ENERGY EFFICIENT WIRED NETWORKING

This research proposes a new dynamic energy management framework for a backbone Internet Protocol over Dense Wavelength Division Multiplexing (IP over DWDM) network. Maintaining the logical IP-layer topology is a key constraint of our architecture whilst saving energy by infrastructure sleeping and virtual router migration. The traffic demand in a Tier 2/3 network typically has a regular diurnal pattern based on people‟s activities, which is high in working hours and much lighter during hours associated with sleep. When the traffic demand is light, virtual router instances can be consolidated to a smaller set of physical platforms and the unneeded physical platforms can be put to sleep to save energy. As the traffic demand increases the sleeping physical platforms can be re-awoken in order to host virtual router instances and so maintain quality of service. Since the IP-layer topology remains unchanged throughout virtual router migration in our framework, there is no network disruption or discontinuities when the physical platforms enter or leave hibernation. However, this migration places extra demands on the optical layer as additional connections are needed to preserve the logical IP-layer topology whilst forwarding traffic to the new virtual router location. Consequently, dynamic optical connection management is needed for the new framework. Two important issues are considered in the framework, i.e. when to trigger the virtual router migration and where to move virtual router instances to? For the first issue, a reactive mechanism is used to trigger the virtual router migration by monitoring the network state. Then, a new evolutionary-based algorithm called VRM_MOEA is proposed for solving the destination physical platform selection problem, which chooses the appropriate location of virtual router instances as traffic demand varies. A novel hybrid simulation platform is developed to measure the performance of new framework, which is able to capture the functionality of the optical layer, the IP layer data-path and the IP/optical control plane. Simulation results show that the performance of network energy saving depends on many factors, such as network topology, quiet and busy thresholds, and traffic load; however, savings of around 30% are possible with typical medium-sized network topologies

An evolutionary based dynamic energy management framework for IP-over-DWDM networks

We wish to thank COST (European Cooperation in Science and Technology), under Action IC0804 for their support of this wor

