Exploiting the power of multiplicity: a holistic survey of network-layer multipath

The Internet is inherently a multipath network: For an underlying network with only a single path, connecting various nodes would have been debilitatingly fragile. Unfortunately, traditional Internet technologies have been designed around the restrictive assumption of a single working path between a source and a destination. The lack of native multipath support constrains network performance even as the underlying network is richly connected and has redundant multiple paths. Computer networks can exploit the power of multiplicity, through which a diverse collection of paths is resource pooled as a single resource, to unlock the inherent redundancy of the Internet. This opens up a new vista of opportunities, promising increased throughput (through concurrent usage of multiple paths) and increased reliability and fault tolerance (through the use of multiple paths in backup/redundant arrangements). There are many emerging trends in networking that signify that the Internet's future will be multipath, including the use of multipath technology in data center computing; the ready availability of multiple heterogeneous radio interfaces in wireless (such as Wi-Fi and cellular) in wireless devices; ubiquity of mobile devices that are multihomed with heterogeneous access networks; and the development and standardization of multipath transport protocols such as multipath TCP. The aim of this paper is to provide a comprehensive survey of the literature on network-layer multipath solutions. We will present a detailed investigation of two important design issues, namely, the control plane problem of how to compute and select the routes and the data plane problem of how to split the flow on the computed paths. The main contribution of this paper is a systematic articulation of the main design issues in network-layer multipath routing along with a broad-ranging survey of the vast literature on network-layer multipathing. We also highlight open issues and identify directions for future work

BGP-Multipath Routing in the Internet

BGP-Multipath, or BGP-M, is a routing technique for balancing traffic load in the Internet. It enables a Border Gateway Protocol (BGP) border router to install multiple ‘equally-good’ paths to a destination prefix. While other multipath routing techniques are deployed at internal routers, BGP-M is deployed at border routers where traffic is shared on multiple border links between Autonomous Systems (ASes). Although there are a considerable number of research efforts on multipath routing, there is so far no dedicated measurement or study on BGP-M in the literature. This thesis presents the first systematic study on BGP-M. I proposed a novel approach to inferring the deployment of BGP-M by querying Looking Glass (LG) servers. I conducted a detailed investigation on the deployment of BGP-M in the Internet. I also analysed BGP-M’s routing properties based on traceroute measurements using RIPE Atlas probes. My research has revealed that BGP-M has already been used in the Internet. In particular, Hurricane Electric (AS6939), a Tier-1 network operator, has deployed BGP-M at border routers across its global network to hundreds of its neighbour ASes on both IPv4 and IPv6 Internet. My research has provided the state-of-the-art knowledge and insights in the deployment, configuration and operation of BGP-M. The data, methods and analysis introduced in this thesis can be immensely valuable to researchers, network operators and regulators who are interested in improving the performance and security of Internet routing. This work has raised awareness of BGP-M and may promote more deployment of BGP-M in future because BGP-M not only provides all benefits of multipath routing but also has distinct advantages in terms of flexibility, compatibility and transparency

МЕТОД ИЕРАРХИЧЕСКОЙ МЕЖДОМЕННОЙ МАРШРУТИЗАЦИИ В ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ МЕЖКОНЦЕВОГО КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ

