licht C splitsen B bundelen Voor- en nadelen: geen schakelaars: bevordert signaalkwaliteit Rx Tx eenvoudige componenten (goedkoop) Rx Tx alle verkeer moet doorheen Hub minimaal 2 golflengten Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 19

20 Actieve knoop Actieve knooparchitectuur: - alle golflengten dienen zowel voor zenden als ontvangen - via schakelaars kan pakket gestopt worden D Hub B C D B A WAN A Voor- en nadelen: verkeer volgt kortste pad (bv. B C) zelfde slot kan je hergebruiken voor meerdere verbindingen (bv. D B en B C) complexere structuur (duurder) schakelaars & hergebruik golflengten voor Tx en Rx zorgen voor snellere signaaldegradatie C schakelaars Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 20 Rx Tx B

21 Methodologie Vergelijken Actief vs Passief: - gegeven: een verzameling knooppunten die metro-netwerk moeten vormen + hoeveel gegevens ze met elkaar uitwisselen - bereken: hoeveel apparatuur moet je daarvoor installeren D C Hub B vraag: - A ruggengraat - B C - D B A Passief: 1+2+2= 5 golflengten 1+2+2= 5 Rx/Tx Kost-criteria: - hoeveel verschillende golflengten zijn nodig? - hoeveel zenders (Tx) en ontvangers (Rx) heb je nodig? D C Hub B A Actief: 2 golflengten; 5 Rx/Tx elementen Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 21

22 Resultaat 300% 200% Passief Actief 100% Conclusie: 0% Rx/Tx # golflengten - passieve structuur levert geen meerkost op in termen van Rx/Tx capaciteit, en knooparchitectuur is eenvoudiger (goedkoper + betere fysische eigenschappen) - maar als aantal golflengten schaars wordt (i.e. capaciteit in metronetwerk wordt heel groot) zal toch naar de Actieve structuur moeten overgegaan worden Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 22

23 UNIVERSITEIT GENT Schakelbeslissingen

24 Doel: Doctoraat - studie van conceptuele problemen bij OPS, hoofdzakelijk vanuit functioneel oogpunt (eerder dan de implementatie met behulp van optische componenten) Vragen die we hier zullen behandelen: - hoe ziet schakelknoop in een OPS metro-netwerk eruit? 1 - hoe zullen we de schakelbeslissingen nemen in een OPS knoop? 2 vaste lengte, slot-gebaseerd variabele lengte, slot-gebaseerd variabele lengte, niet slot-gebaseerd - hoe reageert internet-verkeer op acties in het (optische) netwerk? 3 2 ruggengraat metro Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 24

25 Werking schakelknoop W golflengten per vezel Probleem: - meer dan één pakket is bestemd voor zelfde uitgang Oplossing: - golflengte conversie - naar buffer B poorten FDL = vezelvertragingslijn (i.p.v. elektronisch geheugen) Werkwijze: - groepeer per uitgang - kies er W voor elke uitgang - kies er B uit overschot Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 25

26 Bufferplaats kiezen Schakelaar: - slot-gebaseerd - pakketten van vaste lengte - buffer bestaat uit FDLs van verschillende lengte vertraging 1 slot 2 slots 3 slots 4 slots? Probleem: - welke bufferpoort kies je wanneer een pakket gebufferd moet worden? Oplossing: Balans - onthoud wat je in buffer hebt gestopt - spreid in de tijd Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 26

27 Resultaat 1E-1 / 10 GeoAanUit Pakketverlies Pakketverlies 1 / 1E / 1001E kleinste vertraging 10 x minder Balans 1 / E aantal bufferpoorten, B Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 27

28 Slot-gebaseerd schakelen pakketten variabele lengte Segmentatie & wedersamenstelling (SAR) Treinen of wagons : wagons: elk slot (= wagon ) onafhankelijk niets onthouden over vorige slot wagon Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 28

29 Slot-gebaseerd schakelen pakketten variabele lengte Segmentatie & wedersamenstelling (SAR) Treinen of wagons : wagons: elk slot (= wagon ) onafhankelijk niets onthouden over vorige slot - trein: pakket steeds in z n geheel trein SAR triviaal slechts één volwaardige hoofding Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 29

30 Resultaat gegevensverlies 1E+00 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 geen buffer met buffer (B=4) belasting zonder buffer: treinen beter 3 3 treinen 2 wagons 2 verhouding gegevensverlies % 100% 0% verhouding geen buffer verlies met wagons = verlies met treinen met buffer (B=4) belasting met buffer: wagon-aanpak soms beter (middelmatig belast) Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 30

31 Toelichting geen enkele trein compleet zonder buffer: treinen beter - wagon-aanpak resulteert in het verlies van delen van verschillende treinen die overlappen met buffer: wagon-aanpak soms beter (middelmatig belast) - buffer kan verlies van wagonnen overlappende treinen opvangen - bufferruimte kan je beter benutten met eenheden van vaste lengte Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 31

32 Kwaliteitsdifferentiatie (QoS) Bedoeling: - voorrang verlenen aan bepaalde verkeersstromen (bv. videoconferentie boven internet-surfen) surfer video-conf. surfer verliest Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 32

33 QoS voor asynchrone pakketten van variabele lengte Offset-differentiatie: - hoofding langer vooruit sturen - vgl. reservatie tafel in restaurant controle buffer offset Vooruitkijken: - uitstellen beslissing met buffer - beslissing kan herzien worden V controle schakelmatrix schakelmatrix buffer Slot-gebaseerde controle: - neem gezamenlijke beslissingen per tijdslot sync controle schakelmatrix buffer slot Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 33

