Investigation of the tolerance of wavelength-routed optical networks to traffic load variations.

This thesis focuses on the performance of circuit-switched wavelength-routed optical network with unpredictable traffic pattern variations. This characteristic of optical networks is termed traffic forecast tolerance. First, the increasing volume and heterogeneous nature of data and voice traffic is discussed. The challenges in designing robust optical networks to handle unpredictable traffic statistics are described. Other work relating to the same research issues are discussed. A general methodology to quantify the traffic forecast tolerance of optical networks is presented. A traffic model is proposed to simulate dynamic, non-uniform loads, and used to test wavelength-routed optical networks considering numerous network topologies. The number of wavelengths required and the effect of the routing and wavelength allocation algorithm are investigated. A new method of quantifying the network tolerance is proposed, based on the calculation of the increase in the standard deviation of the blocking probabilities with increasing traffic load non-uniformity. The performance of different networks are calculated and compared. The relationship between physical features of the network topology and traffic forecast tolerance is investigated. A large number of randomly connected networks with different sizes were assessed. It is shown that the average lightpath length and the number of wavelengths required for full interconnection of the nodes in static operation both exhibit a strong correlation with the network tolerance, regardless of the degree of load non-uniformity. Finally, the impact of wavelength conversion on network tolerance is investigated. Wavelength conversion significantly increases the robustness of optical networks to unpredictable traffic variations. In particular, two sparse wavelength conversion schemes are compared and discussed: distributed wavelength conversion and localized wavelength conversion. It is found that the distributed wavelength conversion scheme outperforms localized wavelength conversion scheme, both with uniform loading and in terms of the network tolerance. The results described in this thesis can be used for the analysis and design of reliable WDM optical networks that are robust to future traffic demand variations

Telecommunications Networks

This book guides readers through the basics of rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations of Telecommunications Networks. It identifies and examines the most pressing research issues in Telecommunications and it contains chapters written by leading researchers, academics and industry professionals. Telecommunications Networks - Current Status and Future Trends covers surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as: IMS, eTOM, 3G/4G, optimization problems, modeling, simulation, quality of service, etc. This book, that is suitable for both PhD and master students, is organized into six sections: New Generation Networks, Quality of Services, Sensor Networks, Telecommunications, Traffic Engineering and Routing

Quality of service in optical burst switching networks

Tese dout., Engenharia Electrónica e Computação, Universidade do Algarve, 2009Fundação para e Ciência e a Tecnologi

Analytic modelling and resource dimensioning of optical burst switched networks

The realisation of optical network architectures may hold the key to delivering the enormous bandwidth demands of next generation Internet applications and services. Optical Burst Switching (OBS) is a potentially cost-effective switching technique that can satisfy these demands by offering a high bit rate transport service that is bandwidth-efficient under dynamic Internet traffic loads. Although various aspects of OBS performance have been extensively investigated, there remains a need to systematically assess the cost/performance trade-offs involved in dimensioning OBS switch resources in a network. This goal is essential in enabling the future deployment of OBS but poses a significant challenge due to the complexity of obtaining tractable mathematical models applicable to OBS network optimisation. The overall aim of this thesis lies within this challenge. This thesis firstly develops a novel analytic performance model of an OBS node where burst contention is resolved by combined use of Tuneable Wavelength Converters (TWCs) and Fibre Delay Lines (FDLs) connected in an efficient share-per-node configuration. The model uses a two-moment traffic representation that gives a good trade-off between accuracy and complexity, and is suitable for extension to use in network modelling. The OBS node model is then used to derive an approximate analytic model of an OBS network of switches equipped with TWCs and FDLs, again maintaining a two-moment traffic model for each end-to-end traffic path in the network. This allows evaluation of link/route loss rates under different offered traffic characteristics, whereas most OBS network models assume only a single-moment traffic representation. In the last part of this thesis, resource dimensioning of OBS networks is performed by solving single and multi-objective optimisation problems based on the analytic network model. The optimisation objectives relate to equipment cost minimisation and throughput maximisation under end-to-end loss rate constraints. Due to non-convexity of the network performance constraint equations, a search heuristic approach has been taken using a constraint-handling genetic algorithm

