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 revolutionize the telecom and networking industry by offering enormous network capacity to sustain next generation Internet growth. Wavelength division multiplexing (WDM) 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 maintain the same network operational footprint. It has been proved as a cost efficient solution for long-haul networks.
There are several IP over WDM network technologies, such as OCS (Optical Circuit Switching), OLS (Optical Label Switching), OFS (Optical Flow Switching), OBS (Optical Burst Switching), and OPS (Optical Packet Switching), for using enormous network capacity over existing fiber networks. Especially, OBS, one of the most promising candidates for IP over WDM transport network architectures, is illustrated in this dissertation. OBS is a hybrid approach of out of band signaling while data bursts remain in the optical domain all the time. By doing so, the processing of control information can be carried out electronically which performs a decoupling of control processing and data forwarding.
However, as optical buffering technology is not mature, the use of buffers is not mandatory in OBS networks. Also, as OBS does not comprise QoS functionality essentially, the QoS schemes in OBS networks are required for implementing practical OBS networks. Therefore, in this dissertation, after a short overview of OBS, the QoS provisioning resource management schemes that achieve the service differentiation between a number of classes in OBS networks efficiently are explained.
First, we propose a QoS provisioning scheme and the dynamic FDL (Fiber Delay Line) bank partitioning algorithm in a single node with the dedicated optical output buffering architecture to achieve the service differentiation in OBS networks. In order to show the performance of the algorithm, blocking probability analysis for a single FDL group is illustrated firstly, and then blocking probability analysis for multiple FDL groups together with the proposed algorithm is shown. In order to guarantee the target blocking probabilities for each traffic class, the algorithm divides a FDL bank into several FDL groups. According to the monitored blocking probability of each traffic class at each OBS node, the algorithm increases or decreases the number of delay lines within each FDL group to achieve the service differentiation and guarantee the target blocking probabilities. Also, the feasible conditions are analyzed for all traffic classes.
Also, in order to verify the proposed algorithm, extensive simulations and numerical analysis are done. The simulation results show that when the algorithm and the dedicated optical output buffering architecture are used, the service differentiation in OBS networks can be achieved, and that the results of the extensive simulations are in good agreement with those of the analysis.
Second, although it can be achieved a good QoS provisioning performance with the above dedicated optical output buffering architecture, the biggest problem of the architecture is that it needs a lot of fiber delay line buffers. In order to reduce the number of fiber delay line buffers, a shared optical output buffering architecture is illustrated. A FDL bank with many fiber delay lines is attached to a wavelength channel in the dedicated architectures, while a FDL bank is shared by whole wavelength channel in the shared architectures. By doing so, the number of fiber delay lines is reduced significantly. However, in spite of reducing the number of fiber delay lines in the shared architectures, the calculation of the performance of the shared architectures is quite high because other data burst losses by sharing the same fiber delay lines should be considered. In addition to the data burst loss from the buffer fullness like the dedicated output buffering architectures, data bursts can be dropped even though they can be successfully scheduled on a certain output because this output may be occupied by data bursts headed for other outputs in the shared optical output buffering architectures. In order to consider the two kinds of losses, the previously used dynamic FDL bank partitioning algorithm is modified to be used in our shared optical output buffering architecture, and then the QoS provisioning performance of the shared architecture is evaluated and simulated using numerical analysis and simulationt tool.
In order to prove the validity of the modified algorithm and to show excellence of our scheme, numerical analysis and extensive simulations are executed. It is shown that the results obtained from extensive simulations are consistent with those from the analysis. The results from the shared optical buffering architecture are compared with those from the dedicated optical output buffering architecture. From the comparison, it is known that when the shared output buffering architectures are used, it can be achieved the same QoS provision performance in OBS networks with smaller number of fiber delay lines than the dedicated output buffering architectures.
다양한 멀티미디어 서비스에 대한 사용자들의 요구와 이러한 요구 와 수요로 인해 인터넷 트래픽이 매년 급속히 증가되는 상황에서 기 존의 인터넷 기술로는 이를 수용할 수 없는 상황에 이르게 되었다. 이 에 네트워크 사업자들은 저렴하면서도 진보된 품질 보장형 네트워크 인프라를 구촉하고자 전력을 다하고 있다. 여러 가지 기술들 중에서 DWDM(Dense WDM) 기술의 발전과 광 섬유 증폭기의 개발에 힘입어 광 섬유 한 가닥으로 수 테라의 정보를 동시에 전송 할 수 있는 시 대에 접어들게 되었으며, 이로 인해 IP over WDM 형태의 광 인터넷 이 전세계적으로 주목 받고 있으며 또한 많은 개발이 이루어지고 있다.
