Traffic engineering in dynamic optical networks

Traffic Engineering (TE) refers to all the techniques a Service Provider employs to improve the efficiency and reliability of network operations. In IP over Optical (IPO) networks, traffic coming from upper layers is carried over the logical topology defined by the set of established lightpaths. Within this framework then, TE techniques allow to optimize the configuration of optical resources with respect to an highly dynamic traffic demand. TE can be performed with two main methods: if the demand is known only in terms of an aggregated traffic matrix, the problem of automatically updating the configuration of an optical network to accommodate traffic changes is called Virtual Topology Reconfiguration (VTR). If instead the traffic demand is known in terms of data-level connection requests with sub-wavelength granularity, arriving dynamically from some source node to any destination node, the problem is called Dynamic Traffic Grooming (DTG). In this dissertation new VTR algorithms for load balancing in optical networks based on Local Search (LS) techniques are presented. The main advantage of using LS is the minimization of network disruption, since the reconfiguration involves only a small part of the network. A comparison between the proposed schemes and the optimal solutions found via an ILP solver shows calculation time savings for comparable results of network congestion. A similar load balancing technique has been applied to alleviate congestion in an MPLS network, based on the efficient rerouting of Label-Switched Paths (LSP) from the most congested links to allow a better usage of network resources. Many algorithms have been developed to deal with DTG in IPO networks, where most of the attention is focused on optimizing the physical resources utilization by considering specific constraints on the optical node architecture, while very few attention has been put so far on the Quality of Service (QoS) guarantees for the carried traffic. In this thesis a novel Traffic Engineering scheme is proposed to guarantee QoS from both the viewpoint of service differentiation and transmission quality. Another contribution in this thesis is a formal framework for the definition of dynamic grooming policies in IPO networks. The framework is then specialized for an overlay architecture, where the control plane of the IP and optical level are separated, and no information is shared between the two. A family of grooming policies based on constraints on the number of hops and on the bandwidth sharing degree at the IP level is defined, and its performance analyzed in both regular and irregular topologies. While most of the literature on DTG problem implicitly considers the grooming of low-speed connections onto optical channels using a TDM approach, the proposed grooming policies are evaluated here by considering a realistic traffic model which consider a Dynamic Statistical Multiplexing (DSM) approach, i.e. a single wavelength channel is shared between multiple IP elastic traffic flows

