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Project Zeus: Design of a Broadband Network and its Application on a University Campus
Project Zeus: Design of a
Broadband Network and
its Application on
a University Campus
Jerome R. Cox, Jr. and Jonathan S. Turner
wucs
-91-45
February 1, 1995
Department of Computer Science
Campus Box 1045
Washington University
One Brookings Drive
St. Louis, MO 63130-4899
Abstract
This proposal outlines a plan for the design, deployment and operation of a high
speed campus network at Washington University based on fast packet switching
technology that has been developed here during the last several years. This new net-
work will support ubiquitous multimedia workstations with high-resolution graphics
and video capabilities, opening up a wide range of new applications in research and
education. It will support aggregate throughputs of hundreds of gigabits per second
and will be designed to support port interfaces at up to 2.4 Gb/s. Initial imple-
mentations will emphasize 155 Mb/s port rates, with higher rates introduced as
the demand arises and as economics permits. We propose to move this technology
quickly into an operational setting where the objectives of network use and network
research can be pursued concurrently. Contents
1 Motivation and Objectives
4
2 Applications
5
3 Networking Questions
7
4 Creating the Network Components
8
4.1 ATM Network Technology
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
9
4.2 Phase Zero
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
12
4.2.1 Phase 0 Switch Architecture
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
12
4.2.2 Application Interfaces
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
17
4.2.3 Internetworking
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
18
4.3 Phase One
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
19
4.3.1 Phase 1 Switching System
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
21
4.3.2 Application Interfaces
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
24
4.3.3 Internetworking
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
24
4.4 Phase Two
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
25
4.4.1 Phase 2 Switch
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
25
5 Routing and Resource Management
27
5.1 Multicast Routing
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
27
5.2 Bandwidth Management and Congestion Control
: : : : : : : : : : : : : : :
28
6 Connections, Calls and Protocols
30
6.1 Connection Management and the Network Call Model
: : : : : : : : : : : :
31
6.2 Connection Management Access Protocol
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
33
6.3 Implementation
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
34
7 Creating the Applications
34
7.1 Medical Imaging and Electronic Radiology
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
35
7.2 Optical Sectioning Microscopy
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
37
7.3 Earth and Planetary Sciences
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
40
7.4 Visualization in Art and Architecture
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
42
7.5 Applications and Their Bandwidth Requirements
: : : : : : : : : : : : : : :
44
7.6 Other Applications
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
46
1 8 Deployment and Operation of the Network
48
8.1 The Campus Network Today
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
48
8.2 Deployment of Zeus Technology
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
49
8.3 Operation of the Network
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
50
9 Using the Network to Answer Questions
50
9.1 Network Congestion
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
50
9.2 Routing
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
52
9.3 Network Planning and Con guration
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
54
9.4 Network Interoperability
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
55
9.5 Internetworking
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
56
9.6 Remote Visualization and Collaboration
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
57
10 Summary
61
11 Acknowledgements
61
2 List of Figures
1 A Fast Packet Campus Network
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5
2
atm
Cell Formats and Cell Switching
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
9
3 Multicast Virtual Circuit Switching
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
11
4 Phase 0 Network Con guration
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
13
5 Phase 0 Switch Architecture
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
13
6 Copy Network Operation
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
15
7 Switch Element
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
15
8 Port Processor Block Diagram
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
16
9 Broadband Terminal
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
17
10 Ethernet Portal
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
18
11 Phase 1 Benchmark Network
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
20
12 Phase 1 Switching System
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
21
13 Phase 1 Concentrator
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
22
14 Port Processor for Phase 1 Switch
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
23
15
atm
izer for Phase 1 Network
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
66
16 Phase 2 Benchmark Network
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
67
17 Phase 2 Switch Organization
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
67
18 Broadcast in Phase 2 Switch
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
68
19 Bit-Sliced Switch
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
68
20 An Example of the Application of
mst
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
69
21 Fast Bu er Reservation
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
69
22 A Point-to-point Connection
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
70
23 A Multipoint Connection
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
70
24 Steps in Creating a Point-to-point Call
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
71
25 Steps in Extending a Point-to-point Call to a Multipoint Call
: : : : : : : :
71
26 Broadband Electronic Radiology System
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
72
27 Application of Project Zeus to Optical Sectioning Microscopy
: : : : : : : :
73
28 Earth and Planetary Sciences Use of Zeus Technology
: : : : : : : : : : : :
73
29 Application of Project Zeus in Art and Architecture
: : : : : : : : : : : : :
74
30 First Stage of Zeus Deployment: Providing Transport
: : : : : : : : : : : :
74
31 Second Stage of Zeus Deployment: Multimedia Workstations
: : : : : : : :
75
32 Third Stage of Zeus Deployment: Network Management
: : : : : : : : : : :
75
3 Project Zeus: Design of a
Broadband Network and
its Application on
a University Campus
Jerome R. Cox, Jr. and Jonathan S. Turner
1. Motivation and Objectives
During the last several years there has been a growing recognition that fast packet switching
technology (also known as Asynchronous Transfer Mode or
atm
) will form the basis of next
generation communication networks. One attractive aspect of
atm
technology is its inherent
scalability, both in the total throughput a network can support and the port data rates.
While much of the focus in
atm
has been on public network applications, most people now
agree that the demand for these new networks will come from computer-based applications
needing higher bandwidth than current shared-access
lan
s are able to deliver.
lan
and
workstation vendors are recognizing the need to introduce switching within campus networks
to expand their capacity and range of applications, and are now moving aggressively to
develop products to ll this need.
Washington University has been deeply involved in the development of a switching tech-
nology based on small, xed-length packets called cells and the application of this technology
to medical imaging. We are currently engaged in a project sponsored by Southwestern Bell
and
nec
America aimed at demonstrating technical feasibility of the underlying technology
and providing some initial applications. We now propose to work with a variety of industrial
partners to create commercial implementations of the technology, to apply that technology
throughout the university community for the bene t of users and to answer several pressing
system questions that can only be addressed in an operational network environment. Thus,
our objectives are threefold: 1) to collaborate with industry in the transfer of the technology
for all the components needed