Novel network architecture for optical burst transport

Abstract

Transport networks form the backbone of communication networks by cost-efficiently offering huge bandwidth and by guaranteeing a high service quality and availability. These requirements can best be met by using optical communication technologies. Currently, wavelength-switching is the most prominent network technology employing optical fiber communication and wavelength division multiplexing. While for years progress in optical networks has been defined by ever increasing transmission bit-rates, higher flexibility and manageability as well as multi-service and multi-layer integration are equally important criteria today. Accounting for these trends, optical burst switching (OBS) has been proposed as highly dynamic optical network architecture. It offers fine-granular transport of different packet-switched services and applies statistical multiplexing directly in the optical layer.

This thesis presents the design, modeling, and evaluation of the optical burst transport network architecture (OBTN). The architecture is motivated by the need for flexible, scalable, and cost-efficient transport in next generation networks. In addition, it is stimulated by the research activities towards highly dynamic optical network infrastructures.

OBTN defines a network architecture to transport and switch optical burst data in a core network. The design objectives for the OBTN architecture are (i) an overall high quality of service, (ii) a network design allowing for cost-efficiency and scalability, and (iii) a network evolution perspective based on the current wavelength-switched networks. These objectives are achieved by combining selected concepts, architectures, and strategies of optical burst and optical packet switching as well as of multi-layer traffic engineering. The method of event-driven simulation is used to evaluate OBTN regarding its node and network resource requirements and QoS performance.

Chapter 2 introduces the general characteristics, requirements, and trends for next generation transport networks in general and optical networks in particular. It describes architectural constraints and classification criteria for highly dynamic optical network architectures. These criteria are used to characterize the fast optical circuit switching, optical burst switching, and optical packet switching architectures as well as hybrid optical network architectures.

Chapter 3 discusses the state of research and technology for optical burst switching. It presents the requirements for key functions in an OBS network and classifies the proposed architectures and mechanisms. Particularly, it addresses contention resolution which is necessary to achieve a high QoS in burst-switched networks. This is supported by Appendix A which analyzes the performance of nodes with fiber delay line buffers. Finally, architectures and realization aspects for burst-switched core nodes are presented to explain their resource and scalability constraints.

Chapter 4 motivates and introduces the fundamental concepts of OBTN, namely the dense virtual topology, constrained alternative routing, and shared overflow capacity. These components are analyzed regarding their consequences for the overall node and network architecture. Finally, OBTN is compared qualitatively with optical burst switching and hybrid optical networks.

Chapter 5 describes a unified resource model which allows dimensioning and evaluating burst-switched architectures with different virtual topologies. Then, it addresses the simulation methodology, the reference evaluation scenario used in Chapter 6 as well as the metrics for node and network resources and QoS performance.

Chapter 6 evaluates OBTN and compares it with the two burst-switched reference architectures OBS and Burst-over-Circuit-Switching (BoCS). OBS uses a sparse virtual topology while BoCS employs a full-mesh virtual topology. The evaluations show that for the same high target QoS, suitable OBTN dimensionings require substantially less resources in burst-switched nodes than OBS and slightly less than BoCS. This improvement comes at the cost of higher resource requirements compared to OBS in the underlying wavelength-switched server layer. However, applying the cost relations for lambda grid networks, in which bandwidth is considered a commodity and client layer resources the major cost driver, OBTN yields an overall cost reduction. Concluding, OBTN is shown to offer an overall high QoS, to effectively reduce the node resources of the burst-switched client layer, and to perform well in a wavelength-switched network context.

Transportnetze stellen das Rückgrad von Telekommunikationsnetzen dar, für die sie große Bandbreiten kostengünstig, ausfallsicher und mit hoher Dienstgüte bereitstellen. Da diese Anforderungen durch optische Kommunikationstechnik am besten erfüllt werden, basieren Transportnetze heute meist auf Glasfasernetzen mit Wellenlängenmultiplex-Technik (WDM). Viele Jahre lang wurde deren Fortschritt durch stetig steigende Übertragungsbitraten definiert. Inzwischen sind aber eine hohe Flexibilität und Steuerbarkeit sowie die Möglichkeit, verschiedene Transportdienste und Netzschichten auf einer Platform zu integrieren, ebenso wichtig.

Um diesen Trends Rechnung zu tragen, wurde Optical Burst Switching (OBS) als hochdynamische optische Netzarchitektur vorgeschlagen. OBS ermöglicht feingranularen Transport und statistisches Multiplexen in der optischen Ebene zur Integration paketvermittelter Transportdienste. Durch Verkehrsaggregation und Assemblierung zu Bursts vermeidet es die Probleme optischer Paketvermittlung, in der einzelne Pakete vermittelt werden.