Characterization, design and re-optimization on multi-layer optical networks

L'augment de volum de tràfic IP provocat per l'increment de serveis multimèdia com HDTV o vídeo conferència planteja nous reptes als operadors de xarxa per tal de proveir transmissió de dades eficient. Tot i que les xarxes mallades amb multiplexació per divisió de longitud d'ona (DWDM) suporten connexions òptiques de gran velocitat, aquestes xarxes manquen de flexibilitat per suportar tràfic d’inferior granularitat, fet que provoca un pobre ús d'ample de banda. Per fer front al transport d'aquest tràfic heterogeni, les xarxes multicapa representen la millor solució. Les xarxes òptiques multicapa permeten optimitzar la capacitat mitjançant l'empaquetament de connexions de baixa velocitat dins de connexions òptiques de gran velocitat. Durant aquesta operació, es crea i modifica constantment una topologia virtual dinàmica gràcies al pla de control responsable d’aquestes operacions. Donada aquesta dinamicitat, un ús sub-òptim de recursos pot existir a la xarxa en un moment donat. En aquest context, una re-optimizació periòdica dels recursos utilitzats pot ser aplicada, millorant així l'ús de recursos. Aquesta tesi està dedicada a la caracterització, planificació, i re-optimització de xarxes òptiques multicapa de nova generació des d’un punt de vista unificat incloent optimització als nivells de capa física, capa òptica, capa virtual i pla de control. Concretament s'han desenvolupat models estadístics i de programació matemàtica i meta-heurístiques. Aquest objectiu principal s'ha assolit mitjançant cinc objectius concrets cobrint diversos temes oberts de recerca. En primer lloc, proposem una metodologia estadística per millorar el càlcul del factor Q en problemes d'assignació de ruta i longitud d'ona considerant interaccions físiques (IA-RWA). Amb aquest objectiu, proposem dos models estadístics per computar l'efecte XPM (el coll d'ampolla en termes de computació i complexitat) per problemes IA-RWA, demostrant la precisió d’ambdós models en el càlcul del factor Q en escenaris reals de tràfic. En segon lloc i fixant-nos a la capa òptica, presentem un nou particionament del conjunt de longituds d'ona que permet maximitzar, respecte el cas habitual, la quantitat de tràfic extra proveït en entorns de protecció compartida. Concretament, definim diversos models estadístics per estimar la quantitat de tràfic donat un grau de servei objectiu, i diferents models de planificació de xarxa amb l'objectiu de maximitzar els ingressos previstos i el valor actual net de la xarxa. Després de resoldre aquests problemes per xarxes reals, concloem que la nostra proposta maximitza ambdós objectius. En tercer lloc, afrontem el disseny de xarxes multicapa robustes davant de fallida simple a la capa IP/MPLS i als enllaços de fibra. Per resoldre aquest problema eficientment, proposem un enfocament basat en sobre-dimensionar l'equipament de la capa IP/MPLS i recuperar la connectivitat i el comparem amb la solució convencional basada en duplicar la capa IP/MPLS. Després de comparar solucions mitjançant models ILP i heurístiques, concloem que la nostra solució permet obtenir un estalvi significatiu en termes de costos de desplegament. Com a quart objectiu, introduïm un mecanisme adaptatiu per reduir l'ús de ports opto-electrònics (O/E) en xarxes multicapa sota escenaris de tràfic dinàmic. Una formulació ILP i diverses heurístiques són desenvolupades per resoldre aquest problema, que permet reduir significativament l’ús de ports O/E en temps molt curts. Finalment, adrecem el problema de disseny resilient del pla de control GMPLS. Després de proposar un nou model analític per quantificar la resiliència en topologies mallades de pla de control, usem aquest model per proposar un problema de disseny de pla de control. Proposem un procediment iteratiu lineal i una heurística i els usem per resoldre instàncies reals, arribant a la conclusió que es pot reduir significativament la quantitat d'enllaços del pla de control sense afectar la qualitat de servei a la xarxa.The explosion of IP traffic due to the increase of IP-based multimedia services such as HDTV or video conferencing poses new challenges to network operators to provide a cost-effective data transmission. Although Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) meshed transport networks support high-speed optical connections, these networks lack the flexibility to support sub-wavelength traffic leading to poor bandwidth usage. To cope with the transport of that huge and heterogeneous amount of traffic, multilayer networks represent the most accepted architectural solution. Multilayer optical networks allow optimizing network capacity by means of packing several low-speed traffic streams into higher-speed optical connections (lightpaths). During this operation, a dynamic virtual topology is created and modified the whole time thanks to a control plane responsible for the establishment, maintenance, and release of connections. Because of this dynamicity, a suboptimal allocation of resources may exist at any time. In this context, a periodically resource reallocation could be deployed in the network, thus improving network resource utilization. This thesis is devoted to the characterization, planning, and re-optimization of next-generation multilayer networks from an integral perspective including physical layer, optical layer, virtual layer, and control plane optimization. To this aim, statistical models, mathematical programming models and meta-heuristics are developed. More specifically, this main objective has been attained by developing five goals covering different open issues. First, we provide a statistical methodology to improve the computation of the Q-factor for impairment-aware routing and wavelength assignment problems (IA-RWA). To this aim we propose two statistical models to compute the Cross-Phase Modulation variance (which represents the bottleneck in terms of computation time and complexity) in off-line and on-line IA-RWA problems, proving the accuracy of both models when computing Q-factor values in real traffic scenarios. Second and moving to the optical layer, we present a new wavelength partitioning scheme that allows maximizing the amount of extra traffic provided in shared path protected environments compared with current solutions. Specifically, we define several statistical models to estimate the traffic intensity given a target grade of service, and different network planning problems for maximizing the expected revenues and net present value. After solving these problems for real networks, we conclude that our proposed scheme maximizes both revenues and NPV. Third, we tackle the design of survivable multilayer networks against single failures at the IP/MPLS layer and WSON links. To efficiently solve this problem, we propose a new approach based on over-dimensioning IP/MPLS devices and lightpath connectivity and recovery and we compare it against the conventional solution based on duplicating backbone IP/MPLS nodes. After evaluating both approaches by means of ILP models and heuristic algorithms, we conclude that our proposed approach leads to significant CAPEX savings. Fourth, we introduce an adaptive mechanism to reduce the usage of opto-electronic (O/E) ports of IP/MPLS-over-WSON multilayer networks in dynamic scenarios. A ILP formulation and several heuristics are developed to solve this problem, which allows significantly reducing the usage of O/E ports in very short running times. Finally, we address the design of resilient control plane topologies in GMPLS-enabled transport networks. After proposing a novel analytical model to quantify the resilience in mesh control plane topologies, we use this model to propose a problem to design the control plane topology. An iterative model and a heuristic are proposed and used to solve real instances, concluding that a significant reduction in the number of control plane links can be performed without affecting the quality of service of the network

