Advanced techniques for multicast service provision in core transport networks

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dc.contributor.advisor Larrabeiti López, David
dc.contributor.author Fernández del Carpio, Gonzalo
dc.date.accessioned 2013-02-21T13:18:08Z
dc.date.issued 2012-10
dc.date.submitted 2012-10-25
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/16353
dc.description.abstract Although the network-based multicast service is the optimal way to support of a large variety of popular applications such as high-definition television (HDTV), videoon- demand (VoD), virtual private LAN service (VPLS), grid computing, optical storage area networks (O-SAN), video conferencing, e-learning, massive multiplayer online role-playing games (MMORPG), networked virtual reality, etc., there are a number of technological and operational reasons that prevents a wider deployment. This PhD work addresses this problem in the context of core transport network, by proposing and analyzing new cost-effective and scalable techniques to support multicast both at the Optical layer and at the Network layer (MPLS-IP networks). In the Optical layer, in particular in Wavelength Division Multiplexing (WDM) Optical Circuit Switched networks, current multicast-capable OXC node designs are of a great complexity and have high attenuation levels, mainly because of the required signal splitting operation plus the traversal of a complex switching stage. This makes multi-point support rarely included in commercial OXC nodes. Inspired in previous works in the literature, we propose a novel architecture that combines the best of splitting and tap-and-continue (TaC), called 2-STC (2-split-tap-and-continue) in the framework of integrated optics. A 2-STC OXC node is a flexible design capable of tapping and splitting over up to two outgoing links in order to obtain lower end-to-end latency than in TaC and an improved power budget distribution over split-and-delivery (SaD) designs. Another advantage of this architecture is its simplicity and the reduced number of components required, scaling well even for implementations of the node with many input/output ports. Extensive simulations show that the binary split (2-split) is quite enough for most real-life core network topologies scenarios, since the average node degree is usually between 3 and 4. A variant of this design, called 2-STCg, for making the node capable of optical traffic grooming (i.e. accommodation of low-speed demands into wavelength-links) is also presented. At the Network layer, one of the main reasons that hinder multicast deployment is the high amount of forwarding state information required in core routers, especially when a large number of medium/small-sized multicast demands arrive to the core network, because the state data that needs to be kept at intermediate core routers grows proportionally to the number of multicast demands. In this scenario, we study the aggregation of multicast demands into shared distribution trees, providing a set of techniques to observe the trade-off between bandwidth and state information. This study is made in the context of MPLS VPN-based networks, with the aggregation of multicast VPNs in different real network scenarios and using novel heuristics for aggregation. Still, the main problem of aggregation is the high percentage of wasted bandwidth that depends mainly on the amount of shared trees used. On the other hand, recent works have brought back Bloom filters as an alternative for multicast forwarding. In this approach the packet header contains a Bloom filter that is evaluated at each hop for matching with the corresponding outgoing link ID. Although this approach is claimed to be stateless, it presents serious drawbacks due to false positives, namely important forwarding anomalies (duplicated flows, packet storms and loops) and the header overhead. In order to solve these drawbacks we propose D-MPSS (Depth-Wise Multi-Protocol Stateless Switching). This technique makes use of a stack of Bloom filters instead of a single one for all the path/tree, each one including only the links of a given depth of the tree. Analytical studies and simulations show that our approach reduces the forwarding anomalies present in similar state-of-the-art techniques, achieving in most network scenarios a forwarding efficiency (useful traffic) greater than 95%. Finally, we study the possibility of using tree aggregation and Bloom filters together, and propose a set of techniques grouped as H-ABF techniques (hybrid aggregation - Bloom filter-based forwarding), which improve D-MPSS and other previously proposed techniques, practically eliminating the forwarding loops and increasing the forwarding efficiency up to more than 99% in most network scenarios. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