Towards cognitive in-operation network planning

Next-generation internet services such as live TV and video on demand require high bandwidth and ultra-low latency. The ever-increasing volume, dynamicity and stringent requirements of these services’ demands are generating new challenges to nowadays telecom networks. To decrease expenses, service-layer content providers are delivering their content near the end users, thus allowing a low latency and tailored content delivery. As a consequence of this, unseen metro and even core traffic dynamicity is arising with changes in the volume and direction of the traffic along the day. A tremendous effort to efficiently manage networks is currently ongoing towards the realisation of 5G networks. This translates in looking for network architectures supporting dynamic resource allocation, fulfilling strict service requirements and minimising the total cost of ownership (TCO). In this regard, in-operation network planning was recently proven to successfully support various network reconfiguration use cases in prospective scenarios. Nevertheless, additional research to extend in-operation planning capabilities from typical reactive optimization schemes to proactive and predictive schemes based on the analysis of network monitoring data is required. A hot topic raising increasing attention is cognitive networking, where an elevated knowledge about the network could be obtained as a result of introducing data analytics in the telecom operator’s infrastructure. By using predictive knowledge about the network traffic, in-operation network planning mechanisms could be enhanced to efficiently adapt the network by means of future traffic prediction, thus achieving cognitive in-operation network planning. In this thesis, we focus on studying mechanisms to enable cognitive in-operation network planning in core networks. In particular, we focus on dynamically reconfiguring virtual network topologies (VNT) at the MPLS layer, covering a number of detailed objectives. First, we start studying mechanisms to allow network traffic flow modelling, from monitoring and data transformation to the estimation of predictive traffic model based on this data. By means of these traffic models, then we tackle a cognitive approach to periodically adapt the core VNT to current and future traffic, using predicted traffic matrices based on origin-destination (OD) predictive models. This optimization approach, named VENTURE, is efficiently solved using dedicated heuristic algorithms and its feasibility is demonstrated in an experimental in-operation network planning environment. Finally, we extend VENTURE to consider core flows dynamicity as a result of metro flows re-routing, which represents a meaningful dynamic traffic scenario. This extension, which entails enhancements to coordinate metro and core network controllers with the aim of allowing fast adaption of core OD traffic models, is evaluated and validated in terms of traffic models accuracy and experimental feasibility.Els serveis d’internet de nova generació tals com la televisió en viu o el vídeo sota demanda requereixen d’un gran ample de banda i d’ultra-baixa latència. L’increment continu del volum, dinamicitat i requeriments d’aquests serveis està generant nous reptes pels teleoperadors de xarxa. Per reduir costs, els proveïdors de contingut estan disposant aquests més a prop dels usuaris finals, aconseguint així una entrega de contingut feta a mida. Conseqüentment, estem presenciant una dinamicitat mai vista en el tràfic de xarxes de metro amb canvis en la direcció i el volum del tràfic al llarg del dia. Actualment, s’està duent a terme un gran esforç cap a la realització de xarxes 5G. Aquest esforç es tradueix en cercar noves arquitectures de xarxa que suportin l’assignació dinàmica de recursos, complint requeriments de servei estrictes i minimitzant el cost total de la propietat. En aquest sentit, recentment s’ha demostrat com l’aplicació de “in-operation network planning” permet exitosament suportar diversos casos d’ús de reconfiguració de xarxa en escenaris prospectius. No obstant, és necessari dur a terme més recerca per tal d’estendre “in-operation network planning” des d’un esquema reactiu d’optimització cap a un nou esquema proactiu basat en l’analítica de dades provinents del monitoritzat de la xarxa. El concepte de xarxes cognitives es també troba al centre d’atenció, on un elevat coneixement de la xarxa s’obtindria com a resultat d’introduir analítica de dades en la infraestructura del teleoperador. Mitjançant un coneixement predictiu sobre el tràfic de xarxa, els mecanismes de in-operation network planning es podrien millorar per adaptar la xarxa eficientment basant-se en predicció de tràfic, assolint així el que anomenem com a “cognitive in-operation network Planning”. En aquesta tesi ens centrem en l’estudi de mecanismes que permetin establir “el cognitive in-operation network Planning” en xarxes de core. En particular, ens centrem en reconfigurar dinàmicament topologies de xarxa virtual (VNT) a la capa MPLS, cobrint una sèrie d’objectius detallats. Primer comencem estudiant mecanismes pel modelat de fluxos de tràfic de xarxa, des del seu monitoritzat i transformació fins a l’estimació de models predictius de tràfic. Posteriorment, i mitjançant aquests models predictius, tractem un esquema cognitiu per adaptar periòdicament la VNT utilitzant matrius de tràfic basades en predicció de parells origen-destí (OD). Aquesta optimització, anomenada VENTURE, és resolta eficientment fent servir heurístiques dedicades i és posteriorment avaluada sota escenaris de tràfic de xarxa dinàmics. A continuació, estenem VENTURE considerant la dinamicitat dels fluxos de tràfic de xarxes de metro, el qual representa un escenari rellevant de dinamicitat de tràfic. Aquesta extensió involucra millores per coordinar els operadors de metro i core amb l’objectiu d’aconseguir una ràpida adaptació de models de tràfic OD. Finalment, proposem dues arquitectures de xarxa necessàries per aplicar els mecanismes anteriors en entorns experimentals, emprant protocols estat-de-l’art com són OpenFlow i IPFIX. La metodologia emprada per avaluar el treball anterior consisteix en una primera avaluació numèrica fent servir un simulador de xarxes íntegrament dissenyat i desenvolupat per a aquesta tesi. Després d’aquesta validació basada en simulació, la factibilitat experimental de les arquitectures de xarxa proposades és avaluada en un entorn de proves distribuït.Postprint (published version

