具服務品質認知性之 光學分封交換機的設計及應用 The Design of the QoS -Aware Optical Packet Switch and its Application

1. 具服務品質認知性之光學分封交換機的設計及應用The Design of the QoS-Aware Optical Packet Switch and its Application 主講人：林桂平 指導老師：吳和庭 教授 日期：2011/07/29

2. Outline • Motivation • Background • All Optical Packet Switch Slotted Networks • M-B-Quadro • Optical Hierarchical Ring Networks • The Design of the QoS-Aware Optical Switch • Switch control strategy • Application In Optical Interconnected Ring Networks • Simulation & Discussion • Conclusion & Future Work • References

3. Motivation • 近年來各種多元的網路應用服務興起，例如IPTV、VoIP有高頻寬及低延遲需求的多媒體服務，或是如遠端醫療技術等等需要及高可靠性傳輸的即時資料(Real-time data)同時在網路上運作，使用者對各種服務皆有不同需求，在現今全光學網路環境的討論中，封包多以Best Effort的方式傳送，且使用的控制策略並無考慮不同的封包類型，因此無法應對不同網路服務提供QoS服務。 • 在擁有Real-time data的網路環境下提出QoS服務，針對不同類型的封包給予不同的優先權，利用優先權做為處理封包傳輸與競爭規則的條件，提出具有QoS服務的控制策略。 • 將本論文設計的交換機控制策略應用在現今都會網路架構中廣泛討論的階層式光學環狀網路中，配合適當的傳輸公平控制機制，期望能讓階層式光學環狀網路提供基本的QoS服務。

4. Background-全光學分封交換時槽式網路 • 全光學網路 • 封包在傳送過程中無經過任何光電型態轉換 • 可降低延遲時間、能量耗損及訊號干擾等等 • 光封包無法儲存，只可藉由光延遲線路暫存一段時間 • 分封交換時槽式網路 • 網路服務發展皆以IP分封交換傳輸型態為主流 • 時間分割成固定大小的時槽 (slot time) • 資料分割成符合時槽大小的資料長度以存入時槽 • 根據時槽上記載的目的地欄位狀態存取資料

5. Background- M-B-Quadro交換機架構 • M-B-Quadro (Multi-buffer with Bypass lines Quadro) • 以M-Quadro架構為基礎，加入一條分流線路(Bypass line)，透過控制策略，允許未發生衝突的封包不會受交換機架構的限制(internal blocking)而延遲送出。 Fig. 1 (a) A 2x2 Two-stage {1,4}d M-Quadro(b) A 2x2 Two-stage {1,4}d M-B-Quadro

6. Background- M-B-Quadro交換控制策略 • M-B-Quadro交換機的交換控制策略 • SDF、LDF、LAVS • SDF最短延遲線路優先(Shortest Delay line First) • 將競爭封包暫存在最短DL，使其以較短延遲時間送出 • 可能導致兩個 outgoing slots 暫存封包的狀態相同而發生contention 的情況，提高封包遺失率。 • LDF最長延遲線路優先(Longest Delay line First) • 將競爭封包暫存在最長DL，以減少outgoing slots contention • 在下一個時間 outgoing slots 皆無封包時，DL內封包無法傳輸，造成多餘的延遲時間

7. Background- M-B-Quadro交換控制策略 • LAVS 前看虛擬儲存槽(Look Ahead Virtual Slot) • 利用取得虛擬儲存槽(Virtual slot)的狀態，預知下一個時間Outgoing slot2狀態，判斷發生競爭的封包應該暫存在最短DL或是最長DL。 • 競爭封包與VS目的地位置相等：最長DL • 競爭封包與VS目的地位置相異：最短DL • 可預防DL1與DL2的outgoing slot發生競爭 • 減少平均延遲等待時間 Fig. 2 A 2x2 Two-stage {1,4}d M-B-Quadro

8. Background- M-B-Quadro交換控制策略 Fig. 3 Example of SDF and LAVS control strategies Fig. 4 Example of LDF and LAVS control strategies

