Performance Analysis of Parallel Transmission and Multipath Routing in High-Speed Network Systems

Chen, Xiaomin

Das exponentielle Wachstum des Internetverkehrs treibt seit Jahren das steile Wachstum der Netzkapazitäten, wobei die Steigerung der Datenrate in optischen Netzen letztendlich durch das sogenannte Shannon-Limit begrenzt wird. Diese Herausforderung führt zu Innovationen in allen Bereichen der Netzwerktechnologie. Eine dieser Innovationen ist die Parallelisierung der Endsysteme in Kombination mit Multi-Path-Routing, welche die Aggregation der Leistung von Endsystemen erlaubt, allgemein auch als Antwort auf die Kapazitätskrise. Tatsächlich machen die kürzlich entdeckten Vorteile von optischen OFDM-Netzen ein gemeinsames Design und Analyse von Netzwerkparallelität und Multi-Path-Routing notwendig. Diese Dissertation beschäftigt sich primär mit den Problemen der Netzkapazitäts-Skalierung und vereint hierzu die Forschung aus den Bereichen Multi-Path-Routing und dem Design paralleler Netzwerksysteme. Zu diesem Zweck werden zuerst neue Multi-Path-Routing-Probleme aus dem Bereich der datenintensiven Anwendungen modelliert. Anschließend werden die daraus entstehenden Herausforderungen und möglichen Vorteile analysiert, die zu neuen und praktisch anwendbaren Lösungen führen. Außerdem werden in dieser Dissertation bahnbrechende Studien über parallele Datenübertragung über High-Speed Ethernet in Verbindung mit verschiedenen optischen Netztechnologien (von konventionellem WDM bis zu optischen OFDM) präsentiert. Zu diesem Zweck wird hier der erste Versuch durchgeführt, um zu beweisen, dass das heutige High-Speed Ethernet von der inhärenten Parallelität des optischen OFDM profitieren kann, und zwar ohne die Fragmentierung des Spektrums. Zum Schluss befasst sich diese Dissertation mit dem komplexen Problem der Pufferdimensionierung in parallelen Hochgeschwindigkeitsnetzen. Empfohlen werden neu entwickelte Methoden in Kombination mit linearem Networkcoding, die ein neues Systemdesign für High-Speed Ethernet mit signifikant verringerten Anforderungen an die Puffergröße bieten.

The unprecedented growth in Internet traffic is driving the steep upscaling of network capacity, which even in optical networks is expected to reach the so-called Shannon limit. The capacity challenge has thus led to innovations in all areas of networking. One of such innovations is the parallelization of end-systems combined with space division multiplexing in the network. As a result, parallel transmission combined with multipath routing is identified as a key solution to address the imminent capacity crunch and harvest the power of end-system hardware capabilities. The newly discovered benefits of optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) networks are also driving the need to jointly design and analyze network system parallelism and multipath routing. This thesis sets the goal to uniquely tackle the challenges associated with network capacity upscaling by unifying the research on multipath routing and parallel network system design. It starts by modeling multipath routing problems for data-intensive applications and thereafter identifies challenges and benefits of the same, while proposing novel and practically relevant solutions. Furthermore, the thesis presents pioneering studies in high-speed Ethernet parallel transmission in combination with various optical network technologies, from conventional WDM networks to advanced optical OFDM networks. To this end, this thesis presents the first attempt to validate that high-speed Ethernet standard can benefit from the inherent parallelism of optical OFDM networks without resource penalty, such as spectrum fragmentation. Finally, this thesis addresses the critical issue of buffer dimensioning in high-speed parallel network systems, and outlines efficient solutions to address the same. Proposed novel solutions in combination with linear network coding are shown to hold the key to an efficient high-speed Ethernet system design as they can significantly lower the buffer requirement at the receiver.

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Chen, Xiaomin: Performance Analysis of Parallel Transmission and Multipath Routing in High-Speed Network Systems. 2014.

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