[논문 리뷰] Getting routers out of the core: Building an optical wide area network with "multipaths"

Davide Cuda, Raluca-Maria Indre외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 06.

Advanced Optical Network Technologies참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 파장 선택성 OXC와 중심화된 MAC 프rotocol를 활용해 공유되는 다중점 대 다중점 광경로를 가능하게 하는 '다중경로(multipaths)'를 사용하는 새로운 일체광학적 광역망(WAN) 아키텍처를 제안한다. 전자 핵심 라우터를 광학적으로 공유되는 다중경로로 대체하고, 유량 인식 기반의 동적 대역폭 할당(DBA) 알고리즘을 적용함으로써, 4 Tb/s 인터넷 서비스 공급업체(ISP) 네트워크에서 최대 1.7 MW의 에너지 절감을 달성하며, 고부하 상황에서도 거의 최대 수준의 대역폭과 낮은 지연을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 ISP 네트워크에서 전자 핵심 라우터의 확장성 부족과 에너지 비효율성 문제를 해결한다.
• 기존의 광스위칭 기반 기술인 옵티컬 패킷 스위칭(OPA)과 옵티컬 분할 스위칭(OBS)이 겪는 기술적 또는 에너지 효율성 문제를 극복한다.
• 수동 광접속망 원칙(PON 등)을 공유되는 다중점 대 다중점 광경로를 통해 광역망에 확장한다.
• 다중경로를 통해 효율적이고 충돌 없는 대역폭 공유를 가능하게 하는 MAC 프로토콜과 DBA 알고리즘을 설계한다.
• 실제 ISP 규모의 네트워크 환경에서 뚜렷한 에너지 절감과 높은 성능을 입증한다.

제안 방법

• 파장 선택성 광교환기(OXCs)를 사용해 단일 파장에서 트래픽을 융합, 분할, 또는 분배할 수 있는 다중점 대 다중점 광경로(multipaths)를 생성한다.
• EPON에 영감을 받은 중심화된 MAC 프로토콜을 구현하며, 피그박싱이 아닌 전용 제어 채널을 사용해 보고 및 승인 메시지를 전달한다.
• 다중경로 간의 조율를 통해 송신기 차단을 방지하기 위해 유량 인식 기반의 동적 대역폭 할당(DBA) 알고리즘을 도입한다.
• 부가 신호 전송을 통해 오버헤드를 줄이고 효율성을 향상시키며, 특히 저부하 상황에서 유리하다.
• 60개 노드로 구성된 클러스터와 16개의 다중경로를 사용해 실제 ISP 규모의 성능을 시뮬레이션하기 위해 네트워크를 모델링한다.
• 승인-보고 휠링 방식을 적용하여 다중경로 컨트롤러가 유량 보고를 기반으로 전송을 스케줄링하고 동적으로 대역폭을 할당한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중경로 기반 광학 네트워킹이 광역망의 핵심에서 전자 라우터의 필요성을 제거할 수 있는가?
• RQ2 다양한 트래픽 부하 조건 하에서 제안된 MAC 프로토콜과 DBA 알고리즘이 대역폭과 지연 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 다중경로 간의 조율가 네트워크 용량과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존의 라우터 기반 네트워크와 비교했을 때 제안된 아키텍처는 에너지 소비와 확장성 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 수동 광접속 원칙(PON 등)이 액세스 네트워크에서부터 국가 규모의 광학적 WAN까지 얼마나 효과적으로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 다중경로 아키텍처는 4 Tb/s ISP 네트워크에서 핵심 라우터 92대를 제거하여 약 1.7 MW의 에너지 절감을 이룬다.
• 이deal 조건 하에서 각 다중경로당 최대 8.89 Gb/s의 대역폭을 달성하며, 조율가 성능이 원래 대역폭의 100%까지 증가시킨다.
• 조율가 없이 운영할 경우 효율적인 할당과 충돌 위험으로 인해 대역폭이 원래 다중경로 속도의 63%로 떨어진다.
• 저부하 상황에서 우선순위 유형 유량(예: 대화형 및 스트리밍)의 평균 지연은 2.5 ms이며, 주로 전파 및 신호 전송 지연 때문이 다.
• 부하가 95% 이하일 동안 지연은 낮고 안정적이며, 용량에 가까워질수록 급격히 증가하여 트래픽 용량이 주요 성능 저하 요인임을 시사한다.
• 유량 인식 기반 DBA 알고리즘이 유량 간 공정한 대역폭 공유를 보장하며, 트래픽 부하가 증가함에도 불구하고 지연에 거의 영향을 주지 않으며, 비백로깅 유량의 지연에 영향을 최소화한다.