9. Background–階層式環狀網路(Hierarchical Ring Networks) • 階層式全光學環狀網路的架構是由多個環狀網路區段經由橋接器與主幹網路所連結組合而成的，如Fig. 5所示，底層的網路區段為許多不同網路節點所組成的數個單一環狀網路，再由一個高階層的主幹環狀網路透過橋接器(Bridge)串接起來。 • 每個網路區段可各自採取獨立 的媒體存取控制機制(MAC)運 作，保有單一環狀網路的優點 ，更可彈性管理並提升頻寬使 用效率。 • 封包傳送平均跳躍距離較短 (hop distance)，減少延遲時間 並降低累積的訊號雜訊。 • 網路擴充性較高。 Fig. 5 連結式環狀網路

10. Background– 階層式環狀網路 • 橋接器 • 使用2x2橋接器連接每個網路區段與主幹網路。 • 主幹優先策略 • 保證資料能送達目的端的網路區段 • 主幹網路內傳送的資料封包擁有最高優先權 • 主幹網路的頻寬能有效利用不會浪費 • 公平存取策略 • SAT公平存取策略 • 解決區域性公平傳輸問題 • GSAT公平存取策略 • 解決整體性公平傳輸問題 Fig.6 Example of a simple 2x2 bridge.

11. The Design of the QoS-Aware Optical Switch

12. Introduction • 針對M-B-Quadro全光學分封交換機架構在擁有Real-time data的網路環境下，利用不同類型封包擁有不同的優先權，以優先權的高低，提出兩種具有服務品質認知的交換機控制策略 • 前瞻式服務品質控制策略(LAVS with QoS Strategy, LQS) • 具容忍性服務品質控制策略(Tolerance of LAVS QoS, TLQS) • 在階層式環狀網路中的橋接器中應用我們設計具有服務品質認知性的交換機控制策略，並提出改良的主幹彈性優先策略，使整個階層式光學環狀網路可提供基本的QoS服務 • 主幹彈性優先策略(Flexible Backbone Priority, FBP)

13. 前瞻式服務品質控制策略-LQS • 網路上的封包類型分為兩種 • 高優先權的Real-time data • 低優先權的Non Real-time data • 以LAVS控制策略改良，依照封包不同的優先權決定處理的先後順序，以及對高優先權的Real-time data使用Priority Rule。 • 在輸入端以Real-time data為優先處理封包 • 當輸入端Real-time data與Outgoing slot 1發生競爭時，若Outgoing slot 1 內封包優先權較低，則輸入端Real-time data可優先送出M-B-Quadro。

14. 前瞻式服務品質控制策略 – LQS (Priority Rule Flow Chart)

15. 前瞻式服務品質控制策略-LQS Flow Chart

16. 具容忍性服務品質控制策略-TLQS • 以LQS控制策略為基礎加以改良 • 網路上的封包類型分為兩種 • 高優先權的Streaming data • 低優先權的Non Streaming data • 視訊串流(Video streaming)擁有的兩種特性： • 可容忍低限度的封包遺失 • 遺失不須重送 • 依照視訊封包特性可容忍的比例設定封包遺失容忍度為t%，並以時槽數量來換算百分比，可得到一個L值 • 假設容忍度為5%，100/5，可以得到L=20 • 代表每傳輸20個時槽的封包中可容忍遺失1個時槽的封包 • 在交換機內設置一個計數器，記錄每筆視訊串流連線的封包成功傳輸次數C，若C>L代表此一視訊串流傳輸成功率已達我們設定的封包遺失容忍度，進入可容忍狀態。

17. 具容忍性服務品質控制策略-TLQS • 當視訊串流封包發生競爭時，以Tolerance Priority Rule處理 • 若已達可容忍狀態，則優先丟棄視訊串流封包 • 未達可容忍狀態，仍以高優先權封包規則處理 • 若為兩筆不同的視訊串流封包發生衝突，以C值較低的封包做為較高優先權封包處理，以提高其成功傳輸機會。 • 在不影響視訊串流服務品質之下，提高其他類型封包的成功傳輸機會，可以更有效利用網路上的資源。