Offset time-emulated architecture for optical burst switching-modelling and performance evaluation

L'evolució de les xarxes publiques de transport de dades destaca per el continu augment de la demanda de tràfic a la que estan sotmeses. La causa és la imparable popularització d'Internet i del seu ús per a tot tipus d'aplicacions. Les xarxes de commutació de ràfegues òptiques (OBS: Optical Bursts Switching) són una solució extraordinàriament prometedora per la pròxima generació de xarxes, tant per la flexibilitat que ofereixen com per el seu alt rendiment fruit de l'explotació de la multiplexació estadística en el domini òptic.Aquesta tesi presenta l'anàlisi, modelització i avaluació de les xarxes de commutació de ràfegues òptiques basades en l'emulació del temps de compensació (emulated offset time: E-OBS). El concepte d'E-OBS defineix una arquitectura de xarxa OBS per al transportar i commutar ràfegues òptiques en una xarxa troncal en la que, al contrari de l'arquitectura convencional (C-OBS) en la que el temps de compensació s'introdueix des dels nodes d'accés, el temps de compensació s'introdueix en cadascun dels nodes de la xarxa per mitjà d'un retardador de fibra addicional. L'arquitectura E-OBS permet superar algunes de les desavantatges inherents a arquitectures C-OBS, però la seva gran virtut és la compatibilitat amb les xarxes de commutació de circuits òptics (OCS: Optical Circuit Switching) actuals i les futures xarxes de commutació de paquets òptics (OPS: Optical Packet Switching), de manera que les xarxes OBS basades en una arquitectura E-OBS) poden facilitat enormement la transició de unes a les altres.A ala vista dels principals requeriments de disseny de les xarxes OBS, que són la resolució de contencions en el domini òptic, la provisió de qualitat de servei (QoS) i l'òptim encaminament de les ràfegues per tal de minimitzar la congestió de la xarxa, . en aquesta tesi es proposa un disseny de l'arquitectura E-OBS basada en (i) un mètode viable per a la provisió del temps de compensació, (ii) una qualitat alta global de servei, i (iii) un mecanisme d'encaminament que minimitzi congestió de xarxa.- La primera part d'aquesta tesi proporciona la informació documental necessària per al disseny d'E-OBS.- La segona part se centra en l'estudi de la funcionalitat i viabilitat de l'arquitectura E-OBS. S'introdueixen els principis d'operació d'E-OBS i s'identifiquen els principals esculls que presenten les arquitectures C-OBS i que deixen de ser-ho en una arquitectura E-OBS. Alguns d'aquests esculls són la dificultat d'utilitzar un algorisme d'encaminament amb rutes alternatives, la complexitat dels algoritmes de reserva de recursos i la seva falta d'equitat, la complexitat en la provisió de la QoS, etc. En aquesta segona part es constata que l'arquitectura E-OBS redueix la complexitat dels de reserva de recursos i es verifica la viabilitat d'operació i de funcionament de la provisió del tremps de compensació en aquesta arquitectura a partir de figures de comportament obtingudes amb retardadors de fibra comercialment disponibles.- La tercera part encara el problema de la provisió de la QoS. Primer s'hi revisen els conceptes bàsics de QoS així com els mecanismes de tractament de la QoS per a xarxes OBS fent-ne una comparació qualitativa i de rendiment de tots ells. Com a resultat s'obté que el mecanisme que presenta un millor comportament és el d'avortament de la transmissió de les ràfegues de més baixa prioritat quan aquestes col·lisionen amb una de prioritat més alta (es l'anomenat Burst Preemption mechanism), el qual en alguns casos presenta un problema de senyalització innecessària. Aquesta tercera part es conclou amb la proposta d'un mecanisme de finestra a afegir al esquema de Burst Preemption que només funciona sobre una arquitectura E-OBS i que soluciona aquest problema.