In this dissertation, we studied the optical hybrid switching which is a new switching technique for the future optical Internet.
The first part of the dissertation, we consider a specific IP-centric optical IP network architecture which has a hierarchical Quality of Service (QoS) mapping model. We propose a new optical hybrid switching technique which combined Optical Burst Switching (OBS) and Optical Circuit Switching (OCS) using flow-level service classification scheme. In particular, this classification scheme classifies incoming IP traffic flows into short-lived and long-lived flows for QoS provisioning according to traffic characteristics. In the proposed hybrid switching, the short-lived flows including delay sensitive traffic use OBS and the long-lived flows including loss-sensitive traffic use OCS. Therefore, optical hybrid switching takes advantages of both switching technologies. We propose the detailed flow classification algorithm and QoS provisioning mechanism for optical hybrid switching. The aim is to maximize network utilization while satisfying user’s QoS requirements.
The second part of the dissertation, we analyzed the performance of OBS and optical hybrid switching. For OBS, we demonstrate that if no wavelength conversion is available loss-based OBS systems are not efficient. Although some efficiency improvement is achieved by burst segmentation, without significant wavelength conversion, high efficiency is not achievable. While the burst size and the assembly time have a potent influence on the delay performance, OBS has more advantages for delay than OCS due to one-way reservation. Through the end-to-end delay analysis, we give you a good guideline to find the optimal burst size and offset time for efficiently operating optical hybrid switching. For optical hybrid switching, we model the system as a single server queue in a Markovian environment. The burst generation process is assumed to follow a two-state Markov Modulated Poisson Process (MMPP), and the service rate fluctuates based on the number of concurrent OCS sessions. Results for the delay, queue size are derived. Results of performance analysis give us a good guideline to operate optimally the switching system combining OBS and OCS.
Next part is implementation and applications for optical hybrid switching. There are a lot of considerations for commercialization of the proposed switching system. In particular, to implement the flow classification technique for operating optical hybrid switching system, it is required to develop very simple algorithm and high speed hardware technique. For developing a commercial switching system, we need the testbed in order to verify various functions and analyze performances such as other countries’ cases like Japan. We also want further works to activate the relevant researches. As a lot of applications require broadband network, it expects that the demand of core optical equipments increase emerging applications. Therefore, in this dissertation, we provide how to use the optical hybrid switching for grid application, routing technique and Virtual Private Network (VPN) because the development of new application techniques for converged service environment is very important.
For further study, performance analysis and cooperation research are required. In particular, the proposed optical hybrid switching system can give rise to interesting performance evaluation research of the interaction of the different elements such as hybrid switching, traffic classification, queueing and loss networks, routing, connection admission control, each of which, by itself, has been a topic for much research. A further understanding of interactions studied in this dissertation has the potential to bring great gains to efficiency in optical hybrid switching network. It is also required to cooperate with others on this topic for acceleration of relevant researches.
본 논문은 미래의 광 인터넷을 위한 새로운 스위칭 기술인 광 하이브리드 스위칭을 연구하였다.
우선 본 논문에서 계층적인 QoS 매핑 모델을 가지는 특정 IP 기반의 광 네트워크를 고려한다. 여기서 흐름 레벨 서비스 분류 기법을 이용하여 광버스트 스위칭(Optical Burst Switching, OBS)과 광 회선 스위칭(Optical Circuit Switching, OCS)를 결합하는 새로운 광 하이브리드 스위칭 기술을 제안하였다. 특히 이 분류 기법은 트래픽 특성에 따른 서비스 품질(Quality of Service, QoS) 제공을 위하여 들어오는 IP 트래픽을 짧은(short-lived) 흐름과 긴(long-lived) 흐름을 구분한다. 제안한 하이브리드 스위칭에서 지연에 민감한 트래픽을 포함한 짧은 흐름은 OBS를 이용하고 손실에 민감한 트래픽을 포함한 긴 흐름은 OCS를 이용한다. 따라서, 광 하이브리드 스위칭은 두 스위칭 기술의 장점을 가질 수 있다. 광 하이브리드 스위칭을 위해 상세한 흐름 분류 알고리즘과 QoS 제공 알고리즘을 제안한다. 이는 사용자의 QoS 요구사항을 만족시키면서 동시에 네트워크의 이용률을 최대화하기 위함이다.
다음으로 OBS와 광 하이브리드 스위칭을 위한 성능을 분석하였다. OBS의 경우에 손실 기반의 OBS 시스템에 파장 변환 기능이 없을 경우에는 효율적이지 않음을 밝혔다. 버스트 분할(Burst Segmentation)에 의해 약간의 효율 개선을 이룰 수 있지만 상당한 파장 변환 없이는 높은 효율을 이룰 수 없다. 버스트 크기와 조립 시간이 지연 성능에 큰 영향을 미치지만 OBS는 단방향 예약(one-way reservation)으로 인해 OCS 보다 지연에 더 많은 장점이 있다. 종단간 지연 특성 분석을 통해 광 하이브리드 스위칭을 효율적으로 운용하기 위한 최적의 버스트 크기와 오프셋(offset) 시간을 구하기 위한 좋은 지침을 준다. 광 하이브리드 스위칭의 경우에 마코비안(Markovian) 환경에서 단일 서버 큐로서 모델링 한다. 버스트 생성 프로세스는 두 가지 상태의 마코브 변환 포아송 프로세스(two-state Markov Modulated Poisson Process, MMPP)를 따른다고 가정하고 서비스 율은 동시에 발생하는 OCS 세션의 수에 따라 변한다. OBS 버스트에 대한 평균 지연 및 큐 사이즈의 결과를 보인다. 성능분석 결과는 OBS와 OCS 결합한 스위칭 장비를 최적으로 동작시키기 위한 지침으로서 이용할 수 있다.
본 논문에서 제안한 광 하이브리드 스위칭 기술을 실제 상용화하기 위한 구현 관점에서 고려해야 할 사항이 많이 있다. 특히 광 스위치를 동작시키기 위한 핵심 기법인 흐름 분류 기술을 구현하기 위해서는 아주 간단하면서도 고속의 하드웨어를 필요로 하게 된다. 실제 스위칭 장비를 개발하기 위해서는 일본 등의 국외 사례처럼 다양한 기능 검증 및 성능 분석을 위한 테스트베드를 필요로 하며, 이를 위한 관련 연구 활성화가 요구된다. 앞으로 광대역을 요구하는 응용들이 많이 출현하게 됨으로써 핵심 광 장비의 수요도 늘어날 것으로 예상된다. 따라서 광 하이브리드 스위칭 기술을 활용할 수 있는 응용 기술 발굴이 중요하므로 그리드(Grid) 응용, 라우팅 기술 및 가상사설망(Virtual Private Network, VPN)을 위해 제안한 스위칭 기술을 어떻게 적용가능한지 살펴 보았다.
향후 연구 과제로서, 다양한 성능 분석 및 협력 연구가 요구된다. 특히 하이브리드 스위칭, 트래픽 분류, 큐잉, 라우팅, 수락 제어와 관련된 상호 연계된 성능 분석 등 관심 있는 이슈들이 많이 있으며, 관련 연구 활동 가속화를 위해 국제간 협력 연구 등을 통해 기술 상용화에 박차를 가해야 할 것이다.
