Noise-Immune Labels of Residual Codes for Improving Solution Efficiency to Packet Overflow in an Optical Label-Switched Buffer

In this paper, an optical buffering solution based on label switching is proposed, where packets are buffered by identifying and renewing the light labels of pseudo-orthogonal codes. The buffer overflow occurs when label switching fails to perform on the queued packets due to the insufficient labels. Assigning an increased code number to the buffer could reduce the overflow effect, but the decoder noise mitigates its efficiency. Therefore, we study a noise-immune labeling method of residual function by advancing the correlation properties of the existing codes. The proposed label-switching scheme improves the solution efficiency to buffer overflow as a lower code-error probability can be reached. Moreover, multiple label codes can be simultaneously generated from a shared light source to achieve a power-efficient buffer structure.

High-capacity optical switches for datacenter networks

Το διαρκώς αυξανόμενο κύμα ψηφιακού μετασχηματισμού που παρατηρείται παγκοσμίως έχει προκαλέσει δραματική αύξηση στον όγκο των δεδομένων που επεξεργάζονται και διακινούνται εντός των Κέντρων Δεδομένων (ΚΔ). Αυτή η έκρηξη στην μεταφορά δεδομένων έχει ωθήσει στο όριο τον δικτυακό εξοπλισμό των ΚΔ, ενώ παράλληλα καινοτόμες αρχιτεκτονικές που μελετώνται από την βιομηχανία ΚΔ, όπως η τεχνική διαχωρισμού πόρων, δημιουργούν επιπλέον πίεση στους βασικούς πυλώνες του δικτύου, τους μεταγωγείς δεδομένων. Σε αυτό το πλαίσιο, παρατηρείται έντονη ερευνητική δραστηριότητα στον τομέα των οπτικών μεταγωγέων δικτύου ως εξαιρετικά υποσχόμενες λύσεις που θα μπορέσουν να υπερκαλύψουν τις απαιτήσεις για εξαιρετικά υψηλό εύρος ζώνης, χαμηλή καθυστέρηση καθώς και υψηλότατο αριθμό από θύρες διασύνδεσης. Ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας ολιστικής προσέγγισης για συστήματα οπτικής μεταγωγής πακέτου υψηλής χωρητικότητας που θα καλύπτουν τα διαφορετικά επίπεδα ιεραρχίας δικτύου σε ΚΔ διαχωρισμού πόρων, όπως επίσης και η μελέτη της απόδοσής τους μέσω πειραματικών αναλύσεων και προσομοιώσεων.Ως πρώτο βήμα αναπτύχθηκε ένας οπτικός κόμβος μεταγωγής που υλοποιούσε τεχνική διευθυνσιοδότησης πακέτων μέσω φίλτρων Bloom, με σκοπό την επίτευξη υψηλού εύρους ζώνης και χαμηλής καθυστέρησης για επικοινωνία σε επίπεδο πλακέτας. Λαμβάνοντας υπόψη την τεράστια αύξηση των κόμβων δικτύου που αναμένεται σε ΚΔ διαχωρισμού πόρων, η διευθυνσιοδότηση πακέτων με φίλτρα Bloom έχει εξεταστεί ως μια τεχνική προώθησης πακέτων που μπορεί να προσφέρει μείωση της απαιτούμενης μνήμης σε συνδυασμό με ταυτόχρονη αύξηση της ταχύτητας. Η πειραματική αξιολόγηση βασίστηκε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα οπτικού μεταγωγέα 4x4, τεχνολογίας πυριτίου, σε συνδυασμό με ένα κύκλωμα επεξεργασίας επικεφαλίδων οπτικών πακέτων που υλοποιήθηκε σε πλατφόρμα FPGA. Η πειραματική αξιολόγηση ολοκληρώθηκε επιτυχώς σε ταχύτητα 10Gb/s, επιδεικνύοντας για πρώτη φορά μια ανακαθοριζόμενη και προγραμματιζόμενη διάταξη οπτικής μεταγωγής όπου η διευθυνσιοδότηση πραγματοποιείται με τη χρήση φίλτρων Bloom.