- En la quarta part s'afronta el problema de l'encaminament en xarxes OBS. S'estudia el comportament dels algoritmes d'encaminament adaptatius, els aïllats amb rutes alternatives i els multicamí distribuïts, sobre xarxes E-OBS. A la vista dels resultats no massa satisfactoris que s'obtenen, es planteja una solució alternativa que es basa en model d'optimització no lineal. Es formulen i resolen dos models d'optimització per als algoritmes encaminament de font multicamí que redueixen notablement la congestió en les xarxes OBS.Finalment, aquesta tesi conclou que l'arquitectura E-OBS és factible, que és més eficient que la C-OBS, que proveeix eficaçment QoS, i que és capaç d'operar amb diverses estratègies d'encaminament i de reduir eficaçment la congestió de xarxa.The fact that the Internet is a packet-based connection-less network is the main driver to develop a data-centric transport network. In this context, the optical burst switching (OBS) technology is considered as a promising solution for reducing the gap between transmission and switching speeds in future networks.This thesis presents the analysis, modelling, and evaluation of the OBS network with Emulated offset-time provisioning (E-OBS). E-OBS defines an OBS network architecture to transport and switch optical data bursts in a core network. On the contrary to a conventional offset-time provisioning OBS (C-OBS) architecture, where a transmission offset time is introduced in the edge node, in an E-OBS network the offset time is provided in the core node by means of an additional fibre delay element. The architecture is motivated by several drawbacks inherent to C-OBS architectures. It should be pointed out that the E-OBS has not been studied intensively in the literature and this concept has been considered rather occasionally.Due to the limitations in optical processing and queuing, OBS networks need a special treatment so that they could solve problems typical of data-centric networks. Contention resolution in optical domain together with quality of service (QoS) provisioning for quality demanding services are, among other things, the main designing issues when developing OBS networks. Another important aspect is routing problem, which concerns effective balancing of traffic load so that to reduce burst congestion at overloaded links. Accounting for these requirements, the design objectives for the E-OBS architecture are (i) feasibility of offset-time provisioning, (ii) an overall high quality of service, and (iii) reduction of network congestion. These objectives are achieved by combining selected concepts and strategies, together with appropriate system design as well as network traffic engineering.The contributions in this thesis can be summarized as follows.- At the beginning, we introduce the principles of E-OBS operation and we demonstrate that C-OBS possesses many drawbacks that can be easily avoided in E-OBS. Some of the discussed issues are the problem of unfairness in resources reservation, difficulty with alternative routing, complexity of resources reservation algorithms, efficiency of burst scheduling, and complexity in QoS provisioning. The feasibility of E-OBS operation is investigated as well; in this context, the impact of congestion in control plane on OBS operation is studied. As a result, we confirm the feasibility of E-OBS operation with commercially available fibre delay elements.- Then, we provide both qualitative and quantitative comparison of the selected, most addressed in the literature, QoS mechanisms. As an outcome a burst preemption mechanism, which is characterized by the highest overall performance, is qualified for operating in E-OBS. Since the preemptive mechanism may produce the overbooking of resources in an OBS network we address this issue as well. We propose the preemption window mechanism to solve the problem. An analytical model of the mechanism legitimates correctness of our solution.- Finally, we concern with a routing problem - our routing objective is to help the contention resolution algorithms in the reduction of burst losses. We propose and evaluate two isolated alternative routing algorithms designed for labelled E-OBS networks. Then we study multi-path source routing and we use network optimization theory to improve it. The presented formulae for partial derivatives, to be used in a non-linear optimization problem, are straightforward and very fast to compute. It makes the proposed non-linear optimization method a viable alternative for linear programming formulations based on piecewise linear approximations.Concluding, E-OBS is shown to be a feasible OBS network architecture of profitable functionality, to support efficiently the QoS provisioning, and to be able to operate with different routing strategies and effectively reduce the network congestion