Towards cognitive in-operation network planning

Next-generation internet services such as live TV and video on demand require high bandwidth and ultra-low latency. The ever-increasing volume, dynamicity and stringent requirements of these services’ demands are generating new challenges to nowadays telecom networks. To decrease expenses, service-layer content providers are delivering their content near the end users, thus allowing a low latency and tailored content delivery. As a consequence of this, unseen metro and even core traffic dynamicity is arising with changes in the volume and direction of the traffic along the day. A tremendous effort to efficiently manage networks is currently ongoing towards the realisation of 5G networks. This translates in looking for network architectures supporting dynamic resource allocation, fulfilling strict service requirements and minimising the total cost of ownership (TCO). In this regard, in-operation network planning was recently proven to successfully support various network reconfiguration use cases in prospective scenarios. Nevertheless, additional research to extend in-operation planning capabilities from typical reactive optimization schemes to proactive and predictive schemes based on the analysis of network monitoring data is required. A hot topic raising increasing attention is cognitive networking, where an elevated knowledge about the network could be obtained as a result of introducing data analytics in the telecom operator’s infrastructure. By using predictive knowledge about the network traffic, in-operation network planning mechanisms could be enhanced to efficiently adapt the network by means of future traffic prediction, thus achieving cognitive in-operation network planning. In this thesis, we focus on studying mechanisms to enable cognitive in-operation network planning in core networks. In particular, we focus on dynamically reconfiguring virtual network topologies (VNT) at the MPLS layer, covering a number of detailed objectives. First, we start studying mechanisms to allow network traffic flow modelling, from monitoring and data transformation to the estimation of predictive traffic model based on this data. By means of these traffic models, then we tackle a cognitive approach to periodically adapt the core VNT to current and future traffic, using predicted traffic matrices based on origin-destination (OD) predictive models. This optimization approach, named VENTURE, is efficiently solved using dedicated heuristic algorithms and its feasibility is demonstrated in an experimental in-operation network planning environment. Finally, we extend VENTURE to consider core flows dynamicity as a result of metro flows re-routing, which represents a meaningful dynamic traffic scenario. This extension, which entails enhancements to coordinate metro and core network controllers with the aim of allowing fast adaption of core OD traffic models, is evaluated and validated in terms of traffic models accuracy and experimental feasibility.Els serveis d’internet de nova generació tals com la televisió en viu o el vídeo sota demanda requereixen d’un gran ample de banda i d’ultra-baixa latència. L’increment continu del volum, dinamicitat i requeriments d’aquests serveis està generant nous reptes pels teleoperadors de xarxa. Per reduir costs, els proveïdors de contingut estan disposant aquests més a prop dels usuaris finals, aconseguint així una entrega de contingut feta a mida. Conseqüentment, estem presenciant una dinamicitat mai vista en el tràfic de xarxes de metro amb canvis en la direcció i el volum del tràfic al llarg del dia. Actualment, s’està duent a terme un gran esforç cap a la realització de xarxes 5G. Aquest esforç es tradueix en cercar noves arquitectures de xarxa que suportin l’assignació dinàmica de recursos, complint requeriments de servei estrictes i minimitzant el cost total de la propietat. En aquest sentit, recentment s’ha demostrat com l’aplicació de “in-operation network planning” permet exitosament suportar diversos casos d’ús de reconfiguració de xarxa en escenaris prospectius. No obstant, és necessari dur a terme més recerca per tal d’estendre “in-operation network planning” des d’un esquema reactiu d’optimització cap a un nou esquema proactiu basat en l’analítica de dades provinents del monitoritzat de la xarxa. El concepte de xarxes cognitives es també troba al centre d’atenció, on un elevat coneixement de la xarxa s’obtindria com a resultat d’introduir analítica de dades en la infraestructura del teleoperador. Mitjançant un coneixement predictiu sobre el tràfic de xarxa, els mecanismes de in-operation network planning es podrien millorar per adaptar la xarxa eficientment basant-se en predicció de tràfic, assolint així el que anomenem com a “cognitive in-operation network Planning”. En aquesta tesi ens centrem en l’estudi de mecanismes que permetin establir “el cognitive in-operation network Planning” en xarxes de core. En particular, ens centrem en reconfigurar dinàmicament topologies de xarxa virtual (VNT) a la capa MPLS, cobrint una sèrie d’objectius detallats. Primer comencem estudiant mecanismes pel modelat de fluxos de tràfic de xarxa, des del seu monitoritzat i transformació fins a l’estimació de models predictius de tràfic. Posteriorment, i mitjançant aquests models predictius, tractem un esquema cognitiu per adaptar periòdicament la VNT utilitzant matrius de tràfic basades en predicció de parells origen-destí (OD). Aquesta optimització, anomenada VENTURE, és resolta eficientment fent servir heurístiques dedicades i és posteriorment avaluada sota escenaris de tràfic de xarxa dinàmics. A continuació, estenem VENTURE considerant la dinamicitat dels fluxos de tràfic de xarxes de metro, el qual representa un escenari rellevant de dinamicitat de tràfic. Aquesta extensió involucra millores per coordinar els operadors de metro i core amb l’objectiu d’aconseguir una ràpida adaptació de models de tràfic OD. Finalment, proposem dues arquitectures de xarxa necessàries per aplicar els mecanismes anteriors en entorns experimentals, emprant protocols estat-de-l’art com són OpenFlow i IPFIX. La metodologia emprada per avaluar el treball anterior consisteix en una primera avaluació numèrica fent servir un simulador de xarxes íntegrament dissenyat i desenvolupat per a aquesta tesi. Després d’aquesta validació basada en simulació, la factibilitat experimental de les arquitectures de xarxa proposades és avaluada en un entorn de proves distribuït

