Service-Oriented Multi-Granular Optical Network Testbed

Service­Oriented Multi­Granular Optical Network Testbed  Yixuan Qin 1 , Georgios Zervas 1 , V. Martini 2 , Malek Ghandour 1 , Michele Savi 3 , F.Baroncelli 4 , B.Martini 4 ,  P.Castoldi 2 , Carla Raffaelli 3 , Martin Reed 1 , David Hunter 1 , Reza Nejabati 1 , Dimitra Simeonidou 1  1  Department of Computing and Electronic Systems, University of Essex, Colchester, UK, CO4 3SQ  Tel: +441206872404, Fax: +441206872900, { yqin , gzerva, mghand, mjreed, dkhunter , rnejab, dsimeo}@essex.ac.uk  2  Scuola Superiore Sant'Anna, Pisa, Italy, {v.martini , castoldi}@sssup.it  3  Department of Electronics, Informatics and Systems, University of Bologna, Viale Risorgimento 2, Bologna,  ITALY  {michele.savi, carla.raffaelli}@.unibo.it  4  CNIT, Pisa, Italy, {barbara.martini, fabio.baroncelli}@cnit.it 

Abstract:  This  paper  presents  a  service­oriented  multi­granular  multi­format  network  demonstrator.  Service­oriented  wavelength  and  sub­wavelength  network  connection  establishment  is  being  demonstrated by utilising SOON­JIT  protocols  to support  VoD HD  and  Quad­HD multi­media applications.  ©2005 Optical Society of America  OCIS codes: (060.4250) Networks; (060.2330) Fiber optics communications 

1. Introduction  A  new  generation  of  applications  is  emerging which  demands  access  to  remote  computing resources,  distributed  data storage facilities, media servers, content repositories and scientific instruments, often via high­speed network  infrastructures. Initially developed by collaborative virtual research communities, these applications are steering the  development of new service­oriented network technologies and architectures [1].  Reciprocal  awareness  between  applications  and  networks  is  recognized  as  a  fundamental  step  towards  the  implementation of next generation networks. Entire classes of emerging network applications (e.g. grids, SHD on­  demand  multimedia  services)  will  rely  on  advanced  service  and  network  control  plane  technologies,  for  the  optimized management, (scheduling, access and use) of the underlying network and IT infrastructure.  This paper presents results of a novel service­oriented multi­granular Ethernet optical bust switching (E­OBS)  and  transport  (E­OBT)  network  demonstrator  for  the  support  of  future  Internet  applications.  The  experimental  validation  of  the  concept  relies  on  the  demonstration  of Quad­HD  video­on­demand  (VoD)  services  over the  E­  OBS  testbed.  The  network  architecture  is  based  on  the  integration  of  service  oriented  optical  network  (SOON)  framework functionalities with E­OBS­T control and data plane technologies [2].  We  demonstrate  that  the  proposed  SOON­enabled  OBS  architecture  can  be  used  to  effectively  bridge  the  informational  gap  between the  Application  layer  and  the  Network layer  by introducing a  suitable  formalism  that  facilitates  a  mapping  process  between  Application  requests  and  the  Network  services.  The  SOON  framework  is  based on  a  distributed approach conceived  for  overseeing  a  new  paradigm  of  application­to­network interaction.  The aim is to disjoint the parameters perceived by  an end  user  from the  technology­specific directives  needed by  network  devices.  It  also  enables  automatic  network  configuration  for  establishing  on­demand  connection  with  different classes of service.  In this implementation, the SOON framework is able to map a set of parameters that an application (e.g. multi­  media) specifies within a network service request, into a set of specific parameters used by the network (e.g. edge  aggregation buffer thresholds, offset, lambda/sub­lambda lightpaths) while hiding the network resource technology 