Προχωρώντας στο επόμενο επίπεδο ιεραρχίας δικτύου, το Rack, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα αρχιτεκτονική οπτικού μεταγωγέα πακέτου, ονομαζόμενη «Hipoλaos», με στόχο την κάλυψη των δικτυακών απαιτήσεων της τεχνικής διαχωρισμού πόρων. Η αρχιτεκτονική «Hipoλaos» δίνει έμφαση στην υποστήριξη υψηλού αριθμού θυρών και χαμηλής καθυστέρησης κατανέμοντας της λειτουργίες μεταγωγής και ελέγχου σε πολλαπλά συμπλέγματα μεταγωγής, που ακολουθούν ένα υβριδικό μοντέλο βασιζόμενο στην τεχνική ευρείας εκπομπής και επιλογής (Broadcast-and-select) σε συνδυασμό με δρομολόγηση μήκους κύματος μέσω φραγμάτων συστοιχίας κυματοδηγών (AWGR). Παράλληλα προκειμένου να αυξηθεί η ρυθμο-απόδοση που μπορεί να προσφέρει ο οπτικός μεταγωγέας προστέθηκε η δυνατότητα προσωρινής αποθήκευσης πακέτων μέσω οπτικών γραμμών αποθήκευσης (optical buffering delay lines). Με σκοπό την εκτίμηση απόδοσης της αρχιτεκτονικής Hipoλaos πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση ενός πειραματικού πρωτότυπου μεταγωγέα, αποτελούμενου από οπτικές διατάξεις σε συνδυασμό με ελεγκτή πακέτων που αναπτύχθηκε σε πλατφόρμα FPGA, καθώς και μια συσκευή AWGR. Η πειραματική επίδειξη πραγματοποιήθηκε με επιτυχία χρησιμοποιώντας πακέτα μονο-εκπομπής (unicast) και πολύ-εκπομπής (multicast) που δρομολογήθηκαν μέσω του μεταγωγέα Hipoλaos, επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητα επιτυχούς διασύνδεσης 256 κόμβων σε ρυθμό 10 Gb/s.Στη συνέχεια μελετήθηκε η ενσωμάτωση του πειραματικού μεταγωγέα Hipoλaos σε ρεαλιστικά περιβάλλοντα δικτύου με σκοπό την επίλυση των βασικών προκλήσεων που αντιμετωπίζουν οι οπτικοί μεταγωγείς πακέτου. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης ερευνητικής προσπάθειας αρχικά μελετήθηκε πειραματικά ο συνδυασμός του μεταγωγέα “Hipoλaos” με μια πειραματική διάταξη ανάκτησης ρολογιού και δεδομένων εκρηκτικής ροής (burst-mode CDR). Η επιτυχής λήψη πακέτων μονο-εκπομπής και πολύ-εκπομπής σε ταχύτητες 25Gb/s, τα οποία προηγουμένως είχαν δρομολογηθεί μέσω του μεταγωγέα Hipoλaos 1024-θυρών, επιβεβαίωσε τη δυνατότητα κατασκευής ενός συστήματος με χωρητικότητα διαμεταγωγής 25.6Tb/s, σε συνδυασμό με χρόνους ανάκτησης δεδομένων στον εκάστοτε δέκτη της τάξης των <50ns. Σε επόμενο βήμα υλοποιήθηκε η ενσωμάτωση του μεταγωγέα Hipoλaos σε δικτυακά περιβάλλοντα που υλοποιούν τεχνολογίες Ethernet και τα οποία χρησιμοποιούνται κατεξοχήν σε ΚΔ και δίκτυα 5G. Με τη χρήση εξυπηρετητών με οπτικούς πομποδέκτες SFP+ πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση της απόδοσης του οπτικού μεταγωγέα σε ρυθμούς 10Gb/s, ενώ για την αξιολόγηση σε δίκτυα 5G υλοποιήθηκε μια ασύρματη σύνδεση με τη χρήση κεραιών mm-Wave. Kαι στις 2 περιπτώσεις επιβεβαιώθηκε η επιτυχής λειτουργία του μεταγωγέα, επιτυγχάνοντας μηδενικά σφάλματα σε χρονικό διάστημα δύο ωρών.Τέλος, για την αξιολόγηση της ρυθμο-απόδοσης και της καθυστέρησης διάδοσης που μπορούν να υποστηρίξουν οι οπτικοί μεταγωγείς σε ΚΔ αναπτύχθηκε ένας προσομοιωτής δικτύων με δυνατότητα μοντελοποίησης οπτικών μεταγωγέων πακέτου. Ο προσομοιωτής αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα Omnet++ και επιτρέπει την ανάλυση της απόδοσης του δικτύου ενός ΚΔ για ένα σύνολο συνθετικών καθώς και ρεαλιστικών μοτίβων κίνησης. Στη συνέχεια, ο προσομοιωτής χρησιμοποιήθηκε για την επικύρωση της απόδοσης του μεταγωγέα Hipoλaos θεωρώντας διαφορετικές αρχιτεκτονικές διατάξεις, μεγέθη πακέτων, τοπολογίες δικτύου, τρόπους προώθησης πακέτων και προφίλ κίνησης δεδομένων. Tα αποτελέσματα που εξήχθησαν μέσω της προσομοίωσης επιβεβαίωσαν πως η μέγιστη καθυστέρηση μέσω του μεταγωγέα Hipoλaos διατηρείται χαμηλότερα του μικρο-δευτερολέπτου ενώ η ρυθμο-απόδοση διατηρείται άνω του 90% ακόμα και για μικρό αριθμό γραμμών αποθήκευσης.