18. 具容忍性服務品質控制策略-TLQSTolerance Priority Rule

19. 具容忍性服務品質控制策略-TLQS

20. 階層式環狀網路下的應用 –主幹彈性優先策略(FBP) • 網路上的封包類型分為兩種 • 高優先權的Real-time data • 低優先權的Non Real-time data • 2x2 交換機+主幹優先策略的限制 • (主幹Real-timedata = 主幹Non Real-time data) > Real-time data > Non Real-time data • 主幹彈性優先策略(Flexible Backbone Priority, FBP) • 考量主幹優先策略，再依據封包類型給予不同的優先權。 • 主幹Real-time data > Real-time data>主幹Non Real-time > Non Real-time data • 在橋接器使用LQS控制策略

21. Simulation & Discussion

22. Simulation & Discussion • LQS • 在擁有Real-time data的網路環境下，比較M-B-Quadro交換機使用LAVS與LQS控制策略對QoS服務的表現，以及在不同模擬參數設置下LQS控制策略對QoS服務的適應度。 • TLQS • 比較LAVS、LQS及TLQS控制策略在M-B-Quadro交換機中對具有視訊串流類型封包的適應性與表現，接著比較LQS與TLQS控制策略在面對視訊串流封包的網路環境下封包遺失率的變化。 • 結合FBP與LQS在階層式環狀網路的QoS服務表現 • 將主幹彈性優先策略(FBP)配合LQS策略應用於階層式光學環狀網路架構當中，並與主幹優先策略(BBP)做比較。 • Bursty traffic • 在一段時間內，來源端會連續產生相同目的地的封包

23. Simulation-LQS(1/3) • LAVS與LQS對QoS服務的適應性比較 • 固定平均Burst Length及產生Real-time data 的比例，只改變input loading比較LAVS與LQS在不同負載下對QoS服務的適應性。

24. Simulation-LQS(1/3) • Fig. 7 Y軸：所有丟棄封包中Real-time data的比例 • Fig. 8Y軸：Real-time data的dropping rate Fig 7 Real-time data‘s dropping ratio in total dropping data Fig 8 Real-time data's dropping rate.

25. Simulation-LQS(2/2) • 比較在不同Real-time data比例的網路環境 • 固定Input loading在0.8，只變動產生Real-time data封包的比例，並使用以下參數設置做模擬分析。

26. Simulation-LQS(2/2) • Fig.9 Y軸：所有丟棄封包中Real-time data的比例 Fig. 9 Real-time data‘s dropping ratio in total dropping data

27. Simulation-TLQS(1/2) • TLQS控制策略主要是針對適用於傳輸視訊串流封包的控制策略，因此在這裡我們所設置的叢集式封包長度依照視訊串流封包的特性，給予設置連續且長度較長的Burst Length，平均Burst Length為50個時槽，並藉由改變流量負載及Streaming data的比例來探討TLQS控制策略的優點及特性。 • 比較LAVS、LQS及TLQS在M-B-Quadro交換機架構中對具有視訊串流類型網路的適應性與表現。

28. Simulation-TLQS(1/2) • Y軸：Streaming data's dropping rate Fig .10 Streaming data's dropping rate.

29. Simulation-TLQS(2/2) • 比較LQS與TLQS在不同的streaming封包比例 • 固定Input loading及Burst Length，再以產生不同的Real-time data 比例不同作為比較。

30. Simulation-TLQS(2/2) • Y軸：Streaming data's dropping rate Fig. 11 Streaming data's dropping rate.

31. Simulation-階層式環狀網路 • 使用SAT與GSAT公平控制機制來避免封包傳輸不公平的情況發生。 • 整個網路總共由30個節點所組成，分為5個區段，每個區段內有6個節點，使用M-B-Quadro交換機作為橋接器將所有區段與主幹網路連接。 • 每個節點間以及橋接器間的連接長度皆為10 slot time。 • 區段2內的第5個節點作為匯聚節點(sink node)，所有網路節點以arrival rate為0.2的機率產生送往匯聚節點的封包。

32. Simulation-階層式環狀網路 • Y軸：總接收封包內Real-time data的比例 • 30%下的增幅比例：0.412/0.306=1.34 • 40%下的增幅比例：0.536/0.404=1.32 • 50%下的增幅比例：0.633/0.501=1.26 Fig. 12 Real-time data‘s receive ratio in total receive data.

