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

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

Optical Networks Intro 3  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)

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) 4

WDM (Wavelength Division Multiplexing) 5  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

WDM 分波多工技術 6  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 (Dense Wavelength-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

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。 7

Ring Network 8  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。

WDM Ring Network 9  WDM Ring Network  Slotted Ring Network  WDM Slotted Ring Network  Fairness issues and solutions  FFR  MMR  M-ATMR  Improve  M-FECCA

Slotted Ring Network( 時槽式環狀網路 ) 10  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

WDM Slotted Ring Network 11  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

First Fit (FF) 12  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。

First Fit (FF) 13  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) 。

First Fit with Rotation(FFR) 14  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。

MMR(Multi-Metaring) 15  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

FFR 與 FF 模擬比較結果 16  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=  通道吞吐量 *7.5 =1

M-ATMR ( Multi-Asynchronous Transfer Mode Ring) 17  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。

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。 18

M-ATMR(2) 19  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。

M-ATMR(3) 20  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

M-ATMR(4) 21  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

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

M-FECCA (Multi Fair and Efficient Cyclic Control Algorithm) 23  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。

M-FECCA 24  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。

M-FECCA 與 M-ATMR 模擬數據比較 25  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。

M-FECCA 與 M-ATMR 模擬數據比較 26  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。

Conclusion 27  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。

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 28

Future work 29  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。

References 30 [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 & Technology Development 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-MetaRing Protocol: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] “ 區域網路與高速網路架構 ” [9] 環狀網路

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