Presentation Issues. Design of DWDM Optical Packet Networks. Ing. Giovanni Muretto PhD student

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1 Design of DWDM Optical Packet Networks Ing. Giovanni Muretto PhD student Muretto Giovanni 5/6 Presentation Issues Adaptive Routing in DWDM Optical Packet Switched Networks QoS in DWDM OPS Networks

2 DWDM Optical Packet-Switched Network TCP/IP Networks Optical Packet Switch WDM Link Edge Router Targets DWDM Optical Packet Switched Network Pure connectionless scenario Time and wavelength domain to solve congestion within core optical packet switches Explore the effectiveness of the congestion resolution algorithms at the network level Design forwarding algorithms able to: take into account the actual state of the network smartly use the WDM domain provide a fine synergy with congestion resolution algorithms

3 Main Assumptions Packet format: Asynchronous Variable Length Packet (AVLP) FDLs buffer for optical queuing in OPSs Congestion resolution algorithm working to: minimize voids between subsequent queued packets maximize wavelength utilization λ λ λ 3 λ 4 t t +D t +D t +3D t +4D D GAP Mingap performances Mingap outperforms other politics on the congestions resolution Probabilita' di perdita e- e- e-3 e-4 e-5 e-6 RND RR RNE RNF MINL MING D 3

4 Algorithms for adaptive routing Routing algorithms can be static or dynamic/adaptive Static: routing tables defined once for all Adaptive: considers alternatives to shortest path depending on the state of the network In a DWDM OPS network the aim is to: Combine the flexibility of adaptive routing with the power of WDM at various level Design routing procedures outperforming the conventional shortest path routing Definition of the routing path sets and routing algorithm actions By knowing the network topology: find the whole set of paths per source/destination pair calculate the related costs (hops) Define: default set: used at the first attempt to route a packet alternate set: used when the default set is not available (congested). If an available wavelength is not found the packet is dropped Wavelength sharing: WDM is applied among a different number of path according to the diverse routing agorithms 4

5 Wavelength sharing Two wavelength strategies considered: Partial Sharing: WDM within a single fiber identified in the default set which includes only a shortest path. In case of congestion alternate set is considered alternate set SOURCE Wavelength Selection DESTINATION default set Wavelength sharing Two wavelength strategies considered: Partial Sharing: WDM within a single fiber identified in the default set which includes only a shortest path. In case of congestion alternate set is considered alternate set Wavelength Selection SOURCE default set congestion DESTINATION 5

6 Wavelength sharing Two wavelength strategies considered: Complete Sharing: WDM extended to the fibers of a given set of routes. The set is unique and may include several choices depending on the algorithm SOURCE Wavelength selection DESTINATION Wavelength sharing Two wavelength strategies considered: Complete Sharing: WDM extended to the fibers of a given set of routes. The set is unique and may include several choices shortest or not. SOURCE Wavelength Selection congestion congestion DESTINATION 6

7 Path alternatives Single Link Choice (SLC): no alternative, wavelength multiplexing on a shortest path only Single Alternative (SA): the alternative is represented by another shortest path when available Multiple Alternative (MA): besides the available shortest paths, the paths with length equal to shortest + hop may be considered All Link Choice (ALC): all possible paths included in the default set Partial Sharing Algorithms Single Link Choice (SL) : basically the case of partial sharing with an empty alternate set Only a shortest path is considered Partial Sharing with Single Alternative (PS-SA) default set composed by one of the shortest path alternative set composed by other shortest paths when available Alternative set may be empty Partial Sharing with Multiple Alternative (PS-MA) default set composed by one of the shortest path Alternative set considers other shortest paths first if available. If congestion arises it applies the wavelength sharing to the paths of higher cost 7

8 Complete Sharing Algorithms Complete Sharing with single alternative (CS-SL) default set composed by all shortest path available Wavelength sharing may be applied among more than one fiber at the same time Complete Sharing with Multiple alternative (CS-MA) if shortest paths are available then default set as before otherwise it includes a shortest path and all longer paths Complete Sharing with All Alternative (CS-AL) all alternatives, shortest or not, are included in the default set Wavelength sharing is applied to all possible fibers. Problem statement Given: Network topology Traffic matrix Calculate: The number of wavelengths per fiber to obtain a given traffic load per wavelength depends on the default set of routes used by the specific algorithms Network Performance Packet Loss Probability Average number of crossed hops Average number of wavelength per link 8