33. Discussion • 在不同的網路參數設置下，LQS皆能提供較好的傳輸機會，並且減少發生競爭的機會，以Real-time data在總遺失封包所佔的比例比較，LQS的遺失比例較LAVS降低了三倍，而在Real-time data比例的改變之下，我們藉由模擬的結果可以得知大約比例在30~50%的分布之間時，LQS所提供的QoS服務效果提升最為顯著。 • 針對視訊串流類型封包所提出的TLQS控制策略，除了能如LQS控制策略一樣提升高優先權封包的傳輸率之外，更可以針對視訊封包的特性，在不影響使用者的可容忍範圍內，藉由丟棄少許的封包，提升其他類型封包的傳輸機會，因此同理可以針對不同需求的封包類型做出適當的設定與調配，以符合資源的最佳利用。另外從不同參數模擬出來的結果可以看到，若本身封包競爭機率較高的環境之下，TLQS控制機制就比較無法發揮作用。 • 從階層式環狀光學網路模擬的結果可以看到，在低比例的Real-time data環境下有明顯的效果，主因在於Non Real-time data比例較高的環境下，Real-time data可以奪取優先權的機率也比較高。 • 封包的最大傳輸量是有限的，我們只能在不影響整體傳輸率之下，對不同類型及優先權的封包做出優先傳輸權的調配以達到QoS服務，由於最大傳輸量是固定的，因此各類型封包的比例是影響最大的因素。

34. Conclusion • 在本論文中，首先在的M-B-Quadro交換機架構之下，針對擁有多種封包類型的網路型態加入了優先權的概念，提出了LQS控制策略，可有效提供高優先權封包較多的傳輸頻寬並降低封包在交換機內的競爭機會。 • 根據視訊串流封包的特性，提出了TLQS控制策略，使得視訊串流封包在光學網路上傳輸時，可以在不影響使用者服務的情況下，額外增加其他類型封包的傳輸機會，達到更有效利用頻寬的效果。 • 在階層式光學環狀網路架構當中，針對主幹優先策略提出改良，設計出主幹彈性優先策略，使得可以隨需求給予不同類型的封包在主幹網路上有不同的優先權，再搭配LQS控制策略後，可以使階層式光學環狀網路提供基本的QoS服務。

35. Future Work • 將設計於2 x 2光學交換機上的控制策略繼續延伸至3 x 3甚至是n x n的交換機架構，使得在分波多工的網路也能提供QoS服務。 • 可以延伸至兩種以上的封包類型，給予多種封包不同的優先權設定，以達到更彈性的QoS服務。 • 在階層式環狀網路當中我們只考慮了單向且不具分波多工傳輸的環狀網路，如果加入了雙向傳輸以及分波多工技術，使得整體封包之間的競爭下降，在我們所設計的QoS控制策略上將可能會因為競爭減少而效果更加提升。 • 本論文提出的QoS控制機制效果受網路內封包競爭程度有一定的影響，因此可以利用配合不同的控制策略和公平機制來探討是否可提供更好的QoS服務。

36. References • [1] Ho-Ting Wu, Kai-Wei Ke, Wang-RongChang and Hui-Tang Lin, “A switched delay linebased optical switch architecture with a bypass line,” IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2005. ISCAS 2005., vol. 2, pp. 23-26, pp. 1533- 1536, May 2005. • [2] Wang-Rong Chang, Ho-Ting Wu, Kai-Wei Ke, and Hui-Tang Lin, “The Designs of a Scalable Optical Packet Switching Architecture,” Journal of the Chinese Institute of Engineers, vol. 31, no. 3, pp. 469-479, 2008. • [3] Chlamtac, I., Fumagalli, A. and Chang-Jin Suh, “Multibuffer delay line architectures for efficient contention resolution in optical switching nodes,” IEEE Transactions on Communications, vol. 48, no. 12, pp. 2089-2098, Dec. 2000. • [4] IEEE Standard 802.17: Resilient Packet Ring, http://ieee802.org/17/ • [5] F. Daviket al. “IEEE 802.17 Resilient Packet Ring Tutorial,” IEEE Communications Magazine, vol. 42, no. 3, pp. 112-118, Mar. 2004. • [6] M. Herzog and M. Maier, “Ringostar: An Evolutionary Performance-enhancing WDM Upgrade of IEEE 802.17 Resilient Packet Ring,” IEEE Optical Communications, pp. S11-17, Feb. 2006. • [7] V. Elek, A. Fumagalli, and G. Wedzinga, “Photonic Slot Routing: A Cost-Effective Approach to Designing All-Optical Access and Metro Networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 39, no. 11, pp. 164–72, Nov. 2001. • [8] HuiZang, Jue, J.P. and Mukherjee, B., “Capacity allocation and contention resolution in a photonic slot routing all-optical WDM mesh network,” Journal of Lightwave Technology, vol. 18, no. 12, pp. 1728-1741, Dec. 2000.

