This dissertation proposes (1 space) a bandwidth-efficient, collision-free, distributed, low-latency, and resilient Media Access Control protocol for Optical Burst Switching ring networks as an alternative for Metro Area Networks, such as SONET/SDH. The proposed Media Access Control protocol provides efficient void-filling, a burst-collision resolution, and a fast-restoration.
Most of the previous optical burst switching ring networks are multi-token ring networks in order to resolve burst collisions, but they require a relatively large burst size so as to increase end-to-end packet delay. The proposed protocol overcomes the drawback of optical burst switching token protocols, which are the most throughput-efficient among the previous optical burst switching ring networks. The proposed protocol transmits a burst and a burst control packet at the same time so that it can efficiently utilize a void, which is an unused time between two consecutive bursts. However, the transmitted burst may be lost in the intermediate node, if there is no offset time. To insert an offset time between a burst control packet and a burst, the burst is optically delayed using a fiber delay line at the output end. Output fiber delay lines also delay passing bursts, thus increasing the offset time between passing burst control packets and corresponding passing bursts. In the proposed protocol, the increased offset time is adjusted back to the original offset time by electrically delaying the passing burst control packet for the amount of increased time. We also propose an offset time condition for a transmitter burst collision and a free time list of passing bursts for a receiver burst collision. In the end, the proposed protocol satisfies the requirements of high throughput and low end-to-end packet delay by providing efficient burst collision resolutions, efficient void-filling, and a distributed access control for burst transmissions.
The proposed protocol can save 50% of data wavelengths while maintaining a better throughput than other static optical networks and optical burst switching token protocols because the proposed protocol supports a wavelength-sharing scheme using a tunable-transmitter and tunable-receiver. However, an insufficient number of data wavelengths results in a saturation of throughput under heavy traffic conditions. Therefore, to improve throughput and end-to-end packet delay under heavy traffic conditions, we propose a new burst scheduling algorithm that preferentially schedules the transmit queue of the closest destination among available transmit queues. In comparison with the conventional longest queue first scheduling algorithm, the proposed scheduling algorithm improves throughput and end-to-end packet delay under heavy traffic conditions but degrades the fairness.
Furthermore, we propose a dynamic restoration method in the media access control layer for bidirectional ring networks. The restoration time is dependent on the detection time of a link failure. Fast link failure detection shortens the restoration time. We assumed two link failure detection schemes: a received optical power measurement scheme on a control wavelength and a link liveness signaling scheme. The proposed restoration method achieves fast restoration within a few milliseconds.
본 논문에서는,SONET/SDH와 같이 기존의 메트로 망을 구성하고 있는 회선교환링 망의 비효율성으로 인해 발생하는 병목현상을 해결하기 위하여 광 버스트 스위칭(OBS: Optical Burst Switching) 링 망에서 대역폭 효율과 지연 시간 특성이 좋은 Simultaneous Burst and Burst Control Packet Transmission 매체 엑세스 제어(MAC: Media Access Control) 프로토콜을 제안하였다. 제안한 프로토콜은 효율적인 보이드 채움 방식과 버스트 충돌 해결 방안으로 높은 스루풋을 보장하여주고, 빠른 링크 복원 속도로 보다 안정적인 링 망을 구성할 수 있도록 해준다.
