Towards Terabit Carrier Ethernet and Energy Efficient Optical Transport Networks

摘要

Denne afhandling omhandler udfordringerne i at skalere nuværende netværksnodeteknologi til at understøtte hastigheder på 100 gigabit per sekund og derover. Ud af de mange aspekter, som indgår i at nå dette mål, er fokus i denne afhandling lagt på pakkeprocessering (adresse opslag og schedulering), fremadrettet fejlkorrektion og energieffektivitet. Schedulering og Adresse opslag er to nøglefunktioner og potentielle flaskehalse i højhastighedsnetværksnoder, da den mindste ramme/pakke størrelse i både den populære Ethernet protokol, samt i Internet Protokollen (IP), er holdt konstant (hhv. 84B og 40B). For at kunne understøtte en 100 Gigabit Ethernet forbindelse, skal rutningsmekanismerne derfor være i stand til at udføre adresseopslag og output schedulering af over 148 millioner pakker per sekund (pps), hvilket kun efterlader nogle få nanosekunder til at behandle hver pakke. Med de kommende standarder for 400Gbps (400GE og OTU5) og en igangværende diskussion om, hvordan man bedst overskrider 1 terabit/s grænsen, vil pakkeprocesseringshastigheden for fremtidige netværksknudepunkter med stor sandsynlighed stige endnu mere i de kommende år. Der ligger derfor en gevaldig opgave i at udvide og optimere nuværende teknologi og metoder til at understøtte disse stigende krav. Fremadrettet fejlkorrektion (Forward Error Correction (FEC)) er allerede en standardkomponent i Optical Transport Network (OTN) protokollen, og tjener det formål at forøge bitrate-længde produktet på optiske forbindelser. Kravet om højere bitrater skaber også forøgede krav til spektraleffektiviteten for at klemme endnu mere kapacitet ud af eksisterende fysiske transmissionssystemer. For at gøre dette og stadig holde bitfejlsandsynligheden (BER) under et acceptabelt niveau, er det nødvendigt at benytte mere avancerede FEC metoder. Dette er en stor udfordring: Ud over at FEC systemerne skal køre hurtigere for at understøtte højere datarater, vil de mere komplicerede FEC metoder også kræve mere komplicerede udregninger for de enkelte bits. I denne afhandling vil det blive undersøgt, hvordan FEC systemet fra OTN, såvel som mere avancerede FEC metoder, kan implementeres til at køre med linierater på 100Gbps og derover.En uheldig bivirkning ved de stadig større datahastigheder er øget energiforbrug. Til trods for at forbedringer af den fysiske hardwareproduktion til dels modvirker denne udvikling, er det yderst nødvendigt at tænke energieffektivitet ind i systemerne lige fra den tidlige designfase og indtil systemerne implementeres og tages i brug. I tråd med den nu gængse praksis indenfor mikroprocessorer, stiler nylig forskning efter dynamisk at afbalancere ydelse og energiforbrug i optiske kommunikationssystemer ud fra de øjeblikkelige kapacitetskrav. Denne afhandling vil beskrive forskellige metoder til at opnå dynamisk afvejning mellem kapacitets- og energihensyn, med fokus på Celtic-projektet ”Elatic Optical Networks” (EO-Net) og i særlig grad på adaptiv fremadrettet fejlkorrektion.