Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1338
Main Title: RINGOSTAR - An Evolutionary Performance Upgrade of Optical Ring Networks
Translated Title: RINGOSTAR - Eine evolutionsartige Verbesserung der Leistung von optischen Ringnetzen
Author(s): Herzog, Martin
Advisor(s): Wolisz, Adam
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das im Internet übertragene Datenvolumen vergrößert sich beständig und erfordert den kontinuierlichen Ausbau der zugrundeliegenden Infrastruktur. Ein genauerer Blick auf die Infrastruktur zeigt, daß diese hierarchisch aus Backbone-, Metro- und Access-Netzen aufgebaut ist. Die nationalen oder internationalen Backbone-Netze werden ausreichend Kapazität durch den Einsatz von Wavelength Division Multiplexing (WDM) basierten Links, welche mit optischen Add-Drop Multiplexern (OADMs) und optischen Crossconnects (OXCs) verbunden sind, zur Verfügung stellen. Metropolitan Area Networks (MANs), oder kürzer Metro-Netze, verbinden die Backbone-Netze mit den lokalen Access-Netzen, welche die Daten von und zu den einzelnen Benutzern transportieren. Durch den Einsatz von verbesserten Local Area Network (LAN) Technologien wie Gigabit Ethernet (GbE) und breitbandigem Netzzugriff mit Digital Subscriber Loop (DSL) und Cable-Modems stellen Access-Netze immer Bandbreite zur Verfügung. Die meisten bestehenden Metro-Netze basieren auf Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy (SONET/SDH) Technologie, welche Circuit-Switching verwendet und dadurch burst-artigen Datenverkehr nur ineffizient übertragt, wodurch ein Bandbreitenengpass im Metro-Bereich entsteht. Dieser Bandbreitenengpass, der oft als Metro Gap bezeichnet wird, verhindert daß High-Speed Clients und Service Provider in lokalen Access-Netzen die große Menge an im Backbone verfügbarer Bandbreite nutzen können. In den letzen Jahren wurden verschiedene Metro-Architekturen vorgeschlagen und untersucht, wobei der Großteil dieser auf einer Ring- oder, weniger gewöhnlich, Sterntopologie basiert. Nachdem wir die vorgeschlagenen Lösungen umfassend beprochen und in Hinblick auf die Anforderungen im Metro-Bereich verglichen haben, argumentieren wir, daß eine hybride Ring-Stern Architektur, bestehend aus einem single-channel packet-switched Ring und einem single-hop WDM Stern-Netz, ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung der Metro Gap ist. Wir schlagen eine Architektur und ein korrespondierendes Zugriffsprotokoll für ein solches hybrides Netz vor, das wir RINGOSTAR nennen. Bestehende packet-switched Ring-Netze, wie z.B. IEEE 802.17 Resilient Packet Ring (RPR), können evolutionär und dadurch kostengünstig zum RINGOSTAR Netzwerk aufgerüstet werden, indem eine Untermenge der Ringknoten unter Verwendung von Dark Fiber, welche im Metro-Bereich leicht verfügbar ist, mit einem optischen single-hop Stern-Netz verbunden wird. RINGOSTAR basiert auf zwei Techniken zur Verbesserung der Leistung von Ring-Netzen, welche in dieser Arbeit vorgeschlagen werden. Die erste Technik heisst Proxy Stripping und dient dazu, die Kapazität von packetvermittelnden Ring-Netzen signifikant zu erhöhen und macht darüberhinaus die Kapazität solcher Netze skalierbar. Die zweite Technik, die wir Protectoration nennen, ermöglicht eine sowohl schnelle als auch bandbreiteneffiziente Wiederherstellung der Netzfunktionalität auch bei mehreren Knotenausfällen und/oder Kabelbrüchen in Ring-Netzen, welche sonst nur einzelne Fehler tolerieren. Desweiteren schlagen wir Mechanismen vor und untersuchen diese, welche die Unterstützung von verschiedenen Dienstgüteklassen sowie Fairnesskontrolle in RINGOSTAR ermöglichen. Wir bewerten die Leistung der von uns vorgeschlagenden Architektur und der zugrundeliegenden Techniken zur Leistungsverbesserung umfassend für verschiedene Verkehrsszenarien, inklusive selfsimilar und hot-spot Verkehr, durch mathematische Analyse und verifizierende Computersimulationen. Die Ergebnisse zeigen, daß z.B. bei Verbindung von 32 von 256 Ringknoten mit einem Stern-Netz die Kapazität für uniformen Verkehr um einen Faktor von fast zehn ansteigt.
