A Fair Admission Control for Differentiated Service in Traffic Groomed Optical Networks

1. A Fair Admission Control for Differentiated Servicein Traffic Groomed Optical Networks Reporter:Yuan_Bin Hsu Date:2008_09_11 DCNLab

2. Outline • Introduction • Relative work • Motivation • Methodology • Conclusion DCNLab

3. Introduction(1/4) • 目前光纖網路的傳輸容量已有 2.5Gb/s 至10Gb/s 左右，若再加上波長分波多工(WDM)的技術，傳輸頻寬又會倍增。 • 然而大部分需求連線的傳輸量遠小於光纖纜線可以負載的能力，這便浪費大量的可用頻寬。 • 為了提高整體網路頻寬的使用率以及增加網路產量，於是出現了具有彙整(Grooming)能力的光纖網路。 DCNLab

4. Introduction(2/4) • 流量彙整(traffic grooming) • 頻寬共享 • 將許多低頻寬的需求連線有效率地彙整至同一條高容量的波長上，然後再各自拆解至傳輸目的地的過程。 • 提高整體網路頻寬的使用率。 DCNLab

5. Introduction(3/4) • 需求連線阻塞率的不同： • 頻寬需求 • 需求頻寬較大的需求連線面臨被阻塞的機率比需求頻寬較小的需求連線要來的高。 • 路徑長短 • 連線路徑較長的需求連線被阻塞的機率比連線路徑較短的需求連線要來的高。 DCNLab

6. Introduction(4/4) • 對於頻寬需求不同的類別擁有不同的連線阻塞率是不公平。 • 為了達到所謂的公平性於是提出了公平允入控制的機制(CAC) DCNLab

7. Relative work • 目前已有相當多關於公平允入控制(CAC)的研究，方法如下: • Bandwidth reserve • Maximum revenue • Capacity fairness DCNLab

8. Bandwidth reserve(1/2) • Complete partition • 系統會根據不同類別的頻寬需求事先依比例，保留固定的頻寬給該類別使用。 • 屬於該類別連線的頻寬不得被其他類別的連線所使用。 • 此作法會降低頻寬的使用率。 DCNLab

9. Bandwidth reserve(2/2) • Threshold setting • 系統會給各連線類別一個值，當剩餘頻寬小於此值時，將會拒絕此類別連線。 • 通常會將此值設為連線類別頻寬需求最大的。 • 此作法會降低頻寬的使用率。 DCNLab

10. Maximum revenue(1/2) • 對於頻寬需求不同的連線給予不同的回饋值，而允入控制嘗試去得到所有連線回饋值總和的最大值。 DCNLab

11. Maximum revenue(2/2) • 在[13]中，定義一個馬可夫決策過程，在單一連結的網路中求得最佳的頻寬使用率。 • 不同的連線類別給予不同的比重α，調整頻寬的使用率來達到全域的公平性。 • 藉由調整不同的α值和循環策略演算法求得最佳的CAC策略。 • 模擬結果顯示系統要達到公平性，在不同的網路負載必須找到特定的α值。 DCNLab

12. Capacity fairness(1/2) • 假設所有類別的需求總頻寬是一樣的，所以要有相同的阻塞率；m條類別n的連線和n條類別m的連線的阻塞率是相同的。 • 公平率的定義: • 1-(1-Pm)n=1-(1-Pn) m • 利用此公式將所有類別j 的連線全部關連到連線傳輸速度最低的類別1 連線；於是可求得類別 j 的每單位連線傳輸速度被阻塞的機率，Pj'=1−j1−Pj。 DCNLab

13. Capacity fairness(2/2) • Accept the call if ， 。 • Else reject the call with • Fairness ratio： • 這演算法須執行一段時間才能達到真正的公平，稱為 “warm time”。 DCNLab

14. Motivation • 參考以上的相關研究，設計一個符合以下幾點的公平允入控制演算法： • 此演算法可保證具有全域性的公平性 • 不會隨者網路負載不同而出現影響公平性的參數，造成網路多餘的負擔 • 不需“暖機”的運作時間 DCNLab

15. Methodology • In WDM grooming network，共有W條波長，每條波長的頻寬可切割為T個時槽；網路中共有k種連線類別，頻寬需求分別為t1,t2,….,tk。 • 假設: • 每種Classk類別的需求連線其到達速率會根據Poisson 程序分布。 • 每種Classk類別的需求連線其被服務時間會以平均值為 呈指數分布。 • 每條波長都會設有一個暫存器，我們假設此暫存器只能儲存一個需求連線。 • 若系統目前沒有足夠的頻寬供應給正在要求服務的需求連線，而且暫存器也是空的狀態，就將該需求連線存入暫存器，否則拒絕此需求連線。 • 所有類別的需求總頻寬是一樣的。 DCNLab