34 Resultaat Vooruitkijken - even goed qua gemiddeld verlies als offset - maar sterkere discriminatie van lange pakketten binnen een prioriteitsklasse verlieskans 1E+0 1E-2 1E-4 1E-6 1E+0 Offset bufferpoorten B lage pri hoge pri Slot-gebaseerde controle - minder sterke differentiatie verlieskans 1E-2 1E-4 1E-6 Vooruitkijken lage pri hoge pri - maar erg eenvoudig bufferpoorten B - volstaat voor lage tot middelmatige belastingen (last=0.5, hoge prioriteit verliest 1 pakket op miljoen) verlieskans 1E+0 1E-2 1E-4 1E-6 Slot lage pri hoge pri bufferpoorten B Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 34

35 Interactie met internet-verkeer UNIVERSITEIT GENT

36 Doel: Doctoraat - studie van conceptuele problemen bij OPS, hoofdzakelijk vanuit functioneel oogpunt (eerder dan de implementatie met behulp van optische componenten) Vragen die we hier zullen behandelen: - hoe ziet schakelknoop in een OPS metro-netwerk eruit? 1 - hoe zullen we de schakelbeslissingen nemen in een OPS knoop? 2 vaste lengte, slot-gebaseerd variabele lengte, slot-gebaseerd variabele lengte, niet slot-gebaseerd - hoe reageert internet-verkeer op acties in het (optische) netwerk? 3 ruggengraat 3 metro Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 36

37 Transport Controle Protocol (TCP) Internet verkeer: - ca. 90% van verkeer is TCP betrouwbare connectie TCP = Transport Controle Protocol - connectie tussen communicatieeindpunten - betrouwbaar: bevestig ontvangst; zoniet: opnieuw zenden Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 37

38 Transport Controle Protocol (TCP) Internet verkeer: - ca. 90% van verkeer is TCP betrouwbare connectie TCP = Transport Controle Protocol - betrouwbaar: bevestig ontvangst; zoniet: opnieuw zenden - reactief: aanpassen aan beschikbare bandbreedte (pakketverlies = overbelasting, dus trager zenden) - connectie tussen communicatieeindpunten bandbreedte tijd geleidelijk opdrijven bevestig 1 bevestig 2 pakket 1 pakket 2 pakket 3... na pakketverlies: verminderen tijd tijd Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 38

39 Acties in onderliggend netwerk TCP reageert op - pakketverlies - verandering in vertraging (cf. wacht op bevestigingen) zal reageren wanneer route abrupt gewijzigd wordt Scenario: TCP-verbindingen t=5s t=5s+d Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 39

40 Resultaat (1) Invloed van de omschakeltijd: - traag: geschakelde stromen zijn stilgevallen en herbeginnen vanaf 0 - snel: geschakelde stromen hebben zich nog niet aangepast: veel verlies, ook voor vaste stromen niet proberen absoluut zo snel mogelijk te herstellen 100% 75% 50% 25% 0% 100% 75% 50% 25% 0% geschakeld vast 0 ms 250 ms 0 ms 250 ms tijd (s) Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 40

41 UNIVERSITEIT GENT Ter bijna slot

42 Besluit 2 metro ruggengraat 1 3 Studie van brede waaier aan conceptuele problemen in OPS: - knoop-architectuur - schakelen buffer-algoritmes - interactie met toepassingen Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 42

43 ... danku voor uw zeer gesmaakte aandacht. UNIVERSITEIT GENT

44 Technologie: AWG Gangbare implementaties van optische schakelaars: principe: MEMS verdeel-en-selecteer AWG en convertoren met regelbare golflengte TWC TWC TWC TWC TWC AWG AWG TWC TWC TWC karakteristieken: - geen splitsingsverliezen - multicast behoorlijk complex Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 44

45 Randbemerkingen Bijkomend nadeel wagonaanpak: - discriminatie van lange treinen is erger (ttz. kans dat een trein ongeschonden doorgeschakeld wordt is beduidend kleiner naarmate de trein langer is) treinverlieskans wagons treinen treinlengte Voordeel wagon-aanpak: - markeren van pakketten met een prioriteit volstaat om gedifferentieerde diensten aan te bieden (bv. treinen van 1e klas vs treinen van 2e klas) gegevensverlies 1.E+0 1.E-2 1.E-4 1.E-6 2e 2e 1e 1e treinen wagons belasting Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 45

46 Bufferplaats kiezen poort 1 poort 2 poort 3 poort 4 nu pakket dat gebufferd moet worden maar welke bufferpoort? tijd Balans algoritme: 1 pakket - onthoud wat je vroeger in buffer hebt gestopt - spreid pakketten die bestemd zijn voor zelfde uitgang in de tijd Werking: - aantal pakketten in buffer voor nu+l later - kies L met kleinste aantal Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 46

47 Transport Controle Protocol (TCP) Internet verkeer: - 85 a 90% pakketten is TCP - meer dan 95% van bytes is TCP TCP = Transport Controle Protocol - connectie tussen communicatieeindpunten - betrouwbaar: bevestig ontvangst; zoniet: opnieuw zenden - reactief: aanpassen aan beschikbare bandbreedte (pakketverlies = overbelasting, dus trager zenden) bron: pakketten bytes pakketten bytes toegangs-router betrouwbare connectie % TCP % ander transatlantische link Doctoraatsverdediging, 16 Dec C. Develder, "Ontwerp en analyse van OPS netwerken" 47