Virtual network provisioning over flexible optical transport infrastructure

Current transport network owners are focused on offering services on top of the infrastructures they own, while end users have no control over them. Traditionally, this has been their business model, as the cost of building the infrastructures to provide services is considerably high. However, the traffic on Internet has been, and still is, rapidly increasing over the years. Additionally new emerging services are pushing the limits of existing telecommunication infrastructures, particularly transport optical networks. To overcome such situation, network virtualization has been considered as an effective solution for the future optical networks architectures. Thanks to Virtual Optical Networks (VONs), it is possible to create mission-specific logic infrastructures, which fulfil the exact requirements of the applications that will run on top of them, sharing a unique physical substrate. However, the applicability of virtualization techniques to the optical domain is still under research, being on key point the mapping of the virtual resources to the actual physical ones. However, virtualization per se does not provide a solution flexible enough in terms of bandwidth utilization. For this to happen, an equally flexible transport technology must be adopted. Elastic Optical Networks (EONs) have been presented as an efficient solution for flexible bandwidth allocation. Additionally, due to the dinamicity of the traffic patterns that such virtual networks will face, it is highly desirable to provide a physical substrate that will help on keeping the associated operational expenditures (OPEX) at low levels, being a very important parameter the energy consumption. The energy consumption topic has been subject of big research efforts in order to provide more energy efficient optical transport networks, which, at their turn, will help on the creation of less costly virtual infrastructures. This thesis is devoted to the study of resource allocation to VONs, aiming to provide a flexible, efficient and optimized environment for the embedding of the VONs to the actual physical substrate. The considered scenario is composed of an underlying optical transport network and multiple client VONs that have to be allocated on top. In such scenario, a key aspect relates to how actual resources are associated to the virtual ones, guaranteeing the isolation among VONs and satisfying the resources requirements of every one of them. After an introduction to the thesis, chapter 2 surveys nowadays optical network infrastructures, concluding on the need to move towards a more dynamic and efficient optical network infrastructure. Next, it proceeds to summarize the state of the art of the concepts that enable for such network architecture, namely, VONs, EONs and energy efficient optical infrastructures. Then, chapters 3, 4 and 5 focus on providing solutions to optimize specific aspects of these enabling concepts. More in details, chapter 3 studies the main challenges on the VON embedding problem and presents solutions that allow for an optimized resoure assignment to VONs in a physical substrate depending on the VONs characteristics and the sppecific network substrate. Chapter 4 proposes the Split Spectrum (SS) approach as a way to improve the spectrum utilization of EONs. Finally, chapter 5 focuses on provide and evaluate routing and architectural solutions in aims to reduce the energy consumption of the optical substrate so as VONs with lower OPEX can be deployed on top of it.Els actuals propietaris de xarxes de transport es centren en oferir serveis mitjançant les infraestructures que posseeixen, mentre els usuaris finals no tenen cap control sobre aquests. Tradicionalment, aquest ha estat el seu model de negoci, ja que el cost de construir aquestes infraestructures és considerablement elevat. Tanmateix, el tràfic a Internet ha estat creixent de manera ràpida durant els últims anys. A més, l'aparició de nous serveis està portant al límit les actuals infraestructures de telecomunicacions, especialment les xarxes òptiques de transport. Per tal de superar aquesta situació, la virtualització de xarxes és considerada com una solució efectiva per les futures arquitectures de xarxes òptiques. Gràcies a les Xarxes Òptiques Virtuals (VONs), és possible crear infraestructures lògiques específiques en la seva missió, les quals permeten satisfer els requisits de les aplicacions que s'executaran a través d'elles, compartint un únic substrat físic. Tanmateix, l'aplicació de les tècniques de virtualització en el domini òptic encara és subjecte d'investigació, sent el mapeig entre els recursos virtuals i els recursos físics un punt clau que cal adreçar. No obstant això, la virtualització en si mateixa no proporciona una solució prou flexible en termes d'utilització de l'espectre. Per aquest motiu és necessari que el substrat físic adopti una tecnologia igualment flexible. Les Xarxes Òptiques Elàstiques (EONs) es presenten com una solució eficient per a una assignació flexible de l'espectre. A més, a causa del dinamisme dels perfils de trafic als quals s'enfrontaran les VONs, és desitjable proporcionar una infraestructura física que ajudi a mantenir baixes les despeses operatives (OPEX) d'aquestes xarxes, sent un paràmetre molt important el consum energètic. El tema del consum energètic ha estat subjecte de grans iniciatives de recerca per tal de proporcionar xarxes de transport òptiques més eficients energèticament, les quals permetran crear VONs menys costoses. Aquesta tesi està dedicada a l'estudi l'assignació de recursos a les VONs, amb l'objectiu de proporcionar un entorn flexible, eficient i optimitzat per a la incrustació de les VONs al substrat físic. L'escenari considerat es compon d'una xarxa de transport subjacent i múltiples VONs client a col·locar sobre el substrat físic. En aquest escenari, un aspecte clau es refereix a com els recursos reals s'associen als virtuals, garantint l'aïllament entre VONs i satisfent