Multilayer Protection with Availability Guarantees in Optical WDM Networks

n/

Design and provisioning of WDM networks for traffic grooming

Wavelength Division Multiplexing (WDM) is the most viable technique for utilizing the enormous amounts of bandwidth inherently available in optical fibers. However, the bandwidth offered by a single wavelength in WDM networks is on the order of tens of Gigabits per second, while most of the applications\u27 bandwidth requirements are still subwavelength. Therefore, cost-effective design and provisioning of WDM networks require that traffic from different sessions share bandwidth of a single wavelength by employing electronic multiplexing at higher layers. This is known as traffic grooming. Optical networks supporting traffic grooming are usually designed in a way such that the cost of the higher layer equipment used to support a given traffic matrix is reduced. In this thesis, we propose a number of optimal and heuristic solutions for the design and provisioning of optical networks for traffic grooming with an objective of network cost reduction. In doing so, we address several practical issues. Specifically, we address the design and provisioning of WDM networks on unidirectional and bidirectional rings for arbitrary unicast traffic grooming, and on mesh topologies for arbitrary multipoint traffic grooming. In multipoint traffic grooming, we address both multicast and many-to-one traffic grooming problems. We provide a unified frame work for optimal and approximate network dimensioning and channel provisioning for the generic multicast traffic grooming problem, as well as some variants of the problem. For many-to-one traffic grooming we propose optimal as well as heuristic solutions. Optimal formulations which are inherently non-linear are mapped to an optimal linear formulation. In the heuristic solutions, we employ different problem specific search strategies to explore the solution space. We provide a number of experimental results to show the efficacy of our proposed techniques for the traffic grooming problem in WDM networks

Contributions to network planning and operation of Flex-Grid/SDM optical core networks

