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WDM Ring Networks Introduction and Fairness Issue

WDM Ring Networks Introduction and Fairness Issue. Speaker: 林桂平 Date:2010/11/19. Outline. Introduction Optical Networks WDM WDM Ring Network WDM Slotted Ring Network Fairness Issue and Solutions Conclusion Future Works References. Optical Networks Intro.

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WDM Ring Networks Introduction and Fairness Issue

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Presentation Transcript

  1. WDM Ring Networks Introduction and Fairness Issue Speaker: 林桂平 Date:2010/11/19

  2. Outline • Introduction • Optical Networks • WDM • WDM Ring Network • WDM Slotted Ring Network • Fairness Issue and Solutions • Conclusion • Future Works • References

  3. Optical Networks Intro • 約在1960s 美國成功研發紅寶石雷射開啟了光學通訊，發展初期時光學傳輸耗損比大約為1000 dB/km，直到1980s 因技術的提升和改進將耗損率降至約0.2 dB/km的理論值。 • 光學通訊具有通訊頻寬大、低傳輸損耗、不受電磁波干擾、高保密性、絕緣性及製造材料好取得等優點。 • 依網路節點之光學元件特性區分 • 主動式光纖網路（Active optical network; AON） • 被動式光纖網路（Passive optical network; PON） 被動式元件不需耗電、節省光纜資源、佈建速度快、綜合網路建構成本低。 • EPON(Ethernet PON) • GPON (Gigabit PON)

  4. Optical Networks Intro • 依多工類型分類 • 空間多工 (Space Division multiplexing; SDM) • 分時多工 (Time division multiplexing; TDM) • 分波多工 (Wavelength division multiplexing; WDM)

  5. WDM (Wavelength Division Multiplexing) • WDM • 每個傳送端使用不同波長傳送資料 • 透過多工器可將不同波長的訊號結合傳送到光纖上 • 透過解多工器可將光源分解成不同波長的訊號 • 增加網路傳輸量 • 為光纖網路未來發展研究重點

  6. WDM 分波多工技術 • 初發展的WDM技術只能結合兩種波長(1310,1550nm)做傳輸，現今已發展到最多可到160種不同波長的資訊多工放在單一條光纖上傳輸，也就是如果一條傳輸量為 10 Gbit/s 的光纖應用WDM技術可將傳輸量提升至1.6 Tbit/s。 • DWDM(DenseWavelength-Division Multiplexing) • 高密度波長分割多工 • 結合EDFA(光纖放大器)獲得突破性發展 • 發展初期4~8 通道 ,現今可達到160 通道以上 • 波長間距 <0.8 nm(使用EDFA放大率最佳的波長區間1550 nm ) • 要求技術高，成本高 • CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing) • 低密度波長分割多工 • 波長間距 > 20 nm(使用的波長區間為1271~1611 nm ) • 使用4~8 個通道 • 技術要求較低，成本低(約為DWDM的30%) • 多用於短距離傳輸

  7. WDM • 光發射器、光接受器 • 固定式Fixed Transmitter/Receiver ( FT/FR ) • 調變式Tunable Transmitter/Receiver ( TT/TR ) • 不同組合的架構TT-FR,CFT-FR,FT-TR,FT-CFR • C表示通道channel個數,ex: FT-4FR 但成本會隨著通道數增加而提高。

  8. Ring Network • 環狀網路是一種非常受歡迎的網路拓撲，尤其是都會網路(Metropolitan Area Network)或廣域網路(Wide Area Network)，常以Ring的型態來建構，因環狀網路具有以下特點： • 簡單的結構 (Architecture) 及 錯誤容忍力(Fault Tolerant)。 • 在環狀網路上，很自然地具有 繞送(Routing)的功能。 • 擴充性(Scalable)能力佳。 • 在環狀網路上增加或減少節點 比其他拓撲來的容易。 • 在使用目的端移除的方式下， 頻寬再利用率高(Spatial Reuse)。 • 對於所有環狀網路上的節點，其頻道的分配較為容易。 • 網路天生具有Multicast及Broadcast的能力。

  9. WDM Ring Network • WDM Ring Network • Slotted Ring Network • WDM Slotted Ring Network • Fairnessissues and solutions • FFR • MMR • M-ATMR • Improve • M-FECCA