els recursos demanats per cada una d'elles. Després d'una introducció a la tesi, el capítol 2 revisa les infraestructures de xarxa òptica actuals, concloent en la necessitat d'avançar cap a infraestructures més dinàmiques i eficients. Tot seguit, es procedeix a resumir l'estat de l'art dels conceptes que habilitaran aquesta arquitectura de xarxa, bàsicament, VONs, EONs i les xarxes òptiques de baix consum. A continuació, els capítols 3, 4 i 5 es centren en proporcionar solucions per optimitzar aspectes específics d'aquests conceptes. Més en detall, el capítol 3 estudia els principals reptes en el problema de la incrustació de VONs i presenta solucions que permetin assignar recursos de manera optimitzada a les VONs en un substrat físic. El capítol 4 proposa el concepte de l'Split Spectrum (SS) com una forma de millorar la utilització de l'espectre en les EONs. Finalment, el capítol 5 es centra en proporcionar i avaluar solucions arquitectòniques i d'enrutament amb l'objectiu de reduir el consum d'energia del substrat òptic de tal manera que VONs amb menor OPEX puguin ser desplegades a través d'ell.Los actuales propietarios de las redes de transporte se centran en ofrecer servicios mediante las infraestructuras que poseen y gestionan, mientras que los usuarios finales no tienen ningún control sobre estos. Tradicionalmente, este ha sido el modelo de negocio adoptado por los operadores de redes, ya que el coste de construir y mantener las infraestructuras correspondientes por tal de ofrecer servicios mediante ellas era, y aun es, considerablemente elevado. No obstante, el tráfico en Internet ha crecido de manera rápida y sostenida durante los últimos años y se prevé que continuara con este crecimiento en el futuro. Además, la aparición de nuevos servicios y paradigmas, están llevando al límite las actuales infraestructuras de telecomunicaciones, especialmente las redes de trasporte óptico. Por tal de superar dicha situación, la virtualización de redes ha sido considerada como una solución efectiva para las futuras arquitecturas de redes ópticas. Gracias a las Redes Ópticas Virtuales (VONs), es posible crear infraestructuras lógicas especificas en su misión, las cuales podrán satisfacer los requisitos de las aplicaciones que se ejecutaran a través de ellas, usando y compartiendo un único sustrato físico. No obstante, la aplicación de las técnicas de virtualización en el dominio óptico aun es sujeto de investigación, siendo el mapeo entre los recursos virtuales y los físicos (también conocido como incrustación de la red virtual) un punto clave a solucionar. No obstante, la virtualización por si misma no ofrece una solución suficientemente flexible en términos de utilización del ancho de banda. Por tal de proporcionar un entorno de virtualización suficientemente flexible para acomodar cualquier ancho de banda con suficiente granularidad, es necesario que el sustrato físico adopte una tecnología de transporte igual de flexible. Las Redes Ópticas Elásticas (EONs) se presentan como una solución eficiente para una asignación flexible del ancho de banda en redes ópticas. Además, debido a la heterogeneidad y dinamismo de los perfiles de tráfico a los cuales se enfrentaran las redes virtuales, es altamente deseable proporcionar una infraestructura física que ayuda a mantener bajos los gastos operativos (OPEX) de estas redes, siendo un parámetro muy importante el consumo energético asociado a la operación de las VONs. El tema del consumo energético ha sido, y aun es, sujeto de grandes iniciativas de investigación centradas en desarrollar nuevas arquitecturas de dispositivos o algoritmos de asignación de recursos conscientes del consumo energético por tal de proporcionar redes de transporte ópticas más eficientes energéticamente que, a su vez, permitan crear infraestructuras virtuales menos costosas des del punto de vista energético. Esta tesis se centra en el estudio de la composición y asignación de recursos a las VONs, con el objetivo de proporcionar un entorno flexible, eficiente y optimizado para la incrustación de las VONs en el sustrato físico real. El escenario considerado se compone de una red de transporte subyacente, ya sea una Red Óptica de Conmutación de Longitud de Onda (WSON) o EON, y múltiples VONs cliente, las cuales se colocaran encima del sustrato físico. En este escenario, un aspecto clave se refiere a como los recursos reales se asocian a los virtuales, garantizando el aislamiento entre VONs y satisfaciendo los recursos pedidos (por ejemplo, capacidad de enlace) por cada una de ellas. Después de una introducción a la tesis, el capítulo 2 revisa las infraestructuras de redes ópticas actuales, concluyendo en la necesidad de avanzar hacia una infraestructura de red óptica más dinámica y eficiente por tal de afrontar el crecimiento del tráfico en Internet y la aparición de nuevos servicios y paradigmas. Seguidamente, se procede a resumir el estado del arte de los conceptos y paradigmas que permitirán habilitar esta arquitectura de red, básicamente, VONs, EONs y las infraestructuras ópticas de bajo consumo energético. A continuación, los capítulos 3, 4 y 5 se centran en proporcionar soluciones para optimizar aspectos específicos de estos conceptos con la finalidad de proporcionar un marco optimizado que ayudara en la configuración de las futuras infraestructuras de redes ópticas y sus modelos de negocio. Concretamente, el capítulo 3 estudia los principales retos en el problema de la incrustación de VONs y presenta soluciones que permiten una asignación de recursos optimizada a las VONs en un sustrato físico dependiendo de las características de las VONs y del sustrato de red. El capítulo 4 propone el concepto de Split Spectrum (SS) como una forma de mejorar la utilizaci_on del espectro en las EONs. Finalmente, el capítulo 5 se centra en proporcionar y evaluar soluciones arquitectónicas y de enrutamiento con el objetivo de reducir el consumo energético del sustrato óptico de tal manera que VONs con menor OPEX puedan ser desplegadas mediante este sustrato

