Der Internet-Datenverkehr wächst exponentiell, was ein Transportnetz erfordert, das sich an die steigenden Bandbreitenanforderung anpassen kann. Optische Datenübertragung ist die bevorzugte Technologie für die Realisierung solch eines Transportnetzes. Allerdings bietet optische Datenübertragung keine gute Unterstützung für die Paketvermittlung, die sich als das effizienteste Verfahren für den Transport des variablen Datenverkehr im Internet erwiesen hat. Es gibt drei konkrete Faktoren, die die Realisierung einer rein optischen Paketvermittlung in der nahen Zukunft behindern: Geringe Geschwindigkeit rein optischer Schalter, rudimentäre rein-optische Prozessoren und der Mangel an echten optischen Puffern. Ein vielversprechender Ansatz zur Bewältigung dieser Probleme ist die optische "Burst"-vermittlung (Optical Burst Switching (OBS)). OBS fasst mehrere Pakete in Bündeln (Bursts) zusammen und nutzt zusätzlich eine Out-of-Band-Signalisi-erung, so dass schnelle optische Schalter und rein-optische Prozessoren nicht mehr notwendig sind. Dieser Ansatz vermag es jedoch nicht, das Problem der Pufferung im Netz vollständig zu lösen. Puffer werden in paketvermittelten Netzen für zwei Zwecke benötigt: Erstens, um die Pakete im Knoten zu halten, während der Controller den Header des Paketes liest und verarbeitet. Darüber hinaus sind Puffer die wichtigsten Instrumente um Kollisionen der Pakete an den Ausgängen der Knoten aufzulösen. OBS stellt zwar eine Lösung für das erste Problem dar, das Verfahren bietet jedoch keine effiziente Lösung für das zweite Problem. Diese Dissertation befasst sich mit der Kollisionsauflösung in OBS Netzwerken auf der Basis eines Traffic-Shaping-Ansatzes. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird ein Überblick über die wichtigsten IP-über-WDM-Techniken einschließlich OBS präsentiert und die Kollisionsauflösung in Hinblick auf OBS Netze beschrieben. Der zweite Teil enthält eine gründliche Analyse und Parametrierung des Verkehrs wie er am Eintrittpunkt eines OBS-Netzwerkes generiert wird. Dies umfasst sowohl eine analytische Modellierung des Verkehrs als auch Simulationen, die unter Zuhilfenahme von Ergebnissen realer Messungen durchgeführt wurden. Im analytischen Teil wird mithilfe von vereinfachenden Annahmen über Paketankunftszeiten der Verkehr am Ausgang einer einzelnen Burst-Aggregation-Warteschlange (Burst Assembly Queue) in Abhängigkeit von Burst-Aggregation Parametern modelliert. Die entwickelten Modelle werden dann verwendet, um die Auswirkungen von Burst-Aggregation auf Kollisionsauflösung zu studieren. Eine Schlussfolgerung ist, dass sobald Traffic-Shaping Strategien eingesetzt werden, das Hauptaugenmerk auf der Zusammenfassung des Datenverkehrs am Rande des Netzwerkes in Datenströme mit höheren Kapazitäten liegen sollte, um die Anzahl der Datenströme im Netzwerken zu reduzieren. Am Ende dieses Teils führen wir eine Reihe von Simulationen auf Grundlage von IP-basierten Messergebnissen durch, um die Resultate der analytischen Verfahren zu validieren. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem zweiten Teil der Dissertation, entwickeln wir im dritten Teil einen erweiterten Traffic-Shaping-Mechanismus und integrieren ihn in die OBS Netzwerkarchitektur. In diesem Zusammenhang führen wir eine neuartigen Architektur für optische Netzwerke ein, den sogenannten virtuellen optischen Bus (Virtual Optical Bus, VOB). VOB ist eine evolutionäre OBS-Architektur, in der mehrere Verkehrsströme in Gruppen (Cluster) eingeteilt werden und innerhalb der einzelnen Gruppen eine Form der Koordinierung (Shaping) der Burst-Übertragung eingesetzt wird. Gehören verschiedene Quellen zu dem gleichen Cluster, wird deren Last in das Netzwerk so eingeführt, dass Kollisionen innerhalb des Clusters vermieden werden. Darüber hinaus werden einzelne Datenströme so zusammengeführt bzw. die Wegewahl pro Cluster so durchgeführt, dass die Interaktion zwischen den Wegen der einzelnen Cluster im Netzwerk minimiert wird. Dies führt sowohl zu einer deutlichen Reduzierung der Burst-Kollisionen im Netz als auch zu einer Erhöhung des Netzwerk-Durchsatzes. Es geschieht auf Kosten einer marginalen Zunahme der Verzögerung der Bursts am Rand des Netzwerks.
Traffic volume in the Internet continues to grow exponentially, which necessitates a transport network that can adapt to the increasing bandwidth requirements accordingly. The technology of choice for realizing such a transport network is optics. Nonetheless, optics does not provide a good support for packet switching, which has proven to be the most efficient method for transporting the varying traffic of the Internet. Specifically, there are three major issues hindering realization of an all-optical packet switching approach in the near future: low speed of all-optical switches, immature all-optical processors and lack of true optical buffers. One promising approach to addressing these issues is optical burst switching (OBS). OBS consists in grouping packets into bursts and out-of-band signaling that collectively eliminate the need for fast optical switches and all-optical processors. It fails however to fully eliminate the problem of buffering in the network. In fact, buffers are needed in packet switched networks for two purposes. First, they are used to keep the packets in nodes while the node controllers read and process the packets' headers. Additionally, buffers are the main tools to mitigate the contention problem over the output ports of packet switches. Although OBS eliminates the need to buffers with regards to their first role, it does not provide an efficient solution for contention resolution. In this dissertation we aim at addressing the burst contention problem in OBS networks taking a traffic shaping approach. The work is presented in three parts. In the first part, a review of major IP over WDM techniques including OBS is presented and the contention problem associated to OBS networks is detailed. The second part presents a thorough analysis and parameterization of traffic generated at the ingress edge of the OBS network. This includes both analytical modeling of the traffic as well as simulation experiments based on real packet traces. In the analytical part, making some simplifying assumptions about the packet arrivals to the assembly unit, we model the traffic at the output of a single burst assembly queue based on the burst assembly parameters. The developed models are then utilized to study the impact of burst assembly on contention resolution inside the network. It is concluded that in order to address the burst contentions through traffic shaping the focus should be put into aggregating traffic at the edge of the network into flows with higher capacities and thereby reducing the number of traffic flows inside the networks. At the end of this part we carry out sets of simulation experiments based on real measurement-based IP packet traces to validate the results of our analytical analysis. Based on the insights gained in the second part of the dissertation, in part three we develop an advanced traffic shaping mechanism and incorporate it into the OBS network architecture. This results in the introduction of a novel architecture for optical transport network that we call it virtual optical bus (VOB). VOB is an evolutionary architecture based on OBS, in which several traffic flows are grouped into clusters and within each cluster a form of coordination (shaping) on burst transmission is introduced. Specifically, different traffic sources belonging to the same cluster inject their bursts into the network in such a way that burst collision within the cluster is avoided. Additionally, clustering of flows and selection of paths for clusters are done in a way that the interaction among routes of clusters in the network is minimized. This leads to a large reduction of burst collisions in the network and also an increase in the network throughput. This comes at the cost of marginal increase in the delay that bursts experience at ingress edge of the network.