Cross-layer modeling and optimization of next-generation internet networks

Scaling traditional telecommunication networks so that they are able to cope with the volume of future traffic demands and the stringent European Commission (EC) regulations on emissions would entail unaffordable investments. For this very reason, the design of an innovative ultra-high bandwidth power-efficient network architecture is nowadays a bold topic within the research community. So far, the independent evolution of network layers has resulted in isolated, and hence, far-from-optimal contributions, which have eventually led to the issues today's networks are facing such as inefficient energy strategy, limited network scalability and flexibility, reduced network manageability and increased overall network and customer services costs. Consequently, there is currently large consensus among network operators and the research community that cross-layer interaction and coordination is fundamental for the proper architectural design of next-generation Internet networks. This thesis actively contributes to the this goal by addressing the modeling, optimization and performance analysis of a set of potential technologies to be deployed in future cross-layer network architectures. By applying a transversal design approach (i.e., joint consideration of several network layers), we aim for achieving the maximization of the integration of the different network layers involved in each specific problem. To this end, Part I provides a comprehensive evaluation of optical transport networks (OTNs) based on layer 2 (L2) sub-wavelength switching (SWS) technologies, also taking into consideration the impact of physical layer impairments (PLIs) (L0 phenomena). Indeed, the recent and relevant advances in optical technologies have dramatically increased the impact that PLIs have on the optical signal quality, particularly in the context of SWS networks. Then, in Part II of the thesis, we present a set of case studies where it is shown that the application of operations research (OR) methodologies in the desing/planning stage of future cross-layer Internet network architectures leads to the successful joint optimization of key network performance indicators (KPIs) such as cost (i.e., CAPEX/OPEX), resources usage and energy consumption. OR can definitely play an important role by allowing network designers/architects to obtain good near-optimal solutions to real-sized problems within practical running times

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

On the resource abstraction, partitioning and composition for virtual GMPLS-controlled multi-layer optical networks