  10. Slotted Ring Network(時槽式環狀網路) • 將網路位元長度(即網路上可同時存在的位元數) 分割成若干個固定長度的時槽 • 傳送資料切割成符合時槽 的固定大小。 • 時槽格式 • 標頭 • 目的端 • 傳送端 • 資料 • Spatial Reuse • 目的端移除 • 時槽可再利用

  11. WDM Slotted Ring Network • 探討FT-TR架構的全雙向 WDM時槽式環狀網路 • 全雙向環狀網路： • 網路其中一段斷線，可用 另一方向網路做支援。 • 選擇最短路徑 • 調變波長發射器可於 不同通道(波長)傳送資料 • 固定式波長接收器只可在單一通道進行資料接收 • 在一個時槽時間內可調變一次

  12. First Fit(FF) • 獨立一組波長來做控制通道使用。 • 使用一組固定波長的收發器對控制通道執行偵測及預約(寫入)。 • 利用控制通道上的時槽表示下個時槽時間各條通道上的時槽狀態，以達到預知時槽是否空閒的效果。 • 將Control Slot 細切為 w個 mini slot (為資料通道數)，紀錄下個時槽時間的時槽是否為空，以及資料目的端地址。

  13. First Fit(FF) • 偵測到空時槽，若該空時槽代表之通道有資料等待傳輸，則用收發器將資料目的地址寫入小時槽內，進行預約的動作，反之繼續掃描。 • 偵測到小時槽內資料位址為自己，則將小時槽設為空，並於下個時槽時間將封包取走，以供下游節點利用。 • 每次皆從頭掃描，造成通道存取不公平(TT-FR)。

  14. First Fit with Rotation(FFR) • 相同於FF的方式來偵測可傳輸的通道。 • 將小時槽所代表的通道用迴旋(Rotation)的方式做變化，以達到每個通道的存取率能夠平均。

  15. MMR(Multi-Metaring) • 環狀網路會有傳輸節點優先權的問題，若僅使用FFR存取機制在網路流量過載的狀態下，資料來源對於優先權較低之目的端會有餓死的現象。 • MMR為Metaring中控制機制之延伸 • 利用SAT控制訊號來達成各節點存取資料的公平性。 • 每一個節點在接受到SAT時，可傳輸一固定資料限額(Quota)。 • 同理在MMR中對每一個資料通道都加上SAT控制訊號。 • SAT訊號和傳送資料封包同方向 一起於環形網路中繞送。 • 解決傳輸節點優先權問題。 w 個資料通道(不同波長) w 個SAT訊號

  16. FFR與FF模擬比較結果 • 比較FFR與FF在高負載主從式網路下，伺服器對每一客戶端流量。 • 環狀網路上有16個節點、任兩個節點間隔16個時槽、傳輸限額為500資料封包 • 總流量Tt = 6, 伺服器產生負載流量為 Ts = T/3 = 2.0 • 客戶端對伺服器平均流量為 Tc = 2/15= 0.1333 • 通道吞吐量 0.1333*7.5 =1

  17. M-ATMR ( Multi-Asynchronous Transfer Mode Ring) • 在時槽式WDM網路中每個通道的每個時槽Header中加入一個Busy Address欄位。 • 每一個節點在每一個傳輸通道分配一固定的傳輸限額。 • 當時槽經過節點時，若節點為活動節點時，將自身的Address寫入Busy Address 欄位， 若為非活動節點時停止寫入。 • 活動節點：傳輸限額未用完且有資料等待傳輸。 • 非活動節點：傳輸限額已用完，或無資料等待傳輸。 • 發現傳輸通道上時槽內Busy Address與自己相同，表示通道上其他所有節點皆為非活動節點，代表各節點皆以滿足傳輸，而後發出Reset訊號建立新的傳輸週期並於下個時槽時間可以開始傳送資料，而Reset訊號繞行一圈後移除。 • 通道上收到Reset訊號之節點，皆開始一個新的傳輸週期。

