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

Resilience mechanisms for carrier-grade networks

In recent years, the advent of new Future Internet (FI) applications is creating ever-demanding requirements. These requirements are pushing network carriers for high transport capacity, energy efficiency, as well as high-availability services with low latency. A widespread practice to provide FI services is the adoption of a multi-layer network model consisting in the use of IP/MPLS and optical technologies such as Wavelength Division Multiplexing (WDM). Indeed, optical transport technologies are the foundation supporting the current telecommunication network backbones, because of the high transmission bandwidth achieved in fiber optical networks. Traditional optical networks consist of a fixed 50 GHz grid, resulting in a low Optical Spectrum (OS) utilization, specifically with transmission rates above 100 Gbps. Recently, optical networks have been undergoing significant changes with the purpose of providing a flexible grid that can fully exploit the potential of optical networks. This has led to a new network paradigm termed as Elastic Optical Network (EON). In recent years, the advent of new Future Internet (FI) applications is creating ever-demanding requirements. A widespread practice to provide FI services is the adoption of a multi-layer network model consisting in the use of IP/MPLS and optical technologies such as Wavelength Division Multiplexing (WDM). Traditional optical networks consist of a fixed 50 GHz grid, resulting in a low Optical Spectrum (OS) utilization. Recently, optical networks have been undergoing significant changes with the purpose of providing a flexible grid that can fully exploit the potential of optical networks. This has led to a new network paradigm termed as Elastic Optical Network (EON). Recently, a new protection scheme referred to as Network Coding Protection (NCP) has emerged as an innovative solution to proactively enable protection in an agile and efficient manner by means of throughput improvement techniques such as Network Coding. It is an intuitive reasoning that the throughput advantages of NCP might be magnified by means of the flexible-grid provided by EONs. The goal of this thesis is three-fold. The first, is to study the advantages of NCP schemes in planning scenarios. For this purpose, this thesis focuses on the performance of NCP assuming both a fixed as well as a flexible spectrum grid. However, conversely to planning scenarios, in dynamic scenarios the accuracy of Network State Information (NSI) is crucial since inaccurate NSI might substantially affect the performance of an NCP scheme. The second contribution of this thesis is to study the performance of protection schemes in dynamic scenarios considering inaccurate NSI. For this purpose, this thesis explores prediction techniques in order to mitigate the negative effects of inaccurate NSI. On the other hand, Internet users are continuously demanding new requirements that cannot be supported by the current host-oriented communication model.This communication model is not suitable for future Internet architectures such as the so-called Internet of Things (IoT). Fortunately, there is a new trend in network research referred to as ID/Locator Split Architectures (ILSAs) which is a non-disruptive technique to mitigate the issues related to host-oriented communications. Moreover, a new routing architecture referred to as Path Computation Element (PCE) has emerged with the aim of overcoming the well-known issues of the current routing schemes. Undoubtedly, routing and protection schemes need to be enhanced to fully exploit the advantages provided by new network architectures.In light of this, the third goal of this thesis introduces a novel PCE-like architecture termed as Context-Aware PCE. In a context-aware PCE scenario, the driver of a path computation is not a host/location, as in conventional PCE architectures, rather it is an interest for a service defined within a context.En los últimos años la llegada de nuevas aplicaciones del llamado Internet del Futuro (FI) está creando requerimientos sumamente exigentes. Estos requerimientos están empujando a los proveedores de redes a incrementar sus capacidades de transporte, eficiencia energética, y sus prestaciones de servicios de alta disponibilidad con baja latencia. Es una práctica sumamente extendida para proveer servicios (FI) la adopción de un modelo multi-capa el cual consiste en el uso de tecnologías IP/MPLS así como también ópticas como por ejemplo Wavelength Division Multiplexing (WDM). De hecho, las tecnologías de transporte son el sustento del backbone de las redes de telecomunicaciones actuales debido al gran ancho de banda que proveen las redes de fibra óptica. Las redes ópticas tradicionales consisten en el uso de un espectro fijo de 50 GHz. Esto resulta en una baja utilización del espectro Óptico, específicamente con tasas de transmisiones superiores a 100 Gbps. Recientemente, las redes ópticas están experimentado cambios significativos con el propósito de proveer un espectro flexible que pueda explotar el potencial de las redes ópticas. Esto ha llevado a un nuevo paradigma denominado Redes Ópticas Elásticas (EON). Por otro lado, un nuevo esquema de protección llamado Network Coding Protection (NCP) ha emergido como una solución innovadora para habilitar de manera proactiva protección eficiente y ágil usando técnicas de mejora de throughput como es Network Coding (NC). Es un razonamiento lógico pensar que las ventajas relacionadas con throughput de NCP pueden ser magnificadas mediante el espectro flexible proveído por las redes EONs. El objetivo de esta tesis es triple. El primero es estudiar las ventajas de esquemas NCP en un escenario de planificación. Para este propósito, esta tesis se enfoca en el rendimiento de NCP asumiendo un espectro fijo y un espectro flexible. Sin embargo, contrario a escenarios de planificación, en escenarios dinámicos la precisión relacionada de la Información de Estado de Red (NSI) es crucial, ya que la imprecisión de NSI puede afectar sustancialmente el rendimiento de un esquema NCP. La segunda contribución de esta tesis es el estudio del rendimiento de esquemas de protección en escenarios dinámicos considerando NSI no precisa. Para este propósito, esta tesis explora técnicas predictivas con el propósito de mitigar los efectos negativos de NSI impreciso. Por otro lado, los usuarios de Internet están demandando continuamente nuevos requerimientos los cuales no pueden ser soportados por el modelo de comunicación orientado a hosts. Este modelo de comunicaciones no es factible para arquitecturas FI como es el Internet de las cosas (IoT). Afortunadamente, existe un nueva línea investigativa llamada ID/Locator Split Architectures (ILSAs) la cual es una técnica no disruptiva para mitigar los problemas relacionadas con el modelo de comunicación orientado a hosts. Además, un nuevo esquema de enrutamiento llamado as Path Computation Element (PCE) ha emergido con el propósito de superar los problemas bien conocidos de los esquemas de enrutamiento tradicionales. Indudablemente, los esquemas de enrutamiento y protección deben ser mejorados para que estos puedan explotar las ventajas introducidas por las nuevas arquitecturas de redes. A luz de esto, el tercer objetivo de esta tesis es introducir una nueva arquitectura PCE denominada Context-Aware PCE. En un escenario context-aware PCE, el objetivo de una acción de computación de camino no es un host o localidad, como es el caso en lo esquemas PCE tradicionales. Más bien, es un interés por un servicio definido dentro de una información de contexto