9 Simulation setup Oslo Stockholm London Brussels Berlin Warsaw Frankfurt Paris Lyon Vienna Budapest Milan Madrid Rome Athens Network topology: semplification of the European Optical Network considered in COST action 66 5 nodes and 4 bi-directional links (.5 Gbps) Exponential packet size distribution Optical buffer: 4 FDLs with time granularity= 5 bytes Numerical results () Comparison in terms of PLP for different routing algorithms e-3 e-4 PLP e-5 e-6 SL PS-SA PS-MA CS-SA CS-MA CS-AL 9

10 Numerical results () Routing algorithms comparison in case of balanced load. Algorithm SL Mean # of s per link 36,45 Mean # of hops,36 PS-SA 36,45,36 PS-MA 36,45,36 CS-SA 36,89,36 CS-MA 46,33,96 CS-AL 48,9 3, Numerical results (4) PLP as a function of the number of FDLs in the core switches e- e- SL PS-SA PS-MA CS-SA CS-MA CS-AL PLP e-3 e-4 e Number of FDLs

11 Conclusions Few routing algorithms for OPN exploiting WDM have been proposed and compared Static and dynamic/adaptive Trade-off between performance (Ploss) and network cost (# of wavelengths) Adaptive routing perform better but with higher network cost Future studies: connection oriented scenario adaptive routing in presence of network restoration scheme QoS aware adaptive routing Scenario con gestione della QoS Realizzare algoritmi in grado di implementare service differentiation classi di traffico Classe prioritaria garantita in termini di perdita di pacchetto Classe best effort, la rete non offre nessuna garanzia La Service Differentiation avviene sostanzialmente con due tecniche A livello di instradamento A livello di nodo nella gestione delle contese

12 Tecniche differenziate per l Instradamento Pacchetti prioritari (High Priority class) instradati sempre sul percorso di lunghezza minima per ottimizzare il ritardo di trasmissione instradamento senza alternative (SL) Pacchetti non prioritari (Low Priority class) due strategie Instradamento senza alternative. Solo un link di costo minimo per trasmettere il pacchetto (SL) Instradamento con più alternative. In caso di congestione sul link di costo minimo si cercano percorsi alternativi (PS) Tecniche per ottenere la differenziazione fra le due classi a livello di nodo: Tecnica a soglia Numero di lunghezze d onda garantite alla classe prioritaria Tutti i pacchetti sono accodati nel buffer se il numero di lunghezze d onda disponibili è superiore alla soglia Se il numero di lunghezze d onda in congestione supera la soglia i pacchetti non prioritari sono scartati accodato su λ 3 occupazione < soglia = λ λ λ λ 3 λ 4 t t +D t +D t +3D t +4D

13 Tecniche per ottenere la differenziazione fra le due classi a livello di nodo: Tecnica a soglia Numero di lunghezze d onda garantite alla classe prioritaria Tutti i pacchetti sono accodati nel buffer sel il numero di lunghezza d onda disponibili è superiore alla soglia Se il numero di lunghezze d onda in congestione supera la soglia i pacchetti non prioritari sono scartati λ λ λ 3 λ 4 scartato t t +D t +D t +3D t +4D occupazione >= soglia = λ Topologia di rete considerata 5 nodi, links bidirezionali (.5Gb/s) Algoritmo per la risoluzione di congestion:mingap Buffer con 4 linee di ritardo (4 FDLs) Pacchetti di lunghezza variabile 3 4 3