Предметом дослідження в статті є процеси міждоменної маршрутизації із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування. Мета роботи – розробити метод ієрархічної міждоменної маршрутизації із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування по показнику середньої міжкінцевої затримки пакетів в мультидоменній програмно-конфігурованій телекомунікаційній мережі. У статті вирішуються наступні завдання: розробка та дослідження методу ієрархічної міждоменної маршрутизації із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування. Використовуються такі методи: теорія графів, теорія тензорів, теорія ієрархічних багаторівневих систем, теорія масового обслуговування та методи математичного програмування. Отримано наступні результати: розроблено та досліджено метод ієрархічної міждоменної маршрутизації у програмно-конфігурованій телекомунікаційній мережі із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування, який дозволяє на підставі балансування навантаження в доменах телекомунікаційної мережі забезпечити заданий рівень QoS за показниками продуктивності та середньої міжкінцевої затримки пакетів. Висновки: В роботі запропоновано метод ієрархічної міждоменної маршрутизації у програмно-конфігурованій телекомунікаційній мережі із забезпеченням якості обслуговування за показниками пропускної здатності і середньої міжкінцевої затримки пакетів. Новизною метода є те, що виконання QoS-вимог щодо середньої міжкінцевої затримки пакетів здійснюється не на підставі попереднього нормування її значень за доменами, а шляхом введення та реалізації дворівневої координації маршрутних рішень відповідно до принципу цільової координації. В основу запропонованого методу покладено декомпозиційну потокову модель міждоменної маршрутизації, а для отримання в аналітичному вигляді умов забезпечення міжкінцевої якості обслуговування використано тензорний опис кожного з мережних доменів. Використання запропонованого методу ієрархічної міждоменної маршрутизації дозволяє без перерозподілу канального ресурсу, а лише на підставі балансування навантаження в доменах ТКМ забезпечити заданий рівень QoS за показниками продуктивності та середньої міжкінцевої затримки пакетів. Децентралізація обчислень маршрутів в кожному з доменів мережі на підставі використання локальної інформації про їх стан дозволяє підвищити масштабованість маршрутних рішень, а введення процедур координації дозволяє забезпечити погодженість у роботі SDN-контролерів доменів з точки зору забезпечення QoS. Дослідження запропонованого методу на ряді розрахункових прикладів підтвердила його збіжність до оптимальних рішень за кінцеву кількість ітерацій координаційної процедури.The subject of research in the article is the processes of inter-domain routing with ensuring the end-to-end quality of service. The aim of the work is to develop a method of hierarchical inter-domain routing with ensuring the end-to-end quality of service in terms of average end-to-end packet delay in a multi-domain software-defined telecommunications network. The following tasks are solved in the article: development and research the hierarchical inter-domain routing method with ensuring the end-to-end quality of service. The following methods are used: graph theory, tensor theory, theory of hierarchical multi-level systems, queuing theory, and mathematical programming methods. The following results were obtained: the method of hierarchical inter-domain routing in a software-defined telecommunications network with the provision of end-to-end quality of service has been developed and investigated, which allows, based on load balancing in the telecommunication network domains, to provide a specified level of QoS in terms of performance and average end-to-end packet delay. Conclusions: The paper proposes a method of hierarchical inter-domain routing in a software- defined telecommunications network with ensuring the quality of service in terms of bandwidth and average packet end-to-end delay. The novelty of the method is that the implementation of QoS requirements for the average end-to-end packet delay is carried out not on the basis of preliminary normalization of its values by domain, but through the introduction and implementation of two-level coordination of route solutions in accordance with the principle of target coordination. The proposed method is based on a decomposition flow-based model of inter-domain routing, and to obtain in an analytical form the conditions for ensuring the end-to-end quality of service, a tensor description of each of the network domains is used. Using the hierarchical inter-domain routing method allows to reassign the channel resource, but only on the basis of load balancing in the telecommunication network domains, to provide the specified level of QoS in terms of performance and average end-to-end packet delay. Decentralization of route computations in each of the network domains based on the use of local information about their state makes it possible to increase the scalability of route decisions, and the introduction of coordination procedures ensures consistency in the work of telecommunication domain controllers in terms of QoS. The investigation of the proposed method on a number of computational examples confirmed its convergence to optimal solutions with a finite number of iterations of the coordination procedure.Предметом исследования в статье являются процессы междоменной маршрутизации с обеспечением межконцевого качества обслуживания. Цель работы – разработать метод иерархической междоменной маршрутизации с обеспечением межконцевого качества обслуживания по показателю средней межконцевой задержки пакетов в мультидоменной программно-конфигурируемой телекоммуникационной сети. В статье решаются следующие задачи: разработка и исследование метода иерархической междоменной маршрутизации с обеспечением межконцевого качества обслуживания. Используются следующие методы: теория графов, теория тензоров, теория иерархических многоуровневых систем, теория массового обслуживания и методы математического программирования. Получены следующие результаты: разработан и исследован метод иерархической междоменной маршрутизации в программно-конфигурируемой телекоммуникационной сети с обеспечением межконцевого качества обслуживания, который позволяет на основании балансировки нагрузки в доменах телекоммуникационной сети обеспечить заданный уровень QoS по показателям производительности и средней межконцевой задержки пакетов. Выводы: В работе предложен метод иерархической междоменной маршрутизации в программно-конфигурируемой телекоммуникационной сети с обеспечением качества обслуживания по показателям пропускной способности и средней межконцевой задержки пакетов. Новизной метода является то, что выполнение QoS-требований по средней межконцевой задержке пакетов осуществляется не на основании предварительного нормирования ее значений по доменам, а путем введения и реализации двухуровневой координации маршрутных решений в соответствии с принципом целевой координации. В основу предложенного метода положена декомпозиционная потоковая модель междоменной маршрутизации, а для получения в аналитическом виде условий обеспечения межконцевого качества обслуживания использовано тензорное описание каждого из сетевых доменов. Использование метода иерархической междоменной маршрутизации позволяет без перераспределения канального ресурса, а лишь на основании балансировки нагрузки в доменах телекоммуникационной сети обеспечить заданный уровень QoS по показателям производительности и средней межконцевой задержки пакетов. Децентрализация вычислений маршрутов в каждом из доменов сети на основе использования локальной информации об их состоянии позволяет повысить масштабируемость маршрутных решений, а введение процедур координации позволяет обеспечить согласованность в работе SDN-контроллеров доменов с точки зрения обеспечения QoS. Исследование предложенного метода на ряде расчетных примеров подтвердило его сходимость к оптимальным решениям конечным количеством итераций координационного процедуры