이러한 시대적 흐름에 따라 차세대 네트워크(Next Generation Network, NGN) 기술은 서비스 사용자, 네트워크 사업자, 서비스 제공자, 그리고 벤더들의 다양한 요구를 적절하게 충족시키기 위해서 활발하게 연구되고 있다. 현재 우리 나라의 차세대 네트워크를 구현하기 위 해 정부 차원에서 추진하고 있는 사업으로는 BcN(Broadband Convergence Network)을 들 수 있다. 이러한 시대적인 흐름에 발맞추어 정부 가 추진하고 있는 BcN 사업은 통신, 방송, 그리고 인터넷이 융합된 품 질 보장형 광대역 멀티미디어 서비스를 언제 어디서나 이용할 수 있는 차세대 통합 네트워크로 정의할 수 있다. 광대역 멀티미디어 서비스를 보장하기 위해서는 대용량의 트래픽을 저렴하고 효과적으로 제 공할 수 있는 광 네트워크 기술이 무엇보다도 중요하다. 이에 연구기 관과 학계에서는 차세대 All-IP 백본망으로서 광 인터페이스를 가지 는 광 네트워크를 고려하고 있다. 이러한 광 네트워크 스위칭 기술로 서는 종단간 트래픽 전송을 위해서 미리 경로를 설정하는 광 파장 스위칭 기술이 우선적으로 채택될 것으로 생각된다. 하지만, 망 자원의 효율적인 이용과 망의 신뢰성 측면에서 광 파장 스위칭 기술은 한계 에 부딪힐 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 광 파장 스위칭 기술의 대안으로 광 패킷 스위칭 기술이 대두되고 있다. 광 패킷 스위칭 기술은 광 파장 스위칭 기술과 달리 종단간에 미리 경로를 설정하지 않 고 상황에 따라 한 홉씩 패킷이 전송되는 방식을 이용해서 목적지까지 패킷을 전달하는 기술이다. 그러나 광 패킷 스위칭 기술은 아직까지 기초 연구단계에 있다. 특히, 광-전-광 변환 없는 순순한 광 스위칭 기술과 효과적인 망 운영 메커니즘은 광 패킷 네트워크의 핵심 사항으로 평가 되고 있다. 하지만, 광 메모리와 같은 소자 기술과 망의 자 원을 효율적으로 운영 및 관리하는 부분들에서는 여전히 많은 문제점 들을 가지고 있다. 이에 광 파장 스위칭 기술과 광 패킷 스위칭 기술 의 장점을 조합해 새로이 제안된 광 버스트 스위칭 기술은 학계에서 그 가능성으로 인해 커다란 주목을 받고 있다.
광 버스트 스위칭 기술은 광 파장 스위칭 기술과 광 패킷 스위칭 기술의 장점만을 모은 기술로서 광 메모리가 필요 없으며 모든 정보를 담고 있는 제어 패킷은 전기적으로 처리함으로써 데이터 정보는 광-전 변환 없이 종단간 광 신호로 전달 될 수 있다. 따라서 전광 패킷 스위칭 이전에 광 버스트 스위칭 기술이 멀지 않은 미래에 채택되리 라 예상되고 있다. 하지만, 실제 현장에 쓰여지기 위해서는 아직 풀어 야할 많은 문제들이 남아있다. 특히, 광 버스트 스위칭 기술은 단 방 향 예약 메커니즘을 이용하기 때문에 망의 종단간 지연을 크게 줄일 수 있다. 하지만, 이로 인해 중간 노드에서 채널 충돌로 인해 높은 손 실이 발생할 수 있으므로 이러한 손실을 줄이기 위한 방법에 대한 많은 연구가 필요하다. 그리고, 광 버스트 스위칭 기술에서는 네트워크 의 경계 노드에서 광 네트워크로 들어오는 IP 패킷들 중에서 동일하게 취급이 가능한 여러 개의 IP 패킷을 모아서 하나의 커다란 데이터 패킷(데이터 버스트)을 만드는 방법을 사용하고 있다. 그러므로 데이터 버스트를 생성하는 방법에 따라서 광 네트워크의 성능이 크게 좌우될 수 있기 때문에 효율적인 데이터 버스트 생성방법에 대한 연구 도 필요하다. 또한, 광 버스트 스위칭 기술이 실제 현장에 응용이 되기 위해서 풀어야 할 가장 시급한 문제는 광 버스트 스위칭 기술에 적합 한 체계적이고도 수준 높은 다양한 서비스 차등화 기법의 개발이다.
이에 본 학위 논문에서는 다양한 서비스들 간에 차등화를 제공하기 위해 광 버스트 스위칭 노드에서 필수 요소로 여겨지는 광 버퍼인 FDL(Fiber Delay Line)을 이용했으며, FDL 자원을 효율적으로 관리 운영하기 위한 다양한 이슈들에 대해서 다루었다.
먼저 1장에서는 IP over WDM 네트워크의 진화 과정에 대해서 데이터 평면과 제어 평면으로 나누어 알아보았다. 또한 이러한 진화 과정을 거친 현재 활용 가능한 다양한 IP over WDM 기술들에 대해서 살펴보았다. 끝으로, 차세대 네트워크 기술로서 미래의 광 버스트 스위칭 기술이 필요로 하는 사항들에 대해서 알아보았다.