14 Metodologie per la distribuzione delle risorse. 6 lunghezze d onda per link La matrice di traffico è calcolata per avere tutte le lunghezze d onda caricate a.8 6 lunghezze d onda sui link, 9 lunghezze d onda totali. Lunghezze d onda calcolate in base al traffico in ingresso e ad un prefissato valore del carico medio per lunghezza d onda Il numero di lunghezze d onda sui link è calcolato per avere tutte le lunghezze d onda caricate a.8 Il numero di lunghezze d onda totale è 96 Prestazioni(). 6 lambda per link % di traffico prioritario e- probabilità di perdita e- e-3 e-4 e-5 e-6 e-7 SL LP PS LP SL HP PS HP e numero di lambda riservate 4

15 Curve a parità di perdita Fissato il numero di lunghezze d onda garantite Permettono di determinare la percentuale massima di traffico prioritario Percentuale traffico prioritario Curve a parità di perdita Numero di lunghezze d'onda garantite Una volta fissate: SL -6 SL -5 SL -4 Probabilità di perdita massima per la classe prioritaria Percentuale massima di traffico prioritario ammessa per la rete Permettono di determinare la percentuale di lunghezze d onda da assegnare alla classe prioritaria Probabilità di perdita al variare della percentuale di traffico prioritaria 3 lunghezze d onda garantite alla classe prioritaria: Per la classe non prioritaria l incremento è contenuto La probabilità di perdita di entrambe le classi aumenta Per la classe prioritaria la probabilità di perdita cresce rapidamente con il traffico prioritario e- probabilità di perdita e- e-3 e-4 e-5 e-6 SL LP PS LP SL HP PS HP e percentuale di traffico prioritario 5

16 Effetti della distribuzione non uniforme della probabilità di perdità Numero di lunghezze d onda non uniforme sui link Causa sbilanciamento della probabilità di perdita globale link link link link3 link4 link5 link6 link7 link8 link9 link link ,4E-3,E+ 3,93E-5,56E-5 9,77E-4 9,E-4,7E-5,5E-3 5,97E-4,3E-3,7E-3,36E- Probabilità di perdita elevata sui link con poche lunghezze d onda per effetto della condivisione dei buffer Poche lunghezze d onda garantite Compromette la probabilità di perdita della classe prioritaria Per tutelare la classe prioritaria Migliorare la perdita sui link Procedura iterativa per garanzia di probabilità di perdita sui link () Simulatore utilizzato in modo iterativo: Acquisisce la probabilità di perdita massima accettata sui link Si aggiunge una lunghezza d onda sui link in cui è superato il valore massimo Procedimento ripetuto fino a che tutti i link non presentano perdita inferiore al valore massimo ammesso Lunghezze d onda aggiunta nei punti critici della rete SVANTAGGI: tempo di simulazione N volte maggiore (N numero iterazioni) Aumento del costo dei link 6

17 Procedura iterativa per garanzia di probabilità di perdita sui link () link link link link 3 link 4 link 5 link 6 link 7 link 8 link9 link link TOTALE,E-,E-3 6,E-4 9,E-5 3 Per probabilità di perdita garantita sui link aumento di lunghezze d onda è contenuto Consente di migliorare in presenza di QoS La perdita per la classe prioritaria migliora notevolmente Conclusioni Si sono realizzati e confrontati algoritmi di instradamento che implementano la QoS in rete ottica a pacchetto DWDM Permettono di ottenere: buona differenziazione fra le due classi di servizio perdita garantita per la classe prioritaria perdita limitata per la classe non prioritaria Con aumento limitato di lunghezze d onda nei punti critici della rete si riescono ad ottenere le prestazioni desiderate per entrambe le classi di servizio 7

18 Affidabilità La rete deve essere in grado di fronteggiare dei failure che causano tempi di fuori servizio: Link failure Node failure (più disastroso) link failure 3 node failure Protection e Restoration Protection messa in atto in fase di set-up di una connessione oltre a dedicare le risorse necessarie ad una connessione, si prenotano risorse aggiuntive da utilizzare in caso di guasto rapido ripristino della connettività inefficiente uso della banda (risorse prenotate inutilizzate) Dynamic Restoration messa in atto a guasto avvenuto si cercano delle risorse disponibili per ripristinare la connettività uso più efficiente della banda tempi di ripristino più lunghi non garantisce il ripristino: potrebbero non esserci risorse sufficienti disponibili 8