Efficient design of highly survivable ethernet-based optical networks

Abstract

이더넷은 높은 대역폭, 경제성, 확장성을 제공하기 위한 네트워크 기술로 널리 이용되고 있다. 이더넷은 보다 넓은 응용에 적용하기 위하여 다양한 측면에서 개선되어 왔으며, 특히 장애로부터 네트워크를 효과적으로 보호하기 위한 디자인이 활발히 연구되어 왔다. 네트워크 보호는 짧은 시간의 장애가 큰 영향을 미치는 초고속 광 네트워크에서 더욱 중요한 의미를 가진다. 결과적으로, 산업용 통신 네트워크 (industrial communication networks) 를 위한 이더넷 기반의 보호 프로토콜들이 IEC 61850 에서 제안되었다. 특히, 최근에 IEC 62439-3 에서 제안된 High-availability Seamless Redundancy (HSR) 은 zero failover time 과 높은 네트워크 가용성을 제공한다는 점에서 많은 흥미를 끌고 있으며, 이러한 장점을 바탕으로 HSR은 산업용 네트워크 뿐만 아니라, smart grid, motion control, and military communications 와 같은 실시간 및 mission-critical 네트워크 응용에 적용될 수 있다. 반면, 재난상황 발생의 빈도 많아지고 재난이 네트워크 서비스 사업자에게 미치는 영향이 커짐에 따라, 재난에 강건한 광 네트워크 디자인이 중요해지고 있다. 이러한 재난 상황에서의 네트워크 장애를 극복하기 위해 광 네트워크의 redundancy를 증가시키는 기존의 방법은 spatially-inefficiency 문제와 비용 비효율적인 문제를 가지고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 새로운 접근 방법이 제안되어야 한다. 본 학위논문에서는 고신뢰 이더넷 기반 광 네트워크의 효율적 디자인 연구를 수행한다. 세부적으로, 다음 두개의 디자인 문제를 정의하고 연구한다. 첫번째 문제로서, 우리는 최소의 비용으로 주어진 가용성 요구사항을 만족시키는 HSR 토폴로지 디자인 문제를 다룬다. 먼저 HSR 메쉬 디자인을 위한 모델을 제시하고, 해당 디자인의 가용성을 측정하기 위한 방법을 제시한다. 최적 HSR 디자인을 위해서, topology 기반 열거 알고리즘 및 graph reduction을 이용한meta-mesh 알고리즘을 제안한다. 제안 알고리즘은 최적 디자인을 제시하는 반면, 높은 복잡도를 요구하여 실제 큰 네트워크에 적용하지 못하는 한계가 있다. 이를 극복하기 위하여, Minimum Spanning Tree (MST) 과 semi Hamiltonian (SemiHam) cycle 기반의 두개의 휴리스틱 알고리즘을 제시한다. 시뮬레이션 성능분석을 통하여 제안한 두개의 알고리즘들은, 특히 SemiHam 알고리즘, 최적에 근접한 디자인을 제시함을 보였다. 두번째 문제로, spatially-inefficiency 문제를 효율적으로 해결하기 위해 medium diversification 을 고려한 네트워크 디자인 문제를 다룬다. 이를 위해서, 무선 링크업을 이용한 광 네트워크 보호 시스템 모델을 소개하고, 주어진 비용을 가지고 향후 재난상황에 대해서 네트워크 가용성을 최대화 하는 무선 링크업 포설 위치를 찾는 최적화 알고리즘을 제안한다. 제안한 최적 알고리즘은 높은 복잡도를 가지고 있는 알고리즘으로써, 큰 네트워크에 적용할 수 없는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서, greedy-based 휴리스틱 알고리즘을 제안한다. 시뮬레이션 분석으로 통하여 최적 디자인과 비교 분석한 결과, 제안한 휴리스틱 알고리즘은 효율적으로 최적에 근접한 디자인을 찾아냄을 보였다.