이전까지의 연구에는 대부분 버스트 충돌을 해결하기 위해 다중 토큰 방 식을 제안하였으나 토큰 방식은 높은 스루풋을 보장하는 반면, 패킷의 단대 단 지연시간이 커지는 단점이 있다. 따라서 제안한 프로토콜은 그러한 문제 점을 개선하여 보다 작은 단대단 패킷 지연시간을 보장해준다. 제안한 프로토콜은 효율적인 보이드 사용을 위해서 버스트 제어 신호와 버스트를 동시 에 전송한다. 하지만 이렇게 동시에 전송을 하게 되면 옵셋 시간이 없어지기 때문에 중간 노드에서 광 스위칭을 하는 동안 버스트의 앞부분 일부가 손실 을 입게 된다. 따라서 버스트 제어 신호와 버스트 사이에 옵셋 시간을 만들 어주기 위해 노드의 출력단에서 버스트를 광섬유 지연선으로 옵셋 시간만큼 지연시켜주게 된다. 그러나 출력단의 광섬유 지연선은 노드에서 전송하는 버스트 뿐만 아니라 지나가는 버스트까지 지연시켜 옵셋 시간을 증가시키게 된다. 늘어난 옵셋 시간을 원래의 값으로 되돌리기 위해 늘어난 시간만큼 버스트 제어 신호를 전기적으로 지연시켜준다. 이런 방법으로 제안된 프로토콜 은 보이드를 효율적으로 사용하면서 버스트 제어 신호와 버스트 간의 옵셋 시간을 보장해준다.
버스트 충돌에는 두 가지가 있는데, 그 중 송신단에서의 버스트 충돌을 방지하기 위해 옵셋 시간이 최대 버스트 크기보다 크다는 조건을 정의한다. 따라서 버스트의 전송이 시작된 이후에 도달한 버스트 제어 신호와 그에 대 응하는 버스트는 버스트 전송이 끝난 후에야 송신 노드에 도달하게 되어 송신단에서의 버스트 충돌이 일어나지 않게 한다. 두 번째로 수신단에서의 버 스트 충돌을 방지하기 위해 지나가는 버스트의 시작 시간과 종료 시간을 목 적지 별 리스트로 관리를 하여 해당 목적지에 도달하는 버스트가 없는 시간에 버스트를 전송한다. 이와 같은 두 가지 방법으로 버스트 충돌을 해결하여 각 노드에서의 개별적인 버스트 전송이 가능해지게 된다. 이러한 분산형 엑세스 방식은 단대단 패킷 지연시간을 개선시킨다.
제안된 프로토콜은 파장 공유가 가능한 파장가변 송·수신기를 지원하여 기존의 정적 광 링 망과 토큰 OBS 링 망에 비해 50% 감소된 파장으로 동등 한 성능을 유지할 수 있다. 그러나 링 망 전체 트래픽에 비해 적은 수의 장을 사용하는 경우, 스루풋이 일정 값으로 수렴하게 된다. 이런 경우에서의 스루풋과 단대단 패킷 지연시간 성능을 개선하기 위해, 가까운 노드로의 전 송을 우선적으로 실시하는 Closest Destination First 버스트 스케쥴링 알고리즘 을 제안하였고 기존의 최대 큐 선택(LQF: Longest Queue First) 스케쥴링 알고리즘과 성능비교를 하였다. 그 결과 제안된 버스트 스케쥴링 알고리즘은 링 망의 공간 재활용도를 개선시켜 트래픽에 비해 적은 수의 파장을 사용할 경우에도 스루풋과 단대단 패킷 지연시간 성능을 증가시킬 수 있었다. 그러나 거리에 따른 차별적인 스케쥴링으로 인해 공평성이 나빠져 노드별 스루풋이 일정하지 않게 되는 단점이 있다.
끝으로, 기존의 링 망의 가장 큰 장점 중 하나인 안정성을 제공하기 위 하여 양방향 링 망에서의 동적 링크 복원 프로토콜을 제안하였다. 제안된 프로토콜의 복원 속도는 링크 실패 검출 시간의 영향을 받는다. 즉 링크 실패를 빨리 감지할수록 더 빨리 링크를 복원할 수 있게 된다. 본 논문에서는 제 어 파장에서의 수신된 광 파워 측정을 통한 링크 실패 검출 방법과 링크 유지 신호를 이용한 링크 실패 검출 방법을 가정하였고, 각각의 경우에서 최대 300km 의 링 망에서 5ms 이내의 빠른 링크 복원 시간을 시뮬레이션을 이용하여 확인하였다.