МЕТОД ІЄРАРХІЧНОЇ МІЖДОМЕННОЇ МАРШРУТИЗАЦІЇ У ПРОГРАМНО-КОНФІГУРОВАНІЙ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНІЙ МЕРЕЖІ ІЗ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯМ МІЖКІНЦЕВОЇ ЯКОСТІ ОБСЛУГОВУВАННЯ

The subject of research in the article is the processes of inter-domain routing with ensuring the end-to-end quality of service. The aim of the work is to develop a method of hierarchical inter-domain routing with ensuring the end-to-end quality of service in terms of average end-to-end packet delay in a multi-domain software-defined telecommunications network. The following tasks are solved in the article: development and research the hierarchical inter-domain routing method with ensuring the end-to-end quality of service. The following methods are used: graph theory, tensor theory, theory of hierarchical multi-level systems, queuing theory, and mathematical programming methods. The following results were obtained: the method of hierarchical inter-domain routing in a software-defined telecommunications network with the provision of end-to-end quality of service has been developed and investigated, which allows, based on load balancing in the telecommunication network domains, to provide a specified level of QoS in terms of performance and average end-to-end packet delay. Conclusions: The paper proposes a method of hierarchical inter-domain routing in a software- defined telecommunications network with ensuring the quality of service in terms of bandwidth and average packet end-to-end delay. The novelty of the method is that the implementation of QoS requirements for the average end-to-end packet delay is carried out not on the basis of preliminary normalization of its values by domain, but through the introduction and implementation of two-level coordination of route solutions in accordance with the principle of target coordination. The proposed method is based on a decomposition flow-based model of inter-domain routing, and to obtain in an analytical form the conditions for ensuring the end-to-end quality of service, a tensor description of each of the network domains is used. Using the hierarchical inter-domain routing method allows to reassign the channel resource, but only on the basis of load balancing in the telecommunication network domains, to provide the specified level of QoS in terms of performance and average end-to-end packet delay. Decentralization of route computations in each of the network domains based on the use of local information about their state makes it possible to increase the scalability of route decisions, and the introduction of coordination procedures ensures consistency in the work of telecommunication domain controllers in terms of QoS. The investigation of the proposed method on a number of computational examples confirmed its convergence to optimal solutions with a finite number of iterations of the coordination procedure.Предметом исследования в статье являются процессы междоменной маршрутизации с обеспечением межконцевого качества обслуживания. Цель работы – разработать метод иерархической междоменной маршрутизации с обеспечением межконцевого качества обслуживания по показателю средней межконцевой задержки пакетов в мультидоменной программно-конфигурируемой телекоммуникационной сети. В статье решаются следующие задачи: разработка и исследование метода иерархической междоменной маршрутизации с обеспечением межконцевого качества обслуживания. Используются следующие методы: теория графов, теория тензоров, теория иерархических многоуровневых систем, теория массового обслуживания и методы математического программирования. Получены следующие результаты: разработан и исследован метод иерархической междоменной маршрутизации в программно-конфигурируемой телекоммуникационной сети с обеспечением межконцевого качества обслуживания, который позволяет на основании балансировки нагрузки в доменах телекоммуникационной сети обеспечить заданный уровень QoS по показателям производительности и средней межконцевой задержки пакетов. Выводы: В работе предложен метод иерархической междоменной маршрутизации в программно-конфигурируемой телекоммуникационной сети с обеспечением качества обслуживания по показателям пропускной способности и средней межконцевой задержки пакетов. Новизной метода является то, что выполнение QoS-требований по средней межконцевой задержке пакетов осуществляется не на основании предварительного нормирования ее значений по доменам, а путем введения и реализации двухуровневой координации маршрутных решений в соответствии с принципом целевой координации. В основу предложенного метода положена декомпозиционная потоковая модель междоменной маршрутизации, а для получения в аналитическом виде условий обеспечения межконцевого качества обслуживания использовано тензорное описание каждого из сетевых доменов. Использование метода иерархической междоменной маршрутизации позволяет без перераспределения канального ресурса, а лишь на основании балансировки нагрузки в доменах телекоммуникационной сети обеспечить заданный уровень QoS по показателям производительности и средней межконцевой задержки пакетов. Децентрализация вычислений маршрутов в каждом из доменов сети на основе использования локальной информации об их состоянии позволяет повысить масштабируемость маршрутных решений, а введение процедур координации позволяет обеспечить согласованность в работе SDN-контроллеров доменов с точки зрения обеспечения QoS. Исследование предложенного метода на ряде расчетных примеров подтвердило его сходимость к оптимальным решениям конечным количеством итераций координационного процедуры.Предметом дослідження в статті є процеси міждоменної маршрутизації із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування. Мета роботи – розробити метод ієрархічної міждоменної маршрутизації із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування по показнику середньої міжкінцевої затримки пакетів в мультидоменній програмно-конфігурованій телекомунікаційній мережі. У статті вирішуються наступні завдання: розробка та дослідження методу ієрархічної міждоменної маршрутизації із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування. Використовуються такі методи: теорія графів, теорія тензорів, теорія ієрархічних багаторівневих систем, теорія масового обслуговування та методи математичного програмування. Отримано наступні результати: розроблено та досліджено метод ієрархічної міждоменної маршрутизації у програмно-конфігурованій телекомунікаційній мережі із забезпеченням міжкінцевої якості обслуговування, який дозволяє на підставі балансування навантаження в доменах телекомунікаційної мережі забезпечити заданий рівень QoS за показниками продуктивності та середньої міжкінцевої затримки пакетів. Висновки: В роботі запропоновано метод ієрархічної міждоменної маршрутизації у програмно-конфігурованій телекомунікаційній мережі із забезпеченням якості обслуговування за показниками пропускної здатності і середньої міжкінцевої затримки пакетів. Новизною метода є те, що виконання QoS-вимог щодо середньої міжкінцевої затримки пакетів здійснюється не на підставі попереднього нормування її значень за доменами, а шляхом введення та реалізації дворівневої координації маршрутних рішень відповідно до принципу цільової координації. В основу запропонованого методу покладено декомпозиційну потокову модель міждоменної маршрутизації, а для отримання в аналітичному вигляді умов забезпечення міжкінцевої якості обслуговування використано тензорний опис кожного з мережних доменів. Використання запропонованого методу ієрархічної міждоменної маршрутизації дозволяє без перерозподілу канального ресурсу, а лише на підставі балансування навантаження в доменах ТКМ забезпечити заданий рівень QoS за показниками продуктивності та середньої міжкінцевої затримки пакетів. Децентралізація обчислень маршрутів в кожному з доменів мережі на підставі використання локальної інформації про їх стан дозволяє підвищити масштабованість маршрутних рішень, а введення процедур координації дозволяє забезпечити погодженість у роботі SDN-контролерів доменів з точки зору забезпечення QoS. Дослідження запропонованого методу на ряді розрахункових прикладів підтвердила його збіжність до оптимальних рішень за кінцеву кількість ітерацій координаційної процедури