Fig. 1. Architectural block diagram of the SOON­enabled E­OBS­T test­bed and network demonstrator

and  topology  details  from  the  application.  SOON  also  translates  this  mapping  into  a  direct  request  for  dynamic  configuration  of  that  service.  The  E­OBS­T  network  is  then  able  to  parse  the  SOON  request  and  configure  aggregation scheduler (buffer size, time) on the fly, select the appropriate granularity (burst size over lambda/sub­  lambda) and establish lightpaths (slow­fast path) to support different services.  2. SOON­enabled E­OBS­T Network: Network Architecture, Testbed Setup and SOON Results  The  proposed  service­oriented  network  architecture  is  based  on  SOON  elements  and  E­OBS­T  technologies  utilizing  service­aware  edge  and  core  routers  interconnected  by  JIT­SOON  signaling.  The  SOON  translates  applications’ service requests expressed in terms of perceived QoS and resources to technology­specific pool at the  edge  of  the  E­OBS­T  network.  Through  this  capability  of  decoupling  network  technologies  from  services,  the  control  plane  (CP)  is  unburdened  of  service­oriented  functionalities  and  it  can  focus  on  the  provisioning  of  connectivity services. The SOON supports Service Abstraction and Resource Virtualization capabilities that allow  to  map  a  set  of  application  specific  parameters  in  to  a  set  of  parameters  used  by  the  network  for  the  actual  configuration of a service while avoiding from exposing  the network resource technology details to the applications.  Network specific parameters are: burst­dimension, offset­time,  network provisioning service (E­OBS­E­OBT) and  end­to­end lightpath.  The SOON framework has also the ability to coordinate the different OBS­edge devices to create unidirectional  and bidirectional end­to­end wavelength (E­OBT) and sub­wavelength (E­OBS) paths. This is obtained through an  ad­hoc  signaling protocol  among  Distributed  Service  Element  (DSE) which  can exchange  the  edge  characteristic  and reachability information. The DSE also manages the periodical update of information regarding the edge node  devices  used  to  solve  the  reachability  of  source/destination  through  the  network resource  DB  (NR­DB)  internal  database.  To  enable  the  framework  to  interact  with  the  OBS  network  a  specific  technology­dependent  module  installed  in  each  DSE  has been  conceived which  translates  the information received  from the  DSE  into  a  set  of  specific directives comprehensible by the E­OBS­T devices.  The  service­aware  edge  OBS  router  which  utilizes  network  processor  and  FPGA  (Field  Programmable  Gate  Arrays) devices operating at 1GE (server/client side) and 2.5 Gbps (E­OBS­T control plane and data plane) is able  to  differentiate  between service layer  messages  (based  on  SOON),  network  requests and data packets.  In  case  of  SOON signaling messages the edge router forwards them to the control plane. In case of incoming SOON network  requests, the burst aggregation scheduler is been triggered to reflect service requirements into buffer size  and the  time thresholds. The SOON message is also used to decide on the network provisioning system of either E­OBS or  E­OBT and then the appropriate lightpath (one out of maximum four). The E­OBS provisioning system is created  by aggregating bursts and generating and transmitting a burst control header (BCH) ahead of time (5μs) in order to  configure the acousto­optic switch on per burst basis. E­OBT supports an end­to­end lightpath for the duration of  the service by generating a BCH after the SOON message is received. Finally, the combination of lambda selection  by  controlling  a SG­DBR tunable laser  (at  Edge 1)  connected  to  a  MEMS  switch (for  connectivity  with  all core  nodes) together with the BCH processed at the core FPGA provides the end­to­end dynamic lightpath. Finally the  data  packets  are  being  buffered  on  aggregation  FIFOs  and  then  transmitted  over  different  wavelength  or  sub­  wavelength lightpaths. The E­OBS­T data plane transport mechanism is based on keep­alive messages in­between  burst transmission.  The service­aware core OBS router comprises of three nodes all controlled by a centralized FPGA­based control  plane module creating a meshed topology. The two nodes consist of MEMS switches (10ms) and the third one of  both MEMS switch and acousto­optic switch (4 μs) to form a multi­granular optical cross­connect (MG­OXC). The  control plane module utilizes network processor and FPGA and it can process and forward service layer information  SOON  Signalling 

