Unprecedented growth of Internet user and network traffic give rise to concerns of tremendously increasing energy consumption in the information and communications technology industry. This trends lead research interests in energy efficient networks and thus a number of studies on Green IT are being investigated broadly. However, they such investigations are limited to a survey level on current system efficiencies, and do not suggest specific solutions. Therefore, this thesis focuses on specific models and solutions for energy efficient optical networks, especially packet forwarding techniques and high-performance energy saving switching node architecture.
This thesis is divided into four parts. First, the concept of a packet burst technique is introduced briefly for reducing energy consumption in packet processing. In the second part, limitations of all optical switching technology are analyzed one by one and requirement for cross-layered design of optics and electronics node design is proposed. A packet burst based optical-transport node model is suggested where energy consumption is dramatically reduced by element saving node architecture. Especially, this part introduces the architecture of a hybrid design of passive medium optical switches with electrical memory buffering for the tera-scale packet burst optical networks while minimizing energy and cost consumptions. Third, novel architecture of add-drop capable Benes networks is proposed as a part of a modular optical switch fabric design for a hybrid optical packet node. Add-drop capable Benes network is achieved by extending a conventional Benes network with small amount of additional switch element. The corresponding switch configuration algorithm and appropriate architectural rule are investigated to mitigate the connection capability limitation of proposed Add-drop capable Benes networks. Single ADBNs are interconnected to form shared-ADBNs for buffer sharing. Merits of the suggested switch models are investigated at last chapter with considerations of the optical performance of noise crosstalk and energy, cost consumption which is calculated by the required number of switch elements. For effective calculation of the packet loss rate of suggested model, this thesis considers packet loss cases in shared strictly non-blocking switches and extends packet loss rate formula framework to rearrangeably non-blocking shared ADBNs. This thesis first time reports a fully analytical model of packet loss rate for a cascaded space division switch design.
초고속 인터넷 서비스가 실용화 되고 인터넷 사용자 및 네트워크 트래픽의 기하급수적 증가 추세가 예측됨에 따라 그에 따른 네트워크 분야의 에너지 소모 역시 전례 없는 증가를 보일 것이 자명하다. 이로 인하여 전력 효율적인 네트워크에 대한 연구, 특히 코어 망 등에 이용되는 광 네트워크의 연구가 시급히 요구되고 있다. 에너지 효율적 네트워크에 대한 연구는 전 세계적으로 Green IT 라는 이름 하에 급속도로 진행 중이고 특히 미국의 Green Newdeal, 영국의 Greening government ICT, IEEE 산하의 Energy Efficient Ethernet(802.3az)등의 에너지 절감 연구 그룹이 설립되었으며 2010년 현재에는 Alcatel-Lucent의 주도아래 세계적인 네트워크 전문 연구 기관들이 Green touch 라는 컨소시움을 설립하여 ICT 분야의 에너지 절감 기술에 대하여 활발히 연구하고 있다.
본 논문에서는 세계적 연구 추세 및 요구에 맞추어 광 네트워크의 에너지 절감 기술에 대하여 제시 및 분석하도록 한다. 특히 상용 시제품의 대부분의 에너지를 소모하는 패킷 처리 에너지 소모를 줄이는 방법으로써 패킷 버스트 기술을 간단히 소개하고 이를 실제적으로 구현하기 위한 스위치 노드 구조를 구체적으로 제시하며 제시한 광 스위치 노드의 에너지 절감 효과 및 성능 평가를 위하여 수학적으로 패킷 손실률을 계산하는 방법을 제안한다.