Intelligent Network Infrastructures: New Functional Perspectives on Leveraging Future Internet Services

The Internet experience of the 21st century is by far very different from that of the early '80s. The Internet has adapted itself to become what it really is today, a very successful business platform of global scale. As every highly successful technology, the Internet has suffered from a natural process of ossification. Over the last 30 years, the technical solutions adopted to leverage emerging applications can be divided in two categories. First, the addition of new functionalities either patching existing protocols or adding new upper layers. Second, accommodating traffic grow with higher bandwidth links. Unfortunately, this approach is not suitable to provide the proper ground for a wide gamma of new applications. To be deployed, these future Internet applications require from the network layer advanced capabilities that the TCP/IP stack and its derived protocols can not provide by design in a robust, scalable fashion. NGNs (Next Generation Networks) on top of intelligent telecommunication infrastructures are being envisioned to support future Internet Services. This thesis contributes with three proposals to achieve this ambitious goal. The first proposal presents a preliminary architecture to allow NGNs to seamlessly request advanced services from layer 1 transport networks, such as QoS guaranteed point-to-multipoint circuits. This architecture is based on virtualization techniques applied to layer 1 networks, and hides from NGNs all complexities of interdomain provisioning. Moreover, the economic aspects involved were also considered, making the architecture attractive to carriers. The second contribution regards a framework to develop DiffServ-MPLS capable networks based exclusively on open source software and commodity PCs. The developed DiffServ-MPLS flexible software router was designed to allow NGN prototyping, that make use of pseudo virtual circuits and assured QoS as a starting point of development. The third proposal presents a state of the art routing and wavelength assignment algorithm for photonic networks. This algorithm considers physical layer impairments to 100% guarantee the requested QoS profile, even in case of single network failures. A number of novel techniques were applied to offer lower blocking probability when compared with recent proposed algorithms, without impacting on setup delay time