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 Speaker：Guei-ping Lin Advisor ：Dr. Ho-ting Wu Date ：2011/06/13

2. Outline • Introduction • M-B-Quadro Switch • Motivation • Current work • Simulation • Remain work • References

3. Introduction • 全光學網路(All optical network) • 光封包無法儲存 • 減少電子裝置間光電轉換(O-E-O)所造成的延遲 • 使用被動式(低耗能)全光學元件可減少能量耗損 • 光纖延遲線(FDL, fiberdelayline) • 可延遲光封包一段時間達到暫存效果 • 暫存發生競爭的封包

4. Intro. - M-B-Quadro • 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 M-Quadro Fig. 2 M-B-Quadro

5. Intro. - M-B-Quadro • M-B-Quadro交換機的交換控制策略 • SDF、LDF、LAVS • 只在輸入端選擇丟棄封包 • SDF最短延遲線路優先(Shortest Delay line First) • 將競爭封包暫存在最短DL，使其以較短時間送出 • 可能導致兩個 outgoing slots 暫存封包的狀態相同而發生congestion 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 congestion • 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

6. Intro. - M-B-Quadro SDF LAVS Fig. 3 Example of SDF and LAVS control strategies LDF LAVS Fig. 4 Example of LDF and LAVS control strategies

7. Intro. - M-B-Quadro • LAVS 前看虛擬儲存槽(Look Ahead Virtual Slot) • 利用取得虛擬槽的狀態，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

8. Intro. - M-B-Quadro • Table 1 比較LAVS Strategy 在M-B-Quadro與VSC在M-Quadro下一個時間incoming slot 的狀態

9. Intro. - M-B-Quadro

10. Motivation • 現今網路蓬勃發展，尤其客戶端大量使用影音多媒體串流服務，在前述全光學網路環境下及使用的控制策略並無考慮封包類型與服務，無法全面應對不同服務達到QoS • 針對多媒體影音資料串流提出QoS構想，在一定範圍內保障影音即時資料(Real-time data)的成功傳輸率 • 依照Real-time data特性設計控制策略，在不影響整體傳輸率下，控制不同類型封包的資源分配 • 連續性 • 延遲時間 • 時效性(丟棄後不須重送) • 影音串流資料可容忍3~5%的封包遺失率且不影響使用者體驗品質

11. Current Work • 以M-B-Quadro交換機架構為基礎，改良LAVS控制策略，保障Real-time data 傳輸機會 • 影音串流多以一連續長串的資料發送，交換機需紀錄並判斷封包的來源、目的地及類型 • 發生競爭時，Real-time data優先輸出交換機 • 輸入端封包類型相異：Real-time優先輸出 • 輸入端封包皆為Real-time：根據紀錄讓成功傳輸次數較少的封包優先輸出 • 輸入端封包類型相異且皆須暫存於DL時，Real-time data優先與虛擬槽狀態判斷，暫存於較快輸出的位置，以降低封包傳輸延遲時間 • LAVS+QoS+Drop • 加入影音資料可容忍3~5%遺失率且不影響使用者品質，以及影音封包丟棄後不需重送的特性 • 發生競爭的Real-time data若已成功傳輸一定數量滿足設定值(SAT)，則優先選擇將Real-time data丟棄，若無滿足則依舊保障傳輸 • 5%, SAT=100/5 = 20 (slots) • 在不影響影音品質及整體傳輸率下，提升其他類型封包的成功傳輸率

12. Simulation • 模擬環境與工具 • OS：Windows 7 Pro • Tool:OMNet ++ 4.1 • 參數設置 • Packet Type : Real-time, Non Real-time • Traffic Loading : 0.1~0.8 each input • Average Burst Length : 50 slots • Real-time data ratio : 30% • Simulate time : 100000 sec • Slot time : 0.1 sec • Symmetric destination distribution • SAT Drop % : 5% (20 slots)

13. Simulation • 比較LAVS、LAVS+QoS、LAVS+QoS +Drop三種控制策略的Real-time data 在總Drop數比例

14. Simulation • 比較LAVS與LAVS+QoS+Drop在不同Real-time data 比例下，drop比例之增幅 • Input Loading = 0.6 ,real-time data ratio = 0.1~0.8

15. Simulation • LAVS+QoS與LAVS+QoS+Drop控制策略在不同Traffic loading下的比較，在整體負載提高之下，加上Drop控制策略的斜率較大，對整體的傳輸比例控制效果更明顯

16. Simulation - Result • LAVS下Real-time data 丟棄比例吻合Real-time data 於Traffic中產生的比例，完全沒有提供不同類型封包之QoS • 加上QoS後，Real-time data 丟棄比例大幅下降三倍左右，提升Real-time data的成功傳輸比例 • 加上Drop機制後，Real-time data平均提高2~3% 的 drop 總量，在符合SAT條件下相對提升Non Real-time data 成功傳輸比例 • 在網路負載增加、Real-time data比例增加的環境下，Drop機制對不同類型傳輸比例的控制更佳

17. Remain Work • 將M-B-Quadro應用在連結式光學環狀網路中(Optical Interconnection Ring Network)作為橋接器，並於Traffic當中導入Real-time data等等多類別封包，加上具有QoS的控制策略並配合Backbonepriority機制，實現QoS服務 Fig. 5 連結式光學環狀網路架構

18. Future Work • 探討新提出之控制策略使用在NxN M-B-Quadro交換機上，可應用於WDM分波多工技術 • 探討新的控制策略在多種不同Traffic下的適應性 • 提供兩種類別以上的QoS服務

19. References [1] 張萬榮,“分封交換光學網路之研究”,國立台北科技大學資訊工程所碩士學位論文, 2003 [2] 段家瑋,“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 [3] H.-T. Wu and C.-W. Tuan, “Performance Analysis of a Scalable Optical Packet Switching Architecture,” Optical Engineering, Vol. 49, No. 10, Oct., 2010.

20. Q&A Thanks for your attention.