Determination of blocking probabilities in optical burst switched networks with Monte Carlo simulation

Abstract

Günlük yaşamda internet kullanımının artması daha yüksek kapasiteli ağlara hızla oluşan gereksinimi tetiklemiştir. Bu nedenle, bu durum, iletimde olan birkaç milyon hatta milyar paket için dinamik olarak yol belirleme yeteneğine sahip Dalga Bölmeli Çoğullamalı (WDM) Tüm-Optik Ağ (AON) özelliğinde olan omurga ağlara gereksinime sevk etmiştir. Optik Süperpaket Anahtarlama (OBS), böyle aşın yüksek kapasiteli ağlarda şeffaflık ve bant genişliği gereksinimlerini karşılamak için dikkat çekici bir teknik olarak ortaya çıkmıştır. Bir optik süperpaket, giriş düğümüne gelen ve aynı çıkış düğümüne gidecek olan birkaç ardışıl paketin bütünleştirilmesiyle oluşan büyük bir pakettir. OBS, veri düzlemine tüm-optik bir ağ sağlamaktadır. Bu, gerekli ağ kaynaklarını, genelde her bir fiberde kendisine ayrılmış bir dalgaboyu kanalından iletilen ve yol üzerindeki her bir düğümde elektronik olarak işlenen kontrol paketi (CP) olarak adlandırılan süperpaket başlığı ile reserve ederek sağlanmaktadır. Kontrol paketi, süperpakete, yol üzerindeki her bir çekirdek düğümde gerçekleşen işleme gecikmelerini ve anahtar konumlanması için geçen zamanlan telafi eden belli bir fark zamanıyla önderlik eder. Fark zamanı, anahtar ayarlamalarının ve yol belirleme kararlarının veri süperpaketi gelmeden önce yapılmasını sağlar. Böylece süperpaketin iletilmesi için giriş ve çıkış düğümleri arasında geçici bir ışıkyolu kurma girişimi yapılabilir. OBS 'de bant genişliği veri süperpaketine tek yönlü bir işlemle, yani yani uçtan uca rezervasyonun onayını beklemeden tahsis edilir. Bu nedenle, herhangi bir çıkış yolu için reservasyon isteğinin herhangi bir orta düğüm anahtarına, bu çıkış daha önceki bir rezervasyondan dolayı hala meşgul iken erişmesi durumu gerçekleşebilir. Böyle anlarda, çekirdek düğümlerdeki donanım/yazılım yeteneklerine bağlı olarak, süperpaket bölümlendirme, alternatif yol belirleme, dalgaboyu dönüştürme ve tamponlama gibi çakışma çözümleme teknikleri kullanılarak bir veya daha fazla deneme yapılabilir. Bu denemelerin reservasyon isteğini karşılayamaması durumunda süperpaket düşürülür. Terabit düzeyinde süperpaket anahtarlama için şu üç ana protokol önerilmiştir: Just- In-Time (JTT), Horizon ve Just-Enough-Time (JET). Bu tezde, Amerika' daki JumpS tart projesi kapsamında geliştirilen JTT protokolünün bir türünü kullanarak bir OBS ağının benzetimini gözönüne aldık. JTT protokolünde, dalgaboyu rezervasyonunun kontrol paketinin işlenmesi biter bitmez başladığı doğrudan rezervasyon (İR) planı kullanılmaktadır ve ağda global zaman senkronizasyonuna gereksinim duymadığı için düşük karmaşıklıkla gerçekleştirilebilmektedir. JTT protokolünün bu özelliği Monte Carlo Tekniği (MCT)'nin OBS ağlarının modellenmesi ve benzetimi için uygulanabilirliği açısından esastır. Monte Carlo Tekniği'ni kullanan Monte Carlo Benzetimleri (MCSs), bir seri rastlantısal deneme gerçekleştirerek bir sistem modelinin performans parametrelerinin belirlenmesine çalışmaktadır. XV Bu tezde, OBS ağlarının JumpStart UT protokolü ile modellenmesi üzerinde durduk ve çekirdek düğümleri sayısının N ile, link sayısının L ile ve bir fiber üzerindeki dalgaboyu sayısının W ile temsil edildiği genel F(N,W,L) tipindeki topolojiler için Monte Carlo Tekniği temelli benzetim modeli önerdik. Amacımız Monte Carlo Tekniği'nin, genelde OBS ağlarındaki ana performans parametresi olarak kabul edilen Süperpaket Düşürme Olasılığı (BDP)'nın tahmin edilmesindeki verimliliğini incelemekti. Bu bağlamda, ayrıca bir OBS ağındaki trafik yükü kavramının da öne sürülmesini gerekli gördük. Bu benzetim modeli 16 düğümlü NSFNET (National Science Foundation NETwork) topolojisine uygulandı ve JumpStart JTT protokollü OBS'nin performansı incelendi. Hesaplamalarda, trafik isteklerinin uniform dağılımlı olduğu, sabit uzunluklu süperpaketlerin üstel dağılımlı zaman aralıklarıyla eriştiği, sabit yol belirleme planının kullanıldığı ve bütün düğümlerde seçimli tam dalgaboyu dönüşümü yeteneği olduğu kabul edildi. Bununla birlikte, bu kabullenmeler önerilen Monte Carlo Benzetimi'nin getirdiği sınırlamalar değildi; sadece uygunluk için önerildi. Süperpaket düşürme olasılığı için elde edilen sonuçlar güven sınırlarıyla birlikte verildi ve Monte Carlo Tekniği'nin avantajları ve sınırlamaları tartışıldı.

