Multi-layer traffic engineering in optical networks under physical layer impairments
Optik ağlarda fiziksel katman bozuklukları altında çok katmanlı trafik mühendisliği
- Tez No: 275088
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EZHAN KARAŞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2010
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 192
Özet
Bu araştırmada Çoklu Protokol Etiket Anahtarlaması (Multiprotocol Label Switching MPLS)/Dalga Boyu Bölüşümlü Çoğullama (Wavelength Division Multiplexing: WDM) ağlarında trafik mühendisliği (Traffıc Engineering: TE) incelenmiş ve çok katmanlı bir TE yöntemi önerilmiştir. MPLS, IP ağları için güçlü TE özellikleri sağlamaktadır ve omurga ağlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. WDM, optik fiberlerin iletim kapasitesini çok yüksek miktarlara çıkarabilir, bu yüzden optik katmanda kullanılan hakim çoğullama teknolojisidir.Önerilen çok katmanlı TE çözümü, ağ kaynaklarının MPLS ve WDM katmanlarındaki TE mekanizmalarının eşgüdümlü çalıştığı verimli kullanımına olanak sağlamaktadır. Sabit bir WDM katmani ve trafik beklentisinin önceden mevcut olduğu farzedilmiştir. Ele alınan senaryoda ortaya çıkan TE problemi, Sanal Topoloji Tasarımı (Virtual Topology Design: VTD) problemidir ve kurulacak WDM ışıkyollarının belirlenmesi, MPLS Etiket Anahtarlamalı Yollarının (Label Switched Path: LSP) ortaya çıkan sanal topolojide yönlendirilmesi ve fiziksel topolojı üzerinde sanal topolojıdeki ışıkyollarına karşılık gelen yol ve dalgaboylarının hesaplanmasını içerir. Gün içinde saate göre değişen bir trafik modeli farzedilmiştir ve amaç tüm gün boyunca sunulan trafiğin mümkün olduğunca çoğunu karşılayan sabit bir sanal topolojı tasarlamaktır.Önerilen çözümde çok katmanlı VTD problemi, her biri tek bir katmana karşılık gelen iki alt probleme ayrıştırılarak çözülmektedir. Bu tezde kullanılan ayrıştırma yaklaşımının sebebi, birleşik çözümün gerçek ağlar için getirdiği büyük hesaplama yüküdür. MPLS katmanındaki alt problem ışıkyolu topolojisinin tasarımı ve sanal topoloji üzerindeki LSP yollarının hesaplanmasıdır. Bu problemin NP-tam olduğu bilinmektedir ve en iyi çözümünün bulunması yalnızca küçük boyutlu ağlar için olanaklıdır. Bu problemin kaynak yönelimli ve başarım yönelimli olmak üzere iki versiyonunu çözmek için Tabu Araştırmaya dayalı buluşsal bir yöntem geliştirilmiştir. Alt ve üst sınırlar elde etmek için Tamsayılı Doğrusal Programlama (Integer Linear Programming: ILP) gevşetimleri de geliştirilmiştir. Üretilen çözümler ile alt ve üst sınırlar arasındaki farkın kaynak ve başarım yönelimli problemler için sırasıyla %10 ve %7 civarında olduğu gösterilmiştir.Gerçek trafik beklenti değerlerinden sapmalar gösterebileceği için trafik akımlarındaki dalgalanmaları dengelemek amacıyla bir MPLS katmanında çalışan bir çevrimiçi TE yöntemi de geliştirilmiştir. Önerilen yöntemde LSP'ler özel tasarlanmış bir gider fonksiyonu kullanılarak dinamik bir şekilde yeniden yönlendirilmektedir. Sayısal sonuçlar, tasarlanan gider fonksiyonunun kullanımının literatürde yaygın olarak kullanılan İlk Önce En Geniş En Kısa Yol ve İlk Önce Uygun En Kısa Yol yaklaşımlarının kullanımından çok daha düşük engellemelere yol açtığını göstermektedir.Çok katmanlı VTD probliminin WDM katmanına karşılık gelen alt problemi Sabit Işık Yolu Kurulumu (Static Lightpath Establishment: SLE) problemidir. Kapasite ve dalgaboyu sürekliliği kısıtları ile beraber zayıflama, polarize mod saçılımı ve anahtar çapraz girişimi gibi fiziksel katman bozukluklarından kaynaklanan Bit Hata Oranı (Bit Error Rate: BER) kısıtları da göznüne alınmıştır. Bu problem, BER kısıtları olmadığı durumda bile NP-tamdır. Buluşsal bir çözüm yöntemi önerilmiş ve eksiksiz bir ILP formülasyonu geliştirilmiştir. Önerilen yöntem, en iyi çözümlerinin ILP formülasyonu çözülerek bulunabildiği durumlarda en iyi çözümlere yakın çözümler üretmektedir.Daha sonra, tek katmanlı alt problemler için önerilen bu çözüm yöntemleri, her iki katmandaki problemleri birleşik olarak çözmek için çok katmanlı bir TE tasarımında birleştirilmiştir. Önerilen TE tasarımı, fiziksel katman kısıtlamalarını ve optik bozulmaları göz önünde bulundurmaktadır. Bu TE tasarımı, her katmanın bilgilerini diğer katmandan saklı tutarak uygulanabilmektedir fakat benzetimler göstermektedir ki fiziksel katman bilgisi MPLS katmanıyla paylaşıldığında daha verimli ve etkili çözümler üretebilmektedir. Bozulma özellikleri açısından birörnek olmayan optik bileşenlerin etkisi de incelenmiştir. Sayısal sonuçlar, ağdaki bütün bileşenlerin makul ölçüde bozulma özelliklerine sahip olduğu durumlarda bazı bileşenlerin daha iyi, bazılarının ise daha kötü bozulma özellikleri olduğu duruma gore daha fazla trafiğin yönlendirilebildiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
