It is widely believed that Internet Protocol (IP) provides the only convergence layer in the global and ubiquitous Internet. Above the IP layer, there are a great variety of IP-based services and applications that are still evolving from its infancy. The inevitable dominance of IP traffic makes it apparent that the engineering practices of the network infrastructure should be optimized for IP. On the other hand, fiber optics as a dispersive technology revolutionizes the telecom and networking industry by offering enormous network capacity to sustain next generation Internet growth. WDM (Wavelength Division Multiplexing) as a fiber bandwidth exploring technology is state of the art. Using WDM over existing fiber networks can increase network bandwidth significantly as well as main tain the same network operational footprint. It has been proved as a cost efficient solution for long-haul networks.
This trend towards an IP-over-WDM-based transport network architecture is driven by (i) the evolution of the photonic layer, (ii) the need for a higher dynamic in provisioning of bandwidth and (iii) the need for cost reduction in the core. Hereby, enhanced photonic components as well as the ability to transmit photonic signals for thousands of kilometers without regeneration allow thinking about photonic networking.
In this thesis, the above mentioned evolution towards an IP-over-WDM-based transport network architecture is discussed and standardization efforts are highlighted. Optical burst switching, OBS, is one promising candidate of such a transport network architecture which realizes a hybrid approach of out of band signaling while data remains in the photonic domain all the time. By doing so, processing of header information can be carried out electronically which performs a decoupling of header processing and data forwarding. However, as the use of buffers is not mandatory for OBS and OBS does not comprise QoS functionality, an OBS-QoS mechanism is required which allows to simply and efficiently differentiating between a number of classes as service to the higher Network Layer. Therefore, a comprehensive overview of the functionality of OBS including burst assembly mechanisms as well as reservation mechanisms is presented and approaches reported in literature to realize OBS-QoS are shortly discussed.
Afterward, we derive and propose the Optimal Offset-time Decision (OOD) algorithm which can effectively reduce the pre-transmission delay compared to the perfect isolation model, and can also be extended to general $\It{n}$ priority classes while the target blocking probability of each class is guaranteed for the variable offered load. In order to drive the OOD algorithm, we first analyze the blocking probability of each priority class through class aggregation and iteration method; the analytic results obtained through the proposed algorithm are then validated with results garnered from extensive simulation tests.
Secondly, based on QoS requirements for OBS, we deal with Dynamic Virtual Lambda Partitioning (DVLP) scheme which guarantees absolute QoS. Our proposed DVLP scheme does not mandate any buffer or extra offset time, but can achieve absolute service differentiation between classes. This new DVLP scheme shares wavelength resources based on several different class priorities in an efficient and QoS guaranteed manner.
Additionally to these requirements for a new OBS-QoS mechanism, further requirements are derived from shortcomings which are the result of an one-way reservation and no buffering in core node. The burst loss caused by above mentioned shortcomings has to be treated carefully with respect to congestion control. These requirements lead to Integrated Congestion Control Architecture (ICCA) which combines congestion avoidance with recovery mechanism, restricts the amount of burst flows entering the network according to the feedback information from core routers to edge routers to prevent network congestion, so that each router may handle the burst equal to or below the tolerable loss probability. In ICCA, a flow-policing scheme which eliminates overloaded condition reactively is proposed to intentionally drop or mark the overloaded traffic with a certain probability to support QoS and fairness among flows. Moreover, the transmission rate of each flow is controlled to achieve optimized performance such as maximizing throughput or minimizing loss probability using two-step rate controller at the edge router. Simulation results show that ICCA effectively eliminates congestion within the network and that, when combined with a flow-policing mechanism, fairness for the competing flows and QoS for the high priority class can be supported while maintaining effective network performance.
The framework is introduced here and an approximate performance analysis combined with a simulation study proof the functionality of this new architecture which allows to draw the conclusion that contention and QoS can be provided by transport networks as service to the above IP layer and thus the convergence layer with respect to QoS can be lower than the Network Layer.
인터넷 산업의 급속한 발전과 수요로 인해 인터넷 트래픽이 매년 급속히 증가되는 상황에서 기존의 인터넷 기술로는 이를 수용할 수 없는 상황에 이르게 되었다. 하지만 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) 기술의 발전과 광 섬유 증폭기의 개발에 힘입어 광 섬유 한 가닥으로 수 테라의 정보를 동시에 전송 할 수 있는 시대에 접어들게 되었다. 이로 인해 IP/WDM 형태의 광 인터넷이 전세계적으로 주목 받고 있으며 많은 개발이 이루어지고 있다.