Optical flow switched networks

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.Includes bibliographical references (p. 253-279).In the four decades since optical fiber was introduced as a communications medium, optical networking has revolutionized the telecommunications landscape. It has enabled the Internet as we know it today, and is central to the realization of Network-Centric Warfare in the defense world. Sustained exponential growth in communications bandwidth demand, however, is requiring that the nexus of innovation in optical networking continue, in order to ensure cost-effective communications in the future. In this thesis, we present Optical Flow Switching (OFS) as a key enabler of scalable future optical networks. The general idea behind OFS-agile, end-to-end, all-optical connections-is decades old, if not as old as the field of optical networking itself. However, owing to the absence of an application for it, OFS remained an underdeveloped idea-bereft of how it could be implemented, how well it would perform, and how much it would cost relative to other architectures. The contributions of this thesis are in providing partial answers to these three broad questions. With respect to implementation, we address the physical layer design of OFS in the metro-area and access, and develop sensible scheduling algorithms for OFS communication. Our performance study comprises a comparative capacity analysis for the wide-area, as well as an analytical approximation of the throughput-delay tradeoff offered by OFS for inter-MAN communication. Lastly, with regard to the economics of OFS, we employ an approximate capital expenditure model, which enables a throughput-cost comparison of OFS with other prominent candidate architectures. Our conclusions point to the fact that OFS offers significant advantage over other architectures in economic scalability.(cont.) In particular, for sufficiently heavy traffic, OFS handles large transactions at far lower cost than other optical network architectures. In light of the increasing importance of large transactions in both commercial and defense networks, we conclude that OFS may be crucial to the future viability of optical networking.by Guy E. Weichenberg.Ph.D