We study Traffic Engineering (TE) in Multiprotocol Label Switching (MPLS)/Wavelength Division Multiplexing (WDM) networks and propose a multi-layer TE method. MPLS provides powerful TE features for IP networks and is widely deployed in backbone networks. WDM can increase the transmission capacity of optical fibers to tremendous amounts, therefore it has been the dominant multiplexing technology used in the optical layer.The proposed multi-layer TE solution facilitates efficient use of network resources where the TE mechanisms in the MPLS and WDM layers coordinate. We consider a static WDM layer and available traffic expectation information. The TE problem arising in the considered scenario is the Virtual Topology Design (VTD) problem, which involves the decision of WDM lightpaths to be established, calculation of MPLS Label Switched Paths (LSPs) on the resulting virtual topology, and calculation of the routes and wavelengths in the physical topology that correspond to the lightpaths in the virtual topology. We assume a daily traffic pattern changing with the time of day and aim to design a static virtual topology that satisfies as much of the offered traffic as possible, over the whole day.In our proposed solution, the multi-layer VTD problem is solved by decomposing it into two sub-problems, each involving in a single layer. The decomposition approach is used in the thesis due to the huge computational burden of the combined solution for real-life networks. The sub-problem in the MPLS layer is the design of the lightpath topology and calculation of the LSP routes on this virtual topology. This problem is known to be NP-complete and finding its optimum solution is possible only for small networks. We propose a Tabu Search based heuristic method to solve two versions of this problem, resource oriented and performance oriented. Integer Linear Programming (ILP) relaxations are also developed for obtaining upper and lower bounds. We show that the gap between the produced solutions and the lower and upper bounds are around 10% and 7% for the resource and performance oriented problems, respectively.Since the actual traffic can show deviations from the expected values, we also developed an MPLS layer online TE method to compensate the instantaneous fluctuations of the traffic flows. In the proposed method, the LSPs are rerouted dynamically using a specially designed cost function. Our numerical studies show that using the designed cost function results in much lower blockings than using commonly used Widest Shortest Path First and Available Shortest Path First approaches in the literature.The corresponding sub-problem of the multi-layer VTD problem in the WDM layer is the Static Lightpath Establishment (SLE) problem. Along with the capacity and wavelength continuity constraints, we also consider the Bit Error Rate (BER) constraints due to physical layer impairments such as attenuation, polarization mode dispersion and switch crosstalk. This problem is NP-complete even without the BER constraints. We propose a heuristic solution method and develop an exact ILP formulation to evaluate the performance of the proposed method for small problem sizes. Our proposed method produces solutions close to the optimum solutions for the cases in which the ILP formulation could be solved to optimality.Then, these solution methods for the single layer sub-problems are combined in a multi-layer TE scheme to solve the VTD problem in both layers jointly. The proposed TE scheme considers the physical layer limitations and optical impairments. This TE scheme can be applied by keeping each layer's information hidden from the other layer, but our simulations show that it can produce more effective and efficient solutions when the physical layer topology information is shared with the MPLS layer. We also investigate the effect of non-uniform optical components in terms of impairment characteristics. The numerical results show that more traffic can be routed when all the components in the network have moderate impairment characteristics, compared to the case in which some components have better and some have worse impairment characteristics.
Benzer Tezler
- Topology and bandwidth adaptation in optical WDM backbone networks with dynamic traffic
Değişken veri trafikli optik WDM omurga ağlarında topoloji ve bant genişliği uyarlama
AYŞEGÜL GENÇATA
Doktora
İngilizce
2003
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BÜLENT ÖRENCİK
- Predicting performance measures of a multiprocessor architecture by using machine learning methods
Makine öğrenmesi metodları kullanılarak çoklu işlemci mimarisinin performans ölçümlerini tahmin etme
ELRASHEED İSMAİL MOHOMMOUD ZAYİD
Doktora
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET FATİH AKAY
- Resource allocation mechanisms for end-to-end delay optimization of 5G URLLC services
5G URLLC hizmetlerinin uçtan uca gecikme optimizasyonu için kaynak aktarım mekanizmaları
HASAN ANIL AKYILDIZ
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
DR. İBRAHİM HÖKELEK
- Machine learning based multi-scale joint forecasting-scheduling for the internet of things
Nesnelerin interneti için makine öğrenmesi tabanlı çok ölçekli bütünleşik tahminleme-çizelgeleme
MERT NAKIP
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYaşar ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN RODOPLU
PROF. DR. CÜNEYT GÜZELİŞ
- Havayolu yolculuk deneyimini iyileştirmek için makine öğrenmesi yöntemleriyle uçuş gecikmesi tahmini
Machine learning techniques for enhancing airline passenger experience through flight delay prediction
ESMA ERGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SÜHA TUNA