Internet traffic volumes are growing and require the transmission capacity of the underlying infrastructure to be continuously extended. A closer look at this infrastructure reveals that the Internet architecturally relies on a three level hierarchy consisting of backbone networks, metropolitan area networks, and local access networks. The national or international backbone networks will provide abundant bandwidth by employing wavelength division multiplexing (WDM) links which are interconnected with reconfigurable optical add-drop multiplexers (OADMs) and optical crossconnects (OXCs). The metropolitan area networks (MANs), or metro networks for short, interconnect the backbone networks with the local access networks that carry the data from and to the individual users. By employing advanced local area network (LAN) technologies, such as Gigabit Ethernet (GbE), and broadband access, such as digital subscriber loop (DSL) and cable modems, access networks provide increasing amounts of bandwidth. Most existing metro networks are based on synchronous optical network/synchronous digital hierarchy (SONET/SDH) technology, a circuit-switched networking technology which carries bursty data traffic relatively inefficiently, thus resulting in a bandwidth bottleneck at the metro level. This bandwidth bottleneck, which is widely referred to as the metro gap, prevents the high-speed clients and service providers in local access networks from tapping into the vast amounts of bandwidth available in the backbone. Numerous metro architectures have been proposed and investigated during the past few years, most of them relying on either a ring or, less common, on a star topology. After comprehensively reviewing and comparing the proposed solutions with respect to the requirements specific to the metropolitan area, we argue that a hybrid ring-star network architecture relying on a single-channel packet-switched ring and a single-hop WDM star network is a promising approach for future metro networks to overcome the metro gap. We propose an architecture and corresponding access protocol for such a hybrid network that we call RINGOSTAR. Existing packet-switched ring networks, such as the IEEE 802.17 Resilient Packet Ring (RPR), can be evolutionary, and therefore cost-efficiently, upgraded to the RINGOSTAR network by connecting a subset of the ring nodes to an optical star network using dark fiber which is abundantly available in metropolitan areas. RINGOSTAR builds on two underlying performance enhancing techniques for ring networks which are proposed in this work. The first technique is called proxy stripping and provides a means to significantly increase the capacity of packet-switched ring networks and makes the fixed ring capacity scalable. The second technique, that we call protectoration, enables both fast and bandwidth efficient recovery from multiple link and/or node failures in ring networks that usually can only recover from single failures. Furthermore, we propose mechanisms to enable Quality of Service (QoS) support and fairness control in RINGOSTAR. We comprehensively evaluate the performance of our proposed architecture and the underlying performance enhancing techniques for various network configurations and traffic scenarios, including self-similar and hot-spot traffic, by means of mathematical analysis and verifying computer simulations. Performance results show that, for instance, when interconnecting 32 out of 256 ring nodes via a star subnetwork, proxy striping increases the network capacity for uniform traffic by a factor almost equal to ten.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12741
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1635
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1338
Exam Date: 20-Apr-2006
Issue Date: 28-Apr-2006
Date Available: 28-Apr-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Metronetz
Optisches Netz
Ringnetz
Robustheit
Zugriffsprotokoll
Medium access control (MAC)
Metropolitan area network (MAN)
Optical network
Protection
Ring network
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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