16. Methodology • Single-wavelength and single-hop sub-system network model。 DCNLab

17. Methodology • MDP- A single-wavelength link • nk 表示 Classk在目前單一連結下被系統服務的個數。 • 系統當下的狀態: • 如果在時間t上有一類別k存於暫存器中，則類別k在系統中的個數標記為 ；表示有 -1個類別k的連線正被系統服務，而有一個類別k的連線存於暫存器中等待被服務。 DCNLab

18. Methodology • 為了獲得系統正在服務類別k 連線的正確個數，在此使用一個矩陣變數Bfk來表示系統的暫存器內是否存有類別k 連線: • 所以類別k 連線實際存在於系統內的個數為nk- Bfk DCNLab

19. Methodology • STATEt描述的是一個連續時間的馬可夫鏈，其狀態轉移的時機會發生在一個類別k 連線的到達或離開。 • 以連續時間來觀察系統會使得系統運作相當複雜 • 為了簡化連續時間之馬可夫決策過程的複雜度，利用[15]裡提及的統一化機(Uniformization technique)將此連續時間的馬可夫鏈轉換為離散時間的馬可夫鏈。 DCNLab

20. Methodology • 假設狀態i為系統內任一狀態 DCNLab

21. Methodology • 在此將vmax定義為： • 作完統一化的過程後，我們就可以假設系統在一個時間間隔裡只會有一個事件發生。 DCNLab

22. Methodology • 接下來定義狀態i 轉移一次後所獲得的回饋方程式: • αk為連線類別K的比重 DCNLab

23. Methodology 期望回饋值： DCNLab

24. Methodology • 系統中從狀態 i 採用策略PL轉移到狀態j 的轉移機率 ： • CAC策略”PL”定義為1/0，表示接受/拒絕該被別連線。 DCNLab

25. 循環策略演算法 DCNLab

26. Example: 網路中共支援兩種類別連線需求頻寬分別為t1=1，t2=4，總頻寬T=8。 建置狀態: For n2 = 0 to for n1 = 0 to create state{n1, n2} For n2 = 0 to create state{ , n2} For n1 = 0 to create state{ n1, } (7) Methodology DCNLab

27. Methodology • 系統狀態圖： • 回饋方程式： DCNLab

28. Methodology λ={4,1} α={1,1} Load=8 λ={4,1} α={1,2} DCNLab

29. Methodology λ={8,2} α={1,1} Load=16 λ={8,2} α={1,2} DCNLab

30. Methodology • 在單一波長且單一連結的網路系統下，馬可夫決策過程模組可求得最佳的CAC策略。 • 提出一個policy-based CAC演算法將單一連結之單一波長的系統模組擴充組合成為多重連結之多重波長的系統模組。 • 公平性定義: • 每種類別連線其被阻塞的機率應該要一樣。 DCNLab

31. Policy-based CAC Algorithm: • Input：一個向系統要求頻寬的類別k 連線 • Begin • 1 使用最短路徑演算法尋找類別k 連線之起點s 到終點d 的連線路徑L • 2 計算目前整體連線被阻塞的機率P 與類別k 連線被阻塞的機率Pk • 3 For 每條波長w • 4{ • 5 if 路徑L 上的每個子系統剩餘頻寬皆可以滿足類別g 連線 • 6 { • 7 if 路徑L 上存在任一子系統其暫存器內存有任一連線 • 8 { • 9 if Pk≧P • 10 接受類別k 連線，演算法結束 • 11 else • 12 拒絕類別k 連線，演算法結束 • 13 } • 14 else • 15 以POLICYoptimal 來決定是否服務類別k 連線，演算法結束 • 16 } • 17 else //路徑L 上存在任一子系統剩餘頻寬無法滿足類別k 連線 • 18 { • 19 if 路徑L 上的每個子系統其暫存器皆為空的 • 20 將此類別k 連線存入L 中每個子系統的暫存器 • 21 else //路徑L 上存在任一子系統的暫存器內存有任一連線 • 22 考慮下一條波長 • 23 } • 24} • 25 拒絕此類別k 連線 • End DCNLab

32. DCNLab

33. Conclusion • 設置暫存器，當網路負載不同時不需調整類別的比重，皆可達到公平性，有效降低網路的負擔。 • 不須等待一段暖機時間，任何時間皆可發揮公平允入機制的功能。 • 接續: • 暫存器設置方式 • Multipath • 後備路徑 DCNLab

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