이어서 2장에서는 현재 학계에 많은 관심을 받고 있는 광 버스트 스위칭 기술의 전반적인 특징에 대해서 알아보았다. 먼저 개괄적인 광 버스트 스위칭 네트워크의 구조와 광 네트워크 경계 노드들로 들어오는 IP 패킷들을 모아서 하나의 커다란 데이터 버스트를 만드는 방법들과 이러한 데이터 버스트들이 미치는 영향에 대해서도 알아보았고, 만들어진 데이터 버스트에 자원을 할당하고 이렇게 할당된 자 원을 효율적으로 활용하기 위한 방법들에 대해서도 알아보았다. 또한 QoS를 제공하기 위한 방법과 단 방향 예약 메커니즘에 따른 높은 손 실을 줄이기 위한 방법들에 대해서도 알아보았다.
한편, 3장과 4장에서는 기존의 QoS 방법들과는 달리 필수 요소로 인식되는 광 버퍼인 FDL을 이용해서 QoS를 제공하는 방법들에 대해 서 언급하였다. 광 버퍼를 구성할 수 있는 방법은 여러 개의 파장이나 광 섬유에 공유되도록 구성하는 공유 광 버퍼 모델과 이와는 달리 단 하나의 파장에 하나의 광 버퍼가 사용되는 비공유 광 버퍼 모델이 있다. 먼저 3장에서는 비공유 광 버퍼 모델을 이용한 이슈들에 대해 다루었다. 먼저 이러한 광 버퍼의 성능에 영향을 줄 수 있는 요소들은 다음과 같다. 먼저 각 FDL의 구성 방식이다. 각 FDL이 어떤 기본 길이 값의 배수 형태로 구성되는 degenerate 구성과 임의의 길이 값을 가지는 non-degenerate 구성이 있다. 다음으로는 데이터 버스트를 전송하는 방식이다. 각 데이터 버스트들 사이의 사용되지 않는 영역을 사용 할 수 있도록 전송하는 void-filling 방식과 이러한 영역을 사용하지 않는 non-void-filling 방식이 있다. 3장과 4장에서는 성능 분석의 용이점 때문에 degenerate 구성과 non-void-filling 전송 방식을 이용한다. 이러 한 구성을 가지는 여러 개의 FDL들로 구성된 광 버퍼를 가진 노드에 여러 클래스의 데이터 버스트가 들어올 경우 이들에게 적합한 QoS를 보장하기 위해 각 클래스별로 서로 다른 자원 할당 방식을 가지는 알고리듬을 제안했다. 먼저 이 알고리듬은 여러 개의 FDL들로 구성된 광 버퍼를 클래스 갯수와 동일한 갯수의 작은 그룹으로 분할하고 각 그룹에 우선 순위를 부여한다. 분할은 각 클래스가 목표로 하는 손실 확률과 데이터 버스트의 양에 따라 동적으로 이루어진다. 이렇게 분할된 각 그룹에 우선 순위에 따라 하나의 클래스를 각각의 그룹에 할당한다. 이 때 상위 클래스는 자신의 그룹을 포함해서 낮은 우선 순위를 가지는 모든 그룹들을 이용할 수 있으나, 하위 클래스는 자신보다 상위 우선 순위를 가지는 그룹들은 사용할 수 없다. 이렇게 할당함으로써 각 클래스의 데이터 양이 동적으로 변하더라도 각 클래스에 적 합한 손실확률을 보장하면서 서로 다른 클래스간의 서비스 차등화를 보장할 수 있다.
3장과 같은 방법으로도 충분히 각 클래스별로 서비스 차등화를 이 룰 수 있었으나, 가장 큰 문제점은 비공유 광 버퍼를 가지는 구조이기 때문에 노드 사이즈의 증가와 이로 인한 비용 증가이다. 이에, 본 장 에서는 3장의 문제점을 극복하기 위해 공유 광 버퍼 모델을 이용해 동 일한 서비스 차등화를 이룰 수 있는 방법에 대해서 알아보았다. 이번 장과 3장의 차이는 하나의 광 버퍼가 여러 개의 파장에 공유된다는 것 이다. 여러 개의 파장에 하나의 광 버퍼가 공유되기 때문에 이 구조 에 적합하도록 새로운 알고리듬을 제안했으며, 실험 결과는 3장보다 는 적은 수의 FDL을 가지고서도 3장과 거의 동일한 결과를 얻을 수 있다는 것을 보여주었다.
본 논문에서는 광 버스트 스위칭 노드에서 필수 요소로 인식되고 있는 광 버퍼를 활용해서 QoS를 제공할 수 있다는 것을 보여주었으며, 다른 방식들과는 달리 다른 추가적인 요소 없이 서비스 차등화를 이룰 수 있다는 것을 보여주었다. 이로 인해 경제성을 어느 정도 확보 할 수 있었으며, 실제 활용성을 높일 수 있었다. 그러므로 본 논문에 서 소개하는 방법을 활용할 경우 광 버스트 스위칭 방식의 실용화를 한층 앞당길 수 있을 것이다. 또한 본 논문의 방식과 알고리듬은 향후 광 인터넷을 구축하고 운영하려는 네트워크 사업자 및 운용자들에 지침서로서 충분히 활용이 가능할 것으로 생각된다.