Virtual optical networking supports the dynamic provisioning of dedicated networks over the same network infrastructure, which has received a lot of attention by network providers. The stringent network requirements (e.g., Quality of Service -QoS-, Service Level Agreement -SLA-, dynamicity) of the emerging high bandwidth and dynamic applications such as high-definition video streaming (e.g., telepresence, television, remote surgery, etc.), and cloud computing (e.g., real-time data backup, remote desktop, etc.) can be supported by the deployment of dynamic infrastructure services to build ad-hoc Virtual Optical Networks (VON), which is known as Infrastructure as a Service (IaaS). Future Internet should support two separate entities: infrastructure providers (who manage the physical infrastructure) and service providers (who deploy network protocols and offer end-to-end services). Thus, network service providers shall request, on a per-need basis, a dedicated and application-specific VON and have full control over it. Optical network virtualization technologies allow the partitioning/composition of the network infrastructure (i.e., physical optical nodes and links) into independent virtual resources, adopting the same functionality as the physical resource. The composition of these virtual resources (i.e., virtual optical nodes and links) allows the deployment of multiple VONs. A VON must be composed of not only a virtual transport plane but also of a virtual control plane, with the purpose of providing the required independent and full control functionalities (i.e., automated connection provisioning and recovery (protection/restauration), traffic engineering (e.g., QoS, SLA), etc.). This PhD Thesis focuses on optical network virtualization, with three main objectives. The first objective consists on the design, implementation and evaluation of an architecture and the necessary protocols and interfaces for the virtualization of a Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) controlled Wavelength Switched Optical Network (WSON) and the introduction of a resource broker for dynamic virtual GMPLS-controlled WSON infrastructure services, whose task is to dynamically deploy VONs from service provider requests. The introduction of a resource broker implies the need for virtual resource management and allocation algorithms for optimal usage of the shared physical infrastructure. Also, the deployment of independent virtual GMPLS control plane on top of each VON shall be performed by the resource broker. This objective also includes the introduction of optical network virtualization for Elastic Optical Networks (EON). The second objective is to design, implement and experimentally evaluate a system architecture for deploying virtual GMPLS-controlled Multi-Protocol Label Switching Transport Profile (MPLS-TP) networks over a shared WSON. With this purpose, this PhD Thesis also focuses on the design and development of MPLS-TP nodes which are deployed on the WSON of the ADRENALINE Testbed at CTTC premises. Finally, the third objective is the composition of multiple virtual optical networks with heterogeneous control domains (e.g., GMPLS, OpenFlow). A multi-domain resource broker has been designed, implemented and evaluated.La gestió de xarxes òptiques virtuals permet la provisió dinàmica de xarxes dedicades a sobre la mateixa infraestructura de xarxa i ha cridat molt l’atenció als proveïdors de xarxes. Els requisits de xarxa (per exemple la qualitat de servei, els acords de nivell de servei o la dinamicitat) són cada cop més astringents per a les aplicacions emergents d'elevat ample de banda i dinàmiques, que inclouen per exemple la reproducció en temps real de vídeo d'alta definició (telepresència, televisió, telemedicina) i serveis d’informàtica en núvol (còpies de seguretat en temps real, escriptori remot). Aquests requisits poden ser assolits a través del desplegament de serveis de infraestructura dinàmics per construir xarxes òptiques virtuals (VON, en anglès), fet que és conegut com a infraestructura com a servei (IaaS). La internet del futur hauria de suportar dos entitats diferenciades: els proveïdors d'infraestructures (responsables de gestionar la infraestructura física), i els proveïdors de serveis (responsables dels protocols de xarxa i d'oferir els serveis finals). D'aquesta forma els proveïdors de serveis podrien sol•licitar i gestionar en funció de les necessitats xarxes òptiques virtuals dedicades i específiques per les aplicacions. Les tecnologies de virtualització de xarxes òptiques virtuals permeten la partició i composició de infraestructura de xarxa (nodes i enllaços òptics) en recursos virtuals independents que adopten les mateixes funcionalitats que els recursos físics. La composició d'aquests recursos virtuals (nodes i enllaços òptics virtuals) permet el desplegament de múltiples VONs. Una VON no sols està composada per un pla de transport virtual, sinó també per un pla de control virtual, amb l'objectiu d'incorporar les funcionalitats necessàries a la VON (provisió de connexions automàtiques i recuperació (protecció/restauració), enginyeria de tràfic, etc.). Aquesta tesis es centra en la virtualització de xarxes òptiques amb tres objectius principals. El primer objectiu consisteix en el disseny, implementació i avaluació de l'arquitectura i els protocols i interfícies necessaris per la virtualització de xarxes encaminades a través de la longitud d'ona i controlades per GMPLS. També inclou la introducció d'un gestor de recursos per desplegar xarxes òptiques virtuals de forma dinàmica. La introducció d'aquest gestor de recursos implica la necessitat d'una gestió dels recursos virtuals i d’algoritmes d’assignació de recursos per a la utilització òptima dels recursos físics. A més el gestor de recursos ha de ser capaç del desplegament dels recursos assignats, incloent un pla de control GMPLS virtual independent per a cada VON desplegada. Finalment, aquest objectiu inclou la introducció de mecanismes de virtualització per a xarxes elàstiques òptiques (EON, en anglès). El segon objectiu és el disseny, la implementació i l’avaluació experimental d'una arquitectura de sistema per oferir xarxes MPLS-TP virtuals controlades per GMPLS sobre una infraestructura i WSON compartida. Per això, aquesta tesis també es centra en el disseny i desenvolupament d'un node MPLS-TP que ha estat desplegat al demostrador ADRENALINE, al CTTC. Finalment, el tercer objectiu és la composició de múltiples xarxes òptiques virtuals en dominis de control heterogenis (GMPLS i OpenFlow). Un gestor de recursos multi-domini ha estat dissenyat, implementat i avaluat.La gestión de redes ópticas virtuales permite la provisión dinámica de redes dedicadas encima la misma infraestructura de red y ha llamado mucho la atención a los proveedores de redes. Los requisitos de red (por ejemplo la calidad de servicio, los acuerdos de nivel de servicio o la dinamicidad) son cada vez más estringentes para las aplicaciones emergentes de elevado ancho de banda y dinámicas, que incluyen por ejemplo la reproducción en tiempo real de vídeo de alta definición (telepresencia, televisión, telemedicina) y servicios de computación en la nube (copias de seguridad en tiempo real, escritorio remoto). Estos requisitos pueden ser logrados a través del despliegue de servicios de infraestructura dinámicos para construir redes ópticas virtuales (VON, en inglés), hecho que es conocido como infraestructura como servicio (IaaS). La internet del futuro tendrá que soportar dos entidades diferenciadas: los proveedores de infraestructuras (responsables de gestionar la infraestructura física), y los proveedores de servicios (responsables de los protocolos de red y de ofrecer los servicios finales). De esta forma los proveedores de servicios podrán solicitar y gestionar en función de las necesitados redes ópticas virtuales dedicadas y específicas por las aplicaciones. Las tecnologías de virtualización de redes ópticas virtuales permiten la partición y composición de infraestructura de red (nodos y enlaces ópticos) en recursos virtuales independientes que adoptan las mismas funcionalidades que los recursos físicos. La composición de estos recursos virtuales (nodos y enlaces ópticos virtuales) permite el despliegue de múltiples VONs. Una VON no sólo está compuesta por un plan de transporte virtual, sino también por un plan de control virtual, con el objetivo de incorporar las funcionalidades necesarias a la VON (provisión de conexiones automáticas y recuperación (protección/restauración), ingeniería de tráfico, etc.). Esta tesis se centra en la virtualización de redes ópticas con tres objetivos principales. El primer objetivo consiste en el diseño, implementación y evaluación de la arquitectura y los protocolos e interfaces necesarios por la virtualización de redes encaminadas a través de la longitud de ola y controladas por GMPLS. También incluye la introducción de un gestor de recursos para desplegar redes ópticas virtuales de forma dinámica. La introducción de este gestor de recursos implica la necesidad de una gestión de los recursos virtuales y de algoritmos de asignación de recursos para la utilización óptima de los recursos físicos. Además el gestor de recursos tiene que ser capaz del despliegue de los recursos asignados, incluyendo un plan de control GMPLS virtual independiente para cada VON desplegada. Finalmente, este objetivo incluye la introducción de mecanismos de virtualización para redes elásticas ópticas (EON, en inglés). El segundo objetivo es el diseño, la implementación y la evaluación experimental de una arquitectura de sistema para ofrecer redes MPLS-TP virtuales controladas por GMPLS sobre una infraestructura WSON compartida. Por eso, esta tesis también se centra en el diseño y desarrollo de un nodo MPLS-TP que ha sido desplegado al demostrador ADRENALINE, en el CTTC. Finalmente, el tercer objetivo es la composición de múltiples redes ópticas virtuales en dominios de control heterogéneos (GMPLS y OpenFlow). Un gestor de recursos multi-dominio ha sido diseñado, implementado y evaluado