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICThe ever demanding bandwidth requirements for supporting emerging telecom services such as ultra-high-definition video streaming, cloud computing, connected car, virtual/augmented reality, etc., bring to the fore the necessity to upgrade continuously the technology behind transport networks in order to keep pace with this exponential traffic growth. Thus, everything seems to indicate that fixed-grid Wavelength-Division Multiplexed (WDM) networks will be upgraded by adopting a flexible-grid, thus providing finer bandwidth allocation granularities, and therefore, increasing the Grade-of-Service by packing more information in the same spectral band of standard Single-Mode Fibers (SMFs). Nevertheless, unfortunately, the fundamental Shannon’s limit of SMFs is rapidly approaching, and, then, the research efforts to increase the SMFs' capacity will be useless. One solution to overcome this capacity crunch effect is to enable one extra dimension in addition to the frequency one, namely, the spatial dimension, thus deploying S parallel paths in order to multiply, in the best case, by S the capacity of SMF-based networks. However, additionally, it is necessary to decrease the cost and energy per bit in order to provide economically attractive solutions. For this purpose, a smooth upgrade path has to be carried out as new integrated devices and system components are developed for Space Division Multiplexing (SDM). This thesis is concentrated on the planning and operation of the combined flexible WDM and SDM networks (i.e., Flex-Grid/SDM networks) proposing several strategies aimed at optimizing network resources usage with hardware complexity analysis. For this purpose, firstly, network problems are carefully studied and stated, and then, mathematical and/or heuristic algorithms are designed and implemented in an optical network simulator. Specifically, after an introduction to the thesis, chapter 2 presents the background and related work. Next, chapter 3 concentrates on the study of spatially fixed Flex-Grid/SDM networks, i.e., when a rigid number of spatial channels are reserved per allocated traffic demand. In its turn, chapter 4 studies the case of Spectrally-Spatially Flexible Optical Networks (SS-FONs), as the ones providing the upper-bound network capacity. Costs and hardware requirements implied on providing this flexibility are analyzed. Network nodes aimed at reducing the cost of SS-FONs are presented and evaluated in chapter 5. Finally, this thesis ends with the presentation of the main contributions and future research work in chapter 6.La demanda de ancho de banda cada vez más exigente para soportar servicios de telecomunicación emergentes tales como la transmisión de video de alta calidad, computación en la nube, vehículo conectado, realidad virtual/aumentada, etc.…, ha puesto de manifiesto la necesidad de actualizar constantemente la tecnología detrás de las redes de transporte óptico con la finalidad de ir a la par de este incremento exponencial del tráfico. De esta manera, todo parece indicar que las redes basadas en la multiplexación por division de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM) de ancho espectral fijo serán actualizadas adoptando un ancho de banda espectral flexible, que ofrece asignaciones de ancho de banda con granularidad más fina acorde a las demandas de tráfico; y por lo tanto, incremanta el Grado de Servicio de la red, ya que se permite acomodar mayor información en la misma banda espectral de las fibras monomodo (Single Mode Fibers, SMFs). Sin embargo, desafortunadamente, el límite de Shannon de las fibras monomodo se está aproximando cada vez más, y cuando esto ocurra las investigaciones para incrementar la capacidad de las fibras monomodo serán infructuosas. Una posible solución para superar este colapso de las fibras monomodo es habilitar la dimensión espacial a más de la frecuencial, desplegando � caminos paralelos con la finalidad de multiplicar por � (en el mejor de los casos) la capacidad de las fibras monomodo. No obstante, es necesario disminuir el costo y la energía por bit con la finalidad de proveer soluciones comerciales atractivas. Para tal propósito debe llevarse a cabo una actualización moderada conforme nuevos dispositivos y componentes integrados son desarrollados para la implementación de la tecnología basada en la multiplexación por división de espacio (Space Division Multiplexing, SDM). Esta tesis se concentra en la planificación y operación de la combinación de las redes WDM flexibles y SDM (es decir, de las redes Flex-Grid/SDM) proponiendo varias estrategias dirigidas a optimizar el uso de los recursos de red junto con el análisis de la complejidad del hardware que viene acompañada. Para este fin, primeramente, los problemas de red son cuidadosamente estudiados y descritos. A continuación, se han diseñado e implementado algoritmos basados en programación lineal entera o heurísticas en un simulador de redes ópticas. Después de una introducción inicial, el capítulo 2 de esta tesis presenta el marco teórico sobre los conceptos tratados y los trabajos