[論文レビュー] Getting routers out of the core: Building an optical wide area network with "multipaths"

Davide Cuda, Raluca-Maria Indre+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Advanced Optical Network Technologies参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、波長選択型OXCsと集中型MACプロトコルを用いて実現される、共有で多点対多点の光路（multipaths）を活用した、画期的な全光ワイヤレスエリアネットワーク（WAN）アーキテクチャを提案する。電子的コアルーターを光的に共有されるmultipathsに置き換え、フローに配慮した動的帯域幅割り当て（DBA）アルゴリズムを採用することで、4 Tb/sのISPネットワークにおいて最大1.7 MWのエネルギー削減を達成し、高負荷下でもほぼ最大スループットを維持し、遅延は低く抑えられる。

ABSTRACT

We propose an all-optical networking solution for a wide area network (WAN) based on the notion of multipoint-to-multipoint lightpaths that, for short, we call "multipaths". A multipath concentrates the traffic of a group of source nodes on a wavelength channel using an adapted MAC protocol and multicasts this traffic to a group of destination nodes that extract their own data from the confluent stream. The proposed network can be built using existing components and appears less complex and more efficient in terms of energy consumption than alternatives like OPS and OBS. The paper presents the multipath architecture and compares its energy consumption to that of a classical router-based ISP network. A flow-aware dynamic bandwidth allocation algorithm is proposed and shown to have excellent performance in terms of throughput and delay.

研究の動機と目的

• 大規模ISPネットワークにおける電子的コアルーターのスケーラビリティとエネルギー非効率性を解決すること。
• OPSやOBSといった既存の光スイッチングパラダイムが直面する技術的課題やエネルギー効率の問題を克服すること。
• PONのような受動的光アクセスネットワーキングの原則を、共有で多点対多点の光路を用いて広域ネットワークに拡張すること。
• 複数のmultipathにわたる効率的かつ衝突のない帯域幅共有を可能にするMACプロトコルとDBAアルゴリズムの設計。
• 現実的なISP規模のネットワークシナリオにおいて、顕著なエネルギー削減と高い性能を実証すること。

提案手法

• 波長選択型光クロスコネクト（OXCs）を用いて、1本の波長上で複数のノード間を統合・分岐・配分する多点対多点光路（multipaths）を構築する。
• EPONをインspiredとした集中型MACプロトコルを実装し、ピグバックではなく専用の制御チャネルを用いて報告および許可メッセージを送信する。
• 複数のmultipathにわたる割り当てを調整するフローに配慮した動的帯域幅割り当て（DBA）アルゴリズムを導入し、送信機のブロッキングを防止する。
• 帯域外シグナリングを採用することで、特に低負荷時においてオーバーヘッドを低減し、効率を向上させる。
• 60ノードのクラスタと16のmultipathを用いて、実際のISP規模の性能をシミュレートするネットワークモデルを構築する。
• 許可報告ポーリング方式を適用し、multipathコントローラがフロー報告に基づいて送信をスケジューリングし、帯域幅を動的に割り当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多路光ネットワーキングを用いることで、広域ネットワークのコア部における電子的ルーターの必要性を排除できるか？
• RQ2 変動するトラフィック負荷下で、提案されたMACプロトコルとDBAアルゴリズムのスループットと遅延性能はどの程度か？
• RQ3 複数のmultipath間の連携が、ネットワーク容量とエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ4 従来のルーター搭載ネットワークと比較して、提案アーキテクチャのエネルギー消費とスケーラビリティはどのように異なるか？
• RQ5 受動的光共有原理（PON）をアクセスネットワークから国レベルの光WANまでどの程度拡張可能か？

主な発見

• 提案されたmultipathアーキテクチャにより、4 Tb/sのISPネットワークで92台のコアルーターが不要となり、推定エネルギー削減は1.7 MWに達する。
• 理想的な条件下では、1つのmultipathあたり最大8.89 Gb/sのスループットを達成し、連携により原始帯域幅の100％まで容量を引き上げる。
• 連携がなければ、スループットは原始multipathレートの63％まで低下する。これは非効率な割り当てと衝突リスクによるものである。
• 低負荷時、優先度の高いフロー（例：会話型およびストリーミング）の平均遅延は2.5 msであり、主に伝搬遅延とシグナリング遅延によるものである。
• 95％の負荷以下では遅延が低く安定しており、容量に近づくと急激に上昇する。これは、トラフィック容量が主な性能ボトルネックであることを示している。
• フローに配慮したDBAアルゴリズムにより、フロー単位の公平な帯域幅共有が保証され、トラフィック負荷が増加してもスループットが高く維持され、バックログのないフローの遅延にほとんど影響を与えない。