전광(All-optical) 네트워크 기술은 미래 광 인터넷의 대안으로써 지난 수십년간 활발한 연구가 진행되어 왔지만, 광전(O/E) 네트워크 대비 장점으로 주장되어왔던 초고속 비트 전송률, 광전광(O/E/O) 변환 지연 및 비용의 절감, 네트워크 투명성 등은 효율적인 광전 네트워크 기술에 의해 상대적 장점이 크지 않음이 주장되고 있으며 특히 광 버퍼 기술로 주장되던 FDL 등의 적용이 매우 어렵다는 등의 단점이 있다. 따라서 실리콘-전기 기술의 비약적인 발전을 통한 광전 네트워크 기술이 다시 광 네트워크의 대안으로써 주목 받고 있다. 이러한 연구 동향과 필요성에 의하여 본 논문에서는 패킷 버스트 트래픽을 처리할 수 있는 광 네트워크의 스위치 노드 구조로써 에너지 효율적 하이브리드 시스템 노드 디자인을 제시한다. 제안하는 노드 디자인은 비트 당 스위칭 전력이 사용 되던 기존의 에너지 소모가 매우 큰 능동 소자를 이용한 스위칭 시스템 대신 패킷 당 스위칭 전력을 사용하는 수동-미디움 소자를 사용함으로써 극소 전력 스위칭을 보장하고 광 스위치와 전기적 메모리 버퍼를 하이브리드 디자인으로 구현함으로써 매우 적은 패킷 손실률을 보장한다. 또한 간단한 구조를 통하여 기본 광 스위치 소자 개수를 줄이고 스위치간의 공유 된 구조를 적용함으로써 버퍼 공유 율을 증가시킨다. 제안하는 저 전력 하이브리드 노드는 테라 및 페타 급의 고 성능 high-end 노드로 적용 가능하며 확장성을 보장하는 구조를 보인다.
저 전력 하이브리드 노드의 광 스위치 패브릭으로써 베네스 네트워크를 수정한 합차 베네스 네트워크를 제안한다. 재조합 넌 블록킹 네트워크(Non-blocking network)의 대표적인 예로써 널리 연구되어 오던 기존의 베네스 네트워크에 경합 패킷을 버퍼링을 이용하여 해결 하기 위한 합차 기능을 추가함에 있어서 효율적인 구조를 구현함으로써 스위치 소자 개수의 절감을 가져오며 광 신호 성능의 장점을 보인다. 제안하는 합차 베네스 네트워크에서는 기본 스위치 소자 개수를 상당량 줄이는 방법을 제안하여 에너지 절감 효과를 달성하는 대신 스위치 내부 연결 자유도의 감소를 보인다. 따라서 합차 베네스 네트워크의 원활한 동작을 위하여 패킷 스케쥴링 알고리즘을 제시하며 패킷 처리를 원활하게 수행하기 위한 스위치 구조의 규칙을 정한다. 파장 분할 다중화 네트워크에 적합한 패킷 광 스위치로의 적용을 위하여 공유 된 합차 베네스 네트워크의 구조를 제시하며 더욱 상세하며 제약 된 패킷 스케쥴링 알고리즘을 제시한다. 스위치 확장성을 증명하기 위하여 같은 처리 용량의 베네스 네트워크와의 스위치 소자 개수 및 신호 감쇠 등의 광 신호 성능을 비교한다. 또한 합차 베네스 네트워크의 전력 및 경제성 효과를 보인다.
제안하는 시스템의 효율성의 검증 방법으로써 미시적 수학적 방법을 통하여 패킷 손실 률을 계산한다. 기존의 거시적 패킷 손실 률 계산과의 상호 비교를 통하여 제안하는 계산방법의 타당성을 증명하며 공유되는 스위치 개수에 따른 패킷 손실 률을 계산하여 최소한의 버퍼 공유 율을 제시한다. 정확하며 효율적인 패킷 손실 률 계산을 위하여 완전 넌 블록킹 (Strictly nonblocking network) 스위치의 패킷 손실 률을 미시적 계산 방법을 이용하여 계산하며 기존에 제시 된 거시적 계산 방법의 패킷 손실 률과 비교하며 제안하는 미시적 방법의 적합성을 보인다. 제시하는 계산 방법을 제안하는 공유 된 합차 베네스 네트워크에 적용시키기 위하여 이를 재조합 넌 블록킹 네트워크로 확장시키며, 수용 가능한 패킷 손실률을 달성하기 위한 최소 버퍼 공유 율 및 버퍼 개수를 계산한다. 마지막으로, 제안하는 수동 광 소자를 이용한 메모리 버퍼 모델과 이에 반대되는 개념인 능동 광 소자를 이용한 광 섬유 버퍼 모델의 에너지 소모 및 상대적 경제성 효율을 802.3ba에 제시 된 실제 데이터에 기반하여 계산하고 비교하며 제안하는 시스템의 에너지 절감 효과를 증명한다. 향후 연구 결과를 실제 시스템에 적용할 수 있는 방법을 강구할 것이며 광 네트워크의 에너지 절감 연구에 본 연구 결과가 이바지할 수 있기를 기대한다.