publicados anteriormente. A continuación, el capítulo 3 se concentra en el estudio de las redes Flex-Grid/SDM con la dimensión espacial rígida; es decir, cuando un número fijo de canales espaciales son reservados por cada demanda de tráfico establecida. Por su parte, el capítulo 4 estudia las redes Flex-Grid/SDM considerando flexibilidad tanto en el dominio espacial como espectral (Spectrally and Spatially Flexible Optical Networks, SS-FONs), las cuales proveerían la capacidad máxima de las redes SDM. Adicionalmente, los costos y requerimientos de hardware implicados en la provisión de esta flexibilidad son analizados. El capítulo 5 presenta la evaluación de nodos orientados a reducir los costos de las SS-FONs. Finalmente, el capítulo 6 expone las principales contribuciones y las posibles líneas de trabajo futuroEls requisits incessants d’ample de banda per al suport de nous serveis de telecomunicació, com poden ser la difusió en directe de vídeo de molt alta definició, la informàtica en el núvol, els cotxes intel·ligents connectats a la xarxa, la realitat virtual/augmentada, etc…, han exigit una millora contínua de les tecnologíes de les actuals xarxes de transport de dades. Tot sembla indicar que les xarxes de transport òptiques actuals, basades en la tecnologia de multiplexació per divisió de longitud d’ona (Wavelength Division Multiplexing, WDM) sobre un grid espectral rígid, hauran de ser reemplaçades per tecnologies òptiques més flexibles, amb una granularitat més fina a l’hora de suportar noves connexions, incrementat el grau de servei de les xarxes gràcies a aprofitament major de l’ample de banda espectral proporcionat per les fibres òptiques monomode (Single Mode Fibers, SMFs). Tanmateix, estem exhaurint ja la capacitat màxima de les fibres òptiques SMF segons ens indica el límit fonamental de Shannon. Per tant, qualsevol esforç enfocat a millorar la capacitat d’aquestes xarxes basades en SMFs pot acabar sent infructuós. Una possible solució per superar aquestes limitacions de capacitat és explorar la dimensió espacial, a més de l’espectral, desplegant camins en paral·lel per tal de multiplicar per , en el millor cas, la capacitat de les SMFs. Tot i això, és necessari reduir el cost i el consum energètic per bit transmès, per tal de proporcionar solucions econòmicament viables. Amb aquest propòsit, pot ser necessària una migració progressiva, a mesura que es desenvolupen nous dispositius i components per aquesta nova tecnologia de multiplexació per divisió espacial (Spatial Division Multiplexing, SDM). La present tesi es centra en la planificació i operació de xarxes òptiques de nova generació que combinin tecnologies de xarxa WDM flexible i SDM (és a dir, xarxes Flex-Grid/SDM), proposant estratègies per a l’optimització de l’ús dels recursos de xarxa i, en definitiva, el seu cost (CapEx). Amb aquest propòsit, s’analitzen en primer moment els problemes adreçats. Tot seguit, es dissenyen algorismes per tal de solucionar-los, basats en tècniques de programació matemàtica i heurístiques, els quals s’implementen i es proven en un simulador de xarxa òptica. Després d’una introducció inicial, el capítol 2 d’aquesta tesi presenta tots els conceptes tractats i treballs relacionats publicats amb anterioritat. Tot seguit, el capítol 3 es centra en l’estudi de les xarxes Flex-Grid/SDM fixes en el domini espai, és a dir, on sempre es reserva un nombre rígid de canals espacials per qualsevol demanda suportada. El capítol 4 estudia les xarxes flexibles en els dominis espectrals i espacials (Spectrally-Spatially Flexible Optical Nextworks, SS-FONs), com aquelles que poden proporcionar una capacitat de xarxa màxima. En aquest context, s’analitzen els requeriments en termes de cost i hardware per tal de proporcionar aquesta flexibilitat. Llavors, en el capítol 6 es presenten opcions de node de xarxa capaces de reduir els costos de les xarxes SS-FONs. Finalment, en el capítol 7 es repassen totes les contribucions de la tesi, així com posibles línies de treball futurAward-winningPostprint (published version

Resource Allocation in Survivable WDM Networks Under a Sliding Scheduled Traffic Model

In recent years there has been an increasing number of applications that require periodic use of lightpaths at predefined time intervals, such as database backup and on-line classes. A new traffic model, referred to as the scheduled traffic model, has been proposed to handle such scheduled lightpath demands. In this thesis we present two new integer linear program ( ILP) formulations for the more general sliding scheduled traffic model, where the setup and teardown times may vary within a specified range. We consider both wavelength convertible networks and networks without wavelength conversion capability. Our ILP formulations jointly optimize the problem of scheduling the demands ( in time) and allocating resources for the scheduled lightpaths. Simulation results show that our formulations are able to generate optimal solutions for practical sized networks. For larger networks, we have proposed a fast two-step heuristic to solve the demand scheduling problem and the RWA problem separately