Directives for  EDGE node  configuration 

Service Request  from Application  SOON processing 

0.000s 

0.010s 

0.020s 

ACK back  to Application 

SOON processing 

0.030s 

0.040s 

Fig. 2. SOON edge­to­edge overall provisioning time

Pcks 

0.050s 

0.060s 

3 

on  the  fly  as  well  as  allocate  switch  resources  for  either  E­OBS  or  E­OBT  provisioning.  The  E­OBS  traffic  is  transported  using  a  specific  lightpath  through  the  MG­OXC  node  and  switched  at  the  acousto­optic  switch  supporting service 2 (section 3). The rest of the traffic is being transported over three different lightpaths (service 1)  having  different  number  of  hops  based  on  E­OBT  for  the  duration  of  the  service.  Unlike  the  existing  service­  oriented architectures, which uses the legacy IP network for carrying SOON signals and messages, in the proposed  architecture  SOON  messages  are  carried  in  the  optical  domain  with  JIT  signalling  and  within  the  burst  control  header (BCH). The GUI service application issues a request to the SOON framework for a specific network service  (four network services). Then, the DSE element uses proprietary signalling to trigger the other involved DSE and  configures the OBS devices. The SOON signalling is service specific and has different message set for each type of  provided service. Figure 2 shows, the overall time elapsed during the SOON network service provisioning process.  The first section (from the left) of the figure  represents in the SOON processing time of service request before  starts  the  signalling  (blue  peak),  while  the  second  block  representing the  processing  for  the  building  of  specific  directives for edge node configuration (pink peak) inferred from the user request. After the edge configuration the  SOON  gathers  the  ACK  message  from  the  DSE  module  and  sends  a  service­provided  ACK  to  GUI  service  application (red line). The SOON­JIT control protocol performance  has been evaluated by measuring  the  end­to­  end service time which includes the edge and core node parsing and forwarding time. The result is shown in Figure  2a. This value is mostly dependent of the end host performance used for SOON elements and not the actual E­OBS­  T testbed.  3. Network Service Results  In  this  experiment,  SOON  service  and  connection  establishment  as  well  as  high  definition  video  over  E­OBS­T  transmission  are  demonstrated.  The  SOON­JIT  messages  encapsulated  in  BCHs  are  sent  over  E­OBS­T  control  plane and the generated variable optical bursts over Ethernet­type data plane. In order to study the effect of E­OBS­  T on the real­time transmission of high performance media, four pre­recorded videos, with different qualities, were  used  in  different  streaming  media  scenarios  across  the  OBS  network  test­bed.  These  videos  varied  from  high  definition with  resolutions  of  1280x720  and  1440x1080  and  bit­rates  of  27  Mbps  and  46  Mbps  respectively,  to  Quad­HD of 2560x1600 and bit­rates of 106 and 156 Mbps. The TCP background traffic of around 200Mbps was  also generated through traffic generator in order to emulate the current internet traffic behaviour (between TCP and  UDP  data).  The  aggregation  developed  is  hybrid  and  combines  both  size  and  time  thresholds  which  are  also  dynamically changed per SOON service with maximum size threshold of 5000 bytes and time limit of 2ms.  Figure  3a shows  that  for  service  1  (E­OBT) more  than  95% of  the  UDP packets  have  a  delay  of  less  than  3  ms with  a  maximum  delay  less  than 4ms  which  is  well  within  the acceptable  level  and  for service 2 the  value is  less  than  1.8ms. Figure 3b shows that for service 2 (E­OBS) the jitter also remains below 1.4 ms for 100% of the traffic and  below 0.9ms, again a well accepted value. The packet loss of the OBS network is zero the whole amount of data. 

Fig. 3. a) Delay and b) Jitter of receiving 46Mbps High Definition Video over the E­OBS­T test­bed which has 200Mbps background TCP  traffic. Service 1 is defined and implemented in the edge node (FPGA) as best effort class. Service 2 is defined and implemented in the edge  node (FPGA) as timing critical class.  Acknowledgment:  The  work  described  in  this  paper  was  carried  out  with  the  support  of  the  BONE­project  (“Building  the  Future  Optical  Network in Europe”), a Network of Excellence funded by the European Commission through the 7th ICT­Framework Programme. 

4. References  [1] Dimitra Simeonidou, et.al., "Dynamic Optical Network Architectures and Technologies for Existing and Emerging Grid Services", IEEE  Journal of Lightwave Technology (JLT), Volume 23,  Issue 10,  Page(s):3347 – 3357, Oct. 2005  [2] F. Baroncelli, B. Martini, V. Martini, and P. Castoldi "A distributed signalling for the provisioning of on­demand VPN services in transport  networks, Integrated Network Management (IM) 2007, Germany, Munich , May 2007