Heterogeneous Cloud Systems Based on Broadband Embedded Computing

Computing systems continue to evolve from homogeneous systems of commodity-based servers within a single data-center towards modern Cloud systems that consist of numerous data-center clusters virtualized at the infrastructure and application layers to provide scalable, cost-effective and elastic services to devices connected over the Internet. There is an emerging trend towards heterogeneous Cloud systems driven from growth in wired as well as wireless devices that incorporate the potential of millions, and soon billions, of embedded devices enabling new forms of computation and service delivery. Service providers such as broadband cable operators continue to contribute towards this expansion with growing Cloud system infrastructures combined with deployments of increasingly powerful embedded devices across broadband networks. Broadband networks enable access to service provider Cloud data-centers and the Internet from numerous devices. These include home computers, smart-phones, tablets, game-consoles, sensor-networks, and set-top box devices. With these trends in mind, I propose the concept of broadband embedded computing as the utilization of a broadband network of embedded devices for collective computation in conjunction with centralized Cloud infrastructures. I claim that this form of distributed computing results in a new class of heterogeneous Cloud systems, service delivery and application enablement. To support these claims, I present a collection of research contributions in adapting distributed software platforms that include MPI and MapReduce to support simultaneous application execution across centralized data-center blade servers and resource-constrained embedded devices. Leveraging these contributions, I develop two complete prototype system implementations to demonstrate an architecture for heterogeneous Cloud systems based on broadband embedded computing. Each system is validated by executing experiments with applications taken from bioinformatics and image processing as well as communication and computational benchmarks. This vision, however, is not without challenges. The questions on how to adapt standard distributed computing paradigms such as MPI and MapReduce for implementation on potentially resource-constrained embedded devices, and how to adapt cluster computing runtime environments to enable heterogeneous process execution across millions of devices remain open-ended. This dissertation presents methods to begin addressing these open-ended questions through the development and testing of both experimental broadband embedded computing systems and in-depth characterization of broadband network behavior. I present experimental results and comparative analysis that offer potential solutions for optimal scalability and performance for constructing broadband embedded computing systems. I also present a number of contributions enabling practical implementation of both heterogeneous Cloud systems and novel application services based on broadband embedded computing

Wavelength reconfigurability for next generation optical access networks

Next generation optical access networks should not only increase the capacity but also be able to redistribute the capacity on the fly in order to manage larger variations in traffic patterns. Wavelength reconfigurability is the instrument to enable such capability of network-wide bandwidth redistribution since it allows dynamic sharing of both wavelengths and timeslots in WDM-TDM optical access networks. However, reconfigurability typically requires tunable lasers and tunable filters at the user side, resulting in cost-prohibitive optical network units (ONU). In this dissertation, I propose a novel concept named cyclic-linked flexibility to address the cost-prohibitive problem. By using the cyclic-linked flexibility, the ONU needs to switch only within a subset of two pre-planned wavelengths, however, the cyclic-linked structure of wavelengths allows free bandwidth to be shifted to any wavelength by a rearrangement process. Rearrangement algorithm are developed to demonstrate that the cyclic-linked flexibility performs close to the fully flexible network in terms of blocking probability, packet delay, and packet loss. Furthermore, the evaluation shows that the rearrangement process has a minimum impact to in-service ONUs. To realize the cyclic-linked flexibility, a family of four physical architectures is proposed. PRO-Access architecture is suitable for new deployments and disruptive upgrades in which the network reach is not longer than 20 km. WCL-Access architecture is suitable for metro-access merger with the reach up to 100 km. PSB-Access architecture is suitable to implement directly on power-splitter-based PON deployments, which allows coexistence with current technologies. The cyclically-linked protection architecture can be used with current and future PON standards when network protection is required