이러한 시대적 조류에 발맞추어 정부가 추진하고 있는 BcN (Broad Convergence Network) 사업은 통신, 방송, 인터넷이 융합된 품질 보장형 광대역 멀티미디어 서비스를 언제 어디서나 끊김 없이 안전하게 광대역으로 이용할 수 있는 차세대 통합 네트워크로 정의할 수 있다. 광대역 서비스를 보장하기 위하여 연구기관 및 학계에서는 All-IP 백본망으로써 광 인터페이스를 가지는 광 전달망을 고려하고 있다. 이러한 광 전달망의 스위칭 기술로서는 우선 광 파장 스위칭 기술이 우선 채택될 것으로 기대하고 있다. 하지만 망 자원의 효율성 및 망의 신뢰성 측면에서 광 파장 스위칭 기술은 한계에 부딪힐 것으로 예상하고 있다. 그럼 광 파장 스위칭 이후에 대두될 것으로 예상되는 광 패킷 네트워크는 아직까지 전 세계적으로 기초 연구단계에 있으며 소자적인 한계점에서부터 광 네트워크를 운영하는데 이르기까지 여러 가지 문제점들을 갖고 있다. 무엇보다도 광/전/광 변환 없는 순수한 광 스위칭 방식과 효과적인 망 운영 메커니즘은 광 패킷 인터넷의 핵심 사항으로 평가 되고 있는 상황 하에서 새로이 제안된 광 버스트 스위칭 기술은 학계에서 그 가능성으로 인하여 큰 주목을 받게 되었다.
광 버스트 스위칭 기술은 광 파장 스위칭의 장점과 광 패킷 스위칭의 장점만을 모은 기술로서 광 메모리가 필요 없으며 모든 정보를 담고 있는 제어 패킷은 전기적으로 처리함으로써 데이터 정보는 광/전 변환 없이 종단간 전송 될 수 있다. 따라서 전광 패킷 스위칭 이전에 광 버스트 스위칭 기술이 멀지 않은 미래에 채택되리라 예상하고 있다. 하지만 실제 현장에 쓰여지기에는 아직 많은 연구가 필요하며 풀어야 할 숙제가 남아있다.
첫째. 광 버스트 스위칭 기법의 가장 큰 특징으로서 One way reservation 기법을 들 수 있다. 이를 통해 망의 종단간 지연을 크게 줄일 수 있으나 중간 노드에서의 채널 contention으로 인하여 높은 손실률을 나타내는 단점이 있다. 둘째, 광 버스트 스위칭 네트워크의 경계 노드 에서는 IP 트래픽을 모아 버스트라는 하나의 큰 슈퍼 패킷(버스트)으로 재 조립하는 방법을 사용하고 있다. 따라서 경계 노드에서 버스트를 생성시키는 기법에 따라 망의 성능이 크게 좌우될 수 있기 때문에 효율적인 버스트 생성기법에 관한 연구가 필요하다. 셋째, 중간 코어 노드에서 데이터를 위한 광 버퍼가 존재 하지 않기 때문에 스케쥴링 및 버퍼 관리를 통한 QoS 보장이 이루어지기 힘들다. 따라서 광 버스트 스위칭망을 위한 체계적이고 높은 수준의 서비스를 제공할 수 있는 방안이 절실히 필요하다.
본 학위논문에서는 상기와 같은 광 버스트 스위칭 네트워크의 문제점을 해결하고자 광 버스트 스위칭 망의 품질 보장형 서비스를 위한 트래픽 엔지니어링이라는 주제아래 광 버스트 스위칭 노드 구조, 버스트 contention 해소 기법, absolute QoS 제공기법, 혼잡 제어 기법, 및 수학적 성능 모델링에 관한 연구를 수행하였다. 각각의 연구에 관한 세부 사항은 다음과 같다.