Hybrid buffer‐based optical packet switch with negative acknowledgment for multilevel data centers

In the present scenario, data centers serve many functionalities like storage, transfer of data, supporting web applications, etc. In data centers, various levels of hierarchy different types of switches are required; therefore, multifunctional data centers are desired. This paper discusses a novel design for optical switch which can be placed at various levels of hierarchy. In the proposed design, multifunctionality contention resolution schemes which consider electronic and optical buffering and all-optical negative acknowledgment (AO-NACK) are considered. In buffering technologies, contending packets are stored in either in electronic RAM or in fiber delay lines. In case of the AO-NACK scheme, contending packets are blocked, and a negative acknowledgment is sent back to the transmitting node and blocked packets are retransmitted. For various considered schemes, Monte Carlo simulation have been performed, results in terms of packet loss probability are presented, and it has been found that the performance of optical buffering is much superior to electronic buffering and AO-NACK schemes. It is found that, in the AO-NACK scheme, the numbers of retransmitted packets due to contention blocking are 33,304 which can be reduced to 7, by using a small amount of buffer at each node.

Multi-Level Buffering Services Based on Optical Packet Encoding of Composite Maximal-Length Sequences in a GMPLS Network

Generalized multi-protocol label-switching (GMPLS) provides packet-switching with multiple speeds and quality-of-services (QoSs). Packet buffering in GMPLS reduces packet loss by resolving the conflicts between packets requesting for a common channel. Presently, due to the diversity of multimedia applications, enabling multiple services in networks has become necessary. In this paper, a family of codes known as composite maximal-length sequence (CMLS) codes is introduced into an optical buffering scheme based on code-switching. A given number of available CMLS codes is divided into several code subsets. The buffer selects an unused CMLS code from a code subset and assigns it to the incoming packet. When all codes in a specific subset have been distributed to the queued packets, a free CMLS code in another subset is chosen for the new arrival. To achieve multi-level buffering services, the partition scenario with a lower subset number but with a higher number of codes in an individual subset is used as a code-assigning method for buffering high-QoS users. A two-level buffering system is demonstrated by examining the QoS of each class in terms of packet-dropping probability (PDP). The results show that different levels of PDPs can be effectively supported by a common buffer architecture.

Two-Code Keying and Code Conversion for Optical Buffer Design in Optical Packet Switching Networks

Buffering management is a crucial function in current optical packet switching (OPS) networks. To avoid packet blocking due to competition for the same switched path, optical buffering is required to queue packets after a router makes the forwarding decision. In this paper, the author proposed a buffering scheme based on optical code-division multiple access (OCDMA), where each packet is encoded with an optical signature code. An optical coding technique combining spectral-amplitude coding (SAC) and two-code keying (TCK) is introduced to advance the buffering performance regarding packet loss probability. In TCK, the payload bits “1” and “0” of a stored packet are respectively converted to a SAC signal and its complementarity. As the Hamming distance between the coding signals of bits “1” and “0” is extended, the existing drawback that the OCDMA-based buffer capacity is limited by the decoder noise increased with the number of queued SAC packets is resolved. Moreover, an encoder consisting of a fiber Bragg grating (FBG) array is applied for simplifying the system design. A SAC signal and its complementary counterpart can be generated simultaneously without the need of an extra encoder.