Lossless Ethernet and its applications

Bahnasy, Mahmoud Mohamed (2018). Lossless Ethernet and its applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technolopgie supérieure.

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Résumé

Ethernet network is the most widely used transport network in access and data-center networks. Ethernet-based networks provide several advantages such as i) low-cost equipment, ii) sharing existing infrastructure, as well as iii) the ease in the Operations, Administration and Maintenance (OAM). However, Ethernet network is a best-effort network which raises significant issues regarding packet loss and throughput.

In this research, we investigate the possibility of achieving lossless Ethernet while keeping network switches unchanged. We present three lossless Ethernet applications namely i) switch fabric for routers, ii) lossless data center fabric, and iii) zero-jitter fronthaul network for Common Public Radio Interface (CPRI) over Ethernet for 5th Generation Mobile Networks (5G) network.

Switch fabric in routers requires stringent characteristics in term of packet loss, fairness, no head-of-line blocking and low latency. We propose a novel concept to control and prevent congestion in switch fabrics to achieve scalable, flexible, and more cost-efficient router fabric while using commodity Ethernet switches.

On the other hand, data center applications require strict characteristics regarding packet loss, fairness, head-of-line blocking, latency, and low processing overhead. Therefore, we present a congestion control for data center networks. Our proposal is designed to achieve minimum queue length and latency while guaranteeing fairness between flows of different rates, packet sizes and Round-trip Times (RTTs).

Besides, Using Ethernet as a transport network for fronthaul in 5G networks draws significant attention of both academia and industry due to i) the low cost of equipment, ii) sharing existing infrastructure, as well as iii) the ease of operations, administration and maintenance (OAM). Therefore, we introduce a distributed scheduling algorithm to support CPRI traffic over Ethernet.

The results obtained through testbed implementations and simulations show that Lossless Ethernet is feasible and could achieve minimum queue length, latency, and jitter while preventing Head Of Line (HOL) blocking.

Titre traduit

Ethernet sans perte et ses applications

Résumé traduit

L’utilisation de la technologie Ethernet a dépassé son objectif initial qui était la base des réseaux locaux pour être déployée dans les réseaux d’accès métropolitain et de transport. Les nouveaux réseaux Ethernet ont été améliorés pour être déployé comme réseau de classe opérateur et dans les centres de données. Les réseaux basés sur Ethernet offrent plusieurs avantages tels que i) le faible coût des équipements, ii) le partage de l’infrastructure existante, ainsi que iii) la facilité avec les opérations, l’administration et la maintenance (OAM). Cependant, le réseau Ethernet est un réseau best effort qui soulève des problèmes importants concernant la perte de paquets et le débit.

L’objectif de cette thèse est de proposer des solutions permettant d’exploiter les avantages de la technologie Ethernet dans les réseaux nouvelle génération tout en évitant ses inconvénients. Le défit majeur pour réaliser cet objectif est le problème de congestion et de perte qui sont habituellement traités au niveau de la couche de transport. Dans ce contexte, nous présentons trois solutions pour un réseau Ethernet sans perte qui peuvent être déployées dans i) la matrice de commutation sans perte dans les routeurs, ii) les équipements de commutation des centres de données sans perte, et iii) le réseau fronthaul de la 5ième génération des réseaux sans fil.

Les matrices de commutation dans les routeurs ont des contraintes très exigeantes en termes de perte de paquets, d’équité entre les flux, de blocage de tête de ligne et de faible latence. Nous proposons un nouveau mécanisme de contrôle et de prévention de la congestion qui permet d’utiliser les commutateurs Ethernet de base de façon évolutive, flexible et plus.

D’autre part, les applications des centres de données requièrent des caractéristiques strictes en termes de perte de paquets, d’équité, de blocage de tête de ligne, de latence et de faible overhead. Par conséquent, en tenant compte de ces contraintes, nous proposons un mécanisme de contrôle de congestion pour les réseaux de centres de données. Notre solution est conçue pour atteindre une longueur de file d’attente et une latence minimales tout en garantissant l’équité entre les flux de différents débits, tailles de paquets et de RTT.

Finalement, l’utilisation d’Ethernet comme réseau de transport pour les réseaux fronthaul dans les réseaux 5G attire de plus en plus l’attention des chercheurs et des industriels en raison du faible coût de l’équipement, du partage de l’infrastructure existante et de la facilité des OAM. Par conséquent, nous introduisons un algorithme d’ordonnancement distribué pour supporter le trafic CPRI sur Ethernet. Les résultats obtenus grâce à des implémentations de banc d’essai et à des simulations démontrent l’efficacité des solutions proposées pour un Ethernet sans perte qui minimise la longueur des files d’attente, la latence et la gigue minimales tout en empêchant le blocage de ligne (HOL).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 123-130).
Mots-clés libres:	pontage de centre de données, contrôle de la congestion, prévention de la congestion, contrôle de flux basé sur les priorités PFC, notification de congestion quantifiée QCN, protocole de contrôle de congestion d’Ethernet ECCP, HetFlow, 5G, fronthaul, préemption de trame, protocole de réservation de flux SRP, planificateur de slot de temps distribué pour CPRI sur Ethernet DTSCoE
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Elbiaze, Halima
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 avr. 2019 17:31
Dernière modification:	09 avr. 2019 17:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2270

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