  18. M-ATMR(1) • 當時槽經過節點時， 若節點為活動節點時， 將自身的Address寫入 Busy Address 欄位， 若為非活動節點時停止寫入。

  19. M-ATMR(2) • 當時槽經過節點時， 若節點為活動節點時， 將自身的Address寫入 Busy Address 欄位， 若為非活動節點時停止寫入。

  20. M-ATMR(3) • 只要收到BA值 為其他節點位置 即表示網路上還有 節點未滿足傳輸

  21. M-ATMR(4) • 發現傳輸通道上 時槽內Busy Address 與自己相同，表示通道 上其他所有節點皆為 非活動節點，代表各節點皆以滿足傳輸

  22. M-ATMR(5) • 節點收到reset訊號 後傳輸限額歸零， 開始新的傳輸。

  23. M-FECCA (Multi Fair and Efficient Cyclic Control Algorithm) • 為M-ATMR演算法之延伸，與M-ATMR相反的是使用反向的環狀網路來傳輸控制訊號(busy address)。 • 反向傳輸控制訊號可讓上游節點第一時間知道下游節點的傳輸狀態。 • 在此全雙向環狀網路中，將傳輸資料通道稱 Ring A，傳輸控制訊號通道稱 Ring B。 • 因此Ring A 之節點可藉由反向Ring B 之控制訊號得知下游節點狀態。 • 利用busy header得知下游節點狀態下，若在條件成立，非活動節點可在不影響公平傳輸原則下，傳輸額外的資料給下游節點。

  24. M-FECCA • 現在節點7有資料 欲傳送至節點2。 • 節點7由BA=2得知 節點0與節點1為非活動節點。 • 因為空間再利用特性 • 節點7傳送額外資料時 不會佔用節點2的下游節點頻寬。

  25. M-FECCA 與 M-ATMR 模擬數據比較 • 假設網路上有24個節點。每一個網路節點在每一個傳輸週期分配相同的Windows size 大小，代表其傳輸限額(Quota)，且傳輸通道中時槽的數目與節點的數目相等（24 slots） 。 • 在不同的windows size的選擇下，觀察兩者公平性演算法的網路效能變化。

  26. M-FECCA 與 M-ATMR 模擬數據比較 • 不論 windows size 的大小為何，M-FECCA 都可以得到較佳的網路效能。 • window size 越小，M-FECCA相對於 M-ATMR所得到的網路效能增益越大。 • 因window size 越小時 M-ATMR浪費許多時間在等待另一個傳輸週期的開始，因此網路頻寬的使用率低，網路效能也較差。

  27. Conclusion • 在全光學分波多工時槽式環狀網路下結合FFR和MMR的控制機制，使用FFR能更準確的選擇可利用的傳輸通道，進而提升網路輸出量。而MMR可解決環狀網路上節點傳輸優先權的問題。 • M-FECCA演算法的可使得網路上的上游網路節點在不影響下游網路節點傳輸的公平性與不增加傳輸週期長度的情況下在每一個傳輸週期增加額外傳輸資料封包的機會，達到在不影響公平原則下增加網路頻寬的使用率。

  28. WDM 連結式環狀網路 • 許多文獻指出連結式環狀網路在效能表現上比單一環狀網路高 • 不同區域的WDM網路可使用相同的波長通道傳輸且不互相影響， 因而可降低成本

  29. Future work • 改良現有的WDM環狀網路存取控制機制。 • 探討WDM連結式環狀網路架構下可能所遭遇到之公平性問題及解決方法。 • 使用模擬軟體驗證。

  30. References [1]C. H. Yeh, C. W. Chow,” PHYSICS BIMONTHLY”, The Physical Society of Republic of China (Taiwan), p.30 ,2010 [2] Motorola, Inc, “WDM/CWDM/DWDM: Segmentation Primer- Maximizing Capacity for Revenue”, White paper, 2008 [3] Photonics Industry & TechnologyDevelopment Association, “光分波多工技術”, 光連雙月刊 Vol. 11, 1997 [4] Bianco, A., Cuda, D., Finochietto, J., Neri, F.,” Multi-MetaRingProtocol:Fairness in Optical Packet Ring Networks,IEEE International Conference on Communications, 2007 [5] 王炫煇, “具可擴充性之分波多工光學網路的設計”, 國立台北科技大學電腦通訊與控制研究所碩士學位論文, 1999 [6] 張萬榮,“分封交換光學網路之研究”,國立台北科技大學資訊工程所碩士學位論文, 2003 [7] M. Maier “Optical Switching Networks”, Cambridge University Press, chapter 1, 2008 [8] http://www.cs.nthu.edu.tw/~nfhuang/chap01.htm#1 , “區域網路與高速網路架構” [9] http://www.csie.mcu.edu.tw/~jerry/net/ ,”Chapter 8-2 環狀網路

  31. Q&A Thanks for your attention

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