첫째, 광 버스트 스위칭 노드 구조로서 GMPLS over OBS 노드 구조를 경계 노드 및 코어 노드 각각에 대하여 제시하고 각각의 기능 블록에 대하여 설명하였다. GMPLS 프로토콜을 사용함으로써 광 버스트 스위칭망간의 연동뿐만 아니라 이 기종 망간의 (광 파장 네트워크, IP 네트워크 등) 연동이 가능하게 되었다.
둘째, 높은 손실률을 극복하기 위하여 본 논문에서는 Deflection 라우팅 기법을 광 버스트 스위칭망에 처음 적용하여 상당한 효과가 있음을 보였다. 비록 Deflection으로 인하여 버스트 지연이 증가하는 현상을 볼 수 있었으나 손실률 감소의 효과가 더욱 큼을 다양한 트래픽 환경하에서 검증하였다.
셋째, 광 버스트 망에서의 품질 보장을 위한 방안으로 Absolute QoS 모델을 처음 제시하고 이를 보장하기 위하여 동적 광 파장 그룹핑을 사용하여 각각의 클래스의 목표 손실률을 제공하였다. 동적 광 파장 그룹핑이란 하나의 광섬유안에 있는 다수의 파장들을 각 트래픽 클래스의 목표 손실률 변화에 따라 동적으로 재그룹핑 시키고 각 트래픽 클래스들은 자신의 클래스에 따라 접근할 수 있는 파장 그룹을 제한함으로써 높은 우선순위를 갖는 클래스의 손실률을 목표 손실률에 정확히 맞출 수 있는 특성이 있다. 제안된 알고리즘은 수학적 모델링으로 손실률 분석, Feasibility condition 분석, 및 네트워크 시뮬레이션을 통하여 제안된 알고리즘의 성능을 검증하였다. 제안된 알고리즘은 멀티미디어 트래픽과 같은 리얼타임 어플리케이션의 엄격한 요구사항을 만족시키며 뛰어난 성능을 볼 수 있었다.
넷째, 광 버스트 스위칭 네트워크의 최적화된 성능 도출을 위한 혼잡제어 메커니즘을 제안 하였다. 제안된 혼잡제어 메커님즘은 혼잡 회피의 기법과 혼잡 복구의 기법을 융합한 통합형 혼잡제어 메커니즘으로서 Feedback제어 기술을 사용하였다. 혼잡 회피의 방법으로서 경계노드에서는 리키버켓을 이용한 Admission 제어를 수행하며 리키버켓의 Token rate은 코어 노드에서부터 전해지는 Feedback 메시지를 통하여 결정된다. 혼잡 복구의 방법으로 각각의 코어 노드는 출력 포트의 유효 용량보다 크게 입력되는 버스트에 대하여 강제 Dropping을 통해 혼잡을 복구 한다. 여기서 각 Flow별로 강제 Dropping 확률을 Fairness에 맞도록 결정하기 위하여 두가지 기법을 제시하였다. 제안한 통합형 혼잡제어 구조안에는 최대의 Throughput을 낼 수 있는 최적의 Token rate 결정 알고리즘, 강제 Dropping 확률 결정 알고리즘 및 제안된 구조의 Convergence 특성에 관하여 수학적 모델링 및 분석을 하였으며 방대한 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 본 논문에서 제안한 통합형 혼잡제어 메커니즘을 통하여 광 버스트 스위칭 네트워크의 실용화에 기여함은 물론 품질보장 서비스를 가능하게 하였다.
다섯째, 광 버스트 스위칭 네트워크에서의 다중 클래스를 지원하는 수학적 손실률 모델을 제시하였다. 제안된 수학적 모델은 클래스 통합 및 회기 프로세스를 이용한 방법으로써 이를 통하여 다중 클래스를 갖는 광 버스트 스위칭 네트워크에서의 손실률 분석이 수학적으로 가능하게 되어 최적의 QoS 옵셋시간 결정 알고리즘을 제안할 수 있게 되었다.
본 학위논문에서 지금까지 기술한 모든 연구 성과는 다수의 논문 및 특허로 검증 받았으며 (해외 전문 학술지 7건, 해외 학술회의 9건, 국내 전문학술지 1건, 특허 등록 1건, 특허 출원 1건) 비단 광 버스트 스위칭 네트워크뿐만 아니라 백본망으로는 광 패킷 스위칭망, 엑세스 망으로는 광 이더넷, WDM/E-PON 구조에도 적용할 수 있는 일반적인 특성을 갖는다.