37. [9] Zucchelli, L., Burzio, M. andGambini, P., “New Solutions for Optical Packet. Delineation and Synchronization in Optical Packet. Switched Networks,” Optical Communication, 1996. ECOC '96. 22nd European Conference, vol. 3, pp. 301-304 vol. 3, pp. 15-19, Sept. 1996. • [10] HuiZang, Jue, J.P. and Mukherjee, B., “Capacity allocation and contention resolution in a photonic slot routing all-optical WDM mesh network,” Journal of Lightwave Technology, vol. 18, no. 12, pp. 1728-1741, Dec. 2000. • [11] Chlamtac, I. and Fumagalli, A., “Quadro-Star: a high performance optical WDM star network,” IEEE Transactions on Communications, vol. 42, no. 8, pp. 2582-2591, Aug. 1994. • [12] Chlamtac, I. and Fumagalli, A., “Scalable WDM Access Netowrk Architecture Based on Photonic Slot Routing,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 7, no. 1, pp. 1-9, 1999. • [13] Haas, Z., “The `staggering switch': an electronically controlled optical packet switch,” Journal of Lightwave Technology, vol. 11, no. 5, pp. 925-936, May-Jun. 1993. • [14] HuiZang, Jue, J.P. and Mukherjee, B., “Photonic slot routing in all-optical WDM mesh networks,” Global Telecommunications Conference, 1999. GLOBECOM '99 , vol. 2, pp. 1449-1453, 1999. • [15] Chlamtac, I. and Fumagalli, A., “All-optical Double Ring Networks,” IEEE Journal of High Speed Networks, vol. 2, no. 4, pp. 335-71, 1993. • [16] A. Ellis, et al, “Optical Interconnection of Core and Metro Networks [Invited],” Journal ofOptical Networking, vol. 7, no. 11, pp. 928-935, 2008.

38. [17] T. Thomadsen and T. Stidsen, “Hierarchical Ring Network Design Using Branch-and-Price,” Telecommunication Systems, vol. 29. no. 1, pp. 61-76, 2005. • [18] J. Ho, “Performance Analysis of IP over Hierarchical WDM Ring Networks,” Proceedings of the second Symposium International Computer Science and Computational Technology (ISCSCT’ 09), pp. 110-113, 2009. • [19] I. Cidon and Y. Ofek, ”MetaRing—A full-duplex Ring with Fairness and Spatial Reuse,” IEEE Transactions on Communications , vol. 41, no. 1, pp 110-120, Jan. 1993. • [20] K. Imai, T. Ito, H. Kasahara and N. Morita, “ATMR: Asynchronous Transfer Mode Ring Protocol,” Computer Network and ISDN Systems, vol. 26, issues 6-8, pp. 785-798, March 1994. • [21] H.-T Wu and I. Rubin, “Performance Analysis and Design of an Access Algorithm for an ATM Ring Network with Spatial Reuse,” Computer Communications, vol. 20, no. 10, pp. 848-862, Sept. 1997. • [22] 段家瑋著，「光學分封交換機之分析及其應用設計」，國立台北科技大學資訊工程所碩士學位論文, 2009 • [23] D. Wu, Y.T. Hou, W. Zhu, and Y.Q. Zhang, “Streaming Video over the Internet: Approaches and Directions,” IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 11, no. 3, Mar. 2001. • [24] ISO/IEC International Standard 11172, “Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media up to about 1.5 Mbits/s,” Nov. 1993. • [25] Ho-Ting Wu and Chia-Wei Tuan, “Performance Analysis of a Scalable Optical Packet Switching Architecture,” Optical Engineering, vol. 49, no. 10, Oct., 2010.

39. Q&A Thanks for your attention.