Diese Dissertation behandelt den Entwurf, die Modellierung sowie die Bewertung der Optical Burst Transport Network Architektur (OBTN). Sie ist durch den Bedarf der Next Generation Networks an Datentransport mit hoher Flexibilität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz motiviert. Sie sich in Forschungsaktivitäten zu hochdynamischen optischen Netzen ein.

OBTN beschreibt eine Netzarchitektur, die optische Bursts in einem Transportnetz vermittelt. Dem Entwurf der OBTN Architektur lagen folgende Ziele zugrunde: (i) eine insgesamt hohe Dienstgüte (QoS), (ii) Kosteneffizienz und Skalierbarkeit und (iii) eine Perspektive für die Netzevolution auf der Basis der momentanen WDM-Netze. Um diese Entwurfsziele zu erreichen, bedient sich OBTN Konzepten, Architekturen und Strategien der Netztechniken Optical Burst und Optical Packet Switching sowie des Multilayer-Verkehrsmanagements. Es wird die Methode der ereignisgesteuerten Simulation angewendet, um OBTN hinsichtich der benötigten Knoten- und Netzressourcen und Dienstgüte zu untersuchen.

Kapitel 2 führt allgemeine Eigenschaften, Anforderungen und Trends der nächsten Generation von Transportnetzen und optischen Netzen ein. Es werden architekturelle Randbedingungen und Klassifizierungskriterien für hochdynamische optische Netzarchitekturen zusammengestellt. Diese Kriterien werden verwendet, um die Architekturen Fast Optical Circuit Switching, Optical Burst Switching und Optical Packet Switching sowie hybride optische Netzarchitekturen zu charakterisieren.

Kapitel 3 arbeitet den Stand von Wissenschaft und Technik zu OBS auf. Es werden für die wesentlichen Funktionsblöcke in OBS jeweils Anforderungen genannt sowie verfügbare Architekturen und Mechanismen für deren Realisierung klassifiziert. Insbesondere geht das Kapitel dabei auf Verfahren zur Blockierungsauflösung ein. Diese sind in OBS notwendig, um eine hohe Dienstgüte zu erreichen. Schließlich beschreibt das Kapitel Technologien und Architekturen für burst-vermittelte Kernetzknoten, um Ressourcenbeschränkungen und Skalierbarkeitsgrenzen aufzuzeigen.

Im Kapitel 4 wird die OBTN-Architektur motiviert und eingeführt sowie bzgl. aller wesentlichen Elemente diskutiert. Dazu werden ihre Kernkonzepte erklärt: eine stark vermaschte virtuelle Topologie, alternative Verkehrslenkung mit eingeschränkter Wegewahl und gemeinsam genutzte Überlaufkapazität. Eine qualitative Diskussion von OBTN und Vergleiche mit verwandten Architekturen schließen das Kapitel ab.

Kapitel 5 schlägt eine einheitliche Ressourcen-Modellierung für burst-vermittelte Architekturen mit unterschiedlichen virtuellen Topologien vor. Darüberhinaus werden die Simulationsmethodik für Kapitel 6, das Untersuchungsszenario sowie Ressourcen- und QoS-Metriken diskutiert.

Kapitel 6 untersucht die OBTN-Architektur und vergleicht sie mit den zwei burst-vermittelten Referenzarchitekturen OBS und Burst-over-Circuit-Switching (BoCS). Dabei verwendet OBS eine schwach-vermaschte virtuelle Topologie, während BoCS eine stark vermaschte virtuelle Topologie einsetzt. Die Bewertung in Kapitel 6 zeigt, dass OBTN prinzipiell in der Lage ist, eine hohe Dienstgüte bei guter Ressourcenausnutzung bereitzustellen. Geeignete Dimensionierungen von OBTN benötigen in den burst-vermittelten Knoten deutlich weniger Ressourcen als OBS und sogar etwas weniger als BoCS. Diese Verbesserung wird jedoch durch einen höheren Ressourcenbedarf als OBS in der darunter liegenden, wellenlängen-vermittelten Netzschicht erkauft. Da in Transportnetzen typischerweise die Kosten für die Netzelemente höherer Netzschichten diejenigen niederer Netzschichten dominieren, ergeben sich durch OBTN insgesamt Kosteneinsparungen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass die OBTN-Architektur die an sie ursprünglich gestellten Anforderungen nach hoher Dienstgüte, nach Ressourceneffizienz sowie nach einer Migrationsperspektive erfüllt.