dc.description.abstract Aunque el servicio de multidifusión (multicast) basado en redes es la mejor manera de dar soporte a una gran variedad de aplicaciones populares como la televisión de alta definición (HDTV), el video bajo demanda (VoD), el servicio de LAN privadas virtuales (VPLS), la computación grid, las redes de área de almacenamiento óptico (O-SAN), la videoconferencia, la educación a distancia, los juegos masivos de rol en línea de múltiples jugadores (MMORPG), la realidad virtual en red, etc., hay varias razones tecnológicas y operacionales que le impiden un mayor despliegue. Esta tesis doctoral aborda este problema en el contexto de las redes troncales de transporte, proponiendo y analizando técnicas de bajo coste y escalables para dar soporte al multicast tanto para la capa óptica como para la capa de red (redes MPLS-IP). En la capa óptica, en particular en las redes ópticas conmutadas por circuitos con multiplexación de longitud de onda (WDM), los diseños de nodos OXC con capacidades multicast muestran una gran complejidad y altos niveles de atenuación, principalmente debido a la necesaria operación de división de la señal, además del paso de ella a través de una compleja fase de conmutación. Esto hace que el soporte multi-punto sea raramente incluido en los nodos OXC comerciales. Inspirados en trabajos previos de la literatura, proponemos una novedosa arquitectura que combina lo mejor de dividir (splitting) y tap-y-continuar (TaC), llamado 2-STC (2-split-tapand- continue) en el marco de trabajo de la óptica integrada. Un nodo OXC 2-STC es un diseño flexible capaz de hacer tapping (tomar una pequeña muestra de la señal) y dividir la señal hacia un máximo de dos enlaces de salida, con el fin de obtener una menor latencia terminal-a-terminal que en TaC y una mejorada distribución de la disponibilidad de potencia por encima de los diseños split-and-delivery (SaD). Otra ventaja de esta arquitectura es su simplicidad y el número reducido de componentes requerido, escalando bien para las implementaciones del nodo con muchos puertos de entrada/salida. Extensas simulaciones muestran que la división binaria (2-split) es prácticamente suficiente para la mayoría de las topologías de redes de transporte en la vida real, debido a que el grado promedio de los nodos es usualmente 3 y 4. Una variante de este diseño, llamada 2-STCg, para hacer el nodo capaz de realizar grooming (es decir, la capacidad de acomodar demandas de menor velocidad en longitudes de onda - enlaces) de tráfico óptico, es también presentada. En la capa de red, una de las principales razones que obstaculizan el despliegue del multicast es la gran cantidad de información del estado de reenvío requerida en los enrutadores de la red de transporte, especialmente cuando un gran número de demandas multicast de tamaño mediano/pequeño llegan a la red de transporte, ya que los datos de estado a ser almacenados en los enrutadores crecen proporcionalmente con el número de demandas multicast. En este escenario, estudiamos la agregación de demandas multicast en árboles de distribución, proporcionando un conjunto de técnicas para observar el equilibrio entre el ancho de banda y la información de estado. Este estudio está hecho en el contexto de las redes basadas en redes privadas virtuales (VPN) MPLS, con la agregación de VPNs multicast en distintos escenarios de redes reales y utilizando nuevos heurísticos para la agregación. Aún así, el principal problema de la agregación es el alto porcentaje de ancho de banda desperdiciado que depende principalmente de la cantidad de árboles compartidos usados. Por otro lado, trabajos recientes han vuelto a traer a los filtros de Bloom como una alternativa para realizar el reenvío multicast. En esta aproximación la cabecera del paquete contiene un filtro de Bloom que es evaluado en cada salto para emparejarlo con el identificador del enlace de salida correspondiente. Aunque se afirma que esta solución no utiliza información de estado, presenta serias desventajas debido a los falsos positivos, esto es, anomalías de reenvío importantes (flujos duplicados, tormentas de paquetes y bucles) y gasto de ancho de banda por la cabecera de los paquetes. Para poder resolver estos problemas proponemos D-MPSS (Depth- Wise Multi-Protocol Stateless Switching). Esta técnica hace uso de una pila de filtros de Bloom en lugar de uno sólo para todo el camino/árbol, incluyendo cada uno sólo los enlaces de una determinada profundidad del árbol. Estudios analíticos y simulaciones demuestran que nuestra propuesta reduce los anomalías de reenvío presentes en otras técnicas similares del estado del arte, alcanzando en la mayoría de escenarios reales una eficiencia de reenvío (tráfico útil) mayor que 95%. Finalmente, estudiamos la posibilidad de usar agregación de árboles y filtros de Bloom juntos, y proponemos un conjunto de técnicas agrupadas como técnicas HABF (hybrid aggregation - Bloom filter-based forwarding), que mejoran D-MPSS y las otras técnicas propuestas previamente, eliminando prácticamente los bucles e incrementando la eficiencia de reenvío hasta más de un 99% en la mayoría de los escenarios de redes.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Multicast
dc.subject.other Core transport networks
dc.title Advanced techniques for multicast service provision in core transport networks
dc.type doctoralThesis
dc.type.review PeerReviewed
dc.subject.eciencia Telecomunicaciones
dc.rights.accessRights openAccess
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Telemática
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