The growth of the usage of Internet in every day life triggers the accelerating demand for higher network capacities; hence, it has driven the need for backbone Wavelength Division Multiplexed (WDM) All-Optical Networks (AON) capable of dynamically routing several millions even billions of packets that are in transit. Optical Burst Switching (OBS) has emerged as the most attractive technique for meeting transparency and bandwidth on requirements in such ultra high capacity networks. An optical burst is a large packet constructed at the ingress node by aggregating some number of contiguous packets destined for a common egress node. OBS provides an AON for the data plane. This is achieved by reserving required network resources via the burst header, referred to as the control packet (CP), that is usually sent over a dedicated X-channel of each fiber and processed electronically at each node on route. The CP precedes the burst by some offset time which is determined so as to compensate for the processing delays plus the switch setup times at each intermediate node on the path. Offset time allows for switch configurations and routing decisions to be made prior to the arrival of the data burst, so that an attempt can be made to temporarily establish a lightpath between ingress and egress nodes for the transmission of the burst. In OBS, bandwidth is allocated to a data burst using a one way process, i.e. without waiting for confirmation for an end-to-end reservation. It may therefore happen that a reservation request for some output port may arrive at some intermediate nodal switch whilst this port is still engaged due to an earlier reservation. At such instances, depending on the hardware/software capabilities built in the core nodes, one or more additional attempts may be made using contention resolution techniques such as burst segmentation, alternate routing, wavelength converting, and buffering, and the burst is dropped in case these fail to satisfy the reservation request. For terabit burst switching, the following three main protocols have been proposed: Just-In-Time (JIT), Horizon, and Just-Enough-Time (JET). In this thesis, we have considered the simulation of an OBS network utilizing a variation of JTT protocol developed by the JumpStart project in the U.S.A. In JIT protocol, immediate reservation (IR) scheme is used wherein the wavelength reservation starts immediately after the processing of the CP finishes. IR scheme can be implemented with low complexity since it does not require a global time synchronisation in the network. This feature of the JTT protocol is essential for the applicability of the Monte Carlo Technique (MCT) for modeling and simulation of OBS networks. Monte Carlo Simulations (MCSs), which utilize MCT, attempt to estimate performance parameters of a system model via running a series of random experiments. Xlll In this thesis, we focused on the modeling of OBS networks with JumpStart JIT protocol and proposed a MCT based simulation model for general F(N,W,L) topologies where the number of core nodes in the reference topology is denoted with N, number of links with L, and number of A,-channels on a fiber with W. Our aim have been to investigate the feasibility of MCT in estimating Burst Dropping Probability (BDP) which is generally accepted as the main performance parameter in OBS networks. Within this context, we have found it necessary to introduce the concept of the traffic load in an OBS network. The simulation model was applied to 16-node NSFNET (National Science Foundation NETwork) topology, and the performance of OBS with JumpStart JIT protocol was analysed. In the calculations, we have assumed that the traffic demands are uniformly distributed, interarrival times of constant length bursts are exponentially distributed, fixed routing scheme is used, and all nodes have optional full-wavelength conversion capability. However, these assumptions were not limitations imposed by the proposed MCS approach; they were introduced solely for convenience. Results for BDP were presented together with confidence limits, and the advantages and limitations of the MCT were discussed.