Cross-layer hybrid and optical packet switching

par Artur Minakhmetov

Thèse de doctorat en Information, communications, électronique

Sous la direction de Cédric Ware et de Luigi Iannone.

Soutenue le 04-12-2019

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec Télécom Paris (Palaiseau) (établissement de préparation de la thèse) et de Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Hind Castel.

Le jury était composé de Mounia Lourdiane, Emmanuel Lochin, Daniel C. Kilper.

Les rapporteurs étaient Nicola Calabretta, Stefano Secci.

  • Titre traduit

    Commutation de paquets optique et hybride multicouches


  • Résumé

    Les réseaux de télécommunication transparents constituent une étape de développement des réseaux entièrement électroniques. Les technologies de réseau de données actuelles utilisent déjà activement les fibres optiques et les réseaux transparents dans les réseaux centraux, métropolitains et résidentiels. Toutefois, ces réseaux reposent toujours sur la commutation électronique de paquets (EPS) pour le routage des paquets, qui rend obligatoire pour chaque paquet d'avoir une conversion de signal optique à électronique à optique (OEO). D'autre part, la commutation optique de paquets (OPS), qui semblait remplacer le système EPS, promet depuis longtemps des améliorations en termes de performances et de consommation d'énergie en s'éloignant des conversions OEO; cependant, l'absence de buffers optiques pratiques rendait OPS extrêmement vulnérable aux contentions, entraînant une réduction des performances et empêchant de tirer profit des gains de l'OPS. L'objectif de cette recherche est d'étudier la performance des réseaux avec des commutateurs tout optiques et hybrides, tandis que les activités de transmission côté serveur sont régies par des protocoles de contrôle de transport basés sur des algorithmes de contrôle de congestion (TCP CCA). Nous considérons que l'opération OPS pourrait être activée en utilisant un commutateur hybride, c.a.d. une solution au niveau de l'appareil, ainsi que des TCP CCA spécialement conçus, c.a.d. une solution au niveau du réseau, donnant naissance à des réseaux hybrides à commutation de paquets optique (HOPS). Nous étudions les réseaux de centres de données (DCN) de type OPS, HOPS et EPS associés à différentes TCP CCAs en suivant les trois axes de la performance: débit, consommation d'énergie et latence. En ce qui concerne les TCP CCA, nous considérons non seulement les solutions existantes, mais également celles développées. Si Stop-And-Wait (SAW), Selective Acknowledgment (SACK), SACK modifié (mSACK) et Data Center TCP (DCTCP) sont déjà connus, Stop-And-Wait- Longer (SAWL) est présenté ici et conçu pour tirer le meilleur du HOPS DCN. Il est démontré que les solutions de commutateurs hybrides surpassent de manière significative les commutateurs tout optiques sans buffer et atteignent le niveau de commutateurs tout électroniques en termes de débit du réseau. En termes de consommation d'énergie, les solutions hybrides peuvent économiser jusqu'à 4 fois plus d'énergie de la commutation par rapport aux solutions tout électroniques. De plus, les DCN HOPS peuvent atteindre des latences moyennes à l'échelle des microsecondes, dépassant ainsi les EPS et se situant au même niveau que les OPS. La question de l'introduction de classes de service dans HOPS DCN est examinée: on constate que les règles de commutation spécifiques en commutation hybride peuvent améliorer la performance de certaines classes sans pertes significatives d'autres..


  • Résumé

    Transparent optical telecommunication networks constitute a development step from all-electronic networks. Current data network technologies already actively employ optical fibers and transparent networks in the core, metro, and residential area networks. However, these networks still rely on Electronic Packet Switching (EPS) for packets routing, constituting obligatory for each packet optical-to-electronic-to-optical (OEO) signal conversion. On the other hand, Optical Packet Switching (OPS), seemed to be as replacement of EPS, has long promised performance and energy consumption improvements by going away from OEO conversions; however, the absence of practical optical buffers made OPS highly vulnerable to contention, incurring performance reduction, and getting in the way of profiting from OPS gains. The subject of this research lies in the investigation of the performance of OPS networks under all-optical and hybrid switches, while server-side transmission activities are regulated by Transport Control Protocols based on Congestion Control Algorithms (TCP CCAs). We consider that OPS could be enabled by use hybrid switch, i.e. device-level solution, as well by use of specially designed TCP CCAs, i.e. networklevel solution, giving birth to Hybrid Optical Packet Switching (HOPS) networks. We extensively study OPS, HOPS and EPS types of Data Center Networks (DCN) coupled with different TCP CCAs use by following the next three axes of DCN performance: Throughput, Energy Consumption, and Latency. As for TCP CCAs we consider not only existing but also newly developed solutions. If Stop-And-Wait (SAW), Selective Acknowledgment (SACK), modified SACK (mSACK) and Data Center TCP (DCTCP) are already known to the world, StopAnd-Wait-Longer (SAWL) is newly presented and is designed to bring the best out of the HOPS DCN. As a result, it is shown that hybrid switch solutions significantly outperform bufferless all-optical switches and reach the level of all-electronic switches in DCNs in terms of throughput. In terms of energy consumption, hybrid solutions can save up to 4 times on energy on switching compared to all-electronic solutions. As well HOPS DCNs can exhibit microseconds-scale average latencies, surpassing EPS and performing on the level with OPS. The question of the introduction of Classes of Service to HOPS DCN is also investigated: it was found that class-specific switching rules to hybrid switch can ameliorate the performance of certain classes without almost performance loss in others.


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